Hình 3-19 thể hiện sự thay đổi nồng độ của khí etan, hydro và cacbon lắng đọng trên xúc tác Fe/-Al2O3.
Qua biểu đồ hình 3-19, cacbon hình thành rất nhanh trong khoảng thời gian từ 1-2 giờ tổng hợp, sau đó chỉ tăng nhẹ nếu kéo dài thời gian tổng hợp. Điều này phù hợp với kết quả thực nghiệm của chúng tôi như đã nêu ở phần 3.2.1.
Mặt khác, để xem xét, đánh giá hoạt độ của xúc tác Fe/-Al2O3 thay đổi theo thời gian tổng hợp như thế nào, mô hình COMSOL đã chỉ ra như ở hình 3-20.
Hình 3-20 Hoạt độ xúc tác giảm dần theo thời gian tổng hợp
Biểu đồ hình 3-20 cho thấy, hoạt độ xúc tác (a) cũng giảm dần theo thời gian, và giảm nhanh (10%) trong thời gian 1-2 giờ đầu tổng hợp, sau đó hoạt độ xúc tác giảm nhẹ dần ở mức còn 88% so với ban đầu, lúc này xem như xúc tác Fe bị mất hoạt tính.
Kết hợp mô phỏng COMSOL và nghiên cứu thực nghiệm quá trình tổng hợp CNT từ etan hay LPG, chúng tôi có thể kết luận rằng thời gian tổng hợp tối ưu nhất là 2 giờ.
Tiếp tục nghiên cứu mô phỏng, mô hình COMSOL cũng cho ta biết trường vận tốc của dòng khí trong thiết bị phản ứng cũng như qua xúc tác được thể hiện ở hình 3-21 và hình 3-22.
Hình 3-21 Mô phỏng trường vận tốc dòng khí trong thiết bị phản ứng ống quartz
Từ biểu đồ hình 3-21 và hình 3-22 cho thấy, trường vận tốc trong ống phản ứng được chia thành 2 vùng. Vùng trước và sau khi ra khỏi không gian xúc tác có trường vận tốc gần giống nhau vào khoảng 1mm/s (hay 6cm/phút), vùng này nói chung không có phản ứng chủ yếu là chịu tác động nhiệt. Vùng có trường vận tốc nhỏ hơn là trung tâm phản ứng của xúc tác tạo CNT với vận tốc vào khoảng 0,67mm/s tương ứng 4cm/phút. Điều này tương đối phù hợp với thực nghiệm của chúng tôi khi tổng hợp CNT từ etan là 6,5cm/phút và LPG là 3,2 cm/phút.
Một chất quan trọng liên quan đến hiệu suất lắng đọng cacbon trên xúc tác là hydro. Mô hình COMSOL cũng chỉ ra rằng lượng H2 bắt đầu sinh ra khi có sự lắng đọng cacbon trên xúc tác theo phản ứng (3.6) và trong nửa đầu của vùng xúc tác phản ứng, lượng H2 tăng nhanh nhưng càng về sau tăng chậm. Do vậy, để tăng hiệu suất lắng đọng cacbon thông thường người ta đưa thêm H2 vào dòng nguyên liệu khí cacbon ban đầu với tỷ lệ nồng độ tùy thuộc vào xúc tác cũng như nguồn nguyên liệu chứa cacbon. Kết quả sự hình thành khí H2 từ quá trình lắng đọng cacbon trong vùng phản ứng được thể hiện ở hình 3-23.
Một thông số cũng có ý nghĩa trong nghiên cứu tổng hợp CNT mà thực nghiệm chúng tôi chưa có điều kiện khảo sát là áp suất trong thiết bị phản ứng. Mô hình COMSOL cho ta biết sự phân bố áp suất trong thiết bị phản ứng trước, trong và sau khi ra khỏi vùng phản ứng được thể hiện trên hình 3-24 và 3-25.
Hình 3-24 Mô phỏng trường áp suất trong thiết bị phản ứng ống quartz
Qua hình 3-24 và biểu đồ hình 3-25 cho thấy, áp suất đầu vùng phản ứng giảm dần đến cuối vùng phản ứng. Việc nghiên cứu mô phỏng này giúp ta có thêm thông tin về diễn biến áp suất trong hệ để định hướng thiết kế, lựa chọn thiết bị phản ứng phù hợp cho việc tính toán, thiết kế nhân rộng ra qui mô sản xuất.