Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài Chương 3: Cơ sở lý thuyết Chương 4: Phương án thiết kế Chương 5: Tính toán, thiết kế Chương 6: Chế tạo thử nghiệm 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ BÀI Để thiết kế được mô hình tăng áp thổi khí O3 vào nước với áp suất thấp thì chúng ta cần tìm hiểu về các khái niệm và tính chất của O3 và công nghệ để tạo ra được O3 là gì nó có phù hợp và an toàn không.1 Khái niệm và tính chất của O3 khi hòa tan vào nước O3 là một phân tử chất vô cơ với công thức hóa học là O3 Nó là một chất khí màu xanh lam nhạt, có mùi hăng đặc biệt.1: Khí O3 làm găng tay cao su bị rách Khí O3 có tính oxi hóa mạnh hơn Clo, O 3 không bền vững và sẽ tự phân hủy thành oxy sau một khoảng thời gian ngắn. Mặc dù hòa tan không nhiều trong nước, nhưng sự hòa tan của ozone đủ để sử dụng trong các ứng dụng xử lý nước 5 Hình 2.2: Ứng dụng hòa tan khí Ozone vào xử lí nước O3 có thể phản ứng với và phá hủy các chất hữu cơ và vô cơ có trong nước, bao gồm các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC), NOx, SOx và các tạp chất khác, giúp làm sạch nước một cách toàn diện, loại bỏ các chất gây ô nhiễm và cải thiện chất lượng nước. Việc hòa tan O3 vào nước có thể tăng cường hiệu quả xử lý nước nhờ khả năng khuếch tán nhanh chóng và phản ứng mạnh mẽ của O 3 với các chất gây ô nhiễm. Giúp làm giảm thời gian và chi phí xử lý nước so với các phương pháp truyền thống.
Vì vậy, việc tìm kiếm phương pháp và thiết kế thiết bị để hòa tan khí O 3 vào nước một cách hiệu quả với áp suất thấp là rất cần thiết. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả xử lý nước và làm sạch rau củ quả, tiết kiệm năng lượng và đảm bảo chất lượng sản phẩm.2 Công nghệ Plasma Công nghệ Plasma thông qua sự phóng điện corona. Sự phóng điện Corona chỉ đơn giản là một tia lửa khuếch tán qua một chất điện môi để lan truyền sự phóng điện đó ra một khu vực rộng lớn để đạt hiệu quả tối đa. Trong plasma nhiệt độ thấp, điện trường mạnh được áp dụng để ion hóa khí (thường là khí hiếm như argon hoặc khí nitơ), tạo ra electron tự do và ion.
Các electron này được gia tốc bởi điện trường, đạt được năng lượng cao và có thể thực hiện các phản ứng hóa 6 học với các phân tử khí hoặc với bề mặt vật liệu. Tuy nhiên, do việc truyền năng lượng chủ yếu xảy ra giữa các electron và các phân tử khí, nên nhiệt độ tổng thể của hệ thống vẫn thấp. Công nghệ Plasma có thể tạo ra nồng độ O3 lớn và chi phí làm ra thấp Hình 2.3: Công nghệ Plasma [6] Vì vậy, việc tìm kiếm phương pháp và ứng dụng công nghệ Plasma vào việc thiết kế mô hình Plasma nhiệt độ thấp tạo ra O3 là cần thiết để thực hiện đề tài.3 Máy tăng áp Để hòa tan O3 vào nước, cần sử dụng máy nén khí có thể thổi khí xuống độ sâu khoảng 1 mét dưới mặt nước. Các máy nén khí thủy động, như quạt gió, thường được áp dụng trong các ứng dụng như phun khí vào nước.
Chúng có khả năng cung cấp lượng khí lớn, vượt qua 80 m3/phút trong các ứng dụng như cung cấp khí cho lò cao. Việc lựa chọn máy nén khí phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hòa tan O3 vào nước một cách hiệu quả và đáp ứng được yêu cầu của quy trình công nghệ.4: Máy nén khí thủy động 2.4 Phương pháp đo nồng độ O3 thông qua thể tích Phương pháp đo lường O3 thông qua thể tích, còn được biết đến với tên gọi phương pháp chuẩn độ iodometric, là một trong những phương pháp truyền thống và phổ biến nhất để xác định nồng độ O3 trong dung dịch. Phương pháp này dựa trên phản ứng hóa học giữa ozoneO 3 và iodide, trong đó O3 oxy hóa ion iodide thành iod , sau đó lượng iod này được xác định bằng cách chuẩn độ với dung dịch sodium thiosulfate (Na2S2O3). Màu của KI dưới tác dụng của O3 chuyển từ màu trắng sang vàng rồi sang màu nâu đậm Hình 2.5: Mẫu Ozone tác dụng với KI Ưu Điểm: • Độ chính xác cao: Phương pháp iodometric có thể cung cấp kết quả đo lường chính xác về nồng độ O3 trong dung dịch.
• Phổ biến: Phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi và có tài liệu hướng dẫn chi tiết. • Chi phí thấp: Thiết bị và hóa chất cần thiết cho phương pháp iodometric thường rẻ và dễ tiếp cận. Nhược Điểm: • Tốn thời gian: Quá trình chuẩn bị và thực hiện có thể tốn nhiều thời gian và công sức. • Phức tạp: Cần sự chính xác trong quá trình thực hiện và tính toán, đòi hỏi người thực hiện phải có kỹ năng và kinh nghiệm.
• Khả năng bị ảnh hưởng bởi các chất khác: Sự hiện diện của các chất oxy hóa khác trong dung dịch mẫu có thể gây nhiễu kết quả đo lường 8 2.2 Đặt tính của mô hình 2.1 Mô hình tạo khí ozone bằng plasma nhiệt độ thấp Hình 2.6: Mô hình Plasma tạo Ozone ở nhiệt độ thấp Hệ thống thiết kế để hòa tan O3 vào nước cần phải có các đặc tính sau: • Nguồn tạo O3: Sử dụng công nghệ plasma để tạo ra O3 từ oxy giúp tăng cường hiệu suất tạo O3. • Áp suất thấp: Máy tạo O3 plasma hoạt động ở áp suất thấp, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm nguy cơ rò rỉ O3. 9 • Hiệu suất cao: Công nghệ plasma đảm bảo tạo ra nồng độ O3 cao với tiêu thụ năng lượng thấp. • Độ bền và ổn định: Máy O3 plasma có độ bền cao và khả năng hoạt động ổn định trong thời gian dài.
• Khả năng điều chỉnh: Máy có thể điều chỉnh lượng O3 tạo ra theo nhu cầu cụ thể của quá trình xử lý. • An toàn: Thiết kế an toàn, giảm thiểu rủi ro phát thải O3 ra môi trường xung quanh.2 Mô hình tăng áp đưa khí O3 vào chất lỏng (nước) • Bộ khuếch tán khí: Sử dụng bộ khuếch tán vi bọt để phân phối O3 vào nước, tăng diện tích tiếp xúc giữa khí và nước. • Áp suất tăng cường: Máy tăng áp giúp tăng áp suất của nước, cải thiện hiệu quả hòa tan O3 vào nước. • Hiệu quả hòa tan cao: Tăng cường quá trình hòa tan O3 vào nước bằng cách tạo ra sự khuấy động mạnh và tăng diện tích bề mặt tiếp xúc.
• Tiết kiệm năng lượng: Thiết kế tối ưu để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong quá trình tăng áp và khuếch tán khí. • Độ bền cao: Các bộ phận chịu áp lực được làm từ vật liệu bền bỉ, chống ăn mòn để đảm bảo tuổi thọ lâu dài. • Dễ bảo trì: Thiết kế dễ dàng tháo lắp và bảo trì, giúp giảm thời gian ngừng hoạt động và chi phí bảo dưỡng. An toàn vận hành: Hệ thống an toàn tích hợp như van một chiều, van giảm áp, và hệ thống ngắt tự động để bảo vệ người sử dụng và thiết bị 2.3 Kết cấu của hệ thống Kết cấu của mô hình: • Vật liệu : Sử dụng vật liệu không bị ăn mòn bởi ozone và nước như thép không gỉ, nhựa chịu hóa chất, hoặc composite đặc biệt.
Các vật liệu này cần phù hợp với điều kiện làm việc trong môi trường nước. • Thiết kế kín khí: Đảm bảo mô hình có thiết kế kín để ngăn ngừa sự thoát khí O3 ra môi trường ngoài và đảm bảo hiệu suất hòa tan cao. 10 • Hệ thống cung cấp khí và áp suất: Bao gồm các bơm thích hợp để đưa khí từ máy O3 xuống độ sâu 1 m và thiết bị điều khiển áp suất khí để duy trì áp suất thấp cho quá trình hòa tan O3. • Thiết bị hòa tan O3: Sử dụng thiết bị phù hợp như các hệ thống phun bong bóng O3 vào nước, hoặc các thiết bị khuếch tán khí O3 một cách hiệu quả để tăng cường diện tích tiếp xúc giữa O3 và nước.4 Các tồn tại của hệ thống hiện nay Hiện nay, các máy O3 sử dụng khí oxy để tạo ra O3 với công suất lớn nhằm mục đích rửa sạch nông sản và trái cây.
Tuy nhiên, hiệu quả của phương pháp này chưa đạt được kỳ vọng vì các lý do sau: • Vấn đề áp suất và năng lượng tiêu thụ: Để đảm bảo O3 hòa tan đều trong nước, cần phải thổi khí O3 đến độ sâu nhất định của bể. Nếu mực nước càng sâu, áp suất thổi cần thiết càng lớn, dẫn đến việc tiêu thụ nhiều năng lượng hơn. Nếu thổi khí O3 không đạt tới độ sâu cần thiết, khí O3 sẽ không được hòa tan dưới đáy bể dẫn đến các trái cây dưới đáy bể sẽ không được rửa sạch và nồng độ khí O3 hòa tan không đủ gây lãng phí năng lượng và không đảm bảo hiệu quả làm sạch.9: Rửa rau với năng lượng lớn 11 • Mối quan hệ giữa lưu lượng và nồng độ O3: Khi lưu lượng khí thổi vào bể tăng lên, nồng độ O3 tạo ra lại có xu hướng giảm. Điều này xảy ra vì khi lưu lượng khí tăng, thời gian tiếp xúc giữa khí oxy và bộ phận tạo O3 giảm, dẫn đến việc tạo ra O3 không hiệu quả.
Kết quả là nồng độ O3 trong nước thấp, không đủ mạnh để rửa sạch nông sản và trái cây một cách hiệu quả.10: Nồng độ O3 ảnh hưởng bởi (a) lưu lượng oxy; (b) thời gian phóng plasma [2] Để giải quyết vấn đề hòa tan O3 trong nước và tối ưu hóa hiệu quả làm sạch, chúng ta có thể triển khai các bước chi tiết sau: • Thiết kế hệ thống phân phối khí: Đầu phun khí: Sử dụng các đầu phun vi bọt để đảm bảo khí O3 được phân phối đồng đều. Vị trí lắp đặt: Đặt đầu phun khí ở độ sâu khoảng 1 m. Điều này giúp tăng thời gian và diện tích tiếp xúc của khí O3 với nước, cải thiện khả năng hòa tan và hiệu quả làm sạch. • Điều chỉnh áp suất và lưu lượng khí: Máy nén khí: Lựa chọn máy nén khí có khả năng điều chỉnh áp suất linh hoạt.
Điều này cho phép kiểm soát áp lực cần thiết để thổi khí đến độ sâu mong muốn mà không gây lãng phí năng lượng. Lưu lượng khí: Tối ưu hóa lưu lượng khí để đảm bảo thời gian tiếp xúc giữa khí oxy và bộ phận tạo O3 đủ lâu.