Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về đồ án, các loại máy lọc nước có trên thị trường 1.2 Tổng quan chung Hiện nay vấn đề ô nhiễm nguồn nước và thực trạng nguồn nước uống ở Việt Nam đã và đang trong tình trạng báo động. Với việc lựa chọn một phương pháp xử lý nước uống phù hợp còn tùy thuộc vào nhiều yếu tố như: đặc điểm, thành phần của nguồn nước thủy cục, công suất, diện tích, chi phí đầu tư ban đầu, chi phí vận hành, bảo dưỡng… Nước chiếm ¾ trái đất và là nguồn tài nguyên quí giá đối với sự sống của con người. Trái đất được bao phủ bởi nước nhưng chỉ có 2,5% nước trên thế giới là nước ngọt, trong khi 97,5% là đại dương. Trong đó, 0,3% nước ngọt của thế giới nằm trong các sông, hồ; 30% là nước ngầm, phần còn lại nằm trên các sông băng, núi băng.
70% lượng nước trên thế giới được sử dụng cho nông nghiệp, 22% cho công nghiệp và 8% phục vụ sinh hoạt. Trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng hiện có rất nhiều phương pháp xử lý nước như phương pháp lọc bằng vật lý hay cơ học, phương pháp lọc và tiệt trùng bằng quang học và Ozone, phương pháp tinh lọc bằng thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis - RO), công nghệ lọc nước Nano… Tuy nhiên các phương pháp xử lý nước này hiệu suất thấp, không đảm bảo, và được cho là thiếu khoáng chất cần thiết cho cơ thể… Thiết bị lọc dựa trên công nghệ lọc hấp phụ trao đổi Ion. Bộ lọc không hấp thụ toàn bộ các vi chất trong nước mà xử lý giúp loại bỏ tạp chất, kim loại nặng và khử mùi Clo có trong nguồn nước thủy cục theo tiêu chuẩn QCVN6-1:2010/BYT 1.2 Các máy lọc nước có trên thị trường: a. Máy lọc nước sử dụng ông nghệ lọc nước RO Ưu điểm: - Máy lọc nước RO sử dụng công nghệ thẩm thấu ngược (gọi tắt lọc nước RO) lọc ra nước tinh khiết, từ bất kì nguồn nước nào (nước giếng khoan, nước sông, nước cứng, nước nhiễm lợ, nước máy) khi lọc qua máy lọc RO đều ra nước tinh khiết.
Máy lọc nước RO cũng có thể dùng để lọc nước mặn thành nước ngọt (sử dụng màng RO dành cho nước mặn). Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy 16 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Trần Ngọc Đảm Hình 1. 1 Máy lọc nước Ao Smith áp dụng công nghệ lọc RO [1] Nhược điểm: - Nước tinh khiết thường không giữ được vi lượng khoáng chất tự nhiện tốt cho cơ thể. - Nước thải nhiều (10 lít nước cấp vào, lấy được 2-3 lít nước tinh khiết, nước thải bỏ 7- 8 lít).
- Hay bị tắc màng RO nếu gặp nguồn nước cứng (có nhiều cặn vôi), nước nhiễm lợ, tăng chi phí trong qua trình sử dụng. Máy lọc nước sử dụng công nghệ lọc nước Nano Ưu điểm: - Nước sau qua máy lọc nước Nano uống ngay, nước ngọt, mềm - Không dùng điện, không nước thải, giữ vi lượng khoáng chất tự nhiên tốt cho cơ thể. Nguồn nước lọc từ máy lọc nước Nano thích hợp cho người già và trẻ em. - Máy gọn nhẹ, lắp mọi vị trí (treo tường, dưới bồn rửa bát, lắp trong tủ Inox).
Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy 17 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Trần Ngọc Đảm Hình 1. 2 Máy lọc nước Geyser áp dụng công nghệ lọc Nano [1] Nhược điểm: - Nếu sử dụng máy lọc nước Nano cho nguồn nước có nhiều cặn vôi, thì phải bảo dưỡng lõi lọc theo định kì, nếu không hoàn nguyên kịp thời khi đun nấu gây đóng cặn. - Nguồn nước bị nhiễm lợ, nhiễm mặn bạn có thể dùng máy lọc Nano, nhưng vị mặn trong nước không thể lọc được. Máy lọc nước sử dụng công nghệ lọc nước UF Ưu điểm: - Máy lọc nước màng UF không cần điện.
Chỉ cần đổ nước thô vào bể chứa hoặc sử dụng đường ống dẫn nước để lọc mà không cần áp lực nước và có thể hoạt động trong điều kiện áp suất nước thấp. - Lõi lọc UF sử dụng màng lọc để làm sạch vi khuẩn và tạp chất. - Màng lọc UF có khả năng loại bỏ nấm mốc và vi trùng khỏi nước, trong khi các máy lọc nước uống khác như UV không có khả năng làm sạch nước bùn. - Không có vi trùng, xác chết vi sinh vật trong nước sau khi lọc qua màng UF.
Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy 18 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Trần Ngọc Đảm Hình 1. 3 Máy lọc nước Karofi Livotec LBQ-U05 [2] Nhược điểm: - Màng lọc UF không loại bỏ chất rắn hòa tan gây ra độ cứng của nước, do đó không phù hợp với nước cứng. Màng lọc UF có thể được sử dụng để lọc nước giếng khoan. Có thể sử dụng máy lọc nước màng lọc UF với nguồn nước đã qua xử lý như nước máy có nguồn gốc từ nước mặt như hồ, sông.2 Mục tiêu chung Với mong muốn đóng góp vào việc bảo vệ môi trường sống của con người, hạn chế và giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước, nâng cao chất lượng cuộc sống và bảo vệ sức khỏe cho cộng đồng người Việt.
Nhóm nghiên cứu quyết định chọn đề tài: “Chế tạo máy lọc nước giữ khoáng” với công suất 10l/h bằng công nghệ lọc trao đổi ion CDI kết hợp công nghệ Plasma 1.3 Mục tiêu cụ thể - Tìm hiểu về công nghệ lọc nước ứng dụng công nghệ plasma và CDI. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hệ thống: kết cấu tổng quan hệ thống, cơ cấu, nguyên lý lọc nước. - Nghiên cứu nguyên lý hệ thống. - Thực nghiệm, đánh giá khả năng hoạt động, hoàn chỉnh hệ thống.
- Kiểm tra và kết luận. Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy 19 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Trần Ngọc Đảm 1.4 Phạm vi nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu nguyên lý hệ thống máy lọc nước. - Thiết kế, chế tạo hệ thống máy. - Thiết kế, chế tạo buồng xử lý plasma.
- Thiết kế hệ thống điều khiển hệ thống.5 Phương pháp nghiên cứu Nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu: tìm hiểu tham khảo từ các sách báo, tạp chí khoa học trong và ngoài nước, tài liệu về thiết kế tính toán các quy trình chế tạo máy lọc nước cũng như nguyên lý hoạt động của từng bộ phận, từ giảng viên hướng dẫn. Từ tài liệu sách báo tham khảo nhóm đồ án tiếp tục khảo sát thực tế thị trường: Tham quan các sản phẩm máy lọc nước hiện có trên thị trường. Tiến hành chế tạo, chạy thử và vận hành bảo đảm an toàn. Tham khảo các nguyên lý, thiết kế của các sản phẩm hiện có trên thị trường và đánh giá so sánh.
Từ đó vận dụng các kiến thức hình hoạ vẽ ký thuật, dung sai kỹ thuật đo, sức bền vật liệu, vi điều khiển… Tiến hành thử nghiệm, phân tích đánh giá kết quả thực nghiệm để điều chỉnh các thông số kỹ thuật. Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy 20 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Trần Ngọc Đảm Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Trạng thái Plasma Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất, ngoài rắn, lỏng và khí. Thuật ngữ "plasma" được Irving Langmuir đưa ra như một mô tả về khí ion hóa vào năm 1928, nó là một chất khí gồm các ion - các nguyên tử mất một số electron trên quỹ đạo - và các electron tự do.[3] Để tạo thành plasma, người ta tăng nhiệt độ lên đến khoảng 25 000 độ C, các nguyên tử va chạm mạnh với nhau khiến các hạt electron bị đánh bật ra khỏi nguyên tử và di chuyển độc lập liên tục. Thể khí lúc này bị ion hóa và chuyển thành trạng thái plasma.[3] Tuy nhiên để tạo được plasma bằng các tăng nhiệt độ rất khó để ứng dụng trong thực tế.
Vì thế, hiện nay các nhà khoa học đã tạo ra được plasma bằng các đặt một điện áp cao giữa 2 đầu điện cực trong 1 ống khí trơ ở 1 áp xuất nhất định. Khi đó sẽ xảy ra sự phóng điện giữa hai đầu điện cực, các hạt electron rời khỏi điện cực âm với tốc độ lớn. Chúng va đập mạnh vào các nguyên tử khí khiến các electron bị bật ra ngoài. Chất khí khi đó bị ion hóa và ta thu được trạng thái plasma và còn được biết đến với tên gọi là plasma lạnh.2 Ứng dụng plasma lạnh trong lọc nước Nguồn nước bị ô nhiễm bao gồm các vi khuẩn, vi sinh vật (Coliform, E.
coli…), các hóa chất, nước thải y tế, thuốc bảo vệ thực vật (phần lớn là các hợp chất có chứa vòng benzen có liên kiết rất bền)… Nếu sử dụng để uống trong thời gian dài gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người sử dụng. Plasma lạnh khi hình thành trong nước, ghi nhận được sự tồn tại của ozone, tia cực tím và các phần tử oxi hóa mạnh khác bao gồm cả gốc hydroxyl tự do (*OH).[7] Quá trình hình thành các thành phần oxy hóa rất mạnh này (O, O! và *OH) được trình bày qua các phương trình bên dưới.[12, 13] O" + hf ® O + O O + O" ® O! - Quá trình hình thành hydroxyl tự do khi ozone hoà tan trong nước: Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy 21 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Trần Ngọc Đảm ∗ O! + OH # ® O∗# ! + OH ∗# O∗# ! ® O + O" O∗# + H" O ® ∗OH + OH # Quá trình hình thành hydroxyl tự do khi các điện tử năng lượng va đập vào phân tử hơi nước: ∗ e# + H" O ® OH + H ∗ + e# Quá trình hình thành hydroxyl tự do khi các oxy nguyên tử phản ứng với phân tử nước: ∗ ∗ O + H" O ® OH + OH Do khả năng tạo ra các gốc oxi hóa cực mạnh mà công nghệ plasma có khả năng tiêu diệt gần như toàn bộ các vi khuẩn, vi sinh vật gây hại. Nguyên lý diệt khuẩn của plasma lạnh là tổng hợp của nguyên lý diệt khuẩn bằng UV và nguyên lý diệt khuẩn bằng chất oxy hóa bậc cao như (O, O3, •OH. Đặc biệt một số loại vi khuẩn chỉ có thể bị tiêu diệt khi chịu tác động đồng thời của UV và các chất oxy hóa bậc cao.
1 Khả năng phá hủy liên kết vòng benzen của tia plasma[7] Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy 22 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Trần Ngọc Đảm 2.3 Công nghệ lọc nước CDI Công nghệ lọc CDI là công nghệ khử ion hòa tan trong nước bằng cách áp dụng một điện áp trên hai điện cực cấu tại từ vật liệu carbon có độ xốp cao. Nói cách khác, công nghệ CDI là một phương pháp điện hấp thụ sử dụng sự kết hợp của môi trường hấp thụ và điện trường để tách các ion và các hạt mang điện.