Thiết bị hỗ trợ trong hoạt động quan trắc môi trường không khí

Bơm thu mẫu khí (model C2P) là thiết bị hỗ trợ trong hoạt động quan trắc môi trường không khí xung quanh và môi trường lao động với các đặc tính kỹ thuật phù hợp, hoạt động ổn định và độ tin cậy cao do Trung tâm Quan trắc Môi trường nghiên cứu, chế tạo đã được Cục Sở hữu trí tuệ, Bộ KH&CN cấp Giấy chứng nhận bảo hộ và cấp bằng độc quyền sáng chế .

     Phương pháp lấy mẫu hấp thụ để phân tích nồng độ các chất trong môi trường không khí đã được nghiên cứu phát triển từ những năm đầu thập niên 90. Các phương pháp lấy mẫu khí đang được các đơn vị thực hiện quan trắc môi trường đối với thành phần môi trường không khí xung quanh (VOC, SO2, NO2 và CO2) hay môi trường lao động đều sử dụng các phương pháp theo tiêu chuẩn như NIOSH 1501 (lấy mẫu khí VOC), TCVN 5968:1995 (lấy mẫu khí SO2), TCVN 6137:2009 (lấy mẫu khí NO2), TCVN 5973:1995 (lấy mẫu khí CO2)… Đi kèm là các loại thiết bị lấy mẫu khí (bơm hút khí) lưu lượng thấp. Phương pháp này vẫn chứng tỏ được các ưu điểm: đơn giản, dễ thực hiện triển khai, chi phí thấp (chủ yếu là chi phí cho thiết bị lấy mẫu khí).

     Trên thị trường có rất nhiều hãng cung cấp thiết bị thu mẫu khí như Sibata, SKC, Gilair, Kimoto, Sensydine, Staplex… Tuy nhiên, các thiết bị này cũng gặp phải một số khó khăn như một bơm chỉ lấy được một loại khí, kinh phí đầu tư cho một thiết bị lớn (30 ÷ 45 triệu/thiết bị), thời gian nhập khẩu lâu (6 ÷ 8 tuần), bảo hành/bảo dưỡng phải gửi về hãng… Trong khi đó, thiết bị thu mẫu khí được chế tạo trong nước còn hạn chế, đặc biệt chưa có loại bơm lấy mẫu khí nào được chế tạo hoàn thiện về công năng và mạch điều khiển (được đăng ký theo Luật Sở hữu trí tuệ).

     Với mong muốn chế tạo bơm thu mẫu khí đơn giản phù hợp với điều kiện Việt Nam, tự chủ về mặt công nghệ, hướng tới công năng sử dụng và tương tác thân thiện với quan trắc viên, nhóm nghiên cứu Trung tâm Quan trắc Môi trường đã phát triển thiết bị hoàn thiện về mặt kỹ thuật và phần mềm điều khiển.  

      Nguyên tắc hoạt động và cấu trúc bơm thu mẫu khí

     Bơm thu mẫu khí được thiết kế và xây dựng theo yêu cầu về phương pháp lấy mẫu được trình bày trong TCVN 5969:1995 (ISO 4220: 1983) và TCVN 5978:1995 (ISO 4221: 1983).

     Nguyên tắc hoạt động của bơm thu mẫu khí: Các chất khí trong không khí sẽ được hút cưỡng bức vào trong ống impinger có sẵn hóa chất hấp thụ hoặc các cột lọc bằng bơm thu mẫu khí. Đồng thời, để dòng khí ổn định với lưu lượng phù hợp với tiêu chuẩn thì cần phải sử dụng lưu lượng kế dạng.

     Người sử dụng sẽ nhập các thông số thông qua các phím bấm và màn hình hiển thị. Thông qua các thông tin nhập từ người sử dụng như thời gian lấy mẫu, thời gian trễ, lưu lượng khí cần lấy...,mạch điều khiển sẽ điều khiển công suất hoạt động của bơm và điều khiển thời gian đóng mở bơm để đáp ứng nhu cầu người sử dụng.

     Cấu trúc của bơm thu mẫu khí gồm 2 phần chính: phần thu mẫu khí (màu cam) và phần điện (màu xanh) (Hình 1). Trong đó, hai phần quan trọng nhất là mạch điều khiển và mạch tương tác với người sử dụng.

Hình 1: Sơ đồ cấu tạo của bơm C2P

     Kết quả chế tạo bơm thu mẫu khí

     Bảo hộ kiểu dáng công nghiệp: Ngày 13/5/2016, Cục Sở hữu trí tuệ đã ban hành Quyết định số 27623/QĐ-SHTT về việc bảo hộ và cấp bằng độc quyền sáng chế cho sản phẩm bơm thu mẫu khí (model C2P). Bằng có hiệu lực trong vòng 5 năm kể từ ngày nộp đơn (10/8/2015) và có thể gia hạn tiếp sau đó.

     Bơm thu mẫu khí (model C2P) được bảo hộ kiểu dáng công nghiệp với các đặc điểm: Bơm có hình dạng là một khối hộp chữ nhật với tỷ lệ chiều dài/chiều rộng/chiều cao là 215 mm/180 mm/140 cm, bao gồm hai phần: phần nắp hộp và phần thân hộp. Nắp hộp được gắn với thân hộp bằng 11 ốc vít chìm và tay cầm hình chữ U. Các mặt trước, sau, trái, phải của hộp đều có dạng hình chữ nhật, phía trên và phía dưới hơi vát. Mặt dưới của hộp hình chữ nhật, hơi vát ở các cạnh.

     Mặt trước có cấu tạo 2 lưu lượng kế để điều chỉnh dòng khí, 1 màn hình hiển thị kết quả, 4 nút điều khiển (mode, down, up, enter) và 3 đèn báo trạng thái (status, AC, charge). Mặt sau được thiết kế 1 ổ cắm USB, 1 cắm nguồn điện và 1 công tắc. Mặt trái, mặt phải tương tự nhau và được thiết kế thêm bộ gá 2 ống impinger để lấy mẫu khí. Mặt trên có dạng hình chữ nhật với màu xanh và có tay cầm bằng inox. Mặt dưới được thiết kế vít ren chìm để bắt giá đỡ thiết bị.

Mặt trước

Mặt bên

Tổng thể

Hình 2: Kiểu dáng công nghiệp của bơm thu mẫu khí (C2P)

Hình 3: Bằng độc quyền kiểu dáng công nghiệp và Catalogue của Bơm thu mẫu khí (C2P)

     Về đặc tính kỹ thuật của thiết bị: Quá trình kiểm tra các thông số kỹ thuật về độ chính xác, độ lặp lại, tuân thủ theo quy trình kiểm tra, quy trình hiệu chuẩn, cho thấy bơm C2P hoàn toàn đáp ứng về mặt kỹ thuật đo lường, có khả năng đáp ứng tốt việc lấy mẫu khí với các dải đo khác nhau trong khoảng lưu lượng thấp (0 ÷ 2) L/min. Mẫu bơm C2P cũng được lựa chọn ngẫu nhiên và thực hiện thử nghiệm theo quy định bởi Viện Đo lường Việt Nam, đã cho kết quả tương đương với sự sai khác không đáng kể. Như vậy có thể nhận định về khả năng hoạt động tốt và ổn định của bơm C2P là hoàn toàn đáp ứng về mặt đo lường và phương pháp đo theo TCVN.

     Ưu thế về công năng và hiệu suất: Sau một số thử nghiệm, C2P được lựa chọn sử dụng Pin Lipo dung lượng cao với thời gian sử dụng hiệu năng lý thuyết từ (6 ÷ 8) giờ chạy liên tục. Chế độ thử nghiệm thời lượng sử dụng pin cho kết quả, với 03 bơm C2P ngẫu nhiên được lựa chọn, thời gian trung bình đạt được là 7,76 giờ (tương đương với khoảng 7h45’ sử dụng khi pin được sạc đầy).

     Ngoài ra, thiết bị cũng được tích hợp ngõ vào điện nguồn để có thể chạy trực tiếp khi cần sử dụng thiết bị liên tục trong thời gian dài hoặc khi pin gặp sự cố. Khi chạy ở chế độ trực tiếp này, mạch sạc sẽ tự động ngắt nguồn điện không đi qua pin để đảm bảo hiệu năng và an toàn. Một giải pháp khác cũng được thiết kế đáp ứng khả năng vận hành liên tục tại hiện trường là adapter kết nối với ác quy cho khả năng chạy liên tục khi pin yếu và tại những nơi không có điện lưới.

     Với 2 lưu lượng kế được tích hợp và vận hành đồng thời, bơm C2P cho phép người sử dụng thực hiện lấy mẫu đồng thời 2 thông số khác nhau hoặc lấy mẫu lặp cùng thông số tại cùng một thời điểm (mẫu QC). Đây chính là điểm cải tiến của C2P so với các loại bơm khác trên thị trường về công năng sử dụng thực tiễn.

• Hiệu quả kinh tế và khả năng ứng dụng: Qua so sánh với các thiết bị của các hãng nước ngoài cũng như nhu cầu sử dụng thiết bị thu mẫu khí ở Việt Nam thì thiết bị C2P đáp ứng được những yêu cầu như: dải lưu lượng (0,2 ÷ 2) L/min với 2 đầu hút mẫu khí để thu thập đồng thời cùng một lúc song chỉ sử dụng 01 bơm hút. Giá thành chế tạo thiết bị C2P bằng khoảng ½ so với các thiết bị khác trên thị trường mà vẫn đảm bảo được đặc tính kỹ thuật. Thiết bị này hỗ trợ việc lấy mẫu khí ở thực địa nên cần có thời gian hoạt động độc lập dài lên đến 8 tiếng. Lấy mẫu được cùng lúc 2 thông số bằng 2 đường riêng biệt nên rút ngắn thời gian lấy mẫu hiện trường ½ so với thông thường. Tăng hiệu quả kinh tế trong triển khai lấy mẫu thực địa và giảm thời gian làm việc của quan trắc viên ngoài hiện trường. Thiết kế cứng cáp, nhỏ gọn, nhẹ, tránh va đập trong quá trình vận chuyển, sử dụng và đáp ứng tính thẩm mỹ.

     Tuy vậy, C2P vẫn còn một số những hạn chế cần cải tiến. Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục thu nhỏ mạch điều khiển, pin và các yếu tố kỹ thuật khác để C2P trở thành một thiết bị đa năng, có thể vận hành trong các điều kiện khác nhau và đáp ứng các phương pháp, mục đích lấy mẫu không khí khác nhau.

     Hy vọng trong thời gian tới, sản phẩm C2P của Trung tâm Quan trắc Môi trường sẽ là sản phẩm thương mại, cung cấp ra thị trường phục vụ cho người sử dụng để khắc phục những hạn chế về giá thành và sự phụ thuộc do phải nhập ngoại, phù hợp và phát huy hiệu quả trong điều kiện của Việt Nam.