Nghiên cứu chế tạo cảm biến nano và hệ thiết bị giám sát các chỉ tiêu chất lượng nước sinh hoạt

Nghiên cứu chế tạo cảm biến nano và hệ thiết bị giám sát các chỉ tiêu chất lượng nước sinh hoạt

Nhiều khu vực trên thế giới đang phải đối mặt với nguồn nước sạch giảm dần. Điều này xuất phát từ nhiều yếu tố như nguồn cung cấp nước giảm, sự ô nhiễm và sử dụng quá mức nước mặt và nước ngầm và lượng mưa thấp trong thời gian dài. Từ những năm 1950 đến những năm 1990, dân số toàn cầu tăng 100%, cùng với lượng nước ngọt giảm dần dẫn đến sự sụt giảm đáng kể đối với nguồn nước sẵn có trên đầu người (giảm từ 17.000 đến 70.000 m³ trên đầu người). Ngoài ra, có tới 90% nước thải được thải ra môi trường mà không qua xử lý, gây thiệt hại nặng nề cho sức khỏe cộng đồng. Sự có mặt của trầm tích trong nước uống cũng là nguyên nhân của các chất độc hại như kim loại nặng. Mỗi năm, có khoảng bốn tỷ trường hợp mắc bệnh tiêu chảy, gây ra 1,8 triệu ca tử vong, chủ yếu là trẻ em. Phần lớn các trường hợp này là do nước uống bị ô nhiễm, nước sinh hoạt, vệ sinh không đảm bảo.

Việt Nam là một quốc gia đang phát triển nằm ở Đông Nam Á với diện tích 329,566 km². Với dân số gần 100 triệu người, Việt Nam là quốc gia đông dân thứ 13 trên thế giới. 70% dân số sống ở khu vực nông thôn, tập trung tại hai vùng nông nghiệp chính là Đồng bằng Sông Hồng và Đồng bằng Sông Cửu Long. Từ năm 2000 đến 2010, mức tiêu thụ nước hàng ngày tại Việt Nam đã tăng từ 881.100 lên 1.079.350 m³. Quá trình đô thị hóa và tăng trưởng kinh tế đã dẫn đến sự thay đổi lớn về dân số từ nông thôn đến các thành phố, tạo ra những mối lo ngại về tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Các nguồn gây ô nhiễm nước chủ yếu là nước thải đô thị và công nghiệp chưa được xử lý. Ngoài ra, biến đổi khí hậu và sự nóng lên toàn cầu cũng ảnh hưởng đến chất lượng và hàm lượng của nước mưa, nước ngầm và nước mặt. Do đó, việc tập trung vào bảo vệ môi trường và quản lý các nguồn tái tạo tự nhiên là rất cấp bách để có sự chuyển đổi sang phát triển bền vững. Việc khai thác nước ngầm để sử dụng trong nước ở Việt Nam đã bắt đầu từ khoảng 100 năm trước với việc xây dựng các giếng vận hành bằng máy bơm tay. Việc tiêu thụ nước ngầm bị ô nhiễm gây ra nhiều căn bệnh nghiêm trọng, tác động đáng kể đến sức khỏe con người.

Cơ quan chủ trì Viện Công Nghệ Nano - ĐHQG TP. HCM cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài GS. TS Đặng Mậu Chiến thực hiện “Nghiên cứu chế tạo cảm biến nano và hệ thiết bị giám sát các chỉ tiêu chất lượng nước sinh hoạt theo Quy chuẩn quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt QCVN02:2009/BYT”. Đề tài được thực hiện với mục tiêu nghiên cứu chế tạo một số đầu dò cảm biến nano đo hàm lượng amoni, hàm lượng sắt, hàm lượng arsenic (là một số chỉ tiêu được quy định theo QCVN 02: 2009/BYT) và sau đó tích hợp với các đầu dò thương mại đo một số chỉ tiêu cơ bản khác như pH, độ cứng tổng cộng, clo, độ đục thành một hệ thống cảm biến nano hoàn chỉnh ứng dụng trong kiểm soát chất lượng nước sinh hoạt.

Mở rộng về phía Đông nam từ thủ đô Hà Nội (dân số 11 triệu dân), Đồng bằng Sông Hồng có diện tích 169.000 km² với khí hậu nhiệt đới gió mùa, mùa mưa kéo dài từ tháng 5 đến tháng 9 và mùa khô từ tháng 10 đến tháng 4. Người dân nông thôn đã chuyển từ sử dụng nước mặt hoặc nước từ giếng đào cạn sang sử dụng giếng vận hành bằng máy bơm tay từ tầng ngậm nước Holocene và tầng ngậm nước Pleistocene làm nguồn nước uống chính. Lớp đất sét thấm nước dày vài mét ngăn cách các trầm tích Holocene và Pleistocene và cho phép nước chảy giữa hai tầng ngậm nước. Nước ngầm ở Hà Nội và khu vực lân cận được nhiều nghiên cứu và khảo sát chỉ ra rằng tại đây bị ô nhiễm bởi nồng độ arsenic cao trong tầng ngậm nước Holocene và Pleistocene. Hàm lượng asen vượt quá tiêu chuẩn hiện tại của WHO là 10 μg.L-1 trong 72% số mẫu phân tích từ các giếng bơm khác nhau được đưa vào khảo sát, mặc dù có sự khác biệt đáng kể giữa các khu vực khác nhau với nồng độ dao động từ 0,1 đến 3050 μg.L -1 và nồng độ asen trung bình từ 159 đến 430 μg.L -1 . Các mẫu nước ngầm lấy từ 8 nhà máy xử lý nước tại Hà Nội cho thấy: 3 nhà máy có nồng độ asen từ 240 – 320 μg.L-1 , 5 nhà máy còn lại có nồng độ asen từ 37 – 82 μg·L-1 . Trong số 29 mẫu nước máy được thu thập tại các hộ dân riêng lẻ, 27 mẫu có hàm lượng asen dao động từ 7 μg.L-1 đến 82 μg.L-1 với nồng độ trung bình là 31 μg.L-1 . Đối với nước vòi, asen hòa tan có thể liên kết với các oxit sắt trên bề mặt bên trong các ống nước dẫn đến có nồng độ thấp hơn. Nồng độ asen cao được tìm thấy trong nước từ các ống bơm (48% trên 50 μg.L-1 và 20% trên 150 μg.L-1 ), kết quả cho thấy vài triệu người có thể có nguy cơ bị ngộ độc asen mãn tính. Mức độ ô nhiễm này tương đương với các khu vực như: Bangladesh, Tây Bengal và Ấn Độ. Hàm lượng Fe trong nước ngầm cao hơn so với các kim loại kiềm thổ như Sr và Ba. Mn (có nồng độ 500 mg.L-1 ) và Ba (có nồng độ 700 mg.L-1 ) được tìm thấy ở nồng độ vượt quá giới hạn tiêu chuẩn WHO trong nước sinh hoạt tại một số mẫu nước được lấy tại Hà Nội. Nước ngầm ở Hà Nội có nồng độ Mn trung bình vượt quá 1000 mg.L-1 . 70% mẫu nước ngầm được tìm phân tích có hàm lượng Mn và Ba vượt quá mức khuyến cáo của tổ chức WHO.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

Tổng quan các chỉ tiêu chất lượng nước sinh hoạt và Quy chuẩn quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt; các phương pháp đo các chỉ tiêu chất lượng nước sinh hoạt; các nghiên cứu ngoài nước và trong nước về đo đạc hàm lượng asen, hàm lượng sắt, hàm lượng amoni.

Đánh giá thực trạng tình hình, nhu cầu thực tế về việc đo đạc, kiểm tra chất lượng nước sinh hoạt tại các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) và các tỉnh thành khác trên cả nước. Từ đó, xác định các thông số chỉ tiêu chất lượng nước sinh hoạt cơ bản có thể đo đạc trực tiếp tại hiện trường và tại phòng thí nghiệm.

Thu thập thông tin, tài liệu, dữ liệu về các thiết bị, hệ thống cảm biến trên thị trường sử dụng để đo đạc chất lượng nước sinh hoạt; các phương pháp đo và công nghệ chế tạo đầu dò cảm biến; các phương pháp truyền dữ liệu không dây, các phương thức truyền dữ liệu không dây, thông tin về các thiết bị và linh kiện cần thiết cho việc truyền dữ liệu không dây.

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công đầu dò cảm biến đo hàm lượng asen, hàm lượng sắt, hàm lượng amoni.

Tích hợp các đầu dò cảm biến chế tạo (asen, sắt, amoni) với các đầu dò thương mại (pH, độ cứng tổng cộng, clo, độ đục) thành một Hệ thống cảm biến nano đo các chỉ tiêu chất lượng nước sinh hoạt.

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công bộ hiển thị dữ liệu đo đạc, truyền số liệu tự động qua mạng không dây và lưu trữ dữ liệu trên Web Server.

Đánh giá Hệ thống cảm biến nano trong điều kiện phòng thí nghiệm và thử nghiệm thực tế tại 3 tỉnh Bến Tre, Vĩnh Long, An Giang. Đánh giá độ chính xác, sai số, độ ổn định tín hiệu của hệ thống theo thời gian.