Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.4. Tình hình các nghiên cứu liên quan trên thế giới và tại Việt Nam
1.4.1. Các nghiên cứu liên quan trên thế giới
- Các chuyên gia tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT, Mỹ) đã phát minh ra một màng lưới có khả năng trưng thu nước từ sương mù, nhằm cung cấp nước uống cho vùng sâu, vùng xa. Để trưng thu nước, các chuyên gia đã đặt màng lưới đặc biệt này trên các đỉnh đồi trong khu vực có sương mù nhiều và liên tục. Hơi ẩm trong sương ngưng tụ thành nước trên lưới và chảy xuống các bình chứa nước. Người dân địa phương có thể dùng nước này để uống hoặc cung cấp cho hệ thống tưới tiêu.
(http://moitruong.net.vn/mang-luoi-trung-thu-nuoc-sach-tu-suong-mu)
- Những năm 1990 ở Chile, trên vùng núi El Tofo, một trong những nơi khô hạn nhất thế giới, Các nhà khoa học Chile và Canada đã nảy ra ý tưởng:"Vắt nước"từ sương bị gió biển thổi vào làng. Trên một diện tích 5.000m2, họ giăng gần 100 tấm lưới làm từ polypropylene, kích thước 4x12 m. Kết quả thật không ngờ, những hạt nước nhỏ bé trong sương bị “mắc bẫy” trong lưới, chảy xuống hệ thống hứng, cho ra tới… 15.000 lít nước mỗi ngày.
- Ở vùng Gujarat (tây bắc Ấn Độ), một nơi khô hạn, với sự giúp đỡ của Tổ chức Opur của Pháp, trên diện tích 850m2họ đào những cái rãnh rồi phủ
lên trên một tấm cách nhiệt, bề mặt là một lớp phim tráng sơn màu có khả năng phát tia hồng ngoại giúp làm lạnh tự nhiên. Nhờ vậy, nhiệt độ trên bề mặt tấm phủ được giảm còn 4 đến 10 độ C, giúp sương dễ ngưng tụ. Nước từ sương đọng lại trong các rãnh được dẫn vào bể chứa và xử lý. Trung bình “bộ
ngưng tụ” khổng lồ này cung cấp cho dân làng 350 lít nước một ngày. Khi hồn tất, “nhà máy nước” Gujarat sẽ có diện tích tới 12.000m2, hằng đêm cho phép thu hồi 6.000 lít nước, đủ cung ứng cho nhu cầu sinh hoạt của làng. Nước sương lọc sạch đóng chai được bán với giá chỉ bằng một nửa so với nước do nhà máy nước truyền thống sản xuất.
* Một số công nghệ lọc nước sạch và an tồn trên thế giới
Tháp nước Warka
- Thí nghiệm đầu tiên đã được áp dụng vào một ngôi làng ở Ethiopia đã được hoàn thành vào đầu năm 2019 và đã bắt đầu ngưng tụ nước cho dân làng sử dụng. Thiết kế đạt giải thưởng dựa trên kế hoạch ngưng tụ sương mù, vật liệu chủ yếu của tháp là tre và được bọc trong lưới tái chế.
- Nước được thu thập thông qua một loại lưới nilon hoặc polypropylene và hơi nước ngưng tụ từ khơng khí trên bề mặt lạnh của lưới sau đó các giọt nước rơi xuống một bình chứa dưới ảnh hưởng của trọng lực. Tháp ngưng tụ nước này có thể được đặt trên sàn nhà hoặc ngoài trời và dễ dàng sửa chữa hoặc thay thế. Những nhà sản xuất đã có kế hoạch để sản xuất hàng loạt vào năm 2019.
Máy lọc nước UV nhỏ gọn
- Các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford và Phịng thí nghiệm gia tốc quốc gia SLAC đã phát triển một máy lọc nước UV đặt trong một hình chữ nhật màu đen nhỏ xíu có khả năng giảm q trình lọc này xuống từ 48 giờ đến khoảng 20 phút. Mặc dù thiết bị này còn phải trải qua hàng loạt các cuộc kiểm định chất lượng, nhưng mẫu thử nghiệm đầu tiên trong phịng thí nghiệm cho thấy đây có thể là bước đầu tiên trong phương pháp lọc nước thế hệ mới giúp chúng ta có thể lọc nước bẩn thành nước có thể sử dụng được.
Hệ thống nổi khử muối bằng năng lượng mặt trời
The PiPe, một kế khử muối mới cho California, Mỹ với hứa hẹn sẽ cung cấp khoảng 1,5 tỷ Gallon (khoảng 5,7 tỷ m3) nước sạch. Kế hoạch này dựa trên phương pháp khử mặn điện từ để biến nước biển thành nước sạch, lọc các sản phẩm phụ mặn thơng qua phịng xơng nhiệt, và sau đó xả lại vào Thái Bình Dương. Kế hoạch được sự chú ý nhờ sự "bắt mắt" của nó, vì nó được thiết kế trơng giống như một tác phẩm điêu khắc khổng lồ lấp lánh hơn một mảnh thiết bị công nghiệp.
Máy gom sương mù lớn nhất thế giới
Ở rìa của sa mạc Sahara, phía Tây Nam Morocco, những tấm lưới khổng lồ được giăng để đón hơi nước trong khơng khí, biến sương mù thành nước uống. Với diện tích bề mặt lên tới 600 m2, những công cụ này lợi dụng sương mù dày đặc phủ kín, mỗi máy thu gom sương mù này có thể thu được 17 gallon (hơn 64 lít) nước sạch và an tồn cho mỗi m2 lưới. Cùng với máy bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời, hệ thống đường ống, các máy gom sương này có thể cung cấp nước sạch cho 400 cư dân địa phương và những người đang phải xếp hàng để có nước tại các khu vực khơ cằn. Những tấm lưới được đặt ở độ cao 1.225 m, trung bình mỗi ngày thu được khoảng 6.000 lít nước.
Nano Water Chip (Chíp nước sử dụng cơng nghệ Nano)
Trong năm 2014, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Texas tại Austin và Đại học Marburg ở Đức đã phát triển một "chip nước" (water chip) có thể tạo ra một điện trường nhỏ để khử muối trong nước biển. Với chip này thì mọi người sẽ hy vọng một giải pháp lọc nước cầm tay nhỏ gọn có khả năng chạy bằng pin một cách thường xuyên. Công nghệ này vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và phát triển thành sản phẩm.
Dự án khai thác năng lượng từ sóng ở Australia
Dự án của cơng ty năng lượng Carnegie Wave Energy có hai nhiệm vụ là tạo ra năng lượng tái tạo từ các cơn sóng ở đại dương đồng thời khử mặn nước biển. Các thiết bị này sẽ giống như những chiếc phao nổi được đặt ở ngoài khơi bờ biển Perth, Australia. Các phao sẽ được buộc với nhau thành một chùm ba, cột vào đáy biển với những tuabin sản xuất ra điện hoạt động thơng qua các cơn sóng trong lịng đại dương. Một hệ thống khử muối được xây dựng ở bên trong, hoạt động thông qua điện thu được từ các tuabin để tạo ra nước sạch, phần điện còn lại sẽ được đưa trở lại vào đất liền và bổ sung vào lưới điện địa phương. Dự án này là một phần trong kế hoạch lâu dài để đem lại nước sạch cho địa phương. (Vân Thanh, Nhân dân điện tử, Sáu cơng nghệ lọc nước sạch và an tồn trên thế giới, 2016, http://www.nhandan.com.vn/congnghe/thong-tin-so/item/30736402- sau-cong-nghe-loc-nuoc-sach-va-an-toan-tren-the-gioi.html, ngày 19/9/2016)
1.4.2. Các nghiên cứu liên quan tại Việt Nam
- Trước thực trạng khan hiếm nước trong mùa khô của nhiều thôn vùng cao thuộc tỉnh Hà Giang, đoàn từ thiện của Mạng nghe nhìn Việt Nam (VNAV) đã có sáng kiến ứng dụng lưới để thu sương nhằm cung cấp bổ sung nước sinh hoạt cho bà con nơi đây. Đoàn từ thiện đã đặt mua 100 m lưới từ Chi-lê cùng các thiết bị phục vụ nghiên cứu khác để tiến hành thử nghiệm tại các điểm như xã Thượng Phùng, Lùng Tám, Mỏ Nhà Cao.
- Mơ hình cơng nghệ lọc nước của nhóm nhà khoa học do PGS.TS Trần Hồng Côn
Công nghệ lọc nước dựa trên nguyên lý hấp phụ chọn lọc, loại bỏ các chất có hại trong nước như các kim loại nặng, asen, amoni, nitrit, các chất hữu cơ độc hại, các virus, vi khuẩn…nhưng giữ lại được tất cả các khoáng chất và các chất vi lượng cần thiết cho sức khỏe con người”.
Các vật liệu hấp phụ được sử dụng trong thiết bị lọc là các khống chất tự nhiên có ở Việt Nam như: đá ong, đất sét, than gáo dừa ở Trà Vinh; công nghệ nano bạc kim loại được sắp xếp phù hợp thành một cột lọc với 4 tầng vật liệu. Đối với vật liệu hấp phụ kim loại nặng, sử dụng đá ong biến tính để có bề mặt mang hiệu ứng điện tích âm có khả năng bắt giữ các cation kim loại nặng trong nước. Đối với vật liệu hấp phụ asen, flo, nitrit và các anion độc hại, cũng sử dụng đá ong biến tính để tạo bề mặt mang hiệu ứng điện tích dương có khả năng thu hút mạnh các anion. Bên cạnh đó, sử dụng than gáo dừa Trà Vinh biến tính để vừa có khả năng hấp phụ các chất hữu cơ như bản chất của nó, vừa có khả năng hấp phụ lưu giữ ion amoni trong nước. Sử dụng nano bạc kim loại với kích thước từ 6 đến 20 nanomet được mang trên các hạt đá ong biến tính nhiệt để tiêu diệt vi trùng, vi khuẩn. Nano bạc kim loại chế tạo theo kiểu này có thể diệt khuẩn gấp 200 lần so với bạc kim loại bình thường.
(http://dwrm.gov.vn/index.php?language=vi&nv=news&op=Khoa-hoc- Cong-nghe/Bi-quyet-bien-nuoc-thai-thanh-nuoc-sach-5665)
- Hệ lọc nước GFLife là sản phẩm kế thừa và phát triển từ đề tài khoa học cấp Nhà nước “Nghiên cứu sản xuất vật liệu và cơng nghệ xử lý nước cấp an tồn sinh học có sử dụng nano bạc”, năm 2010 của phịng Hóa Học Xanh, Viện Hóa học - Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam. Đây là công nghệ (lần đầu tiên được sử dụng ở Việt Nam) có khả năng xử lý hoàn toàn màu, mùi, các chất hữu cơ, các chất cặn bẩn, độc tố, nước cứng. Đặc biệt xử lý hoàn toàn kim loại nặng và các loại vi khuẩn E.coli, Coliform, trực khuẩn mủ xanh,… Nước sau khi lọc đạt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống QCVN 01:2009/BYT.
- Các nhà khoa học thuộc Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam nghiên cứu thu nước từ hơi sương để tạo nguồn nước sạch. Thiết bị thu sương về đêm và chuyển thành nước sạch có tên là E.free-WACO, hoạt động dựa trên nguyên lý của lá sen vàsự va chạm các hạt sương trong khơng khí. Bề mặt vật liệu của thiết bị được thiết kế là các tấm lưới bằng sợi Polypropylen (PP) được tết từ các sợi nhỏ cỡ 30 µm. Khi chạm vào bề mặt lưới, sương đượctích tụ và hình thành các giọt nước có thể tích lớn đủ sẽ chảy vào hệ thống kênh dẫn truyền của thiết bị.
Để đảm bảo nước đọng an tồn, nhóm nghiên cứu cịn gắn trên bề mặt sợi PP các hạt nano bạc nhỏ cỡ 30 nm. Hạt nano bạc có tác dụng khử khuẩn, nâng cao hiệu quả thu nước và chống rêu, mốc. Vì vậy nước thu được có thể dùng làm nước ăn, uống, sinh hoạt hàng ngày. Với thiết kế ban đầu, lưới thu diện tích 1,5 m, đường kính 60 cm, chiều cao 80 cm, một đêm thiết bị có thể thu từ 25 - 30 lít nước sạch. Đặc biệt thiết bị được thiết kế dạng khí động học nên có thể tự quay quanh trục mà không cần điện hay ắc quy. Với cấu hình này, nước có thể được thu từ nhiều hướng gió khác nhau. Cịn ở nước ngồi chỉ thu được từ hai phương vng góc với bề mặt lưới.
(Báo điện tử tin nhanh Việt Nam, 2018, Thiết bị thu sương dùng làm nước
sinh hoạt của người Việt, https://vnexpress.net/tin-tuc/khoa-hoc/trong-nuoc/thiet- bi-thu-suong-dung-lam-nuoc-sinh-hoat-cua-nguoi-viet-3820750.html, ngày 16/10/2018)
Tình trạng thiếu hụt nguồn nước sạch để uống và sinh hoạt đang là vấn đề nan giải của toàn nhân loại. Theo các nghiên cứu khoa học trên thế giới và Việt Nam thì thu hoạch sương mù làm nước sạch là giải pháp trong thời điểm khan hiểm nước sạch. Nước từ sương mù khá an toàn và tinh khiết. Điểm đặc biệt của phương pháp này là không tốn quá nhiều công sức; Các lưới thu hoạch sương mù này không cần người điều khiển hay giám sát hoạt động thường xuyên, chi phí lắp đặt thấp, đơn giản và khơng cần nguồn năng lượng. Nhờ những tấm lưới từ các chất liệu như polypropylene, lưới nilon hay từ các sợi tự nhiên, người ta có thể làm ra nước ở những vùng sa mạc, vùng sâu, vùng xa nơi nước rất khan hiếm.
Tuy nhiên, nguồn cung cấp không ổn định do có nơi sương mù được duy trì đều đặn nhưng có nơi khơng được như vậy, ngồi ra cịn phụ thuộc vào hướng gió. Bên cạnh đó, mặc dù nói chung nguồn nước thu được từ sương mù khá sạch nhưng nếu ở nơi ơ nhiễm khơng khí nặng thì có thể sẽ bị lẫn các tạp chất trong khơng khí.Vì vậy, để áp dụng được mơ hình tại các địa phương, thì điều quan trọng là chọn vị trí thích hợp, bảo trì thường xun hệ thống lưới do hiệu suất của hệ thống vẫn có tính thất thường, phụ thuộc vào “chuyện mưa nắng của trời” và nên đặt lưới tại vùng khơng khí ít bị ơ nhiễm.
Chương 2
ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu khả năng hút ẩm thu sương của các loại sợi tự nhiên: đay, gai, dừa để xây dựng mơ hình thu sương làm nước sạch.
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu
- Phạm vi về khơng gian: Phịng thí nghiệm - khoa Môi Trường Đại Học
Nông Lâm Thái Nguyên
- Phạm vi về thời gian: Đề tài tiến hành nghiên cứu trong khoảng thời gian thực hiện luận văn từ tháng 4/2018 đến tháng 05/2019.
2.2. Nội dung nghiên cứu
- Đánh giá khả năng thu sương làm nước sạch của sợi tự nhiên
+ Nghiên cứu khả năng thu sương làm nước của các loại sợi khác nhau (sợi gai, sợi đay, sợi dừa).
+ Nghiên cứu khả năng thu sương làm nước của các loại lưới khác nhau ( mắt lưới có kích thước 2 x 2 cm; 1,5 x 1,5 cm; 1 x 1 cm).
+ Nghiên cứu khả năng thu sương làm nước ở nhiệt độ khác nhau
(10oC; 15oC; 20oC).
- Đánh giá chất lượng nước sau khi thu sương. - Xây dựng mơ hình thu sương làm nước sạch
- Đánh giá chất lượngnước sau khi thu sươngbằng mơ hình
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp thu thập tài liệu thứ cấp
- Thu thập các số liệu tài liệu, văn bản pháp luật có liên quan đến quản lý mơi trường nước, tiêu chuẩn môi trường nước hợp vệ sinh.
- Thu thập, tổng hợp các tài liệu, các nghiên cứu trong và ngồi nước về cơng nghệ lưới thu sương.
- Việc thu thập và phân tích tài liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu là rất quan trọng nhằm giúp ta nhận biết vấn đề một cách nhanh chóng và tổng quát.
- Những tài liệu này là cơ sở ban đầu định hướng cho kế hoạch và triển khai các mục tiêu nghiên cứu. Thơng tin thứ cấp có thể được thu thập từ:
- Trên báo trong và ngồi nước về cơng nghệ lưới thu sương đã và đang được sử dụng.
- Thu thập các thông tin liên quan đến đề tài qua thực địa sách báo, internet.
2.3.2. Phương pháp thiết kế thí nghiệm
2.3.2.1. Chuẩn bị thí nghiệm khả năng thu sương làm nước của các loại sợi khác nhau
a, Dụng cụ:
- Các loại sợi tự nhiên. - Dao, kéo, cốc.
- Máy phun sương tạo ẩm. - Máy đo nhiệt độ, độ ẩm. - Tủ BOD.
- Tủ lạnh. - Các loại sợi:
Sợi đay Sợi dừa Sợi gai
b, Quy trình làm lưới
Hình 2.2. Quy trình đan lưới từ các sợi cây (Đay, gai, xơ dừa)
- Bước 1: Cây (Đay, gai, xơ dừa) sau khi thu về được rửa sạch. - Bước 2:Tước thành sợi rồi phơi khô.
- Bước 3: Đan thành các mảnh lưới nhỏ có kích thước bằng nhau sau đó đem tiến hành làm thí nghiệm.
* Diện tích lưới hình tam giác:
Chiều cao (h) = 22 cm Độ dài cạnh đáy (b) = 30 cm
Ta có S = ½(b.h) = ½(30 x 22) = 330 cm2 = 0,033 m2
* Các bước tiến hành trong phịng thí nghiệm:
Lắp tấm lưới đã đan được vào mơ hình rồi đưa vào trong tủ lạnh. - Đặt cốc thủy tinh 400ml dưới mơ hình để chứa nước thu được. - Điều chỉnh nút phun sương sao cho phù hợp.
- Đặt máy phun sương tạo độ ẩm bên dưới tấm lưới và cốc chứa nước rồi phun liên tục trong 24h, theo dõi và bổ sung nước thường xuyên cho máy phun sương để duy trì độ ẩm từ 90%-98% trong tủ BOD.
- Thu nước từ tấm lưới có kích thước tốt nhất trong điều kiện nhiệt độ