TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(38).2010
TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP CACBON NANO ỐNG TỪ LPG
OPTIMIZATION OF THE CARBON NANOTUBE (CNT) FROM LIQUEFIED
PETROLEUM GAS (LPG) AS FEEDSTOCK
Huỳnh Anh Hoàng
Sở Tài nguyên và Môi trường
Thành phố Đà Nẵng
Nguyễn Hữu Phú
Viện Hóa học - Viện Khoa học
và Công nghệ Việt Nam
Trần Châu Cẩm Hoàng,
Nguyễn Đình Lâm
Trường Đại học Bách Khoa,
Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Quá trình tổng hợp cacbon nano ống (CNTs) bằng phương pháp kết tụ hóa học trong
pha hơi trên bề mặt xúc tác (CVD) phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ pha khí, nhiệt độ,
vận tốc dòng, thời gian tổng hợp, chất xúc tác... do đó chất lượng, sản lượng CNTs tạo ra cũng
sẽ khác nhau. Kết hợp các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và ứng dụng qui hoạch thực nghiệm
để xác định các giá trị tối ưu cho thấy khi nồng độ LPG là 31%, vận tốc dòng khí là 3.2cm/phút và
nhiệt độ tổng hợp là 710
o
C thì lượng CNTs tạo ra là lớn nhất với tỷ lệ CNT tạo thành trên đơn vị
khối lượng xúc tác là 12.2 lần. Chất lượng CNT được đánh giá bằng phương pháp Kính hiển vi
điện tử truyền qua (TEM) cho thấy tính ổn định cao, không thấy xuất hiện cacbon vô định hình và
các cấu trúc nano khác.
ABSTRACT
The synthesis of carbon nanotubes (CNTs) by the chemical vapor deposition method
(CVD) depends on many factors such as vapour composition, temperature, flow velocity,
synthesis time, catalyst... so that the yield and quality of the CNT product could be different. By
combining the results from laboratory studies with the experimental planning application, we have

định được điều kiện làm việc tối ưu với mục tiêu nêu trên.
Quá trình khảo sát, phân tích số liệu và tính toán tối ưu chúng tôi sử dụng phần
mềm thống kê STATISTICA 7 và Solver- MS Excel.
2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
2.1. Vật liệu
- Nguyên liệu chính để tổng hợp cacbon nano: Bình khí LPG, loại 13kg, áp suất
5.5kg/cm
2
; bình khí H
2
, loại 47kg, áp suất 200 kg/cm
2
; bình khí N
2
, loại 47kg, áp suất 200
kg/cm
2
; xúc tác 17% Fe/γ-Al
2
O
3
.
- Hệ thống lò nung kiểu ống với vùng nhiệt độ làm việc từ 0-1000
o
C, thiết bị điều
khiển lưu lượng dòng và tín hiệu nhiệt tự động.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Nghiên cứu lý thuyết
Nghiên cứu lý thuyết các quá trình tổng hợp CNT, CNF từ các nguyên liệu khác
nhau như acetylen; ethan; ethanol, LPG và các nghiên cứu thăm dò trên nguyên liệu LPG

o
C) ảnh hưởng nhiều nhất đến tính ổn định của sản
phẩm cũng như lượng sản phẩm CNTs tạo thành. Thông thường qui hoạch tuyến tính
(quy hoạch trực giao cấp 1) chỉ áp dụng cho các nghiên cứu ban đầu và cơ sở thông tin về
thí nghiệm còn thiếu. Ở miền gần cực trị hay còn gọi là miền dừng, việc mô tả tuyến tính
hầu như không còn tương thích bởi vì đó là miền phi tuyến thực sự. Muốn có mô tả tương
thích bằng những mặt phi tuyến, người ta phải tiến hành qui hoạch thực nghiệm cấp II
nhằm giải quyết những vấn đề mà qui hoạch cấp I không giải quyết được nhằm cung cấp
tối đa các thông tin để người nghiên cứu đạt được kết quả tốt nhất nhanh nhất và tiết
kiệm nhất. Do vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi chọn phương án qui hoạch thực
nghiệm trực giao cấp 2 để tính toán tối ưu với 3 yếu tố nồng độ LPG, vận tốc dòng khí và
nhiệt độ tổng hợp.
3. Kết quả nghiên cứu
3.1. Phương án tổ chức thực nghiệm
- Để xây dựng mô tả toán học cho quá trình tổng hợp, từ nghiên cứu lý thuyết và
làm thí nghiệm thăm dò, chúng tôi chọn qui hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2, với 3 yếu
tố ảnh hưởng (k=3) và mức các yếu tố (mức cơ sở, mức trên, mức dưới, mức *) được thể
hiện ở bảng 1 dưới đây [5]:
Bảng 1. Mức các yếu tố thí nghiệm
Các mức
Các yếu tố ảnh hưởng
Nồng độ LPG
X
1
, %V
Vận tốc nguyên liệu X
2
,
cm/phút
Nhiệt độ tổng hợp

6 -1 1 -1 415
7 1 -1 -1 375
8 -1 -1 -1 485
2*k
9 1.682 0 0 545
10 -1.682 0 0 605
11 0 1.682 0 585
12 0 -1.682 0 605
13 0 0 1.682 865
14 0 0 -1.682 485
n
0
15 0 0 0 570
16 0 0 0 565
17 0 0 0 585
Với M (%) = (M2-M1)/M1 * 100
trong đó : M1 và M2 là khối lượng của xúc tác và sản phẩm thu được tương ứng
3.2. Xây dựng mô hình thống kê thực nghiệm
Với phương án thực nghiệm cấp 2, phương trình hồi qui có dạng như sau:
Y = b
0
+ b
1
X
1
+ b
2
X
2
+ b

2
+ b
33
X
3
2
Từ số liệu bảng 2, chúng tôi sử dụng phần mềm thống kê STATISTICA 7 và công
cụ Solver- MS.Excel để xác định các hệ số b của phương trình hồi qui nêu trên. Kết quả
được minh họa ở các đồ thị sau đây:
- Tương tác cặp đôi giữa nồng độ LPG (X
1
) và vận tốc dòng (X
2
) cho phép xác
định vùng tối ưu của nồng độ LPG và vận tốc dòng nguyên liệu như được trình bày trên
hình 2.
55
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(38).2010
Hình2. Ảnh hưởng của nồng độ LPG và vận tốc dòng đến hiệu suất tạo thành CNT.
- Tiến hành tương tự cho phép chúng tôi xác định các tương tác cặp đôi giữa nồng
độ LPG (X
1
) và nhiệt độ (X
3
) cũng như giữa vận tốc dòng (X
2
) và nhiệt độ (X
3
) được
trình bày trên hình 3 và 4.

+ 25.67X
3
2
(pt1)
Để giản đơn phương trình hồi qui, chúng tôi đã tiến hành kiểm tra mức ý nghĩa
của các hệ số b theo chuẩn Student (tj), qua đó hệ số b
12
, b
13
và b
22
bị loại bỏ. Phương
trình hồi qui còn lại như sau:
Y = 576.30

- 27.15X
1
- 25.16X
2
+ 138.32X
3
- 23.75X
2
X
3
- 9.68X
1
2
+ 25.67X
3

m
i
n
-
1
)
H A . H o a n g - T C C . H o a n g - 3 D C o n t o u r P l o t ( s o l i e u S 1 . s t a 1 0 v * 1 7 c )
M ( % ) = 5 7 2 . 9 7 0 8 - 2 7 . 1 5 7 2 * x 1 + 1 3 8 . 3 1 6 4 * x 3 - 8 . 9 0 5 9 * x 1 * x 1 + 1 . 2 5 * x 1 * x 3 + 2 6 . 4 4 0 8 * x 3 * x 3
9 0 0
8 0 0
7 0 0
6 0 0
5 0 0
4 0 0
- 2 . 0 - 1 . 5 - 1 . 0 - 0 . 5 0 . 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0
L P G ( % )
- 2 . 0
- 1 . 5
- 1 . 0
- 0 . 5
0 . 0
0 . 5
1 . 0
1 . 5
2 . 0
N
H
I
E
T

- 1 . 0
- 0 . 5
0 . 0
0 . 5
1 . 0
1 . 5
2 . 0
N
H
I
E
T

D
O

(
o
C
)
H A . H o a n g - N D . L a m - 3 D S u r f a c e P l o t ( s o l i e u S 1 . s t a 1 0 v * 1 7 c )
M ( % ) = 5 6 3 . 9 3 4 1 - 2 5 . 1 5 9 9 * x 2 + 1 3 8 . 3 1 6 4 * x 3 + 0 . 2 5 2 7 * x 2 * x 2 - 2 3 . 7 5 * x 2 * x 3 + 2 8 . 5 3 * x 3 * x 3
1 1 0 0
1 0 0 0
9 0 0
8 0 0
7 0 0
6 0 0
5 0 0
4 0 0