Chế tạo, khảo sát và xây dựng đường chuẩn nồng độ của máy điện phân tạo ion đồng ứng dụng trong xử lý nguồn nước nuôi thủy sản

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

1
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày về tác dụng của ion đồng trong xử lý môi trường nói chung và nguồn nước nuôi thủy sản nói riêng, cấu tạo và nguyên lý hoạt động và các thông số kỹ thuật của máy điện phân tạo ion đồng, tính ưu việt của hiệu ứng đổi chiều điện cực cho các bản cực cùng vật liệu, cũng như các chế độ hoạt động thể hiện bằng đường chuẩn nồng độ ion đồng được xây dựng từ các số liệu thực nghiệm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chế tạo, khảo sát và xây dựng đường chuẩn nồng độ của máy điện phân tạo ion đồng ứng dụng trong xử lý nguồn nước nuôi thủy sản

BÀI BÁO KHOA HỌC CHẾ TẠO, KHẢO SÁT VÀ XÂY DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN NỒNG ĐỘ CỦA MÁY ĐIỆN PHÂN TẠO ION ĐỒNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NGUỒN NƯỚC NUÔI THỦY SẢN Trần Thị Chung Thủy1, Nghiêm Thị Hà Liên2, Vũ Dương2, Nguyễn Hữu Khánh3 Tóm tắt: Máy tạo ion đồng sử dụng nguồn điện một chiều cấp cho hai điện cực bằng đồng, được đảo cực luân phiên, để thúc đẩy quá trình khử ion đồng luân phiên ở mỗi điện cực và giải phóng các ion đồng vào trong môi trường nước. Bài báo trình bày về tác dụng của ion đồng trong xử lý môi trường nói chung và nguồn nước nuôi thủy sản nói riêng, cấu tạo và nguyên lý hoạt động và các thông số kỹ thuật của máy điện phân tạo ion đồng, tính ưu việt của hiệu ứng đổi chiều điện cực cho các bản cực cùng vật liệu, cũng như các chế độ hoạt động thể hiện bằng đường chuẩn nồng độ ion đồng được xây dựng từ các số liệu thực nghiệm. Từ khoá: Ion đồng, Cu2+, điện phân, nồng độ ion, điện cực đồng. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * tử H2S và phân tử thiol, là thành phần chính gây Làm sạch nguồn nước và không khí là một mùi trong các nguồn nước, các bãi rác, chất trong những vấn đề cấp thiết mang tính toàn cầu, thải,…, đem lại sự trong lành cho môi trường đặc biệt trong bối cảnh ô nhiễm môi trường và (Toshio Takeuchi, 2017). Để chủ động kiểm soát biến đổi khí hậu ở mức đáng lo ngại như hiện nay. được nồng độ ion đồng nằm trong ngưỡng an Sử dụng hoá chất là cách phổ biến, thông dụng toàn, máy điện phân được lựa chọn là giải pháp nhất trong xử lý môi trường. Tuy nhiên, các hoá hữu ích thay thế cho hóa chất CuSO4 như cách chất dư thừa này có thể tác động xấu đến môi xử lý truyền thống. trường và sức khoẻ con người. Bởi vậy, giải pháp Trong nước, máy điện phân nước được kỹ sư thay thế hoá chất bằng các nguồn nguyên liệu thân Nguyễn Đình Cường - Viện Công nghệ Môi thiện với môi trường là vô cùng cần thiết. Ion trường (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ đồng được biết đến là nguồn nguyên liệu thân Việt Nam) nghiên cứu từ năm 2003 đến nay, được thiện trong xử lý môi trường, nguồn nước sinh thử nghiệm vệ sinh chuồng trại lợn, đã thu được hoạt, công nghiệp, nông nghiệp đặc biệt là trong những thành công nhất định. Gần đây, nghiên cứu nuôi trồng thủy sản, khả năng kháng nấm, diệt ký “điện phân nước cho chăn nuôi” lần đầu được Tập sinh trùng, vi sinh vật có hại. Ion Cu2+ có khả đoàn Kangaroo triển khai trên diện rộng, không năng tạo ra các gốc hydroxyl tự do có hoạt tính chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn là giải pháp hữu cực mạnh khi tác dụng với H2O2 trong tế bào ích trong chăn nuôi hữu cơ (https://ietvn.vn/tin- sống, có tác dụng oxy hóa protein và lipid, dẫn tuc/Ung-dung-cong-nghe-dien-phan-nuoc-trong- đến tiêu diệt được các cơ thể sống có cấu trúc đơn chan-nuoi/3734.asp). giản như vi khuẩn, virus, tảo, nấm/ký sinh trùng Trên thế giới, công nghệ nước điện phân được (Xu et al, 2012), (Jacob Bregnballe, 2015), (Toshio ứng dụng khá rộng rãi ở các nước phát triển (Nga, Takeuchi, 2017), (Zoroddu et al, 2019), (Yermale, Mỹ, Nhật, Hàn, Tây Âu...) trong nhiều lĩnh vực 2020). Ion Cu2+ còn có khả năng bất hoạt các phân như y tế, đời sống, chăn nuôi, trồng trọt, chế biến thực phẩm, (Edward J. Noga et al, 2010), (Toshio 1 Bộ môn Vật lý, khoa Điện - Điện tử, trường Đại học Takeuchi, 2017),… Tại Hàn Quốc, Nhật Bản, loại Thủy lợi nước này còn dùng để rửa sạch hoa quả, bảo quản 2 Viện Vật lý, Viện KH&CN Việt Nam 3 Công ty TNHH PTTM&DV Minh Phú hạt và thực vật lâu hơn mà không cần chất phụ gia, 102 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 85 (9/2023)
diệt nấm và sâu bệnh trên cây trồng (Pianpian Yan điện cực dương và điện cực âm. Điện cực dương et al, 2021). Ở châu Âu, nước điện phân được dùng (anode) là điện cực nối với cực dương của nguồn trong chăn nuôi bò sữa và nông nghiệp hữu cơ. điện một chiều. Điện cực âm (cathode) là điện cực Trong phạm vi bài báo này, nhóm tác giả tập nối với cực âm của nguồn điện một chiều, là nơi trung nghiên cứu chế tạo, khảo sát và xây dựng các cation chạy về và xảy ra quá trình khử. Khi đường chuẩn nồng độ cho các chế độ hoạt động của nối hai điện cực với nguồn điện một chiều, điện máy tạo ion đồng bằng nguyên lý điện phân với hai cực dương sẽ bị tan ra, bị ăn mòn dần theo thời điện cực bằng đồng, được đảo cực luân phiên, với gian và phải thay thế. mục đích chủ động kiểm soát được nồng độ ion Bởi vậy, để tăng thời gian sử dụng điện cực đồng, vừa có khả năng ức chế sự phát triển của vi dương, trong báo cáo này, cả hai điện cực trong sinh vật gây hại cho nguồn nước nhưng vẫn nằm máy điện phân đều là đồng, lần lượt được là cực trong ngưỡng an toàn cho sự sống của tôm, cá,.... âm và cực dương định kỳ và tan đều. Nguyên lý 2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU hoạt động và cấu tạo của máy điện phân hai điện TẠO CỦA MÁY ĐIỆN PHÂN ION ĐỒNG cực bằng đồng tan đảo cực luân phiên và các 2.1. Nguyên lý điện phân và hoạt động. quá trình điện cực được minh họa trong hình 1 Một thiết bị điện phân cấu tạo gồm 2 điện cực: và hình 2. Hình 1. Nguyên lý điện phân và hoạt động Hình 2. Các quá trình điện cực trong máy điện phân máy điện phân hai điện cực bằng đồng tan hai điện cực bằng đồng tan đảo cực luân phiên đảo cực luân phiên Nồng độ ion đồng được giải phóng khỏi các không hòa tan là Cu(OH)2 , kết tủa lắng xuống. điện cực tuân theo định luật Faraday cho điện Điều này giúp chủ động tạo nồng độ ion thích phân. Định luật này là cơ sở để viết phần mềm hợp mà vẫn tránh được hiện tượng tạo nồng độ Arduino cho khối điều khiển của máy. quá cao “điểm nóng” như trong sử dụng ion Điểm đặc biệt máy điện phân là ion Cu2+ đồng từ hóa chất. Đặc biệt, ion Cu2+ tạo ra bằng được kiểm soát dễ dàng bởi hai kỹ thuật. Thứ phương pháp điện phân không thay đổi pH của nhất, là chủ động kiểm soát bằng thời gian, dòng môi trường, có thể sử dụng trong diện tích nuôi điện phân. Thứ hai, là kỹ thuật điện phân có trồng rộng bằng việc sử dụng tích hợp pin mặt kiểm soát thụ động của thiết bị cho phép tạo ra trời và kiểm soát được thời gian áp dụng kết nối nồng độ ion thích hợp với yêu cầu kháng khuẩn bluetooth. hiệu quả là 40 ppb (Toshio Takeuchi, 2017). 2.2. Cấu tạo Thêm nữa, chế độ kiểm soát thụ động của thiết Máy có bộ phận chính là khối nguồn, khối điều bị cho phép dễ dàng điều chỉnh được nồng độ khiển và các bản cực. Nguyên lý hoạt động và cấu của ion đồng, giữ nồng độ ion đồng trong nước tạo của máy được thể hiện trên hình 3 và 4. Thông dưới 103 ppb, bởi vì nếu nồng độ ion đồng lớn số kỹ thuật chung của máy được thể hiện trong hơn 103 ppb thì ion này sẽ chuyển thành dạng bảng 1. KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 85 (9/2023) 103
Hình 3. Sơ đồ khối nguyên lý cấu tạo của máy Hình 4. Máy điện phân tạo ion đồng, hai điện cực đồng đảo cực tan luân phiên Bảng 1. Các thông số kỹ thuật chung của máy điện phân ion đồng STT Thông số Giá trị 1 Nguồn điện đầu vào 220 VAC – 60 Hz 2 Nguồn điện đầu ra 2-10 VDC 3 Dòng điện phân tối đa 50 mA 4 Công suất tiêu thụ ≤ 10W/h 5 Nồng độ ion đồng tạo ra ≤ 12mg/h 6 Kích thước các điện cực (Dài x Rộng x Cao): 170 x 25 x 2mm 7 Kích thước máy (Dài x Rộng x Cao): 200 x 120 x 75 mm 8 Trọng lượng 1 kg Nguồn điện là nguồn lấy từ mạng điện tiêu 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN dùng qua bộ biến đổi nguồn đầu ra bộ biến đổi là 3.1. Nồng độ ion đồng được giải phóng khỏi điện một chiều 12VDC. Nguồn này được cấp cho các điện cực bộ phát xung từ đó hạ áp xuống 5VDC cấp cho bộ Nồng độ ion đồng được giải phóng khỏi các điện xử lý trung tâm. Bộ xử lý trung tâm nhận tín hiệu cực phụ thuộc vào điện áp đặt vào giữa 2 bản cực, từ các khối chức năng để điều khiển bộ phát xung dòng điện chạy qua bản cực và thời gian điện phân. nhằm khống chế lượng ion đồng thoát ra từ bản Trong báo cáo này, các giá trị điện áp đặt vào giữa 2 bản cực được thay đổi từ 5 V đến 8,5 V, dòng điện cực theo ý muốn. được thay đổi từ 0,024 A đến 0,046 A, và thời gian Máy được thiết kế với 2 chế độ hoạt động điện phân được lựa chọn là 15 phút (bảng 2). (hình 4). Ở chế độ Manual, hệ thống sẽ sử dụng Khoảng giá trị điện áp này được nhiều nhóm nghiên các xung PWM từ Esp32 cho Module L298 để cứu lựa chọn cho mục đích điện phân đồng, bạc với điều chỉnh điện áp hoạt động của máy. Điện áp mục đích diệt khuẩn (Susana Silva Martínez, 2003). càng lớn, nồng độ ion đồng càng cao và ngược Kết quả tính toán cho thấy, nồng độ ion đồng được lại. Với chế độ Auto, máy sẽ hoạt động ở mức giải phóng khỏi các điện cực, tính theo định luật điện áp cố định. Khi đó, chỉ cần nhập thể tích Faraday, có giá trị nằm trong khoảng từ 0,11 đến của dung dịch cần điện phân qua bàn phím, thì 0,23 mmol/h. Nồng độ ion đồng sẽ tăng tuyến tính bộ xử lí sẽ nhận giá trị và tính toán thời gian theo thời gian điện phân. Tuy nhiên, đây là nồng độ điện phân của máy để có nồng độ ion đồng ion đồng được giải phóng khỏi các điện cực trong thích hợp. Khi quá trình điện phân kết thúc, hệ một đơn vị thời gian. Nồng độ ion đồng thực còn thống sẽ thông báo cho người dùng biết qua phụ thuộc các yếu tố khác như: môi trường, thể tích màn hình LCD. nước, thời gian điện phân,... 104 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 85 (9/2023)
Bảng 2. Thông số điện áp, dòng điện và nồng độ ion đồng được giải phóng khỏi các điện cực trong thời gian điện phân 15 phút Thời gian điện phân Nồng độ ion Cu2+ Chế độ máy Điện áp ra (V) Dòng điện (A) (phút) (mmol/s) 1 5.0 0.024 15 0.11 2 5.5 0.026 15 0.13 3 6.0 0.030 15 0.14 4 6.5 0.033 15 0.15 5 7.0 0.037 15 0.18 6 7.5 0.04 15 0.19 7 8.0 0.042 15 0.20 8 8.5 0.046 15 0.22 3.2. Nồng độ ion đồng thực trong thể tích Nhận thấy, nồng độ ion Cu2+, khi điện phân 9 lít nước nhất định nước ở chế độ điện áp 5V trong thời gian 15 phút, có Trong báo cáo này, môi trường nước sinh hoạt giá trị 0,21 mg/l nằm trong ngưỡng an toàn đối với với thể tích được chọn để nghiên cứu là 9 lít. Thời tôm, cá,… (0,15 – 0,20 mg/l) (Toshio Takeuchi, 2017). gian điện phân được chọn là 15 phút, 30 phút, 45 Vì vậy, báo cáo tập trung vào khảo sát chế độ hoạt phút. Điện áp đặt vào 2 bản cực được thay đổi từ 5 động của máy với điện áp cấp cho các điện cực là 5V. V đến 7V, dòng điện được thay đổi từ 0,024A đến Bảng 3 thể hiện nồng độ của ion đồng được tạo 0,46A. Nồng độ ion đồng trong dung dịch được đo ra trong 9 lít nước sinh hoạt, được điện phân trong bằng máy phương pháp so màu trên máy quang các khoảng thời gian khác nhau. Điện áp cấp cho phổ DR900, thu được các kết quả sau. các điện cực trong các chế độ khảo sát này là 5V. Nồng độ ion đồng có giá trị trong khoảng 0,21 Kết quả cho thấy, nồng độ ion đồng nằm trong đến 0,51 mg/l, khi tiến hành điện phân trong thời ngưỡng an toàn cho tôm, cá,… (Toshio Takeuchi, gian 15 phút. Tăng thời gian điện phân lên 30 2017), khi được điện phân trong khoảng thời gian phút, thì nồng độ ion đồng có giá trị từ 0,28 đến nhỏ hơn hoặc bằng 20 phút. Kết quả khảo sát cũng 0,81 mg/l. Khoảng biến thiên từ 0,52 đến 0,90 cho thấy, nồng độ ion đồng tăng khá tuyến tính mg/l là nồng độ ion đồng thu được khi tăng thời theo thời gian, phù hợp với định luật Faraday cho gian lên đến 45 phút. quá trình điện phân. Bảng 3. Nồng độ ion đồng khi điện phân 9 lít nước với điện áp 5V cấp cho các bản cực trong khoảng thời gian khác nhau Điện áp ra (V) Dòng điện (A) Thời gian điện phân (phút) Nồng độ ion Cu2+ (mg/l) 5,0 0,024 5 0,07 5,0 0,024 10 0,14 5,0 0,024 15 0,20 5,0 0,024 20 0,25 5,0 0,024 30 0,32 3.3. Đường chuẩn nồng độ ion đồng cho các nồng độ ion cho chế độ điện phân 5V trong 9 lít chế độ hoạt động của máy nước theo thời gian. Điện áp 5V được các nhóm Hình 5 thể hiện nồng độ ion đồng được tạo ra nghiên cứu Từ kết quả fit dữ liệu, dễ dàng ngoại bởi máy điện phân khi điện phân 9 lít nước theo suy được nồng độ ion đồng khi biết thời gian điện thời gian. Fit dữ liệu này, thu được đường chuẩn phân, và ngược lại biết được nồng độ ion đồng có KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 85 (9/2023) 105
thể ngoại suy được thời gian điện phân ở chế độ Phương trình trên cho biết nồng độ ion đồng điện áp cấp cho các điện cực là 5V. Kết quả cho được giải phóng khỏi các điện cực, khi điện phân thấy nồng độ ion đồng phụ thuộc thời gian điện 9 lít nước ở chế độ điện áp 5V trong các khoảng phân theo phương trình tuyến tính sau: thời gian khác nhau. Kết quả ngoại suy được thể [Cu2+]=0,013+0,0122*t(mg/l) (1) hiện trong bảng 4. Tính toán cho thấy, nồng độ ion đồng hoàn toàn được chủ động kiểm soát bằng điện áp và thời gian. Nồng độ 0,6 mg/l được tạo ra khi điện phân 50 phút, được nhóm (Susana Silva Martínez, 2003) nghiên cứu khả năng diệt vi khuẩn trong nước. Bên cạnh đó, cũng từ kết quả thu được từ bảng 4, sử dụng định luật đương lượng trong hóa học N1V1 = N2 V2 (Pham Tran Nguyen Nguyen, 2023), (David Rohindra et al, 2020) có thể dễ dàng ngoại suy được nồng độ của ion đồng theo thể tích dung dịch điện phân bất kỳ theo nhu cầu sử dụng. Trong đó, N1 là nồng độ ion trong V1 = 9 lít nước được điện phân với điện áp 5V. Bảng 5 minh họa Hình 5. Nồng độ ion Cu2+ được giải phóng khỏi kết quả ngoại suy nồng độ ion đồng tạo ra trong điện cực khi điện phân 9 lít nước sinh hoạt với các thể tích nước khác nhau khi được điện phân điện áp 5V cấp cho các điện cực trong các khoảng trong 5 phút. thời gian khác nhau Bảng 4. Nồng độ ion đồng khi điện phân 9 lít nước với điện áp 5V cấp cho các bản cực trong các khoảng thời gian khác nhau Điện áp ra (V) Dòng điện (A) Thời gian điện phân (phút) Nồng độ ion Cu2+ (mg/l) 5,0 0,024 35 0,44 5,0 0,024 40 0,50 5,0 0,024 45 0,56 5,0 0,024 50 0,61 5,0 0,024 55 0,68 Bảng 5. Nồng độ ion Cu2+ khi điện phân các thể tích nước khác nhau với điện áp 5V cấp cho các bản cực trong khoảng thời gian 5 phút Thể tích nước cần điện phân (lít) 18 27 36 45 54 Nồng độ ion Cu2+ (mg/l) 0,035 0,023 0,018 0,034 0,012 4. KẾT LUẬN Auto, cho phép điều chỉnh điện áp hoặc chọn thể Bài báo tập trung nghiên cứu chế tạo máy điện tích nước phủ hợp với nồng độ ion đồng được tạo ra phân tạo ion đồng, khai thác tính ưu việt của hiệu trong quá trình điện phân. Kết quả khảo sát cho thấy, ứng đảo cực luân phiên giữa hai điện cực đồng và điện phân 9 lít nước từ 10 phút đến 15 phút với điện xây dựng đường chuẩn nồng độ ion đồng cho các áp 5V tạo ra được nồng độ ion đồng trong khoảng chế độ hoạt động của máy. Ưu điểm nổi bật của máy 0,14 đến 0,20 mg/lít, đây là khoảng nồng độ thích là dễ dàng, chủ động kiểm soát được nồng độ ion hợp cho làm sạch nguồn nước mà vẫn an toàn cho đồng bằng điện áp hoặc dòng điện. Máy được thiết tôm, cá,…trong nuôi trồng thủy sản. Đường chuẩn kế hai chế độ hoạt động, chế độ Manual và chế độ nồng độ theo thời gian cho chế độ điện phân 5V 106 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 85 (9/2023)
trong 9 lít nước cũng được xây dựng từ khảo sát này. ion đồng theo thể tích dung dịch điện phân bất kỳ Trên cơ sở đó, sử dụng định luật đương lượng trong theo nhu cầu sử dụng. Kết quả này, cho phép chủ hóa học, có thể dễ dàng ngoại suy được nồng độ của động kiểm soát được nồng độ ion đồng thích hợp. TÀI LIỆU THAM KHẢO Pham Tran Nguyen Nguyen, (2023), Kỹ thuật phân tích thể tích (phương pháp chuẩn độ), Trường Đại học Lạc Hồng. Susana Silva Martínez, Alberto Alvarez Gallegos, Esteban Martínez, (2004), Electrolytically generated silver and copper ions to treat cooling water: an environmentally friendly novel alternative, International Journal of Hydrogen Energy 29, pp 921–932. Edward J. Noga, M.S., D.V.M, (2010), Fish disease: diagnosis and treatment, Second Edition, ISBN 978-0-8138-0697-6. Xu FF, Imlay JA (2012) Silver (I), Mercury (II), Cadmium (II), and Zinc (II) target exposed enzymic iron-sulfur clusters when they toxify escherichia coli, Appl Environ Microbiol 78(10):3614– 3621. https://doi.org/10.1128/AEM.07368-11. Jacob Bregnballe, ( 2015), A guide to Recirculation Aquaculture, FAO and EUROFISH. Toshio Takeuchi, (2017), Application of Recirculating Aquaculture Systems in Japan, Fisheries S cience Series, ISBN 978-4-431- 56583-3. Zoroddu MA, Aaseth J, Crisponi G, Medici S, Peana M, Nurchi VM, (2019), The essential metals for humans: a brief overview. J Inorg Biochem 195:120–129. https://doi.org/10.1016/j.jinorgbio.2019.03.013. S.M.E.Rahman, Hasan Mohammad Murshed,(2019), Application of Electrolyzed Water on Livestock, Electrolyzed Water in Food: Fundamentals and Applications (pp.205-222). David Rohindra, Roselyn Lata, (2020), Volume Analysis-Titration for beginners, Pacific studies press, ISBN 9789821010696. Pianpian Yan, Ramachandran Chelliah, Kyoung hee Jo and Deog Hwan Oh, (2021), Research Trends on the Application of Electrolyzed Water in Food Preservation and Sanitation, Processes 9(12), 2240; https://doi.org/10.3390/pr9122240. Abstract: MANUFACTURE, SURVEY AND CONSTRUCTION THE STANDARD CONTENTS OF COOPER ION GENERATOR APPLIED IN WATER TREATMENT FOR SEAFOOD INDUSTRY The machine to generate ion copper uses DC power to supply two copper electrodes, which are alternately reversed, to promote the alternating copper deionization process at each electrode and release copper ions into the aqueous environment. The article presents the effect of copper ions in environmental treatment in general and aquaculture water in particular, the structure and operating principle and technical parameters of the copper ion generator, its advantages and disadvantages of the electrode reversal effect for the plates of the same material, as well as the operating modes shown by the copper ion concentration calibration curve built from experimental data. Keywords: Copper ion, Cu2+, electrolyte, ion concentration, copper electrode. Ngày nhận bài: 19/7/2023 Ngày chấp nhận đăng: 12/9/2023 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 85 (9/2023) 107