2.1 Phương pháp xây dựng thuật toán và phát triển chương trình mô phỏng nghiên cứu phản ứng tổng hợp TiO2
2.2.1 Xây dựng thuật toán [25]
Để giải một hệ phương trình vi phân thường ta có rất nhiều phương pháp như là:
phương pháp Euler, phương pháp Euler cải tiến, phương pháp Heun, phương pháp Runge – Kutta,… Các phương pháp đơn giản như phương pháp Euler, phương pháp Runge – Kutta bậc hai thường có sai số lớn đối với các bài toán có nhiều bước tính, chính vì thế không thể áp dụng trong trường hợp này. Để đảm bảo độ chính xác của bài toán, ta sẽ tiến hành giải hệ phương trình vi phân (1.7) - (1.31) bằng phương pháp Runge – Kutta – Fehlberg bậc 5.
2.1.2 Xây dưng chương trình mô phỏng [25]
Phương pháp mô phỏng được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau. Có rất nhiều các phần mềm chuyên dụng được phát triển cho mô hình hóa là mô phỏng như Simnon, 20Sim, Alaska, Pspice, Sigma, Pro II,… Một trong những phần mềm được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay là Matlab.
Matlab được phát triển bởi Công ty Math Works Inc., là ngôn ngữ máy tính bậc cao được phát triển cho tính toán kĩ thuật. Nó tích hợp các chức năng tính toán, hiển thị và lập trình trong môi trường dễ sử dụng. Các ứng dụng cơ bản của MATLAB bao gồm:
− Làm các phép toán,
− Phát triển thuật toán,
− Thu thập dữ liệu,
− Mô hình hóa, mô phỏng và tạo mẫu,
− Phân tích dữ liệu, khai thác và hiển thị,
− Đồ họa, các phát triển ứng dụng.
Matlab là hệ thống tương tác trong đó dữ liệu cơ bản là mảng (array) không yêu cầu định trước kích thước. Các chuyên ngành kĩ thuật như điện, điện tử, điều khiển tự động, kĩ thuật cơ khí, năng lượng, sinh học, hóa học,… các chuyên ngành toán ứng
40
dụng như kế toán, thống kê là những địa chỉ ứng dụng quen thuộc của Matlab. Trong công nghiệp, Matlab là công cụ để chọn các nghiên cứu hiệu quả, phát triển và phân tích.
Thư viện toán học của Matlab bao gồm một tập lớn các giải thuật tính toán bao hàm từ các hàm cơ sở, các tính toán cho số phức tới các hàm phức tạp hơn như đảo ma trận, biến đổi Fourier,… Ngoài ra, Matlab còn cung cấp một số khối chuyên dụng đặc biệt khác để giải các bài toán chuyên sâu được phát triển trong các ToolBox và Blockset.
Đặc biệt hơn, Matlab còn có những chức năng bậc cao cho hiển thị dữ liệu hai chiều, ba chiều, xử lý ảnh và biểu diễn đồ họa. Chúng ta có thể tự tạo các giao diện riêng cho người sử dụng (GUIs) để giải quyết những vấn đề cho riêng mình.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng Matlab để xây dựng chương trình giải hệ phương trình bảo toàn dòng Damkoeler cho hệ phản ứng tạo hạt TiO2 từ TiCl4 và H2O ở trang thái hơi trong thiết bị đẩy lý tưởng.
2.1.3 Nghiên cứu quá trình bằng mô hình toán
Sau khi xây dựng được chương trình , quá trình tạo hạ t TiO2 sẽ được thực hiện trên máy tính. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ sau sẽ được khảo sát :
+ Ảnh hưởng của nồng độ TiCl4
+ Ảnh hưởng của nhiệt độ + Ảnh hưởng của áp suất + Ảnh hưởng của thời gian lưu
Kết quả nghiên cứu trên mô hình sẽ được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Trên cơ sở đó, các thông số của mô hình sẽ được hiệu chỉnh, bản thân mô hình có thể được cải tiến để đáp ứng yêu cầu thực tế của quá trình.
2.2 Nghiên cứu công nghệ sản xuất TiO2 nano làm chất xúc tác quang hóa:
a. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến tính chất sản phẩm
Nhiệt độ phản ứng được khảo sát trong khoảng 280 - 525 oC. Các yếu tố khác được cố định ở một giá trị chọn trước, trong khi đó thay đổi nhiệt độ dòng nhập liệu vào và
41
nhiệt độ lò phản ứng. Nhiệt độ dòng nhập liệu được giữ ổn định đúng bằng nhiệt độ lò phản ứng.
Phản ứng lần lượt được thực hiện ở: 285 oC, 320 oC, 370 oC, 420 oC , 470 oC, 525 o
2.3 Các phương pháp phân tích tính chất sản phẩm
C.
b. Ảnh hưởng của thời gian lưu:
Thời gian lưu được khảo sát trong khoảng từ rất ngắn đến 0,5s đến 2 giờ ( các hạt bám trên thanh ống phản ứng).
Các yếu tố khác được cố định tại một giá trị định trước.
c. Ảnh hưởng của nồng độ hơi TiCl4
Chế độ nhiệt độ được cố định tương ứng với nhiệt độ tối ưu trong khảo sát trên. Các thông số khác được cố định như khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ. Lần lượt khảo sát ở các chế độ nồng độ từ 0,45% - 2%.
d. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol H2O/TiCl4
Cố định nhiệt độ và nồng độ tối ưu tìm được trong các khảo sát trên. Lần lượt thay đổi tỉ lệ mol H2O/TiCl4 trong một khoảng rộng, đánh giá sự ảnh hưởng của tỉ lệ này đối với tính chất sản phẩm.
e. Thời gian lưu và sự kết tụ
Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu nhằm mục đích đánh giá tính chất sản phẩm cũng như mức độ kết tụ của hạt sản phẩm dưới tác dụng nhiệt độ cao.
2.3.1 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Dùng TEM để phân tích kích thước và hình dạng hạt. TEM được điều khiển hoạt động ở 100kV, với độ phóng đại từ 10.000 đến 200.000 lần.
Mẫu được gửi phân tích TEM tại phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia Vật liệu Polymer và Composit (Model JEM-1400F, trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh) và ở Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương.
42
2.3.2 Nhiễu xạ tia X (XRD)
Dùng XRD xác định thành phần pha. XRD cũng được dùng để xác định sự có mặt của pha vô định trong mẫu. XRD được điều khiển hoạt động ở 40 kV, nhiễu xạ CuKα. Mẫu được gửi phân tích XRD (Model: XRD D8 ADVANCE) tại Viện Vật Liệu Ứng Dụng.
2.3.3 Diện tích bề mặt riêng (BET)
Đặc điểm kỹ thuật của phương pháp BET được sử dụng để phân tích:
o Khí hấp phụ: nitơ (N2), chất làm lạnh cells: nitơ lỏng (-196 o o Hấp phụ và giải hấp phụ đẳng nhiệt
C)
o Giải hấp phụ chân không
Hạt TiO2 thu được được giải hấp ở nhiệt độ 300 o
Từ bề mặt riêng của mẫu hạt, có thể tính toán gần đúng kích thước hạt nếu xem hạt là hình cầu. Khi hạt có hình dạng khác hình cầu, kích thước tính toán từ diện tích bề mặt riêng có sự khác biệt rất lớn so với kích thước thực của hạt (quan sát trực tiếp từ ảnh TEM).
C trong môi trường chân không (~ 0,001mmHg), thời gian giải hấp phụ: 2 giờ.
43