Thiết kế và chế tạo mô hình tàu hút rác trên sông

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH TÀU HÚT
RÁC TRÊN SÔNG

Người hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:

PGS.TS TRẦN XUÂN TÙY
ĐỖ THÀNH LÂM
MAI ĐÌNH HUY
Số thẻ sinh viên : 101120299
101120296
Lớp:

12CDT1

Đà Nẵng, 2017


THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH TÀU HÚT RÁC TRÊN SƠNG

TĨM TẮT
Nội dung thuyết minh trình bày q trình thiết kế và chế tạo tàu hút rác trên
sông mang tên BICT (bin-catamaran). Tàu hút rác BICT được thiết kế dựa theo

nguyên lý hoạt động của thùng rác nổi “SEABIN” bao gồm thùng hút rác đặt dưới
thân của một mơ hình tàu hai thân. Tàu thực hiện nhiệm vụ thu gom rác thải nổi trên
các bề mặt sông hồ. Với khả năng hút rác tự động và di chuyển linh hoạt tàu có thể
hồn tồn thay thế con người trong việc dọn rác trên mặt nước. Tàu được điều khiển từ
xa thơng qua bộ thiết bị điều khiển bằng sóng vơ tuyến RF. Với thực trạng ô nhiễm
môi trường nước đáng báo động hiện nay, nhóm mong muốn chế tạo một thiết bị có
thể góp phần vào cơng tác bảo vệ mơi trường nói chung và bảo vệ mơi trường nước
nói riêng. Tàu hút rác BICT là sản phẩm công nghệ không chỉ phục vụ công tác dọn
rác thải trên sông mà nó cịn mang thơng điệp nhắc nhở đến mọi người trong việc nâng
cao ý thức bảo vệ môi trường sống của chúng ta.

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy


THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH TÀU HÚT RÁC TRÊN SƠNG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TT

Họ tên sinh viên

Số thẻ SV

Lớp

Ngành

1

Đỗ Thành Lâm

101120299

12CDT1

Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

2

Mai Đình Huy

101120296

12CDT1

Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

1. Tên đề tài đồ án:
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH TÀU HÚT RÁC TRÊN SƠNG
2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
Kích thước tổng thể: 1200x700 mm
Công suất yêu cầu: 500 W
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
a. Phần chung:
TT

Họ tên sinh viên

1

Đỗ Thành Lâm

2

Mai Đình Huy

Nội dung
Chương 2: Thiết kế ngun lý và tình tốn các cơ cấu

b. Phần riêng:
TT

Họ tên sinh viên

Nội dung

1

Đỗ Thành Lâm

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

2

Mai Đình Huy

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển

5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
a. Phần chung:
TT

Họ tên sinh viên

Nội dung

1

Đỗ Thành Lâm

Bản vẽ lắp (A0)
Bản vẽ chi tiết khung tàu và thân tàu (A0)

2

Mai Đình Huy

Bản vẽ chi tiết thùng hút rác và băng tải (A0)
Bản vẽ sơ đồ khối và thuật toán điều khiển (A0)

b. Phần riêng:
TT

Họ tên sinh viên

Nội dung

1

Đỗ Thành Lâm

Bản vẽ mạch điều khiển trung tâm (A0)

2

Mai Đình Huy

Bản vẽ mạch điều khiển từ xa (A0)

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy


THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH TÀU HÚT RÁC TRÊN SÔNG

6.

Họ tên người hướng dẫn:

Phần/ Nội dung:

PGS.TS Trần Xuân Tùy

7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
8. Ngày hoàn thành đồ án:
Trưởng Bộ môn Cơ điện tử

Thuyết minh – Bản vẽ - Mơ hình

……../……./201…..
……../……./201…..
Đà Nẵng, ngày
tháng
năm 201
Người hướng dẫn

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy


THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH TÀU HÚT RÁC TRÊN SƠNG

LỜI NĨI ĐẦU
Trong xã hội hiện nay cùng với sự phát triển về khoa học kĩ thuật, đời sống thì
mỗi quốc gia luôn phải đối mặt với thách thức về gia tăng dân số, tệ nạn xã hội, …và
đặt biệt là vấn đề ơ nhiễm mơi trường. Ơ nhiễm mơi trường không chỉ gây tác động
xấu đến hệ sinh thái, mơi trường sống của chúng ta mà cịn gây ra nhiều hệ lụy cho các

thế hệ mai sau.Vì vậy, bảo vệ môi trường là vấn đề cấp bách cần giải quyết của Việt
Nam nói chung và của thế giới nói riêng. Tại Việt Nam, tình trạng ơ nhiễm mơi trường
cũng đang là một vấn đề đáng báo động, đặc biệt là ơ nhiễm nguồn nước. Do đó,
nhiệm vụ của sinh viên, kĩ sư, giảng viên các ngành kĩ thuật là nghiên cứu, tìm ra các
giải pháp để giải quyết vấn đề trên.
Là sinh viên ngành Cơ Điện Tử, chúng tôi quyết định làm đề tài “Nguyên cứu
và chế tạo tàu hút rác nổi”. Mục đích của đề tài là nghiên cứu đề ra giải pháp thu gom
rác nổi trên ao, hồ, kênh, rạch, góp phần cải thiện mơi trường.
Với sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của thầy Trần Xuân Tùy, chúng em đã
hoàn thành đề tài này đúng thời gian đặt ra và đạt được những kết quả như mong
muốn. Vì kiến thức cịn hạn hẹp, kinh nghiệm cịn non yếu nên khơng thể tránh khỏi
những thiếu sót. Em mong quý thầy cô thông cảm và chỉ bảo thêm.
Qua đây, em chân thành cảm ơn quý thầy cô, đặc biệt là thầy Trần Xuân Tùy đã
tận tình chỉ bảo, giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.
Sinh viên thực hiện

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy


THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH TÀU HÚT RÁC TRÊN SƠNG

CAM ĐOAN
Trong q trình thực hiện đề tài nhóm đã có tham khảo các mơ hình có liên
quan thơng qua mạng Internet, những phần đó đều được ghi rõ tên tác giả, nhóm tác
giả, kết quả thực tế và các phần liên quan theo đúng các thơng tin mà nhóm đã tìm
được. Các lý thuyết về nguyên lý và điều khiển nêu trong thuyết minh được tham khảo
và trích dẫn từ các tài liệu tham khảo được ghi rõ ở phần phụ lục.
Ngoài ra các thiết kế cơ cấu, chi tiết trên tàu đều do nhóm đề ra, khơng sao chép

bất kỳ mơ hình nào khác. Các tính tốn thiết kế, nguyên lý hoạt động đều được thực
hiện độc lập khơng sử dụng bất kỳ kết quả tính tốn từ nguồn có sẵn nào. Các số liệu
đo đạc, kết quả thực nghiệm đều được lấy từ thực tế của quá trình thí nghiệm, vận
hành thử của sản phẩm. Nhóm cam kết không cung cấp các số liệu ảo hoặc sai với
thực tế
Nhóm xin cam đoan những gì nhóm trình bày đều đúng sự thật và cam kết tuân
thủ các quy định về liêm chính học thuật do nhà trường đề ra
Đà Nẵng, ngày tháng , năm 2017
Sinh viên thực hiện

Đỗ Thành Lâm

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................ 1
1.1. Mô tả ý tưởng thực hiện đề tài .............................................................................. 1
1.1.1. Giới thiệu về dự án Seabin ............................................................................. 1
1.1.2. Giới thiệu về các mô hình thực tế được nghiên cứu trong đề tài ..................... 3
1.2. Tìm hiểu các thiết bị về mơi trường đã được nghiên cứu ....................................... 5
1.2.1. Robot vớt rác của sinh viên trường ĐH Sao Đỏ .............................................. 5
1.2.2. Máy thu gom rác trên sơng ............................................................................. 7
1.2.3. Máy vớt bèo, lục bình trên sông ..................................................................... 8
1.2.4. Hệ thống dọn vệ sinh trên biển “Ocean Cleanup” ........................................... 9

1.3. Thực trạng ô nhiễm môi trường nước ở nước ta .................................................. 11
1.3.1. Phân loại các hình thức ơ nhiễm mơi trường nước ........................................ 11
1.3.2. Tình trạng ô nhiễm môi trường nước ............................................................ 11
1.3.3. Nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước ........................................................ 14
1.4 Ứng dụng thực tiễn của đề tài .............................................................................. 15
1.5 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu ............................................................. 16
1.5.2. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 19
1.5.3. Phương tiện nghiên cứu................................................................................ 19
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ CẤU ............................................................................ 24
2.1. Lựa chọn phương án thiết kế ............................................................................... 24
2.1.1. Các phương án thiết kế nguyên lý ................................................................ 24
2.1.2. Các phương án thiết kế hệ thống hút rác ....................................................... 25
2.1.3. Các phương án điều chỉnh thùng hút khi làm việc ........................................ 26
2.1.4. Các phương án thiết kế bộ phận chứa rác thải của tàu................................... 28
2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống ...................................................................... 29
2.3. Thiết kế hệ thống ................................................................................................ 29
2.3.1. Thiết kế thùng hút rác................................................................................... 29
Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy


2.3.2. Thiết kế hệ thống nâng hạ thùng hút rác ....................................................... 33
2.3.3. Thiết kế hệ thống băng tải chuyển rác .......................................................... 35
2.2.4. Thiết kế hệ thống động lực của tàu ............................................................... 37
2.2.5. Thiết kế khung và thân tàu ........................................................................... 39
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ............................................... 43
3.1. Lý thuyết và pương án điều khiển ....................................................................... 43
3.1.1. Điều khiển hoạt động của hệ thống bằng Rơle điện ...................................... 43
3.1.2. Điều khiển động cơ bước ............................................................................. 44

3.1.3. Điều khiển động cơ brushless ....................................................................... 46
3.1.4. Điều khiển động cơ RC servo ....................................................................... 51
3.1.5. Điểu khiển từ xa băng module nRF24L01 .................................................... 52
3.2. Sơ đồ khối và thuật toán điều khiển hệ thống ...................................................... 53
3.2.1. Sơ đồ khối chức năng ................................................................................... 53
3.2.2. Thuật toán điều khiển hệ thống .................................................................... 54
3.3. Thiết kế mạch điều khiển .................................................................................... 55
3.3.1. Mạch điều khiển trung tâm ........................................................................... 55
3.3.3. Mạch động lực 2 (điều khiển động cơ brushless, động cơ rc servo) .............. 56
3.4. Lập trình điều khiển hệ thống.............................................................................. 56
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 64

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hai nhà sáng chế người Úc Pete Ceglinski (trái) và Andrew Turton (phải)
cùng với sản phẩm của họ seabin.
Hinh 1.2: Hoạt động của Seabin trên thực tế
Hình 1.3: Mơ hình tàu hai thân
Hình 1.4: Tàu đệm khí ATASD
Hình 1.5: Robot vớt rác của ĐH Sao Đỏ - Ảnh: Nguyễn Tú
Hình 1.6: Bánh xe nước thu gom rác thải trên sơng ở Mỹ
Hình 1.7: Hệ thống phao dẫn rác của thiết bị
Hình 1.8: Băng tải chuyển rác của cỗ máy
Hình 1.9: Máy vớt bèo và lục bình trên sơng
Hinh 1.10: Hệ thống thu gom rác thải trên biển của Ocean Cleanup

Hình 1.11: Hình ảnh chiếc phao nổi của Slat nhìn từ trên cao
Hình 1.12: Rác thải sinh hoạt trên mặt hồ nước tại Hà Nội
Hình 1.13: Rác thải và cá chết trên sơng Sài Gịn
Hình 1.14: Một đoạn kênh dẫn nước trong thành phố
Hình 1.15: Mơ hình thùng hút rác được thiết kế cho tàu
Hình 1.16: Nguyên lý hoạt động của thùng hút rác
Hình 1.17: Phần mềm Creo Parametric 3.0
Hình 1.18: Phần mềm Proteus
Hình 2.1: Tàu vớt rác sử dụng băng tải
Hình 2.2: Thùng hút rác tự động
Hình 2.3: Sơ đồ động phương án nâng thùng bằng dây kéo
Hình 2.4: Sơ đồ động phương án nâng thùng bằng bộ truyền vít me
Hình 2.5: Băng tải kéo rác
Hình 2.6: Khoang chứa rác trên tàu
Hình 2.7: Nguyên lý hoạt động của thùng hút rác
Hình 2.8: Bản thiết kế thùng hút rác trên máy tính
Hình 2.9: Thùng hút rác sau khi hồn thành
Hình 2.10: Bơm chìm sử dụng trong thùng hút
Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy


Hình 2.11: Sơ đồ động hệ thống nâng hạ thùng hút
Hình 2.12: Thơng số kỹ thuật động cơ bước
Hình 2.13: Hệ thống nâng thực tế
Hình 2.14: Sơ đồ động hệ truyền động của băng tải
Hình 2.15: Mơ hình thiết kế 3d hệ thống băng tải
Hình 2.16: Động cơ giảm tốc 12V 116RPM GH-1632T
Hình 2.18: Thơng số kỹ thuật động cơ EMAX MT2216

Hình 2.19: Bản thiết kế khung tàu
Hình 2.20: Bản thiết kế thân tàu
Hình 2.21: Khng thạch cao thân tàu
Hình 2.22: Thân tàu sau khi đắp composite
Hình 2.23: Thân tàu sau khi hồn thiện
Hình 3.1: Module rơle đơn giản
Hình 3.2: Sơ đồi khối của module TB6560
Hình 3.3: Sơ đồ ghép nối module TB6560
Hình 3.4: Suất phản diện động hình thang của động cơ brushless
Hình 3.5: Stato của động cơ BLDC
Hình 3.6: Rotor động cơ BLDC
Hình 3.7: Hall sensor trên động cơ BLDC
Hình 3.8: Dạng sóng sức phản điện động pha và tín hiêu hall sensor
Hình 3.9: Ngun lý mạch động lực điều khiển động cơ BLDC
Hình 3.10: Bộ điều tốc ESC dùng để điều khiển động cơ BLDC
Hình 3.11: Sơ đồ kết nối một ESC
Hình 3.12: Động cơ RC servo
Hình 3.13: Xung điều khiển động cơ RC servo
Hình 3.14: Sơ đồ khối module nRF24l01
Hình 3.15: Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển
Hình 3.16: Sơ đồ thuật tốn điều khiển
Hình 3.17: Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm
Hình 3.18: Mạch động lực 1
Hình 3.19: Mạch động lực 2
Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy


DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

CHỮ VIẾT TẮT:
BICT (bin-catamaran): là tên của tàu hút rác do nhóm đặt ra, mang ý nghĩa là
tàu hút rác sử dụng mô hình tàu 2 thân
RF (Radio Frequency): Tần số sóng vơ tuyến
DIN (Deutsches Institut fȕr Normung): Viện tiêu chuẩn hóa Đức
BLDC (Brushless DC): Động cơ một chiều không chổi than
ESC (Electronic Speed Control): Bộ điều tốc động cơ không chổi than
PWM (Pulse Width Modulation): Phương pháp điểu khiển điện bằng cách điều
chỉnh độ rộng xung

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Mô tả ý tưởng thực hiện đề tài
Ơ nhiễm mơi trường đang là một trong những vấn đề nóng của Việt Nam và thế
giới. Mức độ ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng, tỏ ra trầm trọng và nguy hiểm. Ơ
nhiễm mơi trường gây ra những hệ lụy khôn lường đối với hệ sinh thái, môi trường
sống, thế hệ mai sau và ngay cả với chính thế hệ hiện tại. Tại Việt Nam, tình trạng ô
nhiễm môi trường cũng đang gia tăng một cách đáng báo động, đặc biệt là ô nhiễm
nguồn nước. Nguồn nước của ta đang bị tàn phá nặng nề bởi tình trạng vứt rác bừa bãi,
xả chất thải công nghiệp, … xuống ao, hồ. Là một quốc gia có hệ thống kênh rạch, ao,
hồ chằng chịt thì vấn đề cấp bách hiện nay là tìm ra giải pháp bảo vệ nguồn nước. Đưa
ra biện pháp khắc phục ô nhiễm môi trường là nhiệm vụ cấp thiết của các ngành khoa
học kĩ thuật.
Lấy ý tưởng từ thùng hút rác tự động “seabin” của hai nhà sáng chế người Úc,

nhóm mong muốn tạo ra một thiết bị thu gom rác nổi trên các ao, hồ, kênh, rạch để
ứng dụng tại Việt Nam. Nó hoạt động như một thùng rác nổi trên mặt nước, tự động
hút các rác thải nổi xung quanh nó vào lưới đựng. Thùng rác sẽ được gắn với một mơ
hình tàu 2 thân (catamaran) để giúp nó di chuyển linh động trên mặt nước. Do có
thùng rác gắn lên tàu nên nhóm sẽ sử dụng cánh quạt để đẩy tàu thay vì sử dụng chân
vịt và bánh lái như các tàu truyền thống để tránh rác sẽ bị cuốn vào chân vịt của tàu, và
tàu sẽ được điều khiển từ xa thông qua thiết bị điều khiển cầm tay bằng sóng RF.
Với ý tưởng đó nhóm quyết định thiết kế tàu hút rác BICT (bin-catamaran). …
1.1.1. Giới thiệu về dự án Seabin
Seabin là chiếc thùng rác đặc biệt có khả năng hút mọi loại rác thải trôi nổi trên
biển, từ chai nhựa, túi nilon tới giấy, dầu, xăng hay các chất tẩy rửa … Đây là một
phát minh mang tính đột phá bởi tính thực tiễn và chi phí thấp nếu so sánh với những
con tàu thu gom rác trên đại dương.
Chiếc máy hút rác Seabin của hai nhà sáng lập dự án là Andrew Turton và Pete
Ceglinski không chỉ nhận được sự quan tâm của cộng đồng khoa học và mơi trường,
mà cịn thu hút được rất nhiều nhà đầu tư trên Indiegogo.
Sau khi được triển khai trên trang web gọi vốn cộng đồng Indiegogo, dự án
Seabin này nhanh chóng đạt được số vốn đầu tư lên đến 250.000 USD, cao hơn cả kỳ
vọng ban đầu của hai chàng trai sáng lập dự án. Phía sau sự thành cơng ngồi tưởng
tượng này, ít ai biết rằng giám đốc dự án và phát minh ra chiếc máy Seabin lại là một
người khơng có nhiều kiến thức về cơng nghệ.
Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy

1


Chàng trai người Úc, Andrew Turton là giám đốc và người sáng lập dự án
Seabin, thực chất chỉ là một người đóng tàu và một thủy thủ. Tuy nhiên anh đã ấp ủ ý

tưởng tạo ra một cỗ máy đặc biệt có thể làm sạch đại dương, sau rất nhiều những
chuyến đi biển của mình và chứng kiến việc rác thải trên biển đang ngày càng gia tăng,
gây ra ảnh hưởng khơng nhỏ tới các lồi sinh vật biển.

Hình 1.1: Hai nhà sáng chế người Úc Pete Ceglinski (trái) và Andrew Turton (phải)
cùng với sản phẩm của họ seabin.
Andrew đã cùng với người bạn của mình là nhà thiết kế công nghiệp Pete
Ceglinski, lên ý tưởng cho một thiết bị có khả năng tự động thu gom rác và lọc nước
biển trên đại dương. Pete cũng là một người đam mê bộ mơn lướt sóng, vì vậy mà
chàng trai này cũng có một tình u lớn dành cho đại dương và không muốn chứng
kiến cảnh tượng rác thải tràn ngập trên biển.
Dự án Seabin được bắt đầu chỉ với hai chàng trai trẻ người Úc, tại trụ sở là một
khu trung tâm thiết kế cũ có tên “The Sea” tại Palma Mallorca, Tây Ban Nha. Palma
Mallorca là nơi rất phù hợp để phát triển một dự án như Seabin, vì đây là trung tâm
của ngành công nghiệp hàng hải Châu Âu, có hoạt động tàu thuyền đơng đúc nhất trên
thế giới. Cùng vì vậy mà tình trạng ơ nhiễm rác thải trên biển tại đây đang ở mức báo
động.
Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy

2


Với mong muốn thu gom rác thải trên biển một cách hữu hiệu và không quá tốn
sức, hai tay lướt ván người Úc Peter Ceglinski và Andrew Turton đã dành 4 năm để
chế tạo ra Seabin, một loại thùng rác tự chế được gắn một máy bơm, có khả năng hút
các loại rác thải trơi nổi trên mặt nước (hình 1.2).

Hinh 1.2: Hoạt động của Seabin trên thực tế

Cấu trúc của chiếc thùng rác Seabin này cũng rất đơn giản: Một chiếc thùng
rác, bên trong được gắn màng lọc, một đường ống dài nối chiếc thùng với một chiếc
máy bơm đặt trên bờ. Miệng thùng rác sẽ được cố định tại vị trí mặt nước (hình 1.3).
Khi máy bơm hoạt động, nước sẽ bị hút vào thùng, các vật thể trôi nổi trên mặt nước
sẽ tiếp cận miệng thùng và bị hút vào bên trong. Các loại rác thải lớn sẽ được lưu lại
tại màng lọc gắn trong thùng, trong khi các loại rác nhỏ như dầu, mỡ sẽ được hút vào
máy bơm và lọc riêng. Sau cùng, nước sạch sẽ được bơm trở lại đại dương.
1.1.2. Giới thiệu về các mơ hình thực tế được nghiên cứu trong đề tài
a. Mơ hình tàu hai thân Catamaran
Tàu 2 thân thuộc loại tàu multihulled watercraff gồm 2 thân tàu song song với
nhau. Do đó tàu sẽ có chiều rộng lớn hơn tàu 1 thân truyền thống, với bề ngang lớn
thích hợp việc gá đặt các thiết bị lên tàu dễ dàng hơn, đặc biệt thiết kế này phù hợp để
gá thùng rác vào khoảng trống giữa 2 thân tàu. Với bề ngang lớn như vậy giúp cho tàu
có độ cân bằng tốt hơn, hạn chế hiện tượng chao nghiêng như tàu 1 thân, giúp cho tàu
ln có một sự ổn định kể cả khi hoạt động với tốc độ cao.
Những đặc điểm nêu trên của tàu 2 thân đặc biệt thích hợp để gá và di chuyển thùng
rác trên mặt nước. Nhờ vào bề ngang rộng, sự cân bằng của tàu giúp thùng rác có thể
Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy

3


di chuyển linh hoạt. Không những thế nhờ sự ổn định đó thùng rác của chúng ta ít bị
nghiêng khi hoạt động trong điều kiện dịng chảy khơng ổn định hay nhiều gió.

Hình 1.3: Mơ hình tàu hai thân
b. Mơ hình tàu đệm khí sử dụng hệ động lực cánh quạt
Trong điều kiện hoạt động của tàu hút rác, tàu sẽ thường xuyên di chuyển giữa

những khu vực nước có nhiều rác thải như túi nilon, các loại bao bì, vỏ chai nhựa, hộp
nhựa, … nếu sử dụng hệ truyền động chân vịt thì rất dễ gặp phải trường hợp những
bao bì, túi nilon này sẽ quấn vào chân vịt hay trục truyền của tàu làm cản trở chuyển
động của tàu hoặc có thế làm gãy chân vịt, trục truyền. Để khắc phục vấn đề trên nhóm
có tham khảo nguyên tắc hoạt động của loại xuồng đa năng ATASD của công ty
Interconn Canada.
Tuy là xuồng nhưng hệ động lực của ATASD sử dụng cánh quạt khơng khí thay
cho chân vịt truyền thống. Cấu trúc thân xuồng là cao su, gồm 3 phao, độ bền cao,
được bom hơi nên kết hợp các tính năng tốt nhất của các loại xuồng. Để lực ma sát
giảm thấp mà lực đẩy tăng cao, xuồng sử dụng một hệ nâng đệm khí ở đáy, nhờ các cơ
cấu “vây”, giống như các thuyền cao tốc du lịch.
Áp suất khơng khí trong phao có thể được điều chỉnh, tùy thuộc vào mặt nước,
băng tuyết, bùn cứng hoặc mềm. Nó hoạt động được cả khi sóng nước cao hơn 1m, tốc
độ gió ngược tới 37km/h. ATASD nặng 540 kg, có tải trọng hàng hóa tới 850 kg hoặc
chở 6-9 hành khách. Xuồng ATASD rất thuận lợi trong cứu nạn, du lịch hoặc trinh sát
trên vùng sình lầy, sơng nước.
Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy

4


Hình 1.4: Tàu đệm khí ATASD
1.2. Tìm hiểu các thiết bị về môi trường đã được nghiên cứu
1.2.1. Robot vớt rác của sinh viên trường ĐH Sao Đỏ
Nhóm sinh viên ĐH Sao Đỏ (Hải Dương) vừa trình làng robot vớt rác mặt
nước.
Giảng viên Nguyễn Trọng Quỳnh (Trung tâm nghiên cứu và phát triển robot ĐH Sao
Đỏ), chủ nhiệm đề tài, cho biết đây là tác phẩm của nhóm 4 sinh viên Nguyễn Hoài

Nam (lớp 03CK3LT), Lê Hải Dăng, Nguyễn Kim Luyện và Nguyễn Văn Tuấn (cùng
lớp 07CDT, cùng Khoa Cơ khí ĐH Sao Đỏ). Theo sinh viên Nguyễn Hồi Nam, ý
tưởng đến từ những lần dạo bờ hồ và đặc biệt là tình trạng ơ nhiễm trên sơng Tơ Lịch,
chiếc gậy dài của công nhân tỏ ra bất lực trước “biển” rác, vừa tốn thời gian mà hiệu
quả không cao nên cần thiết phải có một robot để giải phóng sức người, bảo vệ sức
khỏe người lao động và dọn rác được nhanh, nhiều. Suốt 8 tháng, nhóm 4 sinh viên mò
mẫm, vừa tự bỏ tiền túi vừa tận dụng vật liệu, thiết bị như tôn, sơn, máy hàn... từ
xưởng thực hành ngành tàu thủy của nhà trường.

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy

5


Hình 1.5: Robot vớt rác của ĐH Sao Đỏ - Ảnh: Nguyễn Tú
Robot vớt rác giống dạng tàu hai thân giúp robot cân bằng, bên trong hút chân
không để nổi trên mặt nước, giữa hai thân là khoang chứa rác, robot di chuyển linh
hoạt tiến lùi, quay trái phải trên mặt nước nhờ hai động cơ gắn với bánh lái. Sức mạnh
của robot nằm ở hệ thống vớt rác gồm ba bộ phận chính: hai phao nổi vươn góc 45 độ
như đơi tay gom rác vào băng chuyền có hình dạng như những thanh cào làm nhiệm
vụ kéo rác lên thùng, bộ phận cuối là một trục quay có chức năng cào rác khi đã đưa
vào khoang chứa. Hệ thống điều khiển của robot vớt rác cho phép hoạt động trong
phạm vi 800 m nhờ cơng nghệ sóng RF có độ ổn định cao, ít bị nhiễu. Đặc biệt, robot
hoạt động hồn tồn bằng pin năng lượng mặt trời, khơng gây hại cho môi trường, đây
là bộ phận đắt tiền nhất “ngốn” mất 5 triệu đồng trong toàn bị chi phí 9 triệu đồng chế
tạo robot.
Ban tổ chức Techshow Robocon Việt Nam 2013 nhận định ưu điểm của robot
vớt rác là cấu tạo đơn giản, chi phí rẻ, di chuyển linh hoạt trên nước trong mọi điều

kiện thời tiết, và có bước cải tiến đáng kể khi dùng nguồn năng lượng xanh. Robot có
khả năng vớt được gần như tồn bộ các loại rác thải nổi trên bề mặt sông hồ như chai
lọ, ni lông, vỏ lon...
Ở giai đoạn tiếp theo, nhóm sinh viên tiếp tục phát triển cơng nghệ nhận dạng
giúp robot tự xử lý, phân loại rác thải giúp việc tái chế và xử lý trở nên dễ dàng hơn,
Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy

6


gắn thêm hệ thống băng tải thẩm thấu để xử lý tràn dầu hoặc chất lỏng nguy hại để đáp
ứng nhu cầu của doanh nghiệp khi sản phẩm được chuyển giao, thương mại hóa.
1.2.2. Máy thu gom rác trên sơng
Thành phố Baltimore thuộc bang Maryland của Mỹ đang giải quyết vấn đề rác của
mình với một thiết bị độc nhất vô nhị, một bánh xe nước để gom rác. Kể từ khi bắt đầu
đưa vào hoạt động từ tháng Năm năm 2014, những bánh xe nước đã chứng tỏ chúng
hiệu quả hơn những phương tiện thu gom rác trong nước khác.

Hình 1.6: Bánh xe nước thu gom rác thải trên sông ở Mỹ
Ở đây người ta sử dụng một bánh xe nước khổng lồ hoạt động dựa vào dòng
chảy và năng lượng điện. Khi bánh xe nước quay kéo theo một băng tải lớn để cuốn
những rác thải nổi đang trơi theo dịng chảy. Chiếc máy được lắp đặt ở đầu nguồn của
dịng sơng, nhờ vào đó nó có thể gom tồn bộ rac thải trơi theo dịng nước bằng cách
dùng một hệ thống phao dẫn rác đến vị trí có thiết bị cào rác để đưa lên băng tải.

Hình 1.7: Hệ thống phao dẫn rác của thiết bị
Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy

7


Rác thải sau đó sẽ được thu gom bằng một thiết bị cào rác rồi đưa lên băng tải
để chuyển lên khoang chứa.

Hình 1.8: Băng tải chuyển rác của cỗ máy
Đây là một giải pháp mới trong việc thu gom rác thải trên sơng, nó giúp chúng
ta có thể thu được lượng rác lớn hơn mà không phải tốn quá nhiều thời gian và công
sức cho việc đi theo vớt từng mẫu rác nhỏ. Nhưng bên cạnh đó thì cỗ máy địi hỏi phải
được lắp đặt ở những vị trí đặc biệt của dịng chảy và phải có khả năng lắp hệ thống
dẫn rác đến cỗ máy, và dĩ nhiên nó khơng thể ứng dụng cho các hồ nước tự nhiên hay
nhân tạo.
1.2.3. Máy vớt bèo, lục bình trên sơng
Trung tâm nghiên cứu và phát triển Công nghệ Máy công nghiệp, Trường Đại
học Công nghiệp TPHCM, đã chế tạo, đưa vào thử nghiệm máy vớt lục bình, rong rêu,
cỏ dại làm sạch mặt sông. Năng suất dọn rác tăng rất cao.

Hình 1.9: Máy vớt bèo và lục bình trên sơng
Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy

8


Lục bình (bèo), rong, rác, cỏ mọc tự nhiên nổi lềnh bềnh, chen chật mặt nước
nhiều năm. Chúng làm cản trở giao thơng, cỏ rác cịn cuốn chặt vào chân vịt tàu,

thuyền… gây hỏng phương tiện thủy.Việc vớt rác thải nổi trên mặt sông, mặt kênh từ
lâu đều phải làm bằng thủ công, năng suất, chất lượng thấp (chỉ làm vệ sinh được các
đoạn xung yếu). Vừa dọn xong chỗ này thì vài tháng sau rong cỏ lại tiếp tục phát triển
trở lại, như “ném đá ao bèo”. Hệ thống máy cắt, vớt của Trung tâm vừa có tính năng
cắt rác kết dày, còn vớt rác mảng rời, rác thải nổi trên sơng được cơ giới hố và đồng
bộ cao. Hệ thống gồm có 1 máy chính và 2 thiết bị phụ.
Máy chính là một thiết bị tự hành có hai bánh xe nước (paddle wheel) lắp hai
bên, nó truyền động bằng hai mơ tơ thủy lực, có thể điểu chỉnh số vòng quay độc lập,
đổi chiều để quay trở dễ dàng. Rong, cỏ được cắt bằng một hệ dao cắt ngang và hai
cụm dao cắt đứng, điều chỉnh theo chiều cao của cây cỏ dại, độ sâu từ 0-1,5 m, bề rộng
2,36 m. Ba cụm dao tạo thành một hình chữ U ở phía trước, bảo đảm tiến tới đâu, cắt
vụn tới đó. Máy cịn có tay vớt biên độ 4,2m chuyên gom cây cỏ nổi. Rong, cỏ sau khi
cắt lần lượt được chuyển lên 3 loại băng tải. Khi đầy, máy tiến vào bờ trút rác, sau đó
lại tiếp tục chu trình…
Mọi chuyển động của các cụm máy đều hoạt động và điều khiển bằng hệ thống
thuỷ lực nhằm đảm bảo cho máy hoạt động tốt trong điều kiện khắc nghiệt như mưa,
ướt, hôi thối do cỏ rác kết dày. Máy tự hành với tốc độ di chuyển từ 1,5 đến 2 km/giờ,
thay thế cho hàng trăm người vớt dọn trên diện tích 1ha.
Tại kênh Tây hồ Dầu Tiếng, Tây Ninh, cứ 3 tháng 1 lần, phải mất 160 công lao
động nặng nhọc để cắt 1ha rong, cỏ dại. Trong khi đó, máy này có thể dọn sạch 1 ha
chỉ trong 8 giờ, tiêu 48 lít dầu, chỉ cần một người vận hành, nhanh chóng mở đường
cho các phương tiện tàu thuyền đi lại thuận lợi.
1.2.4. Hệ thống dọn vệ sinh trên biển “Ocean Cleanup”
Hệ thống dọn rác thải này hứa hẹn sẽ giúp dọn sạch hàng chục ngàn tấn rác trên
đại dương. Chủ nhân của hệ thống là sinh viên Hà Lan Boyan Slat, 20 tuổi.
Năm 2014, Slat đã lập tổ chức phi lợi nhuận Ocean Cleanup (Dọn sạch đại dương) và
phát động chiến dịch gây quỹ quy mô lớn, thu được 2 triệu USD.
Theo Discovery, kế hoạch của Slat là lắp đặt một hệ thống phao nổi hình chữ V
trên đường đi của các dịng hải lưu lớn. Hệ thống này sẽ thu gom rác trôi nổi trên mặt
nước mà không gây ảnh hưởng đến sinh vật biển bên dưới. Rác sẽ dồn về góc hình chữ

V và các tàu sẽ đến chở rác đi xử lý.

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy

9


Hinh 1.10: Hệ thống thu gom rác thải trên biển của Ocean Cleanup
Hệ thống sẽ bắt đầu được đưa vào vận hành vào năm tới trên vùng biển giữa
Nhật Bản và Hàn Quốc, gần nhóm đảo Tsushima. Theo thiết kế, hệ thống sẽ gom rác
trong hai năm trước khi được triển khai rộng ra. Tổng chiều dài của nó 20km - là cấu
trúc nổi trên biển dài nhất từ trước tới nay. Dự kiến đến giai đoạn cuối nó sẽ được thiết
kế dài đến 100km. Theo ước tính của Ocean Cleanup, khi đó hệ thống có thể loại bỏ
42% lượng rác trên Thái Bình Dương trong 10 năm, tương đương 70.320 tấn rác.
Hiện tại hệ thống đã được lắp thử nghiệm tại Nhật với tổng chiều dài 2km và
cho thấy hiệu quả gom rác tuyệt vời. Slat cho biết ý tưởng làm sạch đại dương nảy lên
trong đầu khi anh lặn trên vùng biển ngoài khơi Hi Lạp năm 16 tuổi. Từ đó, anh khơng
ngừng tìm hiểu, nghiên cứu để cho ra đời hệ thống làm sạch đại dương. Anh ước tính
với phương pháp này chỉ tốn khoảng 5 USD để xử lý 1kg rác, chỉ bằng 3% của các
phương pháp tiềm năng khác. Một số hình ảnh đáng chú ý về hệ thống dọn rác trên
biển của Slat:

Hình 1.11: Hình ảnh chiếc phao nổi của Slat nhìn từ trên cao
Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy

10

1.3. Thực trạng ô nhiễm môi trường nước ở nước ta
Có nhiều cách phân loại ơ nhiễm nước như dựa vào nguồn gốc ô nhiễm, gồm: ô
nhiễm do hoạt động nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt. Dựa vào môi trường ô
nhiễm, gồm: ô nhiễm nước ngọt, ô nhiễm biển và đại dương. Dựa vào tính chất của ơ
nhiễm, gồm: ơ nhiễm vật lý, hóa học hay sinh học.
1.3.1. Phân loại các hình thức ơ nhiễm mơi trường nước
− Ơ nhiễm vật lý: Các chất rắn không tan khi được thải vào nước làm tăng lượng
chất lơ lửng, tức làm tăng độ đục của nước. Các chất này có thể là gốc vô cơ
hay hữu cơ. Nhiều chất thải công nghiệp có chứa các chất có màu, hầu hết là
màu hữu cơ, làm giảm giá trị sử dụng của nước về mặt y tế cũng như thẩm mỹ.
Ngoài ra các chất thải cơng nghiệp cịn chứa nhiều hợp chất hố học như muối
sắt, mangan, clo tự do, hydro sulfur, phenol... làm cho nước có vị khơng bình
thường. Các chất amoniac, sulfur, cyanur, dầu làm nước có mùi lạ. Thanh tảo
làm nước có mùi bùn, một số sinh vật đơn bào làm nước có mùi tanh của cá.
− Ơ nhiễm hóa học: do thải vào nước các chất nitrat, phosphat dùng trong nông
nghiệp và các chất thải do luyện kim và các công nghệ khác như, Cr, Ni, Cd,
Mn, Cu, Hg là những chất độc cho thủy sinh vật. Sự ô nhiễm do các chất
khoáng là do sự thải vào nước các chất như nitrat, phosphat và các chất khác
dùng trong nông nghiệp và các chất thải từ các ngành công nghiệp. Sự ơ nhiễm
nước do nitrat và phosphat từ phân bón hóa học cũng đáng lo ngại. Khi phân
bón được sử dụng một cách hợp lý thì làm tăng năng suất cây trồng và chất
lượng của sản phẩm cũng được cải thiện rõ rệt. Nhưng các cây trồng chỉ sử
dụng được khoảng 30 - 40% lượng phân bón, lượng dư thừa sẽ vào các dòng
nước mặt hoặc nước ngầm, sẽ gây hiện tượng phì nhiêu hố sơng hồ, gây yếm
khí ở các lớp nước ở dưới. Các loại nông dược sử dụng cho nơng nghiệp cũng
là nguồn gây ơ nhiễm hóa học.
− Ô nhiễm sinh học: Ô nhiễm nước sinh học do các nguồn thải đơ thị hay kỹ nghệ
có các chất thải sinh hoạt, phân, nước rửa của các nhà máy đường, giấy... Sự ô

nhiễm về mặt sinh học chủ yếu là do sự thải các chất hữu cơ có thể lên men
được: sự thải sinh hoạt hoặc kỹ nghệ có chứa chất cặn bã sinh hoạt, phân tiêu,
nước rửa của các nhà máy đường, giấy, lò sát sinh ...
1.3.2. Tình trạng ơ nhiễm mơi trường nước
Để rõ hơn về thực tế của tình trạng ơ nhiễm nguồn nước, nhóm đã thực hiện các
khảo sát thực tế trên các sông hồ ở Việt Nam. Quá trình khảo sát cho thấy tình trạng ơ
nhiễm rác thải trên các con sơng đang là vấn đề cấp bách cần được giải quyết. Từ
Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy

11


những hình ảnh thu thập được, ta thấy hồ nước ở Hà Nội hay sơng Sài Gịn đều bị ơ
nhiễm nặng, và tình trạng ơ nhiễm khơng chỉ xuất hiện ở các thành phố lớn tại các
kênh mương hay các con sơng ở vùng nơng thơn thì tình hình cũng không hề khá hơn.
Việc ô nhiễm rác thải trên chủ yếu đến từ ý thức của con người. Sau đây là một số
hình ảnh nhóm đã thu thập được qua quá trình khảo sát thực tế:

Hình 1.12: Rác thải sinh hoạt trên mặt hồ nước tại Hà Nội

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy

12


Hình 1.13: Rác thải và cá chết trên sơng Sài Gịn

Hình 1.14: Một đoạn kênh dẫn nước trong thành phố
Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy

13


1.3.3. Nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước
a) Nguyên nhân tự nhiên
Bất cứ một hiện tượng nào làm giảm chất lượng nước đều bị coi là nguyên nhân
gây ô nhiễm nước. Ô nhiễm nước do mưa, tuyết tan, lũ lụt, gió bão… hoặc do các sản
phẩm hoạt động sống của sinh vật, kể cả xác chết của chúng. Cây cối, sinh vật chết đi,
chúng bị vi sinh vật phân hủy thành chất hữu cơ. Một phần sẽ ngấm vào lòng đất, sau
đó ăn sâu vào nước ngầm, gây ơ nhiễm, hoặc theo dòng nước ngầm hòa vào dòng lớn.
Lụt lội có thể làm nước mất sự trong sạch, khuấy động những chất dơ trong hệ
thống cống rãnh, mang theo nhiều chất thải độc hại từ nơi đổ rác, và cuốn theo các loại
hoá chất trước đây đã được cất giữ.
Nước lụt có thể bị ơ nhiễm do hố chất dùng trong nông nghiệp, kỹ nghệ hoặc
do các tác nhân độc hại ở các khu phế thải. Công nhân thu dọn lân cận các cơng trường
kỹ nghệ bị lụt có thể bị tác hại bởi nước ơ nhiễm hố chất.
Ơ nhiễm nước do các yếu tố tự nhiên (núi lửa, xói mịn, bão, lụt, ...) có thể rất
nghiêm trọng, nhưng khơng thường xun, và khơng phải là ngun nhân chính gây
suy thối chất lượng nước tồn cầu.
Sự suy giảm chất lượng nước có thể do đặc tính địa chất của nguồn nước ví dụ như:
nước trên đất phèn thường chứa nhiều sắt, nhơm. nước lấy từ lịng đất thường chứa
nhiều canxi…
b) Nguyên nhân nhân tạo
Hiện tại hoạt động của con người đang là nguyên nhân chính gây suy giảm chất

lượng nguồn nước. Có thể xếp thành các nguyên nhân sau:
− Do các chất thải từ sinh hoạt, y tế:
Mỗi ngày có một lượng lớn rác thải sinh hoạt thải ra môi trường mà khơng qua xử lý
bên cạnh đó dân số ngày càng gia tăng dẫn đến lượng rác thải sinh hoạt cũng tăng
theo. Ở các nước phát triển, tỷ lệ gia tăng dân số khoảng 5 % trong khi đó tỷ lệ gia
tăng dân số ở các nước đang phát triển là hơn 2 %.
Ở Việt Nam với mức tăng dân số nhanh chóng đã đưa nước ta vào hàng thứ 12 trong
các quốc gia có dân số đơng nhất Thế giới. Trong vòng hơn 50 năm gần đây (19602013), dân số nước ta tăng gần 4 lần từ 30,172 triệu người lên 90 triệu người. Dân số
tăng nhu cầu dùng nước cho sinh hoạt và phát triển kinh tế tăng lên, các nguồn thải
tăng, sự ô nhiễm môi trường nước cũng tăng lên.
Nước thải sinh hoạt (Domestic wastewater): là nước thải phát sinh từ các hộ gia đình,
bệnh viện, khách sạn, cơ quan trường học, chứa các chất thải trong quá trình sinh hoạt,
vệ sinh của con người. Thành phần cơ bản của nước thải sinh hoạt là các chất hữu cơ
dễ bị phân hủy sinh học (cacbohydrat, protein, dầu mỡ), chất dinh dưỡng (photpho,
Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy

Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy

14