3.2.3 Thiết bị đo EC
EC là chữ viết tắt của Electrical Conductivity, hay còn gọi là độ dẫn điện. EC đo lường khả năng dẫn điện của dung dịch. Nước cất khơng dẫn điện được vì khơng có chất điện ly, nên được sử dụng làm nguyên liệu cách điện.
Trong nước có nhiều phân tử muối hịa tan, tồn tại ở dạng: ion dương, hay cation và ion âm, hay anion. Sự tồn tại của muối trong dung dịch giúp dung dịch có khả năng dẫn điện. Vì thế, dung dịch càng chưa nhiều muối thì độ dẫn điện (EC) càng cao. Có nghĩa là EC càng cao thì ion trong dung dịch càng lớn.
Hình 3.11 Thiết bị đo EC được sử dụng là bút Đo EC DiST4 HI98304 của hãng Hanna- Romania.
* Thông số kỹ thuật:
▪ Hiệu chuẩn: Bằng tay, 1 điểm
▪ Bù nhiệt: tự động từ 0 đến 50°C (32 to 122°F)
▪ Hệ số chuyển đổi TDS: 0.5
3.2.4 Bộ kiểm tra độ cứng nước
Như đã đề cập ở trên, Độ cứng của nước được định nghĩa là khả năng kết tủa của nước. Các ion trong nước tạo ra sự kết tủa nhiều nhất là canxi và magiê. Do đó, kiểm tra độ cứng của nước thường là biện pháp định lượng của các ion trong mẫu nước. Nó cũng có thể nhận biết các ion khác, chẳng hạn như sắt, kẽm và mangan, góp phần vào độ cứng tổng. Các biện pháp kiểm soát độ cứng của nước là điều cần thiết để ngăn ngừa cặn bã gây và tắc nghẽn trong đường ống nước và việc kiểm tra là rất cần thiết cho mọi thiết bị.
Thiết bị được sử dụng là bộ kiểm tra độ cứng nước Hanna HI3812 (0 - 300 mg/L) do hãng Hanna. Hình 3.12 Bộ chuẩn độ cứng. * Thông số kỹ thuật: ▪ Phương pháp: Chuẩn độ ▪ Thang đo: 0,0-30,0 mg / L; 0-300 mg / L ▪ Tăng nhỏ nhất: 0,3 mg / L; 3 mg / L
▪ Phương pháp hóa học: EDTA
▪ Số lần thử: 100
▪ Trọng lượng: 460 g
Hướng dẫn sử dụng bộ kiểm tra độ cứng: Thang đo 0 – 300 mg/L CaCO3
1.Tháo nắp cốc nhựa nhỏ. Đổ mẫu nước vào cốc đến vạch 5 mL và đậy nắp.
2.Nhỏ 5 giọt dung dịch Đệm độ cứng qua lỗ nhỏ trên nắp và lắc tròn cốc.
3.Thêm 1 giọt Chỉ thị Calmagite qua lỗ nhỏ trên nắp và lắc tròn như trên. Dung dịch sẽ chuyển màu đỏ tím
4.Dùng bơm tiêm chuẩn độ, đẩy pittong hồn toàn vào xi lanh. Nhúng đầu hút vào dung dịch EDTA HI3812-0 và kéo pittong về vạch 0.
5.Đặt đầu ống tiêm vào lỗ nhỏ trên nắp cốc nhựa và từ từ nhỏ giọt chuẩn độ vào và lắc đều sau mỗi lần nhỏ giọt.
6.Tiếp tục thêm dung dịch chuẩn độ đến khi dung dịch chuyển sang màu tím. Sau đó lắc đều khoảng 15 giây sau mỗi lần nhỏ giọt đến khi dung dịch chuyển màu xanh.
7.Đọc số chỉ mL của dung dịch chuẩn độ trên thang bơm tiêm và nhân giá trị với 300, thu được kết quả của độ cứng theo mg/L (ppm) CaCO3.
Nếu kết quả dưới 30 mg/L, đo theo tiến trình sau:
1.Tháo nắp cốc nhựa lớn. Đổ mẫu nước vào cốc đến vạch 50 mL và đậy nắp
2.Tiếp tục như các bước trong tiến trình chuẩn độ Thang Cao.
3.Đọc số chỉ mL của dung dịch chuẩn độ trên thang bơm tiêm và nhân giá trị với 30, thu được kết quả của độ cứng theo mg/L (ppm) CaCO3.
3.2.5 Bộ đo lưu lượng nước
Cảm biến lưu lượng nước S201 thường dùng trong các máy bơm nước hồ cá, máy bơm mini, máy nước nóng.
- Ứng dụng trong các dự án vườn tự động, hệ thống nước tự động,...
- Bộ cảm biến lưu lượng nước S201 hoạt động dựa trên cánh quạt và cảm biến Hall. Khi có dịng nước chảy qua, cánh quạt quay ==> Cảm biến Hall ==> Ngõ ra xung vuông. Thông số kỹ thuật:
Điện áp hoạt động: 5V ~ 18V DC - Dòng điện tiêu thụ: 15mA - Điện áp ngõ ra: 5V, mức logic
- Tốc độ dòng chảy làm việc: 1 - 30 Lít/phút - Sai số: ±10%
- Áp lực nước tối đa: 2.0 MPa
- Chu kỳ làm việc: 50% (0.04us mức cao, 0.18us mức thấp) - Số xung trên mỗi lít nước: 450 xung
- Độ bền: Sử dụng được ít nhất 300.000 lần - Kích thước: 6.35 * 3.56 * 3.56 cm
Hình 3.14 Cảm biến lưu lượng nước
3.2.6 Năng lượng điện năng tiêu thụ
Năng lượng điện năng tiêu thụ sau mỗi thí nghiệm (Wh) được đo bằng đồng hồ điện năng PZEM-002 (Peacefair-China).
Năng lượng điện năng tiêu thụ sau mỗi thí nghiệm chính là số Wh mà chúng ta dùng cho thiết bị chạy trong suốt quá trình thí nghiệm.
A= P.t (3.3)
với A: lượng điện tiêu thụ trong thời gian (Kw.h) P: công suất (Kw)
t: thời gian sử dụng (giờ)
Sau mỗi một thí nghiệm năng lượng điện năng tiêu thụ sẽ được ghi vào để so sánh về mức độ tiêu thụ điện năng với các thí nghiệm khác.
3.3 Phương pháp và thơng số thí nghiệm
Bảng 3.7 Các thông số điện cực ban đầu. Nội dung vật Nội dung vật
liệu điện cực
Giá trị thơng số thí nghiệm
Cách lấy thông số Ghi
chú Loại diện cực TiTan Như phần 1.7 đã đề cập
Bản cực - 2 bản cực âm titan - 1 bản cực dương titan có phủ lớp PbO2.
1 cực dương 2 cực âm, số bản cực sẽ liên quan đến mật độ dịng điện, vì vậy có thể chọn theo cơng thức i= I/S với mật độ dòng điện cho trước và điều chỉnh I.
Kích thước mỗi bản cực
10x10 cm Kích thước đủ để bản cực ngập trong nước.
Diện tích bản cực
145cm2
Bản cực dẹp dạng lưới.
Lổ trống hình thoi: Đường chéo d1=0,2cm, d2=0,8cm. Diện tích St=1/2(0,2x0,8) = 0,08 cm2. Số lổ trống: 343. Diện tích lổ trống = 0,08x343 = 27,44 cm2 Diện tích phản ứng S= (Diện tích phủ bì - Diện tích lổ trống) x 2 mặt S = (10x10 - 27,44) x2 = 145 cm2
Để đạt được những thông số với độ điện phân tối ưu nhất. Với điện cực là Titan, ta cần thực hiện những thí nghiệm để xác định các thơng số sau đây: mật độ dịng điện, khoảng cách giữa các cực, thể tích của bể chứa, lưu lượng dòng chảy.
Đối với các thí nghiệm để xác định ta sẽ thực hiện với cùng một loại nước được lấy cùng cùng địa điểm để đảm bảo tính khách quan cho số liệu của mình. Bởi vậy, nước thí nghiệm được thu ở những địa điểm khác nhau sẽ không giống nhau về thành phần và nồng độ các chất. Khi đó, điều kiện vận hành của các thí nghiệm trong cùng một nghiệm thức sẽ khác nhau và kết quả đạt được sẽ khơng đồng nhất nhau.
Thể tích nước cần xử lý cũng chính là thể tích nước của tháp giải nhiệt của hệ thống là 65l. Nước sẽ được bơm chìm vận chuyển từ bể của tháp giải nhiệt đến bể phản ứng điện phân. Lưu lượng thí nghiệm sẽ được điều chỉnh thơng qua van bi.
Bảng 3.8 Tiêu chuẩn Việt Nam TCXD 232-1999 về chất lượng nước cấp cho hệ thống tuần hoàn nước lạnh và nước cấp giải nhiệt .
Bảng 3.9 Thông số nước đầu vào bộ điện phân ban đầu. . .
Hiệu quả xử lý được tính theo phương trình sau:
(%) inout in CC R C − = (3.4) Trong đó: R: tỷ lệ phần trăm độ cứng sau xử lý (%) in C : nồng độ ban đầu (ppm) out C : nồng độ sau xử lý (ppm)
Sau mỗi lần điện phân, nhóm sẽ thực hiện lấy điện cực cân lại. Và sẽ đem điệc cực đó làm sạch để điện cực có thể thực hiện thí nghiệm q trình điện phân tiếp theo mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng phản ứng của thí nghiệm.
3.3.1 Thí nghiệm định hướng chọn mật độ dòng điện
Để thực hiện thí nghiệm ta xin chia ra làm 6 mốc mật độ dòng điện là: 20 A/m2, 40 A/m2, 60 A/m2, 80 A/m2, 90 A/m2, 100 A/m2. Sau mỗi thí nghiệm, điện năng tiêu thụ sẽ được thống kê.
Các thông số yêu cầu của nước Giá trị
Độ PH 7,6
Độ cứng cacbonat 240mg/l
Thông số nước đầu vào Giá trị
Tổng độ cứng (mg/) 280
TDS (mg/l) 405
Đối với các thơng số cịn lại, ta quyết định chọn như sau: cường độ dịng điện được xác định dựa vào cơng thức liên quan giữa mật độ dòng điện và cường độ dòng điện, khoảng cách giữa các điện cực 2cm.
Vì vậy với thí nghiệm này ta thực hiện 6 thí nghiệm với mốc mật dộ dịng điện khác nhau đã chọn. Mục đích của thí nghiệm là chọn được một thơng số mật độ dòng điện đạt kết quả tối ưu nhất trong điện phân.
Trong quá trình vận hành, ta sẽ theo dõi quá trình điện phân và mỗi 5 phút sẽ ghi các thông số cần thiết trong 100 phút. Sau đó phân tích thơng số và chọn ra mật độ dòng điện tối ưu nhất dựa trên các mục tiêu kinh tế và kỹ thuật đề ra. Và kết quả này sẽ dùng để thưc hiện thí nghiệm tiếp theo.
3.3.2 Thí nghiệm định hướng chọn khoảng cách giữa các điện cực
Thí nghiệm này ta thực hiện với 3 thí nghiệm tương ứng với 3 khoảng cách lần lượt là 1cm; 2cm; 3cm. Đối với các thơng số cịn lại, ta quyết định chọn như sau: mật độ dịng điện là 90A/m2 (theo thí nghiệm 2.3.1 thí nghiệm đinh hướng chọn mật độ dịng điện). Sau mỗi thí nghiệm, điện năng tiêu thụ sẽ được thống kê.
Vì vậy với thí nghiệm này ta thực hiện 3 thí nghiệm với 3 khoảng cách khác nhau đã chọn. Mục đích của thí nghiệm là chọn được một khoảng cách giữa các điện cực tối ưu nhất trong điện phân.
Trong quá trình vận hành, ta sẽ theo dõi quá trình điện phân và mỗi 5 phút sẽ ghi các thông số cần thiết trong 100 phút. Sau đó phân tích thơng số và chọn ra khoảng cách giữa các điện cực tối ưu nhất dựa trên các mục tiêu kinh tế và kỹ thuật đề ra. Và kết quả này sẽ dùng để thực hiện thí nghiệm tiếp theo.
3.3.3 Thí nghiệm định hướng chọn thể tích bể phản ứng
Ta sẽ thực hiện 4 thí nghiệm với bước nhảy là 0,5l (tức là bắt đầu 1l và kết thúc ở 2,5l). Đối với các thơng số cịn lại ta lựa chọn như sau: mật độ dòng điện là 90A/m2
(theo thí nghiệm 2.3.1 thí nghiệm định hướng chọn mật độ dòng điện) và khoảng cách sẽ 2cm (theo thí nghiệm 2.3.2 thí nghiệm đinh hướng chọn khoảng cách giữa các điện cực). Sau mỗi thí nghiệm, điện năng tiêu thụ sẽ được thống kê.
Vì vậy với thí nghiệm chọn thể tích bể phản ứng ta thực hiện 4 thí nghiệm với 4 thơng số thể tích khác nhau như đã đề cập. Mục đích của thí nghiệm là chọn được thể tích bể phản ứng thích hợp cho thí nghiệm.
Trong q trình vận hành, ta sẽ theo dõi quá trình điện phân và mỗi 5 phút sẽ ghi các thông số cần thiết trong 100 phút. Sau đó phân tích thơng số và chọn ra thể tích tối ưu nhất dựa trên các mục tiêu kinh tế và kỹ thuật đề ra. Và kết quả này sẽ dùng để thưc hiện thí nghiệm tiếp theo.
Từ 3 kết quả thí nghiệm định hướng trên ta sẽ chọn những thông số tối ưu nhất để thực hiện việc đánh giá ảnh hưởng của lưu lượng dịng chảy đến q trình điện phân xử lý nước cứng.
3.3.4 Thí nghiệm đánh giá sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng chảy đến hiệu suất của bộ điện phân
Bảng 3.10 Các thơng số đầu vào trong thí nghiệm đánh giá lưu lượng
Thơng số Giá trị Tham khảo
Mật độ dòng điện cực
dương 90A/m
2 Được chọn từ thí nghiệm 3.3.1
Khoảng cách 2cm Dựa vào thí nghiệm 3.3.2
Thời gian thí nghiệm Mỗi ngày chạy 8 giờ liên tục
Thể tích bể nước 2l Dựa vào thí nghiệm 3.3.3
Lưu lượng xử lý 1 l/phút 2 l/phút 3 l/phút 4 l/phút 5 l/phút 6 l/phút
Để thực hiện thí nghiệm này, ta sẽ thực hiện 6 thí nghiệm với bước nhảy là 1l/phút (tức là bắt đầu 1l/phút và kết thúc ở 6 l/phút). Đối với các thơng số cịn lại ta lựa chọn như sau: mật độ dịng điện, thể tích bể chứa nước và khoảng cách sẽ lấy từ thí nghiệm
Vì vậy với thí nghiệm đánh giá lưu lượng dịng chảy này ta thực hiện 6 thí nghiệm với 6 thơng số thể tích khác nhau như đã đề cập. Mục đích của thí nghiệm là đánh giá sự ảnh hưởng của lưu lượng đến điện phân xử lý nước cứng.
Trong quá trình vận hành, ta sẽ theo dõi quá trình điện phân trong suốt 8 giờ và mỗi 30 phút sẽ ghi các thơng số cần thiết. Sau đó phân tích thơng số xử lý dữ liệu để có thể chọn ra và đánh giá được lưu lượng ảnh hưởng đến quá trình điện phân dựa trên các mục tiêu kinh tế và kỹ thuật đề ra. Và kết quả này sẽ dùng để vẽ đồ thị và là kết quả chính của bài.
Chương 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN
Dựa vào cơ sở lí luận ở chương 2 và các thơng số thực nghiệm đo được cho các thí nghiệm. Các kết quả thí nghiệm và xử lí trên phần mềm Excel 2013 và các đồ thị được vẽ bằng phần mềm Origin 8.0.
4.1 Kết quả thí nghiệm định hướng chọn mật độ dịng điện
Biểu đồ 4.1 Ảnh hưởng của MĐDĐ đến sự sụt giảm tổng độ cứng của nước theo thời gian
Theo lý thuyết với sự gia tăng của MĐDĐ, các phản ứng điện phân diễn ra càng mạnh mẽ. Lượng OH- sinh ra ở cathode và ion H+ sinh ra ở anode cũng tăng lên. Tăng MĐDĐ làm cho linh độ tăng theo làm cho tốc độ vận chuyển ion giữa 2 bản cực cũng diễn ra nhanh chóng hơn, lượng ion Canxi gây ra độ cứng cũng được dịch chuyển nhanh đến cực âm phản ứng với CO32- đang được sinh ra mãnh liệt tại cathode làm cho lượng kết tủa sinh ra ở đây tăng lên vì thế hiệu quả loại bỏ độ cứng tăng lên.
Độ cứng sau xử lý của các MĐDĐ 20 A/m2, 40 A/m2, 60 A/m2, 80 A/m2, 90 A/m2, 100 A/m2 đạt được lần lượt là 90 mg/l; 57 mg/l; 55 mg/l; 51 mg/l; 33 mg/l; 21 mg/l. Hai MĐDĐ đạt được độ cứng sau xử lý thấp nhất là 90 A/m2 và 100 A/m2.
Biểu đồ 4.2 Ảnh hưởng của MĐDĐ đến sự sụt giảm TDS của nước theo thời gian Qua biểu đồ cho thấy chỉ số TDS của các MĐDĐ điều giảm sau thời gian xử lí Qua biểu đồ cho thấy chỉ số TDS của các MĐDĐ điều giảm sau thời gian xử lí là 100 phút. Chỉ số TDS ban đầu đều là 405ppm và sau q trình xử lí nước đạt được giá trị 150 ppm; 145 ppm; 75 ppm; 63 ppm; 53 ppm tương ứng với các MĐDĐlà 20 A/m2, 40 A/m2, 60 A/m2, 80 A/m2, 90 A/m2, 100 A/m2. Giá trị TDS đạt được thấp nhất là 53 ppm tại 90 A/m2 và 100A/m2.
Biểu đồ 4.3 Ảnh hưởng của MĐDĐ đến sự dao động pH của nước theo thời gian Ở tất cả các MĐDĐ thí nghiệm thì chỉ số pH đều giữ ổn định không dao động Ở tất cả các MĐDĐ thí nghiệm thì chỉ số pH đều giữ ổn định khơng dao động nhìu, ở khoảng 7.7-7.9 phù hợp với yêu cầu cho hệ thống với pH lí tưởng từ 7.5-8.5.
Biểu đồ 4.4 Ảnh hưởng của MĐDĐ đến hiệu quả xử lý nước và tiêu thụ năng lượng Khi càng gia tăng MĐDĐ từ 20A/m2 lên đến 100A/m2 thì hiệu suất làm giảm độ cứng tăng tương ứng từ 68% lên đến 93%. Và hiệu suất làm sụt giảm TDS của nước là 58% lên đến 86%. Và ĐNTT cũng tăng khi tăng MĐDĐ từ 48Wh đến 64Wh.
So sánh hai MĐDĐ là 90A/m2 và 100A/m2 thì hiệu suất xử lý làm sụt giảm độ cứng đều bằng 93% nhưng điện năng tiêu thụ của MĐDĐ 100A/m2 là 64Wh lớn hơn 60Wh của MĐDĐ 90A/m2.
Vì vậy ở mật độ dịng điện 90A/m2, hiệu quả xử lý nước đạt giá trị tối ưu, ở mật độ dịng điện cao hơn hiệu quả tăng khơng đáng kể nhưng điện năng tiêu thụ tăng cao.