Hcmute thiết kế và chế tạo mô hình xử lý nước giếng quy mô hộ gia đình sử dụng vật liệu xúc tác quang và ánh sáng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH XỬ LÝ NƯỚC GIẾNG QUY MƠ HỘ GIA ĐÌNH SỬ DỤNG VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG VÀ ÁNH SÁNG MẶT TRỜI MÃ SỐ: SV2019 - 138 SKC 0 9 Tp Hồ Chí Minh, tháng 06/2019 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH XỬ LÝ NƯỚC GIẾNG QUY MÔ HỘ GIA DỤNG VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG VÀ ÁNH SÁNG MẶT TRỜI Mã số đề tài: SV2019 - 138 Thuộc nhóm ngành khoa học: Mơi trường TP Hồ Chí Minh, 6/2019 Luan van ĐÌNH SỬ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH XỬ LÝ NƯỚC GIẾNG QUY MƠ HỘ GIA ĐÌNH SỬ DỤNG VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG VÀ ÁNH SÁNG MẶT TRỜI Mã số đề tài: SV2019 - 138 Thuộc nhóm ngành khoa học: Môi trường SV thực hiện: Nguyễn Khoa Điềm Dân tộc: Nam, Nữ: Nam Kinh Lớp, khoa: 161500A, Khoa CNHH & TP Năm thứ: Số năm đào tạo: Năm thứ: Số năm đào tạo: Ngành học: Công nghệ kĩ thuật Môi trường SV thực hiện: Nguyễn Trung Tình Dân tộc: Nam, Nữ: Nam Kinh Lớp, khoa: 151501A, Khoa CNHH & TP Ngành học: Công nghệ kĩ thuật Mơi trường Người hướng dẫn: TS Hồng Thị Tuyết Nhung TP Hồ Chí Minh, 6/2019 Luan van MỤC LỤC CHƯƠNG : MỞ ĐẦU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỂ TÀI 2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG XỬ LÝ NƯỚC 1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ TiO2 1.3.1 Tổng quan TiO2 1.3.2 Tình hình nghiên cứu vật liệu TiO2 pha tạp Ag đến hiệu diệt khuẩn 14 1.4 TỔNG QUAN MẪU NƯỚC NGẦM QUẬN THỦ ĐỨC 14 1.5 TỔNG QUAN CÁC THIẾT BỊ XỬ LÝ NƯỚC HỘ GIA ĐÌNH 16 1.5.1 Thiết bị lọc nước gốm 16 1.5.2 Thiết bị lọc nước vòi 17 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ THIẾT BỊ XỬ LÝ 22 2.1 THIẾT KẾ THIẾT BỊ XỬ LÝ BẰNG VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG 22 2.1.1 Thiết kế ống chứa vật liệu xúc tác quang Ag-TiO2-SiO2 22 2.1.2 Thiết kế máng phản xạ parabol kép 23 2.1.3 Tính toán giá thành thiết bị 28 CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 30 3.1 ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU Ag-TiO2-SiO2 PHỦ LÊN HẠT KÍNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOLGEL……………………………………………………………………………………………………30 3.2 PHÂN TÍCH TÍNH CHẤT MẪU NƯỚC ĐẦU VÀO 34 3.2.1 Quy trình lấy mẫu nước đầu vào nguồn nước ngầm quận Thủ Đức 34 3.2.2 Phân tích tiêu đầu vào 35 3.3 VẬN HÀNH MƠ HÌNH XỬ LÝ NƯỚC NGẦM QUẬN THỦ ĐỨC 38 3.3.1 Quy trình vận hành 39 3.3.2 Lấy mẫu xác định lượng Ag TiO2 phóng thích thiết bị xử lý 39 3.3.3 Đánh giá hiệu xử lý vi sinh 41 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 43 Luan van 4.1 ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC DỊNG NƯỚC ĐƠI VỚI SỰ PHĨNG THÍCH CỦA Ag TiO2…………………………………………………………………………………………………….43 4.2 KẾT QUẢ CHẠY THỰC NGHIỆM NƯỚC GIẾNG THỦ ĐỨC 44 4.2.1 Khảo sát ánh sáng mặt trời 44 4.2.2 Đánh giá hiệu diệt khuẩn vận tốc khác 45 4.2.3 Ảnh hưởng vận tốc cường độ mặt trời đến nhiệt độ nước 48 CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT NGHIÊN CỨU 50 5.1 Kết đạt 50 5.1.1 Điều chế vật liệu xúc tác quang Ag.TiO2.SiO2 50 5.1.2 Thiết kế lắp ráp thiết bị xử lý 50 5.1.3 Xử lý với nguồn nước giếng Thủ Đức 50 5.2 Kiến nghị 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 Tài liệu tiếng Việt 51 Tài liệu Nước Ngoài 51 PHỤ LỤC 54 Luan van Danh mục hình Hình 1.1: Quá trình truyền lượng xạ mặt trời qua lớp khí Trái Đất Hình 1.2: Cấu trúc tinh thể pha Rutile (a), Anatase (b) Brookite (c) Hình 1.3: Thiết bị lọc nước gốm 16 Hình 1.4: Thiết bị lọc nước vịi 18 Hình 1.5: Thiết bị lọc nước vịi Panasonic TK CJ21 PN Nhật Bản 18 Hình 1.6: Thiết bị lọc nước Cleansui Mitsubishi Rayon 19 Hình 1.7: Thiết bị lọc nước Torayvino MK303-EG 19 Hình 2.1: Biểu diễn hình học đường truyền tia sáng mặt trời có góc tới tới ống thủy tinh có máng phản xạ parabol kép 24 Hình 2.2: Biểu diễn hình học máng Parabol kép 25 Hình 2.3: Thiết kế 3D thiết bị xử lý 28 Hình 3.1: Quy trình điều chế vật liệu 31 Hình 3.2: Thiết bị phản ứng sol – gel Ag-TiO2-SiO2 33 Hình 3.3: Sản phẩm sau trình thuỷ phân 33 Hình 3.4: Quy trình thực phương pháp lọc màng vi sinh 36 Hình 3.5:Vận hành thiết bị xử lý nước ngầm 38 Hình 4.1: Lượng Ag phóng thích tương đương với vận tốc chảy khác 43 Hình 4.2: Lượng TiO2 phóng thích tương đương với vận tốc chảy khác 44 Hình 4.3: Đồ thị đường biểu diễn cường độ nắng lượng UV từ đến 15 thành phố Hồ Chí Minh 45 Hình 4.4: Hiệu diệt khuẩn thiết bị ứng với vận tốc cm/phút, 8cm/phút, 46 Hình 4.5: Mối quan hệ hiệu suất xử lý thời gian lưu nước 46 Hình 4.6: Hiệu diệt khuẩn thiết bị với vận tốc cm/phút, cm/phút, 4cm/phút, cm/phút, cm/phút 47 Hình 4.7: Ảnh hưởng cường độ ánh sáng mặt trời nhiệt độ nước 48 Luan van Danh mục bảng Bảng 1.1: Kết phân tích số tiêu nguồn nước ngầm 15 Bảng 1.2: Giá số thiết bị lọc nước gốm thị trường 17 Bảng 1.3: Giá số thiết bị lọc nước vòi thị trường 20 Bảng 2.1: Bảng hiệu suất ánh sáng truyền qua số vật liệu suốt tính theo cường độ xạ mặt trời (W/m2) với bước sóng từ 400 – 700 nm (McMahon, 1990) 22 Bảng 2.2: Thông số ống thủy tinh chứa vật liệu thiết bị 23 Bảng 2.3: Thông số máng Parabol thiết bị xử lý 27 Bảng 3.1: Các thiết bị phục vụ điều chế vật liệu 30 Bảng 3.2: Các tiêu hóa lý phân tích phịng thí nghiệm 35 Bảng 3.3.Phân biệt chủng vi khuẩn diện thông qua màu sắc khuẩn lạc 37 Bảng 3.4: Thông số hiệu chỉnh thiết bị 39 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế chế tạo mô hình xử lý nước giếng quy mơ hộ gia đình sử dụng vật liệu xúc tác quang ánh sáng mặt trời - SV thực hiện: Nguyễn Khoa Điềm - Lớp: 161500A Khoa: CNHH&TP Mã số SV: 16150050 Năm thứ: - SV thực hiện: Nguyễn Trung Tình - Lớp: 151501A Khoa: CNHH&TP Số năm đào tạo: Mã số SV: 15150138 Năm thứ: Số năm đào tạo: - Người hướng dẫn: TS Hoàng Thị Tuyết Nhung Mục tiêu đề tài: Thiết kế chế tạo mô hình xử lý nước cho hộ gia đình sử dụng vật liệu xúc tác quang ánh sáng mặt trời Tính sáng tạo: Sử dụng vật liệu xúc tác quang ánh sáng mặt trời để khử trùng nguồn nước giếng từ hộ gia đình Kết nghiên cứu: Điều chế thành công vật liệu xúc tác quang Ag.TiO2.SiO2 (1%) phương pháp Sol-Gel Thiết kế thiết bị xử lý bao gồm phận: Khung thép, ống thủy tính chứa vật liệu dài 80 cm, máng Parabol kép nhôm, đường ống, van điều chỉnh lưu lượng Thiết bị có khả xử lý tốt vi sinh từ nguồn nước giếng quận Thủ Đức Luan van Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Tạo thiết bị xử lý nước giếng hiệu việc sử dụng nguồn lượng mặt trời với chi phí thấp phù hợp với người sử dụng Góp phần mang lại nguồn nước cho người dân vùng sâu, vùng xa, giảm thiểu bệnh tật từ việc sử dụng nguồn nước bị nhiễm khuẩn Ngày 10 tháng năm 2019 SV chịu trách nhiệm thực đề tài (kí, họ tên) Nguyễn Khoa Điềm Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học SV thực đề tài ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… Ngày 10 Xác nhận Trường (kí tên đóng dấu) tháng năm 2019 Người hướng dẫn (kí, họ tên) Hồng Thị Tuyết Nhung Luan van CHƯƠNG MỞ DẦU Luan van Lượng TiO2 phóng thích (ppb) 80 70 60 Giới hạn phương pháp đo thấp nhất, 50 ppb 50 40 30 20 10 -10 10 20 30 40 50 60 Thời gian (giờ) cm/ph cm/ph 10 cm/ph 12 cm/ph 16 cm/ph Hình 4.2: Lượng TiO2 phóng thích tương đương với vận tốc chảy khác Ta thấy kết lượng Ag phóng thích (Hình 4.1) nhỏ giới hạn đo máy (50 ppb) tiêu chuẩn WHO (100 ppb) cho thấy vật liệu phóng thích Ag nhỏ không ảnh hưởng đến sức khỏe sử dụng nguồn nước Lượng TiO2 phóng thích (Hình 4.2) vận tốc khảo sát có vận tốc 12 cm/phút có tượng phóng thích với nồng độ 67,965 ppb, khảo sát vận tốc nước 16 cm/phút lượng TiO2 phóng thích nhỏ ngưỡng thấp thiết bị đo Nên kết phóng thích với vận tốc 12 cm/phút 10 xem khơng xác Điều cho thấy, ngưỡng vận tốc tối ưu, lớp phim mỏng khơng có dấu hiệu bong tróc cấu trúc vật liệu ổn định 4.2 KẾT QUẢ CHẠY THỰC NGHIỆM NƯỚC GIẾNG THỦ ĐỨC 4.2.1 Khảo sát ánh sáng mặt trời Tiến hành khảo sát độ rọi ánh sáng mặt trời cường độ UV vị trí đặt mơ hình sân khu B, đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Thời gian khảo sát thời gian chạy chạy thiết bị (từ đến 15 giờ) Từ (Hình 4.3) ta thấy độ rọi ánh sáng mặt trời (Klux) cường độ xạ UV (W/cm2) tỉ lệ thuận với nhau, tăng dần từ đến 11 giảm dần đếm 15 Buổi sáng độ rọi ánh sáng mặt trời UV cao 44 Luan van so với buổi chiều trình chạy thiết bị diễn thời điểm mùa mưa, buổi chiều thường nhiều mây có mưa; từ làm giảm độ rọi ánh sáng xạ UV 80 120 60 80 50 Klux 100 40 60 30 40 20 20 W/cm2 70 10 0 11 13 15 Giờ Độ rọi ánh sáng mặt trời (Klux) Cường độ xạ UV (W/m2) Hình 4.3: Đồ thị đường biểu diễn cường độ nắng lượng UV từ đến 15 thành phố Hồ Chí Minh 4.2.2 Đánh giá hiệu diệt khuẩn vận tốc khác Ban đầu tiến hành khảo sát hiệu diệt khuẩn thiết bị với vận tốc khác cm/phút; cm/phút; 10 cm/phút; 12 cm/phút tương ứng với thời gian lưu nước đường ống 6,67 phút; 5,71 phút; phút; phút; 3,3 phút Nồng độ E.coli nước ngầm không ổn định mà biến động suốt thời gian nghiên cứu từ CFU/ml đến 31 CFU/ml 45 Luan van 60 30 30 30 40 20 19 19 19 18 16 18 20 10 Cường độ xạ UV (W/m Nồng độ E.coli (CFU/100ml) 40 25 34 42 43 44 46 47 Thời gian chạy thiết bị (giờ) E.coli đầu vào (CFU/100ml) E.coli đầu V=8cm/phút (CFU/100ml) E.coli đầu V=12 cm/phút (CFU/100ml) Cường độ xạ UV (W/m2) 50 53 E.coli đầu V=6cm/phút (CFU/100ml) E.coli đầu V=10cm/phút (CFU/100ml) E.coli đầu V=16 cm/phút (CFU/100ml) Hình 4.4: Hiệu diệt khuẩn thiết bị ứng với vận tốc cm/phút, 8cm/phút, 10 cm/phút, 12 cm/phút, 16 cm/phút Hiệu diệt khuẩn khảo sát theo vận tốc thiết bị (Hình 4.4) khơng tốt Chỉ có vận tốc cm/phút mang lại hiệu ổn định, xuất CFU/100ml cường độ UV thấp (7,5 W/m2) Với vận tốc cm/phút, 10 cm/phút, 12 cm/phút 16 cm/phút, hiệu diệt khuẩn thiết bị không ổn định dù cường độ UV cung cấp cho trình xúc tác quang cao Hiệu suất xử lý (%) 110 100 90 80 70 Thời gian lưu nước (phút) Hình 4.5: Mối quan hệ hiệu suất xử lý thời gian lưu nước 46 Luan van Ứng với việc thay đổi vận tốc thay đổi thời gian lưu nước ống chứa vật liệu xúc tác quang Khi thời gian lưu nước tăng hiệu diệt khuẩn tăng Vì vậy, tiếp tục khảo sát vận tốc nước đường ống ≤ cm/phút để tăng thời gian lưu nước ống 64 64 45 64 40 60 35 50 30 40 25 30 24 24 20 24 18 20 15 18 12 12 10 10 Cường độ xạ UV (W/m2) Nồng độ E.coli (CFU/100ml) 70 66 68 70 71 73 75 76 Thời gian chạy thiết bị (Giờ) 78 79 80 E.coli đầu vào (CFU/100ml) E.coli đầu V=2cm/phút (CFU/100ml) E.coli đầu V=3cm/phút (CFU/100ml) E.coli đầu V=4cm/phút (CFU/100ml) E.coli đầu V=5 cm/phút (CFU/100ml) E.coli đầu V=6 cm/phút (CFU/100ml) Cường độ xạ UV (W/m2) Hình 4.6: Hiệu diệt khuẩn thiết bị với vận tốc cm/phút, cm/phút, 4cm/phút, cm/phút, cm/phút Sau tiếp tục kiểm tra hiệu khủ trùng với vận tốc cm/phút ứng với thời gian lưu 6,67 phút (Hình 4.6), ta thấy hiệu xử lý khơng ổn định, cịn xuất vi sinh nhiều thời điểm nên không chọn vận tốc làm vân tốc chạy thiết bị Các kết xử lý vận tốc nhỏ cm/phút cho hiệu khử trùng tuyệt đối Ta thấy hiệu diệt khuẩn thiết bị vận hành thời tiết nắng xử lý tốt thời điểm có mây che Chọn vận tốc cm/phút làm vận tốc chạy thiết bị xử lý nước ngầm Thủ Đức 47 Luan van 4.2.3 Ảnh hưởng vận tốc cường độ mặt trời đến nhiệt độ nước Tiến hành khảo sát nhiệt độ cường độ ánh sáng mặt trời thời điểm chạy thiết bị vận tốc – – 10 – 12 – 16 cm/phút (Hình 4.7) Khi tăng vận tốc nước đường ống chứa vật liệu xử lý (giảm thời gian lưu nước) nhiệt độ nước giảm theo cường độ ánh sáng cao nhiệt độ nước cao Nhiệt độ nước lúc 11 cao có cường độ ánh sáng mặt trời cao Nhiệt độ nước sau xử lý từ 300C 50 120 45 100 40 80 35 60 30 40 25 20 20 K lux oC đến 440C, không ảnh hưởng đến hiệu diệt khuẩn thiết bị 10 11 12 13 14 15 Thời gian lấy mẫu (giờ) Nhiệt độ V = cm/phút Nhiệt độ V = cm/phút Nhiệt độ V = 10 cm/phút Nhiệt độ V = 10 cm/phút Nhiệt độ V = 16 cm/phút Cường độ ánh sáng mặt trời Hình 4.7: Ảnh hưởng cường độ ánh sáng mặt trời nhiệt độ nước 48 Luan van CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT NGHIÊN CỨU 49 Luan van CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT NGHIÊN CỨU 5.1 Kết đạt 5.1.1 Điều chế vật liệu xúc tác quang Ag.TiO2.SiO2 - Điều chế thành công vật liệu xúc tác quang Ag.TiO2.SiO2 (1%) phương pháp SolGel - Phủ lớp phim mỏng lên hạt kính có kích thước từ 0,45 – 0,9 mm - Sau khảo sát với thời gian lưu thấy vật liệu thiết bị khơng có phóng thích Ag TiO2 trình chạy 5.1.2 Thiết kế lắp ráp thiết bị xử lý - Thiết bị xử lý bao gồm phận: Khung thép, ống thủy tính chứa vật liệu dài 80 cm, máng Parabol kép nhôm, đường ống, van điều chỉnh lưu lượng - Giá thành với thiết bị hoàn chỉnh 1.414 triệu đồng 5.1.3 Xử lý với nguồn nước giếng Thủ Đức - Xác định thời gian lưu nước tối ưu phút đảm bảo xử lý triệt để vi sinh - Sau khảo sát với thời gian lưu thấy vật liệu thiết bị khơng có phóng thích Ag TiO2 q trình chạy - Đối với vi sinh thấp (