Ứng dụng vật liệu nano carbon trong thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời (20/11/2022)
Đây là giải pháp của nhóm tác giả Nguyễn Duy Cảnh, Nguyễn Văn Thân, Nguyễn Văn Cảnh, Nguyễn Hiệp Hòa, Phạm Xuân Hồng, Nguyễn Quốc Tuấn - Trường Đại học Ngô Quyền đạt giải Ba Hội thi Sáng tạo Kỹ thuật lần thứ IX (2019-2021)
Trong nghiên cứu chế tạo thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời, tác giả tìm thấy một số mô hình thiết bị của một số đơn vị trong nước như: Mô hình thiết bị đề tài nghiên cứu khoa học của sinh viên Trường Đại học Thủ Dầu Một, mô hình thiết bị của giảng viên Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Cần Thơ. Giải pháp đã cho thấy tiềm năng thu nước sạch từ nước mặn sử dụng năng lượng mặt trời. Tuy nhiên các mô hình trên tồn tại một số vấn đề sau: (1) Các mô hình sử dụng nguyên lý làm nóng nước theo kiểu truyền thống, tức làm nóng nước từ dưới lên khi đặt vật liệu hấp thụ ánh sáng ở dưới đáy bể chứa nước. Với kết cấu cấu truyền thống này, nhiệt sinh ra từ vật liệu hấp thụ ánh sáng sẽ truyền cho cả khối nước trong bể, do đó gây thất thoát nhiệt, đồng thời hơi nước khó thoát ra khỏi khối nước dẫn đến hiệu suất thấp. Mặt khác, ánh sáng trước khi truyền đến vật liệu hấp thụ phải truyền qua lớp nước ở trên, do đó làm giảm lượng ánh sáng dùng để sinh nhiệt. (2) Một số thiết bị sử dụng gương hội tụ, làm tăng chi phí và giảm tính linh hoạt của thiết bị. Mặt khác cấu trúc nhà kính ngưng tụ nước còn sử dụng các vật liệu đắt tiền, cồng kềnh, không nổi được trên nước và phải đặt cố định trên mặt đất. Từ đó hạn chế ứng dụng của thiết bị ở những nơi điều kiện cơ sở vật chất còn hạn chế. Mục đích của giải pháp là ứng dụng vật liệu nano carbon, nguyên lý làm nước bay hơi bề mặt, kết hợp sử dụng các vật liệu giá thành thấp nhằm tăng hiệu suất, giảm giá thành, tăng tính linh hoạt của thiết bị chưng cất nước.
Nội dung triển khai
Sản phẩm của giải pháp dựa trên các nghiên cứu về chế tạo vật liệu nano carbon và quá trình nước bay hơi bề mặt. Hạt nano carbon (carbon nanodots) được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt sau đó tiến hành tự lắp ghép nhằm tăng khả năng hấp thụ và chuyển đổi ánh sáng mặt trời. Kết cấu nước bay hơi sử dụng nước bay hơi bề mặt với hạt nano carbon gắn trên giấy airlaid đặt cách nước nhờ khung nhựa và nổi trên mặt nước nhờ sử dụng tấm xốp.
- Chế tạo hạt nano carbon và nghiên cứu đặc tính quang nhiệt.
Hạt nano carbon được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt hỗn hợp axit chanh (Citric acid (CA)) và Urea (Hình 1). Cụ thể, 24g CA và 48g urea được cho vào cốc thuỷ tinh chứa 160ml nước cất. Khuấy đều cho hỗn hợp tan hoàn toàn bằng máy khuấy từ trong 10 phút. Sau đó 150ml dung dịch hỗn hợp kể trên được cho vào bình phản ứng thủy nhiệt dung tích 250 ml với buồng phản ứng chất liệu PTFE (Poly Tetra Fluorethylene), đặt vào tủ sấy (DHG-9035A, Yiheng) tiến hành thủy nhiệt. Nhiệt độ phản ứng là 160 °C trong 4 giờ. Dung dịch thu được sau phản ứng được ly tâm bằng máy ly tâm (TGL-16C, Anting) với tốc độ 12000 vòng/phút trong 10 phút nhằm loại bỏ các hạt kích thước lớn. Tiếp theo, dung dịch chứa hạt nano carbon được tiến hành cho vào túi lọc (Vikase MD77MM, 12kDa) và ngâm túi lọc trong nước 24 h nhằm loại bỏ tiền chất chưa phản ứng hết và các sản phẩm phụ. Dung dịch tiếp tục được cô đặc bằng tủ sấy ở nhiệt độ 80°C để tiến hành quá trình tự lắp ghép, cuối cùng thu được vật liệu ở dạng bột.
Kết quả thu được bột hạt nano carbon có màu đen như hình 1 cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời rất tốt. Khi chiếu rọi bằng đèn xenon mô phỏng ánh sáng mặt trời (CEL-HXF300-T3, Aulight) với mật độ năng lượng 1kW/m2 và đo nhiệt độ hạt nano carbon được đo bằng camera ảnh nhiệt (TG267, FLIR), nhiệt độ hạt nano carbon tăng nhanh và đạt nhiệt độ ổn định 51°C cho thấy khả năng hấp thụ và hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt cao của vật liệu này. Hạt nano carbon sau đó được gắn lên giấy airlaid thông qua nhúng giấy airlaid trong dung dịch chứa hạt nano carbon ở nồng độ cao, thu được giấy airlaid bị nhuộm đen như hình 2.
Hình 1. (a) Hạt nano carbon ở dạng bột và (b) mối quan hệ nhiệt độ - thời gian của vật liệu khi chiếu rọi bằng đèn xenon với mật độ năng lượng 1kW/m2.
Hình 2. Giấy airlaid sau khi nhuộm hạt nano carbon.
- Cấu trúc nước bay hơi bề mặt
Cấu trúc nước bay hơi bề mặt sử dụng giấy airlaid như hình 3. Khung nhựa hình khối chữ nhật với kích thước (dài x rộng x cao) 10 cm x 10 cm x 5 cm được gắn trên 2 thanh đế dài 20 cm. Giấy airlaid đã gắn hạt nano carbon được phủ lên bề mặt trên của khung nhựa, đồng thời sử dụng 4 miếng giấy gắn từ giấy ở mặt trên khung nhựa xuống dưới song song với nhau. Với kết cấu bay hơi này, giấy airlaid ở mặt trên khung nhựa có tác dụng hấp thụ ánh sáng mặt trời đồng thời cũng là bề mặt bay hơi của nước. Trong khi đó 4 miếng giấy song song từ dưới lên có mép dưới tiếp xúc với nước có tác dụng hút nước lên bề mặt giấy ở trên nhờ khả năng thấm hút nước tốt của giấy airlaid. Với cấu trúc nước bay hơi bề mặt này có những ưu điểm sau:
- Thứ nhất, do bề mặt giấy ở trên được các nhiệt với khối nước bên dưới nên nhiệt sinh ra bởi hạt nano carbon trên giấy bề mặt không bị truyền xuống khối nước phía dưới từ đó giảm nhiệt thất thoát.
- Thứ hai, giấy airlaid chỉ hút một lượng nhỏ nước đưa lên bề mặt giấy hấp thụ do đó nước trên bề mặt được làm nóng hiệu quả hơn, từ đó tăng tốc độ và hiệu suất của quá trình bay hơi.
- Thứ ba, do lượng nước bề mặt giấy ít nên ánh sáng mặt trời gần như chiếu trực tiếp lên vật liệu hấp thụ mà không bị giảm cường độ do sự hấp thụ của khối nước phía trên.
Hình 3. Hình ảnh cấu trúc hệ thống bay hơi bề mặt: (a) khung nhựa nâng đỡ cấu trúc, (b) giấy airlaid gắn carbon phủ lên khung nhựa và hút nước từ dưới lên nhờ các miếng giấy airlaid.
Để đánh giá khả năng tăng tốc độ bay hơi của kết cấu bay hơi bề mặt kể trên, mô hình cấu trúc tương tự với kích thước nhỏ hơn (hình tròn, đường kính 4 cm) như hình 4 (a) được dùng để đo tốc độ bay hơi của nước. Sơ đồ nguyên lý đo tốc độ bay hơi như hình 4 (a), cấu trúc bay hơi được đặt trong ly nước, dùng đèn xenon chiếu rọi với mật độ năng lượng 1 kW/m2, theo dõi khối lượng nước thay đổi theo thời gian của ly nước bằng cân phân tích. Tốc độ bay hơi của kết cấu sử dụng giấy airlaid gắn hạt nano carbon đạt 1.58 kg/m2h cao gấp gần 5 lần tốc độ bay hơi của nước ở cùng điều kiện 0.32 kg/m2h (điều kiện nhiệt độ phòng 28 °C, độ ẩm 50%). Mặt khác, từ đồ thị tốc độ bay hơi của kết cấu bay hơi cho thấy chỉ sau khoảng 5 phút, tốc độ bay hơi đã đạt ổn định. Khả năng bay hơi cao và nhanh chóng đạt giá trị ổn định của kết cấu đặc biệt hạn chế được ảnh hưởng của cường độ ánh sáng mặt trời thay đổi thường xuyên trong thực tế, giúp tăng hiệu suất của thiết bị.
Hình 4. (a) Kết cấu bay hơi và sơ đồ nguyên lý đo tốc độ bay hơi. (b) Tốc độ bay hơi sử dụng kết cấu nước bay hơi bề mặt bằng giấy airlaid gắn hạt nano carbon và của nước tinh khiết.
Đối với thiết bị chưng cất nước mặn tạo nước ngọt, giảm ảnh hưởng của muối kết tinh đến quá trình bay hơi và hoạt động của thiết bị có ý nghĩa rất quan trọng. Để đánh giá hạn chế khả năng muối kết tinh của kết cấu bay hơi bề mặt, chúng tôi thử nghiệm quá trình bay hơi của kết cấu bay hơi đối với nước muối 3.5%. Sau 5 giờ chiếu rọi bằng đèn xenon với mật độ năng lượng 1kW/m2, trên bề mặt bay hơi xuất hiện lớp muối mỏng kết tinh (hình 5). Tuy nhiên chỉ sau 4 giờ không chiếu rọi và để ở điều kiện phòng, lớp muối trên đã tan hết. Muối kết tinh trên bề mặt được hòa tan xuống khối nước phía dưới do chênh lệch nồng độ qua quá trình hút nước của giấy airlaid. Kết quả cho thấy, với điều kiện sử dụng thực tế: cường độ chiếu rọi trong 1 ngày bằng ánh sáng mặt trời thấp hơn điều kiện thí nghiệm, thông thường 500 W/m2 đến 1kW/m2 trong thời gian buổi trưa, lượng muối kết tinh trên bề mặt sẽ ít hơn. Mặt khác, thời gian qua 1 đêm (khoảng 12 giờ) muối kết tinh sẽ dễ dàng hòa tan hết. Do vậy đối với kết cấu bay hơi bề mặt này, muối kết tinh trên bề mặt trong buổi ngày sẽ bị hòa tan trong buổi đêm và không có hiện tượng tích tụ muối trên bề mặt nên không ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị trong ngày hôm sau.
Hình 5. Khả năng hạn chế muối kết tinh của kết cấu bay hơi. (a) Bề mặt bay hơi sau 5 giờ chiếu rọi bằng đèn xenon với mật độ năng lượng 1kW/m2 xuất hiện lớp muối kết tinh, (b) Bề mặt sau 4 giờ không chiếu rọi ánh sáng, muối kết tinh đã tan hết.
- Mô hình thiết bị chưng cất nước
Kết cấu khung nhựa và giấy airlaid được đặt trên tấm xốp. Các miếng giấy airlaid có chức năng hút nước được luồn xuyên qua tấm xốp thông qua các rãnh nhỏ cắt sẵn (hình 6). Với kết cấu này, cả kết cấu nổi trên bề mặt nước, giấy airlaid hút nước từ dưới lên và không cần bể chứa nước như các mô hình truyền thống khác.
Hình 6. Kết cấu bay hơi bề mặt. (a) Khung nhựa và giấy airlaid gắn hạt nano carbon đặt trên mặt xốp, (b) các miếng giấy hút nước được luồn qua khe hở trên miếng xốp.
Để ngưng tụ hơi nước, chúng tôi sử dụng kính mica dày 1.3 mm tạo thành khối hình chóp kích thước (dài x rộng) 30 cm x 30 cm (hình 7). Nước ngưng tự trên tấm kính chảy xuống tấm xốp và được đưa ra ngoài qua lỗ ở đáy tấm xốp. Quá trình bay hơi và ngưng tụ của thiết bị được thử nghiệm thông qua chiếu rọi bằng đèn xenon với mật độ năng lượng 1 kW/m2. Hình 8 cho thấy, chỉ sau 15 phút chiếu rọi, trên bề mặt tấm kính xuất hiện lượng lớn các giọt nước đã được ngưng tụ, cho thấy tốc độ bay hơi nhanh của thiết bị.
Hình 7. Mô hình thiết bị chưng cất nước.
Hình 8. Quá trình bay hơi của mô hình khi chiếu rọi bằng đèn xenon với mật độ năng lượng 1kW/m2. (a) Hình ảnh khi mới bắt đầu chiếu rọi, (b) Hình ảnh sau 15 phút chiếu rọi và hình ảnh phóng to vị trí 1, 2 cho thấy các giọt nước ngưng tụ trên kính mica.
Thiết bị chưng cất nước được thử nghiệm thực tế trên hồ nước tại Trường Đại học Ngô Quyền. Thiết bị được thả nổi trên mặt nước và cho thấy tốc độ bay hơi nhanh. Trong thời gian 2 giờ 30 phút từ 11 giờ đến 1 giờ 30 phút với mật độ năng lượng ánh sáng dao động trong khoảng 800 – 1100 W/m2, nhiệt độ môi trường từ 28 – 35 °C, độ ẩm không khí 65 ±5%, thiết bị tạo ra được 45 ml nước. Như vậy, trong một ngày giả sử ở điều kiện bình thường có 5 giờ ánh sáng mặt trời với mật độ năng lượng khoảng 800 – 1100 W/m2, thiết bị với 1 m2 bề mặt hấp thụ sẽ tạo ra được 9 lít nước sạch. Với nhu cầu nước của một người trưởng thành tầm 3.7 lít mỗi ngày, thiết bị chưng cất nước với diện tích bề mặt 2 m2 có thể cung cấp đủ nước cho 5 người mỗi ngày ở điều kiện trời nắng.
Hình 9. Thử nghiệm thực tế của thiết bị trên hồ nước Trường Đại học Ngô Quyền.
Kết quả của giải pháp:
Giải pháp đã ứng dụng vật liệu mới hạt nano carbon làm vật liệu hấp thụ, cải tiến kết cấu bay hơi, kết hợp sử dụng các vật liệu giá thành thấp chế tạo thiết bị chưng cất nước có tốc độ bay hơi đạt 1.58 kg/m2h cao gấp gần 5 lần so với tốc độ bay hơi của nước ở cùng điều kiện. Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy thiết bị có thể thu được 9 lít nước/ngày/m2. Thiết bị có độ ổn định cao, hạn chế được muối kết tinh đến quá trình nước bay hơi. Thiết bị có thiết kế gọn nhẹ, linh hoạt, chi phí thấp, có thể ứng dụng ở các vùng có điều kiện cơ sở vật chất hạn chế như vùng ngập mặn Đồng bằng sông Cửu Long, hải đảo, vùng lũ lụt, các hộ gia đình sinh hoạt trên sông nước vv.
Thy Diễm