Nghiên cứu ảnh hưởng của tần số xung điện áp hình chữ nhật đến hiệu quả xử lý nước điện hóa cho tháp giải nhiệt trong hệ thống water chiller

Nghiên cứu ảnh hưởng của tần số xung điện áp hình chữ nhật đến hiệu quả xử lý nước điện hóa cho tháp giải nhiệt trong hệ thống water chiller Nghiên cứu ảnh hưởng của tần số xung điện áp hình chữ nhật đến hiệu quả xử lý nước điện hóa cho tháp giải nhiệt trong hệ thống water chiller Nghiên cứu ảnh hưởng của tần số xung điện áp hình chữ nhật đến hiệu quả xử lý nước điện hóa cho tháp giải nhiệt trong hệ thống water chiller

TỔNG QUAN

Tổng quan về hướng nghiên cứu

1.1.1 Tổng quan về xử lý nước làm mát của tháp giải nhiệt trong hệ thống chiller giải nhiệt nước

Tháp giải nhiệt là một phần quan trọng trong các hệ thống lạnh sử dụng nước, nơi nhiệt được tản ra không khí qua quá trình làm mát bay hơi Tuy nhiên, tháp giải nhiệt tiêu thụ nhiều nước và chất lượng nước ảnh hưởng lớn đến hiệu quả làm mát và trao đổi nhiệt Nước cấp bổ sung có chứa cation kim loại có thể tích lũy và làm tăng độ cứng, dẫn đến các vấn đề như hình thành cáu cặn, phát triển vi sinh vật, ăn mòn và tiêu hao nước Đặc biệt, cáu cặn trên bề mặt thiết bị truyền nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất truyền nhiệt và hệ số hiệu suất COP của hệ thống Nguyên nhân chính là do sự hiện diện của các ion nước cứng, khi nồng độ quá cao sẽ gây kết tủa bám trên bề mặt Do đó, việc xử lý nước làm mát để giảm độ cứng tổng là cần thiết nhằm đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống.

Có nhiều phương pháp làm mềm nước và hạn chế hình thành vảy bám như sử dụng hóa chất, trao đổi ion, thẩm thấu ngược và các công nghệ lọc hiện đại Những phương pháp này giúp bảo vệ thiết bị trao đổi nhiệt và tháp giải nhiệt, tuy nhiên, hệ thống vẫn cần xả đáy, bảo trì và cung cấp nước sạch để duy trì chất lượng Việc sử dụng hóa chất có thể dẫn đến vấn đề xử lý chất thải và ô nhiễm môi trường Hiện nay, công nghệ xử lý nước điện hóa đang nổi bật với những lợi ích tiềm năng, bao gồm loại bỏ hoàn toàn hóa chất xử lý khoáng chất và giảm thiểu ăn mòn.

Tăng hiệu quả làm mát bằng cách ngăn chặn sự đóng cáu cặn trên đường ống, giúp cải thiện truyền nhiệt Điều này không chỉ tiết kiệm nước mà còn giảm chi phí nước bằng cách giảm lượng xả đáy cần thiết, cho phép hệ thống hoạt động tuần hoàn trong thời gian dài.

1.1.2 Tổng quan các nghiên cứu liên quan đề tài Đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của tần số xung điện áp hình chữ nhật đến hiệu quả xử lý nước điện hóa cho tháp giải nhiệt trong hệ thống water chiller" trước đó đã có những nghiên cứu liên quan như sau:

Becker và cộng sự [4] đã chỉ ra rằng quá trình điện hóa đưa ion hydroxyl vào nước làm mát tuần hoàn dẫn đến chuyển hóa bicarbonate thành cacbonat, từ đó thúc đẩy kết tủa Canxi cacbonat Mật độ dòng điện và lượng điện năng cung cấp trên diện tích của một tế bào điện phân đóng vai trò quan trọng trong động học của các phản ứng điện hóa Việc tối đa hóa lưu lượng cũng giúp trộn đều các cụm ion, đạt được nồng độ đồng nhất trong toàn bộ nước tháp giải nhiệt và đảm bảo chuyển động đồng đều từ nước tháp sang bộ xử lý.

Abdel-Shafy và cộng sự đã nghiên cứu xử lý nước xả đáy tháp giải nhiệt bằng phương pháp điện phân sử dụng điện cực Magiê Hệ thống gồm hai điện cực song song với diện tích bề mặt 65 cm², hoạt động ở chế độ đơn cực trong bể phản ứng 0,6 lít, với khoảng cách 1 cm và kết nối với nguồn điện 30V/5A Với mật độ dòng điện 142,9 A/m², điện cực Magiê đã loại bỏ 51,80% độ cứng tổng và 93,70% silica, với chi phí vận hành chỉ 0,88 USD/m³ nước đã xử lý Phương pháp này cho thấy khả năng ứng dụng hiệu quả trong việc xử lý nước xả đáy nhằm tái sử dụng, tuy nhiên, cần lưu ý rằng điện cực Magiê sẽ bị hao mòn và cần được thay thế định kỳ.

Hafez và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của quá trình điện hóa trong việc loại bỏ các ion cứng và silica hòa tan từ nước xả đáy tháp giải nhiệt Nghiên cứu sử dụng các điện cực Al, Fe và Zn làm cực dương, trong khi thép không gỉ dạng tấm kích thước tương tự được sử dụng làm cực âm Các cặp điện cực được sắp xếp song song để tối ưu hóa hiệu quả xử lý nước.

Trong nghiên cứu này, ba điện cực có kích thước 1 cm, với tổng diện tích bề mặt hiệu dụng 70 cm², được đặt trong bể chứa 0,7 lít Nguồn điện DC kỹ thuật số cung cấp 25V/50A, cho kết quả loại bỏ tối đa 55,36% và 99,54% đối với các ion cứng và silica tương ứng, sử dụng điện cực Al với mật độ dòng điện 142,9 A/m² Mặc dù đạt hiệu quả cao, phương pháp này cần xem xét mức tiêu thụ cao của cực dương và giảm hiệu suất điện cực do sự hình thành màng oxit không dẫn điện.

Nghiên cứu của Liao và cộng sự [7] đã chỉ ra hiệu quả của quá trình điện phân cực dương tan trong việc xử lý nước xả đáy tháp giải nhiệt có chứa silica hòa tan (Si (OH)4), Ca 2+ và Mg 2+ Thí nghiệm được thực hiện với chín điện cực sắt và nhôm đặt song song, khoảng cách 0,4 cm, trong bể phản ứng 0,35 lít Kết quả cho thấy, với mật độ dòng điện 46 A/m 2, điện cực sắt chỉ loại bỏ được 30% Ca 2+ và Mg 2+ so với silica Tuy nhiên, khi sử dụng điện cực nhôm với mật độ dòng 90 A/m 2, quá trình loại bỏ ion cứng đạt 100% Nghiên cứu khẳng định tính hiệu quả của phương pháp này trong việc loại bỏ silica khỏi nước xả đáy tháp, nhưng tính khả thi của việc áp dụng còn phụ thuộc vào chi phí xử lý tổng thể so với chi phí nước ngọt.

Kiichi và cộng sự đã thực nghiệm phương pháp điện phân để loại bỏ ion và làm mềm nước cứng trong tháp giải nhiệt tại Nhật Bản Nghiên cứu sử dụng điện cực Titan với 18 điện cực được lắp đặt xen kẽ giữa cực dương và cực âm Mật độ dòng điện thực nghiệm là 3 A/m², với việc hoán đổi cực thường xuyên để duy trì hiệu suất trong thời gian dài Kết quả cho thấy lượng kết tủa loại bỏ khoảng 12-14 g/giờ, với hiệu suất loại bỏ ion nước cứng đạt khoảng 10% mà không có sự khác biệt đáng kể giữa các khu vực Dựa trên ước tính này, khối lượng kết tủa hàng năm được ước tính từ 105 đến 123 kg/năm.

4 có khả năng loại bỏ lượng kết tủa lớn tương ứng có thể thu được, tuy nhiên hiệu suất trung bình vẫn còn thấp cần được cải thiện

Nghiên cứu của Rungvavmanee và cộng sự cho thấy hiệu quả của phương pháp xử lý điện phân trong việc cải thiện chất lượng nước làm mát từ tháp giải nhiệt ngành dệt may Thí nghiệm sử dụng 5 cặp điện cực nhôm với diện tích tổng cộng 1047 cm², cách nhau 0,8 cm trong bể phản ứng 2 lít, đã đạt được kết quả khả quan Cụ thể, mật độ dòng điện 25 A/m² giúp giảm 82% độ kiềm, 88% độ cứng Canxi, 81% độ cứng tổng và 64% tổng chất rắn hòa tan, cho thấy nước sau xử lý đủ tiêu chuẩn tái sử dụng Chi phí năng lượng điện cho quá trình này cũng cạnh tranh với chi phí nước ngọt Tuy nhiên, cần nghiên cứu thêm để khắc phục mức tiêu thụ cao của cực dương nhôm và cải thiện hiệu suất điện cực do màng oxit không thấm trước khi điện phân trở thành phương pháp thực tiễn.

Một nghiên cứu của Rungvavmanee và các cộng sự đã sử dụng hệ thống điện hóa theo dãy với bể phản ứng 2 lít và 5 cặp điện cực bằng thép không gỉ 304, có tổng diện tích 1047 cm² và khoảng cách 0,8 cm giữa các điện cực Các thí nghiệm được thực hiện với các mật độ dòng điện khác nhau, trong đó mật độ 7 A/m² cho thấy hiệu quả đáng kể trong việc giảm độ kiềm (59%), độ cứng Canxi (21%), độ cứng rổng (24%) và tổng chất rắn hòa tan (10%) Sự tiêu hao vật liệu cực dương khoảng 30g thép không gỉ trên 1 m³ nước làm mát, cho thấy tiềm năng kinh tế và kỹ thuật của việc xử lý nước làm mát bằng phương pháp điện phân sử dụng thép không gỉ cho cả cực dương và cực âm.

Nghiên cứu của ZHI và cộng sự [11] đã phát triển một hệ thống điện phân Al quy mô phòng thí nghiệm nhằm loại bỏ silica khỏi nước làm mát Hệ thống này bao gồm bộ phản ứng có dung tích 1,5 lít với hai điện cực nhôm được đặt song song, trong khi dòng điện được cung cấp bởi một nguồn điện.

DC kỹ thuật số thủ công Các điều kiện tối ưu là khoảng cách điện cực 2,50 cm, mật

Dòng điện 38,9 A/m² đạt hiệu suất loại bỏ silica 83,243% với mức tiêu thụ điện cực 0,0400 kg/m³ Sự tương tác giữa các thông số cho thấy thời gian phản ứng và mật độ dòng điện là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến các phản ứng Tomberlin và cộng sự đã phát triển bộ xử lý nước luân chuyển sử dụng điện phân nước với dòng điện 15 Ampe, cho phép nước từ vòng chính được xử lý và đưa trở lại tháp giải nhiệt Hệ thống này chỉ cần một máy bơm tuần hoàn nhỏ và đã chứng minh khả năng tiết kiệm nước lên tới 31,6% Chất lượng nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn GSA (United States General Services Administration), đồng thời việc loại bỏ lượng lớn chất rắn giúp cải thiện độ sạch của hệ thống và tạo ra tiết kiệm năng lượng.

Jin và cộng sự [13] đã thực hiện quá trình kết tủa điện hóa đảo ngược cực để loại bỏ cặn lắng trong nước làm mát tuần hoàn, sử dụng hai điện cực titan phủ lớp chống tan với khoảng cách 5 mm trong bể phản ứng 0,1 lít Kết quả cho thấy, với mật độ dòng điện 260 A/m² và lưu lượng nước tuần hoàn 10 lít/giờ, hiệu suất loại bỏ độ cứng tổng đạt 21,4% Phương pháp đảo cực chứng tỏ là một giải pháp hiệu quả trong việc tách cặn trong quá trình điện hóa, cho phép đạt được hiệu quả loại bỏ độ cứng cao hơn với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn.

Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, sự phát triển kinh tế đã nâng cao đời sống con người, dẫn đến sự gia tăng của các tòa nhà, khách sạn và trung tâm thương mại Nhu cầu về hệ thống điều hòa không khí, đặc biệt là Water chiller, ngày càng cao Biến đổi khí hậu với thời tiết cực đoan và nắng nóng kéo dài đã làm cho điện năng tiêu thụ cho hệ thống điều hòa chiếm tỷ lệ lớn trong tổng năng lượng sử dụng của các công trình Trong những năm gần đây, năng lượng tiêu thụ trong các tòa nhà cao tầng tại Việt Nam đã gia tăng đáng kể, vì vậy việc tiết kiệm năng lượng trở nên vô cùng cần thiết.

10 lượng trong các tòa nhà sẽ mang lại lợi ích to lớn về kinh tế, chính trị và cải thiện đời sống xã hội

Theo hướng dẫn áp dụng Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia QCVN 09:2013/BXD

Vào năm 2013, tại Hà Nội, các công trình xây dựng như chung cư, thương mại và văn phòng đã áp dụng các biện pháp sử dụng năng lượng hiệu quả, với cơ cấu sử dụng năng lượng được phân tích rõ ràng cho từng loại công trình.

Bảng 1.1 Cơ cấu sử dụng năng lượng của ba thể loại công trình Chung cư – Thương mại – Văn phòng tại Hà Nội năm 2013 [26] Đơn vị: %

Lĩnh vực sử dụng năng lượng Chung cư Tòa nhà

Tòa nhà Văn Phòng Điều hòa không khí 25 35 34

Năng lượng tiêu thụ trong lĩnh vực điều hòa không khí rất lớn, do đó, việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điều hòa là vô cùng quan trọng để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng Hệ thống làm lạnh water chiller được sử dụng phổ biến trong các trung tâm thương mại, tòa nhà văn phòng và khu giải trí Để nâng cao hiệu suất hoạt động và cải thiện tiêu thụ năng lượng, cần áp dụng các giải pháp kỹ thuật nhằm khắc phục các vấn đề như hệ thống làm lạnh kém, giải nhiệt không hiệu quả và máy nén tiêu thụ điện năng cao Một trong những nguyên nhân chính gây giảm hiệu suất là hiện tượng đóng cáu cặn trên bề mặt thiết bị giải nhiệt, ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số COP của hệ thống.

Việc xử lý cáu cặn trong hệ thống, đặc biệt là tại bình ngưng, là vấn đề cần được chú trọng và thực hiện liên tục Giải pháp này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất hệ thống mà còn thân thiện với môi trường, góp phần tiết kiệm năng lượng hiệu quả.

Một vấn đề quan trọng liên quan đến hệ thống chiller là lượng nước tiêu thụ cho tháp giải nhiệt rất lớn Theo bảng phân tích tiêu thụ nước trong các tòa nhà văn phòng ở Hoa Kỳ, khoảng 28% tổng lượng nước tiêu thụ được sử dụng cho mục đích sưởi ấm và làm mát.

Hình 1.1 Nhu cầu sử dụng nước trong các tòa nhà [12]

Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường, nâng cao hiệu suất và cắt giảm chi phí cho hệ thống lạnh Trong hệ thống làm lạnh Chiller sử dụng bình ngưng, tháp giải nhiệt nước lắp đặt ngoài trời, việc duy trì chất lượng nước ổn định là rất quan trọng để ngăn ngừa sự hình thành cáu cặn trên bề mặt truyền nhiệt Cáu cặn, bao gồm muối hòa tan và vi sinh vật, có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu quả làm mát Sự kết tinh của muối khoáng và sự phát triển của vi khuẩn tạo ra lớp trở nhiệt, dẫn đến tắc nghẽn dòng chảy và yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên.

Để đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống, việc lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt phù hợp và áp dụng các phương pháp xử lý nước hiệu quả là rất quan trọng Trong bối cảnh bảo vệ môi trường ngày càng được chú trọng, cần hạn chế các phương pháp xử lý nước hóa học và tìm kiếm giải pháp thay thế thân thiện với môi trường, đồng thời đảm bảo cân bằng giữa chi phí và lợi ích Công nghệ điện hóa, mặc dù đã tồn tại lâu đời và được ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp, vẫn chưa được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trong hệ thống xử lý nước giải nhiệt tại Việt Nam Đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của tần số xung điện áp hình chữ nhật đến hiệu quả xử lý nước điện hóa cho tháp giải nhiệt trong hệ thống water chiller" sẽ tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của tần số xung sóng chữ nhật trong quá trình điện hóa, cũng như so sánh hiệu quả giữa phương pháp điện hóa xung và điện hóa một chiều truyền thống, cùng với việc xem xét mức tiêu thụ điện năng trong các trường hợp khác nhau.

Mục đích nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giá tác động của xung điện áp dạng sóng chữ nhật đến hiệu quả hệ thống xử lý nước điện hóa cho nước làm mát trong tháp giải nhiệt của hệ thống chiller Các thông số thí nghiệm bao gồm tần số, độ rộng xung điện áp và mật độ dòng điện, cùng với việc xem xét chỉ số TDS, pH và điện năng tiêu thụ Nghiên cứu cũng so sánh hiệu quả của phương pháp xử lý nước điện hóa xung với phương pháp điện hóa một chiều truyền thống.

Nhiệm vụ, đối tượng và giới hạn nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu về ảnh hưởng của cáu cặn đến hiệu quả trao đổi nhiệt trong các thiết bị hệ thống cho thấy cáu cặn có thể làm giảm hiệu suất hoạt động Quá trình hình thành cáu cặn thường xảy ra do sự tích tụ của khoáng chất trong nước, gây cản trở dòng chảy và làm giảm khả năng truyền nhiệt Để xử lý cáu cặn, có nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm hóa chất, cơ học và công nghệ hiện đại, nhằm duy trì hiệu quả hoạt động của hệ thống và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

- Cơ sở lý thuyết của công nghệ điện hóa trong xử lý nước Các quá trình điện hóa, điện hóa xung, quá trình điện cực

- So sánh đánh giá hiệu quả xử lý nước khi thay đổi các giá trị:

Tần số giữa các thí nghiệm có ảnh hưởng đáng kể đến các thông số của nước, trong khi độ rộng xung điện áp cũng đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh những thông số này Việc nghiên cứu mối quan hệ giữa tần số và độ rộng xung điện áp giúp hiểu rõ hơn về cách chúng tác động đến chất lượng nước.

+ Mật độ dòng điện giữa các thí nghiệm, ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến các thông số của nước

- So sánh, đánh giá mức tiêu thụ điện năng giữa các trường hợp điện hóa xung và điện hóa một chiều truyền thống

- So sánh hiệu quả, ưu điểm của phương pháp xử lý nước điện hóa xung so với điện hóa một chiều truyền thống

1.4.2 Đối tượng và giới hạn nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu này tập trung vào phương pháp điện hóa để xử lý nước tháp giải nhiệt sử dụng điện cực Titan trong mô hình chiller tại Thành phố Hồ Chí Minh Các thí nghiệm được thực hiện bằng cách thay đổi tần số, độ rộng xung điện áp và mật độ dòng điện trên mỗi điện cực Chất lượng nước được đo đạt sau khi lấy mẫu thường xuyên, bao gồm các chỉ tiêu như độ cứng tổng, pH và TDS Ngoài ra, điện năng tiêu thụ cũng được ghi chép và so sánh giữa các thí nghiệm để đánh giá hiệu quả của phương pháp.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp phân tích tài liệu dựa trên luận văn, sách giáo trình, bài báo, tài liệu internet để hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu:

Cáu cặn có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả trao đổi nhiệt của thiết bị trong hệ thống, làm giảm khả năng truyền nhiệt và tăng chi phí năng lượng Quá trình hình thành cáu cặn thường bắt nguồn từ sự tích tụ khoáng chất trong nước, gây ra những vấn đề nghiêm trọng cho hệ thống Để xử lý cáu cặn, có nhiều phương pháp hiệu quả như sử dụng hóa chất tẩy rửa, hệ thống làm mềm nước, hoặc công nghệ siêu âm, giúp duy trì hiệu suất hoạt động của thiết bị và kéo dài tuổi thọ của hệ thống.

- Cơ sở lý thuyết của công nghệ điện hóa trong xử lý nước

Phương pháp thí nghiệm được sử dụng để đánh giá hiệu quả xử lý nước thông qua việc thay đổi các giá trị tần số, độ rộng xung điện áp và mật độ dòng điện Nghiên cứu này nhằm xác định ảnh hưởng của các thông số này đến hiệu quả xử lý nước, từ đó tối ưu hóa quy trình xử lý.

So sánh mức tiêu thụ điện năng giữa điện hóa xung và điện hóa một chiều truyền thống cho thấy phương pháp điện hóa xung có hiệu quả hơn Nghiên cứu chỉ ra rằng điện hóa xung không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn mang lại nhiều ưu điểm trong việc xử lý nước, vượt trội hơn so với điện hóa một chiều Việc áp dụng phương pháp điện hóa xung giúp tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu quả xử lý nước.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hệ thống làm lạnh nước Water chiller

2.1.1 Hệ thống điều hòa không khí giải nhiệt nước water chiller

Hệ thống điều hòa không khí bằng nước (water chiller) sử dụng nước được làm lạnh đến khoảng 7℃ để xử lý không khí Nước lạnh được dẫn qua các ống cách nhiệt đến các dàn trao đổi nhiệt như FCU và AHU, nơi thực hiện quá trình điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm của không khí Trong hệ thống này, nước đóng vai trò là chất tải lạnh, giúp cải thiện hiệu suất làm mát.

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống water chiller giải nhiệt nước [28]

Chu trình hoạt động của hệ thống bắt đầu khi máy nén nén môi chất lạnh lên nhiệt độ và áp suất cao, sau đó đẩy vào bình ngưng Tại đây, môi chất lạnh được giải nhiệt và ngưng tụ nhờ hệ thống giải nhiệt nước Tiếp theo, môi chất lạnh đi qua van tiết lưu vào bình bay hơi, nơi nó thu nhiệt để làm lạnh nước Sau đó, máy nén hút môi chất lạnh trở về và tiếp tục chu trình Chất tải lạnh trong bình bay hơi được bơm hút và đẩy đến các bộ trao đổi nhiệt như AHU và FCU để xử lý nhiệt ẩm trong phòng, trước khi trở về bình bay hơi để lặp lại chu trình.

Hệ thống điều hòa không khí làm lạnh bằng nước được phân loại làm hai loại chính:

- Hệ thống water chiller giải nhiệt nước và hệ thống water chiller giải nhiệt gió

- Hệ thống water chiller giải nhiệt nước bao gồm các thiết bị chính sau:

+ Bơm nước lạnh tuần hoàn

+ Bình giãn nở và cấp nước bổ sung

+ Hệ thống xử lí nước

+ Các dàn lạnh FCU và AHU Đặc điểm của các thiết bị chính:

- Cụm máy lạnh chiller là thiết bị quan trong nhất của hệ thống làm lạnh nước Bao gồm các thiết bị chính như sau:

+ Máy nén có 4 loại máy nén được sử dụng phổ biến là máy nén piston, máy nén xoắn ốc, máy nén trục vít và máy nén ly tâm

+ Bình ngưng tụ có nhiệm vụ giải nhiệt cho môi chất lạnh từ hơi ở áp suất cao nhiệt độ cao thành lỏng áp suất cao

+ Bình bay hơi có nhiệm vụ làm lạnh nước thông thường từ 7-12 ℃

+ Van tiết lưu, nhiệm vụ tiết lưu môi chất lạnh Nhiệt độ và áp suất sau tiết lưu sẽ thấp hơn trước tiết lưu

- Bơm nước gồm có hệ bơm nước lạnh và bơm nước giải nhiệt

+ Hệ bơm nước lạnh có nhiệm vụ vận chuyển nước lạnh đến các FCU, AHU để trao đổi nhiệt làm lạnh không gian phòng

Hệ bơm nước giải nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển nước có nhiệt độ cao đến tháp giải nhiệt Quá trình này giúp làm mát nước trước khi đưa trở lại cụm máy lạnh chiller, từ đó duy trì hiệu suất làm mát cho môi chất lạnh.

Bình giãn nở là thiết bị quan trọng trong hệ thống, giúp điều tiết sự giãn nở của nước khi có sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình hoạt động hoặc ngừng hoạt động Có hai loại bình giãn nở chính là bình giãn nở kiểu hở và bình giãn nở kiểu kín.

- Tháp giải nhiệt là thiết bị tận dụng sự bay hơi của nước vào không khí để làm mát cho nước giải nhiệt trong bình ngưng

- Dàn lạnh bao gồm FCU và AHU

FCU, hay còn gọi là thiết bị điều hòa không khí, bao gồm dàn ống đồng và cánh nhôm cùng quạt gió Khi nước di chuyển trong ống, không khí sẽ được thổi qua dàn ống đồng, thực hiện quá trình trao đổi nhiệt và ẩm để tạo ra không khí lạnh Không khí lạnh này sau đó sẽ được thổi trực tiếp hoặc qua ống gió vào không gian phòng.

+ AHU là thiết bị trao đổi nhiệt có chức năng giống FCU nhưng ở AHU lưu lượng nước và gió trao đổi lớn hơn nhiều

2.1.2 Tháp giải nhiệt trong hệ thống chiller giải nhiệt bằng nước

Tháp giải nhiệt là thiết bị tận dụng sự bay hơi của nước vào không khí để làm mát cho nước giải nhiệt trong bình ngưng

* Một số khái niệm và thuật ngữ cơ bản của tháp giải nhiệt [29,30]:

Nước xả (blowdown) là quá trình cần thiết trong vận hành hệ thống, nhằm duy trì chất lượng nước trong bình ngưng Khi nước bay hơi trong thời gian dài, nồng độ tạp chất như độ cứng và cặn bẩn sẽ tăng lên, vượt quá tiêu chuẩn cho phép Để bảo vệ bình ngưng khỏi tình trạng đóng cáu cặn và ăn mòn, cần xả bỏ một phần nước tuần hoàn và thay thế bằng nước mới hoàn toàn.

Nước bổ sung cho tháp (nước cấp) là loại nước được sử dụng để bù đắp cho lượng nước bị bay hơi, nước xả và các tổn thất do rò rỉ hoặc bị cuốn mất bởi gió Thông thường, lượng nước bổ sung này chiếm khoảng 3% tổng lượng nước tuần hoàn trong hệ thống.

Lượng nước bay hơi là quá trình nước chuyển hóa thành hơi, giúp thải nhiệt vào không khí nhờ vào nhiệt ẩn hóa hơi Tại áp suất thường, nhiệt ẩn hóa hơi của nước đạt giá trị 2258 kJ/kg.

- Thông thường nước vào ra bình ngưng có độ chênh nhiệt độ 4 – 5 o C

2.1.3 Các chỉ số chủ yếu của nước tháp giải nhiệt

Một số chỉ số quan trọng của nước giải nhiệt bao gồm độ cứng tổng, độ dẫn điện (EC), tổng chất rắn hòa tan (TDS) và độ pH Những chỉ số này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng nước Độ cứng tổng thể hiện mức độ khoáng chất trong nước, trong khi độ dẫn điện (EC) cho biết khả năng dẫn điện của nước, phản ánh nồng độ ion Tổng chất rắn hòa tan (TDS) đo lường tổng lượng các chất hòa tan trong nước, và độ pH xác định tính axit hoặc kiềm của nước.

Độ cứng của nước là thước đo khả năng kết tủa xà phòng, chủ yếu do các ion canxi và magiê gây ra Độ cứng tổng được định nghĩa là tổng nồng độ canxi và magiê, thường được biểu thị dưới dạng CaCO3 (canxi cacbonat) tính bằng miligam trên lít (mg/l) Nước cứng được chia thành hai loại: độ cứng carbonate (tạm thời) và độ cứng phi carbonate (vĩnh viễn) Nước cứng tạm thời chứa các ion Ca2+, Mg2+, HCO3-, có thể được làm mềm bằng phương pháp đun sôi, trong khi nước cứng vĩnh viễn chứa thêm các ion Cl- và SO4 2- và cần sử dụng hóa chất để làm mềm Độ cứng canxi là một yếu tố quan trọng, thường chiếm hơn 70% độ cứng tổng của nước và có thể được coi là bằng độ cứng tổng trong các trường hợp thiếu thông tin.

18 cứng tạm thời là phổ biến nhất và là nguyên nhân chính cho sự lắng đọng của cáu cặn cacbonat canxi trong đường ống, thiết bị

Các hạn mức cơ bản xác định độ cứng là:

 Nước mềm: Độ cứng từ 0 - 75 mg/l

 Nước cứng vừa phải: Độ cứng từ 76 - 150 mg/l

 Nước cứng: Độ cứng từ 151 - 300 mg/l

Nước rất cứng được xác định khi độ cứng vượt quá 300 mg/l, và độ dẫn điện (EC) cùng tổng chất rắn hòa tan (TDS) là những chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng nước Độ dẫn điện đo khả năng dẫn điện của nước, tương quan với hàm lượng TDS, trong khi TDS đo lường tổng lượng chất vô cơ và hữu cơ hòa tan Các chất rắn hòa tan phải có kích thước nhỏ hơn 2 micromet để có thể qua được bộ lọc Mặc dù sự hiện diện của các chất rắn hòa tan không ảnh hưởng đến khả năng làm mát của nước, nhưng chúng có thể tạo thành cáu cặn trên bề mặt truyền nhiệt, làm giảm hiệu suất hệ thống ống dẫn và ảnh hưởng đến truyền nhiệt cũng như áp lực nước Do đó, mục tiêu chính của xử lý nước là giảm thiểu sự hình thành cáu cặn trong hệ thống tuần hoàn nước giải nhiệt Đơn vị đo TDS là mg/l, trong khi độ dẫn điện được đo bằng Siemens trên mét [S/m], mS/cm hoặc μS/cm, với quy đổi 1 mS/cm.

Độ pH là chỉ số đo tính axit/bazơ của nước, với phạm vi từ 0 đến 14, trong đó 7 là trung tính Nước có độ pH dưới 7 được coi là môi trường axit, trong khi độ pH trên 7 cho thấy môi trường bazơ Độ pH được biểu thị theo "đơn vị logarit," với mỗi số thể hiện sự thay đổi gấp 10 lần nồng độ axit/bazơ Ví dụ, nước có độ pH 5 có tính axit gấp mười lần so với nước có độ pH 6.

Kiểm soát độ pH là yếu tố quan trọng trong hệ thống xử lý nước làm mát, vì độ pH axit làm tăng khả năng ăn mòn, trong khi độ pH kiềm dẫn đến nguy cơ đóng cặn Giá trị pH lớn hơn 7 cho thấy tính kiềm; khi pH dưới 8,3, độ kiềm chủ yếu ở dạng bicarbonate, do đó việc hình thành cáu cặn không phải là vấn đề Tuy nhiên, khi pH vượt 8,3, độ kiềm chuyển sang dạng cacbonat, làm tăng khả năng hình thành cáu cặn.

Trong hệ thống Water chiller, chất lượng nước giải nhiệt được quy định theo Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 232:1999 Bảng 2.1 nêu rõ các tiêu chuẩn cần thiết cho nước giải nhiệt trong hệ thống chiller.

Các thông số yêu cầu của nước Giá trị Độ pH 7,6 Độ cứng cacbonat 240 mg/l Độ cứng toàn phần (độ cứng tổng) 316 mg/l

Một số vấn đề của hệ thống giải nhiệt nước trong chiller

2.2.1 Các vấn đề của hệ thống giải nhiệt

Có 4 vấn đề thường hay xảy ra đối với hệ thống giải nhiệt nước [1-3]:

Các kim loại như thép nhẹ và sắt thường được sử dụng để sản xuất bình ngưng Hiện tượng ăn mòn xảy ra do quá trình điện phân, trong đó có sự hình thành các cực dương và cực âm cùng với dung dịch điện phân từ các muối hòa tan trong nước Khi có sự chênh lệch điện áp, dòng điện sẽ chạy từ cực dương, khiến kim loại, đặc biệt là sắt, bị ăn mòn và hòa tan vào dung dịch hoặc tạo thành cặn oxit sắt.

Hình 2.2 Hiện tượng ăn mòn trong thiết bị trao đổi nhiệt [34]

Tỷ lệ ăn mòn bị ảnh hưởng đáng kể bởi chỉ số pH; khi pH thấp, ăn mòn tăng lên, trong khi pH cao làm giảm ăn mòn nhưng lại tăng nguy cơ hình thành cáu cặn.

- Sự hình thành vảy cáu cặn:

Các khoáng chất như canxicacbonat, canxiphotphat và magie silicat hầu như không tan trong nước, dẫn đến hiện tượng kết tủa khi tiếp xúc với điều kiện thông thường trong hệ thống nước giải nhiệt Quá trình này tạo ra cáu cặn trên bề mặt truyền nhiệt của hệ thống nước ngưng tụ Nước bổ sung luôn chứa các chất rắn hòa tan, và khi nồng độ của chúng tăng cao, chúng sẽ lắng đọng trên các bề mặt ướt của hệ thống.

Lượng chất rắn hòa tan trong nước phụ thuộc vào nguồn nước và đặc điểm địa chất của khu vực Nước có khả năng hòa tan canxi và magie cacbonat, thành phần chính của đá vôi, tạo ra các ion canxi và magie tích điện dương, cùng với cacbonat và bicacbonat tích điện âm.

Hình 2.3 Cáu cặn hình thành trong thiết bị trao đổi nhiệt [35]

Địa chất có nhiều đá vôi dẫn đến lượng chất rắn hòa tan lớn, làm cho nước trở nên "cứng" Khi nước bay hơi qua tháp giải nhiệt, nồng độ chất rắn hòa tan tăng lên do chất rắn còn lại Sự hình thành cặn canxi cacbonat phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, pH, độ cứng tổng, tổng độ kiềm và tổng chất rắn hòa tan trong nước.

Cặn bẩn trong nước, thường là các kết tủa của vật liệu lơ lửng, có thể xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau Chúng có thể đến từ môi trường xung quanh như bụi bẩn, hoặc từ bên trong hệ thống, chẳng hạn như các chất do quá trình ăn mòn kim loại tạo ra Những cặn bẩn này thường lắng đọng ở những khu vực có vận tốc nước thấp trong tháp giải nhiệt.

Hình 2.4 Cặn bẩn bám trên bề mặt thiết bị trao đổi nhiệt [36]

- Sự nhiễm bẩn sinh học:

Hệ thống giải nhiệt nước tạo môi trường thuận lợi cho vi sinh vật hữu cơ phát triển, dẫn đến các vấn đề như kết tủa và mảng bám trong thiết bị trao đổi nhiệt Sự phát triển này có thể gây tắc nghẽn hệ thống và hình thành lớp trở nhiệt, làm giảm hiệu quả của quá trình trao đổi nhiệt.

Hình 2.5 Vi khuẩn hình thành trên bề mặt truyền nhiệt [37]

Nếu không được kiểm soát, các vấn đề này sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến hệ thống, làm giảm hiệu quả hoạt động và tăng chi phí vận hành do cần bảo trì thường xuyên Để khống chế sự ăn mòn, cần cân bằng chỉ số pH, sử dụng lưới lọc để kiểm soát chất bẩn và hạn chế sự hình thành của vi khuẩn.

Sự hình thành cáu cặn do ion nước cứng là một vấn đề khó kiểm soát và là nguyên nhân chính làm giảm hiệu quả truyền nhiệt trong hệ thống water chiller Do đó, mục tiêu chính của xử lý nước giải nhiệt là loại bỏ các ion này khỏi nước làm mát.

2.2.2 Ảnh hưởng của cáu cặn đến hiệu quả hoạt động của hệ thống water chiller giải nhiệt nước

Sự hiện diện của các khoáng chất như canxi cacbonat, canxi photphat và magie silicat là nguyên nhân chính gây cáu cặn trong hệ thống giải nhiệt Cáu cặn hình thành trên bề mặt truyền nhiệt không chỉ làm giảm hiệu quả truyền nhiệt mà còn tạo ra lớp trở nhiệt, dẫn đến tắc nghẽn dòng chảy Điều này yêu cầu bảo trì định kỳ để ngăn chặn sự gia tăng độ dày của lớp kết tủa, vì nó có thể làm giảm diện tích dòng chảy, giảm tốc độ dòng chảy và gia tăng tổn thất áp suất.

Hình 2.6 Khả năng hình thành cáu cặn trên bề mặt truyền nhiệt của các loại thiết bị trao đổi nhiệt khác nhau [38]

Caxicarbonat có độ dẫn nhiệt thấp chỉ 0,9 W/mK, do đó khi kết tinh trên bề mặt trao đổi nhiệt, nó tạo ra một lớp trở nhiệt lớn, làm giảm hiệu quả truyền nhiệt đáng kể Hình 2.6 minh họa khả năng hình thành cáu cặn trên bề mặt truyền nhiệt của các thiết bị trao đổi nhiệt khác nhau Hầu hết các thiết bị ngưng tụ như dạng ống vỏ, dạng tấm, dạng ống có vây, dạng ống xoắn và dạng vỏ đều sẽ hình thành vảy bám sau một thời gian sử dụng.

Nồng độ CaCO3 trong nước tăng cao sẽ dẫn đến việc hình thành cáu cặn trên bề mặt truyền nhiệt Qua thời gian, lớp cáu cặn này dày lên, làm giảm hiệu suất truyền nhiệt Hình 2.7 cho thấy nồng độ CaCO3 trong các dung dịch sẽ gia tăng từ 1 đến 4.

Hình 2.7 Ảnh hưởng của nồng độ CaCO3 đến hiệu quả của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống vỏ [38]

Nghiên cứu của Lugo và cộng sự chỉ ra rằng nhiệt độ nước đầu ra từ thiết bị làm mát phụ thuộc vào độ dày lớp cặn bẩn Cụ thể, hình 2.8 minh họa rằng khi độ dày lớp cáu cặn tăng lên, nhiệt độ nước đầu ra từ thiết bị ngưng tụ sẽ giảm xuống.

Hình 2.8 Ảnh hưởng của độ dày lớp cáu cặn đến nhiệt độ nước ra của thiết bị ngưng tụ [39]

* Ảnh hưởng của cáu cặn đến COP của hệ thống làm lạnh

Trong hệ thống làm lạnh nước, chỉ số COP (Coefficient of Performance) được sử dụng để đánh giá hiệu suất vận hành của chiller COP của chiller có thể được xác định thông qua một công thức cụ thể.

Qo là công suất làm lạnh của chiller ở phía thiết bị bay hơi (kW)

P là mức tiêu thụ năng lượng của máy nén lạnh (kW)

Qk là công suất giải nhiệt ở bình ngưng tụ thông qua các tháp giải nhiệt (kW)

Hình 2.9 minh họa rằng sự gia tăng độ dày của lớp cáu cặn và sinh vật trong hệ thống giải nhiệt của bình ngưng và tháp giải nhiệt dẫn đến giảm hiệu suất trao đổi nhiệt Khi hiệu suất này giảm, nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng cũng giảm, gây ra tình trạng hệ thống giải nhiệt kém Hệ quả là Qk giảm, kéo theo sự sụt giảm của Qo theo công thức (2.2), từ đó làm giảm COP của chiller theo công thức (2.1).

Phương pháp xử lý nước điện hóa một chiều

2.3.1 Khái niệm phương pháp xử lý nước điện hóa

Phương pháp xử lý nước điện hóa có bản chất là quá trình điện phân nước làm mát

Sự oxi hóa và khử diễn ra tại bề mặt các điện cực khi dòng điện một chiều đi qua dung dịch điện li hoặc chất điện li nóng chảy, biến đổi điện năng thành hóa năng, gọi là điện phân Điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chiều được gọi là cực âm, trong khi điện cực nối với cực dương được gọi là cực dương Tại cực âm, quá trình khử diễn ra khi chất oxi hóa nhận điện tử để tạo thành chất khử, trong khi tại cực dương, quá trình oxi hóa xảy ra khi chất khử cho điện tử để tạo thành chất oxi hóa Khi có nhiều chất khử khác nhau, chất oxi hóa mạnh nhất sẽ bị khử trước, và nếu quá trình điện phân tiếp tục sau khi chất oxi hóa mạnh nhất đã hết, chất oxi hóa yếu hơn sẽ được khử tiếp theo.

Khi có nhiều chất khử khác nhau, thường là các anion phi kim, tại cực dương, chất khử mạnh nhất sẽ bị oxi hóa trước Nếu chất khử mạnh nhất đã hết mà quá trình điện phân vẫn tiếp tục, thì chất khử yếu hơn sẽ bị oxi hóa tiếp theo.

Trong dãy thế điện hóa, các kim loại được sắp xếp theo thứ tự giảm dần độ mạnh tính khử, trong khi các ion kim loại tương ứng được sắp xếp theo thứ tự tăng dần độ mạnh tính oxi hóa Thế điện hóa chuẩn của cặp oxi hóa khử càng lớn thì chất oxi hóa càng mạnh và chất khử tương ứng càng yếu.

2.3.2 Sự điện phân dung dịch chất điện li

Trong quá trình điện phân dung dịch chất điện li, nước có thể tham gia ở cực âm hoặc cực dương tùy thuộc vào từng trường hợp Khi nước tham gia điện phân ở cực âm, nó sẽ đóng vai trò là chất oxi hóa trong quá trình khử, dẫn đến việc tạo ra khí hiđro (H2) và phóng thích ion OH- vào dung dịch.

Tại cực dương, quá trình oxi hóa diễn ra, khiến nước trở thành chất khử Kết quả là nước bị oxi hóa, tạo ra khí oxi (O2) thoát ra ngoài và giải phóng ion H+ vào dung dịch.

Các phản ứng xảy ra trên 2 điện cực [43,44]: Điện cực âm (cathode)

Khi điện phân dung dịch chứa các ion kim loại đứng sau nhôm (Al) trong dãy thế điện hóa, các ion này sẽ bị khử và tạo thành kim loại bám vào điện cực âm Các ion kim loại đứng sau nhôm có tính oxi hóa mạnh hơn, do đó chúng bị khử trước nước Điều này cho thấy rằng các ion dương của kim loại này có tính khử yếu, dẫn đến việc chúng bị khử trước khi nước tham gia vào quá trình điện phân.

K Ca Na Mg Al |Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Ag Hg Pt Au

Ion kim loại Kim loai đứng sau Al Còn khi điện phân dung dịch chứa ion kim loại từ nhôm trở về trước (ion kim loại

Các ion kim loại như Al 3+ và Mg 2+, thuộc nhóm kim loại kiềm thổ và kim loại kiềm, không bị khử ở cực âm Thay vào đó, nước (H2O) trong dung dịch sẽ bị khử, tạo ra khí H2 và phóng thích ion.

𝑂𝐻 trong dung dịch (ion 𝑂𝐻 kết hợp ion kim loại tạo hiđroxit kim loại tương ứng)

Các kim loại từ nhôm (Al) trở về trước có tính khử mạnh, dẫn đến các ion kim loại này có tính oxi hóa yếu hơn cả nước (H2O) Chính vì vậy, trong các phản ứng, H2O sẽ bị khử trước tại cực âm.

Khi nước bị khử ở cực âm, quá trình điện phân sẽ dừng lại do không còn dung dịch Các ion kim loại từ Al trở về trước chỉ có thể được khử thành kim loại tương ứng khi thực hiện điện phân nóng chảy chất điện phân chứa các ion này.

Quá trình oxi hóa ở cực dương phụ thuộc vào bản chất của chất làm điện cực dương và bản chất của anion đi về phía cực dương

Khi cực dương tan (không trơ, không bền), các kim loại thông thường như Ag, Cu, Fe, Ni, Zn, Al được sử dụng làm cực dương sẽ bị oxi hóa và hòa tan, trong khi các anion di chuyển về cực dương mà không bị oxi hóa Điều này cho thấy kim loại làm cực dương có tính khử mạnh hơn các chất khử khác trong dung dịch Khi cực dương bị oxi hóa và ăn mòn, đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình tại cực dương Khi cực dương hết, sẽ xảy ra hiện tượng cách điện và quá trình điện phân sẽ dừng lại.

Nếu cực dương không tan (trơ, bền): cực dương được làm bằng bạch kim (Platin, Pt) hay than chì (Cacbon graphit)

Nếu anion đi về cực dương là các anion không chứa O như Cl , Br , 𝐼 , 𝑆 … thì các anion này bị oxi hóa ở cực dương

Khi anion chứa oxy như NO, SO, PO, CO di chuyển về cực dương, chúng không bị oxi hóa Thay vào đó, nước trong dung dịch sẽ bị oxi hóa, dẫn đến các phản ứng hóa học quan trọng.

Quá trình điện phân diễn ra khi O2 được giải phóng và ion H+ được phóng thích vào dung dịch, tạo thành axit tương ứng Khi nước đã bị oxi hóa tại cực dương, quá trình này đạt đến giai đoạn cuối, vì khi nước cạn kiệt, các chất khử khác sẽ không còn bị oxi hóa, dẫn đến việc ngừng điện phân do không còn dung dịch.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình điện hóa

Có ba hiệu ứng cơ bản tác động đến sự vận chuyển của ion trong dung dịch vào điện cực [43]:

 Sự đối lưu tự nhiên do chuyển động nhiệt của ion

 Sự vận chuyển ion mang điện tích dưới tác dụng của điện trường

 Sự khuếch tán dưới tác dụng của chênh lệch nồng độ giữa thể tích dung dịch và sát bề mặt điện cực

Trong các thí nghiệm, việc áp dụng những biện pháp đơn giản như khuấy đều hoặc điều chỉnh độ lưu động của dòng chảy có thể giúp loại bỏ ảnh hưởng của sự đối lưu tự nhiên do chuyển động nhiệt của ion.

Sự vận chuyển ion mang điện tích dưới tác dụng của điện trường sẽ chịu ảnh hưởng trực tiếp và nhiều nhất của mật độ dòng điện

Sự khuếch tán của chất trong dung dịch diễn ra do chênh lệch nồng độ giữa thể tích dung dịch và bề mặt điện cực Quá trình này chủ yếu phụ thuộc vào nồng độ chất trong dung dịch và mức độ lưu động của dung dịch đó.

Mật độ dòng điện là đại lượng chỉ tốc độ phản ứng xảy ra trên điện cực [44]:

I: cường độ dòng điện, A S: diện tích bản cực, m 2 Mật độ dòng điện còn phụ thuộc vào các yếu tố như: linh độ, độ dẫn điện riêng của dung dịch [43]:

Linh độ là khả năng linh động của ion, phản ánh tốc độ vận chuyển của chúng Trong trạng thái không có dòng điện, ion chuyển động một cách hỗn độn Khi đặt dung dịch điện li giữa hai điện cực và kết nối với nguồn điện một chiều, ion sẽ di chuyển về các cực trái dấu dưới tác động của điện trường Cường độ điện trường càng lớn thì vận tốc di chuyển của ion càng cao Độ dẫn điện của dung dịch điện li, ký hiệu là L [Ω -1], được tính bằng nghịch đảo của điện trở.

Độ dẫn điện riêng của dung dịch điện li R [Ω] phụ thuộc vào tổng nồng độ ion [c] của tất cả các loại ion có trong dung dịch.

2.4.2 Lớp khuếch tán, độ lưu động của nước

Theo TS Quyền, khuếch tán là quá trình tự cân bằng nồng độ trong hệ thống, diễn ra khi các chất tham gia phản ứng di chuyển trong dung dịch đến bề mặt điện cực và ngược lại Quá trình này diễn ra từ vùng có nồng độ cao đến vùng có nồng độ thấp, đảm bảo sự phân bố đồng đều của các chất.

Quá trình khuếch tán diễn ra cho đến khi nồng độ đạt được sự đồng đều hoàn toàn, với mức độ không đồng đều được xác định bởi gradient nồng độ - tức là sự biến thiên nồng độ trên một đơn vị khoảng cách, điều này ảnh hưởng đến mức độ và hướng khuếch tán Nếu giai đoạn chuyển điện tích diễn ra nhanh chóng, thì giai đoạn khuếch tán các chất phản ứng đến bề mặt điện cực sẽ trở thành giai đoạn quyết định do có vận tốc thấp Khi mật độ dòng lớn, các ion tham gia phản ứng tại bề mặt điện cực sẽ bị tiêu thụ mạnh mẽ, dẫn đến vận tốc của quá trình điện cực phụ thuộc vào tốc độ vận chuyển của ion đến bề mặt, hay còn gọi là tốc độ khuếch tán ion trong dung dịch.

Vận tốc của phản ứng điện cực phụ thuộc vào sự khuếch tán, theo định luật Fick, và biến thiên nồng độ theo khoảng cách tới bề mặt điện cực Tốc độ khuếch tán có thể được biểu diễn thông qua mật độ dòng điện, được gọi là mật độ dòng khuếch tán, ký hiệu là ikt.

Co: nồng độ ion ban đầu trong thể tích dung dịch; khi có dòng điện đi qua thì Co không đổi cho tới sát lớp khuếch tán (𝛿)

Ce: nồng độ ion tại bề mặt điện cực (cực âm hoặc dương)

Bề dày của lớp khuếch tán, ký hiệu là 𝛿, là lớp lỏng dung dịch bám trên mặt điện cực, phản ánh ảnh hưởng của khuếch tán thuần túy Lớp này thường có bề dày từ 0,01mm khi dung dịch có sự lưu động và 0,5mm khi dung dịch không được lưu động Độ lưu động của nước sẽ làm giảm bề dày của lớp khuếch tán Ngoài ra, z biểu thị điện tích trao đổi.

D: là hệ số khuếch tán của ion ảnh hưởng bởi nhiệt độ

Vậy giá trị của mật độ dòng khuếch tán có thể được tăng lên bằng các phương pháp sau:

 Tăng nồng độ ion số lượng lớn Co

 Tăng nhiệt độ dung dịch, ảnh hưởng rất nhiều vào hệ số khuếch tán D

 Tăng cường độ lưu động của dung dịch dẫn đến giảm độ dày lớp khuếch tán δ

Quá trình khuếch tán điện cực được mô tả như hình 2.13:

Hình 2.13 Quá trình khuếch tán tại bề mặt điện cực [45]

Quá trình tự cân bằng nồng độ trong hệ thống được thể hiện qua sự khuếch tán của các chất tham gia phản ứng Cu 2+ và 𝑆𝑂 trong dung dịch đến bề mặt điện cực và ngược lại Khuếch tán diễn ra cho đến khi nồng độ đồng đều, trong đó giai đoạn chuyển điện tích có vận tốc cao, nhưng giai đoạn khuếch tán đến bề mặt điện cực lại là giai đoạn quyết định do vận tốc thấp Khi mật độ dòng điện không lớn, tốc độ phản ứng điện cực cũng không cao, cho phép tốc độ khuếch tán cung cấp ion đến bề mặt điện cực Tuy nhiên, khi mật độ dòng tăng, các ion tham gia phản ứng tại bề mặt điện cực sẽ bị tiêu thụ mạnh, dẫn đến tốc độ phản ứng phụ thuộc vào tốc độ vận chuyển của ion đến bề mặt điện cực.

40 gọi là tốc độ khuếch tán ion trong dung dịch đến bền mặt điện cực Ngoài ra, lớp khuếch tán sẽ ngày càng dày lên theo thời gian

2.4.3 Khoảng cách điện cực Điện trở của dung dịch (R) có thể được tính bằng đinh luật Ohm [46]

U: điện áp (V) I: dòng điện (A) R: điện trở của dung dịch (Ω)

: điện trở suất của dung dịch (Ωm) L: khoảng cách giữa các bản cực (m) S: diện tích của bản điện cực (m 2 ) Suy ra:

Khoảng cách giữa các điện cực ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ dòng điện trong dung dịch Cường độ dòng điện cao làm tăng tốc độ phản ứng điện cực, nhưng nếu khoảng cách quá gần, cường độ dòng điện sẽ tăng cao, trong khi tốc độ khuếch tán ion bị hạn chế, dẫn đến tiêu thụ điện năng không cần thiết.

Phương pháp điện hóa xung một chiều

Điện hóa xung đã trở thành một phương pháp phổ biến trong các quy trình như mạ xung, điện phân, anod hóa và ăn mòn xoay chiều Nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng nguồn cung cấp xung trong quá trình điện hóa không chỉ mang lại hiệu quả năng lượng cao hơn mà còn là một lựa chọn thay thế hứa hẹn so với phương pháp truyền thống sử dụng nguồn cung cấp không đổi.

41 chế độ xung cũng có thể ức chế hoặc ít nhất là làm giảm sự thụ động điện cực từ đó cải thiện hiệu suất [17,19]

Quá trình điện hóa xung trong nghiên cứu này sử dụng nguồn cung cấp xung, với sóng đầu ra dạng sóng xung chữ nhật Điện áp sẽ được tăng ngay lập tức đến mức tối đa và giữ ổn định trong thời gian xung, trước khi nguồn điện được ngắt.

Chế độ nguồn xung một chiều được mô tả qua chu kỳ xung T, bao gồm thời gian bật (Ton) và thời gian tắt (Toff) Trong thời kỳ Ton, điện áp được cung cấp dưới dạng biên độ không đổi, trong khi ở thời kỳ Toff, nguồn cung cấp bị ngắt Các tham số này thường được biểu thị bằng độ rộng xung điện áp γ, và có mối liên hệ với chu kỳ T.

Khi độ rộng xung điện áp giảm xuống còn 1/2, dòng điện trung bình và điện áp trung bình của nguồn cung cấp xung sẽ giảm xuống còn một nửa so với dòng điện đỉnh và điện áp đỉnh Điều này dẫn đến việc điện năng bị cắt giảm xuống còn 1/2, cho thấy rằng chế độ cung cấp điện gián đoạn có thể ảnh hưởng đến hiệu suất năng lượng.

42 giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ [21] Tuy nhiên, cần tiêu tốn năng lượng để điều chế nguồn điện xung

Trong chế độ cấp nguồn không đổi, phản ứng điện hóa tại giao diện điện cực và dung dịch tạo ra lớp khuếch tán trên bề mặt điện cực Lớp này phát triển theo thời gian, khiến cho các chất trong dung dịch khó tiếp cận giao diện, từ đó cản trở tốc độ phản ứng trong một số trường hợp.

Trong chế độ xung, thời gian cung cấp điện áp ngắn hạn khiến lớp khuếch tán khó dày lên và nhanh chóng biến mất khi nguồn điện ngắt Điều này cho phép các chất trong dung dịch di chuyển mượt mà đến bề mặt điện cực Khi nguồn điện được cung cấp lại, phản ứng điện hóa được khởi động lại và lặp lại theo chu kỳ Do đó, chế độ xung đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu vấn đề khuếch tán trong quá trình điện hóa.

Tần số có ảnh hưởng đáng kể đến độ dẫn điện của dung dịch điện ly Ở tần số thấp, sự không đối xứng của bầu khí quyển ion giảm, dẫn đến ma sát chất điện phân giảm và độ dẫn điện tăng Ngược lại, ở tần số cao, độ dẫn điện giảm do các ion dao động nhanh chóng, làm giảm chuyển động của ion theo một hướng cụ thể Việc áp dụng chế độ xung, tức là điện áp không liên tục, kích thích các ion gần điện cực, tạo ra sự khác biệt về nồng độ tại bề mặt phân cách điện cực và chất điện phân Trong thời gian không có xung, quá trình khuếch tán bổ sung các ion bị tiêu hao bởi điện phân diễn ra, giúp giảm sự phân cực và nâng cao hiệu suất nguồn điện.

Quá trình điện phân nước làm mát trong tháp giải nhiệt

Quá trình điện phân nước tạo ra khí hydro và ion hydroxit 𝑂𝐻 tại bề mặt cực âm, dẫn đến sự hình thành môi trường kiềm cục bộ và tăng độ pH xung quanh điện cực Hiện tượng này gây kết tủa các hợp chất như CaCO3 và Mg(OH)2, do các ion khoáng ưu tiên lắng đọng trên bề mặt catốt.

43 mặt điện phân hơn là ở các bề mặt khác trong dòng chảy làm mát chính, tạo ra các phản ứng sau [4,10,13]:

Phản ứng điện cực dương, quá trình oxy hóa của nước

2𝐻 𝑂 − 4𝑒 → 𝑂 + 4𝐻 (2.13) Phản ứng điện cực âm, quá trình khử nước

4𝐻 𝑂 + 4𝑒 → 2𝐻 + 4𝑂𝐻 (2.14) Trong nước cứng có chứa ion bicarbonate một phản ứng thứ cấp xảy ra ở cực dương:

Phản ứng cực dương thứ cấp:

𝐻 + 𝐻𝐶𝑂 + 𝐻 𝐶𝑂 → 2𝐶𝑂 ↑ +2𝐻 𝑂 (2.15) Trong nước cứng có chứa ion bicarbonate và ion canxi hai phản ứng thứ cấp xảy ra ở cực âm:

𝐶𝑎 + 𝐶𝑂 → 𝐶𝑎𝐶0 ↓ (2.17) Trong nước cứng có chứa ion magie, phản ứng xảy ra ở cực âm:

Các ion hydroxyl có tính di động hạn chế và ở nồng độ cao trên bề mặt catốt sẽ phản ứng với ion bicarbonate, tạo thành ion carbonate và gây kết tủa canxi cacbonat nhanh chóng trên cực âm Điều này tương tự cũng xảy ra với ion magie Hầu hết cáu cặn bám vào cực âm, làm giảm hiệu quả hoạt động của cực này và tăng điện trở Do đó, việc giảm thiểu các vảy bám trên bề mặt cực âm là cần thiết để đảm bảo hiệu quả trong xử lý nước.

Quá trình điện phân nước loại bỏ ion hydro từ clorua tự nhiên, tạo ra clo, một chất diệt khuẩn hiệu quả mà không cần sử dụng hóa chất diệt khuẩn bổ sung Khi có clo trong nước, quá trình này hình thành hydrochlorites hoặc axit hydrochlorous, có tính diệt khuẩn mạnh.

Hiệu suất xử lý nước

Các ion Ca²⁺ và Mg²⁺ là nguyên nhân chính gây ra độ cứng tổng trong nước, và khi nồng độ của chúng quá cao, chúng sẽ hình thành kết tủa bám trên bề mặt thiết bị truyền nhiệt, dẫn đến vấn đề đóng cáu cặn Để đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống, nước làm mát cần được xử lý nhằm giảm độ cứng tổng Hiệu suất xử lý nước trong nghiên cứu này được xác định bằng khả năng làm giảm độ cứng tổng của nước.

R (%): Hiệu suất làm giảm độ cứng tổng

Cvào (mg/l): Nồng độ ban đầu

Cra (mg/l): Nồng độ sau xử lý

THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM