MODULE CHUYỂN ĐỔI NƯỚC BIỂN THÀNH NƯỚC NGỌT SỬ DỤNG LƯỚI KIM LOẠI VÀ MÁY PHUN SƯƠNG

Hiện nay, ở Việt Nam, tại các vùng ven biển, sự xâm thực của nước biển mặn, khiến cho việc tìm ra nguồn nước ngọt khá khó khăn, nguồn nước sinh hoạt của người dân ven biển không được đảm bảo, nhu cầu dùng nước sạch mới chỉ đáp ứng được khoảng 60%, số người mắc bệnh do thiếu nước sạch tăng lên. Người dân ven biển phải mua nước ngọt với giá đắt hơn từ 510 lần, tại Huyện Quỳnh Lưu (Nghệ An), người dân phải mua nước ngọt về với giá 60000m3 để sử dụng. Mỗi chuyến đi biển mất đến nửa triệu bạc tiền nước, do đó nhiều chuyến về lỗ nặng. Tại vùng hải đảo ngoài khơi, tình trạng thiếu nước ngọt còn trầm trọng hơn. (1) Đồng thời đánh bắt xa bờ hiện nay chỉ chiếm 48%, 1 phần là do không có đủ lượng nước để đánh bắt dài ngày. Theo TS Đào Trọng Từ (2), đến năm 2015, do biến đổi khí hậu thì nguồn nước Việt Nam sẽ giảm đi khoảng 40 nghìn tỉ m3.

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THPT Hà Nội – Amsterdam, Cầu Giấy

**************

ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ

LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015).

Tên đề tài: MODULE CHUYỂN ĐỔI NƯỚC BIỂN THÀNH NƯỚC NGỌT SỬ

DỤNG LƯỚI KIM LOẠI VÀ MÁY PHUN SƯƠNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

- Tiến sĩ Đinh Trần Phương

- Đơn vị công tác Hà Nội-Amsterdam

TÁC GIẢ:

Nguyễn Doãn Hoàng Lớp: 11L Trường: Hà Nội Amsterdam

Hà Nội, tháng 12 năm 2013

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Chuyển nước biển thành nước ngọt đóng vai trò rất quan trọng trong việc giải quyếtnhu cầu nước sạch trên thế giới Trong bản báo cáo này, tôi xin trình bày phương phápchuyển nước biển thành nước sinh hoạt Thiết bị là một module cỡ nhỏ để bay hơi nướcbiển thành nước ngọt, nhiều module cỡ nhỏ có thể kết hợp tạo thành một hệ thống nhằmtăng lượng nước thu được, phù hợp theo nhu cầu người sử dụng Trong một hộp kín nhằmtạo hiệu ứng nhà kính, nước biển được phun sương xuống một tấm lưới kim loại, tạo thànhmột màng nước mỏng bám trên lưới Màng nước được mặt trời cung cấp năng lượng giúpbay hơi bề mặt Sau đó hơi nước được dẫn sang vỏ bay hơi, có nhiệt độ khoảng 20 độ C

Do sự chênh lệch nhiệt độ lớn nên hơi nước sẽ bị ngưng tụ thành nước Thiết bị có nguyên

lý hoạt động khác với các phương pháp thông thường chuyển nước biển thành nước ngọtnhư phương pháp sử dụng nhiệt, thẩm thấu ngược, điện phân tách ion Thay vì tương táctrực tiếp với nước biển, tách riêng muối và nước, phương pháp này tận dụng tối đa nhữngđiều kiện sẵn có trên biển như độ ẩm trong không khí cao, không gian rộng, cường độ ánhsáng mạnh và dồi dào,… Nghiên cứu lý thuyết, với độ ẩm trong không khí khoảng 80%-82% , nhiệt độ làm nóng hơi nước khoảng 30-35 độ C thì 100 module cỡ 25x10x15, chiếmdiện tích 250cm x 110cm thu được 10 lít trong 6 giờ Khi kết hợp các module lượng nướcthu được đủ sinh hoạt cho 5 người trong một ngày Ưu điểm của thiết bị là tốn ít nănglượng để vận hành, không tốn diện tích trên tàu vì hệ thống được thiết kế để thả nổi trênmặt nước, tận dụng tối đa những điều kiện tự nhiên sẵn có, không gây hại tới môi trường,nguyên lý hoạt động đơn giản, dễ vận hành, thiết bị quen thuộc, dễ tháo lắp bảo trì, tínhứng dụng thực tiễn cao, phương pháp bay hơi mới Vì vậy, thiết bị là giải pháp cho nhucầu nước sạch lớn của ngư dân trên tàu đánh cá cũng như ngoài hải đảo

Từ khóa: Chuyển nước biển thành nước ngọt, bay hơi bề mặt, nhà kính, ngưng tụ, năng

lượng mặt trời

Mục lục

I/ MỞ ĐẦU 2

1.Lý do lựa chọn đề tài 2

2 Các phương pháp thu nước ngọt thông dụng trên thế giới 3

3.Điều kiện tự nhiên tại Việt Nam 10

4.Mục tiêu: 11

III/ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG, CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CẤU TẠO 12

Cơ sở lý thuyết 12

Nhiệt độ 12

Sự bốc hơi 13

Áp suất hơi 13

Độ ẩm tương đối không khí là gì 13

Điểm sương 14

Năng lượng mặt trời 14

Quá trình nhiệt động học lượng nhiệt để làm bốc hơi nước: 14

Enthalpy 15

Sự bay hơi nội tại của nước (16) 17

Phun sương 17

Thảo luận: 18

Cấu tạo hệ thống: 18

Tính mới: 19

III/Thí nghiệm 21

Thí nghiệm định tính: 21

Thí nghiệm 1: 21

Thí nghiệm 2: 21

IV/Kết luận 23

Mục đích 23

Kết quả 23

Điểm mới 24

Phương hướng trong tương lai 24

BẢNG THÔNG SỐ

: Enthalpy của hơi nước (kJ)

: Enthalpy của nước biển (kJ)

: Enthalpy của hơi nước (kJ/kg)

: Enthalpy của nước (kJ/kg)

: Enthalpy của nước biển (kJ/kg)

: Lương nước đã chưng cất được (kg)

: Áp suất hơi bão hòa (Pa)

: Áp suất hơi (Pa)

: Năng lương mặt trời (kWh/m3/ngày)

: Lượng nước có trong không khí (kg/kg)

: Lượng nước tối đa có trong không khí (kg/kg)

I/ MỞ ĐẦU

1.Lý do lựa chọn đề tài

Theo Đại học Michigan (2006) và Alex Kirby (2000) hơn 70% bề mặt tráiđất được bao phủ bởi nước với 2,5% là nước ngọt Tuy vậy, chỉ khoảng 1%( tương đương với 0.007% tổng khối lượng nước) được sử dụng trực tiếp Đồng thời, sự gia tăng dân số và ô nhiễm môi trường khiến cho nhu cầu nước ngọt ngày càng tăng cao

Hiện nay, ở Việt Nam, tại các vùng ven biển, sự xâm thực của nước biển mặn, khiến cho việc tìm ra nguồn nước ngọt khá khó khăn, nguồn nước sinh hoạt của người dân ven biển không được đảm bảo, nhu cầu dùng nước sạch mới chỉ đáp ứng được khoảng 60%, số người mắc bệnh do thiếu nước sạch tăng lên Người dân ven biển phải mua nước ngọt với giá đắt hơn từ 5-10 lần, tại Huyện Quỳnh Lưu (Nghệ An), người dân phải mua nước ngọt về với giá 60000/m3 để

sử dụng Mỗi chuyến đi biển mất đến nửa triệu bạc tiền nước, do đó nhiều

chuyến về lỗ nặng Tại vùng hải đảo ngoài khơi, tình trạng thiếu nước ngọt còn trầm trọng hơn (1)

Đồng thời đánh bắt xa bờ hiện nay chỉ chiếm 48%, 1 phần là do không có

đủ lượng nước để đánh bắt dài ngày

Theo TS Đào Trọng Từ (2), đến năm 2015, do biến đổi khí hậu thì nguồn nước Việt Nam sẽ giảm đi khoảng 40 nghìn tỉ m3

Trong khi đó, nguồn nước biển, không khí ẩm hoàn toàn có thể tận dụng

để sản xuất nước ngọt phục vụ con người, và đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới, nhưng chưa được thực hiện ở Việt Nam

Do đó, ta cần các phương pháp nhằm sản xuất nước ngọt để đáp ứng nhu cầu người dân và quốc phòng tại vùng biển và hải đảo.

2 Các phương pháp thu nước ngọt thông dụng trên thế giới

Có 3 phương pháp khử muối bằng nước biển phổ biến

1) Khử muối bằng phương pháp sử dụng màng ( membrane

technology) 2) Khử muối bằng phương pháp sử dụng nhiệt (thermal technology) 3) Khử muối bằng phương pháp trao đổi ion ( ion exchange

technology) 4) Thu nước từ không khí (atmospheric water generator)

1) Khử muối bằng phương pháp sử dụng màng:

Sử dụng màng có các lỗ rất nhỏ nhằm chỉ cho phân tử nước đi qua, đồng thời chặn lại các phân tử muối có kích thước lớn và vi khuẩn

(Hình 1: Phương pháp thẩm thấu ngược)

RO

(reverse

osmosis)-a

Tạo một áp suất lớnhơn áp suất thẩmthấu của nước biển

để đẩy qua màngbán thấm

-Hiệu suất cao-Cản được vikhuẩn-Khả năng cảnmuối tốt

-Vì áp suất thẩm thấunước biển lớn (600-

1200 psi) nên nănglượng tiêu tốn tạo áp

RO (70-140 psi)

vì lỗ trên mànglớn hơn

-Năng lượng tiêu tốn

-Khả năng loại bỏhợp chất hỏa tancao (75-98%)

-Chỉ thích hợp xử línước lợ, nếu nước cónồng độ muối caohơn thì không kinh tế

Sử dụng dòng điện

Nhận xét: tiêu tốn nhiều năng lượng, quy mô công nghiệp, thu được lượng nước

gần như sạch hoàn toàn, giá thành đắt, yêu cầu kĩ thuật cao.a

2) Khử muối bằng phương pháp trao đổi ion

(Hình 2: Phương pháp thu Ion muối)

Sử dụng sự trao đổi ion giữa pha rắn và pha lỏng, cụ thể là nhựa trao đổi ion

Nhận xét: Phương pháp này được coi là không khả dụng vì giá thành quá cao,

tuy nhiên nó được sử dụng để tạo nước lọc có chất lượng cao

3) Khử muối bằng phương pháp sử dụng nhiệt

Sử dụng nhiệt để nước hóa hơi rồi ngưng tụ thành nước ngọt

nước bay hơi, đọng vào tấm kính, ngưng tụ và chảy vảo máng thu nước, từ đó ta thu được nước ngọt

Nhận xét: Sử dụng cho những nơi điều kiện kinh tế khó khăn, vùng sâu vùng

xa, nơi chưa có nguồn cung cấp điện ổn định, cần nhiều diện tích, cần ánh sáng mặt trời trực tiếp, năng suất thấp

(Hình 3: Chưng cất thụ động nhờ ánh sáng mặt trời )

Làm nóng nhiều giai đoạn ( Multistage flash)

(Hình 4: Phương pháp chưng cất làm nóng nhiều giai đoạn phương ngang)

Thiết bị gồm nhiều khoang để làm bay hơi nước biển

Nước biển (B) được dẫn qua ống lượn qua khoang làm nóng Hơi nước nóng bốc hơi gặp nước biển trong ống có nhiệt độ thấp sẽ ngưng tụ xuống máng hứng nước (G) đồng thời hơi nước sẽ làm nóng nước biển trong ống

Khi nước biển tới thiết bị cung cấp nhiệt (H) thì nhiệt độ nước đã xấp xỉ nhiệt độ sôi Ở H, nước biển trong ống được cung cấp thêm nhiệt và được dẫn vào bể làm bay hơi

Ở bể thứ nhất, nước bay hơi, đến khi nhiệt độ của nước biển mới bơm vào

và lượng nước có sẵn cân bằng thì quá trình bay hơi dừng lại

Nước ở bể thứ nhất chảy sang bể thứ hai, nước ở bể thứ nhất vẫn hơi nónghơn ở bể thứ hai nên quá trình bay hơi tiếp diễn đến khi nhiệt độ đạt cân bằng…

Nhận xét: Quy mô công nghiệp, tận dụng nhiệt từ nhà máy

kế bên,thiết kế giúp giảm hao phí nhiệt-hiệu suất cao, xử lý quy mô lớn, tốn nhiều năng lượng

Bay hơi đa hiệu ứng ( Multieffect distillation)

Thiết bị gồm các khoang xếp chồng lên nhau, tận dụng sự trao đổi nhiệt để làm nóng nước

Ở khoang trên cùng, nước được đun nóng chuyển thành thể hơi Hơi nước được dẫn qua một ống xuống khoang dưới

Nhận xét: Tương tự như phương pháp trên, nhưng

tốn ít năng lượng hơn

(Hình 5: Phương pháp chưng cất làm nóng nhiều giai đoạn phương thẳng đứng)

Nén hơi nước (Vapor compression)

(Hình 6: Phương pháp nén hơi)

Phương pháp sử dụng máy nén hơi nước Khi nén hơi thì áp suất và nhiệt

độ đều tăng Nhiệt năng sinh ra để làm bốc hơi nước biển

Nhận xét: tón nhiều năng lượng cho máy nén khí.

Thu nước từ không khí:

Làm cô đọng lượng hơi ẩm trong không khí để từ đó thu được nước

Giảm nhiệt độ của không khí ẩm xuống dưới điểm sương

Lợi dụng độ ẩm của không khí, hệ thống thu không khí vào, làm lạnh khiến nước cô đọng và đưa lượng khí khô ngược ra ngoài

Nhận xét: có khả năng thu nước ngọt trong điều kiện ẩm ướt nhưng không có

nguồn nước kế bên, có tính hữu dụng cao, quy mô công nghiệp, phức tạp

(Hình 7: Phương pháp làm lạnh không khí)

i Màn sương (Fog fence):

Cấu tạo

từ một tấm vải canvas lớn ở nơi

có độ ẩm cao – nhiều sương, sương sẽ đọng trên màng

và chảy xuống thùng đựng ở dưới, hêtj thống có hiệu suất không cao nhưng cực kì đơn giản, không tốn nănglượng

(Hình 8: Phương pháp dựng màn rào (màn) sương)

ii Giếng không khí (Air well):

Cách cấu tạo của giếng giúp không khí gặp nhiệt

độ thấp khi có gió thổi qua và cô đọng thành nước

Hệ thống có hiệu suất không cao, tốn nhiều diện tích nhưng không hề tốn năng lượng

(Hình 9: Phương pháp dựng giếng không khí)

iii Sử dụng hóa chất thu hơi ẩm:

Máy sự dụng các hóa chất khan có khả năng hút ẩm cao, bơm liên tục khí qua hóa chất đó để giảm lượng hơi ẩm trong không khí Hóa chất sau đó được xử lý

Kết luận: Các phương pháp trên là những phương pháp đang được áp dụng

rộng rãi trên toàn thế giới Tuy vậy nhiều phương pháp thuộc quy mô công nghiệp, giá thành quá cao hoặc quá phức tạp không phù hợp cho ngư dân và hải đảo Do vậy rất cần một phương pháp thu nước ngọt cho người dân sử dụng.

3.Điều kiện tự nhiên tại Việt Nam

VIệt Nam là nước nhiệt đới ẩm gió mùa, có lượng nhiệt độ, ánh sáng dồi dào từ 4 đến 5 kWh trên mét vuông trong 1 ngày, số giờ nắng chiếu từ 1400 đến

3000 giờ 1 năm (tùy nơi), do đó có thể lợi dụng năng lượng mặt trời để làm nguồn năng lượng sạch thay thế Từ miền Trung đến miền Nam là nơi có lượng ánh sáng mặt trời nhiều nhất và có thể tận dụng quanh năm( khoảng 300-500 caltrên cm2 trên ngày) Các tỉnh ven biển miền trung, miền nam có nhiệt độ trung bình năm cao, khoảng 30-35 độ C, năng lượng mặt trời 3.5kWh trên diện tích 1m2

BIỂU ĐỒ NHIỆT ĐỘ THÁNG 6 NĂM 2013 KHÁNH HÒA

Độ ẩm trung bình năm cao, khoảng 80%,ở vùng khu vực miền Nam(Ninh Bình)

có khi lên đến trên 80% cân bằng ẩm luôn dương

Việt Nam có đường bờ biển dài, ngành đánh bắt thủy sản phát triển, diện tích biển rộng, nhiệt độ mặt biển khoảng trên 25 độ C vào tháng 12 – 1

và cực đại khoảng 30 độ vào tháng 7 – 8 (3)

BIỂU ĐỒ NHIỆT ĐỘ THEO THÁNG TẠI MỘT SỐ KHU VỰC

Đồng thời biển Việt Nam luôn có gió, thường trên cấp 3 (>4m/s)

Điều kiện tự nhiên của Việt Nam hoàn toàn có thể được lợi dụng để tạo ra nguồnnước sạch cho vùng biển và hải đảo

4.Mục tiêu:

Thiết kế và chế tạo một thiết bị có khả năng tạo ra nước ngay trên môi

trường là mặt biển, lợi dụng các đặc điểm môi trường biển Thiết bị có cấu tạo

đơn giản, sử dụng nguồn điện là pin năng lượng mặt trời, có công suất đủ lớn, sản xuất được nước ngọt ngay trên biển giúp tàu cá bám biển đánh bắt Ngoài ra

hệ thống cũng có thể sử dụng nhằm phục vụ cho hải đảo, nhà giàn Hệ thống phải có giá thành phù hợp, kích cỡ nhỏ và phù hợp với điều kiện tàu thuyền, sóng biển

BIẾN TRÌNH NHIỆT ĐỘ NĂM CỦA

KHÔNG KHÍ (to) VÀ CỦA NƯỚC

BIỂN (tw) TẠI CÁC ĐỘ SÂU KHÁC

NHAU

III/ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG, CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CẤU TẠO

(4): Vỏ bay hơi (5) Gương parabol

Cả hệ thống là 1 hệ các module đặt trên một phao nhỏ Không khí biển được Máy phun sương (1) phun lên tấm Lưới kim loại (2) nhằm tạo một lớp nước mỏng trên tấm lưới Màng nước mỏng được hấp thụ ánh sáng mặt trời, bayhơi bề mặt lên sang Vỏ bay hơi Nước cô đọng được dẫn ra ngoài để sử dụng

Các module được xếp nối tiếp thành hang, nhiều hàng thành 1 hệ module

Theo Relative Humidity Relative to What? The Dew Point

Temperature a better approach của Steve Horstmeyer, Meteorologist,

Cincinnati, Ohio, USA (4)

Nhiệt độ

Nhiệt độ của 1 chất khí/nước là 1 cách đo đạc động năng trung bình của phân tử khí/nước Phân tử khí/nước chuyển động càng nhanh, động năng của nó càng lớn, nhiệt độ của khối khí/nước đó càng cao

(1)

(2)

(3) (4)

(5)

Từ đó, ta đưa đến định nghĩa

Sự bốc hơi

Khi các phân tử nước nhận đủ động năng, chúng có thể thoát khỏi lực hấpdẫn giữ chúng với các phân tử xung quanh Năng lượng này có được từ sự tươngtác giữa các phân tử nước với nhau hoặc với các phân tử khác như khí,… Khi thoát ra khỏi lực hấp dẫn, phân tử nước đó mang theo một phần năng lượng của khối nước

Theo Water Vapor Myths: A Brief Tutorial (copyright 1998-2010) của Steven

M Babin, MD, PhD (6)

Áp suất hơi

Là áp suất tạo bởi sự cân bằng (equilibrium) trong một hệ nhiệt động học của nước bốc hơi lên và phần hơi nước cô đọng Nước sẽ sôi tại điểm sôi bình thường khi áp suất hơi đạt đến áp suất xung quanh, ví dụ như áp suất không khí Khi có bất cứ sự tăng nào trong nhiệt độ, áp suất hơi đủ sức vượt qua áp suất không khí và nâng chất lỏng lên từ trong lòng của nó và tạo ra bong bóng (sôi) Khi muối được thêm vào nước như trong nước biển, áp suất hơi của nước biển giảm đi, do đó cần lượng nhiệt lớn hơn để nước có thể bắt đầu sôi Do đó điểm sôi của dung dịch cao hơn bình thường Sự tăng của điểm sôi được gọi là

Boiling Point Elevation

Từ áp suất hơi, ta có:

Độ ẩm tương đối không khí là gì

Độ ẩm tương đối là tỷ số của áp suất hơi

nước hiện tại của bất kỳ một hỗn hợp khí nào với

hơi nước so với áp suất hơi nước bão hòa tính

theo đơn vị là % Định nghĩa khác của độ ẩm

tương đối là tỷ số giữa khối lượng nước trên một

thể tích hiện tại so với khối lượng nước trên cùng

thể tích đó khi hơi nước bão hòa Khi hơi nước

bão hoà, hỗn hợp khí và hơi nước đã đạt đến điểm

sương

(1)RH: Độ ẩm tương đối

Pv: Áp suất hơi

Pvs: Áp suất hơi bão hòa

(Hình 11: Biểu đồ độ ẩm tương đối, nhiệt độ và thời gian)

Điểm sương

Các điểm sương là nhiệt độ mà tại đó không khí được bão hòa đối với hơi nước trên bề mặt chất lỏng Khi nhiệt độ bằng với điểm sương đồng nghĩa với việc độ ẩm tương đối là 100% Những cách phổ biến cho độ ẩm tương đối là 100% là

1) Làm mát không khí đến điểm sương

2) Ép nướ bốc hơi vào không khí cho đến khi không khí được bão hòa

3) Làm không khí nguội đi đoạn nhiệt đến điểm sương

(6)

Từ độ ẩm tương đối ta có được tỉ số giữa áp suất hơi bão hòa và áp suất hơi hiện tại,

và từ điểm sương, ta sẽ biết được liệu chắc chắn lượng nước bay hơi có thể cô đọng hay không

Năng lượng mặt trời

Theo Cường độ bức xạ mặt trời tại các khu vực của Việt Nam (10)

Tại khu vực Trung bộ, từ tháng 3 đến tháng 9 thời gian nắng chiếu từ 5-6 giờ 1 ngày với lượng tổng xạ trung bình trên 3489 kWh/m2/ngày

Năng lượng mặt trời hệ nhận được được tính từ công thức:

R là bức xạ mặt trời (kWh/m2)

A là diện tích nhận nhiệt (m2)

là hiệu suất nhận nhiệt

Desalination and Water Treatment (11), (14)

Quá trình nhiệt động học lượng nhiệt để làm bốc hơi nước:

Do các tính chất của nước thay đổi rất lớn với việc thêm vào 3.5% muối

biển (NaCl,…) và việc nước bốc hơi bớt đi khiến nồng độ muối trong phần dungdịch còn lại tăng lên khiến cho các tính cất vật lý thay đổi một cách đáng kể và liên tục, lượng nhiệt cần cung cấp cho việc đun tăng dần do nồng độ muối tăng