(Luận văn thạc sĩ) 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 phần thiết yếu trong hệ thống lạnh giải nhiệt bằng nước, nơi nhiệt được tản ra nhờ quá trình làm mát bay hơi Tuy nhiên, tháp tiêu thụ nhiều nước qua bay hơi và xả đáy, và chất lượng nước ảnh hưởng lớn đến hiệu quả làm mát và trao đổi nhiệt Nước cấp bổ sung chứa cation kim loại sẽ tích lũy theo thời gian, gây ra độ cứng nước và các vấn đề như cáu cặn trên ống, sự phát triển vi sinh vật, ăn mòn và tiêu hao nước Đặc biệt, cáu cặn trên bề mặt thiết bị truyền nhiệt làm giảm hiệu suất truyền nhiệt và hệ số hiệu suất COP của hệ thống Nguyên nhân chính là do ion nước cứng, khi nồng độ cao sẽ tạo kết tủa bám trên bề mặt Do đó, việc xử lý nước làm mát để giảm độ cứng tổng là cần thiết để duy trì hiệu suất hoạt động của hệ thống.

Có nhiều phương pháp làm mềm nước và hạn chế vảy bám, như sử dụng hóa chất để tạo kết tủa, trao đổi ion, thẩm thấu ngược, màng lọc nano, gia nhiệt và chưng cất Những phương pháp này giúp bảo vệ thiết bị trao đổi nhiệt và tháp giải nhiệt, nhưng 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 nhiều lợi ích tiềm năng, bao gồm việc loại bỏ hóa chất xử lý khoáng kết tinh và ăn mòn.

Tăng cường hiệu quả làm mát bằng cách ngăn ngừa sự hình thành cáu cặn trong đường ống, giúp cải thiện khả năng truyền nhiệt Đồng thời, tiết kiệm nước và chi phí bằng cách giảm lượng xả đáy cần thiết, cho phép hệ thống hoạt động tuần hoàn lâu 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 đã chỉ ra rằng quá trình điện hóa đưa ion hydroxyl vào nước làm mát tuần hoàn có thể chuyển hóa bicarbonate thành cacbonat, từ đó thúc đẩy kết tủa Canxi cacbonat Mật độ dòng điện và lượng điện năng cung cấp trên bề mặt 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 cải thiện sự trộn lẫn các ion, đảm bảo nồng độ đồng nhất trong toàn bộ nước tháp giải nhiệt và tạo điều kiện cho dòng chảy đều đặn từ nước tháp sang bộ xử lý.

Abdel-Shafy và cộng sự đã áp dụng phương pháp điện phân cực dương Magiê để xử lý nước xả đáy tháp giải nhiệt Hệ thống sử dụng cặp điện cực song song với diện tích 65 cm², hoạt động ở chế độ đơn cực trong bể phản ứng 0,6 lít, với khoảng cách 1 cm và kết nối 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 tái sử dụng nước xả đáy hiệu quả, tuy nhiên, cần lưu ý rằng điện cực Magiê sẽ bị hao mòn và cần thay thế định kỳ.

Hafez và cộng sự đã nghiên cứu 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, với các cặp điện cực được đặt song song.

Ba điện cực có kích thước 1 cm, với tổng diện tích bề mặt hiệu dụng là 70 cm², được lắp đặt trong bể có dung tích 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, khi 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 năng lượng cao của cực dương và sự giảm hiệu suất của điện cực do sự hình thành màng oxit không dẫn điện.

Liao và cộng sự đã nghiên cứu hiệu quả của quá trình điện phân cực dương tan bằng điện cực sắt và nhôm để xử lý nước xả đáy tháp giải nhiệt chứa silica hòa tan, Ca2+ và Mg2+ Thí nghiệm sử dụng chín điện cực song song với khoảng cách 0,4 cm và thể tích nước 0,35 lít Kết quả cho thấy, với mật độ dòng điện 46 A/m2, điện cực sắt chỉ loại bỏ 30% Ca2+ và Mg2+ so với silica Tuy nhiên, với mật độ dòng 90 A/m2, điện cực nhôm kết hợp với các chất phụ gia khác đã loại bỏ 100% ion cứng Nghiên cứu này khẳng định phương pháp hiệu quả trong việc loại bỏ silica khỏi nước xả đáy tháp bằng cả điện cực sắt và nhôm, nhưng tính khả thi của phương pháp phụ thuộc vào chi phí xử lý so với chi phí nước ngọt.

Kiichi và cộng sự đã tiến hành thí nghiệm sử dụng 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 thành phần đạt khoảng 12-14 g/giờ, với hiệu suất loại bỏ ion nước cứng khoảng 10% và không có sự khác biệt đáng kể giữa các khu vực Dựa trên các ước tính, khối lượng kết tủa hàng năm 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 trong ngành dệt may Các thí nghiệm được thực hiện với 5 cặp điện cực nhôm có tổng diện tích 1047 cm², cách nhau 0,8 cm trong bể phản ứng 2 lít, sử dụng mật độ dòng điện 25 A/m² Kết quả cho thấy, phương pháp này giảm 82% độ kiềm, 88% độ cứng Canxi, 81% độ cứng tổng và 64% tổng chất rắn hòa tan, cho phép nước được tái sử dụng hiệu quả trong quá trình làm mát Mặc dù chi phí năng lượng cho xử lý điện phân cạnh tranh với chi phí nước ngọt, nhưng cần nghiên cứu thêm để giảm mức tiêu thụ cao của cực dương nhôm và cải thiện hiệu suất điện cực do màng oxit không thấm trước khi phương pháp này có thể trở thành giải pháp thực tiễn.

Nghiên cứu của Rungvavmanee và các cộng sự đã sử dụng một 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 Thí nghiệm với các mật độ dòng điện khác nhau cho thấy mật độ 7 A/m² hiệu quả trong việc giảm độ kiềm (59%), độ cứng Canxi (21%), độ cứng rổng (24%) và tổng chất rắn hòa tan (10%) Mức tiêu hao vật liệu của cực dương khoảng 30g thép không gỉ trên 1 m³ nước làm mát, cho thấy việc xử lý điện phân bằng thép không gỉ có tiềm năng kinh tế và kỹ thuật cao trong ứng dụng xử lý nước làm mát.

Nghiên cứu của ZHI và cộng sự [11] đã phát triển hệ thống điện phân Al quy mô phòng thí nghiệm nhằm loại bỏ silica khỏi nước làm mát Hệ thống này sử dụng bộ phản ứng có dung tích 1,5 lít với hai điện cực nhôm được đặt song song, và dòng điện được cung cấp từ 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 cho thấy hiệu suất loại bỏ silica đạt 83,243% với mức tiêu thụ điện cực là 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 quá trình này 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 được bơm từ vòng nước chính vào bộ xử lý trước khi trở lại tháp giải nhiệt Hệ thống này tiết kiệm nước đáng kể, lên tới 31,6%, và chất lượng nước đạt tiêu chuẩn GSA (Cơ quan Dịch vụ Chung Hoa Kỳ), đồng thời loại bỏ một lượng lớn chất rắn, cải thiện độ sạch và tạo ra tiết kiệm năng lượng cho hệ thống.

Jin và cộng sự đã thực hiện quá trình kết tủa điện hóa đảo ngược cực để loại bỏ cặn lắng trong nước làm mát tuần hoàn Các thí nghiệm với hai điện cực titan phủ lớp chống tan, cách nhau 5 mm trong bể phản ứng 0,1 lít, cho thấy với mật độ dòng điện 260 A/m² và lưu lượng nước 10 lít/giờ, hiệu suất loại bỏ độ cứng tổng đạt 21,4% Phương pháp đảo cực chứng tỏ là hiệu quả trong việc tách cặn trong quá trình điện hóa, với khả năng đạt hiệu quả loại bỏ độ cứng cao hơn và 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 Điều này tạo ra nhu cầu lớn về hệ thống điều hòa không khí, trong đó hệ thống Water chiller được sử dụng phổ biến Biến đổi khí hậu gây ra thời tiết cực đoan và nắng nóng kéo dài, khiến điện năng tiêu thụ cho điều hòa không khí chiếm tỷ lệ lớn trong tổng năng lượng sử dụng của các công trình Trong những năm gần đây, tỷ lệ sử dụng năng lượng trong các tòa nhà cao tầng tại Việt Nam đã tăng cao, làm nổi bật tầm quan trọng của việc tiết kiệm năng lượng.

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 được phân loại thành ba thể loại chính: Chung cư, Thương mại và Văn phòng, với mục tiêu sử dụng năng lượng hiệu quả Cơ cấu sử dụng năng lượng của từng loại công trình này phản ánh sự chú trọng đến việc tối ưu hóa nguồn tài nguyên, góp phần vào việc phát triển bền vững trong lĩnh vực xây dựng.

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 cho hệ thống điều hòa không khí là rất lớn, do đó, việc nâng cao hiệu suất của hệ thống 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 cải thiện hiệu suất và tiết kiệm năng lượng, cần áp dụng các giải pháp kỹ thuật nhằm khắc phục các vấn đề như hiệu suất làm lạnh kém, giải nhiệt không hiệu quả và máy nén tiêu thụ điện năng cao Trong đó, hiện tượng đóng cáu cặn trên bề mặt thiết bị giải nhiệt là nguyên nhân chính dẫn đến sự giảm hiệu suất truyền nhiệt và làm giảm hệ số COP của hệ thống.

Việc xử lý cáu cặn trong hệ thống, đặc biệt là tại bình ngưng, là rất quan trọng và cần được thực hiện liên tục Nếu được xử lý hiệu quả, cáu cặn không chỉ nâng cao hiệu suất hệ thống mà còn góp phần bảo vệ môi trường, trở thành giải pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả.

Một vấn đề quan trọng là lượng nước tiêu thụ cho tháp giải nhiệt của chiller rất lớn Theo bảng phân tích tiêu thụ nước trong các tòa nhà văn phòng tại Hoa Kỳ, khoảng 28% 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]

Nghiên cứu nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và nâng cao hiệu suất hệ thống lạnh, đặc biệt là trong các hệ thống làm lạnh Chiller với bình ngưng và tháp giải nhiệt nước ngoài trời, đang ngày càng được chú trọng Để duy trì hiệu suất làm mát, việc giữ chất lượng nước ổn định là rất quan trọng nhằm ngăn chặn sự hình thành cáu cặn trên bề mặt truyền nhiệt Cáu cặn có thể do sự kết tinh của muối hòa tan và sự phát triển của vi sinh vật, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu quả làm mát Sự hình thành lớp cáu cặn này có thể gây tắc nghẽn dòng chảy, do đó cần thực hiện bảo trì và bảo dưỡng thường xuyên để đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống.

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 Hiện nay, bảo vệ môi trường ngày càng trở thành ưu tiên hàng đầu trong sản xuất và kỹ thuật, do đó, cần hạn chế việc sử dụng hóa chất trong xử lý nước và tìm kiếm các phương pháp thay thế thân thiện với môi trường, đồng thời cân bằng giữa chi phí và lợi ích Điện hóa, một công nghệ lâu đời, đã được ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp và môi trường, nhưng vẫn chưa được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trong hệ thống xử lý nước giải nhiệt cho các hệ thống làm lạnh nước 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 xem xét tác động của tần số xung sóng chữ nhật trong quá trình điện hóa, đánh giá hiệu quả của phương pháp điện hóa đối với việc xử lý nước tháp giải nhiệt chiller, so sánh ưu điểm của điện hóa xung với điện hóa một chiều truyền thống, cũng như mức tiêu thụ điện năng trong các trường hợp khác nhau.

Mục đích nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là đánh giá ảnh hưởng của xung điện áp dạng sóng chữ nhật đến hiệu quả của hệ thống xử lý nước điện hóa 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, đồng thời xem xét các 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 ảnh hưởng của cáu cặn đến hiệu quả trao đổi nhiệt trong hệ thống là rất quan trọng Quá trình hình thành cáu cặn có thể làm giảm hiệu suất hoạt động của thiết bị Để duy trì hiệu quả trao đổi nhiệt, cần áp dụng các phương pháp xử lý cáu cặn hiệu quả Việc hiểu rõ nguyên nhân và cách xử lý cáu cặn sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

- 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, điều này cho thấy sự thay đổi tần số có thể làm thay đổi các đặc tính của nước Bên cạnh đó, độ rộng xung điện áp cũng đóng vai trò quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến các thông số của nước, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng và tính năng của nước trong các ứng dụng khác nhau.

+ 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 áp dụng phương pháp điện hóa để xử lý nước tháp giải nhiệt bằng điện cực Titan trong mô hình chiller tại Thành phố Hồ Chí Minh Các thí nghiệm được thực hiện với sự thay đổi tần số, độ rộng xung điện áp và mật độ dòng điện trên mỗi điện cực Chất lượng nước được đo đạt qua các chỉ tiêu như độ cứng tổng, pH và TDS, với mẫu nước được lấy thường xuyên Điện năng tiêu thụ cũng được ghi chép và so sánh giữa các thí nghiệm để đánh giá hiệu quả.

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 đáng kể đến hiệu quả trao đổi nhiệt của thiết bị trong hệ thống, làm giảm khả năng truyền nhiệt và tăng tiêu hao năng lượng Quá trình hình thành cáu cặn thường diễn ra do sự lắng đọng của các khoáng chất và tạp chất trong nước, gây cản trở dòng chảy và hiệu suất hoạt động của thiết bị Để xử lý cáu cặn, có thể áp dụng nhiều phương pháp khác nhau như sử dụng hóa chất tẩy rửa, công nghệ siêu âm hoặc hệ thống khử khoáng, nhằm duy trì hiệu quả hoạt động và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

- 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 bằng cách thay đổi các giá trị như 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 điện hóa xung có hiệu quả hơn Phương pháp xử lý nước bằng điện hóa xung không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với điện hóa một chiều truyền thống, như hiệu suất cao hơn và thời gian xử lý ngắn hơn.

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) làm lạnh nước đến khoảng 7℃, sau đó dẫn nước qua đường ống cách nhiệt đến các dàn trao đổi nhiệt như FCU và AHU để xử lý nhiệt ẩm không khí Trong hệ thống này, nước đóng vai trò là chất tải lạnh.

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

Chu trình hoạt động của hệ thống lạnh 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 thu nhiệt và làm lạnh nước Máy nén sau đó hút môi chất lạnh và tiếp tục chu trình Chất tải lạnh trong bình bay hơi được bơm hút và chuyển đến các bộ trao đổi nhiệt (AHU, 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 có vai trò quan trọng trong việc vận chuyển nước có nhiệt độ cao đến tháp giải nhiệt, giúp làm mát nước trước khi quay trở lại cụm máy lạnh chiller để 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 nhiệt độ thay đổi, cả trong quá trình hệ thống hoạt động và dừng lại Có hai loại bình giãn nở chính: 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, có cấu tạo chính gồm dàn ống đồng và cánh nhôm kết hợp với quạt gió Khi nước di chuyển trong ống, không khí được thổi qua dàn ống sẽ tiến hành quá trình trao đổi nhiệt, làm lạnh không khí Nhiệt độ lạnh này sau đó được đưa vào phòng trực tiếp hoặc qua hệ thống ống gió.

+ 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 tuần hoàn Khi nước bay hơi, nồng độ tạp chất như độ cứng và cặn bẩn tăng lên, có thể vượt quá tiêu chuẩn cho phép Để bảo vệ bình ngưng khỏi hiện tượng đóng cáu cặn và ăn mòn, cần phải 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 lượng nước bị bay hơi, nước xả và các tổn thất do rò rỉ hoặc bị cuốn theo gió Lượng nước bổ sung này thường 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 Nhiệt ẩn hóa hơi của nước ở áp suất thường đạt khoảng 2258 kJ/kg, cho thấy khả năng hấp thụ nhiệt của nước trong quá trình bay hơi.

- 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

Các 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 Mỗi chỉ số này có vai trò thiết yếu trong việc đánh giá chất lượng nước Độ cứng tổng phản ánh mức độ khoáng chất trong nước, trong khi độ dẫn điện cho biết khả năng dẫn điện của nước, liên quan đến 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 xác định là tổng nồng độ canxi và magiê, thường được biểu thị dưới dạng canxi cacbonat (CaCO3) tính bằng miligam trên lít (mg/l) Nước cứng được chia thành hai loại: độ cứng tạm thời (carbonate) và độ cứng vĩnh viễn (phi carbonate) Nước cứng tạm thời chứa các ion Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃⁻ và có thể được làm mềm bằng cách đun sôi, trong khi nước cứng vĩnh viễn chứa thêm Cl⁻, SO₄²⁻ và cần sử dụng hóa chất để làm mềm Độ cứng canxi chiếm khoảng 70% độ cứng tổng 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 định nghĩa khi có độ cứng lớn hơn 300 mg/l Độ dẫn điện (EC) và tổng chất rắn hòa tan (TDS) là hai chỉ số quan trọng liên quan đến chất lượng nước Độ dẫn điện đo khả năng dẫn điện của nước và tương quan với hàm lượng TDS, trong đó nước cất tinh khiết có độ dẫn rất thấp TDS là thước đo tổng hợp của tất cả các chất vô cơ và hữu cơ trong nước, với kích thước các chất rắn nhỏ hơn 2 micromet 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 bám vào bề mặt truyền nhiệt, gây ảnh hưởng đến hệ thống đường ống và hiệu suất truyền nhiệt 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.

Độ pH là chỉ số đo tính axit hoặc bazơ của nước, với thang đo từ 0 đến 14, trong đó 7 được xem là trung tính Khi độ pH dưới 7, nước có tính axit, còn khi trên 7, nước có tính bazơ Độ pH được thể hiện theo "đơn vị logarit," nghĩa là mỗi số trong thang đo tương ứng với sự thay đổi gấp 10 lần nồng độ axit hoặc bazơ Chẳng hạn, 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, ảnh hưởng đến khả năng ăn mòn và đóng cặn Độ pH trên 7 cho thấy tính kiềm, trong khi pH dưới 8,3 thường không gây vấn đề về cáu cặn do độ kiềm chủ yếu ở dạng bicarbonate Tuy nhiên, khi pH vượt 8,3, độ kiềm chuyển sang dạng cacbonat, dẫn đến 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 cụ thể cho nước giải nhiệt trong hệ thống chiller, đảm bảo hiệu suất hoạt động và độ bền của thiết bị.

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 thường được sử dụng để sản xuất bình ngưng bao gồm thép nhẹ và sắt 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 Các muối hòa tan trong nước tạo ra dung dịch điện phân, dẫn đến việc kim loại, đặc biệt là sắt, bị ăn mòn và hòa vào dung dịch hoặc tạo thành cặn oxit sắt khi có sự chênh lệch điện áp.

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

Tỷ lệ ăn mòn chịu ảnh hưởng đáng kể bởi chỉ số pH Khi chỉ số pH thấp, tỷ lệ ăn mòn tăng cao, trong khi chỉ số pH cao làm giảm khả năng ăn mòn nhưng lại tăng khả năng hình thành cáu cặn.

- Sự hình thành vảy cáu cặn:

Các khoáng chất như canxi cacbonat, canxi photphat và magie silicat không tan trong nước và có khả năng tạo thành kết tủa khi tiếp xúc với điều kiện bình thường trong hệ thống nước giải nhiệt, dẫn đến hình thành cáu cặn trên bề mặt truyền nhiệt Nước bổ sung luôn chứa các chất rắn hòa tan, và nồng độ của chúng sẽ tăng cao đến mức gây lắng đọng trên các bề mặt ướt của hệ thống.

Lượng chất rắn hòa tan trong nước phụ thuộc vào nguồn nước và địa chất 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 địa phương có nhiều đá vôi dẫn đến lượng chất rắn hòa tan cao, làm nước trở nên "cứng" Khi một phần nước trong hệ thống bay hơi qua tháp giải nhiệt, nồng độ chất rắn hòa tan tăng lên do chất rắn còn lại sau khi chất lỏng bay hơi Sự hình thành cặn canxi cacbonat (cáu cặn) 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 là các kết tủa của vật liệu lơ lửng, có thể xuất phát từ nguồn bên ngoài như bụi từ môi trường xung quanh tháp giải nhiệt, hoặc từ nguồn bên trong như các chất do quá trình ăn mòn kim loại Những cặn bẩn này thường lắng đọng ở những khu vực có vận tốc nước thấp.

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

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

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

Sự hình thành cáu cặn từ ion nước cứng là một vấn đề khó kiểm soát, dẫn đến giảm hiệu quả truyền nhiệt trong hệ thống water chiller Do đó, việc xử lý nước làm mát để loại bỏ các ion này là mục tiêu chính trong quy trình xử lý nước giải nhiệt.

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 canxicacbonat, canxiphotphat và magie silicat là nguyên nhân chính gây ra cáu cặn trong hệ thống giải nhiệt Cáu cặn hình thành trên bề mặt truyền nhiệt gây ra nhiều vấn đề trong quá trình truyền nhiệt, bao gồm sự kết tinh của muối khoáng và sự phát triển của vi khuẩn, tạo ra lớp trở nhiệt Lớp cáu cặn này có thể dẫn đến tắc nghẽn dòng chảy, đòi hỏi phải bảo trì thường xuyên Nếu bề dày của lớp kết tủa tăng lên, nó sẽ làm giảm diện tích dòng chảy, từ đó làm giảm lưu lượng và 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, dẫn đến việc hình thành lớp kết tinh trên bề mặt trao đổi nhiệt, gây cản trở quá trình truyền nhiệt và giảm hiệu quả đáng kể Hình 2.6 minh họa sự hình thành cáu cặn trên bề mặt của các thiết bị trao đổi nhiệt khác nhau, cho thấy rằng hầu hết các thiết bị ngưng tụ như ống vỏ, tấm, ống có vây, ống xoắn và dạng vỏ đều gặp phải vấn đề bám vảy sau một thời gian sử dụng.

Nồng độ CaCO3 trong nước tăng cao sẽ dẫn đến sự 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 1-4.

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 của lớp cặn bẩn Cụ thể, hình 2.8 minh họa mối quan hệ giữa nhiệt độ nước đầu ra của thiết bị ngưng tụ và độ dày lớp cáu cặn, cho thấy rằng khi độ dày lớp cáu cặn tăng lên, nhiệt độ đầu ra 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 (water chiller), chỉ số COP (Coefficient of Performance) được sử dụng để đánh giá hiệu suất hoạt động 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 các sinh vật trong nước trong hệ thống giải nhiệt của bình ngưng và tháp giải nhiệt sẽ dẫn đến hiệu suất trao đổi nhiệt giảm Kết quả là nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng giảm, làm cho hệ thống giải nhiệt hoạt động kém hiệu quả, từ đó làm giảm Qk và kéo theo sự giảm Qo theo công thức (2.2) Cuối cùng, điều này dẫn đến chỉ số COP của chiller giảm 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 trên bề mặt điện cực khi dòng điện một chiều đi qua dung dịch điện li, dẫn đến biến đổi điện năng thành hóa năng, được gọi là điện phân Điện cực nối với cực âm của nguồn điện được gọi là cực âm, trong khi điện cực nối với cực dương gọi là cực dương Tại cực âm, quá trình khử xảy 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 tạo thành chất oxi hóa Khi có nhiều ion kim loại khác nhau cùng về cực âm, chất có tính oxi hóa mạnh nhất sẽ được khử trước 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, cùng tồn tại ở cực dương, chất khử mạnh nhất sẽ bị oxi hóa trước Nếu quá trình điện phân tiếp tục khi chất khử mạnh nhất đã hết, chất khử yếu hơn sẽ bị oxi hóa sau đó.

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 có độ mạnh tính oxi hóa tăng dần Điều này cho thấy rằng, nếu thế điện hóa chuẩn của cặp oxi hóa khử càng lớn về đại số, chất oxi hóa sẽ càng mạnh và chất khử tương ứng sẽ càng yếu.

2.3.2 Sự điện phân dung dịch chất điện li

Khi điện phân dung dịch chất điện li, nước có thể tham gia vào quá trình điện phân ở cả cực âm và cực dương Nếu nước tham gia ở cực âm, nó sẽ đóng vai trò là chất oxi hóa và bị khử để tạo ra khí hiđro (H2) thoát ra, đồng thời giải phóng ion OH- vào dung dịch.

Tại cực dương, quá trình oxi hóa diễn ra, nước đóng vai trò là chất khử, bị oxi hóa để tạo ra khí oxi (O2) thoát ra, đồng thời 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 càng đứng sau nhôm thì tính oxi hóa càng mạnh, dẫn đến việc chúng bị khử trước ở cực âm Điều này có nghĩa là các ion dương của kim loại đứng sau nhôm có tính khử yếu và tính oxi hóa mạnh hơn nước, do đó chúng bị khử trước nước trong 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

Khi nói đến các ion kim loại như Al 3+, Mg 2+ (ion kim loại kiềm thổ và ion kim loại kiềm), chúng không bị khử ở cực âm Thay vào đó, nước (H2O) trong dung dịch sẽ bị khử, tạo ra khí H2 và phóng thích các 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) Vì vậy, trong quá trình điện phân, 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 trong môi trường nóng chảy 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 sẽ bị oxi hóa và hòa tan, trong khi các anion không bị oxi hóa Điều này có thể hiểu rằng kim loại dùng làm cực dương có tính khử mạnh hơn các chất khử khác trong dung dịch, dẫn đến việc kim loại này bị oxi hóa trước Khi cực dương bị oxi hóa hoàn toàn, quá trình điện phân sẽ dừng lại do sự cách điện xảy ra khi không còn cực dương.

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 mà thay vào đó, nước (H2O) trong dung dịch sẽ bị oxi hóa.

Quá trình điện phân nước dẫn đến việc O2 thoát ra và ion H+ được phóng thích vào dung dịch, nơi chúng kết hợp với anion để tạo thành axit tương ứng Khi nước đã bị oxi hóa tại cực dương, quá trình này đạt đến giai đoạn cuối, bởi vì khi hết nước, các chất khử khác sẽ bị oxi hóa, làm cho dung dịch không còn tồn tại và dẫn đến việc ngừng điện phân.

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 thực nghiệm, có thể sử dụng các biện pháp đơn giản như khuấy đều hoặc điều chỉnh độ lưu động của dòng chảy để loại trừ ảnh hưởng của sự đối lưu tự nhiên do chuyển động nhiệt của ion Những phương pháp này giúp khắc phục hiệu quả hiện tượng đối lưu tự nhiên.

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 trong dung dịch chịu ảnh hưởng từ chênh lệch nồng độ giữa thể tích dung dịch và bề mặt điện cực Yếu tố quyết định cho quá trình này bao gồm nồng độ của dung dịch và mức độ lưu động của nó.

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 (vi) là khả năng linh động của ion, thể hiện tốc độ vận chuyển ion trong dung dịch Khi không có dòng điện, ion chuyển động một cách hỗn độn Tuy nhiên, khi đặt dung dịch điện li giữa hai điện cực và kết nối với nguồn điện một chiều, các ion sẽ di chuyển về các cực trái dấu dưới tác động của điện trường E Cường độ điện trường E càng lớn thì vận tốc ion càng nhanh Độ dẫn điện của dung dịch điện li, ký hiệu là L [Ω -1], được xác định 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 mặt 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, từ vùng có nồng độ cao đến vùng có nồng độ thấp.

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 gradien nồng độ - biến thiên nồng độ trên một đơn vị khoảng cách, quyết định mức độ và hướng của khuếch tán Nếu giai đoạn chuyển điện tích diễn ra với vận tốc cao, thì giai đoạn khuếch tán chất tham gia phản ứng đến bề mặt điện cực sẽ là giai đoạn quyết định do vận tốc thấp Khi mật độ dòng tăng, các ion tại bề mặt điện cực sẽ bị tiêu thụ mạnh hơn, dẫn đến vận tốc của quá trình điện cực phụ thuộc vào tốc độ vận chuyển ion đến bề mặt điện cực, 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 và biến thiên nồng độ theo khoảng cách đến bề mặt điện cực, theo định luật Fick Tốc độ khuếch tán có thể được biểu diễn bằng mật độ dòng điện, được gọi là mật độ dòng khuếch tán, kí 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 dung dịch lỏng bám trên mặt điện cực, phản ánh ảnh hưởng của khuếch tán thuần túy Bề dày này thường dao động từ 0,01mm khi dung dịch có sự lưu động đến 0,5mm khi dung dịch không được lưu động Do đó, độ lưu động của nước có tác dụng làm giảm bề dày của lớp khuếch tán Ngoài ra, z đại diện cho điện tích trao đổi trong quá trình này.

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 diễn ra thông qua việc khuếch tán các chất tham gia phản ứng Cu²⁺ và SO đến bề mặt điện cực và ngược lại, cho đến khi nồng độ trở nên đồng đều Nếu giai đoạn chuyển điện tích diễn ra nhanh, thì giai đoạn khuếch tán chất tham gia đến bề mặt điện cực sẽ là giai đoạn quyết định do tốc độ của nó thấp Khi mật độ dòng điện không cao, tốc độ phản ứng điện cực cũng sẽ không lớn, dẫn đến tốc độ khuếch tán đảm bảo cung cấp ion đến bề mặt điện cực Tuy nhiên, khi mật độ dòng tăng cao, các ion tham gia phản ứng tại bề mặt điện cực sẽ bị tiêu thụ mạnh, khiến tốc độ phản ứng phụ thuộc vào tốc độ vận chuyển 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 sẽ tăng tốc độ phản ứng điện cực, nhưng nếu khoảng cách quá gần, cường độ dòng điện có thể quá cao trong khi tốc độ khuếch tán ion bị giới hạn, dẫn đến việc 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 Phương pháp này sử dụng nguồn cung cấp xung, cho thấy hiệu quả năng lượng cao hơn đáng kể so với các 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 được thực hiện thông qua việc sử dụng nguồn cung cấp xung Nguồn cung cấp này tạo ra sóng xung chữ nhật, với điện áp được tăng ngay lập tức đến mức tối đa và duy trì ổn định trong khoảng thời gian xung, sau đó nguồn điện sẽ 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 cung cấp duy trì ở mức biên độ không đổi, trong khi ở thời kỳ Toff, nguồn cung cấp bị ngắt Để thuận tiện, các tham số thường được biểu thị bằng độ rộng xung điện áp γ, và mối quan hệ giữa γ và T được xác định rõ ràng.

Khi độ rộng xung điện áp đạt 1/2, cả 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 đáng kể 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/dung dịch tạo ra lớp khuếch tán trên bề mặt điện cực Lớp này phát triển theo thời gian, gây khó khăn cho các chất trong dung dịch tiếp cận giao diện điện cực/dung dịch, từ đó cản trở tốc độ phản ứng trong một số trường hợp.

Trong chế độ xung, thời gian cung cấp điện áp ngắn giúp lớp khuếch tán không dày lên ngay lập tức và biến mất khi nguồn điện ngắt Điều này cho phép các chất trong dung dịch chuyển động 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 định kỳ Do đó, chế độ xung đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu hoặc giải quyết vấn đề khuếch tán trong quá trình điện hóa.

Tần số 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, làm giảm chuyển động của chúng 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 và tạo ra sự khác biệt nồng độ tại bề mặt phân cách điện cực - chất điện phân Trong thời gian không xung, sự khuếch tán bổ sung các ion bị tiêu hao bởi quá trình điện phân, giúp giảm 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 điện cực âm, tạo ra môi trường kiềm cục bộ và làm tăng độ pH xung quanh Sự gia tăng pH này dẫn đến kết tủa CaCO3 và Mg(OH)2 tại điện cực, 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:

Ion hydroxyl có tính di động hạn chế và khi nồng độ cao trên bề mặt catốt, chúng phản ứng với ion bicarbonate để tạo ion carbonate, dẫn đến kết tủa canxi cacbonat nhanh chóng trên cực âm Điều này cũng xảy ra với ion magie Hầu hết cáu cặn bám vào cực âm, làm giảm hiệu suất và tăng điện trở Vì vậy, việc loại bỏ thường xuyên các vảy bám trên bề mặt cực âm là cần thiết để duy trì hiệu quả trong xử lý nước.

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

Hiệu suất xử lý nước

Các ion Ca²⁺ và Mg²⁺ gây ra độ cứng tổng của nước, và khi nồng độ 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 giảm độ cứng tổng.

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