Tham gia cuộc thi Khoa học kỹ thuật cấp quốc gia Năm học: 2013-2014 BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Tên dự án: SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG HỖN HỢP KHÍ CHÁY CỦA DÀN KHOAN DẦU HỎA ĐỂ ĐUN NƯỚC BIỂN THÀNH
Trang 1SỞ GIÁO DỤC – ĐÀO TẠO TỈNH TIỀN GIANG
PHÒNG GIÁO DỤC - ĐÀO TẠO THÀNH PHỐ MỸ THO
TRƯỜNG THCS PHÚ THẠNH
TÊN DỰ ÁN
LĨNH VỰC DỰ THI: KỸ THUẬT: VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC
Trang 2Tác giả: Nguyễn Đoàn Hữu Hòa
MỤC LỤC
1 Mục lục Trang 1
2 Lời cảm ơn Trang 2
3 Mở đầu Trang 3
4 Tóm tắt nội dung đề tài Trang 4
5 Giới thiệu tổng quan nghiên cứu Trang 5
6 Giả thuyết khoa học và mục đích nghiên cứu Trang 6
7 Phương pháp nghiên cứu Trang 7
8 Kết quả nghiên cứu Trang 8
9 Phân tích số liệu/Kết quả thảo luận Trang 8
10 Kết luận Trang 9 11.Tài liệu tham khảo Trang 10
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Em tên Nguyễn Đoàn Hữu Hòa - Học sinh lớp 9/5 Trường THCS Phú Thạnh Thành phố Mỹ Tho- Tỉnh Tiền Giang
Từ nhỏ em đã rất yêu thích tìm hiểu khám, nhất là tìm hiểu sự vận hành của các thiết bị máy móc, các phản ứng hóa học…
Nhưng em được sinh ra trong một gia đình nông dân ở nông thôn không có điều kiện tiếp cận với những phương tiện kỹ thuật hiện đại May nhờ sự phát triển của khoa học cùng với những phương tiện thông tin đại chúng, đã giúp em
có điều kiện phát huy sở thích của mình
Em đã đọc tài liệu, tìm hiểu trên mạng, nghiên cứu thông tin, thu thập tin tức dữ liệu…và thực hành ý tưởng
Với điều kiện cơ sở vật chất hạn chế, kiến thức của bản thân chưa thể thực hiện tốt ý tưởng.Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện sản phẩm, em đã được
sự động viên khích lệ của bạn bè, sự hỗ trợ nhiệt tình của ba mẹ, thầy cô…
Ba mẹ đã dành nhiều tâm huyết, tạo điều kiện về vật chất lẫn tinh thần, chia
sẻ suy nghĩ, giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện
Thầy Cô ngoài việc cung cấp kiến thức, thông tin đã dành nhiều thời gian cùng em nghiên cứu và tạo ra sản phẩm có giá trị về nội dung, hình thức và cả giá trị thẩm mỹ
Em nghĩ rằng, mỗi người chúng ta đều có những ước mơ cho riêng mình
Và niềm hạnh phúc sung sướng tột cùng là khi ước mơ của mình trở thành hiện thực Và em đang có được cảm giác đó, với em cảm giác đó còn to lớn ấm áp hơn bởi vì trong hành trình đi tới ước mơ của em có ba mẹ, thầy cô, bạn bè cùng đồng hành cổ vũ…
Xin mọi người nhận ở em lòng biết ơn và lời tri ân chân thành sâu sắc nhất
Em cũng xin cám ơn Quí Thầy Cô trong ban tổ chức đã cho em điều kiện thử sức mình qua cuộc thi
Qua cuộc thi em sẽ rút ra bài học kinh nghiệm để nâng cao kiến thức cho bản thân
Em xin chân thành cảm ơn./
Trang 4Tham gia cuộc thi Khoa học kỹ thuật cấp quốc gia
Năm học: 2013-2014 BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Tên dự án:
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG HỖN HỢP KHÍ CHÁY CỦA DÀN KHOAN DẦU HỎA ĐỂ ĐUN NƯỚC BIỂN THÀNH NƯỚC TINH KHIẾT
VÀ MUỐI SINH HỌC
MỞ ĐẦU
Nhu cầu về nước của con người không ngừng tăng Hiện tại, nguồn nước ngọt dùng cho các nhu cầu sinh hoạt của con người đang thiếu hụt, dự báo trong tương lai sẽ ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn, đặc biệt ở các quốc gia đang phát triển và các nước nghèo có dân số đông thì vấn đề nước sinh hoạt lại chưa được qua tâm đầy đủ Việt Nam là quốc gia đang phát triển, nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa nên không thiếu nguồn nước sinh hoạt, nhưng khả năng trữ nước không cao Do đó, không thể phân bố đều theo thời gian trong năm
Hơn nữa, Việt Nam có hơn 3269 km chiều dài bờ biển, vùng biển có nhiều đảo và quần đảo, dồng bằng ven biển là những nơi tập trung dân cư đông đông đúc nhất Đồng thời, trên đà phát triển, các thành phố được quy hoạch tập trung các vùng ven biển Do đó, nhu cầu về nước sinh hoạt cho khu vực này cần được quan tâm giải quyết vì nước biển và nước lợ không thể dùng trực tiếp cho sinh hoạt
Như vậy, việc biến nước biển thành nước ngọt sử dụng được là cần thiết
để thỏa mãn nhu cầu sử dụng nước sạch của con người
Đã có nhiều công trình lọc nước biển, tuy nhiên nếu chỉ lọc nước biển thôi thì rất lãng phí chất đốt cũng như nhân lực
Trang 5Em đã tìm ý tưởng từ câu hỏi: Có thể lọc nước biển và tạo muối mà
không sử dụng năng lượng mặt trời hay chất đốt trong cùng một qui trình hay không?.
Để trả lời câu hỏi này em đã tiến hành tìm hiểu và thực nghiệm với nhật
ký nghiên cứu cho dự án như sau:
- Tìm hiểu qui trình lọc nước biển bằng năng lượng mặt trời
- Tìm hiểu qui trình sấy muối
- Tìm hiểu và thực nghiệm qui trình sử dụng hỗn hợp khí cháy
- Thực hành tạo dòng điện từ hơi nước
- Trình bày ý tưởng
- Xây dựng mô hình
4 Tóm tắt nội dung dự án:
Trong bối cảnh biến đổi khí hậu, nguồn nước ngọt ngày càng khan hiếm
do bị xâm nhập mặn, những giải pháp chuyển nước biển thành nước ngày càng được đề cao, có rất nhiều giải pháp được đề xuất như: chưng cất, thẩm thấu, đông thành đá… Trong giải pháp này, em tận dụng nguồn năng lượng do hỗn hợp khí thải cháy trên ống khói các mỏ dầu để chưng cất nước biển thành nước ngọt, tận thu muối và phát điện nhờ sức đẩy của hơi nước cung cấp nguồn điện lại cho hệ thống
Điểm mới trong phương pháp chưng cất này là em tận dụng năng lượng phế thải, nhờ sức đẩy của hơi nước trong ống dẫn hơi làm phát điện cung cấp cho hệ thống bơm nước
5 Tổng quan về quá trình tận dụng hỗn hợp khí cháy của dàn khoan dầu hỏa để chưng cất nước biển thành nước ngọt và muối tinh khiết:
5.1 Tình hình khử mặn nước biển:
Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều nhà máy biến nước biển thành nước ngọt tại Trung Đông (Israel, Ả Rập Xeut) Địa Trung Hải (Malta), châu Mỹ,
Trang 6Nam Âu, Caribbean, Nhật Bản, quần đảo Chanel, đảo Tenerife và Qran Canaria
- nơi nguồn nước tự nhiên rất hiếm do lượng mưa thấp
Ngày xưa, muốn trữ nước, người ta xây dựng nhiều hồ chứa với dung tích cực lớn Tuy nhiên, giá đất gia tăng đã làm cho các công ty bán nước không thể lựa chọn cách này
Ngày nay, người ta tìm cách loại bỏ muối trong nước biển, đó là giải pháp tối ưu và dễ làm nhất
5.2 Sự cần thiết phải khử nước biển thành nước ngọt:
Nguồn nước ngọt sử dụng trong nông nghiệp, công nghiệp và nhu cấu sinh hoạt của con người đang hiếm dần, và càng trầm trọng trong tương lai, vì nhiều lý do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và nước biển dâng:
- Ở một vài nơi mưa sẽ giãm dẫn đến hạn hán trầm trọng xảy ra thường xuyên hơn, đưa đến cạn nước trong các hồ chứa nước, sông, và nước ngầm
- Nguồn nước ngọt ngày càng bị ô nhiễm
- Nước mặn xâm nhập vào nội địa vì hiện tượng nước biển đang dâng cao Những con số thống kê gần đây đang thực sự làm chúng ta đáng lo ngại
Cứ 6 người có 1 người không thường xuyên có được nguồn nước uống an toàn Hơn 1/3 dân số, tức khoảng 2,4 tỷ người không có các điều kiện vệ sinh đầy đủ
Cứ mỗi 8 giây lại có 1 trẻ em chết vì các bệnh liên quan đến nước và các bệnh này gây ra 80% bệnh tật và cái chết ở các nước đang phát triển
Việt Nam không thiếu nước đến mức trầm trọng nhưng diện tích đất nước trải dài theo 3260 km dọc theo bờ biển, ngư nghiệp ngày càng phát triển theo hướng đánh bắt xa bờ phải lưu dài ngày ngoài biển; ngành vận tải biển đang trên
đà phát triển mạnh mẽ, những chiếc tàu chở hàng đi trên biển rất dài ngày Đặc biệt dân cư trên các đảo của Việt Nam vẫn chưa có đủ nước để sinh hoạt
5.3 Tạo muối tinh khiết:
Qui trình đã tạo muối tinh khiết tiết kiệm được quá trình sấy muối và công lao động
Trang 75.4 Tận dụngnăng lượng hỗn hợp khí cháy của dàn khoan để chưng cất
và tạo dòng điện:
- Hỗn hợp khí cháy của dàn khoan mỏ dẫu đỗ ra biển gây ô nhiễm môi trường Tận dụng khí đồng hành, tiết kiệm được nhiên liệu và hạn chế ô nhi6e4m môi trường
- Tạo dòng điện từ hơi nước, hạn chế tình trạng ô nhiễm do sử dụng chất đốt và tiết kiệm năng lượng
6 Giả thuyết khoa học và mục đích nghiên cứu:
6.1 Các giả thuyết khoa học về việc tách muối ra khỏi dung dịch nước biển:
Có nhiều phương pháp biến nước biển thành nước ngọt, nhưng nguyên tắc chung trong các phương pháp này là làm sao tách được muối ra khỏi dung dịch nước biển Việc chọn lựa phương pháp lọc nước tùy thuộc vào nguồn năng lượng rẽ tiền sẳn có, nguồn nước mặn nhiều hay ít, ô nhiểm nhiều hay ít
Phương pháp chưng cất nước:
Dùng nhiệt lượng làm nước bốc hơi và hơi nước kết đọng thành nước không chứa khoáng chất Gồm 3 phương pháp chính:
Hơi nước cao áp:
Phương pháp này sử dụng nguồn nhiệt của hơi nước cao áp Khi bị ép, hơi nước gia tăng cả nhiệt độ và áp suất Vì vậy, nhiệt tiềm ẩn được tái xử dụng để làm nước biển bốc hơi thêm khi hơi nước cao áp được đọng thành nước ở áp suất bình thường hay dưới bình thường
Sử dụng màng thẩm thấu:
Trong phương pháp này, nước mặn được lọc qua màng bán thẩm thấu Màng này cấu tạo bởi vô số lổ nhỏ cực vi, có đường kính khoảng 1-50 nm Màng có đặc tính chọn lựa, chỉ cho phép những phân tử nhỏ như nước đi qua các lổ của màng và giữ lại các phân tử lớn như các loại muối, tương tự như một
Trang 8cái rây thật mịn áp dụng cho chất đặc Nước biển là một dung môi gồm nước và các chất hòa tan trong nước, chất chính là muối NaCl và ít muối khoáng khác, đều có phân tử lượng lớn hơn nước
Đông thành nước đá:
Nước bắt đầu đông thành nước đá ở nhiệt độ 0ºC dưới áp xuất 1 atmosphere Tuy nhiên, với sự hiện diện của muối NaCl, cần phải nhiệt độ âm dưới 0ºC, nước mới đông thành nước đá Nước đá nổi trên nước mặn, tương tự như tảng băng trên biển ở hai cực trái đất Tốn nhiều năng lượng Ít áp dụng
Sử dụng năng lượng mặt trời :
Phương pháp này bắt chước thiên nhiên, nước biển bốc hơi vì sức nóng của mặt trời, tạo thành mây (hơi nước), gặp lạnh hơi nước trong mây kết tụ thành giọt mưa
6.2 Mục đích nghiên cứu:
Em muốn tận dụng nguồn năng lượng tại các ống khói mỏ dầu có lửa cháy để biến nước biển thành nước ngọt và tận thu muối nhờ chưng cất
7 Phương pháp, kế hoạch và tiến trình nghiên cứu:
7.1 Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: vận dụng kiến thức vật lý, hóa học và sinh học, đồng thời tiếp cận các kết quả nghiên cứu liên quan làm cơ sở cho đề tài
- Phương pháp chuyên gia: nhờ sự tham vấn của các thầy cô và các anh chị công tác trong các lĩnh vực liên quan
- Phương pháp thực nghiệm: thực hiện theo phương pháp thử - sai để hoàn chỉnh
mô hình
7.2 Kế hoạch nghiên cứu:
- Hình thành ý tưởng
- Tìm và đọc các tài liệu liên quan, trao đổi ý tưởng với các thầy cô hướng dẫn
Trang 9- Thực hiện mô hình.
- Đối chiếu với các nguyên tắc vật lý, hóa học và sinh học để hoàn thiện
mô hình sát với thực tế nhằm ứng dụng dễ dàng
7.3 Tiến trình nghiên cứu:
Bước 1: phát thảo mô hình chi tiết trên giấy
Bước 2: sử dụng các vật liệu sẵn có để mô hình hóa từng chi tiết của hệ thống chưng cất
Bước 3: bổ sung các chi tiết liên quan để hoàn thiện mô hình
Bước 4: hỏi ý kiến góp ý của các thầy cô, ba mẹ và các anh chị để điều chỉnh mô hình thật hợp lý với thực tế ứng dụng
8 Kết quả nghiên cứu:
Kết quả nghiên cứu là mô hình tận dụng hỗn hợp khí cháy của dàn khoan
mỏ dầu chưng cất nước biển thành nước ngọt, thu muối và phát điện cung cấp lại cho hệ thống
9 Phân tích số liệu, kết quả và thảo luận:
9.1 Mô tả mô hình:
Mô hình gồm các phần chính như sau:
1 Bồn chưng cất nước biển
2 Ống dẫn hơi nước
3 Bồn nước lạnh giúp ngưng tụ hơi nước
4 Bồn xử lý nước ngọt
5 Bồn trữ nước ngọt
6 Motor bơm nước biển vào bồn chưng cất
7 Bồn lọc nước muối cô đặc
8 Nồi sấy muối khang
9 Đồng hồ đo nồng độ muối
10 Mô hình ống khói mỏ dầu và các chi tiết khác
Trang 109.2 Nguyên tắc hoạt động:
Để vận hành mô hình, ta cung cấp một nguồn điện giúp máy bơm nước vận hành bơm nước biển vào bồn chưng cất Nhờ năng lượng của lửa cháy hỗn hợp khí thải trong mỏ dầu làm sôi lượng nước biển trong bồn gây bốc hơi nước Hơi nước được dẫn theo đường ống qua bồn lạnh giúp hơi nước ngưng tụ thành dạng lỏng và dẫn vào bồn xử lý Tại đây nước được tiếp tục xử lý nhờ các hoạt chất hấp thu muối, sau đó nước ngọt sẽ được dẫn vào bồn trữ
Trong ống dẫn hơi nước, nhờ sức đẩy của hơi nước làm quay tua pin của dinamo phát điện cung cấp trở lại nguồn điện cho motor bơm nước biển vào bồn chưng cất
Trên bồn chưng cất có gắn một đồng ho đo nồng độ muối để biết được nồng độ muối tới hạn của dung dịch muối cô đặc Khi đạt tới điểm tới hạn của nồng độ muối, ta mở van phía dưới bồn chưng cất, xả dung dịch nước biển cô đặc vào bồn lọc muối; sau đó dẫn dung dịch muối đã được lọc qua nồi sấy muối khang đặt trên nhánh của ống khói mỏ dầu
9.3 Kinh nghiệm:
- Nghiên cứu các hiện tượng, các công trình đã có để lấy ý tưởng
- Đặt ra câu hỏi tìm giải pháp tối ưu hơn
- Xây dựng ý tưởng
- Luyện tập thí nghiệm nhiều lần để rút kinh nghiệm
- Tham khảo ý kiến của thầy, cô
10 Kết luận:
Phương pháp chưng cất nước biển thành nước ngọt là một giải pháp hữu ích góp phần giải quyết nguồn nước ngọt ngày càng khan hiếm Giải pháp tận dụng nguồn năng lượng là các hỗn hợp khí thải của mỏ dầu góp phần giảm áp lực sử dụng các nguồn năng lượng, giảm tải ô nhiễm môi trường./
Trang 11Tài liệu tham khảo
1 Đặng Kim Chi Hóa học môi trường, 2005 NXB Khoa học kỹ thuật, Hà
Nội
2 Trần Ngọc Tân Luận Văn Thạc Sĩ Công nghệ môi trường, 2005 Đại học
bách khoa Hà Nội
3 Gleick, P H, S.H Scheneide, 1996 Tài nguyên nước Bách khoa từ điển về
khí hậu và thời tiết Quyển II, Nhà xuất bản Đại học OXford, New york
4 http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Sea_salt-e_hg.svg
5 http://vietnamnet.vn/khoahoc/hoso/2004/06/160869