Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế và thi công máy lọc nước mặn

Đề tài nghiên cứu Đồ án máy lọc nước mặn thành nước ngọt công nghệ RO với phương pháp khoa học, ứng dụng thực tiễn hiệu quả tham khảo chuyên ngành

• Tác giả: Nguyễn Trọng Tuyển
• Người hướng dẫn: Nguyễn Văn Hiệp
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện Tử Công Nghiệp
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Và Thi Công Máy Lọc Nước Nhiễm Mặn Sang Nước Ngọt Công Nghệ RO
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tình Trạng Khủng Hoảng Nước Ngọt và Xâm Nhập Mặn tại Việt Nam

Hiện nay, biến đổi khí hậu toàn cầu đang gây ra tình trạng thiếu nước ngọt trầm trọng tại nhiều vùng của Việt Nam. Tình trạng hạn hán kéo dài dẫn đến sự xâm nhập mặn vào các nguồn nước ngọt ở vùng đồng bằng, đặc biệt là khu vực Tây Nam Bộ và Đồng bằng sông Cửu Long. Theo báo cáo tháng 03/2020, nhiều con sông ở tỉnh Bến Tre có nồng độ mặn từ 7-10 ppt, gấp 8 lần so với tiêu chuẩn quy định 0,25 ppt theo QCVN 01:2009/BYT. Nước cấp từ nhà máy cũng chạm mức 2 ppt, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hàng ngàn hộ dân. Vấn đề này đòi hỏi các giải pháp xử lý nước mặn hiệu quả để đảm bảo nguồn nước sạch cho cộng đồng.

1.1. Khái Niệm Nước Nhiễm Mặn

Nước nhiễm mặn là nước chứa lượng muối hòa tan cao, chủ yếu là natri clorua (NaCl) và các chất vô cơ khác. Độ mặn được đo bằng chỉ số TDS (Total Dissolved Solids), thường tính bằng ppm hoặc ppt. Nước cấp sinh hoạt bình thường có TDS dưới 500 ppm, trong khi nước biển có TDS khoảng 35.000 ppm. Sự ô nhiễm mặn ảnh hưởng đến sức khỏe con người và không phù hợp cho nông nghiệp.

1.2. Các Phương Pháp Xử Lý Nước Mặn Hiệu Quả

Có nhiều phương pháp xử lý nước mặn được áp dụng: phương pháp chưng cất (dễ nhưng tốn năng lượng), phương pháp trao đổi ion (hiệu quả nhưng chi phí cao), và phương pháp lọc RO (Reverse Osmosis). Lọc RO là phương pháp tiên tiến nhất, có khả năng loại bỏ 99% chất solute, tiêu thụ năng lượng thấp, và chi phí vận hành rẻ. Đây là giải pháp tối ưu cho việc chuyển đổi nước mặn thành nước ngọt.

II. Công Nghệ Lọc RO và Nguyên Lý Hoạt Động

Công nghệ lọc RO (Reverse Osmosis) là một phương pháp khử mặn tiên tiến sử dụng màng siêu mỏng có khả năng chặn các phân tử muối trong khi cho phép nước sạch thấu qua. Khi áp suất cao được áp dụng lên nước mặn, nước sẽ chảy ngược chiều thẩm thấu tự nhiên, tách riêng thành nước ngọt (nước thấm) và nước thải (nước cô đặc). Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống lọc nước gia đình, công nghiệp và xử lý nước biển. Hệ thống lọc RO có hiệu suất cao, độ tin cậy lâu dài, và chi phí bảo trì thấp.

2.1. Cấu Tạo Hệ Thống Lọc RO

Hệ thống máy lọc RO tiêu chuẩn bao gồm: bộ tiền lọc (loại bỏ clorua, bụi cát), máy bơm tăng áp (tạo áp lực 40-60 bar), lõi màng RO (lọc chính), bình chứa nước sạch, van điều chỉnh áp suất, và hệ thống ống dẫn nước. Các linh kiện được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất tối đa và tuổi thọ dài lâu.

2.2. Nguyên Lý Hoạt Động Chi Tiết

Quá trình lọc RO hoạt động bằng cách: nước mặn được bơm tăng áp đi qua màng lọc RO có kích thước lỗ 0,0001 micromet. Áp suất cao vượt qua áp suất thẩm thấu tự nhiên, buộc phân tử nước thỏa qua màng trong khi muối và chất bẩn bị chặn lại. Nước tinh khiết chảy ra làm nước uống, phần nước cô đặc (chứa muối) xả thải. Hiệu suất tách nước có thể đạt tới 75% tùy điều kiện.

III. Thiết Kế Hệ Thống Lọc Nước Mặn Thành Nước Ngọt

Thiết kế hệ thống lọc nước đòi hỏi tính toán kỹ lưỡng các thông số: lưu lượng xử lý, áp suất bơm, loại màng lọc, dung tích bình chứa. Nhóm đề tán tính toán chi tiết để chọn lõi RO TW30-1812-50HR có khả năng xử lý 50 GPD. Máy bơm được chọn phù hợp với yêu cầu áp suất 40-60 bar và lưu lượng cần thiết. Bộ tiền lọc gồm lõi cồn 5 micromet để loại bỏ clorua và bụi. Các van điều chỉnh áp suất được cài đặt tối ưu để bảo vệ màng RO và tối đa hóa hiệu suất.

3.1. Tính Toán và Chọn Các Linh Kiện Chính

Lõi màng RO được chọn dựa trên nồng độ mặn nước cấp (7-10 ppt) và lưu lượng mong muốn. Máy bơm tăng áp phải tạo áp suất 40-60 bar để vượt qua áp suất thẩm thấu. Bình chứa nước được thiết kế dung tích phù hợp để lưu trữ nước sạch. Van điện từ được sử dụng điều khiển tự động lưu lượng nước và bảo vệ hệ thống.

3.2. Tính Toán Điện Năng Tiêu Thụ

Máy bơm tiêu thụ điện năng chính của hệ thống, khoảng 200-500W tùy công suất. Các linh kiện điều khiển tiêu thụ thêm 50-100W. Tổng điện năng tiêu thụ ước tính 300-600W/giờ. Với thời gian hoạt động 4-6 giờ/ngày, hệ thống tiêu thụ khoảng 1200-3600W/ngày, chi phí điện thấp so với lợi ích có được nước sạch.

IV. Hệ Thống Giám Sát và Điều Khiển Tự Động

Hệ thống điều khiển thông minh sử dụng vi xử lý ESP32 để giám sát và điều khiển tất cả các quá trình lọc nước tự động. Cảm biến TDS đo nồng độ muối nước cấp và nước lọc theo thời gian thực. Cảm biến ToF laser phát hiện mực nước trong bình chứa. Màn hình LCD hiển thị thông số hoạt động, nút nhấn cho điều khiển thủ công. Hệ thống kết nối Firebase Cloud cho điều khiển từ xa qua ứng dụng Android. Các relay điều khiển máy bơm, van điện từ, buzzer cảnh báo tự động dựa trên thuật toán lập trình.

4.1. Khối Cảm Biến và Xử Lý Dữ Liệu

Cảm biến TDS dùng điện cực dẫn điện để đo chỉ số solute hòa tan, gửi tín hiệu analog cho ESP32. Cảm biến ToF laser phát tia laser infrared để đo khoảng cách, xác định mức nước bình chứa. Dữ liệu cảm biến được xử lý bởi Core 0 của ESP32, lưu trữ trên Firebase để theo dõi lịch sử hoạt động và tối ưu hóa quá trình lọc.

4.2. Ứng Dụng Điều Khiển Từ Xa qua Android

Ứng dụng Android được phát triển bằng Visual Studio, kết nối Google Firebase để nhận dữ liệu từ ESP32 và gửi lệnh điều khiển. Giao diện ứng dụng hiển thị nồng độ TDS, mục nước, trạng thái hoạt động. Người dùng có thể bật/tắt máy, thiết lập chế độ tự động, nhận cảnh báo khi nước đầy hoặc cần bảo trì. Giao diện thân thiện giúp người dùng dễ dàng quản lý hệ thống lọc nước từ điện thoại thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN - Chương 4: Thi công hệ thống. Chương này trình bày về quá trình vẽ mạch in lắp ráp các thiết bị, đo kiểm tra mạch, lắp ráp mô hình. Thiết kế lưu đồ giải thuật cho chương trình và viết chương trình cho hệ thống.

Hướng dẫn quy trình sử dụng hệ thống. - Chương 5: Kết quả, Nhận xét, Đánh giá. Trình bày những kết quả đã đạt được mục tiêu đề ra sau quá trình nghiên cứu thi công. Từ đó đánh giá quá trình hoàn thành được bao nhiêu phần trăm.

- Chương 6: Kết luận và Hướng phát triển. Chương này trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó rút ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề còn tồn tại để đồ án hoàn thiện hơn. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC NƯỚC MẶN HIỆU QUẢ 2.1 Khái niệm nước nhiễm mặn Nước nhiễm mặn là nước chứa hàm lượng đáng kể các muối hòa tan vượt giới hạn nước ngọt.

Độ mặn là tổng nồng độ các ion hòa tan trong nước, đơn vị tính bằng ppm (mg/L), ppt (g/L, ⁰/₀₀) hay %. Ở Việt Nam, tiêu chuẩn nước ăn uống là độ mặn không vượt quá 0,25 ppt, tức là không tồn tại quá 0,25 g các chất rắn hòa tan trong 1 lít nước. Độ mặn trong nước thay đổi theo đặc thù từng năm, phụ thuộc vào lượng nước sông thượng nguồn đổ về, các yếu tố khí tượng thủy văn trên toàn vùng theo thời gian và tổng hàm lượng muối tan trong nước. Phân loại nguồn nước theo độ mặn Nguồn nước Độ mặn (⁰/₀₀) Nước ngọt < 0,5 Nước lợ 0,5 - 30 Nước mặn 30 - 50 Nước muối > 50 Bảng bên dưới thể hiện các thành phần chính và hàm lượng trung bình của chúng trong nước biển và nước sông trên toàn thế giới [2].

Hàm lượng các chất vô cơ hòa tan chính trong nước biển và sông Ion Biển (mg/L) Sông (mg/L) Bicarbonate (HCO3-) 142 58,0 Calcium (Ca2+) 400 15,0 Silicate (SiO2) 6,4 13,1 Sulfate (SO42-) 2.350 4,1 Potassium (K+) 380 2,3 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Dựa vào Bảng 2.2 có thể thấy nước sông có độ mặn khoảng 120 mg/l (0,12⁰/₀₀), rất thấp so với nước biển khoảng 34. Trong đó, Na+ và Cl- chỉ chiếm khoảng 0,1% trong nước sông, trong khi chiếm hơn 85% trong nước biển. Sự gia tăng đáng kể nồng độ Na+ và Cl- cũng chính là nguyên nhân gây ra tình trạng nhiễm mặn ở nguồn nước miền Tây Nam Bộ.2 Các phương pháp xử lý mặn hiệu quả Phương pháp chưng cất nhiệt Là phương pháp thủ công lâu đời nhất, sử dụng nhiệt để đun nóng nước mặn hóa hơi sau đó làm lạnh để nước hơi nước ngưng tụ thành nước tinh khiết.

Ưu điểm: thích hợp với mọi độ mặn khác nhau. Nhược điểm: Tốn nhiều điện năng, thời gian chưng cất lâu, qua nhiều công đoạn để lọc các chất độc hại dễ bay hơi. Phương pháp chưng cất Phương pháp trao đổi ion Là phương pháp lọc nước qua bể có chứa các hạt nhựa ion hoạt tính. Các cation (-) của muối hòa tan có trong nước trao đổi với các ion H+ của các hạt cationit biến thành các axit tương ứng.

RH + NaCl RNa + HCl. 2RH + Na2SO4 2RNa + H2SO4. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tiếp theo khử cation trong nước ở bể Cationit rồi đi tiếp đến bể lọc Anionit (OH -) để hấp thụ các gốc axit có trong nước được tạo ra ở công đoạn trước đó.

Ưu điểm của phương pháp này là ta có thể sục rửa và hoàn nguyên lại quy trình ban đầu, luôn đảm bảo nguồn nước đầu ra đạt tiêu chuẩn. Song điểm trừ của phương pháp là chi phí cao và khó vận hành. Phương pháp trao đổi ion Phương pháp lọc qua màng RO Phương pháp này sẽ đưa nước cần xử lý qua các màng siêu lọc để giữ lại các chất rắn và muối hòa tan có trong nước và cho nước tinh khiết đi qua màng. Đây là công nghệ tiên tiến và hiệu quả nhất tính tới thời điểm hiện tại, cho ra nguồn nước tinh khiết đạt 99%.

Vì vậy nhóm đề tài đã chọn phương pháp này cho đề tài lọc nước nhiễm mặn của mình. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Sơ đồ tổng quát của phương pháp lọc RO 2.2 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ LỌC RO 2.1 Khái niệm RO (Reverse Osmosis) là công nghệ lọc nước sử dụng nguyên lý thẩm thấu ngược.

Quá trình thẩm thấu được định nghĩa là sự dịch chuyển thụ động của các phân tử dung môi qua một màng bán thấm đến một khu vực có nồng độ cao hơn của chất tan theo khuynh hướng cân bằng nồng độ chất tan ở hai bên. Quá trình này diễn ra trong tự nhiên và không tốn năng lượng. Công nghệ RO hoạt động theo nguyên lý ngược lại với hiện tượng này nên được gọi là thẩm thấu ngược. Khi cấp một áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu, dung môi ở đây là nước di chuyển từ môi trường nồng độ chất tan cao sang môi trường có nồng độ thấp hơn được ngăn cách bởi màng bán thấm.

Kết quả thu được là nước tinh khiết và hỗn hợp nước có độ mặn cao ở hai ngăn khác nhau. Quá trình thẩm thấu qua màng bán thấm lần đầu tiên được quan sát bới Jean Antoine Nollet vào năm 1748. Sau đó vào năm 1949, trường Đại học California tại Los Angeles (UCLA) lần đầu tiên kiểm tra khử muối trong nước biển sử dụng màng bán thấm và tiến hành sản xuất nước ngọt từ nước biển. Các nhà máy khử muối dần dần xuất hiện khắp nơi trên thế giới.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Lọc nước qua màng RO Ưu và nhược điểm của công nghệ lọc nước RO - Ưu điểm: Công nghệ RO rất phổ biến ở Việt Nam, dễ lắp đặt, có khả năng khử muối khoáng tốt, nguồn nước đầu ra sạch. Phù hợp xử lý các nguồn nước nhiễm mặn, nhiễm lợ.

- Nhược điểm: Làm mất đi các khoáng chất có lợi, phải thay lõi sau một thời gian sử dụng, chi phí thay lõi đắt, … Ứng dụng của công nghệ lọc nước RO Chính vì những ưu điểm vượt trội kể trên, hiện nay công nghệ RO được áp dụng trong rất nhiều các giải pháp xử lý nước khác nhau như: - Công nghệ lọc nước uống đóng chai: công nghệ RO được áp dụng rất nhiều trong tất cả các công nghệ lọc nước đóng chai thường thấy trên, thị trường. Loại bỏ hầu hết các tạp chất hữu cơ, kim loại nặng, khử cực tím loại bỏ vi khuẩn, vi-rút có trong nguồn nước thô. - Công nghệ rửa xe: Nguồn nước tinh khiết sau khi lọc có tác dụng làm sạch bề mặt sạch và sang bóng hơn là vì trong nước tinh khiết không có chưa các tạp bẩn, các kim loại cũng như các loại vi khuẩn ảnh hưởng đến màu sắc xe. - Công nghệ lọc nước biển: Công nghệ lọc nước RO là công nghệ tốt nhất để tách muối ra khỏi nước nhanh nhất với chi phí rẻ nhất để cho ra nước tinh khiết từ các nguồn nước mặn, nước lợ.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Công nghệ thực phẩm: Ứng dụng thường thấy là tách nước ra khỏi sữa trong công nghiệp. Chi phí xử lý nhiệt trong ngành công nghiệp thực phẩm khá cao thì với công nghệ RO thẩm thấu ngược giúp giảm chi phí, thời gian sản xuất cũng được rút ngắn đáng kể.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Lõi lọc RO được cấu tạo từ nhiều tấm lọc cuộn tròn theo hình xoắn ốc xung quanh ống lọc trung tâm. Mỗi tấm lọc gồm một màng phẳng có ba lớp: lớp vải polyester, xốp polysulfone và lớp lọc polyamide dày chỉ 0,2 µm.

Lớp xốp polysulfone có chức năng gia cố cho lớp lọc mỏng, chính lớp lọc này sẽ thực hiện chức năng chính loại bỏ các tạp chất như: hóa chất, vi khuẩn và vi-rút ra khỏi nước. Giữa các tấm lọc đều có tấm đệm tạo khoảng trống cho nước chảy qua. Nguyên lý hoạt động của lõi RO Nước nhiễm mặn (mũi tên màu đỏ) được bơm vào và chảy dọc theo hướng hình trụ dọc theo bề mặt bên ngoài của màng. Dưới áp lực bơm, một phần nước thẩm thấu ngược qua màng (mũi tên màu xanh) chảy về phía ống lọc tạo thành nước tinh khiết, để lại muối và vi sinh vật tập trung trên bề mặt màng.

Điều này khiến các lỗ nhỏ của màng bán thấm bị lấp kín trừ khi nó được loại bỏ đủ nhanh bởi dòng chảy ngay bên trên, đây cũng chính là nguyên nhân phải thay lõi lọc sau một thời gian sử dụng. Phần nước còn lại không kịp thẩm thấu sẽ bị đẩy ra ngoài với độ mặn lớn hơn nhiều so với nước ban đầu. Mô hình xử lý nước nhiễm mặn trong thực tế ở nhà máy lọc nước Long Định tỉnh Bến Tre. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Dàn màng lọc RO Hình 2. Các thành phần khác của hệ thống BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 CHƯƠNG 2.3 GOOGLE FIREBASE Google Firebase là một dịch vụ cơ sở dữ liệu thời gian thực hoạt động trên nền tảng đám mây được cung cấp bởi Google nhằm giúp các lập trình viên phát triển nhanh các ứng dụng bằng cách đơn giản hóa thao tác với cơ sở dữ liệu. Tổng quan về Google Firebase Firebase là sự kết hợp của nền tảng cloud với hệ thống máy chủ cực kì mạnh mẽ của Google, nó cung cấp các chức năng: - Lưu trữ dữ liệu thời gian thực - Realtime Database: Dữ liệu luôn được đồng bộ thực đến mọi kết nối client, các ứng dụng đa nền tảng sẽ luôn được tự động cập nhật dữ liệu mới nhất.

- Hệ thống xác thực người dùng – Firebase Authentication: Firebase xây dựng chức năng cho người dùng xác thực danh tính thông qua Email, Facebook, Google… - Tạo tên miền – Firebase Hosting: Firebase cung cấp các hosting giúp tiết kiệm thời gian trong việc xây dựng ứng dụng. Xác thực người dùng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11 CHƯƠNG 2.4 CHUẨN GIAO TIẾP I2C I2C là một chuẩn truyền theo mô hình chủ - tớ. Một thiết bị chủ có thể giao tiếp với nhiều thiết bị tớ. Muốn giao tiếp với thiết bị nào, thiết bị chủ phải gửi đúng địa chỉ để kích hoạt thiết bị đó rồi mới được phép ghi hoặc đọc dữ liệu.

Giao tiếp I2C Mỗi giao tiếp I2C gồm có 2 dây: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL).