Nghiên cứu chế tạo, sản xuất hệ thống lọc nước biển di động dùng cho hải đảo và tàu cá
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (24.09 MB, 159 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
BÁO CÁO TỔNG KẾT
KÉT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ ÁN KH&CN
CẤP ĐẠI HỌC QUÓC GIA
Tên đề án: Nghiên cứu chế tạo, sản xuất hệ thống lọc nước biến di động
dùng cho hải đảo và tàu cá
Mã số án: QGĐA.14.03
Chủ nhiệm đề án: ThS. Vũ Nguyên Thức
r
ĐẠI HỌC Q U Ố C GIA HÀ NỌI
TRUNG TAM
TÂM THÔNG
THÕNG TIN THƯ VIỆ
VIỆN
Hà Nội, 2017
PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG
1.1. Tên đề án: Nghiên cứu chế tạo, sản xuất hệ thống lọc nước biến di động dùng
cho hải đảo và tàu cá
1.2. Mã số: QGĐA. 14.03
1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề án
TT
C hức d an h , học vị, họ và
tên
Đ ơn vị công tác
V ai trò thư• c hiên đề án
•
Vũ Nguyên Thức
Trường Đại học Công
nghệ, ĐHQGHN
Chủ trì
Hồ Anh Tâm
Trung tâm Họp tác và
Chuyển giao tri thức,
ĐHQGHN
Thành viên
Nguyễn Thăng Long
Trường Đại học Công
nghệ, ĐHQGHN
Thành viên
Đặng Văn Mười
Trường Đại học Công
nghệ, ĐHQGHN
Thành viên
Nguyễn Thế Hiện
Trường Đại học Công
nghệ, ĐHQGHN
Thành viên
Nguyễn Thị Thu Thủy
Trường Đại học Phòng
cháy chữa cháy, Bộ
Công an
Thành viên
Lê Thị Đông Vinh
Trung tâm Hợp tác và
Chuyển giao tri thức,
ĐHQGHN (Nay là
Trung tâm Chuyển giao
tri thức và Hỗ trợ khởi
nghiệp)
Thư ký
1.4. Đ ơn vị chủ trì: Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội
1.5. Thòi gian thực hiện:
1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 01 năm 2015 đến tháng 12 năm 2015
1.5.2. Gia hạn (nếu có):
đến tháng 06 năm 2017
1.5.3. Thực hiện thực tế:
từ tháng 07 năm 2015 đến tháng 11 năm 2 0 17
1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):
(về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và to chức thự c hiện;
Nguyên nhân; Y kiên của Cơ quan quản lý)
1.7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề án: 1.046 triệu đồng.
1.8. Tổng kinh phí thực tế được cấp: 500 triệu đồng.
1.9. Tổng kinh phí đã giải ngân: 250 triệu đồng.
PHẦN II. TÓNG QUAN KÉT QUẢ NGHIÊN c ử u
1. Đ ặt vấn đề
Trên thế giới hiện có ba phương pháp lọc nước biển thành nước ngọt. Đó là
phương pháp lọc đa tầng (dùng các hoạt chất than, cát, sỏi... đế lọc), phương pháp
chưng cất (giống như nấu rượu) và phương pháp “thấm thấu ngược” . Hai phương
pháp lọc đa tầng và chưng cất không hiệu quả, bởi khối lượng nước ngọt thu được
không nhiều. Chỉ có phương pháp “thẩm thấu ngược” (Reverse Osmosis - RO) trong
các thiết bị lọc là công nghệ phổ biến, ưu việt nhất trên thị trường về hiệu quả lọc
nước và khả năng ứng dụng.
Công nghệ “khử muối” ở các nhà máy nước có thể tiêu tốn lên tới hàng trăm
triệu đô la. Ở Carlsbad, Califomia, một dự án 1 tỉ USD đang hoàn thành 25% việc
xây dựng để lọc 50 triệu lít nước ngọt mỗi ngày và cung cấp cho hệ thống nước
phục vụ 3,1 triệu dân. Tuy nhiên, quá trình xử lí nước biển đòi hỏi một nguồn năng
lượng lớn rất tốn kém, do đó nó chỉ thực sự khả thi với những nơi giàu dầu mỏ như
Trung Đông.
Tuổi thọ của màng lọc RO, kéo theo đó là tuổi thọ của hệ thống lọc nước biển,
phụ thuộc rất lớn vào quá trình lọc thô - tức là quá trình loại bỏ mọi tạp chất - trước
khi đưa nước muối tới màng lọc RO. Do vậy, quá trình xây dựng một hệ thống lọc
nước biển đòi hỏi phải có sự khảo sát kỹ lường thực địa về tính chất của nước biển tại
vùng định sử dụng hệ thống, qua đó đưa ra một giải pháp lọc thô phù hợp, thì mới
đảm bảo được hệ thống lọc nước biển dùng công nghệ RO hoạt động lâu dài.
Ở V iệt Nam, nhóm nghiên cứu của Hà Sỹ Uyên và đồng nghiệp tại Khoa
Hóa, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã nghiên cứu
sử dụng m ặt trời để đốt nóng nước biển, sau đó ngưng tụ nước bay hơi bằng cách
chế tạo cách chế tạo tấm thu nhiệt mặt trời bằng vật liệu compozit. Tuy phương
pháp này rẻ tiền nhưng hệ thống thiết bị rất dễ bị hỏng hóc, cồng kềnh và lượng
nước tạo ra được quá ít, không thể sử dụng cho các đảo nhiều người cũng như các
đảo nối có diện tích nhỏ. M ột số thử nghiệm khác sử dụng các hệ lọc của nước
ngoài, tuy nhiên không phù họp với điều kiện Việt Nam nên rất mau hỏng, đồng
thời yêu cầu cần phải dùng nguồn điện công suất lớn không phù hợp với các đảo
nhỏ, nhất là các đảo chưa có hệ thống điện lưới hoặc không phù hợp với hệ thống
tàu cá (dùng điện bằng máy phát diezen) do giá thành sản xuất nước ngọt còn cao.
Có thể thấy trong tình hình hiện tại, nhu cầu về thị trường của dòng sản
phấm này là rất lớn. Việt Nam hiện có lượng lớn tàu cá các loại, trong đó phần lớn
là các tàu cá cỡ nhỏ. Việc trang bị 1 hệ lọc nước biển trên tàu cá sẽ đảm bảo nguồn
cung nước ngọt tại chỗ, vừa giảm trọng tải khi thuyền ra khơi, vừa đảm bảo cho
ngư dân đánh bắt lâu dài trên biến. Bên cạnh đó, phần lớn các hải đảo của nước ta
chưa thể tiếp cận được với điện lưới quốc gia, nhu cầu nước ngọt tại các hải đảo có
chiến sỹ và nhân dân sinh sống là rất lớn, việc sản phẩm của dự án vừa cung cấp
nước ngọt, vừa tích hợp pin năng lượng mặt trời sẽ nhận được sự quan tâm lớn từ
thị trường.
2. M ục tiêu
•
Nghiên cứu chế tạo được hệ thống lọc nước biển thành nước tinh khiết cỡ
nhỏ dùng cho tàu cá xa bờ và các hải đảo, đồng thời làm chủ các công nghệ lọc
nước biển tiên tiến để tiến tới xây dựng các hệ thống công suất lớn. Thông số kỹ
thuật của sản phẩm:
+ Kích thước: nhỏ gọn, dễ dàng mang vác (thể tích <0,5 m3);
+ Trọng lượng: <50kg;
+ Tiêu thụ điện năng trung bình < 500Wh, công suất đỉnh khoảng 2 kW
thích hợp với các hệ thống năng lượng tái tạo;
+ Công suất lọc nước lớn hơn 100 lít/ngày, cung cấp đủ nước uống cho tối
thiểu 30 người;
+ Hoạt động được liên tục, thời gian bảo dưỡng thấp;
+ Chi phí khi sản xuất hàng loạt: <120 triệu đồng mỗi hệ thống;
+ Có tích họp tấm pin mặt trời;
+ Nước lọc được qua hệ thống đáp ứng quy chuẩn về nước sinh hoạt do Bộ
Y tế ban hành (QCVN 02:2009/BYT):
v' Màu sắc: Tối đa 15 TCU
•S Mùi vị: Không có mùi vị lạ
✓ Độ đục: Tối đa 5 NTU
S Độ cứng: tối đa 350 mg/1 (tính theo C a C 0 3)
•S Tổng độ hòa tan TSD: tối đa 1000 mg/1
s Hàm lượng Na: tối đa 200 mg/1
✓ Coliíòrm tổng số: tối đa 50 con/100 ml
3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng :
* Các phương pháp thu thập số liệu sơ cấp
Điêu tra thực địa và đánh giá môi trường
+ Điều tra thực địa tại một số tỉnh duyên hải;
+ Đo nhanh các chỉ tiêu hóa, lý tại chỗ bằng máy đo 12 chỉ tiêu TOA;
+ Phương pháp thu mẫu và cố định mẫu sinh vật, các chỉ số hóa, lý;
* Phương pháp thu thập số liệu th ứ cấp
+ Thu thập những số liệu, các báo cáo đề tài dự án, chương trình nghiên cứu
được sắp xếp theo chủ đề, địa điếm/vùng nghiên cứu, theo giai đoạn thời
gian phục vụ cho các nghiên cứu tổng quan, hiện trạng, diễn biến.
* Các phương pháp phân tích thống kê số liệu
+ Tùy thuộc vào số lượng mẫu, đặc thù số liệu và tính phức tạp của nghiên
cứu mà các phương pháp thông kê được áp dụng, bằng cách sử dụng phần
mềm EXCEL (trong trường hợp phân tích thống kê đơn giản) hoặc SPSS
(trong trường hợp phân tích thống kê phức tạp);
* Các phương pháp thực nghiệm
nghiệm).
Phương pháp thực nghiệm {thiết kế thực nghiệm mô hình, xây dụng thử
Tính mới, tính độc đáo, tỉnh sáng tạo:
Một số biển đảo ở nước ta đã được một số các tổ chức, cá nhân tài trợ để xây
dựng các hệ thống lọc nước biển thành nước ngọt, dựa trên công nghệ lọc tiên tiến
của các công ty, tập đoàn nước ngoài. Tuy nhiên, việc xây dựng m ột máy lọc nước
biến ở mang tính cơ động, gọn nhẹ, sử dụng năng lượng sạch lại chưa được chú
trọng tới. Các vấn đề công nghệ chính mà dự án cần giải quyết được gồm có:
-
Xây dựng được hệ thống lọc thô phù hợp với điều kiện thực tế với đặc tính
nước biển Việt Nam. Trong dự án này, hệ lọc thô được bổ sung thêm các
màng lọc bằng thép không gỉ với kích thước lỗ trên lưới lọc được chế tạo
bằng công nghệ Laser có đường kính nhỏ hơn 100 micromet, đảm bảo tính
năng kỹ thuật đồng thời nâng cao tuổi thọ cho hệ thống lọc thô.
-
Lựa chọn lõi RO phù hợp với điều kiện sử dụng cơ động, cũng như thích
hợp với đặc tính lý hóa tại các vùng biển Việt Nam.
-
Xây dựng hệ pin năng lượng mặt trời - ắc quy dự trữ gọn nhẹ, hiệu suất cao.
-
Xây dựng hệ thống đảm bảo vận hành lâu dài trong điều kiện khắc nghiệt, di
dộng, tiếp xúc thường xuyên với nước biển.
4. Tổng kết kết quả nghiên cứu
4.1.
Nghiên cứu điều kiện môi trường của các hải đảo, phân tích mau nước
biển của Việt Nam để tìm ra điều kiện lọc tối ưu.
Thông qua nghiên cứu khảo sát m ẫu nước biến tại một số vùng trên cả nước,
nhóm nghiên cứu thu được các kết quả quan trọng như sau:
Độ mặn: Độ mặn nước biển vùng ven bờ theo số liệu quan trắc của các trạm
r
•)
quan trăc môi trường biên như sau:
H ình 4. Độ mặn của nước biến ven bờ
Như vậy, độ mặn nước biển ven bờ nước ta nằm ở mức từ 12%0 đến 35%0.
Tại khu vực Sa Huỳnh (Quảng Ngãi), nước biển có độ mặn cao nhất, xấp xỉ 35%0.
Ở gần bờ, hàm lượng muối có thể cao tuỳ thuộc vào sự xáo trộn mạnh do gió, thuỷ
triều và độ sâu của nước. Khi sự pha trộn với nước ngọt đố ra từ các con sông thì
nước biển nhạt hơn một cách đáng kể.
Tồng chất rắn lơ lửng: Ở hầu hết các điểm đo thuộc vùng biển của các
trạm thuộc hệ thống quan trắc môi trường quốc gia, hàm lượng tổng chất rắn lơ
lửng đã vượt quá giới hạn cho phép đối với nước biển ven bờ. Đặc biệt ở Cà M au
đã vượt quá giới hạn cho phép đổi với nước biển ven bờ cho nhiều mục đích sử
dụng, tổng chất rắn lơ lửng trung bình đạt 354,85 mg/1.
70
1
60
-
50
-
!
40
■
CÕ
'V )
i20
10
-
r? !
IU
r 1
IU
__
c
H ình 5. Nồng độ chất lơ lửng trong nước biển ven bờ
COD: Hình 6 biểu diễn hàm lượng COD trung bình của nước biển ven bờ
khu vực miền Trung và Nam Bộ.
5
H ình 6. Hàm ỉưọĩĩg COD trong nước biên ven bờ
Ở vùng ven biển phía Bắc, COD tăng cao tại khu vực cửa Ba Lạt, giảm thấp
tại khu vực Trà c ổ , Cửa Lò. Trung bình trong các khu vực dao động từ 2,70 đến
3,06 mg/1, toàn vùng 2,90 mg/1 trong mùa khô và từ 2,14 đến 4,26 mg/1, toàn vùng
2,87 mg/1 trong m ùa mưa. Nhìn chung, giá trị COD của nước biển ven bờ xấp xỉ và
lớn hơn giới hạn cho phép (GHCP) để làm nguồn nước thô cho các nhà máy cấp
nước sinh hoạt tập trung theo TCXD 233:1999 - Các chỉ tiêu lựa chọn nguồn nước
mặt, nước ngầm phục vụ hệ thống cấp nước sinh hoạt.
H àm lượng kim loại nặng: Hàm lượng kim loại nặng ở nhiều khu vực cũng
vượt quá GHCP. Hàm lượng đồng (Cu) ở khu vực Hạ Long, vùng cửa Nam Triệu
và quanh bán đảo Đồ Sơn phổ biến trong khoảng 0,080 - 0,086 mg/1; ở khu vực
Huế, Đà Nằng ở trong khoảng 0,076 - 0,081 mg/1, vượt quá giới hạn cho phép là
0,02 mg/1.
H ình 7. Hàm lượng kim loại nặng (ụg/l) trong nước biển ven bờ
Hàm lượng dầu trong nước biển ở tất cả các khu vực biến đổi trong
khoảng 0,14 - l,10m g/l, vượt quá giới hạn của ASEAN. Một trong các nguyên
6
nhân gây ô nhiễm dầu trong nước biến vùng ven bờ là các vụ tràn dâu rõ và hoạt
động tàu thuyền.
4.2.
Nghiên cứu các thành phần lọc thô. Thiết kế chế tạo các màng lọc, lưới
/ọc kích thước micro băng công nghệ vi chê tạo dùng ỉaser công suât cao.
Tiền xử lý nước hay còn gọi đơn giản là lọc thô rất quan trọng đê bảo vệ
màng RO. Lọc thô nhằm loại bở chất rắn cũng như các chất hữu cơ hòa tan trong
nước biến. Tuy hệ thống lọc thô có cấu trúc kỹ thuật đơn giản, nhưng đây lại là hệ
thống lọc nước vô cùng quan trọng cần phải có.
Tầng lọc thô dùng m àng
Trong thực tế, màng lọc được chế tạo ở dạng lõi với các kích thước tiêu chuân.
Để phục vụ chế tạo thiết bị, nhóm nghiên cứu tiến hành khảo sát và lựa chọn lõi lọc
thô pp và PE.
Lõi lọc thô p p được cấu tạo từ Polypropylene (PP) hay còn được biết với tên
khác là Polypropene, đây là các sợi hùn cơ dẻo có đặc tính cơ học tốt và chống chịu
được ăn mòn từ axít và các hóa chất tồn tại trong nước.
Hình 8. Lõi lọc p p và PE
Lõi lọc nước PE được cấu tạo từ các sợi hữu cơ PolyEthylene (hay còn gọi là
Polythene) có đặc tính cơ học bền vững và chống chịu được khả năng ăn mòn của các
hóa chất trong nước. Nếu như các lõi lọc thô pp chủ yếu để ngăn chặn các vật chất có
kích thước tương đối lớn trong nước thì lõi lọc tinh PE sẽ lọc các vật chất có kích
thước nhỏ hơn mà mắt thường không thể nhìn thấy.
Đê đảm bảo công suất lọc nước cho hệ thong, chủng tôi lựa chọn các lõi lọc
p p và PE kích thước dài 20 inches, với khe lọc 5/um ở tầng trước và 0.3/um ở tcmg sau
theo mô hình lọc màng liên tục.
Tầng lọc than hoạt tính
7
Lõi lọc than hoạt tính công nghiệp có 2 dạng chính là lõi than hoạt tính dạng
hạt GAC và than hoạt tính dạng bột ép khối CTO.
Hình 9. Lõi lọc than hoạt tính dạng hạt GAC và dạng ép khối CTO
Quá trình thử nghiệm cho thấy sử dụng lõi than hoạt tính dạng hạt GAC là đảm
bảo chất lượng lọc nước và tuổi thọ cao hơn dạng bột ép khối CTO. Nên nhóm nghiên
cứu sử dụng lõi dạng hạt GAC.
Nghiên cứu chế tạo màng lọc thô thép không g ỉ bằng ỉaser
Thông thường, các thông số về tần số xung laser và thời gian tương tác chùm
tia laser với vật liệu được chú trọng trong phần thử nghiệm. Mục đích chọn ra được
chế độ hoạt động tốt nhất của hệ, tính toán cho sự bốc bay vật liệu phù hợp nhất vói
vật liệu và công suất đỉnh laser. Sự tham gia của khí bổ trợ gia công cũng được xem
xét tới ảnh hưởng bốc bay vật liệu.
Bảng 1. Các chế độ làm việc của hệ khoan vi lo
Cường
độ
dòng
điện
np A
-1 A
Điện
ápM
Công
suất
532
nm
[W]
Thời
gian
phát
laser
[ms]
Thời
gian
trễ
[ms]
Khí
trợ
22
20.8
27.8
700
800
Khí N2
10
1.42
100
21
20.7
23.2
700
800
Khí N2
10
1.42
110
20
20.6
20.6
700
800
không
10
1.42
80
[Á]
bổ Tôc độ
dịch
chuyển
[mm/s]
Tần số lặp Kích
lại
Q- thước vi
Switch
lỗ [|im]
[kHz]
8
a)
b)
Hình 10. Kết quả vi lỗ ở chế độ 1=22 (A), p=27.8 (W),f= 1.42kHz, thời gian
phát laser = 700ms, thời gian trễ = 800ms, khí bô trợ N2, a) mặt trước, b) mặt sau
Hình 11. Màng lọc vi lỗ bằng inox 304 thực nghiệm chế tạo được
Trên các hình số 10 và 11 là kết quả tấm lưới lọc bằng thép inox được chế tạo
bằng công nghệ khoan laser, với số lượng 60x80 vi lỗ trên một tấm thép inox dày 0.5
mm và kích thước 100x100 mm. Tấm lọc sau khi khoan và xử lý bằng rung siêu âm
với nước cất trong môi trường nhiệt độ 50 - 60°c, thời gian thực hiện trong 1 - 2 giờ
đồng hồ. Các mảng bám và phôi thừa còn sót lại sẽ được loại bỏ, làm sạch bê mặt và
chất lượng an toàn cho sản phâm khi ứng dụng cho tầng lọc thô nước biên.
4.3.
Nghiên cứu thành phần ìọc nano loại bỏ vi khuân. Nghiên cứu áp dụng
cônọ; nghệ lọc UF màng gốm siêu bền kích thước mắt lọc cỡ nanomet.
Bộ siêu lọc ƯF
Bộ siêu lọc UF là giai đoạn tiền xử lý tiếp theo nhằm lọai bỏ các cặn nhở,
rong tảo, vi khuấn... có kích thước > 0.03 |im. Đảm bảo nước ra đạt yêu câu và bảo
vệ màng NF ở giai đoạn xử lý phía sau.
9
Sơ đồ vận hành như sau:
Bộ LỌC UF
GHI CHÚ
1
ỔNG HÚT
2
BƠM
3
4
.
10
K5
3
5
I
I 7
j 6
10
I
6
7
8
9
10
CỘT LOC 10 UIC*OMET
COI 10C U f
ỐNG THU NUỚC
SKH
<5ng ỉX nuớc rửa
LUU LUỢNC kể
v*lẨTutu
6 n o O ÍN N U đc n o * u iK
QUY TRĨNH VẬN HÀNH :
CHẾ Độ LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG :
- 1*5 e * c VAN K i í 2 « . m
TRẼN eưòHC ỐNG HÚT, oư am : ÚNG B f r V* o ư ở ic ỐMC DÍN
- D6M0 c i c von K5J<$J<7 TOÍN ĐUỜMG ỐNG o í x
SẠCH
ttước RŨ* VA wước XẰ
CHẾ Độ RỬA
- DÒNG CÁC VHt K1JÍ2X3.K4 THÍN OiMnG ( m o h ơ i . ĐUãnC ỐNG OẨr VẢ DUỞNC
ánc OẰN NUÚC SẠCH
- u ữ C Ả C V M K S # e j(7 HỂN OOỜNC ỐNG DỈM KOtìC RŨA V * MOOC XẮ
Nước từ bồn chứa 1 được bơm với áp lực 2-3 bar, lưu lượng Q = 500-7001/h
tới cột lọc 10 |im , tại đây các hạt cặn, rong tảo ... có kích thước > 10 jim bị giữ lại
nhằm mục đích bảo vệ, tăng tuổi thọ màng ƯF. Nước ra sau cột lọc 10 |im đảm
bảo đủ áp lực và yêu cầu chất lượng theo ống dẫn đến cột lọc UF, tại cột lọc UF
các hạt cặn, vi khuẩn, vi sinh vật có kích thước > 0.03 I^m bị giữ lại. Nước ra sau
cột lọc UF được dẫn vào bồn chứa 2.
- Bồn chứa nước là loại bồn nhựa 5001, đảm bảo bền chắc, không bị phá hủy
bởi ăn mòn hóa học.
- Bơm sử dụng là loại bơm chịu được ăn mòn, do phải bơm nước biển. Bơm
có Q = 500-700 1/h , H = 2-3 bar.
- Ống sử dụng là ống HDPE D 2 1.
- Cột lọc 10 có vỏ làm bằng nhựa tổng hợp. Lõi lọc 10
- Cột lọc UF: Là
loại OUF-4.
+ Màng UF có dạng lọc trượt, kích thước lỗ trên màng là 0.2 .
+ Màng được làm bằng chất liệu PVDF, chịu được ăn mòn do nước biển.
10
+ v ỏ màng làm bằng nhựa tổng hợp, đảm bảo bền chắc, chịu được ăn mòn.
+ Kích thước cụ thể của cột ƯF: D = 160 mm, H= 1730 mm.
+ Màng được cung cấp bởi hãng Motimo.
+ Lưu lượng dòng ra từ 5000-7000 1/h
Bộ lọc Nano
Tham gia trực tiếp vào quá trình khử mặn một phần nước biển, giữ lại hầu
hết các ion hóa trị 2, một phần ion Na+ và ion C1-. Hiệu suất khử muối từ 80-95%,
tỉ lệ thu hồi nước với mỗi màng riêng lẻ khoảng 15-25 %.
Bộ LỌC NF
GHI CHÚ
ị :
ỐNG HỨT
2 BOUAPUUCCAO
QUY TRÌNH VẬN HÀNH :
3
ỖNC BÍY
4'
CỘT IỌC NF
:5 s
ỐHG 0 h i N0ỚC THl<
6
ỚNG THU NJỚC SéCH
7
YỂI L Í r M*u
8'ì
COHG
9
CỂHC HÍ 80 u> Lực HƯỚC R»
íó
OỔNG Hồ 00 ÍP Lực NOỚC m*l
1 1
lUU LƯỢNG KÍ ĐO LƯỢNG NUỬC SẠCH
1 2
LLKl lU JN G K Ể DO LƯ
líctX
tbịt
CHẾ Độ LÀM VIỆC BÌNH THƯÒNG
- uđ VAN TRÉN ỦOỜNG SnC MŨT cún bom, KHỔI ÍỘNC m u . n íu O ảlH *í> Lực V* LIẰJ Ljợ »5 THẢI
CHẾ Độ RỮA :
- RÙA BhK NƯỚC SẠCH. OlỀU a ề iH U*J Lượr
Nước từ bồn chứa được bơm với áp lực khoảng 4,8 bar theo ống dẫn tới cột
lọc NF, tại đây các ion hóa trị 2 và một phần các ion hóa trị 1 bị giữ lại thành dòng
dịch đặc theo ống dẫn thoát vào hệ thống thoát nước sàn. Nước trong thu được theo
ống dẫn về bồn chứa 2. Toàn bộ các mối nối, đường ống cần chịu được áp lực và
ăn mòn hóa học. Áp lực vận hành luôn ổn định, khoảng dao động tối đa cho phép
là 0.03 bar, áp lực khởi động tăng đều trong khoảng 30-60 s.
11
- Bôn chửa nước là loại bôn nhựa 5001, đảm báo bên chăc, không bị phá huy
bởi ăn mòn hóa học.
- Bơm sử dụng là loại bơm chịu được ăn mòn, do phải bơm nước biển. Bơm
có Q = 1500 1/h , H = 9 bar.
- Ống sử dụng là ổng HDPE D 2 1.
- Cột lọc NF:
+ Màng NF có dạng lọc trượt, ống thu nước đặt ỏ' trung tâm.
+ Màng được làm bằng chất liệu PVDF, chịu được ăn mòn do nước biên.
+ Vở màng làm bằng nhựa tông hợp, đảm bảo bền chắc, chịu được ăn mòn.
+ Màng sử dụng là màng ESPA1- 4040 , Hydranautics.
+ Kích thước: D= 99 mm, L = 1016 mm.
4.4. Nghiên cún thành phân ỉọc muôi. Ap dụng, tôi ưu hóa thành phân lọc
muôi chịu được điêu kiện môi trường khăc nghiệt và tiêu thụ ít điện năng.
Qua nghiên cứu, tính toán và thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn
phương án khử muối bằng màng thấm thấu ngược RO cho thiết bị lọc nước biến di
động, với khả năng úng dụng linh hoạt và hiệu quả. Đảm bảo thu được nước ngọt
đạt tiêu chuân phục vụ dân sinh.
Sau đây là các luận giải và lựa chọn các linh kiện cho tầng lọc khử muối RO
của hệ thống lọc nước biên di động:
M àng lọc RO - SeaWater
H ình 12. Màng lọc RO SW30-2514
Ta chọn loại màng SW 30-2514của hãng FILMTEC là màng dùng cho nước
biến hoặc nước lợ có hàm lượng muối và ion hòa tan cao, có tỉ lệ thải muối cao.
Màng được khảo sát trong điều kiện hàm lượng muối, TDS, Ca2+ và Mg2+, Clđêu rât cao do đó ta có thê bỏ qua không thiết kế bồn trao đôi ion đế khử cúng cho
nước thô trước khi vào hệ thống RO.
Màng SW30-2514 với các thông số chính:
-
Công suất lọc: 600 lít/ ngày
Kích thước: 2,5” X 14”
-
Áp suất hoạt động: 800 PSI
Tỉ lệ loại muối: 99,4%
Ta sử dụng năng lượng mặt trời cung cấp cho hệ thông, ước tính thời gian
nắng liên tục trong ngày trung bình là 8 tiếng, như vậy nêu dùng lõi lọc này, công
suất lọc ước đạt 200 lít/ngày.
Vỏ bảo vệ màng
Có hai yêu cầu chính với vỏ bảo vệ màng là: chịu được áp suất hoạt động
của màng và phù họp với kích thước màng.
Với các yêu cầu trên, ta chọn vở màng AM1 sổ hiệu F2514-14141000C với các
thông số chính:
- Phù hợp với loại màng có kích t h ư ớ c : 2,5” X 1 4 ”
- Kích thước ngoài: 3,2 X 17,5”
- Chuấn đầu nối: lÁ inch
Như vậy, vỏ màng này sử dụng phù hợp với màng DOW SV/30-25 14 ta đã
lựa chọn ở trên. Riêng chuấn đầu nối V ” (6mm), ta sử dụng cút chuyên 10-6 đê
đông bộ với hệ thông.
Bơm cao áp
Ta chọn bơm CAT 2SF05SEEL, là bơm có thông số:
•
Lưu lượng tối đa: 1,9 lít/phút
•
Áp suất tối đa: 1200 PSI
•
Công suất tiêu thụ: 300W
H ình 13. Bơm CA T 2SF05SEEL
Ở áp suất hoạt động của màng là 800 PSI, bơm ước đạt lưu lượng hơn
0,51ít/phút, tức là đạt hơn 30 lít/h, hoạt động 8 tiếng mỗi ngày ước đạt gần 250 lít.
Hoàn toàn phù hợp với màng RO ở trên và yêu cầu công suất lọc của máy.
4.5. Thiêt kê hệ thống lọc nước biên
Bom cao áp
Đo áp cao
p* I _ J
Các cấp lọc thô
S ơ đồ tổng thể phần lọc nước biển thành nước ngọt
Mô tả hoạt động
Các van V I và V2 đóng ngắt bằng tay, cho phép lấy nước biển vào và thải
lượng nước muối còn dư ra ngoài.
Bơm sau van V I hút nước biển vào trong thùng chứa nước biển, hoạt động
tự động dựa vào sự kiểm soát của hai công tắc báo mức MT1 và MD1. Nước biển
từ thùng chứa này trước khi đi vào phần lọc thô sẽ đi qua một bình lọc loại bỏ tạp
chất có kích thước tương đối lớn như rong rêu, cá, tôm n h ỏ ...
Trong hệ thống này, nhờ sự hoạt động của 2 van điện từ, VĐT1-2, hệ thống
được chia làm 2 chu trình:
•
Chu trình lọc nước biển thành nước ngọt: Khi van VĐT1 mở, còn van
VĐT2 khóa.
•
Chu trình sục rửa toàn hệ thống bằng nước ngọt đã lọc: Khi van
V Đ T 1 khóa, còn van VĐT2 mở. Chu trình này được thực hiện khoảng
5-10 phút sau mỗi lần kết thúc chu trình lọc nước biển thành nước
ngọt, mục đích là loại bỏ lượng nước muối còn sót lại trong các cấu
kiện của hệ thống, giúp hệ thống hoạt động bền bỉ hơn.
14
Ta xem xét hoạt động của từng chu trình:
Chu trình lọc nước biến thành nước ngọt
Nước biển từ bình chứa được hút qua bình lọc loại tạp chất, qua van VĐT1
để đi vào các cấp lọc thô nhờ bơm cấp. Có 3 cấp lọc thô với nhiều các tố hợp các
loại lõi lọc khác nhau, tùy vào tình hình thực tế trên các tàu cá và tính chất nước
biển tại khu vực mà tàu thường hoạt động. Bơm cấp chỉ hoạt động khi các công tắc
báo mức cho biết nước trong bình chứa nước biển vẫn còn và trong bình nước lọc
đã cần bơm thêm (MD1 và MT2 chưa báo).
Đồng hồ đo áp thấp thể hiện tình trạng của các cấp lọc thô nhằm cảnh báo
người dùng thời điểm cần vệ sinh hoặc thay thế các lõi lọc.
Van áp thấp hoạt động với bản chất là một công tắc báo nước, cho biết có
lượng nước đã đi qua các cấp lọc thô, khi đó, bơm cao áp mới được bật, tránh hiện
tượng chạy khan, dễ cháy hoặc làm giảm tuổi thọ của bơm.
Bơm áp cao với áp suất bơm cỡ 1000PSI nhằm bơm nước biển vào lõi lọc
RO với áp suất lớn, loại bỏ muối và các thành phần hòa tan trong nước, giúp thu
được nước ngọt tại lối ra của màng RO.
Màng RO-SW (Reverse Omosis for Sea W ater) là màng thẩm thấu ngược
dùng chuyên cho nước muối. Với áp suất hoạt động cỡ 800PSI, loại bỏ muối tới cỡ
99%. Màng RO-SW được đặt trong một vỏ chịu muối chuyên dụng. Nước muối
sau khi qua màng RO-SW gồm 2 loại: nước ngọt với tiêu chuẩn sinh hoạt và nước
muối với nồng độ cao hơn được thải ra ngoài.
Trên lối ra của đường thải nước muối có m ột van chỉnh áp, van này có tác
dụng điều chỉnh và duy trì áp suất phù hợp để thu được nước ngọt qua màng. Đồng
hồ đo áp cao giúp theo dõi áp suất và cảnh báo trạng thái của màng khi áp suất ra
đột ngột giảm. Các bộ đo lưu lượng 1-2 giúp so sánh lượng nước trên 2 đường
nước ngọt và nước muối thải ra, qua đó đánh giá chất lượng hoạt động của hệ
thống lọc. Việc điều chỉnh van chỉnh áp sẽ thay đổi lưu lượng trên hai đường này.
Tỉ lệ lưu lượng trên hai đường này thông thường là 1:1. Tuy nhiên để thu được
nước ngọt đạt tiêu chuẩn tùy thuộc vào tình hình thực tế tại từng vùng nước biển, tỉ
lệ này cần được điều chỉnh phù họp.
Bộ đo tổng độ dẫn TDS cho ta biết được trạng thái nước lọc ra như thế nào,
có dùng được cho mục đích sinh hoạt hay không để có phương án điều chỉnh.
15
Chu trình sục rửa toàn hệ thống bằng nuớc ngọt
Chu trình này tương tự như chu trình lọc nước biển ở trên, chỉ khác ở chỗ
nguồn nước cấp đầu vào là nước ngọt thay vì nước muối.
Nước ngọt được trích một phần từ bình nước đã lọc được, từ 2-5% tổng
lượng nước, tùy vào đặc tính của nước biến đã lọc trước đó và nhu cầu sử dụng
thực tê trên tàu cá. Nước ngọt được cấp vào bằng cách khóa van VĐT1, không cho
nước biến vào hệ thống lọc, mở van VĐT2 đế lấy nước ngọt thông qua bơm cấp.
Lượng nước ngọt được bơm để sục rửa hệ thống không thể loại bỏ hoàn toàn
lượng nước muối đã có trước đó, tuy nhiên làm giảm đáng kể nồng độ muối hòa
tan có trong hệ thống lúc hệ thống không hoạt động, qua đó tăng tuổi thọ cho các
câu kiện, giảm chi phí cho việc bảo trì, vệ sinh, thay th ế... Khi tàu về bờ neo đậu
nghỉ ngơi dài ngày, ta tiến hành sục rửa triệt để hệ thống bằng lượng nước ngọt
nhiều hơn, đảm bảo thiết bị không bị ăn mòn qua thời gian dài không hoạt động.
Điều đáng nói là với cách sục rửa hệ thống như vậy, lượng nước ngọt dùng
sục rửa không mất đi toàn bộ, thông thường vẫn thu lại được cỡ 50% hồi lại vào
bình chứa nước lọc.
4.6. Kêt quả thử nghiêm lọc nước của thỉêt bị trên thực tế
Nước biển đầu vào được lấy từ vùng biển Quảng Ninh với các thông số
chính như sau:
r
rTH I
TT
1
2
3
4
5
A
Thông sô
Nhiệt độ
Độ muôi
pH
Eh
Độ đục
r
Đơn vị
Khoảng
18,7-29,7
32,2-33,8
7,9-8,4
110-150
2-9
°c
%0
-
mV
FTƯ
\
Trung bình
24,5
33,1
8,2
130
4,4
r
Kêt quả nước đâu ra của thiêt bị:
STT
rri A
1
7
J •A
Tên chỉ tiêu
Đơn vị tính
Kết quả
1
pH
NTƯ
6,5-8,5
2
Độ cứng
mg/1
300
3
Độ đục
mg/1
2
Tiêu chuẩn đat đươc
TCVN 6224-1996
(ISO 7027-1990)
TCVN 6184-1996
4
Mg2+
mg/1
30
5
Ca2+
mg/1
75
6
Độ oxy hóa
mg/1
2
16
TCVN 5988-1995
mg/1
7
Ammoniac
8
Nitrat
mg/1
50
9
Nitrit
mg/1
3
10
Clorua
mg/1
250
11
Sulfat
mg/1
250
12
Natri
mg/1
200
13
Kali
mg/1
12
14
TDS
mg/1
1000
1,5
(ISO 5664-1984)
TCVN 6180-1996
(ISO 7890-1988)
TCVN 6178-1996
(ISO 6777-1984)
TCVN 6194-1996
(ISO 9297-1989)
TCVN 6200-1996
(ISO 9280-1990)
TCVN 6196-1996
(ISO 9964-1993)
TCVN 6053-1995
(ISO 9696-1992)
Các thông số nước đầu ra đảm bảo đạt chất lượng nước cấp ăn uống và sinh
hoạt theo tiêu chuẩn 1329/2002/BYT/QĐ của Bộ Y tế.
5. Đánh giá về các kết quả đã đạt được và kết luận
Dựa vào những kết quả đạt được trong thời gian thực hiện đề án, chúng tôi
đã thực hiện đầy đủ những nội dung nêu trong thuyết minh, cụ thể như sau:
- Thứ nhất, đã nghiên cứu điều kiện môi trường của các hảiđảo, phân tích
mẫu nước biển của V iệt Nam để tìm ra điều kiện lọc tối ưu.
- Thứ hai, đã nghiên cứu các thành phần lọc thô, từ đó lựa chọn được
phương án lọc thô phù hợp. Thiết kế chế tạo các màng lọc, lưới lọc kích thước
micro bằng công nghệ vi chế tạo dùng laser công suất cao.
- Thứ ba, đã tìm hiểu nghiên cứu thành phần lọc nano loại bỏ vikhuẩn.
Nghiên cứu áp dụng công nghệ lọc UF màng gốm siêu bền kích thước m ắt lọc cỡ
nanomet. Tuy nhiên, thực tế sử dụng cho thấy với lọc nước biển bằng RO, không
cần phải sử dụng tới các thành phần này.
- Cuối cùng, chúng tôi đã nghiên cứu lựa chọn các thành phần cho tầng lọc
muối RO. Áp dụng, tối ưu hóa thành phần lọc muối chịu được điều kiện môi
trường khắc nghiệt và tiêu thụ ít điện năng.
6. Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)
17
Tiếng V iêt
Lọc nước biển thành nước ngọt sử dụng công nghệ thấm thấu ngược RO từ
lâu đã chứng minh được tính hiệu quả của nó và được sử dụng rộng rãi trên toàn
thế giới. N hóm nghiên cứu đã chế tạo được hệ thống lọc nước biển thành nước tinh
khiết cỡ nhỏ dùng cho tàu cá xa bờ và các hải đảo, đồng thời làm chủ các công
nghệ lọc nước biển tiên tiến đế tiến tới xây dựng các hệ thống công suất lớn. Thiết
bị không chỉ lọc nước đầu ra đạt tiêu chuẩn nước uống, mà còn đảm bảo các tiêu
chí về độ gọn nhẹ, tiết kiệm điện năng, ốn định và vận hành lâu dài. Đồng thời,
nhóm nghiên cứu cũng thiết kế chế tạo và tích hợp thành công bộ nguồn cấp dùng
năng lượng m ặt trời, đảm bảo công suất đế cung cấp cho thiết bị lọc nước biến hoạt
động trên tàu cá, hải đảo mà không cần phải sử dụng tới các nguồn điện khác.
Tiếng Anh
Filtered sea water into ữesh water using a reverse osmosis technology has
long proved its effectiveness, and has been widely used all over the world. Our
team has built a small system íĩlter sea water into fresh water for íishing boat and
islands. Besides, we also have mastered the technology o f advanced desalination of
sea vvater that can build large-capacity systems. N ot only water puriíication
equipm ent output reached drinking water standards, but also to ensure the criteria
o f the compact, energy-saving, stable and long-term operation. At the same time,
the team also designed and manufactured a set o f solar energy sources, ensure the
capacity to supply sea water íilters without having to use other power sources.
PHẦN III. SẢN PHẨM, CỔNG BỐ VÀ KẾT QUẢ ĐÀO TẠO CỦA ĐỀ ÁN
3.1. Kết quả nghiên cứu
TT
Tên sản phẩm
Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu kinh tế - kỹ
thuât
•
Đăng ký
Đat đươc
•
•
18
Thiết bị lọc nưóc biển
di động
+ Kích thước: nhỏ gọn,
dễ mang vác (thế tích
<0,5 m 3);
+ Trọng lượng: <50kg;
+ Tiêu thụ điện năng
trung bình < 500Wh,
công
suất
đỉnh
khoảng 2 kw thích
hợp với các hệ thống
năng lượng tái tạo;
+ Công suất lọc nước
lớn hơn 100 lít/ngày.
+ Hoạt động được liên
tục, thời gian bảo
dưỡng thấp;
+ Chi phí khi sản xuất
hàng loạt: <120 triệu
đồng mỗi hệ thống;
+ Có tích hợp tấm pin
mặt trời;
+ Nước lọc được qua
hệ thống đáp ứng quy
chuẩn về nước sinh
hoạt do Bộ Y tế ban
hành
(QCVN
02:2009/BYT):
Đạt được đầy đủ tất cả
các tiêu chí đã đê ra,
trừ trọng lượng + thể
tích (nặng hơn 50 kg và
thể tích lớn hơn 0,5 m3
do ban đầu nhóm
nghiên cứu không tính
toán kỹ đến trọng lượng
và kích thước của bơm
cao áp chịu mặn)
3.2. Hình thức, cấp độ công bố kết quả
TT
3
Sản phẩm
Ghi địa
Tình trạng
(Đã ỉn/ chấp nhận in/ đã chỉ và cảm
nộp đơn/ đã được chấp ơn sự tài
nhận đơn hợp lệ/ đã
trợ của
được cấp giấy xác nhận ĐHQGHN
SH TT/xác nhận sử dụng đúng quy
sản pham)
đinh
Đánh
giá
chung
(Đạt,
không
đạt)
Đăng ký sở hữu trí tuệ
3.1 Tên sáng chê: Tâm vật liệu
lọc thô băng thép không ghỉ
và thiết bị chế tạo tấm vật
liệu lọc này
Đã được châp nhận
đơn hợp lệ
X
Đạt
19
5
Bài báo trên các tạp chí khoa học của ĐHQGHN, tạp chí khoa học
chuyên ngành quôc gia hoặc báo cáo khoa học đăng trong kỷ yếu
hội nghị quốc tế
5.1 Bài báo:
Đã được chấp nhận
X
đăng
“RO Seawater Filtration
System Usỉng Solar Energy ”
Đ ạt
(Hệ thong lọc nước biến RO
sử dụng năng lượng mặt
trời)
7
Kêt quả dự kiên được ứng dụng tại các cơ quan hoạch định chính
sách hoặc cơ sở ứng dụng KH&CN
7.1 Máy lọc nước biên
Đã thử nghiệm chạy
X
thử
Đạt
3.3. Kết quả đào tạo
TT
Ho và tên
•
Thời gian và
kinh phí tham
gia đề án
(sô tháng/số tiền)
Công trình công bô liên
quan
(Sản phâm KHCN, luận án,
luận văn)
Đã bảo vê
•
Hoc viên cao hoc
1
Đặng Văn
Mười
24 tháng
Lịch bảo
vệ vào
ngày
27/12/2017
20
3.4 Ả nh sản phấm :
21
22
PHẦN IV. TỎNG HỢP KẾT QUẢ CÁC SẢN PHẨM KH&CN VÀ ĐÀO
TẠO CỦA ĐÊ ÁN
T
T
1
2
3
4
Số
lương
đăng
Sản phẩm
Sô lượng bài báo trên các tạp chí khoa học của
ĐHQGHN, tạp chí khoa học chuyên ngành quốc gia
hoặc báo cáo khoa học đăng trong kỷ yếu hội nghị
quốc tế
Ket quả dự kiến được ứng dụng tại các cơ quan hoạch
định chính sách hoặc cơ sở ứng dụng KH&CN
Đăng ký sở hữu trí tuệ
Hô trơ đào tao thac sĩ
số lư ọ n g
đã hoàn
thành
01
01
01
01
01
01
01
01
PHẦN V. TÌNH HÌNH s ử DỤNG KINH PHÍ
T
T
Nội dung chi
Kinh phí
được
duyệt
(triệu
đồng)
Kinh phí
thực hiện
(triệu
đồng)
465
465
A
Chi p h í trực tiếp
1
Chi phí hoạt động chuyên môn
2
Nguyên, nhiên vật liệu, cây con...
0
0
3
M ua trang thiết bị
0
0
4
Chi phí tàu xe, công tác phí
0
0
5
Chi phí thuê mướn, thuê trang thiết bị
0
0
6
Hội nghị, Hội thảo, kiểm tra tiến độ,
12
08
Ghi
chú
nghiệm thu
7
In ấn, Văn phòng phẩm
0
0
8
Chi phí khác
0
0
B
Chỉ p h í gián tỉêp
1
Quản lý phí
23
27
2
Chi phí điện, nước
0
0
500
500
rp Ả
Ẩ
Tông so
23-
+ Tông kinh phí được giao thực hiện đề án: 500.000.000đ (Năm trăm triệu đồng
chăn).
+ Kinh phí sử dụng và đề nghị quyết toán:
500.000.000đ
+ Kinh phi đã tạm ứng đợt 1:
250.000.000đ
+ Kinh phí còn lại chưa được thanh toán:
250.000.000đ
PHẦN V. KIẾN NGHỊ
Đe nghị Đại học Quốc gia Hà Nội tổ chức nghiệm thu đề án.
Ngay sau khi đề án được nghiệm thu, nhóm nghiên cứu sẽ đi đăng ký “Công
bố họp quy” cho sản phẩm để sản phẩm có thể được phép bán trên thị trường.
Nhóm nghiên cứu mong muốn nhận được sự hỗ trợ và đầu tư hơn nữa hậu dự án,
để nhóm có thể tiến hành sản xuất hàng loạt thiết bị lọc nước biển di động, hỗ trợ
ngư dân và các hộ dân sinh sống trên các hải đảo có thể yên tâm sản xuất và bảo vệ
biển đảo quê hương.
PHẦN VI. PHỤ LỤC (minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)
Hà Nội, ngày
Trường Đại học Công nghệ
thảng 12 nấm 20ỉ 7
Chủ nhiêm đề án
T / L HIỆU TRƯƠNG
ĨĨÌƯỞNG PHÒNG KHOA HỌC CÓNG NGHỆ
Vũ Nguyên Thức
24
