Giải pháp thiết kế chế tạo thiết bị khử trùng nước uống cầm tay

Nội dung text: Giải pháp thiết kế chế tạo thiết bị khử trùng nước uống cầm tay

1. Thông tin khoa học công nghệ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ KHỬ TRÙNG NƯỚC UỐNG CẦM TAY Bùi Văn Tài1*, Phạm Thị Phượng1, Mai Văn Phước1, Phạm Văn Hòa2 Tóm tắt: Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu trong thiết kế chế tạo thiết bị khử trùng xử lý nước cầm tay sử dụng phương pháp phân tích thể tích chuẩn độ thiosunfat. Mạch điện tử được thiết kế nhỏ gọn dựa trên vi điều khiển ARM, sử dụng nguồn pin, sẽ tính toán, kiểm soát dòng và thời gian điện phân để đạt được hàm lượng Cl* riêng thích hợp, đủ để tạo ra dung dịch dịch hoạt hóa điện hóa khử trùng xử lý nước cầm tay, tạo ra nước uống phục vụ bộ đội. Các kết quả tính toán và thử nghiệm cho thấy, thiết bị khử trùng nước uống cầm tay có chất lượng tương đương với thiết bị của hãng MIOX (Mỹ). Từ khóa: Thiết bị khử trùng; Dung dịch hoạt hóa điện hóa; Dung dịch khử trùng. 1. MỞ ĐẦU Dung dịch hoạt hóa được tạo thành từ quá trình điện phân dung dịch muối ăn trong khe hẹp có khả năng khử trùng cao đã được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau như: khử trùng rau quả, khử trùng bể bơi, xe tiêu tẩy để tiêu độc triệt trùng, khử trùng cho phòng mổ bệnh viện, khử trùng cho nông trại chăn nuôi, [2-4]. Quân đội NATO được trang bị các thiết bị tạo dung dịch hoạt hóa dạng cầm tay sử dụng nguồn pin để khử khuẩn, sát trùng nguồn nước mặt khi hành quân dã ngoại. Điển hình là thiết bị của hãng MIOX (Mỹ), tiện dụng phù hợp vì kích thước nhỏ gọn, sử dụng pin, giá thành xử lý thấp [3]. Quân đội Cộng hòa Séc cũng trang bị thiết bị khử trùng nước mặt cầm tay trên nguyên lý điện phân tạo nano bạc. Với quân đội ta, trong nhiều tình huống thực tế huấn luyện, chiến đấu, hành quân dã ngoại hoặc đóng quân tại vùng núi, hải đảo, nơi không có điện lưới, vùng lũ lụt, bộ đội phải sử dụng nguồn nước mặt tự nhiên không qua xử lý, đun nấu làm nước uống. Điều này ảnh hưởng không nhỏ đến sức khoẻ, kết quả huấn luyện, chiến đấu do hầu hết các nguồn nước mặt đều bị ô nhiễm, nhiễm khuẩn, Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo thiết bị xử lý, khử trùng nước uống cầm tay dùng nguồn pin là cần thiết. Thiết bị được thiết kế dựa trên tham khảo mẫu thiết bị xử lý nước cầm tay của hãng MIOX (Mỹ), có cấu trúc nhỏ gọn, thuận tiện trang bị cá nhân, đã được thử nghiệm và cho chất lượng khử trùng nước tương đương thiết bị MIOX. 2. XÂY DỰNG CÁC THAM SỐ CHO THIẾT BỊ 2.1. Tính toán hàm lượng Cl* riêng và hiệu suất dòng phản ứng Hàm lượng Cl* riêng là số mg chất hoạt tính tạo thành khi tiêu tốn 1 Ah được xác định theo công thức: VC  = (mg/Ah) (1) It 1000 Trong đó: I - Cường độ dòng điện phân (A); t - Thời gian điện phân (giờ); V - Thể tích dung dịch điện phân (ml), C - Nồng độ Clo hoạt tính tạo thành (mg/l). Trong điện phân dung dịch, khối lượng sản phẩm tính theo Faraday có dạng: Mlt = Ð I t (2) Với: I - Cường độ dòng điện phân (A); t - Thời gian điện phân (s); Đ - Đương lượng điện hoá của chất điện phân (g/Ah). Trong đó, đương lượng điện hoá của chất điện phân xác định theo biểu thức: 28,6.M Ð= (3) z 162 B. V. Tài, , P. V. Hòa, “Giải pháp thiết kế chế tạo thiết bị khử trùng nước uống cầm tay.”
2. Thông tin khoa học công nghệ Với: M - Phân tử lượng chất điện phân; z - Số electron trao đổi. Trên cơ sở đó, nếu gọi Mtn là khối lượng sản phẩm thu được từ thực nghiệm (g), ta có hiệu suất dòng phản ứng là: M H = tn 100 (4) Mlt 2.2. Lựa chọn điện cực và mật độ dòng điện Kết quả phân tích thiết bị khử trùng nước của hãng MIOX nhận thấy, điện cực có cấu trúc gồm anốt và catốt. Anốt là loại điện cực trơ dạng Ti/RuO2 (gồm lớp oxit của kim loại quý RuO2 phủ lên nền kim loại Titan tinh khiết). Điện cực có hình vành khăn, màu đen, đường kính trong 22 mm. - Điện cực anốt bằng titan phủ rutheni oxyt và titan điôxyt, anot bằng titan nguyên chất. Khoảng cách điện cực 2,5 mm, kích thước catốt  = 17mm, anốt trong = 22mm, chiều cao H = 16 mm. 2 - Dung dịch điện phân là muối NaCl bão hòa, chế độ điện phân: dòng xung DA 30 A/dm , thời gian 1s, nghỉ 1s, sau đó điện phân tiếp 4s. 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ KHỬ TRÙNG NƯỚC 3.1. Thiết kế, chế tạo mạch điện tử điều khiển Mạch điện tử điều khiển (sơ đồ chức năng trên hình 1) có nhiệm vụ: Kiểm soát và duy trì cường độ dòng điện trong quá trình điện phân; Duy trì thời gian điện phân và đóng ngắt mạch điện; Thực hiện giao tiếp phím bấm và hiển thị LED trạng thái hoạt động của thiết bị. Khối điều khiển Điện cực dòng điện LED hiểu thị trạng thái Khối xử lý (vi điều khiển) Phím bấm điều khiển Ổn áp 3.3V Nguồn cấp Hình 1. Sơ đồ khối của mạch điện. Nguồn cung cấp 6 VDC sử dụng 2 pin litium, có khả năng cấp dòng từ 2 - 5 A, cấp cho các điện cực điện phân và cho các khối trên bảng mạch. Khối xử lý trung tâm được thiết kế dựa trên vi điều khiển ARM, thực hiện nhận lệnh điều khiển từ phím bấm và điều khiển quá trình điện hóa, trạng thái hoạt động được báo hiệu bằng đèn LED bao gồm báo quá trình điện phân, cảnh báo pin yếu và dung dịch quá loãng. Khối điều khiển dòng điện sẽ cấp và kiểm soát dòng DC tới điện cực. Hình 2. Dạng tín hiệu điều khiển điện phân. Hình 3. Mạch điện tử điều khiển thiết bị. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 163
3. Thông tin khoa học công nghệ Chế độ điện phân được lập trình trên Vi điều khiển ARM với mỗi chu kỳ điện phân (tương ứng mỗi lần bấm công tắc), tín hiệu điều khiển dòng điện phân có dạng như trên hình 2, bao gồm: Xung thăm dò với thời gian 150 ms, sau đó nghỉ 1,7 s và điện phân tiếp 4,4 s. Để tăng hàm lượng Cl* trong dung dịch điện phân, có thể thực hiện nhiều chu kỳ điện phân. 3.2. Thiết kế, chế tạo buồng điện phân Trên cơ sở tính toán, phân tích và lựa chọn các tham của thiết bị, buồng điện phân được chế tạo với các chi tiết như trên hình 4 gồm: buồng hòa tan muối, nắp đậy, anốt và catốt. 1 2 3 4 5 Hình 4. Các chi tiết buồng điện phân: 1 - Nắp đậy; 2 - Buồng hòa tan muối; 3 - Buồng chứa anốt và catốt; 4 – Catốt; 5 – Anốt. Thiết bị tạo dung dịch hoạt hóa điện hóa được chế tạo như hình 5. Ngoài ra, đi kèm với thiết bị còn có các phụ kiện như: túi muối ăn 28 g, bộ vỏ, pin, hướng dẫn sử dụng thiết bị và hộp đựng. Hình 5. Thiết bị khử trùng nước uống cầm tay. 3.3. Đánh giá kết quả • Khả năng tạo dung dịch hoạt hóa điện hóa của thiết bị Khả năng tạo dung dịch hoạt hóa điện hóa của thiết bị chế tạo so với mẫu của hãng MIOX (Mỹ) cho kết quả trong bảng 1. Bảng 1. Kết quả xác định nồng độ Cl* theo chu kỳ điện phân. Số chu kỳ Thiết bị MIOX Thiết bị chế tạo điện phân Nồng độ Cl* Khối lượng Cl* Nồng độ Cl* (mg/l) Khối lượng Cl* (mg/l) (mg) (mg) 1 553,8 1,36 548 1,32 2 1136 2,78 1205 2,89 3 1704 4,17 1723 4,13 4 2052 5,03 2147 5,15 Như vậy, sau 4 chu kỳ điện phân, khối lượng Cl* của thiết bị chế tạo tạo ra tương đương với khối lượng Cl* của thiết bị MIOX tạo ra. Đánh giá xác định các chỉ tiêu kỹ thuật chính của thiết bị ở bảng 2 sau: Bảng 2. Chỉ tiêu kỹ thuật của thiết bị khử trùng nước uống cầm tay. TT Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị đo Kết quả 1 Khối lượng kg 0,20 2 Kích thước; đường kính/chiều dài mm 25/200 3 Nguồn điện sử dụng 02 pin (123A, 3 V) V 6 4 Nồng độ dung dịch điện phân 1 chu kỳ mg/l 548 5 Hàm lượng Cl* tạo ra để xử lý cho 500 ml nước mg 1,32 6 pH của dung dịch điện phân 8,0 164 B. V. Tài, , P. V. Hòa, “Giải pháp thiết kế chế tạo thiết bị khử trùng nước uống cầm tay.”
4. Thông tin khoa học công nghệ 4. KẾT LUẬN Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu trong xây dựng giải pháp thiết kế, chế tạo thiết bị tạo dung dịch hoạt hóa điện hóa xử lý nước cầm tay dựa trên các nguyên liệu và vật tư có sẵn trong nước. Các kết quả thí nghiệm cho thấy, nồng độ Cl* tạo ra sau mỗi lần điện phân và khả năng khử trùng xử lý nước của thiết bị là tương đương với thiết bị xử lý nước cầm tay MIOX của Mỹ. Tuy nhiên, để thiết bị trở thành sản phẩm trang bị trong quân đội, cần phải có nghiên cứu hoàn thiện thêm về mẫu mã cũng như thực hiện thêm nhiều số mẫu thử nghiệm khác nhau. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. TCVN 6187-2: 1996. “Chất lượng nước- Xác định - Phát hiện và đếm vi khuẩn coliform, vi khuẩn coliform chịu nhiệt và Escherichia coli giả định. Phần 2: Phương pháp nhiều ống”. [2]. Nguyễn Duy Kết, Ngô Hoàng Giang, Nguyễn Văn Tú (2007) “Nghiên cứu chế tạo anốt trơ hệ RuO2/Ti ứng dụng để chống ăn mòn cho kết cấu công trình và xử lý môi trường”. Báo cáo khoa học Trung tâm KH&CNQS. [3]. Saefkow et al, “Electrochemically treated water, method and device for the production thereof, and the use thereof as a disinfection agent”. Patent Application Publication US 2010/01899805 A1. [4]. R. M. S. Thorn et all, 2011, “Electrochemically activated solutions: evidence for antimicrobial efficacy and applications in healthcare environments”. Eur J Clin Microbiol Infect Dis, Springer. [5]. James S. Dusenbury, “Military Land-Based Water Purification and Distribution Program Warren”, MI, 48397 USA. ABSTRACT SOLUTIONS IN DESIGNING AND MANUFACTURING OF WATER TREATMENT DISINFECTION HANDHELD EQUIPMENT In this paper, some research results in design and manufacture of water treatment disinfection handheld equipment devices in the form of MIOX , U.S. firms are presented. The method approach used by analytical methods thiosulfate volumetric titration method to test the bactericidal MPN. Research results that are designed and manufactured equipment to create a solution electrochemical activation of water treatment disinfection quality handheld device similar to its U.S. MIOX. Keywords: Disinfectant equipment; Electrochemical activation solution; The disinfectant solution. Nhận bài ngày 08 tháng 01 năm 2021 Hoàn thiện ngày 23 tháng 02 năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 12 tháng 4 năm 2021 Địa chỉ: 1Viện Hóa học - Vật liệu/Viện KH-CN quân sự; 2Viện Điện tử/Viện KH-CN quân sự. *Email: taivh2014@gmail.com. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 165