KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 85 (9/2023)
102
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 *
Làm sạch nguồn nước và không khí là một
trong những vấn đề cấp thiết mang tính toàn cầu,
đặc biệt trong bối cảnh ô nhiễm môi trường và
biến đổi khí hậu ở mức đáng lo ngại như hiện nay.
Sử dụng hoá chất là cách phổ biến, thông dụng
nhất trong xử lý môi trường. Tuy nhiên, các hoá
chất dư thừa này có thể tác động xấu đến môi
trường và sức khoẻ con người. Bởi vậy, giải pháp
thay thế hoá chất bằng các nguồn nguyên liệu thân
thiện với môi trường là vô cùng cần thiết. Ion
đồng được biết đến là nguồn nguyên liệu thân
thiện trong xử lý môi trường, nguồn nước sinh
hoạt, công nghiệp, nông nghiệp đặc biệt là trong
nuôi trồng thủy sản, khả năng kháng nấm, diệt ký
sinh trùng, vi sinh vật có hại. Ion Cu2+ có khả
năng tạo ra các gốc hydroxyl tự do có hoạt tính
cực mạnh khi tác dụng với H2O2 trong tế bào
sống, có tác dụng oxy hóa protein và lipid, dẫn
đến tiêu diệt được các cơ thể sống có cấu trúc đơn
giản như vi khuẩn, virus, tảo, nấm/ký sinh trùng
(Xu et al, 2012), (Jacob Bregnballe, 2015), (Toshio
Takeuchi, 2017), (Zoroddu et al, 2019), (Yermale,
2020). Ion Cu2+ còn có khả năng bất hoạt các phân
1 Bộ môn Vật lý, khoa Điện - Điện tử, trường Đại học
Thủy lợi
2 Viện Vật lý, Viện KH&CN Việt Nam
3 Công ty TNHH PTTM&DV Minh Phú
tử H2S và phân tử thiol, là thành phần chính gây
mùi trong các nguồn nước, các bãi rác, chất
thải,…, đem lại sự trong lành cho môi trường
(Toshio Takeuchi, 2017). Để chủ động kiểm soát
được nồng độ ion đồng nằm trong ngưỡng an
toàn, máy điện phân được lựa chọn là giải pháp
hữu ích thay thế cho hóa chất CuSO4 như cách
xử lý truyền thống.
Trong nước, máy điện phân nước được kỹ sư
Nguyễn Đình Cường - Viện Công nghệ Môi
trường (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam) nghiên cứu từ năm 2003 đến nay, được
thử nghiệm vệ sinh chuồng trại lợn, đã thu được
những thành công nhất định. Gần đây, nghiên cứu
“điện phân nước cho chăn nuôi” lần đầu được Tập
đoàn Kangaroo triển khai trên diện rộng, không
chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn là giải pháp hữu
ích trong chăn nuôi hữu cơ (https://ietvn.vn/tin-
tuc/Ung-dung-cong-nghe-dien-phan-nuoc-trong-
chan-nuoi/3734.asp).
Trên thế giới, công nghệ nước điện phân được
ứng dụng khá rộng rãi ở các nước phát triển (Nga,
Mỹ, Nhật, Hàn, Tây Âu...) trong nhiều lĩnh vực
như y tế, đời sống, chăn nuôi, trồng trọt, chế biến
thực phẩm, (Edward J. Noga et al, 2010), (Toshio
Takeuchi, 2017),… Tại Hàn Quốc, Nhật Bản, loại
nước này còn dùng để rửa sạch hoa quả, bảo quản
hạt và thực vật lâu hơn mà không cần chất phụ gia,
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 85 (9/2023)
103
diệt nấm và sâu bệnh trên cây trồng (Pianpian Yan
et al, 2021). Ở châu Âu, nước điện phân được dùng
trong chăn nuôi bò sữa và nông nghiệp hữu cơ.
Trong phạm vi bài báo này, nhóm tác giả tập
trung nghiên cứu chế tạo, khảo sát và xây dựng
đường chuẩn nồng độ cho các chế độ hoạt động của
máy tạo ion đồng bằng nguyên lý điện phân với hai
điện cực bằng đồng, được đảo cực luân phiên, với
mục đích chủ động kiểm soát được nồng độ ion
đồng, vừa có khả năng ức chế sự phát triển của vi
sinh vật gây hại cho nguồn nước nhưng vẫn nằm
trong ngưỡng an toàn cho sự sống của tôm, cá,....
2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU
TẠO CỦA MÁY ĐIỆN PHÂN ION ĐỒNG
2.1. Nguyên lý điện phân và hoạt động.
Một thiết bị điện phân cấu tạo gồm 2 điện cực:
điện cực dương và điện cực âm. Điện cực dương
(anode) là điện cực nối với cực dương của nguồn
điện một chiều. Điện cực âm (cathode) là điện cực
nối với cực âm của nguồn điện một chiều, là nơi
các cation chạy về và xảy ra quá trình khử. Khi
nối hai điện cực với nguồn điện một chiều, điện
cực dương sẽ bị tan ra, bị ăn mòn dần theo thời
gian và phải thay thế.
Bởi vậy, để tăng thời gian sử dụng điện cực
dương, trong báo cáo này, cả hai điện cực trong
máy điện phân đều là đồng, lần lượt được là cực
âm và cực dương định kỳ và tan đều. Nguyên lý
hoạt động và cấu tạo của máy điện phân hai điện
cực bằng đồng tan đảo cực luân phiên và các
quá trình điện cực được minh họa trong hình 1
và hình 2.
Hình 1. Nguyên lý điện phân và hoạt động
máy điện phân hai điện cực bằng đồng tan
đảo cực luân phiên
Hình 2. Các quá trình điện cực trong máy điện phân
hai điện cực bằng đồng tan đảo cực luân phiên
Nồng độ ion đồng được giải phóng khỏi các
điện cực tuân theo định luật Faraday cho điện
phân. Định luật này là cơ sở để viết phần mềm
Arduino cho khối điều khiển của máy.
Điểm đặc biệt máy điện phân là ion Cu2+
được kiểm soát dễ dàng bởi hai kỹ thuật. Thứ
nhất, là chủ động kiểm soát bằng thời gian, dòng
điện phân. Thứ hai, là kỹ thuật điện phân có
kiểm soát thụ động của thiết bị cho phép tạo ra
nồng độ ion thích hợp với yêu cầu kháng khuẩn
hiệu quả là 40 ppb (Toshio Takeuchi, 2017).
Thêm nữa, chế độ kiểm soát thụ động của thiết
bị cho phép dễ dàng điều chỉnh được nồng độ
của ion đồng, giữ nồng độ ion đồng trong nước
dưới 103 ppb, bởi vì nếu nồng độ ion đồng lớn
hơn 103 ppb thì ion này sẽ chuyển thành dạng
không hòa tan là Cu(OH)2, kết tủa lắng xuống.
Điều này giúp chủ động tạo nồng độ ion thích
hợp mà vẫn tránh được hiện tượng tạo nồng độ
quá cao “điểm nóng” như trong sử dụng ion
đồng từ hóa chất. Đặc biệt, ion Cu2+ tạo ra bằng
phương pháp điện phân không thay đổi pH của
môi trường, có thể sử dụng trong diện tích nuôi
trồng rộng bằng việc sử dụng tích hợp pin mặt
trời và kiểm soát được thời gian áp dụng kết nối
bluetooth.
2.2. Cấu tạo
Máy có bộ phận chính là khối nguồn, khối điều
khiển và các bản cực. Nguyên lý hoạt động và cấu
tạo của máy được thể hiện trên hình 3 và 4. Thông
số kỹ thuật chung của máy được thể hiện trong
bảng 1.
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 85 (9/2023)
104
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
dùng qua bộ biến đổi nguồn đầu ra bộ biến đổi là
điện một chiều 12VDC. Nguồn này được cấp cho
bộ phát xung từ đó hạ áp xuống 5VDC cấp cho bộ
xử lý trung tâm. Bộ xử lý trung tâm nhận tín hiệu
từ các khối chức năng để điều khiển bộ phát xung
nhằm khống chế lượng ion đồng thoát ra từ bản
cực theo ý muốn.
Máy được thiết kế với 2 chế độ hoạt động
(hình 4). Ở chế độ Manual, hệ thống sẽ sử dụng
các xung PWM từ Esp32 cho Module L298 để
điều chỉnh điện áp hoạt động của máy. Điện áp
càng lớn, nồng độ ion đồng càng cao và ngược
lại. Với chế độ Auto, máy sẽ hoạt động ở mức
điện áp cố định. Khi đó, chỉ cần nhập thể tích
của dung dịch cần điện phân qua bàn phím, thì
bộ xử lí sẽ nhận giá trị và tính toán thời gian
điện phân của máy để có nồng độ ion đồng
thích hợp. Khi quá trình điện phân kết thúc, hệ
thống sẽ thông báo cho người dùng biết qua
màn hình LCD.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nồng độ ion đồng được giải phóng khỏi
các điện cực
Nồng độ ion đồng được giải phóng khỏi các điện
cực phụ thuộc vào điện áp đặt vào giữa 2 bản cực,
dòng điện chạy qua bản cực và thời gian điện phân.
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
được thay đổi từ 0,024 A đến 0,046 A, và thời gian
điện phân được lựa chọn là 15 phút (bảng 2).
Khoảng giá trị điện áp này được nhiều nhóm nghiên
cứu lựa chọn cho mục đích điện phân đồng, bạc với
mục đích diệt khuẩn (Susana Silva Martínez, 2003).
Kết quả tính toán cho thấy, nồng độ ion đồng được
giải phóng khỏi các điện cực, tính theo định luật
Faraday, có giá trị nằm trong khoảng từ 0,11 đến
0,23 mmol/h. Nồng độ ion đồng sẽ tăng tuyến tính
theo thời gian điện phân. Tuy nhiên, đây là nồng độ
ion đồng được giải phóng khỏi các điện cực trong
một đơn vị thời gian. Nồng độ ion đồng thực còn
phụ thuộc các yếu tố khác như: môi trường, thể tích
nước, thời gian điện phân,...
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 85 (9/2023)
105
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
Chế độ máy Điện áp ra (V) Dòng điện (A)
Thời gian điện phân
(phút)
Nồng độ ion Cu2+
(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
nước nhất định
Trong báo cáo này, môi trường nước sinh hoạt
với thể tích được chọn để nghiên cứu là 9 lít. Thời
gian điện phân được chọn là 15 phút, 30 phút, 45
phút. Điện áp đặt vào 2 bản cực được thay đổi từ 5
V đến 7V, dòng điện được thay đổi từ 0,024A đến
0,46A. Nồng độ ion đồng trong dung dịch được đo
bằng máy phương pháp so màu trên máy quang
phổ DR900, thu được các kết quả sau.
Nồng độ ion đồng có giá trị trong khoảng 0,21
đến 0,51 mg/l, khi tiến hành điện phân trong thời
gian 15 phút. Tăng thời gian điện phân lên 30
phút, thì nồng độ ion đồng có giá trị từ 0,28 đến
0,81 mg/l. Khoảng biến thiên từ 0,52 đến 0,90
mg/l là nồng độ ion đồng thu được khi tăng thời
gian lên đến 45 phút.
Nhận thấy, nồng độ ion Cu2+, khi điện phân 9 lít
nước ở chế độ điện áp 5V trong thời gian 15 phút, có
giá trị 0,21 mg/l nằm trong ngưỡng an toàn đối với
tôm, cá,… (0,15 – 0,20 mg/l) (Toshio Takeuchi, 2017).
Vì vậy, báo cáo tập trung vào khảo sát chế độ hoạt
động của máy với điện áp cấp cho các điện cực là 5V.
Bảng 3 thể hiện nồng độ của ion đồng được tạo
ra trong 9 lít nước sinh hoạt, được điện phân trong
các khoảng thời gian khác nhau. Điện áp cấp cho
các điện cực trong các chế độ khảo sát này là 5V.
Kết quả cho thấy, nồng độ ion đồng nằm trong
ngưỡng an toàn cho tôm, cá,… (Toshio Takeuchi,
2017), khi được điện phân trong khoảng thời gian
nhỏ hơn hoặc bằng 20 phút. Kết quả khảo sát cũng
cho thấy, nồng độ ion đồng tăng khá tuyến tính
theo thời gian, phù hợp với định luật Faraday cho
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
chế độ hoạt động của máy
Hình 5 thể hiện nồng độ ion đồng được tạo ra
bởi máy điện phân khi điện phân 9 lít nước theo
thời gian. Fit dữ liệu này, thu được đường chuẩn
nồng độ ion cho chế độ điện phân 5V trong 9 lít
nước theo thời gian. Điện áp 5V được các nhóm
nghiên cứu Từ kết quả fit dữ liệu, dễ dàng ngoại
suy được nồng độ ion đồng khi biết thời gian điện
phân, và ngược lại biết được nồng độ ion đồng có
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 85 (9/2023)
106
thể ngoại suy được thời gian điện phân ở chế độ
điện áp cấp cho các điện cực là 5V. Kết quả cho
thấy nồng độ ion đồng phụ thuộc thời gian điện
phân theo phương trình tuyến tính sau:
[Cu2+]=0,013+0,0122*t(mg/l) (1)
Hình 5. Nồng độ ion Cu2+ được giải phóng khỏi
điện cực khi điện phân 9 lít nước sinh hoạt với
điện áp 5V cấp cho các điện cực trong các khoảng
thời gian khác nhau
Phương trình trên cho biết nồng độ ion đồng
được giải phóng khỏi các điện cực, khi điện phân
9 lít nước ở chế độ điện áp 5V trong các khoảng
thời gian khác nhau. Kết quả ngoại suy được thể
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 = N2V2 (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
kết quả ngoại suy nồng độ ion đồng tạo ra trong
các thể tích nước khác nhau khi được điện phân
trong 5 phút.
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
Bài báo tập trung nghiên cứu chế tạo máy điện
phân tạo ion đồng, khai thác tính ưu việt của hiệu
ứng đảo cực luân phiên giữa hai điện cực đồng và
xây dựng đường chuẩn nồng độ ion đồng cho các
chế độ hoạt động của máy. Ưu điểm nổi bật của máy
là dễ dàng, chủ động kiểm soát được nồng độ ion
đồng bằng điện áp hoặc dòng điện. Máy được thiết
kế hai chế độ hoạt động, chế độ Manual và chế độ
Auto, cho phép điều chỉnh điện áp hoặc chọn thể
tích nước phủ hợp với nồng độ ion đồng được tạo ra
trong quá trình điện phân. Kết quả khảo sát cho thấy,
điện phân 9 lít nước từ 10 phút đến 15 phút với điện
áp 5V tạo ra được nồng độ ion đồng trong khoảng
0,14 đến 0,20 mg/lít, đây là khoảng nồng độ thích
hợp cho làm sạch nguồn nước mà vẫn an toàn cho
tôm, cá,…trong nuôi trồng thủy sản. Đường chuẩn
nồng độ theo thời gian cho chế độ điện phân 5V