Nghiên cứu thiết kế hệ thống thông minh xử lý khí thải đường phố bằng than hoạt tính

Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học 542 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG MINH XỬ LÝ KHÍ THẢI ĐƯỜNG PHỐ BẰNG THAN HOẠT TÍNH Châu Bảo Nhi* Học viện Hàng Không Việt Nam *Tác giả liên lạc: baonhi1996tvw@gmail.com TÓM TẮT “Nghiên cứu thiết kế hệ thống thông minh xử lý khí thải đường phố bằng than hoạt tính”là công trình nghiên cứu kết hợp ứng dụng môi trường của than hoạt tính và ứng dụng điện tử- viễn thông trong điều khiển.Thiết bị lọc khí thải bao gồm quạt hút khí và lõi than hoạt tính được thiết kế đặc biệt. Quạt hút đưa luồng khí ô nhiễm qua bộ lọc lõi than và cho không khí sạch thoát ra ở đầu bên kia.Có thể hình dung tương tự như đầu lọc thuốc lá. Do vấn đề chi phí đầu tư, thiết bị lọc sẽ đuợc ưu tiên đặt ở những nơi có mức độ không khí ô nhiễm cao. Vị trí quạt hút sẽ ở tầm thấp nhằm dễ dàng hấp thu khói thải của các loại phuơng tiện giao thông cơ giới hoặc tầm cao hơn đầu người tùy điểm đặt.Thiết bị lọc sẽ đuợc bố trí thành các cụm với quy mô phù hợp ở từng địa điểm.Mỗi cụm hoặc nhiều cụm thiết bị được điều khiển bằng board mach máy tính nhúng Raspberry Pi.Raspberry Pi có nhiều ưu điểm khi áp dụng vào nghiên cứu. Ngoài chức năng điều khiển nó còn dùng để giám sát hệ thống, đảm bảo an toàn cho thiết bị bằng các thông số môi trường qua cảm biến và hình ảnh từ camera. Hướng mở rộng của đề tài sẽ theo sự phát triển của đô thị thông minh. Thời gian tới thành phố Hồ Chí Minh sẽ áp dụng công nghệ giao thông thông minh dùng camera kết hợp phần mềm nhận dạng đếm xe rồi đưa vào hệ thống mô phỏng để cho ra tín hiệu giao thông tự động. Để bắt kịp xu thế mới, hệ thống thông minh lọc khí thải cũng phát triển theo hướng tự động hóa tương tự. Từ khóa: Xử lý khí thải đường phố, than hoạt tính, Raspberry Pi trong công trình công cộng. RESEARCH AND DEVELOPMENT IN INTELLIGENT SYSTEM OF STREET AIR POLLUTION ACTIVED CARBON TREATMENT Chau Bao Nhi* Vietnam Aviation Academy *Corresponding author: baonhi1996tvw@gmail.com ABSTRACT “Research and development in intelligent system of street air pollution active carbon treatment” is a combination between environmental application of active carbon and electronics- telecommunication technology in control. Air pollution treatment device includes a fan and an absorbing active carbon filter core specially designed. The fan lets polluted air go through active carbon filter core and releases clean air out of other side. We can visualize it as cigarette filter. On considering investment cost, filter device will be prioritized in places where air polluted level is high. Location of the device is low in order to absorb smoke of transportation or at higher location according to certain places. Filter devices will be arranged in group with suitable scale in each place. Each group or many groups of the devices will be controlled by embedded computer Raspberry Pi board. Raspberry Pi has many advantages when being applied in this research. Besides controlling function it is also used to monitor the system, assure safety for the devices by environmental parameters and images from camera. Further development of this research will follow the trend of building smart cities. In the future Ho Chi Minh city will apply technology in smart traffic using camera and identification software to evaluate amount of transportation. After that simulation system will generate automatic signal for traffic. In order to catch up with new trend air pollution treatment system will be also developed with automation. Keywords: Street air pollution treatment, active carbon, Raspberry Pi in public construction. Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học 543 TỒNG QUAN Hưởng ứng một trong 7 chương trình đột phá của Thành phố Hồ Chí Minh trong nhiệm kỳ 2015-2020-Chương trình giảm ô nhiễm môi trường. Định hướng nghiên cứu thuộc 5 chuơng trình khoa học và công nghệ trọng điểm cấp quốc gia giai đoạn 2016-2020- Chương trình nghiên cứu khoa học và công nghệ phục vụ bảo vệ môi trường và phòng tránh thiên tai. Góp phần nghiên cứu phát triển thành pho Hồ Chí Minh theo hướng đô thị thông minh trong tương lai. Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường ở nước ta đặc biệt là ô nhiễm không khí ở các đô thị lớn đang trở nên nghiêm trọng hơn bao giờ hết do số lượng xe gắn máy, xe cơ giới ngày càng tăng. Ngoài biện pháp khuyến khích sử dụng phuơng tiện giao thông công cộng, trồng thêm cây xanh...chúng ta chưa có thêm biện pháp nào để giải quyết vấn đề này. Trong những năm qua cũng có xuất hiện các công trình nghiên cứu lọc khí thải xe máy như bộ xúc tác lọc khí thải xe máy của nhóm kỹ sư Viện Khoa học vật liệu (thuộc Viện Khoa học công nghệ Việt Nam) chuyên lắp vào ống xả xe gắn máy. Hay thiết bị lọc khói từ nguyên lý tĩnh điện của kỹ sư điện tử Nguyễn Văn Bổn (quận Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh). Các giải pháp này có nhiều điểm tiến bộ nhưng vẫn chưa đuợc áp dụng rộng rãi do sự cồng kềnh, khi sử dụng phải lắp vào ống xả xe gắn máy. Chưa có tính thuyết phục để người dân sử dụng. Đòi hỏi phải có một thiết bị khác hoạt động như một công trình công cộng để lọc khói thải trên đường phố. Có một phương án đã được áp dụng để lưu thông không khí trong đường hầm đó là các động cơ cánh quạt (cấu tạo giống như động cơ máy bay) nhưng giải pháp này không thích hợp cho đường phố thông thuòng. Độ ồn rất lớn (khoảng 120dB) ảnh hưởng sức khỏe người dân. Trên thế giới có những nước áp dụng thiết bị lọc không khí đường phố như Ấn Độ với chiếc máy nặng đến 7 tấn hoạt động như một máy hút bụi chân không, hay tháp Smoke Free ở thành phố Rotterdam, Hà Lan vận hành theo nguyên tắc ion hóa không khí. Dựa trên điều kiện tự nhiên-xã hội và tình hình ô nhiễm không khí ở TP. Hồ Chí Minh, công trình “Nghiên cứu thiết kế hệ thống thông minh xử lý khí thải đường phố bằng than hoạt tính” đã ra đời. Hình 1. Mô hình thiết bị lọc khí thải kết hợp quat hút khí và than hoat tính. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Than hoạt tính Theo ước tính thì 1g than hoạt tính có thể hấp phụ đuợc 380 cm3 khí SO2, 235cm3 Cl2, 181cm3 NH3, 99 cm 3 H2S, 47 cm 3 CO2, 16 cm3 CH4, 8 cm 3 O2có trong không khí. Hiệu quả lọc bụi của than hoat tính là 97%. Than hoạt tính có các dạng như dạng hạt, dạng viên nén (hình trụ tròn), dạng bột. Trong đó, than hạt và than viên được sử dụng để xử lý khí thải mà không phải là dạng bột để giảm tới mức tối thiểu sự tụt áp ở bộ lọc. Các khu vực cần bố trí hệ thống lọc khí thải Hệ thống này đòi hỏi không gian phía trước và phía sau để đạt hiệu quả hút-xả không khí đồng thời đảm bảo an toàn cho người dân. Do chi phí vốn đầu tư và thử nghiệm ban đầu, hệ thống nên được đặt ở các ngã tư lớn, Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học 544 các trục đường chính...ở thành phó Hồ Chí Minh. Vị trí đặt có thể là trên dãy phân cách, vòng xuyến...những nơi không ảnh hưởng nhiều đến diện tích mặt đường, vỉa hè... Ở những vị trí cục bộ như vòng xuyến ta xem đó là một cụm với nhiều máy lọc. Còn dọc theo dãy phân cách thì mỗi máy như một cột đèn đường. Khoảng cách H giữa các cột là 1.5<H<6 mét tùy con đường. Mỗi máy sẽ hoat động như một “cây xanh nhân tạo” hấp thu khí thải và “thở ra” không khí sach cho đường phố. Hình 2. Bề mặt lớp than với cấu trúc tổ ong vừa cho hiệu qua lọc vừa cho luồng khí đi qua dễ dàng hơn. Các biện pháp an toàn Vị trí đặt phù hợp, có không gian cho thiết bị, tránh xa nhà dân. Thiết kế chắc chắn, an toàn, tuân theo các quy định về công trình công cộng của nhà nước. Có biển báo nguy hiểm ở mỗi thiết bị hoặc cụm thiết bị. Tuyên truyền, giáo dục, cung cấp kiến thức cho người dân. Chủ động giám sát, đảm bảo an toàn cho thiết bị bằng camera, các công nghệ viễn thông...sửa chữa hư hỏng kịp thời, chống trộm cắp... Điều khiển hệ thống lọc khí thải Mỗi cụm máy sẽ đuợc điều khiển từ xa và giám sát bằng một mach máy tính nhúng Raspberry Pi. Board mach này có nhiều ưu điểm khi sử dụng trong nghiên cứu. Ta sẽ dùng nó để xây dựng một hệ thống (gồm một hoặc nhiều cụm máy) hoàn chỉnh. Raspberry Pi 3 Model B có các điểm phù hợp với nghiên cứu như Số lượng chân lớn, chỉ cần một mạch đủ điều khiển một hoặc nhiều cụm máy. Có camera đặc biệt thiết kế riêng cho mach, truyền đuợc hình ảnh về điện thoại thông minh. Kết nối Internet và truyền dữ liệu nhanh, ổn định. Có ứng dụng đặc thù giao tiếp đựợc với điện thoại thông minh. Hoạt động được liên tục 24/7 tuy nhiên Raspberry Pi cũng cần nguồn điện ổn định, hộp bảo vệ và tản nhiệt như các board mạch khác. Hình 3. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển quạt hút xử lý khí thải. Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học 545 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Các thiết bị dùng để kiểm định kết quả nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng hệ thống giám sát khí thải liên tục. Hệ thống giám sát khí thải liên tục giám sát bằng phương pháp đo trực tiếp CEMTREX- Kiểu đo nhiều khí trên một đầu đo duy nhất. Trạm tự động quan trắc khí thải liên tục tại đầu vào và ra của thiết bị lọc, tự động đo các thông số CO, CO2, O2, NOx, SO, nồng độ bụi, lưu lượng và nhiệt độ. Hệ thống giám sát gồm Thiết bị phân tích các thông số khí thải: Đầu đo/phân tích các thành phần khí O2, NOx, SO2 được tích hợp trong một thiết bị đo duy nhất (Optical Head Unit IS 2.500) và lắp đặt trực tiếp trên ống khói. Địa điểm và thời gian tiến hành thử nghiệm Ngã 4 Hàng Xanh. Thời gian tiến hành: 21/11/2017. Từ 7h đến 9h. Yếu tố Không khí trước khi xử lý Không khí sau khi xử lý Các hạt vật chất 3.100 ug/m3 48 ug/m3 Sunfua Dioxit - SO2 3.2 ppm 0.1 ppm Cacbon Dioxit - CO2 550 ppm 320 ppm Cacbon Monoxit - CO 297 ppm 2.32 ppm Oxit cua Nitơ 1.86 ppm 0.1 ppm Các Hydrocacbon 19 ppm 1.3 ppm Các chất oxi hoá 0.93 ppm 0.01 ppm Chỉ số AQI 189 50 Kết luận kết quả thử nghiệm: Chỉ số AQI đều được hạ xuống, từ múc xấu hoặc nguy hại trở thành trung bình và tốt. Về phần điều khiển và giao tiếp đã hoàn thành khá tốt. Chỉ còn khâu thiết kế hệ thống điện-điện tử phù hợp với kích thước cua sản phẩm nghiên cúu và vị trí đặt board mạch, an toàn điện...khi toàn bộ hệ thống được áp dụng tại địa điểm cụ thể. TÀI LIỆU THAM KHẢO TS.VÕ MINH HUÂN, KS.PHẠM QUANG HUY.(2017), Lập trình điều khiển với Raspberry Pi. GS.TS.LÂM MINH TRIẾT. (2015), Kỹ thuật môi trường. RASPBERRY PI FOUNDATION. (2015), Window 10 for IoT. CARLOS R. MORRISON. (2017), Build Supercomputers with Raspberry Pi 3. RICHARD BLUM, CHRISTINE BRESNAHAN. (2016), Python Programming for Raspberry Pi (2nd Edition). EBEN UPTON. (2014), Raspberry Pi User Guide (3rd Edition). SANTOS KUMAR GARG. (2015), Environmental Engineering: Sewage Disposal and Air Pollution Engineering (Volume 2). LAWRENCE K.WANG, PHD, PE, DEE, NORMAN C.PEREIRA, PHD, YUNG-TSE HUNG, PHD, PE, DEE. (2004), Advanced Air and Noise Pollution Control. ROOP CHAND BANSAL, MEENAKSHI GOYAL. (2005), Actived carbon absortion.