Theo công nghệ này nƣớc biển hoặc nƣớc lợ đƣợc bơm vào khoảng giữa các màng trao đổi ion với áp suất thấp, số lƣợng các màng có thể lên đến hàng trăm màng đặt song song và xen kẽ nhau, cứ một màng trao đổi cation thì đến một màng trao đổi anion thành từng cụm. (H. El-Dessouky and H. Ettouny, 2001).
Màng trao đổi cation là những màng chỉ cho phép các ion dƣơng chuyển qua. Màng trao đổi anion chỉ cho phép các ion âm đi qua.
Trong quá trình màng điện thẩm tách, tạp chất đƣợc tách loại khỏi nƣớc nhờ dòng điện. Dòng điện một chiều chuyển các ion qua màng để tạo ra dòng nƣớc ngọt và dòng nƣớc muối có nồng độ cao hơn. Màng sẽ hình thành một rào cản giữa dung dịch muối và “nƣớc ngọt”. Phía màng có nồng độ muối cao hớnẽ gây ra hiên tƣợng phân cực nồng độ, nhiễm bẩn hữu cơ, tạo cặn khoáng chất đá vôi và các kết tủa khác. (H. El- Dessouky and H. Ettouny, 2001).
Hình 1.10 Công nghệ điện thẩm (a) Sự loại bỏ các ion trong quá trình điện thấm;(b) Sự di chuyển các ion trong quá trình điện thấm
(H. El-Dessouky and H. Ettouny, 2001)
1.5.3.2. Màng thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis- RO).
Trong quá trình thẩm thấu ngƣợc, nƣớc từ nguồn dung dịch muối áp lực cao đƣợc tách muối hoà tan bằng cách thấm qua màng bán thấm. Dòng chất lỏng thấm qua màng đựơc gọi là dòng lọc (Permeate), nó đƣợc sinh ra do chênh lệch áp suất giữa dung dịch muối có áp suất của dòng sản phẩm xấp xỉ với áp suất khí quyển. Phần còn lại của dung dịch cấp vào tiếp tục chảy qua màng bên phía có áp suất cao và tạo ra dòng đặc (Có hàm lƣợng muối cao). Ở đây hoàn toàn không cần gia nhiệt và cũng không diễn ra quá trình biến đổi pha. Do đó năng lƣợng chủ yếu là cấp cho quá trình tạo áp dòng vào hệ thống RO. (H. El-Dessouky and H. Ettouny, 2001).
Áp suất làm việc của hệ thống RO đối với nƣớc lợ từ 250÷400 psi, còn đối với nƣớc biển từ 800 ÷ 1000 psi.
Trên thực tế, nƣớc cấp đƣợc bơm vào bình kín để tạo ra áp suất trên bề mặt màng. Một phần nƣớc thấm qua màng, phần còn lại sẽ có nồng độ muối cao hơn nồng độ muối cấp vào. Để giảm nồng độ các muối hoà tan trong phần còn lại ngƣời ta xả bớt một phần ra khỏi bình chứa. Nếu không xả thì nồng độ muối trong dung dịch cấp vào sẽ không ngừng tăng lên dẫn tới yêu cầu năng lƣợng cấp vào cũng phải gia tăng để khắc phục hiện tƣợng gia tăng áp suất thẩm thấu. (H. El-Dessouky and H. Ettouny, 2001).
Hình 1.11 Biểu diễn quy trình khử mặn của một hệ thống thẩm thấu ngƣợc gồm các giai đoạn cơ bản sau:
Hút nước từ biển vào (Intank seawater):
Các nhà máy khử muối thƣờng đặt gần bờ biển nhƣng vì mực nƣớc bỉển thấp đồng thời thƣờng lấy nƣớc cách xa bờ từ vài chục đến vài trâm mét do đó mà phải tốn năng lƣợng cho bơm để hút nƣớc từ biển vào. (H. El-Dessouky and H. Ettouny, 2001).
Tiền xử lý (Pretreament):
Nƣớc trƣớc khi cấp vào các module màng lọc cần phải loại bỏ chất rắn lơ lửng, điều chỉnh pH cho phù hợp, bổ sung thêm các ức chế kiểm soát thành phần các chất gây ra hiện tƣợng đóng cặn trên bề mặt màng nhƣ CaSO4 , cũng nhƣ các thành phần có thể kéo màng sinh học trên bề mặt màng. (H. El-Dessouky and H. Ettouny, 2001).
Tạo áp và phân tách bằng màng RO (Reserve Osmosis Process):
Áp suất đƣợc tạo ra nhờ hệ thống bơm. Tuỳ thuộc vào từng loại màng cũng nhƣ thành phần và nồng độ trong nƣớc mà áp lực đƣợc tạo ra khác nhau khi đƣa vào hệ thống tách màng.
Do tính chất đặc biệt của màng bán thấm ngăn chặn các muối hoà tan nhƣng lại cho phép nƣớc thấm qua. Nên kết quả là sau khi đi qua các module màng, từ dòng nƣớc biển ban đầu sẽ tạo thành hai dòng: Dòng nƣớc tinh khiết và dòng dung dịch muối đậm đặc. Do màng không hoàn hảo nên các muối hoà tan vẫn có thể thấm qua nó, kết quả là trong dòng sản phẩm vẫn có thể chứa một lƣợng nhỏ muối hoà tan. (H. El-Dessouky and H. Ettouny, 2001).
Màng thẩm thấu ngƣợc thƣờng đƣợc thiết kế dƣới dạng các module với các dạng khác nhau nhƣ:
Module dạng cuộn xoắn Module dạng sợi xốp Module dạng đĩa
Nhƣng trong số đó thì module dạng xoắn ốc đƣợc sử dụng rộng rãi và hiệu quả hơn cả. Trong hình 1.11 (3) biểu diễn một module dạng xoắn ốc điển hình.
Xử lý bổ sung - Ổn định nước (Post - Treament)
Nƣớc sản phẩm sau khi ra khỏi hệ thống lọc RO sẽ đƣợc điều chỉnh pH và đuổi khí trƣớc khí vào bể chứa và vào hệ thống phân phối.
Trữ trong bể chứa (Freshwater storage):
Thông thƣờng thì nƣớc sau xử lý đƣợc xả vào các bể chứa trƣớc khi đƣa vào mạng lƣới phân phối.
Hình 1.11 Sơ đồ quy trình khử mặn bằng màng thẩm thấu (H. El-Dessouky and H. Ettouny, 2001)
LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ PHÙ HỢP NHẤT VÀ HIỆU CHỈNH HỆ 1.6.
THỐNG CHU TRÌNH.
Để đƣa ra sự lựa chọn phù hợp nhằm phát triển một công nghệ thích ứng với xu hƣớng phát triển công nghệ khử mặn trên thế giới, sử dụng năng lƣợng sạch đồng thời thích hợp với điều kiện Việt Nam ta phải có những so sánh nhất định giữa các công nghệ khác nhau về nhiều mặt.
Bảng 1.2 So sánh phƣơng pháp khử muối bằng phƣơng pháp nhiệt và màng MSF MED ME- TVC MVC RO ED Nhiệt độ làm việc (oC) < 120 < 65 < 65 < 65 < 45 < 45 Dạng năng lƣợng
Steam Steam Steam Mechanical (Electrical) energy Mechanical (Electrical) energy Electrical Energy Tiêu thụ năng lƣợng (kWh/m3) average 3,5 average 1,5 average 1 average 8-14 * average 5-7 * average 1-2* Chất lƣợng nƣớc thành phẩm (TDS) < 10 ppm < 10 ppm < 10 ppm < 10 ppm < 500 ppm (single stage) < 500 ppm Dải công suất hiện tại (m3/ngày) 5.000- 50.000 500- 20.000 500- 20.000 50- 3.000 10- 10.000 1- 10.000
(*) : Phụ thuộc vào hàm lƣợng muối trong nƣớc thô (Asia EcoBest Work Programme, 2001)
Quy trình công nghệ kỹ thuật không quá phức tạp.
Chi phí lắp đặt, vận hành, bảo trì thấp, phù hợp với tình hình kinh tế hiện tại của đại đa số các vùng lãnh thổ ở nƣớc ta.
Không gây ô nhiễm môi trƣờng,theo đúng xu hƣớng phát triển của nền công nghệ trong tƣơng lai.
Theo thời gian thì công nghệ này đem lại hiệu quả khử muối tăng lên tùy theo mức độ hiệu chỉnh và tăng tiến công nghệ mà không ảnh hƣởng xấu đến những yếu tố khác nhƣ môi trƣờng, con ngƣời, phát sinh chi phí, sự cố, lỗi thời…
Từ những lí do đó nhóm quyết định dựa trên nguyên lí chính của phƣơng pháp bay hơi nhiều bậc Multi Stage Flash- MSF để thiết kế hệ thống tự động điều khiển chu trình chuyển đổi nƣớc mặn thành nƣớc ngọt trên quy mô hộ gia đình tại các khu vực hải đảo, ven biển, vùng ngập mặn.
CÁC BƢỚC THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN SỐ CHƢƠNG 2.
LIỆU, LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ HIỆU CHỈNH CHUNG CHO CẢ HỆ THỐNG
NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN: 2.1.
Dùng hệ thống pin năng lƣợng mặt trời hấp thụ ánh nắng mặt trời, từ quang năng chuyển thành điện năng, sau đó xử lí biến đổi, dự trữ, cấp cho bộ đun để đun sôi nƣớc đến nhiệt độ bay hơi, dùng dòng nƣớc ở nhiệt độ thấp để ngƣng tụ hơi nƣớc thành sản phẩm thu.
Dựa trên nguyên lí: Hóa hơi-Ngưng tụ.
SƠ ĐỒ DÕNG ĐIỆN NGUYÊN LÍ: 2.2.
LƢU ĐỒ THUẬT TOÁN: 2.3.
QUY TRÌNH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG BẰNG VI XỬ LÝ: (SỬ 2.4.
DỤNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, CẢM BIẾN MỰC NƢỚC).
Hình 2.3 Sơ đồ cơ minh họa sơ bộ mô hình vẽ bằng AutoCAD
Bƣớc 1: Nhấn nút ON khởi động hệ thống, bơm chạy cấp nƣớc, đồng thời van 1
mở và van 4 đóng, bơm nƣớc vào bình đun chính đến 10 lít thì van 1 đóng và van 4 mở để cấp nƣớc cho bình làm mát.
Bƣớc 2: Bộ đun hoạt động đun sôi nƣớc bốc hơi liên tục, cho đến khi mực nƣớc
ở bình đun còn lại 6 lít, van 3 mở, xả hết nƣớc ở chu kì trƣớc của bình bay hơi (bình phụ).
Bƣớc 3: Khi bình đun còn lại 4 lít, van 3 đóng đồng thời van 2 mở, xả toàn bộ
lƣợng nƣớc ở bình đun chính xuống bình bay hơi (bình phụ).
Bƣớc 4: Khi mực nƣớc ở bình đun chính về mức 0, van 2 đóng, van 1 mở và van 4 đóng cấp 10 lít nƣớc vào bình đun chính, tiếp tục chu kỳ mới.
Mở CB: hệ thống đun hoạt động, bơm hoạt động; van 2, van 3 và van 4 đóng, van 1 mở.
Bơm đƣợc 10 lít: van 1, van 2 và 3 đóng, van 4 mở
Nƣớc sôi – bốc hơi còn 6 lít: van 3 và 4 mở, van 1 và 2 đóng Nƣớc sôi – bốc hơi còn 4 lít: van 2 và 4 mở, van 1 và 3 đóng
Mực nƣớc bình đun chính 0 lít: van 2, van 3 và van 4 đóng, van 1 mở,tiếp chu kỳ mới.
SƠ ĐỒ MẠCH NGUYÊN LÍ ĐIỀU KHIỂN BẰNG VI ĐIỀU KHIỂN 2.5.
PIC26F690:
Hình 2.6 Mạch điều khiển Hình 2.5 Mạch in của mạch điều khiển
TÍNH TOÁN CHO BỘ PIN MẶT TRỜI VÀ NGUỒN CUNG CẤP 2.6.
CHO HỆ THỐNG. 2.6.1. Một số khái niệm:
Nhiệt dung là lƣợng nhiệt vật hoặc một khối chất thu vào hay tỏa ra để tăng
hoặc giảm 1K hoặc 1 °C.
Nhiệt dung riêng của một chất là một đại lƣợng vật lý có giá trị bằng nhiệt lƣợng cần truyền cho một đơn vị khối lƣợng chất đó để làm tăng nhiệt độ lên 1°C. Trong hệ thống đo lƣờng quốc tế, đơn vị đo của nhiệt dung riêng là Joule trên kilôgam trên Kelvin, J.kg−1.K−1 hay J/(kg.K), hoặc Joule trên mol trên Kelvin. 1cal = 4,186J hay 1J = 0,24 cal.
Nhiệt lượng bay hơi hay nhiệt bay hơi của một hợp chất hóa học đƣợc định
nghĩa là nhiệt lƣợng cần thiết để cung cấp cho một đơn vị đo về lƣợng chất đó (nhƣ đơn vị đo khối lƣợng hay số phân tử nhƣ mol) để nó chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí, tại nhiệt độ bay hơi.
Nhiệt hóa hơi của nước là lƣợng nhiệt cần cung cấp cho 1kg nƣớc bay hơi hoàn
toàn.
Kilôwatt giờ (ký hiệu: kWh) là đơn vị tiêu chuẩn đƣợc sử dụng trong sản xuất
và tiêu thụ điện năng. Theo định nghĩa 1kWh = 3,6x106 J. Suy ra: 1W = 1J/s
Joule (đọc là "Jun") là đơn vị đo năng lƣợng đƣợc sử dụng trong Hệ đo lƣờng
quốc tế SI. Về mặt đơn vị 1J bằng 1Nm (Newton nhân mét), hoặc bằng:
2 3 1 .1 1 1 1 .1 1 .1 1 .1 1 . 101,3 m atm l J kg N m W s C V Pa m s
2.6.2. Một số đặc tính của các chất liên quan:
Nhiệt dung riêng: Nƣớc (0 - 100oC): 4186J/Kg.oC hay J/Kg.K Inox 304 (0-100oC): 500 J/Kg.oC hay J/Kg.K Khối lƣợng riêng: Nƣớc nguyên chất: 1g/cm3 Nƣớc biển: 1,03g/cm3
2.6.3. Lựa chọn thiết bị:
2.6.3.1. Pin năng lượng mặt trời:
- Công suất: 100Wp và 50Wp - Điện áp hở mạch: Voc = 21.6 V - Dòng ngắn mạch: Isc = 6.16 A - Điện áp danh định: Vrm = 17.5 V - Dòng danh định:Irm = 5.71 A
- Hiệu suất quang năng Module: 14.7%
- Chuẩn loại Pin (cell): Pin Silic đơn tinh thể (monocrystalline)
- Cấu tạo tấm pin mặt trời: Kính-EVA-Cell-EVA-TPT & Khung nhôm - Số lƣợng cell: n=36 Cell
- Chất lƣợng sản phẩm: IEC 61215, IEC 61730, TUV - Nhiệt độ hoạt động: T (40C ~ 80C) - Kích thƣớc: 675 x 1080 x 30 (mm) (Kích thƣớc có thể thay đổi) - Trọng lƣợng: 8 Kg (https://www.sendo.vn/tam-pin-nang-luong-mat-troi-100w-poly- 8568047.html?source_block_id=search_products&source_page_id=search_ht m_rank)
2.6.3.2. Inverter 12VoltDC - 220VoltAC :
- Công suất: 1500W (công suất đỉnh) - Điện áp vào: 12VDC
- Điện áp ra: 220VAC-50Hz (thông qua ổ cắm điện) - Sóng đầu ra: Mô phỏng hình sin
- Hiệu suất: 90.5% - Bảo vệ: Bằng cầu chì - Cổng USB: 5V/2.1A - Đèn cảnh báo: có - Kích thƣớc: 17.5 x 9.5 x 5.5 mm Hình 2.8 Bộ kích điện-Inverter (https://www.lazada.vn/products/bo-kich-dien-inverter-1500w-12v-len-220vac- i100494548-s100589910.html) 2.6.3.3. Ắc Quy: - Mã hiệu: N150DON - Dung lƣợng: 150Ah - Điện thế: 12VDC - Kích thƣớc: 550 x 220 x 209 mm - Điện cực: Hợp kim chì
Hình 2.9 Ắc Quy
(http://pinnangluongmattroi.vn/ac-quy-dong-nai-nuoc-12v-150ah-n150don-
9821157.html)
2.6.3.4. Bộ điều khiển sạc:
- Điện áp vào tối đa từ pin NLMT: 40V
- Điện áp ra tải Ắc quy tự động: 12VDC/24VDC - Dòng nạp pin NLMT vào tối đa: 20A Max. - Dòng tổn hao: <6mA
- Ngƣỡng ngắt sạc (ắcquy đầy): 14.4V ± 2% - Ngƣỡng sạc lại: 13.6V ± 2%
- Bảo vệ quá tải tự động ngắt: I > 20A
- Bảo vệ thấp áp Ắc quy tự động ngắt: U ≤ 11.1V ±2%. - Tự động kết nối lại: 12.6V
- Nhiệt độ bảo quản: -35 ° C - 70 ° C - Nhiệt độ làm việc: -25 ° C - 60 ° C - Khối lƣợng: 210g
Hình 2.10 Bộ điều khiển sạc
(https://diensach.com/san-pham/bo-dieu-khien-sac-mat-troi-20a-39.html)
2.6.3.5. Van điện từ nước: UNID 27 (UD-20):
Thông số kỹ thuật:
- Nguồn sử dụng: 24VDC hay 220VAC - Áp lực chiệu tải: 10Kg/cm2
- xuất sứ: Hàn Quốc - Thƣơng hiệu: UNID - Cuộn coil: Đồng - Thành van: Đồng
- Công suất tải: 15W - Sử dụng : Nƣớc, khí
- Nhiệt độ làm việc: max. 180oC - Size van: 3/4” (27 mm)
- Van điện từ hay còn gọi là Solenoid Valve nó là một thiết cơ bị điện dùng để điều khiển dòng chất khí hoặc lỏng dựa vào nguyên lí chặn đóng mở do lực tác động của cuộn dây điện từ.
Hình 2.11 Van điện từ nước
(http://thegioidienthongminh.vn/van-dien-tu-uni-d-phi-27/)
(http://thuykhicongnghiep.vn/van-dien-tu-la-gi-cau-tao-va-nguyen-ly-hoat- dong-post114.html )
Chú thích:
1. Thân van: Vật liệu là đồng thau 2. Môi chất: Nƣớc, Khí, Gas. 3. Ống rỗng.
4. Vỏ bên ngoài cuộn hút.
5. Cuộn dây( Sinh ta từ trƣờng để làm di chuyển pít tông). 6. Dây điện kết nối với nguồn điện.
7. Trục van.
8. Lò xo để di chuyển pít tông về trạng thái ban đầu.
Nguyên lí hoạt động:
Van điện từ thƣờng đóng thì ở trạng thái ban đầu van đóng lại và các lƣu chất nhƣ nƣớc, khí, gas không thể di chuyển đƣợc nhƣ hình 2.11. Khi cấp điện cho van điện từ thì cuộn dây (5) sẽ sinh ra từ trƣờng làm lực đẩy của pít tông (7) thắng lực đàn hồi của lò xo (8) làm cho pít tông di chuyển lên trên lúc đó lƣu chất sẽ chảy qua khe hở (9). Khi ngừng cấp điện cho van điện từ thì lực đàn hồi của lò xo(8) sẽ đẩy pít tông trở lại vị trí ban đầu lúc đó em van điện từ của chúng ta sẽ lại đóng nhƣ lúc ban đầu.
2.6.3.6. Bồn làm mát:
- Chất liệu: thủy tinh
- Kích thƣớc: 500 x 500 x 400 mm - Thể tích: max.100 lít
- (Đặt gia công).
Hình 2.12 Bồn làm mát
2.6.3.7. Bồn chứa nguyên liệu:
- Chất liệu: thủy tinh
- Kích thƣớc: 500 x 500 x 400 mm - Thể tích: max.100 lít
Hình 2.13 Bồn chứa nguyên liệu
2.6.3.8. Bình đun:
- Chất liệu: inox 304
- Kích thƣớc: 250 x 250 x 350 mm
- Yêu cầu: gắn que đun vào thành bình, tạo ren nối ống.
2.6.3.9. Bình phụ:
- Chất liệu: inox 304
- Kích thƣớc: 200 x 200 x 250 mm - (gia công theo thiết kế)
2.6.3.10.Que đun:
- Công suất đun: 1.5KW - Điện áp: 220V – 50Hz - Đặt gia công theo nhu cầu
2.6.3.11.Bơm nước selton 150BE
Bảng 2.1 số liệu kỹ thuật bơm SEL-150BE
THÔNG SỐ KỸ THUẬT
Máy Bơm nƣớc chân không Selton SEL 150BE là dòng bơm hút nƣớc chân không cỡ nhỏ dùng trong sinh hoạt gia đình thích hợp sử dụng trong các trƣờng hợp sau :
- Hút nƣớc từ vòi của nhà máy nƣớc ra các thiết