Các thiết bị phân tích là "giác quan hóa học" của một nhà máy, cung cấp những dữ liệu vô giá về thành phần và chất lượng của sản phẩm, đảm bảo an toàn môi trường và tối ưu hóa hiệu suất. Chúng ta có thể chia chúng thành hai nhóm ứng dụng chính phân tích chất lượng nước và phân tích trong các quy trình công nghiệp đặc thù.

Phân tích chất lượng nước và nước thải

Giám sát chất lượng nước là một nhiệm vụ cốt lõi trong cả xử lý nước cấp cho sinh hoạt, công nghiệp và xử lý nước thải trước khi trả về môi trường. Các cảm biến và máy phân tích sau đây đóng vai trò không thể thiếu trong lĩnh vực này.

Cảm biến Độ đục (Turbidity)

Độ đục là một chỉ số quan trọng đánh giá độ trong của nước. Cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý tán xạ ánh sáng, chiếu một chùm tia sáng vào mẫu nước và đo cường độ ánh sáng bị các hạt lơ lửng tán xạ ở góc 90 độ. Cường độ tán xạ càng cao, nước càng đục. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy xử lý nước để giám sát hiệu quả của quá trình lắng và lọc, đảm bảo nước thành phẩm đáp ứng tiêu chuẩn an toàn. Tuy nhiên, các hạt lơ lửng có kích thước quá lớn có thể làm sai lệch kết quả. Hạn chế lớn nhất trong vận hành là cảm biến cần được vệ sinh định kỳ để tránh bị màng sinh học (biofilm) hoặc cặn bẩn bám vào, làm mờ quang học. Vì vậy, cảm biến đo độ đục thường đi kèm với phụ kiện làm sạch thấu kính tự động như chổi quét hoặc bộ phận làm sạch bằng khí nén.

Cảm biến Oxy hòa tan DO (Dissolved Oxygen)

Lượng oxy hòa tan là một chỉ số sống còn cho các hệ sinh thái dưới nước và các quy trình xử lý sinh học. Cảm biến DO đo nồng độ oxy hòa tan bằng hai phương pháp chính: điện hóa (amperometric) hoặc quang học (optical). Chúng có vai trò then chốt trong việc theo dõi và kiểm soát quá trình sục khí tại các bể xử lý nước thải hiếu khí, đảm bảo vi sinh vật có đủ oxy để phân hủy chất hữu cơ. Ngoài ra, chúng còn được dùng trong nuôi trồng thủy sản và giám sát chất lượng nước sông, hồ. Hạn chế của cảm biến điện hóa là yêu cầu thay thế màng và dung dịch điện phân định kỳ, trong khi cảm biến quang học bền hơn, ít bảo trì hơn nhưng có chi phí đầu tư cao hơn.

Cảm biến Độ dẫn điện (Conductivity)

Cảm biến này đo khả năng dẫn điện của nước, một giá trị tỷ lệ thuận với nồng độ các ion hòa tan (muối, khoáng chất). Nó là công cụ chính để đánh giá tổng chất rắn hòa tan TDS (Total Dissolved Solids) và độ tinh khiết của nước. Ứng dụng tiêu biểu là giám sát chất lượng nước sau các hệ thống lọc thẩm thấu ngược RO, kiểm soát quá trình khử muối, và đặc biệt là theo dõi chất lượng nước cấp cho lò hơi để tránh đóng cặn và ăn mòn. Hạn chế chính là phép đo bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, do đó các cảm biến hiện đại luôn tích hợp chức năng bù trừ nhiệt độ tự động để đảm bảo độ chính xác.

Cảm biến pH

pH là một trong những thông số được đo nhiều nhất, xác định độ axit hoặc kiềm của nước. Cảm biến sử dụng một điện cực thủy tinh đặc biệt nhạy với nồng độ ion hydro (H⁺). Trong xử lý nước thải, việc giám sát và điều chỉnh pH là bắt buộc để tạo môi trường tối ưu cho các quá trình xử lý sinh học và hóa học, đồng thời đảm bảo nước đầu ra tuân thủ quy định xả thải môi trường. Tuy nhiên, điện cực pH cần được hiệu chuẩn thường xuyên bằng các dung dịch đệm chuẩn, và đôi khi cần được thay thế định kỳ. Điện cực thủy tinh cũng có thể bị ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt hoặc bị các chất rắn lơ lửng bám bẩn làm giảm độ nhạy. Cảm biến pH là cảm biến phổ biến, giá thành thường không cao so với các loại cảm biến khác.

Cảm biến Clo (Chlorine)

Clo là hóa chất khử trùng phổ biến nhất. Máy phân tích clo sử dụng các phương pháp đo ampe kế hoặc thế điện cực để xác định nồng độ clo dư trong nước. Vai trò của nó là giám sát và kiểm soát quá trình khử trùng, đảm bảo đủ lượng clo để tiêu diệt vi khuẩn nhưng không vượt quá mức cho phép, giữ an toàn cho người sử dụng trong hệ thống cấp nước sinh hoạt. Phép đo này có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của pH và nhiệt độ, và thiết bị đòi hỏi bảo trì thường xuyên (bổ sung thuốc thử, vệ sinh buồng đo) để đảm bảo độ chính xác.

Cảm biến Amoniac, Nitrat và Phốt phát

Amoniac (NH₄⁺), Nitrat (NO₃⁻), và Phốt phát (PO₄³⁻) là các chất dinh dưỡng chính. Việc kiểm soát chúng là trọng tâm của các hệ thống xử lý nước thải tiên tiến. Các cảm biến này thường sử dụng điện cực chọn lọc ion (ISE) hoặc các phương pháp phân tích quang học (hấp thụ UV cho Nitrat, đo màu cho Phốt phát). Chúng giúp theo dõi hiệu quả của các giai đoạn nitrat hóa, khử nitrat và loại bỏ phốt pho sinh học, ngăn ngừa hiện tượng phú dưỡng (ô nhiễm dinh dưỡng) khi xả thải ra môi trường nước tự nhiên. Hạn chế chung của các cảm biến này là có thể bị nhiễu bởi các ion khác trong nước và yêu cầu hiệu chuẩn, bảo trì định kỳ.

Máy phân tích Tổng Carbon Hữu cơ (TOC)

TOC là chỉ số tổng hợp đánh giá mức độ ô nhiễm hữu cơ trong nước. Máy phân tích hoạt động bằng cách oxy hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ trong mẫu (bằng cách đốt cháy ở nhiệt độ cao hoặc dùng tia UV kết hợp chất xúc tác), sau đó đo nồng độ khí CO₂ sinh ra bằng một cảm biến hồng ngoại. Đây là một công cụ mạnh mẽ để giám sát chất lượng nước thải công nghiệp và nước siêu tinh khiết. Hạn chế chính là chi phí đầu tư và vận hành cao, đòi hỏi nhân sự có tay nghề để bảo trì.

Cảm biến thế Oxy hóa Khử (ORP)

ORP đo lường khả năng của một dung dịch trong việc oxy hóa hoặc khử một chất khác, phản ánh hoạt tính tổng thể của các chất oxy hóa (như clo, ozone) hoặc chất khử. Nó được dùng như một công cụ kiểm soát nhanh và hiệu quả cho các quá trình khử trùng bằng hóa chất. Phép đo ORP chịu ảnh hưởng bởi pH và nhiệt độ và cần được hiệu chuẩn định kỳ.

Cảm biến Fluoride (Fluoride)

Sử dụng điện cực chọn lọc ion ISE, cảm biến này giám sát và kiểm soát nồng độ fluoride được thêm vào nước uống ở một số quốc gia nhằm bảo vệ sức khỏe răng miệng. Việc kiểm soát chặt chẽ là cần thiết vì nồng độ quá thấp sẽ không hiệu quả, trong khi quá cao có thể gây hại.