Bài viết trình bày một số kết quả nghiên cứu trong thiết kế chế tạo thiết bị khử trùng xử lý nước cầm tay sử dụng phương pháp phân tích thể tích chuẩn độ thiosunfat. Các kết quả tính toán và thử nghiệm cho thấy, thiết bị khử trùng nước uống cầm tay có chất lượng tương đương với thiết bị của hãng MIOX (Mỹ).
Thông tin khoa học công nghệ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ KHỬ TRÙNG NƯỚC UỐNG CẦM TAY Bùi Văn Tài1*, Phạm Thị Phượng1, Mai Văn Phước1, Phạm Văn Hịa2 Tóm tắt: Bài báo trình bày số kết nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị khử trùng xử lý nước cầm tay sử dụng phương pháp phân tích thể tích chuẩn độ thiosunfat Mạch điện tử thiết kế nhỏ gọn dựa vi điều khiển ARM, sử dụng nguồn pin, tính tốn, kiểm sốt dịng thời gian điện phân để đạt hàm lượng Cl* riêng thích hợp, đủ để tạo dung dịch dịch hoạt hóa điện hóa khử trùng xử lý nước cầm tay, tạo nước uống phục vụ đội Các kết tính tốn thử nghiệm cho thấy, thiết bị khử trùng nước uống cầm tay có chất lượng tương đương với thiết bị hãng MIOX (Mỹ) Từ khóa: Thiết bị khử trùng; Dung dịch hoạt hóa điện hóa; Dung dịch khử trùng MỞ ĐẦU Dung dịch hoạt hóa tạo thành từ trình điện phân dung dịch muối ăn khe hẹp có khả khử trùng cao sử dụng với nhiều mục đích khác như: khử trùng rau quả, khử trùng bể bơi, xe tiêu tẩy để tiêu độc triệt trùng, khử trùng cho phòng mổ bệnh viện, khử trùng cho nông trại chăn nuôi, [2-4] Quân đội NATO trang bị thiết bị tạo dung dịch hoạt hóa dạng cầm tay sử dụng nguồn pin để khử khuẩn, sát trùng nguồn nước mặt hành quân dã ngoại Điển hình thiết bị hãng MIOX (Mỹ), tiện dụng phù hợp kích thước nhỏ gọn, sử dụng pin, giá thành xử lý thấp [3] Quân đội Cộng hòa Séc trang bị thiết bị khử trùng nước mặt cầm tay nguyên lý điện phân tạo nano bạc Với quân đội ta, nhiều tình thực tế huấn luyện, chiến đấu, hành quân dã ngoại đóng quân vùng núi, hải đảo, nơi khơng có điện lưới, vùng lũ lụt, đội phải sử dụng nguồn nước mặt tự nhiên không qua xử lý, đun nấu làm nước uống Điều ảnh hưởng không nhỏ đến sức khoẻ, kết huấn luyện, chiến đấu hầu hết nguồn nước mặt bị nhiễm, nhiễm khuẩn, Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo thiết bị xử lý, khử trùng nước uống cầm tay dùng nguồn pin cần thiết Thiết bị thiết kế dựa tham khảo mẫu thiết bị xử lý nước cầm tay hãng MIOX (Mỹ), có cấu trúc nhỏ gọn, thuận tiện trang bị cá nhân, thử nghiệm cho chất lượng khử trùng nước tương đương thiết bị MIOX XÂY DỰNG CÁC THAM SỐ CHO THIẾT BỊ 2.1 Tính tốn hàm lượng Cl* riêng hiệu suất dịng phản ứng Hàm lượng Cl* riêng số mg chất hoạt tính tạo thành tiêu tốn Ah xác định theo công thức: V C (mg/Ah) = (1) I t 1000 Trong đó: I - Cường độ dịng điện phân (A); t - Thời gian điện phân (giờ); V - Thể tích dung dịch điện phân (ml), C - Nồng độ Clo hoạt tính tạo thành (mg/l) Trong điện phân dung dịch, khối lượng sản phẩm tính theo Faraday có dạng: M lt = Ð.I t (2) Với: I - Cường độ dòng điện phân (A); t - Thời gian điện phân (s); Đ - Đương lượng điện hố chất điện phân (g/Ah) Trong đó, đương lượng điện hoá chất điện phân xác định theo biểu thức: 28,6.M Ð= (3) z 162 B V Tài, …, P V Hòa, “Giải pháp thiết kế chế tạo thiết bị khử trùng nước uống cầm tay.” Thông tin khoa học công nghệ Với: M - Phân tử lượng chất điện phân; z - Số electron trao đổi Trên sở đó, gọi Mtn khối lượng sản phẩm thu từ thực nghiệm (g), ta có hiệu suất dòng phản ứng là: M H = tn 100 (4) M lt 2.2 Lựa chọn điện cực mật độ dịng điện Kết phân tích thiết bị khử trùng nước hãng MIOX nhận thấy, điện cực có cấu trúc gồm anốt catốt Anốt loại điện cực trơ dạng Ti/RuO2 (gồm lớp oxit kim loại quý RuO2 phủ lên kim loại Titan tinh khiết) Điện cực có hình vành khăn, màu đen, đường kính 22 mm - Điện cực anốt titan phủ rutheni oxyt titan điôxyt, anot titan nguyên chất Khoảng cách điện cực 2,5 mm, kích thước catốt = 17mm, anốt trong = 22mm, chiều cao H = 16 mm - Dung dịch điện phân muối NaCl bão hòa, chế độ điện phân: dòng xung DA 30 A/dm2, thời gian 1s, nghỉ 1s, sau điện phân tiếp 4s THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ KHỬ TRÙNG NƯỚC 3.1 Thiết kế, chế tạo mạch điện tử điều khiển Mạch điện tử điều khiển (sơ đồ chức hình 1) có nhiệm vụ: Kiểm sốt trì cường độ dịng điện q trình điện phân; Duy trì thời gian điện phân đóng ngắt mạch điện; Thực giao tiếp phím bấm hiển thị LED trạng thái hoạt động thiết bị Khối điều khiển dòng điện Điện cực Khối xử lý (vi điều khiển) LED hiểu thị trạng thái Phím bấm điều khiển Ổn áp 3.3V Nguồn cấp Hình Sơ đồ khối mạch điện Nguồn cung cấp VDC sử dụng pin litium, có khả cấp dịng từ - A, cấp cho điện cực điện phân cho khối bảng mạch Khối xử lý trung tâm thiết kế dựa vi điều khiển ARM, thực nhận lệnh điều khiển từ phím bấm điều khiển q trình điện hóa, trạng thái hoạt động báo hiệu đèn LED bao gồm báo trình điện phân, cảnh báo pin yếu dung dịch q lỗng Khối điều khiển dịng điện cấp kiểm sốt dịng DC tới điện cực Hình Dạng tín hiệu điều khiển điện phân Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 Hình Mạch điện tử điều khiển thiết bị 163 Thông tin khoa học công nghệ Chế độ điện phân lập trình Vi điều khiển ARM với chu kỳ điện phân (tương ứng lần bấm công tắc), tín hiệu điều khiển dịng điện phân có dạng hình 2, bao gồm: Xung thăm dị với thời gian 150 ms, sau nghỉ 1,7 s điện phân tiếp 4,4 s Để tăng hàm lượng Cl* dung dịch điện phân, thực nhiều chu kỳ điện phân 3.2 Thiết kế, chế tạo buồng điện phân Trên sở tính tốn, phân tích lựa chọn tham thiết bị, buồng điện phân chế tạo với chi tiết hình gồm: buồng hòa tan muối, nắp đậy, anốt catốt Hình Các chi tiết buồng điện phân: - Nắp đậy; - Buồng hòa tan muối; - Buồng chứa anốt catốt; – Catốt; – Anốt Thiết bị tạo dung dịch hoạt hóa điện hóa chế tạo hình Ngồi ra, kèm với thiết bị cịn có phụ kiện như: túi muối ăn 28 g, vỏ, pin, hướng dẫn sử dụng thiết bị hộp đựng Hình Thiết bị khử trùng nước uống cầm tay 3.3 Đánh giá kết • Khả tạo dung dịch hoạt hóa điện hóa thiết bị Khả tạo dung dịch hoạt hóa điện hóa thiết bị chế tạo so với mẫu hãng MIOX (Mỹ) cho kết bảng Bảng Kết xác định nồng độ Cl* theo chu kỳ điện phân Số chu kỳ Thiết bị MIOX Thiết bị chế tạo điện phân Nồng độ Cl* Khối lượng Cl* Nồng độ Cl* (mg/l) Khối lượng Cl* (mg/l) (mg) (mg) 553,8 1,36 548 1,32 1136 2,78 1205 2,89 1704 4,17 1723 4,13 2052 5,03 2147 5,15 Như vậy, sau chu kỳ điện phân, khối lượng Cl* thiết bị chế tạo tạo tương đương với khối lượng Cl* thiết bị MIOX tạo Đánh giá xác định tiêu kỹ thuật thiết bị bảng sau: Bảng Chỉ tiêu kỹ thuật thiết bị khử trùng nước uống cầm tay TT Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị đo Kết Khối lượng kg 0,20 Kích thước; đường kính/chiều dài mm 25/200 Nguồn điện sử dụng 02 pin (123A, V) V Nồng độ dung dịch điện phân chu kỳ mg/l 548 Hàm lượng Cl* tạo để xử lý cho 500 ml nước mg 1,32 pH dung dịch điện phân 8,0 164 B V Tài, …, P V Hòa, “Giải pháp thiết kế chế tạo thiết bị khử trùng nước uống cầm tay.” Thông tin khoa học công nghệ KẾT LUẬN Bài báo trình bày số kết nghiên cứu xây dựng giải pháp thiết kế, chế tạo thiết bị tạo dung dịch hoạt hóa điện hóa xử lý nước cầm tay dựa nguyên liệu vật tư có sẵn nước Các kết thí nghiệm cho thấy, nồng độ Cl* tạo sau lần điện phân khả khử trùng xử lý nước thiết bị tương đương với thiết bị xử lý nước cầm tay MIOX Mỹ Tuy nhiên, để thiết bị trở thành sản phẩm trang bị qn đội, cần phải có nghiên cứu hồn thiện thêm mẫu mã thực thêm nhiều số mẫu thử nghiệm khác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TCVN 6187-2: 1996 “Chất lượng nước- Xác định - Phát đếm vi khuẩn coliform, vi khuẩn coliform chịu nhiệt Escherichia coli giả định Phần 2: Phương pháp nhiều ống” [2] Nguyễn Duy Kết, Ngơ Hồng Giang, Nguyễn Văn Tú (2007) “Nghiên cứu chế tạo anốt trơ hệ RuO2/Ti ứng dụng để chống ăn mòn cho kết cấu cơng trình xử lý mơi trường” Báo cáo khoa học Trung tâm KH&CNQS [3] Saefkow et al, “Electrochemically treated water, method and device for the production thereof, and the use thereof as a disinfection agent” Patent Application Publication US 2010/01899805 A1 [4] R M S Thorn et all, 2011, “Electrochemically activated solutions: evidence for antimicrobial efficacy and applications in healthcare environments” Eur J Clin Microbiol Infect Dis, Springer [5] James S Dusenbury, “Military Land-Based Water Purification and Distribution Program Warren”, MI, 48397 USA ABSTRACT SOLUTIONS IN DESIGNING AND MANUFACTURING OF WATER TREATMENT DISINFECTION HANDHELD EQUIPMENT In this paper, some research results in design and manufacture of water treatment disinfection handheld equipment devices in the form of MIOX , U.S firms are presented The method approach used by analytical methods thiosulfate volumetric titration method to test the bactericidal MPN Research results that are designed and manufactured equipment to create a solution electrochemical activation of water treatment disinfection quality handheld device similar to its U.S MIOX Keywords: Disinfectant equipment; Electrochemical activation solution; The disinfectant solution Nhận ngày 08 tháng 01 năm 2021 Hoàn thiện ngày 23 tháng 02 năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 12 tháng năm 2021 Địa chỉ: 1Viện Hóa học - Vật liệu/Viện KH-CN quân sự; Viện Điện tử/Viện KH-CN quân *Email: taivh2014@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 165 ... Hòa, ? ?Giải pháp thiết kế chế tạo thiết bị khử trùng nước uống cầm tay. ” Thông tin khoa học cơng nghệ KẾT LUẬN Bài báo trình bày số kết nghiên cứu xây dựng giải pháp thiết kế, chế tạo thiết bị tạo. .. lượng Cl* thiết bị chế tạo tạo tương đương với khối lượng Cl* thiết bị MIOX tạo Đánh giá xác định tiêu kỹ thuật thiết bị bảng sau: Bảng Chỉ tiêu kỹ thuật thiết bị khử trùng nước uống cầm tay TT... lý nước cầm tay dựa nguyên liệu vật tư có sẵn nước Các kết thí nghiệm cho thấy, nồng độ Cl* tạo sau lần điện phân khả khử trùng xử lý nước thiết bị tương đương với thiết bị xử lý nước cầm tay