VN
EN
Cách đây một thập kỷ, người ta đã dự đoán một phần ba dân số thế giới sẽ phải đối mặt với tình trạng khan hiếm nước sạch vào năm 2025. Nhưng tính đến thời điểm hiện tại, hai tỷ người đã phải đối mặt với tình trạng khan hiếm nước sạch và dự báo đến năm 2025, hai phần ba dân số thế giới có thể phải đối mặt với vấn đề này nếu tình hình không được cải thiện. Nhiều người cho rằng, chiến tranh, tranh giành nguồn nước sạch sẽ diễn ra ngay trong thế kỷ này giống như cuộc chiến giành quyền kiểm soát dầu mỏ trong những thế kỷ trước!
1. Đặt vấn đề
Những năm qua Hà Tĩnh đã có nhiều nổ lực trong việc ứng dụng các tiến bộ khoa học trong việc cung cấp nước sạch cho nhân dân, tuy nhiên ở một số địa bàn nông thôn, miền núi, vùng ven biển người dân vẫn chưa tiếp cận được với nguồn nước sạch cho sinh hoạt hàng ngày. Mặt khác do đặc thù khí hậu ở Hà Tĩnh, hàng năm có thời gian nắng kéo dài kết hợp với gió Lào khô nóng nên lượng nước bề mặt cũng như nước ngầm sụt giảm đáng kể, đặc biệt như ở Hương Sơn, Vũ Quang, thượng Kỳ Anh thiếu nước sinh hoạt trở nên trầm trọng; các giếng đào của người dân ở vùng dọc bờ biển bị nhiễm mặn. Nhiều hộ dân phải đi xa 3 đến 4 km gánh nước từ các ao hồ, sông suối về sử dụng.
Vấn đề nước ngầm bị nhiểm các hoá chất, kim loại độc như As, Pb, Hg… tại xã An Lộc-Lộc Hà; xăng dầu ngấm dưới đất do chiến tranh để lại ở mức độ rất cao tại xã Hương Long-Hương Khê; nhiễm thuốc trừ sâu, tàn tích từ các kho chứa để lại tại xã Việt Xuyên-Thạch Hà, xã Vĩnh Lộc-Can Lộc… là nguyên nhân gây ra căn bệnh ung thư, cướp đi hàng chục sinh mạng mỗi năm.
Ngày nay tuy tỷ lệ tử vong ở trẻ em và tỷ lệ mắc các bệnh truyền nhiễm đã giảm hẳn, song các bệnh liên quan tới nước và vệ sinh môi trường vẫn là một thách thức lớn về sức khỏe cộng đồng ở Hà Tĩnh. Bệnh tiêu chảy do thiếu nước sạch là một trong những nguyên nhân chính gây ra tình trạng ốm đau trên phạm vi rộng, làm cho hàng nghìn người phải nhập viện mỗi năm. Trẻ em ở nông thôn bị nhiễm giun tóc, giun móc và giun đũa rất phổ biến. Đó cũng là một phần lý do tại sao trẻ em ở nông thôn, miền núi có tỷ lệ suy dinh dưỡng cao.
Một điều mà thiên nhiên lại “ưu đãi” cho Hà Tĩnh và vùng lân cận, chính là do đặc thù khí hậu khắc nghiệt nên đã có một nguồn năng lượng mặt trời (NLMT) dồi dào, trung bình khoảng 21MJ/m2/ngày trong những tháng mùa hè. Nguồn năng lượng này có thể được sử dụng để chưng cất nước nhiễm các hoá chất, kim loại độc, nước mặn… thành nước sạch phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt của người dân nơi đây trong mùa hạn hán.
2. Sơ lược về nguồn năng lượng mặt trời
Mặt Trời là một quả cầu lửa khổng lồ có đường kính 1,39.106km (bằng 110 lần đường kính trái đất), khối lượng khoảng 2.1030kg, nhiệt độ tại tâm khoảng 15.106K, nhiệt độ bề mặt khoảng 6.000K và cách Trái đất 150.106km.
Trong quá trình hình thành Mặt Trời, do lực hấp dẫn mạnh nén khí Hydro vào tâm làm cho nhiệt độ tại đây tăng lên trên 107K, đủ điều kiện để xảy ra phản ứng tổng hợp 41H + 2e- __> 4He + 2v + 4g + dE.
Mỗi giây mặt trời tiêu hủy 420 triệu tấn Hydro, độ hụt khối 4,2 triệu tấn và phát ra năng lượng tính theo phương trình Einstein E =dmC2 = 3,8.1026W dưới dạng bức xạ. Người ta ước tính quá trình này sẽ diễn ra trong vòng 4,5 tỉ năm nữa tính đến khi Mặt Trời sụp đổ thành sao khổng lồ đỏ, kết thúc sự sống trên Trái Đất.
Mỗi ngày Mặt Trời giải phóng một nguồn năng lượng lên đến 9.1024kWh, tức chưa đầy một phần triệu giây mặt trời đã giải phóng một lượng năng lượng tương đương tổng điện năng sản xuất ra trong một năm trên toàn thế giới!
Mật độ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển Trái Đất Eo = 1.353W/m2 hầu như không thay đổi nên được gọi là hằng số mặt trời. Trên mặt đất vào những ngày quang mây, cường độ trực xạ cực đại khoảng 1.000W/m2.
3. Lịch sử phát triển công nghệ chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời
Từ lâu loài người đã quan tâm đến vấn đề biến nước mặn thành nước ngọt. Đầu thế kỷ IV trước CN, Aristotle đã trình bày phương pháp hóa hơi nước mặn rồi ngưng tụ thành nước ngọt.
Theo nhà nghiên cứu P.I. Cooper thì các nhà giả kim Ả Rập là những người đầu tiên sử dụng năng lượng mặt trời để chưng cất nước từ thế kỷ VI. Nhưng một tài liệu về chưng cất nước bằng NLMT đầu tiên được viết vào năm 1742 bởi Nicolo Ghezzi người Ý.
Năm 1872 kỹ sư Charles Wilson người Thụy Điển đã xây dựng tại Las Salinas, Chi Lê một nhà máy chưng cất nước bằng NLMT gồm 64 bể làm bằng gỗ và kính có tổng diện tích 4.459m2, cung cấp 20.000 lít nước sạch mỗi ngày. Nhà máy này có tuổi thọ 40 năm.
Trong chiến tranh thế giới thứ II, khoảng 200.000 túi chưng cất nước tiện lợi được cung cấp cho lính Mỹ để dùng trong trường hợp khẩn cấp.
Trong những năm 1950 công nghệ này được hồi sinh. Người Mỹ đã xây dựng tại California một nhà máy chưng cất nước bằng NLMT có công suất 3775m3/ngày.
Những năm 1960 và 1970 đã có 38 nhà máy chưng cất nước kiểu này được xây dựng trên 14 quốc gia, với công suất từ vài trăm cho đến hàng chục nghìn lít mỗi ngày.
Hiện nay trên toàn thế giới các nhà khoa học đang quan tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ này. Với sự áp dụng các thành tựu mới trong khoa học vật liệu nhờ công nghệ nano, chắc chắn trong tương lai không xa loại thiết bị này sẽ được phổ biến rộng rãi vì tính ưu việt của nó là không dùng bất cứ một loại năng lượng phụ trợ hay hóa chất nào và nước sau khi chưng cất có thể uống được ngay.
Ở Việt Nam trong vòng 20 năm trở lại đây các nhà khoa học ở các trường đại học-trung tâm nghiên cứu đã tích cực nghiên cứu phát triển công nghệ nhằm mục đích tăng hiệu suất chưng cất, giảm giá thành, nâng cao tuổi thọ của thiết bị và họ cũng đã gặt hái được một số thành công như việc đưa thêm vật liệu biến đổi pha vào thiết bị chưng cất của các nhà khoa học thuộc Viện Hóa học, Viện Khoa học & Công nghệ Việt Nam. Rất tiếc đến nay các công trình nghiên cứu này vẫn chưa thật sự đi vào cuộc sống.
4. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của TB chưng cất nước bằng NLMT
Trong bài viết này tác giả xin giới thiệu một kiểu modul đơn giản “một bể-một mái” (single slope-single basin), dễ chế tạo, vật liệu dễ kiếm, giá thành thấp phù hợp với điều kiện kinh tế kỹ thuật ở nông thôn.
H3. Cấu tạo đơn giản của một hệ thống chưng cất nước bằng NLMT gồm:
1- Thùng chứa nước mặn hoặc nhiểm bẩn;
2- Van cấp nước vào modul;
3- Chân đỡ thùng chứa nước cấp và modul;
4- Lớp cách nhiệt bằng trấu dày 5cm;
5- Khung trong đồng thời là khay chứa nước bằng tôn dày 0.35mm đến 0.5mm;
6- Khung ngoài bằng xi măng hoặc gỗ…;
7- Mặt đáy sơn đen để tăng cường hấp thụ nhiệt;
8- Lớp nước trong khay từ 2mm đến 20mm;
9- Kính trong suốt dày 3mm đến 5mm, đặt nghiêng từ 10 độ đến 20 độ;
10- Máng hứng nước ngưng bằng tôn hoặc nhựa PVC;
11- Thùng chứa nước sạch.
Nguyên lý làm việc của thiết bị như sau:
Nước bẩn hay nước mặn từ thùng chứa được đưa vào khay phía dưới và được đun nóng bởi sự hấp thụ bức xạ mặt trời của mặt đáy và nhờ hiệu ứng nhà kính (green house effect) nên nhiệt độ dưới tấm kính tăng cao. Bề mặt đáy được sơn đen để tăng hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời. Khi nhiệt độ tăng, các phân tử nước chuyển động mạnh hơn (chuyển động nhiệt) và chúng có thể tách ra khỏi mặt thoáng với số lượng tăng dần theo nhiệt độ. Chuyển động đối lưu của lớp không khí phía trên mặt thoáng mang theo các phân tử nước này và ta có quá trình bay hơi. Dòng không khí bốc lên chứa đầy hơi ẩm gặp tấm kính phía trên có nhiệt độ thấp hơn (do kính tiếp xúc không khí bên ngoài) nên hơi nước ngưng tụ lại và chảy xuống máng ở góc dưới rồi theo ống dẫn chảy xuống bình chứa nước sạch.
Lượng nước chưng cất được trong ngày trên một đơn vị diện tích phụ thuộc vào các yếu tố như: cấu tạo của thiết bị, cường độ bức xạ tổng trong ngày cũng như hướng của tia nắng chiếu tới mặt đáy, tốc độ gió, nhiệt độ nước cấp vào, nhiệt độ môi trường. Theo một tài liệu nước ngoài báo cáo tại hội nghị Quốc tế về công nghệ nước –IWTC 99 tại Cairo – Ai Cập thì ta có thể sử dụng công thức kinh nghiệm sau để tính lượng nước chưng cất được trong ngày của loại modul này là: V = 0,26F.Q [lit/ngày]. Trong đó F là diện hứng nắng theo phương ngang, đơn vị là m2; Q là tổng năng lượng bức xạ mặt trời trên mỗi mét vuông mặt phẳng nằm ngang trong một ngày tại địa phương, đơn vị là MJ/m2.ngày. Tại Hà Tĩnh có thể sử dụng số liệu trong bảng dưới đây để tìm giá trị trung bình tháng của tổng bức xạ ngày, đơn vị là MJ/m2. ngày.
Thg. 1 Thg. 2 Thg. 3 Thg. 4 Thg. 5 Thg. 6
8,88 8,13 9,34 14,50 20,03 19,78
Thg. 7 Thg. 8 Thg. 9 Thg.10 Thg.11 Thg. 12
21,79 16,39 15,92 13,16 1 0,22 9,01
Ví dụ: một modul có kích thước đáy trong là 1m x 4m = 4m2, trong một ngày nắng của tháng 7 sẽ chưng cất được một lượng nước sạch là V = 0,26 x 4 x 21,79 = 22,6 lít, tương ứng năng suất 5,6 lít/m2.ngày.
H4. Đồ thị xác định năng suất chưng cất trung bình cho một ngày của tháng trong năm tại Hà Tĩnh
Nhìn vào đồ thị trên ta thấy rằng vào các tháng thường xảy ra hạn hán thì năng suất chưng cất của thiết bị đạt cao nhất. Từ tháng 5 đến tháng 8 năng suất đạt khoảng 5,3 lít/m2.ngày.
5. Chất lượng nước chưng cất bằng NLMT
Theo Robert Poster, đại học New Mexico State University thì thiết bị chưng cất nước bằng NLMT có thể loại bỏ được hầu hết các loại:
l Muối/khoáng (v.d., Na, Ca, As, Fl, Fe, Mn)
l Vi khuẩn (v.d., E. Coli, Cholera, Botulinus)
l Ký sinh trùng (v.d., Giardia, Cryptosporidium)
l Kim loại nặng (v.d., Pb, Cd, Hg)
Chính quá trình bay hơi đã bỏ lại thành phần chất rắn, còn tia cực tím có trong phổ bức xạ mặt trời là tác nhân tiêu diệt vi sinh vật có trong nước nhiểm bẩn.
Bảng dưới đây là kết quả phân tích các loại mẩu nước khác nhau trong báo cáo của Robert Poster.
6. Các biện pháp nâng cao năng suất và tuổi thọ của thiết bị
Khi thiết kế hay chế tạo một modul kiểu này điều quan trọng nhất là giảm thiểu tổn thất nhiệt: đảm dày lớp cách nhiệt >5cm, ở nông thôn thì vỏ trấu là loại vật liệu lí tưởng nhất; khoảng cách từ tấm kính đến mặt đáy càng nhỏ càng tốt; góc nghiêng của kính nên chọn khoảng 15o; dùng silicon để làm kín các khe hở không khí giữa nắp kính và hộp.
Chiều dày lớp nước lúc mới bổ sung nên khoảng 1cm, trong một ngày nên bổ sung nước một lần vào các buổi sáng sớm.
Nắp kính phải thiết kế sao cho dễ tháo ra khi cần vệ sinh phía trong, đồng thời phải có khe hở để bù dãn nỡ nhiệt cho tấm kính (1mm/1m). Kính nên có chiều rộng khoảng 65cm đến 90cm và chiều dài từ 2m đến 3m. Nếu module dài, để tránh kính dễ bị vỡ thì nên cắt kính thành các tấm có chiều dài phù hợp, các chổ ghép có thể dùng silicon để làm kín.
Về mặt công nghệ, hiện nay người ta dùng các biện pháp sau: lắp thêm gương phản xạ để tập trung năng lượng vào hộp thu; đưa vật liệu biến đổi pha ở nhiệt độ thấp như parafin (nến) vào đáy để tích nhiệt, sau khi mặt trời lặn nhiệt ẩn hóa lỏng được giải phóng và truyền cho nước nên thời gian chưng cất dài hơn; đưa nước nóng vào modul cũng là một phương án hay…
7. Lời kết
Sử dụng NLMT để chưng cất nước là một trong những giải pháp tất yếu của nhân loại trong tương lai để đối phó với tình trạng biến đổi khí hậu và khan hiếm nước sạch ngày càng trở nên nghiêm trọng.
Ngoài ra sử dụng NLMT còn có một ý nghĩa nhân văn khi chúng ta nghiên cứu, phổ biến, chuyển giao công nghệ này sẽ mang lại cho con người một cuộc sống yên lành, hạnh phúc, đặc biệt là người già và trẻ em ở vùng sâu, vùng xa của một số tỉnh trong nước có khí hậu khắc nghiệt như Hà Tĩnh và một số tỉnh bạn láng giềng của nước bạn Lào.
Tuy nhiên để công nghệ đi vào cuộc sống, đóng góp tích cực vào công cuộc xóa đói giảm nghèo, phát triển đất nước đòi hỏi phía nhà nước phải có những chính sách định hướng và hỗ trợ hợp lý. Bên cạnh việc cấp kinh phí cho hoạt động nghiên cứu, thử nghiệm, nhà nước cần đỡ đầu cho các hoạt động phổ biến và chuyển giao công nghệ.
Nội hàm bài viết này tác giả hy vọng đã mang lại cho độc giả một thông tin hữu ích hay một gợi ý về một “công nghệ xanh” đã được áp dụng thành công ở rất nhiều nơi trên thế giới. Rất mong công nghệ này sớm được áp dụng vào thực tế tại Hà Tĩnh.
Trọng Hà - Nhà máy lọc dầu Dung Quất
4.1.jpg)
