LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ OZONE VÀ CÁC MẠCH LIÊN QUAN
Tổng quan về khí ozone
Ozone là một chất khí tồn tại với hàm lượng rất nhỏ trong môi trường, nhưng đóng vai trò quan trọng đối với sự sống Lớp ozone ở tầng bình lưu được coi như một tấm lá chắn, ngăn chặn các tia tử ngoại sóng ngắn xâm nhập vào Trái đất, bảo vệ sự an toàn cho các sinh vật.
Ozone là một dạng oxy giàu năng lượng với công thức hóa học O3 Đây là một khí không màu, nhưng ở nồng độ cao, nó có màu xanh và phát ra mùi ở nồng độ 0,05 mg/m3 Trong khí quyển, ozone chủ yếu tập trung ở phần dưới của tầng bình lưu, ở độ cao từ 25 đến 40 km so với bề mặt trái đất, với nồng độ dao động trong khoảng 3,5.
Lớp ozone tồn tại với nồng độ chỉ 10 ppm nhưng có khả năng hấp thụ hiệu quả các tia cực tím sóng ngắn trong khoảng 240 đến 320 nm Quá trình hấp thụ này không chỉ tạo ra nhiệt mà còn duy trì sự tuần hoàn giữa các tầng khí quyển như tầng đối lưu, tầng bình lưu và tầng trung gian Nhờ vào khả năng hấp thụ tia cực tím, lớp ozone ở tầng bình lưu đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ sự sống trên Trái đất khỏi bức xạ có hại.
Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp trong những thập niên gần đây đã dẫn đến sự gia tăng chất thải độc hại vào môi trường, bao gồm các chất có khả năng làm thay đổi tính chất của tầng ozon như monoxit carbon, dioxit carbon và một số hợp chất clo, brom Gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện sự suy giảm hàm lượng ozon trong khí quyển, đặc biệt ở phần dưới của tầng bình lưu Tại Nam Cực, sự suy giảm này đã gây ra những lỗ thủng, trong khi ở Bắc Cực, mức giảm ozon lên đến 1,2 - 2% Theo tính toán, mỗi 1% giảm ozon có thể dẫn đến những tác động nghiêm trọng đến môi trường.
Bức xạ tử ngoại gia tăng 2% gây nguy hiểm cho tế bào của động vật, thực vật và sinh vật đơn bào, làm hỏng gen và gây bệnh sạm da, đồng thời liên quan đến ung thư da do sự giảm hấp thụ của ozone Sự gia tăng này cũng dẫn đến nhiệt độ trái đất tăng, gây ra nhiều biến đổi có hại Trong số các chất phá hủy tầng ozone, CFC (Chloro fluoro cacbon) là hợp chất nổi bật, được phát minh vào năm 1930 để sử dụng làm chất làm lạnh an toàn và hiệu quả CFC có nhiều ưu điểm như không bắt lửa, độc hại thấp và dễ dàng hóa lỏng, được sử dụng trong hệ thống làm lạnh, nhiên liệu động cơ phản lực, chất tạo bọt và chất tẩy rửa cho linh kiện điện tử.
Khi CFC mới được phát minh, người ta tin rằng chúng bền vững và không ảnh hưởng đến hệ sinh thái Tuy nhiên, từ năm 1972, các nghiên cứu tại Mỹ, Nhật Bản và một số nước châu Âu đã chỉ ra rằng CFC có thể gia nhập tầng bình lưu sau khi khuếch tán trong khí quyển Tại đây, dưới tác động của bức xạ tử ngoại, CFC bị phân hủy, giải phóng nguyên tử Clo, gây ra sự phá hủy tầng ozone khi chúng kết hợp với các phân tử ozone Nhận thức được tác hại nghiêm trọng này, vào tháng 3/1985, Công ước Vienne về bảo vệ tầng ozone đã được 21 quốc gia và cộng đồng châu Âu thông qua, yêu cầu các bên tham gia thực hiện các biện pháp phù hợp với các điều khoản của công ước.
Công ước Vienne về bảo vệ tầng ozone, có hiệu lực từ tháng 9/1988, nhằm bảo vệ sức khỏe con người và môi trường khỏi những tác động tiêu cực do hoạt động của con người gây ra, làm thay đổi tầng ozone Nghị định thư liên quan đã được ban hành để đối phó với các ảnh hưởng có hại từ việc suy giảm tầng ozone.
Ozone có khả năng oxy hóa mạnh mẽ hơn bất kỳ hóa chất nào khác, mạnh hơn clo từ 10 đến 1000 lần, mang lại lợi ích trong việc khử trùng, khử độc và khử mùi cho không khí và nước Công nghệ ozone mở ra nhiều ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường, từ quy mô hộ gia đình đến quy mô công nghiệp Đây là công nghệ hiện đại được nhiều quốc gia nghiên cứu và phát triển Tại Việt Nam, một số cơ quan khoa học đã triển khai công nghệ ozone và bước đầu đạt được kết quả khả quan, như Sở Công nghệ Môi trường TP Hồ Chí Minh với các sản phẩm ozi 60 và ozi 300.
350, 800, 3000 hay của công ty Nhật Linh hiệu DACOZON®
Ozone, với tính oxy hoá mạnh mẽ và khả năng diệt khuẩn, có khả năng khử mùi hiệu quả các mùi khó chịu như khói thuốc, mùi tanh, ẩm mốc và hóa chất Nó tiêu diệt hầu hết các loại vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn kỵ khí, nấm và cầu khuẩn, từ đó làm sạch không khí và ngăn ngừa bệnh đường hô hấp Ozone còn có khả năng diệt nhiều loại vi khuẩn gây bệnh nguy hiểm trong nước như E Coli, Coliform, và Salmonella, giúp sát trùng nguồn nước sinh hoạt, đảm bảo an toàn thực phẩm và phòng chống lây lan các bệnh tiêu hóa.
Ozone có khả năng khử độc, khử mùi, khử màu và oxy hóa các ion kim loại cùng hóa chất tự do trong nước như sắt, mangan, cyanide, arsenic, nitrite và kim loại nặng Nó cũng giúp loại bỏ các chất hữu cơ gây vàng nước, xử lý triệt để nguồn nước, cải thiện độ trong và giữ nước sạch, vệ sinh, phòng chống ngộ độc Hơn nữa, nước ngậm ozone có tính sát trùng cao, có thể được sử dụng như một dung dịch thay thế cho alcohol hoặc các thuốc sát trùng khác.
Để làm sạch không khí, chỉ cần đặt máy ở vị trí cần xử lý, cắm điện và bật công tắc, kết hợp với quạt thông gió để khuấy đảo không khí Chỉ sau vài phút, ozone trong máy sẽ phân huỷ thành các nguyên tử oxy, nhanh chóng oxy hoá các vật tiếp xúc, giúp loại bỏ mùi lạ, khử độc, tiệt trùng và nấm mốc Để làm sạch nước, hãy cắm ống dẫn khí vào đầu ra của máy, sau đó nhúng đầu phun khí ozone vào bình nước cần xử lý và sục khí trong khoảng 20 - 30 phút, sau đó tắt máy Nước sau khi xử lý sẽ đạt tiêu chuẩn nước tinh khiết, an toàn để uống trực tiếp.
Trong cuộc sống hàng ngày, máy tạo ozone được sử dụng để khử màu và khử mùi cho đồ vật, làm sạch đồ gia dụng và vệ sinh cá nhân Ngoài ra, một lợi ích quan trọng khác của máy sinh khí ozone là khả năng xử lý lên đến 80% dư lượng thuốc trừ sâu, diệt cỏ, chất bảo quản và nông dược còn tồn đọng trên bề mặt rau quả, điều này đang thu hút sự quan tâm lớn từ người tiêu dùng.
Khi sử dụng máy sinh khí ozone, cần lưu ý rằng ozone là một hóa chất có tính oxy hóa mạnh Mặc dù ozone có tác dụng khử độc, khử khuẩn và làm sạch môi trường, nhưng nó cũng có thể gây hại do khả năng tham gia vào các phản ứng với cơ thể con người và động vật.
Ví dụ: trong khí quyển:
+ Hàm lượng ozone > 0,3 phần triệu sẽ kích thích cơ quan hô hấp, gây sưng tấy và rát bỏng
+ Hàm lượng ozone 1 3 phần triệu sẽ gây mệt mỏi, đau đầu sau 2 giờ tiếp xúc
Hàm lượng ozone vượt quá 8 phần triệu có thể gây rối loạn chức năng phổi và oxy hóa các enzym, protein, lipid, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe Do đó, khi máy hoạt động, cần tránh đứng gần khu vực máy để giảm thiểu nguy cơ hít phải khí ozone.
Tính chất lý hóa của ozone
Ozone là một khí màu xanh da trời, nặng hơn không khí, không thể trữ hoặc vận chuyển do tính không bền vững và độc tính của nó Ozone có thể gây nguy hiểm khi hít phải với nồng độ cao trong thời gian dài Trên hành tinh của chúng ta, ozone đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ sự sống bằng cách hấp thụ các tia cực tím có bước sóng từ 290 nm đến 320 nm.
Hình 2.1 Cấu trúc cộng hưởng của ozone
Ozone là một chất hòa tan có tính không ổn định trong dung dịch, có khả năng hòa tan nhanh hơn oxy trong nước chỉ sau 14 phút Sự ổn định của ozone bị ảnh hưởng bởi các tạp chất nhạy cảm, đặc biệt là các kim loại và oxit kim loại, dưới tác động của nhiệt độ và áp suất Quá trình hòa tan ozone chủ yếu được xác định bởi sự pha trộn với oxy và các yếu tố ngoại suy Bảng 2.1 trình bày một số chất hòa tan của ozone 100% trong nước tinh khiết ở nhiệt độ từ 0° đến 60°.
Bảng 2.1 Khối lượng riêng theo nhiệt độ
Bảng 2.2 Bảng tra thông số vật lý
Molecular weight ( khối lượng riêng ) 48.0
Boiling point ( Điểm sôi ) ( 101 KPa ) -111.9
Melting point ( Điểm nóng chảy ) -192.7 Critical temperature ( Nhiệt độ giới hạn ) -12.1
The critical pressure of the substance is 5.53 MPa, while its gas density at 101 kPa is 2.144 kg/m³ The liquid density at -112°C is significantly higher at 1358 kg/m³ Additionally, the surface tension at -183°C measures 3.84 N/m, and the viscosity of the liquid at the same temperature is 1.57 x 10⁻¹ Pa·s The heat capacity of the liquid ranges from -183°C to -145°C.
Heat capacity, gas (25 ) ( Nhiệt dung riêng của chất khí ) 818 J.k Heat of vaporization ( Nhiệt lượng nóng chảy ) 15.2 KJ.mo
Bảng 2.3 Bảng tra năng lượng
2.2.2 Sự phản ứng của phân tử Ozone
Cấu trúc phân tử ozone thể hiện tính cộng với ba liên kết không bão hòa, tạo nên cấu trúc lưỡng cực Điều này cho phép ozone thực hiện các phản ứng hóa học đặc trưng.
Phản ứng điện phân là quá trình thu hẹp vị trí phân tử từ mật độ electron dày đặc, đặc biệt là ở các nhân thơm Quá trình này diễn ra khi các nhân thơm kết hợp với việc mang thêm electron trong hợp chất.
D ( ví dụ: phenol, aniline ), nó xảy ra phản ứng nhanh với O 3 Phản ứng đó là tiêu biểu cho phản ứng sau đây:
Hình 2.3 Phân tử O 3 đó bắt đầu tấn công vào nhân thơm
Phản ứng phân ly là quá trình xác định các vị trí trong phân tử có sự thiếu hụt electron, đặc biệt là ở các gốc của hợp chất carbon.
Phản ứng của phân tử O3 với các hợp chất hữu cơ là rất chọn lọc và có giới hạn, đặc biệt là đối với nhân thơm không bão hòa Điều này yêu cầu sự pha trộn tốt nhất giữa các hợp chất đã biết, với chức năng rõ ràng của từng chất Bảng 2.6 tóm tắt một số hợp chất hữu cơ quan trọng.
Hình 2.4 Nhóm hữu cơ tấn công bởi ozone
Hình 2.5 Sơ đồ các hợp chất thơm ozone
Tính chất hóa học
2.3.1 Tính chất hóa học cơ bản
Ozone hòa tan trong chất lỏng với O2 chiếm 30% khối lượng là an toàn tuyệt đối, tự động phân hủy nhanh hơn và nặng hơn O2, chiếm 72% khối lượng Ozone có xu hướng bay hơi dễ dàng hơn O2 và có cấu hình dễ gây nổ khi được phát hiện Việc duy trì O3 trong chất lỏng là một thách thức, làm cho quá trình phân hủy trong nước trở nên phức tạp Mặc dù ozone có thể phân hủy trong khuôn nấu chảy, nhưng trong nước, O3 vẫn là một nguồn năng lượng lớn.
Vào năm 1857, VON SIEMENS đã phát minh ra bộ máy phát ozone công nghiệp đầu tiên sử dụng phóng điện và hai ống thủy tinh đồng tâm, với ống ngoài được bọc thiếc và ống trong cũng tương tự Không khí trong ống được di chuyển qua một khoảng không hình vòng nhẫn Công nghệ này sau đó được cải tiến bằng cách thêm các chất lỏng làm mát lưu chuyển qua khe không khí phóng điện, giúp giảm hiệu quả sản xuất và làm giảm nhiệt độ phá hủy ozone.
Sự sản xuất ozone liên quan đến tiến trình trung gian của nguyên tố oxy nguyên tử mà nó có thể phản ứng với oxy phân tử
Tất cả các quá trình tách rời nguyên tử oxy thành nguyên tố oxy đều liên quan đến phản ứng sản xuất ozone Nguồn năng lượng kích thích phản ứng này là photon hoặc electron Electron có thể được sử dụng từ các nguồn điện thế cao trong phóng điện hóa học, phản ứng hạt nhân hoặc quá trình điện phân Năng lượng của photon cần thiết cho phản ứng này bao gồm tia cực tím với bước sóng nhỏ hơn 200 nm.
2.3.2 Quá trình sản xuất ozone
Sản xuất ozone quang hoá:
Ozone được hình thành từ oxy dưới tác động của tia cực tím, với bước sóng từ 140 nm đến 190 nm Khám phá này lần đầu tiên được công bố bởi nhà khoa học Lenard vào năm 1900, và sau đó được bổ sung chi tiết hơn bởi Gold vào năm 1903.
Các nhà khoa học đã xác định bước sóng tối ưu cho sản xuất ozone là 200nm, với sự chú ý đặc biệt từ cuộc họp của ông DURON vào năm 1982 Trong nghiên cứu này, đèn huỳnh quang phát ra bước sóng 254 nm và 185 nm đồng thời, trong đó cường độ phát ozone ở 254 nm cao hơn từ 5 đến 10 lần so với 185 nm Mặc dù đã có nỗ lực tiến tới cuộc cách mạng ozone công nghiệp với đèn thủy ngân, nhưng thất bại vào năm 1987 do sự phân hóa nhiệt độ và tạp chất trong quá trình hình thành ozone Ngoài ra, các thử nghiệm với lượng nhỏ hoặc hiệu ứng UV trong quá trình ozon không đạt được độ tinh khiết mong muốn Gần đây, công nghệ đã phát triển với đèn huỳnh quang mới có cường độ bức xạ cao hơn và bước sóng thấp hơn 200 nm.
Sản xuất ozone qua phương pháp điện phân đã đóng vai trò quan trọng trong lịch sử, bắt đầu từ việc tổng hợp ozone của ông Schonbein vào năm 1840 bằng cách điện phân dung dịch H2SO4.
Sản xuất ozone bằng phương pháp điện phân mang lại nhiều lợi ích, như việc sử dụng dòng điện và áp suất thấp, giảm kích thước thiết bị Quy trình sản xuất ozone trong nước giúp loại bỏ sự tương tác giữa nước và ozone, đồng thời hạn chế ma sát và ăn mòn điện cực Ngoài ra, quá tải nhiệt do cường độ dòng cao và quá điện áp anốt là những yếu tố cần xem xét trong quá trình điện phân Đặc biệt, nước có độ dẫn điện thấp có thể gây ra sự kết mảng bám bên ngoài và hình thành chất lắng trên điện cực.
Sự sản xuất Clo tự do cũng vốn có trong quá trình này bởi vì iôn Clo có sẳn trong nước
Sản xuất ozone bằng bức xạ hoá học
Oxy không bức xạ khi tiếp xúc với tia phóng xạ có khả năng điều chỉnh quá trình hình thành ozone Những thông tin này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ tin cậy của sản xuất ozone.
Ozone được sản xuất từ dự án của ông Brookhaven, với sản phẩm động nhiệt học là việc xử lý chất thải giá trị từ các đồng vị phân hoạch Tuy nhiên, việc sản xuất ozone từ phản ứng hạt nhân chưa trở thành ứng dụng phổ biến trong nước do sự phức tạp của quy trình sản xuất.
Sản xuất ozone bằng cách phóng điện
Trong quá trình sản xuất ozone, làm khô khí oxy là phương pháp phổ biến nhất hiện nay để xử lý nước Một dây chuyền truyền thống bao gồm các khối như nguồn khí (bộ nén không khí sạch), bộ lọc bụi, bộ làm khô khí qua điện áp cao, máy tạo ozone, các khối tương tác và khối xử lý khí thải Trong đó, quá trình làm khô khí qua bộ phận phóng điện là rất quan trọng để chuyển đổi oxy thành ozone Đồng thời, giới hạn của axit nitric cũng đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ máy phát ozone và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Trong quá trình vận hành hệ thống, lượng axit nitric thu được càng lớn thì lượng oxit nitric cũng tăng, dẫn đến sự hình thành hidro khi xảy ra phóng điện Hai phản ứng này làm giảm hiệu quả sản xuất ozone Để tối ưu hóa việc sản xuất ozone, sự khô khí là rất quan trọng, vì sự tương tác trong không khí sẽ tạo ra oxit nitric, sau đó chuyển hóa thành axit nitric có thể gây nổ Cần tránh các tạp chất hữu cơ trong khí, đặc biệt là những tạp chất từ khí thải động cơ và sự rò rỉ trong quá trình làm mát điện cực.
Sự hình thành ozone qua quá trình phóng điện là một phương pháp xử lý khí hiệu quả, dựa trên sự phóng điện không đồng đều trong không khí hoặc oxy Những lần phóng điện nhỏ với khí đã được lọc sạch đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra ozone Mỗi lần phóng điện kéo dài chỉ vài nan giây, với tốc độ nhanh hơn từ 2,5 đến 3 lần trong không khí so với oxy, và mật độ dòng điện dao động từ 100Acm-2 đến 1000Acm-2.
Việc sử dụng oxy từ không khí giúp tăng lượng ozone thu được từ máy ozone lên 1,7 đến 2,5 lần, tùy thuộc vào thiết kế Dung lượng thiết kế của mỗi quá trình cần phải duy trì sự phân cực vĩnh cửu từ 20% đến 30% Sản phẩm trong quá trình gia tăng oxy có tần số và dòng điện cao hơn, nhưng sự hình thành nhiệt lớn trong quá trình này yêu cầu phải có hệ thống làm mát hiệu quả Phương pháp làm mát hai phía, bao gồm làm mát điện áp cao và làm mát mass, hiện đang được ưa chuộng Tuy nhiên, sự rò rỉ giữa hai điện cực có thể gây ra sự cố ngắn mạch nguy hiểm, vì vậy làm mát phía mass được coi là an toàn hơn.
2.4 Giới thiệu công nghệ ozone ở trong và ngoài nước
2.4.1 Công nghệ ozone trong nước
Ngày nay, công nghệ ozone tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu trong đời sống và sản xuất Trong lĩnh vực y tế, các phương pháp truyền thống như sử dụng hóa chất, nhiệt độ cao và tia tử ngoại thường được áp dụng để phòng chống nhiễm khuẩn bệnh viện Để cải thiện tình hình này, các nhà khoa học thuộc Viện Vật lý đã chế tạo thành công máy sinh khí ozone, ứng dụng trong khử khuẩn không khí, nước rửa tay cho phẫu thuật viên và dụng cụ y tế Công nghệ ozone mang lại nhiều ưu điểm như đầu tư thấp, hiệu quả khử khuẩn cao và thời gian xử lý nhanh chóng.
Hình 2.6 Máy ozone dùng diệt khuẩn trong y tế
Kangaroo đã ứng dụng công nghệ ozone vào máy bơm nước để diệt khuẩn, mang lại nhiều lợi ích cho đời sống hàng ngày như làm sạch rau củ, làm đẹp da, trị mụn, và hỗ trợ điều trị các bệnh ngoài da Trong nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản, máy bơm ozone giúp khử mùi chuồng trại, tưới cây, giảm sâu bệnh và cung cấp oxy cho ao hồ, giúp tôm cá khỏe mạnh và phát triển nhanh hơn Sản phẩm cũng có khả năng xử lý nước hồ bơi, tiêu diệt vi khuẩn nguy hiểm Được kiểm định bởi Tổng cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng Việt Nam, máy bơm ozone đạt hiệu quả diệt khuẩn lên đến 99% và khử asen 70% Sản phẩm sẽ được ra mắt trong thời gian tới.
Hình 2.7 Máy bơm nước công nghệ ozone của Kangraroo
Ngoài ra, còn có thiết bi xử lý nước bằng ozone là máy của hãng
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY OZONE
Yêu cầu
Dựa vào kiến thức đã học và giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn tìm hiểu thiết kế và chế tạo ra máy có thể tạo được khí ozone.
Chức năng từng khối
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY OZONE
Dựa vào kiến thức đã học và giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn tìm hiểu thiết kế và chế tạo ra máy có thể tạo được khí ozone
3.2 Sơ đồ khối và nguyên lý làm việc
Tùy thuộc vào điều kiện ứng dụng, máy tạo ozone cần có các cấu trúc riêng biệt; tuy nhiên, để phát ra ozone, một máy tạo ozone thường yêu cầu những khối cơ bản như trong Hình 1.
Hình 3.1 Sơ đồ khối minh hoạ các khối cơ bản trong một máy tạo ozone
Ngoài các khối cơ bản, máy tạo ozone có thể cần trang bị thêm thiết bị phụ trợ đắt tiền như bồn trộn ozone chịu được chất oxy hoá mạnh, hiện đang phải nhập khẩu Bên cạnh đó, thiết bị khử các khí không mong muốn như tạp khí NOx cũng rất quan trọng trong quá trình tạo ozone.
Không khí được đưa vào qua khối xử lý nguồn khí sẽ loại bỏ tạp chất, chỉ giữ lại oxy Oxy sau đó được chuyển đến khối điện cực để tạo ra khí ozone Quá trình này yêu cầu một nguồn điện áp cao từ khối tạo điện áp, giúp oxy trong môi trường có tia lửa điện ở điện áp cao chuyển hóa thành ozone.
3.3 Chức năng và giải thích từng khối
Khối nguồn cung cấp điện AC 220V cho máy tạo ozone, sử dụng trực tiếp từ lưới điện dân dụng.
3.3.2 Khối xử lý không khí đƣa vào Điện cực tạo khí Ozone
Khối tạo điện áp cao và tần số cao
Khối xử lý nguồn khí đưa vào
Khối xử lý nguồn khí có thể đơn giản với một máy nén khí thông thường, nhưng đối với các công nghệ yêu cầu cao về chất lượng và công suất phát ozone, thiết bị này trở nên tốn kém Quá trình bắt đầu bằng việc lọc sạch và sấy khô không khí, sau đó chưng cất thành oxy tinh khiết, vì không khí chỉ chứa 21% oxy, 78% nitơ và 1% các khí khác Oxy tinh khiết được bơm vào điện cực dưới sự giám sát chặt chẽ về lưu lượng và phẩm chất Nếu khối xử lý hoạt động không ổn định, chất lượng và công suất của ozone cũng sẽ bị ảnh hưởng.
Hình 3.2 Máy nén không khí thong thường trong hồ cá cảnh
Do yêu cầu xử lý nước cho các hộ nuôi tôm, ozone từ không khí (ozone bẩn) không thể sử dụng Hơn nữa, giá thành máy tạo oxy quá cao (máy sản xuất tại Trung Quốc có giá khoảng 10 triệu đồng), vì vậy đề tài không áp dụng khối tạo khí oxy.
3.3.3 Khối điện cực tạo khí ozone
Điện cực trong máy tạo ozone có thể có cấu tạo đơn giản hoặc đắt đỏ lên đến 80.000 USD, tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ, đặc biệt trong xử lý chất thải công nghiệp Nguyên lý hoạt động chủ yếu là phát sinh tia lửa điện trong môi trường có oxy để tạo ra ozone Khi yêu cầu về sản lượng và chất lượng ozone cao, việc chế tạo điện cực trở nên phức tạp hơn, bao gồm các yếu tố như mạ bạc bên trong lòng ống thủy tinh chịu lực, nhiệt và điện áp cao, cũng như sử dụng các vòng đệm chịu được chất oxy hóa mạnh (O3) Để tạo ra tia lửa hồ quang phân bố đều trong lòng điện cực, điều này không chỉ tăng tuổi thọ cho điện cực mà cũng là đặc điểm chung của hầu hết các máy tạo ozone hiện nay.
Khoâng khí Điện cực aâm Điện cực aâm ẹieọn moõi
Hình 3.4 Cấu tạo điện cực của máy tạo ozone
Để đảm bảo an toàn và tránh rò rỉ ozone trong cấu trúc điện cực, cần bọc điện cực âm bằng lớp thuỷ tinh chịu điện áp cao Việc này yêu cầu sử dụng công nghệ xi mạ cao cấp để phủ lên bề mặt các chất không bị oxy hoá như bạc, titan, và vàng Công nghệ phun phủ kim loại, hay còn gọi là mạ khô, hoạt động bằng cách sử dụng dòng khí nén để phân tán kim loại lỏng thành các hạt sương mù nhỏ, tạo ra lớp kim loại dày trên bề mặt đã được làm sạch Phun phủ kim loại có khả năng phủ các kim loại nguyên chất và hợp kim lên nhiều loại bề mặt như gốm sứ, thuỷ tinh, và bê tông Thiết bị phun với đầu phun đặc biệt sử dụng nguyên liệu dạng dây hoặc bột, và có thể làm nóng chảy kim loại bằng hồ quang điện, ngọn lửa khí cháy hoặc plasma Công nghệ này giúp điện cực chống gỉ sét trong môi trường khí quyển và nước, đồng thời tạo lớp phủ có khả năng làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, chịu ma sát, và đòi hỏi độ cứng cao, đặc biệt là khả năng dẫn điện trên bề mặt thuỷ tinh không dẫn điện Hiện nay, công nghệ này chỉ có tại các nhà máy lớn ở Việt Nam.
38 như JUKY Việt nam nhưng họ chỉ sản xuất các chi tiết để xuất khẩu, không nhận gia công bên ngoài
Điện cực hoạt động trong điều kiện phóng điện liên tục sẽ rất nóng, vì vậy cần phải có hệ thống làm mát cưỡng bức và liên tục Hình 2 minh họa một phương pháp làm mát thực tế cho điện cực.
Không khíĐiện cực âm Điện cực dương ẹieọn moõi
Hình 3.5 Điện cực máy tạo ozone và bộ phận làm mát
Hiện nay, các máy tạo ozone trong nước chủ yếu sử dụng điện cực nhập khẩu, dẫn đến giá thành cao Một số cơ sở tự chế tạo chỉ đạt công suất thấp Mặc dù có một số cơ sở làm theo mẫu nước ngoài, nhưng do thiếu thiết bị phun phủ kim loại, họ đã sử dụng cách dán miếng inox mỏng vào ống thủy tinh chịu nhiệt để tạo điện cực âm.
Sau một thời gian ngắn làm việc liên tục không quá 3 tháng, các miếng inox đã bị phá hủy hoàn toàn Đến nay, các cơ sở này không còn sản xuất loại điện cực này nữa.
Hình 3.6 Cấu trúc điện cực tạo ozone trong đề tài
Mặc dù điện cực được đề xuất trong hình 3.4 không hoàn toàn tối ưu do việc phóng điện không đều, đặc biệt tại các thiết bị gá lắp má điện cực, điều này có thể làm giảm tuổi thọ của điện cực Tuy nhiên, điện cực này vẫn có những ưu điểm đáng kể, bao gồm hiệu suất hoạt động tốt hơn cho cả điện cực dương và âm.
Vỏ thuỷ tinh chịu nhiệt
- Thay điện cực hình trụ bằng hình hộp chữ nhật Như vậy việc lắp ráp thêm thiết bị làm mát sẽ dễ dàng hơn
Cấu trúc hình hộp chữ nhật cho phép sắp xếp các điện cực song song, giúp tăng cường điện tích tạo ra ozone mà không làm tăng đáng kể thể tích của thiết bị.
Cấu trúc ghép song song cho phép dễ dàng sửa chữa và thay thế các điện cực khi cần thiết Các điện cực này chỉ là những miếng kim loại không dẫn điện như bạc và titan, do đó không yêu cầu công nghệ mạ cao cấp.
- Do tất cả các điện cực được đưa vào trong bầu tạo ozone nên độ an toàn về điện cũng cao hơn
Đề tài đã đề xuất biện pháp khắc phục những khó khăn trong việc chế tạo điện cực bằng cách phát triển một loại điện cực mới, như hình 3, giúp quá trình chế tạo và bảo trì trở nên dễ dàng hơn so với điện cực hình trụ Nguyên liệu cho điện cực này cũng dễ dàng tìm kiếm trong điều kiện Việt Nam, tạo nên điểm mới cho nghiên cứu.
Hình 3.7 Hình ảnh thực tế khối điện cực tạo ozone
3.3.4 Khối tạo điện áp cao và tần số cao
THIẾT KẾ MÔ HÌNH NUÔI TÔM KẾT HỢP SỤC KHÍ OZONE
Yêu cầu của hệ thống
Điều khiển hoạt động của của máy bơm và máy tạo ozone theo trật tự và thời gian chính xác.
Chức năng từng khối
Khối nguồn cung cấp điện DC 12V cho khối điều khiển thời gian và hai máy bơm nước, đồng thời cung cấp điện 220V cho máy tạo ozone hoạt động hiệu quả.
4.3.2 Khối điều khiển trung tâm
Khối điều khiển thời gian quản lý hoạt động của máy bơm nước đầu tiên, chuyển nước từ hồ nuôi tôm sang hồ xử lý Khi máy bơm hoàn thành thời gian đã được lập trình, nó sẽ tự động dừng Đồng thời, khối điều khiển cũng điều chỉnh máy tạo ozone để sục khí ozone vào hồ xử lý trong khoảng thời gian đã định Khi thời gian sục khí kết thúc, khối điều khiển sẽ ngừng hoạt động của máy tạo ozone.
Khối điêu khiển bằng tay
Khối điều khiển trung tâm
Máy tạo ozone Khối ngõ ra công suấtKhối nguồn
43 tạo ozone và cho máy bơm thứ hai bơm nước từ hồ xử lý trở lại hồ nuôi tôm kết thúc chu trình xử lý nước hồ nuôi tôm
4.3.3 Khối ngõ ra công suất
Có ngõ ra là các relay để kết nối với các thiết có công suất cao là các máy bơm hay máy tạo ozone
4.3.4 Khối điều khiển bằng tay
Có các nút nhấn để điều khiển các ngõ ra khi không làm việc ở chế độ tự động
Có chức năng tạo ra khí ozone để diệt khuẩn và khử chất trong nước.
Hoạt động của mô hình
Hệ thống xử lý nước nuôi hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển thời gian Khối điều khiển sẽ quản lý thời gian bơm của máy bơm nước đầu tiên từ hồ nuôi tôm sang hồ xử lý Khi thời gian lập trình kết thúc, máy bơm này sẽ dừng hoạt động Tiếp theo, khối điều khiển cho phép máy tạo ozone sục khí ozon vào hồ xử lý trong khoảng thời gian đã định Sau khi hết thời gian sục khí, máy tạo ozone sẽ dừng và máy bơm thứ hai sẽ bơm nước từ hồ xử lý trở lại hồ nuôi tôm, hoàn tất quy trình xử lý nước Ngoài chế độ tự động, người dùng cũng có thể điều khiển các máy bơm và máy tạo ozone bằng các nút bấm.
Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật của hệ thống
Tắt tất cả thiết bị Khởi tạo timer
Ngưỡng Timer = thời gian bơm ra Tắt Bơm ra, Bật máya bơm vào
Ngưỡng Timer = thời gian ozone Tắt bơm vào, Bật Ozone
Ngưỡng Timer = thời gian chờ
Ngưỡng Timer = thời gian bơm ra
Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển thời gian
Yêu cầu, lựa chọn và giải thích các khối
Yêu cầu: Cung cấp nguồn 5v cho mạch điều khiển, 12v cho máy bơm DC Phương án, lựa chọn và lí do lựa chọn:
Nguồn 5VDC từ cổng USB
Nguồn ngoài từ 7-12VDC từ các Adapter
Mạch nguồn xung 5-12v 10am được lựa chọn vì đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của khối, đồng thời mang lại nhiều lợi ích như dễ sử dụng, dễ tìm mua và khả năng cung cấp nguồn cho nhiều khối cùng lúc.
4.5.2 Khối ngõ ra công suất
Yêu cầu: Là ngõ ra để kết nối với các thiết bị có công suất lớn
Phương án, lựa chọn và lí do lựa chọn:
Triac là loại linh kiện bán dẫn dùng để đóng ngắt như 1 khóa điện tử
Dòng điện cực đại: 16am
Relay 5 chân là loại linh kiện dùng đóng ngắt điện cơ đơn giản.Gồm 2 phần chính là cuộn hút và tiếp điểm
Dòng điện cực đại: 10am
Thời gian tác động: 10ms
Thời gian nhã hãm: 5ms
Chọn relay 5 chân vì nó đáp ứng tốt các chức năng cần thiết cho khối Bên cạnh đó, relay này còn có những ưu điểm như dễ tìm, dễ sử dụng và giá thành phải chăng.
4.5.3 Khối điều khiển trung tâm
Yêu cầu: Là khối trung tâm để điều khiển các khối còn lại thật chính xác
Phương án, lựa chọn và lí do lựa chọn:
Rơle thời gian cơ khí
Rơle có chức năng định thời gian
Hình 4.7 Sơ đồ cấu tạo rơle thời gian của Nga
Nam châm điện gôm có cuộn dây điện áp 12, mạch từ tĩnh 11, lõi thép động
10 và lò xo 9 Nó nhận điện áp từ nguồn điện thao tác, tức là nguồn câp cho mạch điện khống chế
Cơ cấu thời gian bao gồm bánh răng dẫn động 23 kết nối chắc chắn với thanh hãm 4, bánh răng này hoạt động nhờ lò xo 18 và truyền động cho bánh răng khác.
Để thực hiện việc quay tiếp điểm động, cần sử dụng bộ phận chính của cơ cấu thời gian, bao gồm hệ thống bánh răng 16, 15, 13 Các bánh răng này kết nối với trục quay tiếp điểm động thông qua bánh ma sát.
17, và quay bánh răng 3 để truyền chuyển động tới cơ cấu con lắc gồm bánh cóc
14, móc 1 và quả rung 2 Cơ cấu con lắc để giữ cho tốc độ quay của tiếp điểm động là đều, tương tự như ở cơ cấu đồng hồ
Đầu tiếp xúc tĩnh 22 và đầu tiếp xúc động 21 là hai điểm chính trong hệ thống, bên cạnh đó còn có hai tiếp điểm phụ đóng, cắt không thời gian: tiếp điểm thuận 5 – 8 và tiếp điểm nghịch 5-7.
Khi cuộn dây 12 có điện, lõi thép 10 bị hút xuống, khiến con đội 6 đè lên đầu tiếp xúc động 5 Điều này làm mở tiếp điểm nghịch 5-7 và đóng tiếp điểm thuận 5-8 Đồng thời, thanh hãm 4 được mở tự do, lò xo 18 kéo bánh răng 23 quay, làm quay toàn bộ cơ cấu thời gian và tiếp động 21 Nhờ cơ cấu con lắc, tiếp điểm động quay từ từ với tốc độ đều đến hai đầu tĩnh.
20 sau một khoảng thời gian nhất định, tùy thuộc vào vị trí của các đầu tĩnh 21
Thời gian tác động là khoảng thời gian từ khi cuộn dây có điện đến khi đóng tiếp điểm chính Để điều chỉnh thời gian tác động, cần dịch chuyển hai đầu tiếp xúc tĩnh 20 dọc theo thang trị số 19.
Hình 4.8 Rơle thời gian thực tế
AT89S52 là một vi điều khiển do Atmel sản xuất, thích hợp cho các ứng dụng điều khiển Nó cho phép xử lý byte và thực hiện các phép toán số học trên cấu trúc dữ liệu nhỏ với nhiều chế độ truy xuất dữ liệu nhanh trên RAM nội Tập lệnh của AT89S52 cung cấp các lệnh số học 8 bit, bao gồm cả lệnh nhân và chia, cùng với hỗ trợ cho các biến một bit, giúp quản lý và kiểm tra bit trực tiếp trong hệ thống điều khiển Chip này có các đặc tính nổi bật như 8 KByte bộ nhớ EPROM có thể xóa và lập trình nhanh, 128 Byte RAM, 32 đường I/O, 3 TIMER/COUNTER 16 Bit, 5 vectơ ngắt với cấu trúc 2 mức ngắt, một Port nối tiếp bán song công, cùng với mạch dao động tạo xung Clock và bộ dao động ON-CHIP.
•8 KByte bộ nhớ có thể lập trình nhanh, có khả năng tới 1000 chu kỳ ghi/xoá
•Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz
•3 mức khóa bộ nhớ lập trình
•64 KB vùng nhớ mã ngoài
•64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại
•4às cho hoạt động nhõn hoặc chia Ƣu và nhƣợc điểm của vi điều khiển: Ưu điểm:
Có giá thành rẻ tiết kiệm chi phí
Có kích thước phù hợp
Bộ nhớ và chức năng tương đối thấp
Hình 4.9 Sơ đồ khối AT 89S52
Hình 4.10 Sơ đồ chân AT89S52
Hình 4.11 Hình ảnh thực tế vi điều khiển AT89S52
Vi điều khiển AT89S52 được lựa chọn vì có các chức năng phù hợp với yêu cầu của khối Nó không chỉ có giá thành rẻ mà còn tiết kiệm không gian mô hình, đặc biệt là nằm trong chương trình học mà trường đã giảng dạy cho sinh viên.
