Titlu proiect: Realizarea unei sonde electrochimice multi-canal pentru a monitoriza evoluția sedimentelor
Acronim: SEMSED
Nr. contractului: 62/01.09.2020
Denumirea Programului din PN III: Programul 2 – Creșterea competitivității economiei românești prin cercetare, dezvoltare și inovare
Tip proiect: Proiect de transfer la operatorul economic
Autoritatea Contractantă: Unitatea Executivă pentru Finanțarea Învățământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării și Inovării
Universitatea din Craiova
Responsabil proiect partener: prof.dr.ing. Vily Cimpoiasu
Director proiect: CSIII Dr. ing. Ioana Corina MOGA
Perioada de implementare: 01/09/2020 – 31/08/2022
Durata proiectului: 24 luni
Denumire beneficiar: DFR Systems SRL
In efortul de a monitoriza calitatea mediului am dezvoltat o noua eco-tehnologie – o sonda cu 128-512 de electrozi de lucru, pentru analiza gradientilor electrochimici in sedimente, la rezolutie sub-milimetrica. Sonda, denumita SEMSED, contine un pachet de electrozi, un selector de canale controlat digital de computer, legate la un potentiostat comercial. Proiectul propune avansarea de la TRL4 la o sonda pilot submersa, de nivel TRL6, validata tehnologic si experimental. Noutatea proiectului consta in folosirea de multiplexoare /comutatoare electronice CMOS pentru a selecta digital combinatia de electrozi necesara pentru masuratori. Alta noutate este realizarea electrozilor de referinta solizi si a softului dedicat de comanda si comunicatie. Abilitatea sondei de a monitoriza evolutia sedimentelor fara perturbari fizice (contrar echipamentelor de pe piata) este foarte importanta in analiza modului in care sedimentele evolueaza (cresc si descresc, si cum se schimba starea lor intre aerob si anaerob). Astfel, aceasta sonda va putea fi amplasata in apa dulce sau sarata si va monitoriza schimbari de compozitie chimica in sedimente din porturi, canale, lacuri, estuare, biofiltre din acvacultura, namoale sapropelice precum si sedimente din decantoare si statii de epurare. Sondele SEMSED vor fi amplasate si validate in teren si vor fi folosite si pentru a monitoriza rata de sedimentare, starea redox a sedimentelor, pentru a identifica substantele chimice cheie ca oxigenul si hidrogenul sulfurat. Sonda SEMSED va avea capacitatea de a functiona autonom (legata la o retea electrica subacvatica) timp indelulgat fara mentenanta si fara parti mecanice in miscare, in timp ce va fi supravegheata on line. Aceasta noua eco-tehnologie va extinde paleta de capabilitati de monitorizare pentru utilizatori ca: agentii de mediu nationale si europene, piscicultori si manageri de statii de epurare, porturi si cai navale.
Principalele rezultate: sondă multi-canal conectată cu un instrument de măsură electrochimic; rapoarte experimentări / încercare; 2 articole ISI , 1 BDI, (CO; se va participa la cel puțin 1 conferință/simpozion național/internațional; cerere brevet invenție; 250 broșuri de prezentare proiect si rezultate; manual de prezentare și utilizare sonda.
Instrument de măsură electrochimic. Această realizare importantă va permite analiza evoluției stratificării aerobe/anaerobe în sedimente la o foarte bună rezoluție (<1 mm) fără însă a disturba mecanic gradienții sedimentelor, performanță ne-atinsă de o altă sondă pe piață. Gradienții chimici din sedimente sunt uşor disturbaţi de sonde mișcate cu micro-manipulatoare. Sondele SEMSED fac aceste măsurători în mod precis, dar fără a mișca electrozii prin sediment. Abilitatea de a monitoriza evoluția sedimentelor fără perturbări fizice este foarte importantă în analiza modului în care sedimentele cresc şi descresc, şi cum se schimbă starea lor între aerob şi anaerob.
| Denumire capitol | Bugetul de stat (credite bugetare) |
Cofinanțare (surse proprii) |
Total |
|---|---|---|---|
| 1. Cheltuieli cu personalul (inclusiv taxele de angajator) | 730.552 | 252.500 | 983.052 |
| 2. Cheltuieli cu logistica | 282.005 | 7.320 | 289.325 |
| 2.1. Cheltuieli de capital | 175.611 | 0 | 175.611 |
| 2.2. Cheltuieli privind stocurile | 86.319 | 4.000 | 90.319 |
| 2.3. Cheltuieli cu serviciile executate de terți | 20.075 | 3.320 | 23.395 |
| 2.3.1. Cheltuieli de subcontractare | 0 | 0 | 0 |
| 2.3.2. Alte cheltuieli cu serviciile executate de terți | 20.075 | 3.320 | 23.395 |
| 3. Cheltuieli de deplasare | 22.438 | 9.000 | 31.438 |
| 4. Cheltuieli indirecte (regia) | 154.005 | 39.925 | 193.930 |
| TOTAL (LEI) | 1.189.000 | 308.745 | 1.497.745 |
| TOTAL (EUR) | 245.762 | 63.816 | 309.578 |
Ca urmare a faptului ca sonda multi canal urmeaza a fi brevetată se oferă în acest moment puține informații legate de descrierea acestui echipament.
Sonda multi-electrod va functiona ca parte dintr-o instalație parțial submersă în apă.
Funcționarea sistemului elecrochimic în mediul submers aduce provocări specifice cu privire la condițiile fizico-chimice. Pentru a le preantâmpina au fost identificate modificări specifice. Factorii principali în considerație pentru acest echipament sunt ancorarea de sediment, flotabilitate, interacțiile cu mediul acvatic și aerian, coroziune, depoziție și oxidare.
Ancorarea sondei de sediment este necesară pentru a evita misșcări de rotație și translație dupș instalarea sistemului în teren. Mișcările de rotație ale echipamentului relativ la axa verticală a sondei produc disturbări în interfețele redox din sedimente, ceea ce afectează citirile. De asemenea, trebuie împiedicată scufundarea sondei în sediment ulterioară instalării acesteia în teren. Scufundarea ulterioară a sondei alterează rezultatele din citiri prin introducerea de artefacte cu privire la poziția interfetei redox și rata de sedimentare sau dispersare a sedimentului.
Instalația submersă trebuie să aibă suficientă densitate ca să permită așezarea pe sediment și evitarea ridicării ei nedorite în caz de valuri, vânt foarte puternic sau curenți subacvatici. Pentru a limita ca mișcarea apei să deplaseze instalația purtătoare de sondă multi-electrod, platforma submersă va avea decupături.
Din cauza sărurilor dizolvate în apă trebuie să fie evitată infiltrarea apei în zone cu circuite electrice. Sărurile din apă vor produce scurt-circuite și vor altera citirile electrozilor. Din tot echipamentul de măsurare suprafețele externe ale electrozilor trebuie să fie singurele părți expuse la apă. In acest scop sonda multi-electrod (inclusiv acele selectoare multicanal care sunt parte din sondă, contactele electrice și firele electrice) va fi încorporată în răsină expoxidică.
Părțile submerse metalice ale instrumentului sunt sensibile la coroziune și oxidare. Pentru a limita acești factori, se va utiliza oțel inoxidabil. Pentru instrumente test cu viață scurtă de folosire, se va folosi oțel electrodepozitat cu metale rezistente la rugină cum ar fi zinc. Suprafața electrozilor este vulnerabilă la coroziune și depoziție. Din această cauză, este necesară testarea periodică a stării suprafeței electrozilor folosind analize de conductivitatea suprafeței.
Ca urmare a faptului ca sonda multi canal urmeaza a fi brevetată se oferă în acest moment puține informații legate de descrierea acestui echipament.
Sonda multi-electrod va functiona ca parte dintr-o instalație parțial submersă în apă.
Funcționarea sistemului elecrochimic în mediul submers aduce provocări specifice cu privire la condițiile fizico-chimice. Pentru a le preantâmpina au fost identificate modificări specifice. Factorii principali în considerație pentru acest echipament sunt ancorarea de sediment, flotabilitate, interacțiile cu mediul acvatic și aerian, coroziune, depoziție și oxidare.
Ancorarea sondei de sediment este necesară pentru a evita misșcări de rotație și translație dupș instalarea sistemului în teren. Mișcările de rotație ale echipamentului relativ la axa verticală a sondei produc disturbări în interfețele redox din sedimente, ceea ce afectează citirile. De asemenea, trebuie împiedicată scufundarea sondei în sediment ulterioară instalării acesteia în teren. Scufundarea ulterioară a sondei alterează rezultatele din citiri prin introducerea de artefacte cu privire la poziția interfetei redox și rata de sedimentare sau dispersare a sedimentului.
Instalația submersă trebuie să aibă suficientă densitate ca să permită așezarea pe sediment și evitarea ridicării ei nedorite în caz de valuri, vânt foarte puternic sau curenți subacvatici. Pentru a limita ca mișcarea apei să deplaseze instalația purtătoare de sondă multi-electrod, platforma submersă va avea decupături.
Din cauza sărurilor dizolvate în apă trebuie să fie evitată infiltrarea apei în zone cu circuite electrice. Sărurile din apă vor produce scurt-circuite și vor altera citirile electrozilor. Din tot echipamentul de măsurare suprafețele externe ale electrozilor trebuie să fie singurele părți expuse la apă. In acest scop sonda multi-electrod (inclusiv acele selectoare multicanal care sunt parte din sondă, contactele electrice și firele electrice) va fi încorporată în răsină expoxidică.
Părțile submerse metalice ale instrumentului sunt sensibile la coroziune și oxidare. Pentru a limita acești factori, se va utiliza oțel inoxidabil. Pentru instrumente test cu viață scurtă de folosire, se va folosi oțel electrodepozitat cu metale rezistente la rugină cum ar fi zinc. Suprafața electrozilor este vulnerabilă la coroziune și depoziție. Din această cauză, este necesară testarea periodică a stării suprafeței electrozilor folosind analize de conductivitatea suprafeței.
Figura 1: Aria de electrozi impreuna cu placile multicanal
Figura 2: Placa de comandă/măsura
Figura 3: Asamblarea primară a plăcilor electronice parte componentă din sonda submersă
Figura 4: Montaj de verificare
Figura 5: Asamblarea electronică şi mecanică a plăcilor pentru sonda submearsă
Figura 6: Etapa 2 de includere în rășină
Figura 7: Suprafață cu electrozi șlefuită
Figura 8: Prelucrarea mecanică a sondei submerse
Figura 9: A. Sonda submersă. B. Placă control/comandă/măsură. C. Cablu ecranat 3m. D. Dummy cell pentru simulare măsurători (nu e necesar în final). E. LiPo baterie 3.7V 4500mAh pentru funcționarea plăcilor şi back-up. F. Panou fotovoltaic 3W. G. Regulator de încărcare fotovoltaic. H. Baterie principala sistem fotovoltaic 6V/5AhLocația aleasă pentru efectuarea testelor pilotului în condiții în situ: Dragalina – județul Ialomița – stația de epurare municipală realizată de către DFR Systems.
Activitate: testarea pilotului din punct de vedere al rezistenței mecanice, coroziunii, salinității, infiltrații, etc.
Amplasamentul instalației pentru verificări și testări. Amplasarea în diverse locuri în stația de epurare:
Prin proiectul SEMSED s-a realizat o sondă multi-canal conectată cu un instrument de măsură electrochimic. Această realizare importantă permite analiza evoluției stratificării aerobe/anaerobe în sedimente la o foarte bună rezoluție (<1 mm) fără însă a disturba mecanic gradienții sedimentelor, performanță ne-atinsă de o altă sondă pe piață. Gradienții chimici din sedimente sunt uşor disturbaţi de sonde mișcate cu micro-manipulatoare. Sondele SEMSED fac aceste măsurători în mod precis, dar fără a mișca electrozii prin sediment. Abilitatea de a monitoriza evoluția sedimentelor fără perturbări fizice este foarte importantă în analiza modului în care sedimentele cresc şi descresc, şi cum se schimbă starea lor între aerob şi anaerob. De exemplu, sedimentele sapropelice folosite în terapie reumatoidă trebuie să rămână anaerobe și sulfidice, în timp ce sedimentele din stații de epurare, acvacultură şi porturi trebuie oxidate aerob ca să fie evitaţi compuși toxici şi corozivi. Sondele SEMSED au abilitatea de a monitoriza această stare.
Soluția SEMSED pentru a cupla sute de electrozi cu un singur instrument de măsură de înaltă performanță este de a folosi selectoare electronice ”solid-state” de tip CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). O sondă poate avea: între 128 şi 512 electrozi de lucru, sute de măsurători efectuate cu fiecare electrod, rezistență mecanică bună a sondei la torsiune, impact și flexiune, rezoluție < 1 mm între electrozi, lungime totală a sondei între 13 și 50 cm, rezistență electrică scăzută a circuitelor, zgomot electric redus, rezistență la coroziune și protecție a sondei la scurt circuit și la presiune în mediul subacvatic. În cadrul consorțiului de colaborare efectivă, fiecare partener a fost responsabil cu realizarea unor activități specifice așa cum sunt ele detaliate în proiect (proiectare, realizare, asamblare, testare, elaborare manual de utilizare, protejare de drepturi de proprietate intelectuală și diseminare).
În acest proiect s-au proiectat și realizat următoarele: soft dedicat de control, gestiune și comunicare de date și sonde multi-electrod compuse din selectoare de canale și pachete de electrozi, sisteme suport și ghidaj sondă în corpurile de apă.
Catalogul ICIR cu publicarea abstractelor lucrărilor se regăseşte accesând linkul ICIR 2021 Book of Abstracts, ISSN:2601-4580/2601-4599
A fost elaborată broșura de prezentare, 250 buc.
