Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu và tình trạng hạn hán kéo dài đã làm gia tăng mức độ xâm nhập mặn vào hệ thống sông ngòi tại các vùng đồng bằng của Việt Nam, đặc biệt là khu vực Đồng bằng sông Cửu Long và các tỉnh Tây Nam Bộ. Các khảo sát thực tế vào giữa tháng 03/2020 ghi nhận nhiều nhánh sông trên địa bàn tỉnh Bến Tre có độ mặn đo được từ 7 đến 10 ppt. Nguồn nước cấp sinh hoạt qua xử lý từ nhà máy tới các hộ dân cũng ghi nhận độ mặn lên tới 2 ppt, vượt gấp 8 lần mức quy định tối đa (0,25 ppt) theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống QCVN 01:2009/BYT. Thực trạng này dẫn đến sự thiếu hụt nghiêm trọng nguồn nước phục vụ ăn uống và sinh hoạt thiết yếu. Trong khi đó, các thiết bị lọc nước mặn thương mại trên thị trường có giá thành cao, kích thước cồng kềnh, gây khó khăn cho việc tiếp cận của đại bộ phận hộ gia đình nông thôn.

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu thiết kế và thi công máy lọc nước nhiễm mặn sang nước ngọt" do sinh viên Nguyễn Trọng Tuyển và Phan Mạnh Cường thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Văn Hiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (khoá 2014 – 2020, hoàn thành tháng 07/2020) được triển khai nhằm giải quyết các yêu cầu thực tiễn nêu trên.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm 3 nội dung:

  1. Thiết kế và thi công máy lọc nước nhiễm mặn thành nước có độ mặn nằm trong quy chuẩn QCVN 01:2009/BYT (nồng độ Clorua nhỏ hơn 0,25 ppt).
  2. Chế tạo thiết bị có công suất nhỏ, đáp ứng nhu cầu ăn uống và sinh hoạt thiết yếu trong phạm vi hộ gia đình.
  3. Tích hợp tính năng giám sát chất lượng nước và điều khiển hoạt động hệ thống từ xa thông qua ứng dụng di động trên nền tảng Android.

Để hoàn thành mục tiêu, đề tài thực hiện 9 nhiệm vụ cụ thể:

  • Nội dung 1: Lựa chọn phương pháp lọc nước phù hợp với điều kiện vận hành gia đình.
  • Nội dung 2: Tính toán, thiết kế và lắp ráp các chi tiết cơ khí cùng hệ thống bộ lọc.
  • Nội dung 3: Thiết kế và thi công mạch điều khiển điện tử trung tâm.
  • Nội dung 4: Xây dựng ứng dụng di động Android giao tiếp với hệ thống qua kết nối Wifi và mạng dữ liệu di động.
  • Nội dung 5: Lựa chọn phương thức lưu trữ và truy xuất dữ liệu vận hành.
  • Nội dung 6: Thi công hoàn chỉnh mô hình toàn hệ thống.
  • Nội dung 7: Chạy thử nghiệm, đo đạc thông số và hiệu chỉnh hệ thống.
  • Nội dung 8: Tổng hợp số liệu và viết báo cáo thuyết minh đồ án.
  • Nội dung 9: Bảo vệ đồ án tốt nghiệp trước hội đồng chuyên môn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình máy lọc nước thẩm thấu ngược mini kết hợp mạch nhúng điều khiển và giám sát chất lượng nước.
  • Nguồn nước thử nghiệm: Dung dịch nước pha muối ăn NaCl mô phỏng nước nhiễm mặn tự nhiên với dải đo từ 0 đến 2 ppt.
  • Phạm vi công suất: Cung cấp tối thiểu 10 L/h, tương đương lượng nước ăn uống tiêu chuẩn cho hộ gia đình 4 người (40 L/ngày theo TCVN 4513:1988) trong thời gian vận hành tối đa 4 giờ liên tục.
  • Phạm vi thời gian và địa điểm: Thực hiện từ ngày 10/03/2020 đến ngày 15/07/2020 tại Bộ môn Điện tử công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên cơ sở khoa học về hiện tượng thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis - RO). Thẩm thấu tự nhiên là quá trình dịch chuyển thụ động của phân tử dung môi qua màng bán thấm từ dung dịch có nồng độ chất tan thấp sang dung dịch có nồng độ chất tan cao nhằm cân bằng áp suất thẩm thấu hai phía. Để đảo ngược quá trình này, một áp suất cơ học lớn hơn áp suất thẩm thấu tự nhiên ($P_s$) được đặt lên phía dung dịch đậm đặc, buộc các phân tử nước tinh khiết đi xuyên qua màng bán thấm vào ống thu gom trung tâm, giữ lại các ion muối và vi sinh vật ở phía bên kia màng.

Áp suất thẩm thấu của dung dịch nước muối được tính toán dựa trên phương trình Van 't Hoff: $$P_s = c \times R \times T$$ Trong đó:

  • $c$ là tổng nồng độ hạt ion trong dung dịch (đơn vị M). Với độ mặn 2 ppt (2 g NaCl trong 1 lít nước), khối lượng mol phân tử $M = 58,44\text{ g/mol}$, số mol NaCl là $n = 0,0342\text{ mol}$. Do 1 mol NaCl phân ly hoàn toàn thành 2 mol ion ($\text{Na}^+$ và $\text{Cl}^-$), tổng nồng độ hạt đạt $c = 0,0684\text{ M}$.
  • $R$ là hằng số khí lý tưởng ($0,0831\text{ L}\cdot\text{bar}/(\text{mol}\cdot\text{K})$).
  • $T$ là nhiệt độ tuyệt đối theo thang Kelvin. Tại nhiệt độ môi trường thử nghiệm 30°C ($303,15\text{ K}$), áp suất thẩm thấu tính được là: $$P_s = 0,0684 \times 0,0831 \times (273,15 + 30) \approx 1,72\text{ bar} \approx 25\text{ psi}$$

Bên cạnh lý thuyết phân tách màng, đề tài so sánh các giải pháp khử mặn phổ biến:

Phương pháp Cơ chế chính Ưu điểm Nhược điểm
Chưng cất nhiệt Cấp nhiệt để nước bay hơi, ngưng tụ hơi nước sạch Áp dụng được cho mọi dải độ mặn Tiêu hao nhiệt năng lớn, thời gian xử lý lâu, quy trình phức tạp
Trao đổi ion Sử dụng hạt nhựa cationit (khử cation) và anionit (khử anion) Nước đầu ra đạt chuẩn, có thể hoàn nguyên hạt nhựa Chi phí vận hành và vật tư cao, quy trình phức tạp
Thẩm thấu ngược (RO) Sử dụng áp lực bơm đẩy nước qua màng bán thấm kích thước 0,1 nm Loại bỏ tới 99% muối và tạp chất, thiết bị phổ biến, vận hành linh hoạt Thất thoát khoáng chất tự nhiên, màng lọc cần thay thế định kỳ

Về công nghệ điều khiển và truyền thông, đồ án áp dụng:

  • Chuẩn giao tiếp I2C: Giao thức truyền thông nối tiếp 2 dây (SDA cho dữ liệu hai chiều và SCL cho xung nhịp đồng bộ), sử dụng cấu hình cực máng hở với điện trở kéo lên nguồn cấp, định danh thiết bị tớ theo địa chỉ vật lý cố định.
  • Nền tảng Google Firebase: Nền tảng điện toán đám mây cung cấp dịch vụ cơ sở dữ liệu thời gian thực (Realtime Database) phục vụ đồng bộ dữ liệu hai chiều giữa vi điều khiển ESP32 và ứng dụng Android, kết hợp hệ thống xác thực người dùng (Firebase Authentication).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm: thiết kế tính toán giải tích lưu lượng và cột áp; lắp ráp mô hình cơ khí - thủy lực hoàn chỉnh; lập trình điều khiển nhúng trên vi xử lý ESP32; đo kiểm tham số cảm biến TDS và cảm biến ToF bằng dụng cụ chuẩn; thực nghiệm lọc dung dịch nước muối nhân tạo nhằm đánh giá độ suy giảm TDS và lưu lượng thấm thực tế.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Thiết kế hệ thống lọc cơ khí và thủy lực

Hệ thống thủy lực bao gồm các khối liên kết theo chiều dòng chảy:

  • Khối tiền xử lý: Tích hợp 3 cấp lọc nhằm bảo vệ màng RO:
    • Cấp 1 (lõi sợi bông 5 µm): Giữ lại các chất rắn lơ lửng, cặn rỉ sét, cát có kích thước lớn hơn 5 µm.
    • Cấp 2 (lõi than hoạt tính dạng hạt/ép): Hấp phụ clo dư, khử màu, khử mùi lạ và loại bỏ tạp chất hữu cơ.
    • Cấp 3 (lõi lọc tinh 1 µm): Loại bỏ cặn mịn lớn hơn 1 µm nhằm hạn chế hiện tượng tắc nghẽn bề mặt màng RO.
  • Khối màng thẩm thấu ngược: Sử dụng lõi màng lọc DOW FILMTEC TW30-1812-50HR (áp suất tối đa 150 psi, nhiệt độ làm việc tối đa 45°C, lưu lượng dòng thấm thiết kế 21,8 L/h tại 130 psi).
  • Khối bơm tăng áp: Chọn máy bơm màng cao áp TF-8379 (điện áp 24 VDC, dòng điện 0,34 A, áp suất đầu ra cực đại 125 psi, lưu lượng tối đa 1,2 L/phút). Dựa trên hệ số thấm của màng: $$K = \frac{F_m}{P_m - P_s} = \frac{21,8}{130 - 25} = 0,207\text{ L/(h}\cdot\text{psi)}$$ Áp suất bơm tối thiểu cần thiết để đạt lưu lượng 10 L/h là: $$P_p = \frac{F}{K} + P_s = \frac{10}{0,207} + 25 \approx 73\text{ psi}$$ Khi vận hành với bơm áp lực 125 psi, lưu lượng thấm lý thuyết đạt: $$F = K \times (P_p - P_s) = 0,207 \times (125 - 25) \approx 20,7\text{ L/h}$$
  • Van điện từ: Sử dụng van điện từ Dauer (24 VDC, dòng tiêu thụ 0,2 A, áp suất chịu đựng 120 psi khi đóng) lắp đặt trước bơm để ngắt nguồn nước cấp khi dừng hệ thống, ngăn chặn hiện tượng rò rỉ nước thải hoặc tự thẩm thấu.
  • Áp kế cơ học: Giới hạn đo 0 – 200 psi đặt sau bơm để kiểm soát áp suất tức thời vào màng RO.
  • Bình chứa nước thành phẩm: Sử dụng ống nhựa PVC D110 PN6 (đường kính ngoài 110 mm, độ dày thành ống 3,2 mm, chiều dài 490 mm, bán kính mặt trong $R = 5,18\text{ cm}$). Dung tích hình học danh định đạt 4,1 L. Do cảm biến laser ToF có vùng mù đo tối thiểu 3 cm tính từ đỉnh ống, dung tích chứa nước hữu dụng tính toán theo hình viên phân đạt 3,1 L. Hệ thống cài đặt ngưỡng báo đầy tại mức 3,0 L và cho phép vận hành lọc trở lại khi thể tích giảm dưới 2,7 L.
  • Kết cấu khung vỏ: Khung xương hàn từ sắt chịu lực, vỏ bao che bằng vật liệu mica, kích thước tổng thể $685\text{ mm} \times 200\text{ mm} \times 550\text{ mm}$ (Rộng x Sâu x Cao). Hộp chứa bo mạch điều khiển và bộ nguồn được gia công bằng công nghệ in 3D.

Thiết kế mạch giám sát và điều khiển nhúng

Hệ thống sử dụng vi điều khiển ESP32 (CPU Xtensa Dual-Core LX6 tốc độ 160 MHz, bộ nhớ ADC 12-bit, hỗ trợ kết nối không dây Wifi). Cấu trúc phân luồng xử lý trên vi điều khiển:

  • Nhân Core 0: Đảm nhiệm kết nối mạng không dây, đồng bộ trạng thái và gửi dữ liệu đo lường lên Firebase Realtime Database, tiếp nhận lệnh điều khiển (RUN/STOP) gửi xuống từ ứng dụng di động.
  • Nhân Core 1: Chịu trách nhiệm thực thi các tác vụ thời gian thực gồm đọc tín hiệu analog từ cảm biến TDS, giao tiếp I2C với cảm biến mức ToF VL53L0X, quét trạng thái nút nhấn cục bộ, tính toán giải thuật thể tích và xuất tín hiệu điều khiển hiển thị LCD 20x4, đèn LED chỉ thị và relay đóng ngắt.

Thuật toán xác định độ mặn từ module cảm biến TDS:

  • Điện áp ngõ ra ADC chuyển đổi: $$U_1 = \frac{\text{ADC}}{4095} \times 3,3\text{ (V)}$$
  • Hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ tại giá trị nhiệt độ nguồn nước $T$ (°C): $$k = 1 + 0,02 \times (T - 25)$$
  • Điện áp chuẩn hóa: $$U_2 = \frac{U_1}{k}\text{ (V)}$$
  • Nồng độ tổng chất rắn hòa tan: $$\text{TDS (ppm)} = \left(133,42 \times U_2^3 - 255,86 \times U_2^2 + 857,39 \times U_2\right) \times 0,5$$
  • Độ dẫn điện dung dịch: $$\text{EC } (\mu\text{S/cm}) = \frac{\text{TDS}}{0,64}$$
  • Độ mặn suy biến: $$\text{Salinity (ppt)} = \frac{\text{EC}}{2,12 \times 1000}$$

Đo thể tích nước sử dụng cảm biến khoảng cách laser ToF VL53L0X (nguyên lý đo thời gian bay của xung photon, tầm đo 3 – 200 cm, sai số ±2 mm, kết nối qua bus I2C). Khi cảm biến đo được khoảng cách $h$ (cm) từ đỉnh bình chứa đến mặt nước, thể tích nước $V$ (lít) được tính qua diện tích phần đáy bị ngập nước $S_w$: $$S_w = \pi R^2 - R^2 \cos^{-1}\left(\frac{R - h}{R}\right) + (R - h)\sqrt{2Rh - h^2}$$ $$V = \frac{S_w \times L}{1000}$$

Tên linh kiện Số lượng Điện áp định mức (VDC) Dòng điện tiêu thụ (mA)
Máy bơm áp lực TF-8379 1 24 340
Van điện từ Dauer 1 24 200
Vi điều khiển ESP32 1 3,3 90
Cảm biến TDS analog 1 3,3 6
Đèn LED chỉ thị RGB 1 3,3 30
Cảm biến ToF VL53L0X 1 5 2
Còi cảnh báo Buzzer 1 5 25
Màn hình LCD 20x4 1 5 120
Module chuyển đổi I2C PCF8574 1 5 0,1
Module Relay kích dẫn 2 5 150 (75 x 2)

Tổng dòng điện tiêu thụ ở trạng thái làm việc ổn định là $0,963\text{ A}$. Khi khởi động, dòng điện tức thời của động cơ máy bơm và cuộn hút van điện từ tăng gấp 4 lần dòng định mức ($2,16\text{ A}$), đẩy tổng dòng cực đại lên $2,583\text{ A}$ với công suất đỉnh là $53,74\text{ W}$. Toàn bộ mạch sử dụng bộ nguồn tổ ong chuyển mạch AC-DC công suất $72\text{ W}$ (24 VDC - 3 A), kết hợp mạch hạ áp DC-DC LM2596 (dòng tải cực đại 3 A, công suất 15 W) hạ áp từ 24 VDC xuống 5 VDC cung cấp cho hệ vi điều khiển và cảm biến.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tình hình biến đổi khí hậu dẫn tới hiện tượng xâm nhập mặn nghiêm trọng tại Tây Nam Bộ, dẫn chứng độ mặn tại Bến Tre lên tới 7 - 10 ppt và nguồn nước máy chạm ngưỡng 2 ppt. Tác giả xác lập mục tiêu thiết kế máy lọc nước RO gia đình có khả năng xử lý nước mặn về dưới 0,25 ppt theo QCVN 01:2009/BYT, công suất tối thiểu 10 L/h, có kết nối điều khiển không dây. Đồng thời, chương này liệt kê 9 nội dung nghiên cứu thực hiện, các giới hạn đề tài và bố cục 6 chương của báo cáo.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp cơ sở lý thuyết về nước nhiễm mặn, định nghĩa độ mặn, phân loại các nguồn nước theo độ mặn (nước ngọt, nước lợ, nước mặn, nước muối) và bảng thành phần các ion vô cơ chính trong nước biển so với nước sông (với $\text{Na}^+$ và $\text{Cl}^-$ chiếm hơn 85% tổng lượng muối tan ở nước biển). Chương này phân tích chi tiết ưu nhược điểm của 3 phương pháp khử mặn: chưng cất nhiệt, trao đổi ion và thẩm thấu ngược RO; mô tả cấu tạo màng lọc RO dạng cuộn xoắn ốc (3 lớp gồm polyester, xốp polysulfone và polyamide dày 0,2 µm). Đồng thời, chương 2 giới thiệu chuẩn truyền thông nối tiếp I2C và hệ thống điện toán đám mây Google Firebase (Firebase Realtime Database, Authentication, Hosting).

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày các tính toán kỹ thuật cho hệ thống: tính áp suất thẩm thấu của nước muối 2 ppt tại 30°C ($P_s \approx 25\text{ psi}$); tính chọn màng lọc DOW FILMTEC TW30-1812-50HR; xác định hệ số thấm $K = 0,207\text{ L/(h}\cdot\text{psi)}$; tính chọn máy bơm TF-8379 đạt áp lực 125 psi để bảo đảm lưu lượng dòng thấm lý thuyết $20,7\text{ L/h}$; tính toán điện năng tiêu thụ (tốn $0,0048\text{ kWh}$ cho 10 L nước sạch); tính chọn van điện từ 24 VDC và bình chứa PVC D110. Bên cạnh đó, chương 3 thiết kế chi tiết sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý mạch điện, tính toán lựa chọn linh kiện khối xử lý trung tâm ESP32, cảm biến TDS, cảm biến laser ToF VL53L0X, khối hiển thị LCD 20x4, mạch nguồn tổ ong 24V/3A và module hạ áp LM2596.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ tiến trình thi công cơ khí khung vỏ máy kích thước $685 \times 200 \times 550\text{ mm}$ bằng sắt và mica; gia công hộp gá bo mạch bằng máy in 3D; lắp đặt các lõi lọc, máy bơm, bình chứa; thi công mạch in, hàn linh kiện và kiểm tra các mức điện áp cấp. Chương này trình bày chi tiết các lưu đồ thuật toán phân chia cho 2 nhân xử lý Core 0 và Core 1 của ESP32, quy trình cấu hình dự án trên Firebase Cloud, lưu đồ giải thuật và giao diện lập trình ứng dụng Android trên máy tính; cuối cùng là tài liệu hướng dẫn vận hành thiết bị qua nút bấm trực tiếp và qua ứng dụng di động.

Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá

Chương 5 công bố các kết quả đo đạc thực nghiệm trên hệ thống hoàn thiện: theo dõi sự suy giảm chỉ số TDS từ nước cấp đầu vào sang nước lọc đầu ra theo thời gian; đánh giá tác động của áp suất bơm và độ mặn nước cấp tới lưu lượng dòng thấm; phân tích sai số giữa lưu lượng thấm đo đạc thực tế so với tính toán lý thuyết; xác định tương quan giữa thể tích nước thành phẩm và nước ngõ vào (xác nhận tỷ lệ thu hồi 50%); minh họa các trạng thái hiển thị của màn hình LCD 20x4 và giao diện ứng dụng Android tại các chế độ vận hành RUN, STOP và FULL.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các kết quả kỹ thuật đã hoàn thành so với mục tiêu đặt ra ban đầu, chỉ rõ những hạn chế còn tồn tại về dải đo cảm biến và độ bền vật liệu, từ đó đề xuất các hướng nghiên cứu hoàn thiện thiết bị trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được:

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy lọc nước nhiễm mặn kích thước $685\text{ mm} \times 200\text{ mm} \times 550\text{ mm}$, bố trí gọn gàng các cơ cấu tiền lọc, màng RO, bơm tăng áp và bình chứa nước sạch bên trong khung vỏ sắt ốp mica.
  • Khả năng khử mặn: Thiết bị xử lý nguồn nước nhiễm mặn nhân tạo có độ mặn ban đầu từ 0 đến 2 ppt, cho chất lượng nước sau lọc đạt nồng độ Clorua dưới 0,25 ppt, đáp ứng quy chuẩn nước sinh hoạt, ăn uống theo QCVN 01:2009/BYT.
  • Lưu lượng vận hành: Với áp suất bơm làm việc 125 psi, hệ thống đạt lưu lượng thấm lý thuyết lên đến $20,7\text{ L/h}$, vượt mức yêu cầu thiết kế tối thiểu ($10\text{ L/h}$). Thời gian lọc 40 L nước tinh khiết rút ngắn từ 4 giờ xuống còn gần 3 giờ.
  • Tiêu thụ năng lượng: Hệ số hồi phục của hệ thống đạt 50% (cứ 2 L nước nhiễm mặn cấp vào tạo ra 1 L nước sạch và 1 L nước xả có độ mặn tăng gấp đôi). Điện năng tiêu thụ của máy bơm để sản xuất 10 L nước tinh khiết là $0,0048\text{ kWh}$, tiêu tốn $0,0192\text{ kWh}$ cho định mức 40 L/ngày.
  • Tự động hóa và giám sát hai tầng:
    • Tầng hiển thị và cảnh báo cục bộ: Sử dụng màn hình LCD 20x4 hiển thị trạng thái máy, chỉ số TDS, độ dẫn điện, thể tích nước sạch trong bình; còi buzzer phát âm thanh phân biệt theo chế độ (2 tiếng bíp khi RUN, 1 tiếng bíp ngắn khi STOP, 1 tiếng bíp dài khi FULL); đèn LED RGB chuyển trạng thái màu tương ứng (xanh lá: RUN, xanh dương: FULL, đỏ: STOP).
    • Tầng giám sát và điều khiển không dây: Ứng dụng Android kết nối Firebase Cloud cho phép bật/tắt máy từ xa qua nút nhấn ảo và theo dõi các chỉ số TDS, thể tích nước thời gian thực thông qua kết nối Wifi hoặc 3G/4G. Máy tự động ngắt bơm khi bình chứa đạt ngưỡng 3,0 L và chỉ cho phép kích hoạt trở lại khi mức nước hạ dưới 2,7 L.

Đóng góp của đồ án:

  • Hiện thực hóa thành công một giải pháp thiết bị xử lý nước nhiễm mặn quy mô gia đình có chi phí thấp, giải quyết nhu cầu cấp bách về nước ăn uống tại các khu vực chịu ảnh hưởng bởi hạn mặn.
  • Kết hợp thành công giữa công nghệ màng lọc cơ khí RO và công nghệ giám sát IoT (vi điều khiển đa nhân ESP32, dịch vụ dữ liệu đám mây Firebase Realtime Database và ứng dụng di động Android), tạo ra mô hình thiết bị điện gia dụng thông minh, hỗ trợ kiểm soát chất lượng nước trực quan và an toàn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Phạm vi độ mặn đầu vào bị giới hạn trong khoảng từ 0 đến 2 ppt, chưa thể xử lý nguồn nước có độ mặn cao hơn hoặc nước biển tự nhiên (độ mặn trên 30 ppt) do áp suất thẩm thấu khi đó sẽ vượt quá giới hạn chịu áp của màng lọc TW30-1812-50HR và máy bơm TF-8379 (125 psi).
  • Cảm biến khoảng cách laser ToF VL53L0X có khoảng cách mù đo tối thiểu 3 cm và không có khả năng chống nước, làm giảm dung tích chứa hữu dụng của bình PVC (từ 4,1 L xuống 3,1 L) và đòi hỏi sự cẩn trọng khi di chuyển máy để tránh nước tràn gây hư hỏng cảm biến.
  • Tỷ lệ thu hồi nước 50% đồng nghĩa với việc 50% lượng nước cấp bị thải bỏ với độ mặn tăng gấp đôi, làm giảm hiệu suất khai thác nguồn nước thô.
  • Ứng dụng điều khiển mới chỉ triển khai trên hệ điều hành Android, chưa hỗ trợ hệ điều hành iOS.

Hướng phát triển:

  • Nghiên cứu tích hợp các dòng màng lọc RO chuyên dụng cho nước biển cùng bơm tăng áp công suất lớn hơn để nâng ngưỡng lọc mặn lên các dải nồng độ cao hơn.
  • Thay thế cảm biến đo mức nước bằng các loại cảm biến công nghiệp chuyên dụng có khả năng kháng nước và triệt tiêu vùng mù đo để tận dụng tối đa dung tích bình chứa.
  • Nghiên cứu giải pháp thu hồi hoặc tái sử dụng nguồn nước thải có độ mặn cao cho các mục đích sinh hoạt khác phù hợp.
  • Nâng cấp phần mềm điều khiển, phát triển phiên bản ứng dụng trên hệ điều hành iOS và nghiên cứu kết hợp bộ nguồn năng lượng mặt trời giúp hệ thống vận hành độc lập tại các vùng hải đảo hoặc vùng sâu thiếu điện lưới.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên các ngành Điện tử công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ điện tử, Công nghệ Kỹ thuật Môi trường khi thực hiện các đề tài đồ án tốt nghiệp, nghiên cứu ứng dụng liên ngành giữa cơ học thủy lực và điều khiển nhúng.
  • Các kỹ sư phát triển sản phẩm IoT dân dụng, máy lọc nước thông minh hoặc hệ thống quan trắc chất lượng nước từ xa.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu:

  • Phương pháp tính toán lý thuyết áp suất thẩm thấu theo phương trình Van 't Hoff kết hợp công thức xác định hệ số thấm $K$ để tính chọn công suất máy bơm và lưu lượng dòng thấm của màng RO.
  • Công thức giải tích và thuật toán hình học tính thể tích chất lỏng trong ống trụ tròn nằm ngang dựa trên khoảng cách đo từ cảm biến không tiếp xúc.
  • Cấu trúc chương trình phân chia tác vụ chạy song song trên 2 nhân (Core 0 và Core 1) của vi điều khiển ESP32, kết hợp kết nối đồng bộ dữ liệu thời gian thực với Firebase Realtime Database.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống xử lý được nguồn nước có độ mặn tối đa là bao nhiêu và chất lượng nước đầu ra đạt tiêu chuẩn nào?

Hệ thống được thiết kế để xử lý nguồn nước nhiễm mặn có nồng độ muối từ 0 đến 2 ppt. Nước thành phẩm sau khi qua màng RO có độ mặn (nồng độ Clorua) giảm xuống dưới 0,25 ppt, đáp ứng Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống QCVN 01:2009/BYT.

Tại sao nhóm tác giả lựa chọn màng lọc DOW FILMTEC TW30-1812-50HR và máy bơm TF-8379?

Tại độ mặn 2 ppt và nhiệt độ 30°C, áp suất thẩm thấu $P_s$ của nước muối là 25 psi. Để đảm bảo lưu lượng lọc thiết kế tối thiểu 10 L/h, màng lọc TW30-1812-50HR (hệ số thấm $K = 0,207\text{ L/(h}\cdot\text{psi)}$) đòi hỏi áp lực bơm tối thiểu 73 psi. Bơm màng TF-8379 cung cấp áp lực cực đại 125 psi, vừa đáp ứng lưu lượng dòng thấm lý thuyết lên đến 20,7 L/h (vượt mức 10 L/h), vừa nằm trong giới hạn áp suất an toàn của màng (150 psi).

Dung tích thực tế của bình chứa nước sạch là bao nhiêu và vì sao có sự chênh lệch so với thể tích ống PVC D110?

Ống PVC D110 (đường kính ngoài 110 mm, dày 3,2 mm, dài 490 mm) có thể tích hình học danh định là 4,1 L. Tuy nhiên, cảm biến laser ToF VL53L0X gắn trên đỉnh bình có khoảng cách mù đo tối thiểu là 3 cm và không chống nước, do đó thể tích chứa nước hữu dụng tính toán theo hình học chỉ đạt 3,1 L. Để đảm bảo an toàn, hệ thống được cài đặt ngắt bơm báo đầy tại ngưỡng 3,0 L.

Mức tiêu thụ điện năng của hệ thống để lọc đủ nước sinh hoạt cho một hộ gia đình 4 người là bao nhiêu?

Theo tính toán lý thuyết với hệ số thu hồi 50%, để tạo ra 10 L nước tinh khiết máy bơm tiêu tốn $0,0048\text{ kWh}$. Để sản xuất đủ 40 L nước ăn uống cho hộ gia đình 4 người mỗi ngày (10 L/người/ngày theo TCVN 4513:1988), lượng điện năng tiêu thụ chỉ là $0,0192\text{ kWh}$.

Vi điều khiển ESP32 phân chia xử lý các tác vụ như thế nào để hệ thống không bị trễ gián đoạn?

ESP32 sử dụng vi xử lý 2 nhân độc lập Xtensa LX6: Core 0 chuyên xử lý kết nối mạng Wifi, đồng bộ dữ liệu thời gian thực và nhận lệnh điều khiển từ Firebase Cloud; Core 1 chuyên thực thi các tác vụ thời gian thực tại chỗ bao gồm đọc tín hiệu analog cảm biến TDS, giao tiếp I2C với cảm biến ToF, xử lý ngắt nút nhấn và xuất tín hiệu điều khiển relay, còi buzzer, LED RGB cùng màn hình LCD 20x4.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu thiết kế và thi công máy lọc nước nhiễm mặn sang nước ngọt" đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo một thiết bị lọc nước thẩm thấu ngược mini quy mô gia đình, xử lý hiệu quả nguồn nước nhiễm mặn 0 - 2 ppt thành nước uống đạt chuẩn QCVN 01:2009/BYT với công suất thực tế vượt 10 L/h. Thiết bị vận hành ổn định nhờ hệ thống điều khiển nhúng trên nền tảng vi điều khiển đa nhân ESP32, kết hợp khả năng đo lường chính xác các chỉ số TDS và mức nước thông qua hệ thống cảm biến chuyên dụng. Việc tích hợp thành công nền tảng Firebase Realtime Database và ứng dụng Android đã mang lại giải pháp giám sát, điều khiển từ xa trực quan, mở ra hướng ứng dụng thiết thực phục vụ đời sống người dân vùng xâm nhập mặn.