Lời nói đầu

----

Căn cứ vào quy hoạch báo chí đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt, theo văn bản đề nghị của Bộ Giáo dục và Đào tạo, ngày 25 tháng 11 năm 2002, Bộ Văn hoá - Thông tin đã ra Quyết định số 510/GP-BVHTT, cấp giấy phép hoạt động báo chí cho Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng.

Ngày 10 tháng 8 năm 2006, Cục Báo chí Bộ Văn hoá - Thông tin đã có Công văn số 816/BC đồng ý cho phép Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng được tăng kỳ xuất bản từ 03 tháng/kỳ lên thành 02 tháng/kỳ.

Ngày 6 tháng 2 năm 2007, Trung tâm Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia thuộc Bộ Khoa học và Công nghệ đã có Công văn số 44/TTKHCN-ISSN đồng ý cấp mã chuẩn quốc tế: ISSN 1859-1531 cho Tạp chí “Khoa học và Công nghệ”, Đại học Đà Nẵng.

Ngày 5 tháng 3 năm 2008, Cục Báo chí, Bộ Thông tin và Truyền thông đã có Công văn số 210/CBC cho phép Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng, ngoài ngôn ngữ được thể hiện là tiếng Việt, được bổ sung thêm ngôn ngữ thể hiện bằng tiếng Anh và tiếng Pháp.

Ngày 15 tháng 9 năm 2011, Bộ Thông tin và Truyền thông đã có Quyết định số 1487/GP-BTTTT cấp Giấy phép sửa đổi, bổ sung cho phép Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng được tăng kỳ hạn xuất bản từ 02 tháng/kỳ lên 01 tháng/kỳ và tăng số trang từ 80 trang lên 150 trang.

Ngày 07 tháng 01 năm 2016, Bộ Thông tin và Truyền thông đã có Quyết định số 07/GP-BTTTT cấp Giấy phép hoạt động báo chí in cho Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng được xuất bản 15 kỳ/01 năm (trong đó, có 03 kỳ xuất bản bằng ngôn ngữ tiếng Anh).

Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng ra đời với mục đích:

Công bố, giới thiệu các công trình nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực giảng dạy và đào tạo;

Thông tin các kết quả nghiên cứu khoa học ở trong và ngoài nước nhằm phục vụ cho công tác đào tạo của nhà trường;

Tuyên truyền, phổ biến đường lối chính sách của Đảng và Nhà nước trong lĩnh vực giáo dục, đào tạo và nghiên cứu khoa học, công nghệ.

Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng ra đời là sự kế thừa và phát huy truyền thống các tập san, thông báo, thông tin, kỷ yếu Hội thảo của Đại học Đà Nẵng và các trường thành viên trong gần 40 năm qua.

Ban Biên tập rất mong sự phối hợp cộng tác của đông đảo các nhà khoa học, nhà giáo, các cán bộ nghiên cứu trong và ngoài nhà trường, trong nước và ngoài nước để Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” của Đại học Đà Nẵng ngày càng có chất lượng tốt hơn.

BAN BIÊN TẬP

MỤC LỤC ISSN 1859-1531 - Tạp chí KHCN ĐHĐN, Số 7(116).2017

KHOA HỌC KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

Ứng dụng phần mềm PVsyst thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời áp mái tại Premier Village DaNang Resort

Using PVsyst software to design photovoltaic rooftop system at Premier Village DaNang Resort

Lưu Ngọc An, Trần Huy 1

Khảo sát sự biến thiên áp suất buồng thang thoát hiểm của nhà cao tầng khi xảy ra cháy

Surveying the pressure variation in emergency staircases of high-rise buildings in the event of fire

Nguyễn Quang An, Nguyễn Chí Tình 6

Xây dựng thuật toán nội suy đường tròn cho bộ điều khiển CNC trên nền FPGA

Building algorithm of circular interpolation for CNC controller based on FPGA

Đỗ Văn Cần, Đoàn Đức Tùng, Đoàn Quang Vinh 11

Ứng dụng dữ liệu mây vệ tinh trong dự báo sớm ngập lụt cho hạ du lưu vực sông Gianh tỉnh Quảng Bình

Applying satellite clouds to early flood forecasting at downstream of the Gianh river basin in Quang Binh province

Nguyễn Chi Công, Nguyễn Vĩnh Long 16

Nghiên cưu thu nhận dịch đạm thuy phân từ vỏ đầu tôm bằng enzyme alcalase

Research on obtaining protein hydrolysate from shrimp head waste using alcalase enzyme

Bùi Xuân Đông, Phạm Thị Mỹ, Huỳnh Văn Anh Thi, Trần Trung Thanh Bình, Ngô Thị Ngọc Bích, Nguyên Văn Tuyên, Hà Ngọc Tuấn 21

Điều khiển đồng bộ tính mô-men cho tay máy robot song song phẳng 3 bậc tự do

Synchronous computed torque control of 3 DOF planar parallel robotic manipulators

Lê Tiến Dũng, Lê Quang Dân 27

Nghiên cứu biến tính hóa học ống nano cacbon nhằm cải thiện tính phân tán trong môi trường phân cực

Study on chemical modification of carbon nanotubes to improve their dispersion in polar environment

Phan Thị Thúy Hằng, Trần Mạnh Lục, Nguyễn Đình Lâm 32

Kết quả xây dựng mô hình thâm canh giống ngô nếp Nù 66 trên đất trồng lúa nước vụ đông xuân tại xã Sa Nghĩa, huyện Sa Thầy, tỉnh Kon Tum

Results of building the comprehensive model of sticky corn Nu 66 on rice land in Sa Nghia commune, Sa Thay district, Kon Tum province

Nguyễn Phi Hùng, Thái Thị Bích Vân 36

Khai thác dữ liệu vệ tinh Jason-2 để quan trắc mực nước hồ chứa nước Phú Ninh, tỉnh Quảng Nam

Applying satellite radar altimetry Jason-2 data to monitor Phu Ninh reservoir water level

Phạm Thành Hưng, Nguyễn Chi Công 39

Nghiên cứu ảnh hưởng lượng tiến dao đến lực cắt khi tiện thép C45 dùng mảnh dao hợp kim Cacbit Vonfram trên máy CNC Emco Concept Turn 250

A study on determining the feedrate influence on cutting force on turning C45 steel using Cacbit Vonfram cutter piece on

CNC Emco Concept Turn 250

Phạm Nguyễn Quốc Huy, Lê Minh Sơn, Trần Xuân Tùy 43

Tổng hợp copolymer block trên cơ sở poly(dimethylsiloxane) bằng phương pháp trùng hợp RAFT

Synthesis of poly(dimethylsiloxnae) based block copolymers by RAFT polymerization

Dương Thế Hy 48

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị đo độ tròn

Designing and manufacturing roundness measuring equipment

Trần Phi Líp King, Lưu Đức Bình 52

Cải tiến thuật toán di truyền áp dụng cho bài toán tái cấu trúc lưới điện có xét đến vị trí và công suất của nguồn điện phân tán kết nối vào lưới điện phân phối

Improvement of genetic algrithm for distribution network reconfiguration problem with the position and power capacity of

distributer connector gird

Nguyễn Tùng Linh, Trương Việt Anh, Nguyễn Thanh Thuận 56

Nghiên cứu lớp thụ động ức chế ăn mòn đa kim loại Mo/Zr/Ti trên nền thép

Corrosion inhibition of steel by chromium-free conversion coating on inorganic (Mo/Zr/Ti)

Dương Thị Hồng Phấn, Nguyễn Tiến Dũng, Lê Minh Đức, Đào Hùng Cường 62

Quản lý nước thải khu công nghiệp dịch vụ thủy sản Đà Nẵng: hiện trạng và trở ngại

Wastewater management in Danang’s industrial fishing service zone: current state and obstacles

Trần Văn Quang, Phan Thị Kim Thủy, Trịnh Vũ Long, Hoàng Ngọc Ân 67

Nghiên cưu tiêm năng áp dụng sản xuất sạch hơn cho làng nghề gốm Thanh Hà, thành phố Hội An, tỉnh Quảng Nam

Researching on the potential of cleaner production application for Thanh Ha pottery craft village, Hoi An city, Quang Nam province

Phan Như Thúc 73

Bùn thải đô thị tại thành phố Đà Nẵng: hiện trạng và khả năng xử lý bằng phương pháp phân hủy kỵ khí

Sewage sludge in Danang city: current state and treatment by anaerobic digestion

Phan Thị Kim Thủy, Dương Gia Đức, Trần Văn Quang 79

Tổng hợp graphene đa lớp trên lá đồng bằng phương pháp kết tụ hóa học trong pha hơi

Synthesis of multi-layer graphene on copper foils by chemical vapor deposition method

Trương Hữu Trì, Lê Gia Trung, Phan Thanh Sơn, Nguyễn Đinh Lâm 84

Phương pháp truyền dữ liệu giữa hai điện thoại thông minh qua môi trường ánh sáng nhìn thấy

A data transmission method between two smartphones over visible light communication channels

Hà Duyên Trung, Nguyễn Tiến Hòa, Đỗ Trọng Tuấn 88

Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn ethanol trong xăng sinh học đến tính năng kinh tế kỹ thuật và ô nhiễm động cơ đánh lửa cưỡng bức ở chế độ tải trung bình

Effects of ethanol addition to biological gasoline on performance and pollution of spark ignition engines using gasohol at middle load

Nguyễn Quang Trung, Dương Việt Dũng 94

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đo đạc của nhiễu từ

A study on the measurement conditions of electromagnetic noise

Bùi Thị Minh Tú 98

Ứng dụng D-STATCOM để cải thiện chất lượng điện áp trên hệ thống điện phân phối 22kV: khu công nghiệp Tân Bình, Tp. Hồ Chí Minh

D-STATCOM application to improve voltage quality in 22kV power distribution system: a case study at Tan Binh

industrial park, Ho Chi Minh city

Nguyễn Hữu Vinh, Hồ Thanh Tuấn, Nguyễn Hùng, Lê Kim Hùng 102

KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nghiên cứu chuyển hóa sucrose thành 5-hydroxymethyl-2-furfuraldehyde bằng sự kết hợp giữa nhiệt và xúc tác HCl

Conversion of sucrose into 5-hydroxymethyl-2-furfuraldehyde by combination of heat and HCl as a catalyst

Bùi Viết Cường, Nguyễn Thị Hường, Đặng Thị Thiện, Đoàn Thị Ngọc Thúy 107

Nghiên cứu thu nhận vị trí - thời gian để định lượng phơi chiếu cá nhân đối với không khí trong nhà

Research on recording the time-location patterns for estimating the personal exposure to indoor air

Trần Xuân Hồi 112

Nghiên cứu sử dụng cá Ngựa vằn (Danio rerio Hamilton, 1822) làm sinh vật cảnh báo sớm ô nhiễm nguồn nước cho nhà máy nước cấp

A study on using Zebra fish (Danio rerio Hamilton, 1822) as early warning organism for water pollution for water supply plants

Nguyễn Văn Khánh 117

Nghiên cứu thành phần hóa học của Trà hoa vàng (Camellia quephongnensis Hakoda et Ninh) bằng khối phổ phân giải cao

A study of chemical constituents of the Camellia quephongnensis Hakoda et Ninh flowers with high resolution mass spectrometry

Nguyễn Văn Minh Khôi, Phùng Văn Trung, Hoàng Minh Hảo, Nguyễn Thị Ngọc Lan, Giang Thị Kim Liên, Ngọ Thị Phương, Trần Quốc Thành, Lê Ngọc Hùng, Lê Minh Hà 121

Nhưng kêt qua bươc đâu vê thanh phân hoa hoc cua củ nghệ vàng (Curcuma longa. L) thu hai ơ tinh champasack Lào

Primary study of chemical compounds of Curcuma longa. L from champasack Laos

Sesavanh Menvilay, Giang Thị Kim Liên, Đào Hùng Cường 126

Nghiên cứu điều chế dendritic porphyrin dựa vào phản ứng click

Synthesis of dendritic porphyrin based on click reaction

Nguyễn Trần Nguyên 130

Đa dạng họ gừng (Zingiberaceae) ở vườn quốc gia Bến En, Thanh Hóa

Diversity of plants of Zingiberaceae at Ben En national park, Thanh Hoa province

Đậu Bá Thìn, Trịnh Thị Hoa, Hoàng Văn Chính 134

Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ mặn đến quá trình phát triển phôi cá mao ếch (Allenbatrachus grunniens Linnaeus, 1758)

Effect of temperature and salinity on embryonic development of grunting toadfish (Allenbatrachus grunniens Linnaeus, 1758)

Nguyễn Phước Triệu, Cao Văn Hùng, Nguyễn Thị Phương Thảo 138

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 1

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PVSYST THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI ÁP MÁI TẠI PREMIER VILLAGE DANANG RESORT

USING PVSYST SOFTWARE TO DESIGN PHOTOVOLTAIC ROOFTOP SYSTEM

AT PREMIER VILLAGE DANANG RESORT

Lưu Ngọc An1, Trần Huy2 1Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; lnan@dut.udn.vn

2Sinh viên Lớp 12D2, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; tranhuybk94@gmail.com

Tóm tắt - Trong bài báo này, tác giả trình bày phương pháp thiết kế tối ưu một hệ thống điện năng lượng mặt trời lắp áp mái tại khu nghỉ dưỡng Premier Village DaNang Resort bằng cách sử dụng phần mềm đã được thương mại PVsyst. Từ các số liệu như: vị trí lắp đặt, công suất phụ tải, diện tích mái, hình dạng mái, ... một hệ thống được thiết kế với các thông số tối ưu như hướng lắp đặt, giá trị, số lượng và chủng loại pin quang điện cũng như các biến tần được đưa ra. Thêm vào đó, năng lượng bức xạ, quá trình vận hành, trao đổi công suất trong một năm của hệ thống, sản lượng điện năng, tổn thất điện năng, khả năng cắt giảm phát thải khí CO2 của hệ thống được phân tích, từ đó đánh giá được hiệu quả mà hệ thống mang lại.

Abstract - In this paper, the author presents an optimal design method for a photovoltaic rooftop system installation at the Premier Village Resort DaNang Resort by using PVsyst software. From the details such as installation location, load capacity, roof area, roof shape, ... a system designed with optimal parameters such as installation direction, value of pick power, quantity and the photovoltaic modules as well as inverters are offered. In addition, the global radiation, operation, capacity exchange in one year of the system, power output, power loss, CO2 reduction potential of the system are also analyzed. Accordingly, we can evaluate the effect that the system brings.

Từ khóa - hệ thống điện năng lượng mặt trời; tấm pin quang điện; biến tần; định cỡ hệ thống; tổn thất hệ thống.

Key words - PV system; photovoltaic module; inverter; sizing the system; system losses.

1. Đặt vấn đề

Nhu cầu vê năng lương cua con ngươi trong thơi đai

khoa hoc ky thuât phat triên không ngưng tăng. Vân đê đam

bao an ninh năng lương la điêu ma môi quôc gia luôn đăt

ra cho tương lai. Ngày nay, với sự nóng lên của khí hậu

toàn cầu gây ra bởi hiệu ứng nhà kính va cac hiên tương

thơi tiêt cưc đoan khac, cùng với sản lượng của nhiên liệu

hóa thạch ngày càng giảm và co xu hương can kiêt trong

tương lai, giá thành ngày càng tăng, việc sử dụng năng

lượng thay thế, tái tạo như là một giải pháp được sử dụng

rộng rãi ở các nước trên thế giới. Do vậy, việc bô sung các

nguồn này vào lưới điện truyền thống là một vấn đề đang

được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng. Nguôn năng lương

điên măt trơi la môt trong nhưng nguôn thay thê quan trong

đo, bơi đây la nguôn năng lương đươc coi la vô tân, không

gây ô nhiêm môi trương. Tuy nhiên, viêc thiêt kê điên măt

trơi kha phưc tap, cac thông sô giưa tinh toan thiêt kê va

trong thưc tê co hê sô sai sô lơn lam anh hương đên chât

lương va tuôi tho cua hê thông, hiêu suât chuyên đôi va

tăng chi phí đâu tư. Ly do la cương đô bưc xa măt trơi thay

đôi theo không gian va thơi gian, viêc lưa chon lăp đăt tâm

pin măt trơi phu thuôc vao goc phương vi va đô nghiêng

cua tâm pin, cac bô điêu khiên chi lam viêc đung với hiêu

suât ơ môt khoang đăc tinh ky thuât va cac thông sô tôn

thât kha nhiêu nên viêc tinh toan băng cac công cu binh

thương rât kho khăn, mât thơi gian ma lai thiêu chinh xac.

Vi vây, viêc sư dung phân mêm đê tinh toan thiêt kê la môt

giai phap nhăm giai quyêt cac vân đê đo.

Hiên nay, trên thê giơi co nhiêu phân mêm đươc sư

dung đê tinh toan, thiêt kê hê thông quang điên. Môt sô

phân mêm đươc biêt đên như PVsyst, PVsol, Home Pro,

RETScreen, INSEL. Trong đo, phân mêm PVsyst va PVsol

đươc sư dung phổ biến ơ khu vưc Châu Âu va môt sô nươc

khac trên thê giơi [1].

Trong bài bao nay, tác giả sư dung phân mêm PVsyst

phiên ban 6.43 đê thiêt kê và mô phỏng hê thông điên năng

lương măt trơi áp mái tại khu du lịch nghi dương Premier

Village DaNang Resort.

2. Ly thuyêt thiêt kê hệ thống điên năng lương măt trơi

2.1. Mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời

Sau khi đánh giá các mô hình, tác giả thấy rằng mô hình

hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới không có dự trữ

phù hợp với đặc điểm tại địa điểm thiết kế.

Hình 1. Mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới

không có dự trữ

2.2. Các bước tính toán thiết kế hệ thống điện năng lượng

mặt trời nối lưới không có dự trữ

• Bước 1: Tính điện năng của hệ thống điện mặt trời

nối lưới cần thiết Ec

Viêc tinh chon điên năng san xuât Ec trong 1 ngay trung

binh cua hê thông nôi lươi la tuy thuôc vao nhu câu cua nha

đâu tư mong muôn, diên tich giơi han đê lăp đặt hệ thống

pin va quy định đâu nôi vào lưới điện.

• Bước 2: Tính công suất của hệ thống pin quang điện

Công suất của hệ thống pin quang điện thường được

tính ra công suất đỉnh hay cực đại đạt được, đó chính là

công suất của dàn pin trong điều kiện chuẩn vơi

Eo =1000W/m2 va nhiêt đô To=25oC.

P(Wp)=Ec.1000

ηmEβ, [WP] (1)

2 Lưu Ngọc An, Trần Huy

Trong đó:

Eβ [Wh/m2] cường độ bức xạ trên mặt phẳng đặt

nghiêng một góc β so với mặt phẳng ngang, giá trị này đo

được thực tế tại điểm đặt hệ thống PV.

ηm là hiệu suất của pin ở nhiệt độ T, đươc tinh như sau:

ηm

(T)= ηm

(T0)[1+Pc(T-T0)] (2)

Vơi: T la nhiêt đô lam viêc thương xuyên cua tâm pin;

Pc la hê sô nhiêt đô cua tấm pin quang điện [2].

• Bước 3: Tính số module pin quang điện mắc song

song và nối tiếp

+ Các giá trị đặc trưng cơ bản của module:

Điện áp làm việc tối ưu: Vm

Công suất đỉnh: Pm

+ Số module cần trong hệ thống: N= P(WP)

Pm (3)

Với N=NS.NP

+ Số module mắc nối tiếp: NS= V

Vm (4)

V: điện áp yêu cầu của hệ thống pin măt trơi.

+ Số module mắc song song: NP= N

NS (5)

• Bước 4: Chon hê thông hệ thống biến tần

Đôi vơi hê thông điên năng lương măt trơi nối lưới không

co dư trư, viêc chon hê thông biên tần quang điện phai tai đu

dong công suât tư hê thông pin măt trơi. Công suất đặt của

hệ thống bằng công suất định mức của hệ thống biến tần.

3. Số liêu thiết kế hê thông điện năng lương măt trơi nôi

lươi tai khu nghi dương Premier Village DaNang Resort

3.1. Đia điêm thiêt kê

+ Đia điêm thiêt kê: khu nghi dương Premier Village

DaNang Resort;

+ Vi tri đia ly: 16,0452 đô vi Băc; 108,252 đô kinh Đông;

+ Diên tich xây dựng: 156135 m2;

+ Tổng diện tích mái nhà: 20365,89m2.

3.2. Thông sô chính phu tai [5]

+ Công suât phu tai trung binh năm: 734 kW;

+ Công suât đinh trong 1 năm:1739 kW;

+ Điên năng tiêu thu hang năm: 6427 MWh.

3.3. Thông sô chính trạm biến áp

+ Tổng công suất đặt STBA: 3000kVA;

+ Điện áp Uc/Uh: 22/0,4 kV.

3.4. Lưa chon phương an va công suât lắp đặt cua hê

thông điên măt trơi nối lưới

• Lưa chon phương an lăp đăt

Dưa vao phân tich ưu, nhươc điêm cua các mô hinh điên

măt trơi, tiêm năng năng lương măt trơi va đăc điêm kiên

truc, tac gia quyêt đinh chon phương an lăp đăt hê thông

điên măt trơi nôi lươi không dư trư vơi cac tâm pin măt trơi

đươc tich hơp áp trên mai nha.

• Lưa chon công suât lăp đăt

+ Việc lựa chọn công suất lắp đặt của hệ thống ngoài

yêu cầu mà nhà đầu tư mong muốn thì phải đảm bảo hai

điều kiện là diện tích mái nhà có thể lắp đặt tấm pin quang

điện để đạt hiệu suất hệ thống cao và quy định ràng buộc

(Điều 41, Thông tư số 39/2015/TT-BCT, tổng công suất

đặt của hệ thống điện mặt trời đấu nối vào cấp điện áp hạ

áp của trạm biến áp hạ thế không được vượt quá 30% công

suất đặt của trạm biến áp đó) [3].

+ Diên tich có thể lăp đăt tâm pin: S = 7128,06 m2.

+ Công suất đặt của hệ thống: Pđ = 900kW.

4. Cài đặt thông số trong phần mềm

4.1. Định vị và thu thập dữ liệu khí tượng

Bảng 1. Kết quả dữ liệu khí tượng sau khi định vị địa điểm trong

phần mềm PVsyst (nguồn dữ liệu Meteonorm 7.1)

Địa điểm Premier Village DaNang Resort

Giá trị Tổng xạ Tán xạ Nhiệt độ không khí

Tháng kWh/m² kWh/m² °C

Tháng 1 100,4 65,9 20,2

Tháng 2 123,0 65,7 21,6

Tháng 3 156,8 81,3 24,2

Tháng 4 173,1 83,1 26,8

Tháng 5 195,5 82,8 28,9

Tháng 6 191,0 73,2 29,9

Tháng 7 193,4 76,5 29,7

Tháng 8 186,8 82,4 28,7

Tháng 9 140,4 72,5 26,6

Tháng 10 132,9 72,0 25,3

Tháng 11 108,6 59,6 23,3

Tháng 12 90,3 56,5 21,3

Năm 1792,2 871,5 25,5

+ Việc định vị và thu thập dữ liệu rất quan trọng, giúp

định cỡ hệ thống chính xác và dự đoán sản lượng điện năng

tạo ra của hệ thống.

+ Bảng 1 chỉ mang tính đánh giá tính thực tế dữ liệu khí

tượng tại địa điểm thiết kế, ngoài ra còn có một thư mục dữ

liệu theo giờ trong 1 năm được xuất ra từ phần mềm được

sử dụng để mô phỏng kết quả.

4.2. Định hướng lắp đặt tối ưu hệ thống pin quang điện

Hệ thống pin quang điện trong thiết kế này được lắp áp

trên mái nhà với góc nghiêng mái nhà bằng 28o. Sau khi

phân tích, đánh giá các giá trị tổn thất năng lượng bức xạ

của nhiều hướng lắp đặt khác nhau tại địa điểm thiết kế

bằng phần mềm PVsyst, tác giả chọn hai hướng lắp đặt

vuông góc với nhau với góc phương vị của tấm pin là 45o

và -45o (nghiêng về Tây Nam và Đông Nam của Trái Đất).

Hướng lắp đặt của từng nhà có thể thay đổi. Nếu có sự thay

đổi nào về góc phương vị của 2 mái thì tổng lượng bức xạ

trong 1 năm của 1 mái gần hướng chính Nam sẽ tăng lên

và một mái vuông góc với mái đó sẽ giảm xuống.

Sau khi phân tích và cài đặt hướng lắp đặt tối ưu trong

phần mềm, ta có kết quả đánh giá hiệu quả năng lượng

bức xạ trong 1 năm của phương thức lắp đặt trên được thể

hiện ở Hình 2. Trong đó: hệ số chuyển đổi là 0,98 và giá

trị tổn thất năng lượng bức xạ trung bình của hai hướng

lắp đặt trên là 3,2%, giá trị năng lượng tổng xạ trung bình

trên bề mặt hệ thống pin PV trong đạt 1754 kWh/m2 trong

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 3

1 năm. Sau khi so sánh với một số nhà máy trên thế giới

thì có thể thấy dự án đang thiết kế đảm bảo được yêu cầu

về bức xạ.

Hình 2. Cài đặt định hướng lắp đặt tấm pin quang điện

Những ưu và nhược điểm của phương thức lắp đặt hệ

thống pin quang điện lắp áp mái:

+ Ưu điểm: Chi phí đầu tư thiết bị lắp đặt hệ thống pin

giảm rất lớn bởi tận dụng được mái nhà để lắp áp hệ thống

pin quang điện. Giá trị tổn thất do vết bẩn sẽ giảm, yếu tố

về độ cao của nhà và độ nghiêng của mái nhà phù hợp cho

việc tiêu tan vết bẩn.

+ Nhược điểm: Hệ số tản nhiệt tấm pin giảm. Phát sinh

thêm tổn thất hướng lắp đặt của tấm pin do không thể điều

chỉnh được hướng của tấm pin vì để đảm bảo mỹ quan của

khu nghỉ dưỡng.

4.3. Lựa chọn tấm pin quang điện

Các tiêu chuẩn kiểm tra việc lựa chọn tấm pin quang

điện: IEC 61215, IEC 61730, IEC 60364-4-41, IEC 61701,

IEC 61853-1, IEC 62804, UL1703.

Khi chọn loại pin quang điện, ngoài việc phải đảm bảo

các tiêu chuẩn kỹ thuật thì cần phải chú ý đến giá thành và

chế độ bảo hành của sản phẩm đó.

Chọn tấm pin quang điện: SW 300-Mono của hãng sản

xuất SolarWorld.

Bảng 2. Thông số chính của module SW 300-Mono

Các thông số trong điều kiện STC 1000W/m2;25oC

Công suất đỉnh Pmax 300Wp

Điện áp hở mạch Voc 40,1V

Điện áp điểm công suất cực đại Vmpp 31,6V

Dòng điện ngắn mạch Isc 10,23A

Dòng điện điểm công suất cực đại Impp 9,57A

Hiệu suất module ηm 17,89%

4.4. Lựa chọn biến tần

Các tiêu chuẩn kiểm tra biến tần: IEC 61683:1999, IEC

61721:2004, IEC 62109-1&2:2011-2012, IEC 62116:2008.

Chọn biến tần: SUNNY TRIPOWER 60 của hãng sản

xuất SMA.

Bảng 3. Thông số chính của biến tần Sunny Tripower 60

Công suất đầu vào định mức (DC) 61240W

Điện áp đầu vào cực đại 1000V

Phạm vi điện áp tại MPP 570V→ 800V

Điện áp định mức đầu vào 630

Công suất đầu ra định mức (AC) 60000W

Điện áp đầu ra (điện áp dây) 400V±10%

Tần số định mức/phạm vi 50Hz/44Hz →55Hz

Tổng độ méo sóng hài (THD) <1%

Hiệu suất lớn nhất 98,8%

Các thông số kỹ thuật liên quan đến chọn biến tần trong

hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới.

4.5. Các thông số tổn thất cài đặt trong phần mềm

• Hệ số tổn thất nhiệt của pin quang điện (Thermal

Loss Factor). Với hình thức lắp trên mái nhà thì hệ số tổn

thất nhiệt U= 15 (W/m2.K) [4].

• Tổn thất điện trở dây điện của hệ thống điện mặt trời

(Ohmic Losses). Chọn dây dẫn theo tiêu chuẩn tổn thất

điện áp ΔU/U=1% (theo giá trị tham khảo từ một số nước

châu Âu) [1].

Tổn thất chất lượng module pin quang điện (Module

Quality). Giá trị này quyết định bởi uy tín của nhà sản xuất.

Cài đặt trong phần mềm giá trị tổn thất này bằng 0%.

• Tổn thất hiệu ứng ánh sáng suy giảm cảm ứng

(Light Induced Degradution).

Giá trị này thường không cung cấp bởi nhà sản xuất

nhưng theo PVsyst thì giá trị tổn thất đó nằm trong khoảng

từ 1% đến 3% hoặc nhiều hơn. Giá trị tổn thất hiệu ứng suy

giảm cảm ứng ánh sáng được chọn cài đặt là 2% theo giá

trị mặc định của PVsyst [4].

• Tổn thất không phù hợp của các pin và tấm pin

quang điện (Array Mismatch Loss). Tổn thất này phần

mềm sẽ tính toán dựa trên 1 trong 2 phương pháp là phân

phối xác suất chuẩn Gauss hoặc ô vuông đặc tính PMPP [4].

• Tổn thất vết bẩn của hệ thống pin (Soiling Loss).

Trong phần này, tác giả chọn giá trị tổn thất theo tháng với

tháng 9, 10, 11, 12, 1 giá trị tổn thất là 1%, còn các tháng

còn lại giá trị tổn thất là 0%.

• Tổn thất phản xạ điều chỉnh góc tới trên mảng pin

quang điện theo độ nghiêng lắp đặt (IAM).

Khi chùm ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất

n1 sang môi trường có chiết suất n2, với n1 nhỏ hơn n2 và

góc tới 0 ≤ i< 90 thì một phần của chùm ánh sáng bị phản

xạ trở lại môi trường có chiết xuất n1. Thành phần này là

không mong muốn, gây tổn thất ánh sáng truyền đến môi

trường có chiết suất n2.

Công thức xác định tổn thất phản xạ của PVsyst: [4]

FIAM= 1-bo.(1/cos i -1) (6)

Theo PVsyst hệ số bo=0,05 đối với module tinh thể.

• Tổn thất điện năng phụ (Auxiliariaries energy loss).

Đây là phần điện năng tự dùng để vận hành nhà máy, bao

gồm hoạt động giám sát, đo lường và điều khiển hệ thống,

hệ thống làm mát, chiếu sáng tự dùng.

• Tổn thất suy giảm chất lượng pin quang điện.

Vấn đề này tùy thuộc vào chế độ bảo hành của nhà sản

xuất. Theo SolarWorld, loại module mà ta đã chọn có chế

độ bảo hành là tổn thất hàng năm không quá 0,7% và bảo

hành chất lượng trong 25 năm.

4 Lưu Ngọc An, Trần Huy

4.6. Định cỡ hệ thống trong phần mềm

Kết quả sau khi định cỡ số lượng tấm pin quang điện

và biến tần thể hiện bằng Bảng 4 và Hình 3.

Hình 3. Thông số cài đặt chi tiết trong phần mềm

Bảng 4. Một số thông số chính của hệ thống

Số lượng module pin quang điện 4048

Diện tích hệ thống quang điện 6787m2

Số module nối tiếp tạo thành 1 mảng 23

Số mảng module ghép song song 176

Công suất 1 module pin quang điện 300Wp

Công suất lắp đặt hệ thống pin quang điện 1214kWp

Công suất cực đại hệ thống pin quang điện 1152kWdc

Số lượng biến tần 15

Công suất định mức 1 biến tần 60kW

Công suất định mức của hệ thống biến tần 900kWac

5. Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng trong phần

mềm PVsyst

5.1. Phân bố năng lượng bức xạ và điện năng hệ thống

tạo ra trong một năm

Tổng năng lượng bức xạ tới bề mặt tấm pin quang điện

diện tích trung bình 1m2 nằm trong dãy giá trị từ

0,5 kWh/m2.ngày đến 7,3 kWh/m2.ngày, nhưng điểm phân

bố dày nhất nằm ở khoảng từ 6 kWh/m2.ngày đến

7kWh/m2.ngày. Điện năng tạo ra của hệ thống đó trong một

ngày phân bố từ 500 kWh/ngày đến 6500 kWh/ngày.

Hình 4. Biểu đồ phân bố năng lượng bức xạ trong một năm

theo giá trị trong 1 ngày

Điều đó chứng tỏ vị trí mà ta đang thiết kế có có cường

độ bức xạ mặt trời và điện năng sản xuất của hệ thống cao

so với nhiều nhà máy trên thế giới [1].

5.2. Phân bố công suất đầu ra của hệ thống quang điện

và đầu ra của hệ thống biến tần trong một năm

Dãy công suất đầu ra của hệ thống điện biến tần này

rộng. Công suất đầu vào và ra của hệ thống biến tần luôn

nhỏ hơn công suất định mức của hệ thống biến tần, vì vậy

hệ thống biến tần làm việc không bị quá tải.

Hình 5. Biều đồ phân bố công suất đầu ra của hệ thống

pin quang điện và hệ thống biến tần trong một năm

5.3. Phân bố điện áp của mảng pin quang điện

Giá trị điện áp đầu ra của mảng pin quang điện nằm

trong khoảng từ 570V đến 720V, trong phạm vi điện áp đầu

vào của biến tần tại điểm công suất cực đại từ 570V đến

800V, nghĩa là biến tần luôn làm việc bắt điểm công suất

cực đại. Tuy nhiên, vùng điện áp đầu vào lớn hơn điện áp

làm việc định mức của biến tần (630V- hiệu suất 98,8%)

làm cho hiệu suất của biến tần giảm.

Hình 6. Phân bố điện áp đầu ra mảng pin quang điện

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 5

5.4. Kết quả điện năng tạo ra của hệ thống

Hình 7. Sản lượng điện năng tạo ra của hệ thống

Bảng 5. Điện năng tạo ra của hệ thống pin quang điện

cung cấp cho phụ tải và lưới, xuất ra từ phần mềm

E_hệ thống

pin PV

E_hỗ trợ

phụ tải

E_đưa lên

lưới MWh MWh MWh

Tháng 1 108,4 98,7 6,4

Tháng 2 126,5 118,3 4,6

Tháng 3 150,1 134,6 11,3

Tháng 4 154,3 149,8 0,0

Tháng 5 162,9 158,4 0,0

Tháng 6 153,2 148,9 0,0

Tháng 7 157,3 152,8 0,0

Tháng 8 161,0 156,5 0,0

Tháng 9 128,9 125,1 0,0

Tháng 10 132,7 127,3 1,5

Tháng 11 116,0 109,4 3,1

Tháng 12 99,0 87,4 8,5

Năm 1650,4 1567,2 35,4

• Tỉ số hiệu suất hệ thống: PR = 76,2%

• Hệ số hệ thống: SF =24,4%

Điện năng tạo ra của hệ thống thay đổi theo tháng, năng

lượng tổng xạ trên đường chân trời tại địa điểm thiết kế tỉ

lệ với giá trị sản lượng điện năng tạo ra. Điện năng đưa lên

lưới là nhỏ, bởi phụ tải sử dụng điện năng lớn hơn điện

năng mà hệ thống tạo ra. Trong tháng 4, 5, 6, 7, 8, 9 không

có đưa công suất lên lưới, mặt dù giá trị năng lượng tổng

xạ lớn nhưng vì điện năng của phụ tải tiêu thụ tại khu du

lịch nghỉ dưỡng tăng cao vào mùa nắng nóng (Bảng 5).

Điện năng tạo ra của hệ thống mảng pin quang điện lớn hơn

tổng năng lượng cung cấp cho tải và điện năng đưa lên lưới

điện vì các yếu tố tổn thất trong hệ thống.

5.5. Khối lượng CO2 cắt giảm

Kết quả phân tích lượng CO2 tiết kiệm trong phần mềm:

+ Tổng khối lượng CO2 phát thải để tạo ra được hệ

thống điện năng lượng mặt trời trên là 2040,51 tấn.

+ Tổng khối lượng CO2 không phát thải do hệ thống

sản xuất điện năng là 16306,7 tấn trong 25 năm.

+ Tổng khối lượng CO2 tiết kiệm khi hệ thống hoạt

động sản xuất trong 25 năm là 12967,2 tấn.

6. Kết luận

Với việc ứng dụng phần mềm PVsyst thiết kế hệ thống

điện năng lượng mặt trời nối lưới tại khu du lịch nghỉ dưỡng

Premier Village DaNang Resort ta có các nhận xét sau:

+ Phần mềm đã giải quyết những khó khăn trong việc

thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới như định

hướng lắp đặt tối ưu hệ thống pin quang điện, tính toán các

thông số tổn thất và định cỡ tối ưu các thiết bị trong hệ thống

điện năng lượng mặt trời nối lưới tại địa điểm thiết kế.

+ Dựa vào kết quả mô phỏng trong phần mềm ta có thể

phân tích đánh giá các thông số của hệ thống từ đó đưa ra

các giải pháp để nâng cao chất lượng và sản lượng điện

năng hệ thống.

Những ưu điểm nếu lắp đặt hệ thống điện năng lượng

mặt trời nối lưới tại khu du lịch nghỉ dưỡng Premier Village

Danang Resort:

+ Đáp ứng một phần nhu cầu sử dụng điện của phụ tải.

+ Giảm quá tải hệ thống lưới điện tại địa phương, khi

phụ tải ở đây tăng nhanh chóng (các công trình xây dựng

mọc lên “như nấm”), công tác quy hoạch và phát triển lưới

điện tại địa phương gặp nhiều khó khăn.

+ Tạo điểm nhấn cho khu du lịch nghỉ dưỡng.

+ Chi phí đầu tư thấp hơn so với các nhà máy lắp đặt

trên cánh đồng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] John Kellenberg, Utility-Scale Solar Photovoltaic Power Plants, International Finance Corporation, 2015.

[2] Hoàng Dương Hùng, Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng.

[3] Bộ Công Thương, Thông tư số: 39/2015/TT-BCT, Quy định hệ thống điện phân phối, 18/01/2015.

[4] Hướng dẫn sử dụng phần mềm PVsyst, “http://www.pvsyst.com/”.

[5] Tra cứu thông tin phụ tải, “http://www.cskh.cpc.vn/”.

(BBT nhận bài: 25/05/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 08/07/2017)

6 Nguyễn Quang An, Nguyễn Chí Tình

KHẢO SÁT SỰ BIẾN THIÊN ÁP SUẤT BUỒNG THANG THOÁT HIỂM CỦA

NHÀ CAO TẦNG KHI XẢY RA CHÁY

SURVEYING THE PRESSURE VARIATION IN EMERGENCY STAIRCASES

OF HIGH-RISE BUILDINGS IN THE EVENT OF FIRE

Nguyễn Quang An1, Nguyễn Chí Tình2 1Trường Đại học Phòng cháy chữa cháy; annqt34@yahoo.com.vn

2Trường Đại học Mỏ - Địa chất; tinhtdh2004@gmail.com

Tóm tắt - Khi xảy ra cháy trong các tòa nhà cao tầng, để ngăn khói và khí độc vào cầu thang thoát hiểm, buồng thang phải được tạo áp suất dư bằng hệ thống điều áp cầu thang. Áp suất dư trong buồng thang phải trong giới hạn cho phép để đảm bảo ngăn được khói, đồng thời không tạo ra lực cản quá lớn khi mở cửa thoát hiểm. Áp suất dư trong buồng thang phụ thuộc vào nhiều yếu tố và biến đổi phức tạp trong quá trình thoát hiểm. Bài báo này trình bày phương pháp mô phỏng sự biến thiên của áp suất dư trong buồng thang với các tình huống khác nhau. Việc mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm FDS, đây là phần mềm chuyên dùng để mô phỏng động lực học của đám cháy. Qua đó đề xuất giải pháp giúp cải thiện tốt hơn hiệu quả hoạt động của hệ thống điều áp cầu thang.

Abstract - When fires happen in high-rise buildings, to prevent smoke and toxic gases into the emergency staircase, excess pressure must be created in the staircase by stair pressurization systems. Excess pressure in the staircase must be at permissible limits to stop the smoke, and cannot create a resistance force too big to open the exit door. Excess pressure in the staircase depends on many factors and complex changes in the emergency exit process. This paper presents simulation methods of pressure variation in the staircase in different situations. The simulation is performed using FDS software, a special software to simulate the dynamics of the fire. Thereby the paper proposes measures to improve operational efficiency of the stair pressurization systems.

Từ khóa - mô phỏng; khói; cháy; cầu thang; áp suất Key words - simulation; smoke; fire; stair; pressure

1. Đặt vấn đề

Hiện nay, vấn đề an toàn cho con người khi xảy ra cháy

trong các tòa nhà cao tầng là vấn đề rất được quan tâm. Khi

xảy ra cháy, khói và khí độc có thể lan nhanh đến các khu vực

xung quanh, trong đó có cả cầu thang thoát hiểm. Để ngăn

khói vào cầu thang thoát hiểm, trong các tòa nhà cao tầng hiện

nay đều có hệ thống điều áp cầu thang để tạo ra áp suất dư

trong buồng thang [1], [6]. Việc thiết kế hệ thống điều áp cầu

thang có thể dựa theo các tiêu chuẩn khác nhau như BS 5588-

part4-1998 của Anh, NFPA-92A-1988 của Mỹ, AS1668-1

của Australia, CP13 của Singapor. Theo tiêu chuẩn TCVN-

6160-1996 thì áp suất dư trong buồng thang hoặc phòng đệm

không được nhỏ hơn 2 kG/m2 (xấp xỉ 20 Pa) [4].

Áp suất dư trong buồng thang phụ thuộc vào nhiều yếu

tố và biến đổi trong quá trình hoạt động của hệ thống.

Trong quá trình thoát hiểm, các cửa luôn mở ra rồi đóng lại

làm cho áp suất dư biến đổi. Do chất khí có tính đàn hồi

nên sự biến đổi của áp suất dư rất phức tạp. Việc xác định

qui luật biến đổi của áp suất dư không thể thực hiện bằng

các phép tính toán thông thường. Các phần mềm mô phỏng

sẽ giúp giải quyết bài toán này.

Các tài liệu kỹ thuật hiện nay mới chỉ đề cập đến việc

tính toán hệ thống điều áp cầu thang trong chế độ tĩnh mà

chưa có đề cập đến chế độ động [1]. Phương pháp mô

phỏng dưới đây cho phép khảo sát, đánh giá chế độ động

để đưa ra các giải pháp nâng cao chất lượng cho hệ thống

điều áp cầu thang. Đây là phương pháp đang được ứng

dụng rộng rãi trên thế giới.

2. Kết quả nghiên cứu và khảo sát

2.1. Cơ sở lý thuyết

2.1.1. Hệ thống điều áp cầu thang

Hệ thống điều áp dùng để tăng áp suất ở những khu vực

cần ngăn chặn khói. Hệ thống điều áp cần tạo ra áp suất dư

đủ lớn để ngăn chặn khói vào các khu vực thoát hiểm,

nhưng áp suất dư cũng không được quá lớn để đảm bảo cho

trẻ em và người già có thể đẩy được cửa thoát hiểm. Hệ

thống điều áp cầu thang có thể áp dụng cho cả thang bộ và

thang máy. Dưới đây chỉ đề cập đến hệ thống điều áp đối

với cầu thang bộ thoát hiểm.

Trong hệ thống điều áp có thể sử dụng một họng phun

hoặc nhiều họng phun, với những tòa nhà siêu cao tầng đôi

khi phải sử dụng hệ thống điều áp phân vùng để tránh ảnh

hưởng của hiệu ứng ống khói. Trên Hình 1 mô tả các kiểu

điều áp khác nhau tùy theo cấu trúc của tòa nhà.

2.1.2. Áp suất dư trong trong chế độ tĩnh

Khi hệ thống điều áp cầu thang hoạt động ở chế độ tĩnh,

do ảnh hưởng của hiệu ứng ống khói nên áp suất dư trong

buồng thang thay đổi theo độ cao.

Sự chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài cầu

thang là nguyên nhân gây ra hiệu ứng ống khói. Nhiệt độ

trong buồng thang có thể tính theo công thức [7], [8]:

Ts = To + (TB – To) (1)

Hình 1. Hệ thống điều áp cầu thang

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 7

Trong đó: Ts: Nhiệt độ trong buồng thang (K);

To: Nhiệt độ bên ngoài nhà (K);

TB: Nhiệt độ trong tòa nhà (K);

: hệ số truyền nhiệt.

Áp suất dư tại độ cao y [7], [8]:

TSBy SBb

R

yFp p

F (2)

Trong đó: pSBy: áp suất dư tại độ cao y (Pa);

pSBb: áp suất dư tại tầng dưới cùng (Pa);

y: độ cao (m);

FT: hệ số nhiệt độ (Pa/m);

FR: hệ số dòng chảy.

Áp suất dư ở tầng trên cùng [7], [8]:

TSBt SBb

R

HFp p

F (3)

Trong đó: H là chiều cao của tòa nhà (cầu thang)

Hệ số nhiệt độ [7], [8]:

1 1atmT

o s

gPF

R T T

(4)

Trong đó:

g: gia tốc trọng trường, thường lấy g = 9,81 m/s2;

Patm: áp suất khí quyển (Pa);

R: hằng số khí, thường lấy R = 287 J/kg.K.

Tại mức nước biển, biểu thức trên trở thành:

1 13200T

o s

FT T

(5)

Hệ số dòng chảy [7], [8]:

2

21 SB B

R

BO S

A TF

A T (6)

Trong đó:

ASB: diện tích thoát khí giữa cầu thang với tòa nhà (m2);

ABO: diện tích thoát khí giữa tòa nhà với bên ngoài (m2);

TB: nhiệt độ trong tòa nhà (K);

TS: nhiệt độ trong cầu thang (K).

Trong trường hợp ASB nhỏ hơn nhiều so với ABO thì có

thể lấy FR 1.

Trên Hình 2 là đồ thị minh họa sự thay đổi của áp suất dư

theo chiều cao tòa nhà trong các điều kiện khí hậu khác nhau.

Áp suất dư trung bình [7], [8]:

23/2 3/2

4

9

SBt SBbSBav

SBt SBb

p pp

p p

(7)

Trường hợp áp suất dư ít thay đổi có thể tính gần đúng

theo công thức:

2

SBt SBb

SBav

p pp

(8)

Theo công thức (3) thì chiều cao tòa nhà càng lớn thì

độ chênh lệch áp suất giữa tầng trên cùng và dưới cùng

càng nhiều, khi đó áp suất dư trong buồng thang có thể nằm

ngoài giới hạn cho phép. Chiều cao giới hạn của tòa nhà để

áp suất dư nằm trong giới hạn cho phép [7], [8]:

ax min42,89.101 1

R m

m

o s

F p pH

T T

(9)

Trường hợp chiều cao tòa nhà vượt quá chiều cao giới

hạn thì cần phải có giải pháp để khắc phục sự chênh lệch

áp suất, chẳng hạn như giải pháp điều áp phân vùng.

Ví dụ:

Cho biết To = 295 K (220C), Ts = 300 K (270C)

Theo QCVN 06:2010 [5]:

pmax = 50 Pa, pmin = 20 Pa

FR = 1 (ASB << ABO)

Áp dụng công thức trên ta tính được Hm = 153,5 m

Nếu nhiệt độ bên trong và bên ngoài tòa nhà càng chênh

lệch thì ảnh hưởng của hiệu ứng ống khói càng mạnh, khi

đó chiều cao giới hạn sẽ càng giảm.

2.1.3. Áp suất dư trong chế độ động

Chế độ động có thể xuất hiện khi quạt gió thay đổi tốc

độ, các van gió đóng hoặc mở, cửa thoát hiểm đóng hoặc

mở, môi trường biến đổi... Các tác động đó làm cho áp suất

dư biến đổi theo thời gian. Việc khảo sát sự biến đổi của áp

suất dư có thể dựa vào phương trình miêu tả dòng chảy của

chất lưu, đó là phương trình Navier-Stokes.

Phương trình Navier-Stokes được xây dựng từ các định

luật bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng. được

viết cho một thể tích bất kỳ [2], [9]. Dạng tổng quát của

phương trình:

. .u

u u p T ft

(10)

Trong đó: p grad p là Gradient áp suất;

T là Tensor ứng suất;

.T divT là các lực biến dạng trong chất lưu,

thông thường do hiệu ứng của tính nhớt;

p

p

h h

a, Khí hậu mùa đông b, Khí hậu mùa hè

Cầu thang không có khe hở

Cầu thang có khe hở

Hình 2. Sự thay đổi của áp suất dư theo độ cao

8 Nguyễn Quang An, Nguyễn Chí Tình

f là các lực khác (chẳng hạn như trọng lực).

Áp dụng với chất khí ta có phương trình viết dưới dạng

tensor [9]:

,( )iji

i j i d i

j i j

u pu u g f

t x x x

(11)

Trong đó: p là áp suất ;

là tensor ứng suất ;

là khối lượng riêng ;

fd,i đặc trưng cho lực cản chưa xác định ;

u là vận tốc có 3 thành phần u1= ux; u2 = uy; u3 = uz.

Đây là phương trình vi phân riêng phi tuyến nhiều ẩn

số. Cho đến nay chưa có lời giải hoàn chỉnh cho phương

trình này. Phương pháp phổ biến hiện nay để giải bài toán

này là sử dụng phương pháp sai phân gần đúng với sự trợ

giúp của máy tính.

Phương pháp mô phỏng số trực tiếp (DNS) thực hiện

bằng cách chuyển trực tiếp phương trình Navier-Stokes

sang phương trình sai phân. Tuy nhiên theo phương pháp

đó thì khối lượng tính toán sẽ rất lớn và sẽ mất rất nhiều

thời gian để giải một bài toán.

Phương pháp phổ biến hiện nay để giải bài toán này là sử

dụng phương pháp LES (Viết tắt của Large Eddy Simulation),

phương pháp này xuất phát từ việc lọc thông thấp trong một

khoảng cách để loại bỏ bớt những thành phần biến thiên

nhỏ, nhờ đó mà giảm được khối lượng tính toán. Đây là

phương pháp được sử dụng trong phần mềm FDS.

2.2. Mô phỏng sự biến thiên của áp suất dư trong buồng

thang thoát hiểm bằng phần mềm FDS

2.2.1. Sử dụng phần mềm FDS để mô phỏng sự biến thiên

của các thông số

FDS (viết tắt của Fire Dynamics Simulator) là một phần

mềm mô phỏng động lực học chất lưu của dòng khí và lửa

chuyển động. Phần mềm này giải quyết các bài toán mô

phỏng LES trên cơ sở các phương trình Navier-Stokes [2],

[3], [9], [10].

Kết quả mô phỏng thường được hiển thị dưới dạng hình

ảnh 3D nhờ phần mềm Smokeview đi kèm với FDS. Ngoài ra

các dữ liệu mô phỏng còn được lưu trong file có phần mở rộng

là csv. Có thể hiển thị kết quả dưới dạng đồ thị bằng cách mở

file với Excel, sau đó tạo đồ thị với công cụ Chart [3].

Bài toán mô phỏng được đặt ra với 2 trường hợp:

- Trường hợp 1: Tòa nhà 20 tầng. Quạt tăng áp có

Qmax = 6 m3/s, Pmax = 500 Pa;

- Trường hợp 2: Tòa nhà 40 tầng. Quạt tăng áp có

Qmax = 8 m3/s, Pmax = 500 Pa.

Các thông số còn lại trong 2 trường hợp giống nhau:

- Diện tích buồng thang: (5 × 3) m;

- Chiều cao mỗi tầng: 3 m;

- Nhiệt độ trong buồng thang: 250C;

- Nhiệt độ ngoài trời: 220C;

- Quạt tăng áp được đặt trên tầng thượng.

Trong thời gian đầu tất cả các cửa thoát hiểm đều đóng,

đến thời điểm 10s thì cửa tầng dưới dùng mở ra và đến thời

điểm 11s thì đóng lại. Giả thiết bỏ qua quán tính của quạt

gió khi khởi động.

2.2.2. Kết quả mô phỏng

Sau khi thực hiện chương trình mô phỏng cho 2 trường

hợp. Kết quả mô phỏng xem bằng Smokeview nhận được

như Hình 3 cho tòa nhà 20 tầng (trường hợp 1) và Hình 4

cho tòa nhà 40 tầng (trường hợp 2). Trong đó nhiệt độ tại

mỗi vị trí được xác định thông qua thang vạch màu.

Hình 3a. Áp suất dư trước khi mở cửa tầng 1

Hình 3b. Áp suất dư khi mở cửa tầng 1

Hình 3c. Áp suất dư sau khi đóng cửa tầng 1

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 9

Hình 4a. Áp suất dư trước khi mở cửa tầng 1

Hình 4b. Áp suất dư khi mở cửa tầng 1

Hình 4c. Áp suất dư sau khi đóng cửa tầng 1

Kết quả mô phỏng có thể theo dõi sự biến thiên áp suất

dư ở từng tầng của tòa nhà. Trên đồ thị (Hình 5) hiển thị sự

biến thiên của áp suất dư ở tầng trên cùng và tầng dưới

cùng trong 2 trường hợp.

Hình 5a. Sự thay đổi của áp suất dư (TH 1)

Hình 5b. Sự thay đổi của áp suất dư (TH 2)

Nếu không có tác động nhiễu do mở và đóng cửa thì

sau một khoảng thời gian, áp suất dư trong buồng thang sẽ

ổn định và hệ thống trở về chế độ tĩnh. Với tòa nhà 20 tầng

như trong trường hợp 1, nếu không có tác động nhiễu thì

đồ thị biến thiên áp suất như trên Hình 6. Độ chênh áp giữa

tầng trên cùng và dưới cùng sau khi ổn định đạt giá trị

khoảng 7 Pa. Nếu tính theo công thức (3) của chế độ tĩnh

thì độ chênh áp là:

1 13200.67,2 7,3

295 298

TSBt SBb

R

HFp p

F

Pa

Hình 6. Sự thay đổi của áp suất dư khi không có nhiễu

3. Bàn luận

Kết quả mô phỏng cho thấy, khi hệ thống điều áp cầu

-10

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15 20

Ấp s

uất (P

a)

Thời gian (s)

T1

T20

-10.00

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

0.00 10.00 20.00

Áp s

uất (P

a)

Thời gian (s)

T1

T40

-10.00

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

0.0

0

4.0

3

8.0

5

12.0

7

16.0

9

20.1

1

24.1

3

28.1

5

Áp s

uất (P

a)

Thời gian (s)

T1

T20

10 Nguyễn Quang An, Nguyễn Chí Tình

thang hoạt động thì áp suất dư trong buồng thang biến thiên

phức tạp. Trong quá trình biến đổi của áp suất dư luôn kèm

theo sự dao động. Nguyên nhân của sự dao động chính do

tính đàn hồi của chất khí mà được thể hiện thông qua

phương trình Navier – Stokes.

Khi một cửa thoát hiểm mở ra rồi đóng lại, áp suất dư

tại khu vực đó có sự biến đổi đột ngột. Theo đồ thị biến

thiên của áp suất dư ta thấy:

- Trong khoảng thời gian đầu, khi áp suất buồng thang

chưa kịp tăng thì áp suất dư ở tầng 1 có lúc có giá trị âm do

ảnh hưởng của hiệu ứng ống khói.

- Trước khi mở cửa thoát hiểm thì áp suất dư trong

buồng thang tương đối ổn định.

- Khi mở cửa thoát hiểm tầng 1 tại thời điểm 10s thì áp

suất dư tại đó giảm xuống dưới 10 Pa (trong cả 2 trường hợp).

- Khi cửa thoát hiểm tầng 1 được đóng trở lại ở thời

điểm 11s thì áp suất dư tại đó tăng vọt lên rồi mới giảm

xuống giá trị bình thường. Trong trường hợp 2 thì hiện

tượng tăng vọt áp suất diễn ra mạnh hơn so với trường hợp

1. Áp suất dư trong trường hợp 2 vượt quá 80 Pa rồi giảm

xuống. Hiện tượng tăng vọt áp suất dư có thể tạo ra các

xung lực không mong muốn và thậm chí có thể tạo ra các

tình huống nguy hiểm.

- Áp suất dư ở tầng 1 biến thiên nhiều hơn so với các

tầng trên do tính đàn hồi của cột không khí. Chiều cao cột

không khí càng lớn thì tính đàn hồi càng mạnh làm cho áp

suất dư biến thiên càng nhiều. Ở đây chiều cao cột không

khí được tính từ vị trí đặt quạt (tầng thượng) đến vị trí cần

khảo sát. Ở trường hợp 2, do chiều cao của cột không khí

gấp đôi so với trường hợp 1 nên áp suất dư trong buồng

thang biến thiên nhiều hơn.

- Nếu không có tác động nhiễu do mở và đóng cửa thì

khi hệ thống ổn định, độ chênh áp giữa tầng trên cùng và

dưới cùng qua mô phỏng phù hợp với kết quả tính theo

công thức trong chế độ tĩnh.

4. Kết luận

Việc nghiên cứu chế độ động của hệ thống điều áp cầu

thang vốn là bài toán rất phức tạp. Hiện nay ở trong nước chưa

có công trình khoa học nào nghiên cứu về vấn đề này, trong

khi các nhà cao tầng ở Việt Nam không áp dụng giải pháp

phân vùng để điều áp như các nước phát triển. Phương pháp

mô phỏng bằng phần mềm FDS cho phép khảo sát và đánh

giá sự biến thiên của các thông số, qua đó đề xuất các giải pháp

nâng cao chất lượng cho hệ thống điều áp cầu thang.

Qua so sánh kết quả nghiên cứu trên đây cho thấy khi

hệ thống điều áp cầu thang hoạt động thì áp suất dư trong

buồng thang biến thiên phức tạp và chịu ảnh hưởng của

nhiều yếu tố. Trong đó một yếu tố quan trọng là chiều cao

của tòa nhà. Chiều cao của tòa nhà càng lớn thì ảnh hưởng

của hiệu ứng ống khói càng lớn, dẫn đến sự chênh lêch áp

suất dư giữa tầng trên và tầng dưới càng nhiều. Mặt khác

khi chiều cao tòa nhà càng lớn thì sự biến thiên của áp suất

dư càng phức tạp và khó kiểm soát.

Vì vậy đối với những tòa nhà siêu cao tầng, khi thiết kế

hệ thống điều áp cầu thang cần nghiên cứu áp dụng giải

pháp điều áp phân vùng. Bằng cách đó vừa giảm được ảnh

hưởng của hiệu ứng ống khói, vừa giảm được sự biến động

của áp suất dư.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Ngô Văn Xiêm, Trịnh Thế Dũng. Giáo trình phòng cháy trong xây dựng. NXB KHKT 2002.

[2] Nguyễn Quang An. Ứng dụng phương pháp LES để mô phỏng cho

đám cháy. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng. Số

9(94). 2015. Tr 74 – 77.

[3] Nguyễn Quang An, Nguyễn Chí Tình. Đánh giá hệ thống hút khói

hành lang bằng phần mềm FDS. Tạp chí Khoa học và Công nghệ

Đại học Đà Nẵng. Số 3(100). 2016. Tr 5 – 8.

[4] TCVN 6160-1996. Phòng cháy chữa cháy nhà cao tầng, yêu cầu thiết kế.

[5] QCVN 06:2010. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về an toàn cháy cho

nhà và công trình.

[6] ASHRAE Handbook- 2007-HVAC Applications (SI).

[7] John H. Klote, James A. Milke, Paul G. Turnbull, Ahmed Kashef,

Michael J. Ferreira. Handbook of Smoke Control Engineering.

Ashrae 2012.

[8] John H. Klote, James A. Milke. Principle of Smoke Management.

Ashrae 2002.

[9] Kevin McGrattan, Simo Hostikka, Randall McDermott, Jason

Floyd, Craig Weinschenk, Kristopher Overholt. Fire Dynamics Simulator Technical Reference Guide. National Institute of

Standards and Technology. US July 2014.

[10] Kevin McGrattan, Simo Hostikka, Randall McDermott, Jason

Floyd, Craig Weinschenk, Kristopher Overholt. Fire Dynamics

Simulator User’s Guide. National Institute of Standards and

Technology. US July 2014.

(BBT nhận bài: 06/06/2016, hoàn tất thủ tục phản biện: 24/07/2017)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 11

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN NỘI SUY ĐƯỜNG TRÒN

CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN CNC TRÊN NỀN FPGA

BUILDING ALGORITHM OF CIRCULAR INTERPOLATION

FOR CNC CONTROLLER BASED ON FPGA

Đỗ Văn Cần1, Đoàn Đức Tùng1, Đoàn Quang Vinh2 1Trường Đại học Quy Nhơn; dovancan@qnu.edu.vn, ddtung@ftt.edu.vn

2Đại học Đà Nẵng; dqvinh@ac.udn.vn

Tóm tắt - Thuật toán nội suy là rất quan trọng trong bộ điều khiển số máy tính (CNC), nó đánh giá chất lượng và số lượng sản phẩm gia công trên máy công cụ. Nhiều thuật toán nội suy đã được nghiên cứu, ứng dụng, kể cả nội suy phần cứng và phần mềm. Do ảnh hưởng tốc độ số học của phần mềm máy tính, tính chính xác và tốc độ ăn dao của hệ thống điều khiển số dựa trên nội suy phần mềm phải tuân theo những hạn chế nhất định. Trong bài viết này, nhóm tác giả xây dựng thuật toán xấp xỉ bậc thang cải tiến cho nội suy đường tròn trên FPGA (Field-programmable gate array) phục vụ cho các chuyển động quỹ đạo không gian 2D, 3D. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy việc xây dựng thuật toán nội suy đường tròn xấp xỉ bậc thang trên nền FPGA tốt hơn so với các thuật toán mềm trước đây.

Abstract - Interpolation algorithm is very important in the Computerized Numerical Control (CNC) because it assesses the quality and quantity of products processed on machiine tools.Many algorithms have been researched and deployed including hardware interpolation and software interpolation. Owing to the influence of arithmetic speed of computer software, the accuracy and speed of numerical control system’s feed based on software interpolation are subject to certain restrictions. In this paper, the authors builds and improves stair approximation algorithm of circular interpolation on the FPGAs, for trajectory 2D, 3D space. The simulation and experimental results show that stair approximation algorithms of circular interpolation based on FPGAs are better than previous soft algorithms.

Từ khóa - nội suy đường tròn; thuật toán xấp xỉ bậc thang; FPGA; nội suy phần cứng; nội suy không gian 3D.

Key words - circular interpolation; stair approximation algorithm; FPGA; hardware interpolation; 3D space interpolation.

1. Đặt vấn đề

Chức năng nội suy đường tròn đã được sử dụng trong

các bộ điều khiển số máy tính (bộ CNC) dùng để tạo ra các

chuyển động gia công các trục servo. Các bộ CNC ngày

nay, thực hiện nội suy đường tròn sử dụng một trong các

thuật toán sau: DDA, xấp xỉ bậc thang, tìm kiếm trực tiếp,

Tustin, Euler, Taylor [1].

Thuật toán nội suy đường tròn phần mềm trong không

gian 2D được tìm thấy nhiều trong các nghiên cứu [2], [3].

Trong những năm gần đây, nghiên cứu thuật toán nội suy

đường tròn trong không gian 2D được triển khai trên FPGA

[4], [5] nhằm khai thác nhiều ưu điểm: tốc độ nhanh, dễ cấu

hình; các thuật toán nội suy xây dựng trên phần cứng cho đáp

ứng tốt hơn so với phần mềm. Đối với những thuật toán phức

tạp hoặc khi gia công đường cong bất kỳ thì việc xây dựng

thuật toán trên phần cứng gặp nhiều khó khăn, giải pháp thay

thế điều này là thực hiện chúng trên các lõi xử lý mềm [6].

Trong các chuyển động gia công không gian 3D, hay

xoắn ốc, một vài nghiên cứu xây dựng thuật toán trên phần

mềm đã được đưa ra. Các công trình [7], [8], [9] đã nghiên

cứu và ứng dụng về nội suy đường tròn trong không gian

3D khai thác sức mạnh máy tính tích hợp các phần mềm

CAM, CAD. Nội suy phần cứng có nhiều ưu điểm hơn so

với nội suy phần mềm như: chính xác hơn, thời gian thực

hiện nhanh hơn, đặc biệt giảm tải được CPU. Vì thế, nhóm

tác giả đề xuất xây dựng thuật toán xấp xỉ bậc thang cải

tiến cho nội suy đường tròn trong không gian 2D, 3D trên

FPGA nhằm đáp ứng các quỹ đạo gia công tốt hơn.

2. Nội dung

2.1. Đề xuất thuật toán nội suy đường tròn

Các bộ CNC ngày nay, sử dụng nội suy phần cứng

DDA cổ điển, hoặc nội suy phần mềm dùng thuật toán xấp

xỉ bậc thang. Trên Hinh 1 mô tả thuật toán xấp xỉ bậc thang

nội suy đường tròn trong không gian 2D XY ở góc phần tư

thứ nhất và hướng cùng chiều kim đồng hồ.

Giả sử rằng "dao cụ" đến vị trí (Xk, Yk) sau khi lặp bước

thứ k. Trong thuật toán này, biến Dk được tính bằng phương

trình (1).

222 RYXD kkk (1)

Theo hướng một bước tiến được xác định dựa trên Dk,

hướng ra lệch đường tròn và góc phần tư, nơi di chuyển

được thực hiện.

+ Dk<0: Trường hợp này có nghĩa là vị trí (Xk, Yk) nằm

bên trong một vòng tròn và trong trường hợp này, bước di

chuyển theo hướng dương của trục X.

+ Dk>0: Trường hợp này có nghĩa là vị trí (Xk, Yk) nằm

ở bên ngoài của một vòng tròn và trong trường hợp này,

bước di chuyển theo hướng âm của trục Y.

+ Dk = 0: Một trong hai quy tắc trên có thể được lựa

chọn và áp dụng tùy ý.

Hinh 1. Nguyên lý thuật toán xấp xỉ bậc thang [1]

Thuật toán này đòi hỏi một lượng nhỏ phép tính toán và

12 Đỗ Văn Cần, Đoàn Đức Tùng, Đoàn Quang Vinh

không gian bộ nhớ ít nên phù hợp với cấu trúc phần cứng.

Tuy nhiên, còn nhiều lần lặp, gọi N là số bước lặp đi lặp

lại, có thể được tính bằng phương trình (2).

ff YYXXN 00 (2)

Trong đó: (X0, Y0) là điểm bắt đầu, (Xf, Yf) là điểm kết thúc.

Đề xuất của nhóm tác giả, cải tiến giảm số lần lặp trong

thuật toán xấp xỉ bậc thang bằng cách thay phương trình

(1) bằng phương trình (3) ở đó thêm một chỉ số phụ.

222, RYXD jiji (3)

Trong phương trình (3), i và j tương ứng biểu thị số

lượng các bước dọc theo trục X và trục Y. Khi một bước

được thêm vào dọc theo trục X, phương trình (3) được thay

đổi thành phương trình (4).

ijii

jiji

XDXjDi

RYXD

,

222,1

12,

)1( (4)

Tương tự như vậy cho trường hợp khi trục Y giảm đi 1

bước. Khi đó, xung trên các trục được xác định bởi phương

trình (5) như sau:

2

2

1

1

ii

ii

XY

XX (5)

Nội dung của thuật toán xấp xỉ bậc thang cải tiến là xem

xét đến các hướng:

+ Tăng 1 BLU cho hướng X,

+ Giảm 1 BLU cho hướng Y,

+ Tăng 1 BLU cho hướng X và đồng thời giảm 1 BLU

cho hướng Y (chỉ có thể thực hiện trên phần cứng).

Trong đó, trường hợp thứ ba là phương pháp cải tiến

thêm vào so với thuật toán xấp xỉ bậc thang. Khi đó, thuật

toán sau cải tiến được biểu diễn trên Hinh 2.

Hinh 2. Thuật toán xấp xỉ bậc thang cải tiến

2.2. Đánh giá kết quả nghiên cứu

Biểu diễn thuật toán xấp xỉ bậc thang trước và sau cải

tiến với tham số: Điểm bắt đầu (0,10), điểm kết thúc (10,0),

hướng nội suy cùng chiều kim đồng hồ CW=0, đơn vị chiều

dài phép nội suy BLU=1.

Trên Hinh 3 là quỹ đạo chuyển động của các trục X, Y

của phép nội suy đường tròn trong mặt phẳng 2D XY.

Trong đó, "o-blue" là quỹ đạo sử dụng thuật toán xấp xỉ

bậc thang trước cải tiến và "*-red" là qũy đạo sau cải tiến.

Hinh 3. Quỹ đạo thuật toán xấp xỉ bậc thang

Kết quả cho thấy quỹ đạo nội suy tại các chu kỳ xung

trước cải tiến của X= {1, 2, 3, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 20}, Y={4,

7, 9, 11, 13, 14, 16, 17, 18, 19} và sau cải tiến X= {1, 2, 3,

4, 5, 6, 8, 9, 11, 12} và Y= {4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13,

14}. Như vậy, sai lệch của thuật toán xấp xỉ bậc thang là 1

BLU và sau cải tiến còn 0,5 BLU. Số lần lặp được giảm

xuống từ 20 còn 14 lần nhờ phát xung đồng thời X, Y tại

các vị trí 4, 6, 7, 8, 9, 11.

2.3. Xây dựng thuật toán trong không gian 3D

Đối với các phép nội suy đường tròn trong không gian

3D, thực hiện nội suy 2 trong số 3 trục. Dựa trên cơ sở thuật

toán Hinh 2, nhóm tác giả thực hiện trên không gian 3D với

một mặt phẳng và một trục tham chiếu tuyến tính.

Hinh 4. Quỹ đạo đường tròn nội suy mặt phẳng XY

trong không gian 3D

Trên Hinh 4 là kết quả của quỹ đạo khi thực hiện thuật

toán xấp xỉ bậc thang cải tiến trong không gian 3D, với mặt

phẳng nội suy đường tròn là XY (hoặc YZ) trục Z (hoặc X)

gọi là tham chiếu tuyến tính. Tương tự, thuật toán có thể

mở rộng thành các đường tròn nội suy trên mặt phẳng YZ

và XZ trong không gian 3D.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 13

Kết quả mô phỏng thuật toán xấp xỉ bậc thang sau cải

tiến cho thấy quỹ đạo nội suy “o-red” bám sát theo đường

tròn mẫu trong mặt phẳng nội suy XY và tham chiếu tuyến

tính theo trục Z. Từ đó, thuật toán giải quyết được các

chuyển động đường tròn nội suy theo các mặt phẳng XY,

XZ, YZ trong không gian 3D cho các gia công máy công

cụ hoặc áp dụng cho các gia công ren, xoắn ốc…

2.4. Thiết kế thuật toán trên phần cứng FPGA trong

không gian 2D

Sử dụng ngôn ngữ Verilog để xây dựng thuật toán trên

cấu trúc phần cứng của FPGA, có các tham số đầu vào điểm

bắt đầu (x1, y1, z1) và điểm kết thúc (x2, y2, z2), vận tốc F là

các kiểu dữ liệu số nguyên 32 bit. Các đại lượng đầu ra xung

XPP, YPP, ZPP và XPM, YPM, ZPM và hướng nội suy

CW =0/1 cùng chiều/ ngược chiều kim đồng hồ là các kiểu

dữ liệu 1 bit, tương ứng với các trục X, Y, Z, và giá trị các

trục được định dạng số nguyên 32 bit. Sau khi thiết kế bằng

ngôn ngữ Verilog có tên noisuyduongtron.v tiến hành tổng

hợp, cấu hình trên FPGA và lần lượt mô phỏng kết quả xây

dựng thuật toán hai trường hợp trước và sau cải tiến.

Thực hiện mô phỏng thuật toán nội suy xấp xỉ bậc thang

trên FPGA khi chưa cải tiến với các tham số như ban đầu x1=0,

y1=10, x2=10, y2=0, tốc độ ăn dao F400. Trên Hinh 5 thể hiện

kết quả đầu ra, XPP, YPP là xung phát ra tại các thời điểm

1~20 trong thời gian 2,5ns tương ứng với giá trị X, Y đi được

10 đơn vị trong 20 chu kỳ xung ứng với tốc độ F=400.

Hinh 5. Kết quả thực hiện thuật toán xấp xỉ bậc thang trên FPGA

Thuật toán này không cho phép sự phát xung đồng thời

ở các trục, dẫn đến làm sai lệch so với quỹ đạo thực lớn (1

BLU). Vì vậy, số điểm nội suy tăng lên GPIO = 20 chu kỳ

xung, thời gian nội suy kéo dài 2,5ns (chu kỳ giả lập cho

mô phỏng clk = 10ps).

Cũng xây dựng trên FPGA với các tham số như Hinh

5, nhưng thuật toán lúc này được cải tiến như đề xuất phần

trên. Kết quả sau khi cải tiến thuật toán xấp xỉ bậc thang

thể hiện như Hinh 6. Với kết quả này, ta thấy tại các vị trí

4, 6, 7, 8, 9, 11 là sự phát xung đồng thời giữa các trục, nhờ

đặc điểm kiểm tra theo các hướng sai lệch quỹ đạo nhỏ nhất

đã được cải tiến. Thời gian hoàn thành nội suy rút ngắn từ

20 chu kỳ xung xuống còn 14 chu kỳ xung, thời gian nội

suy còn 1,9ns (cùng chu kỳ giả lập cho mô phỏng

clk = 10ps). Đồng thời sai lệch quỹ đạo được giảm xuống

từ 1 BLU còn 0,5 BLU và thỏa mãn với kết quả mô phỏng

lý thuyết thuật toán trên Hinh 3.

Hinh 6. Kết quả mô phỏng sử dụng thuật toán xấp xỉ bậc thang cải tiến trên FPGA

2.5. Thiết kế thuật toán trên phần cứng FPGA trong

không gian 3D

Từ kết quả đạt được khi xây dựng thuật toán xấp xỉ bậc

thang cải tiến trên FPGA ở không gian 2D ta sẽ thực hiện

trên không gian 3D. Như đã trình bày mục trên khi thực

hiện trong không gian 3D cần xác định mặt phẳng nội suy,

trục còn lại gọi là trục tham chiếu tuyến tính. Ta bổ sung

tín hiệu đầu vào lựa chọn mặt phẳng nội suy có tên “Space”

thanh ghi 2 bit với 3 trạng thái lựa chọn mặt phẳng nội suy

như sau: 00-XY; 01-XZ; 10-YZ. Kết quả Hinh 7 cho thấy

trên hai trục nội suy XY thỏa mãn với thuật toán trên Hinh

2 và kết quả mô phỏng như Hinh 6. Ngoài ra, ZPP phát

xung tại các thời điểm Z={1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11} là

phù hợp với tham chiếu trục Z như kết quả mô phỏng trên

Hinh 4, với quan hệ hai trục X, Z là tuyến tính trong mặt

phẳng XZ.

14 Đỗ Văn Cần, Đoàn Đức Tùng, Đoàn Quang Vinh

Hinh 7. Mô phỏng thuật toán xấp xỉ bậc thang cải tiến trên FPGA với mặt phẳng nội suy XY trong không gian 3D

Để có cái nhìn được tổng quát hơn về thuật toán xấp xỉ

bậc thang cải tiến nội suy đường tròn trong không gian 3D,

tác giả tiến hành thực hiện với hệ số xung k = 10 lần so với

giá trị cài đặt trên. Kết quả Hinh 8 quỹ đạo cung tròn trong

không gian 3D lên mặt phẳng nội suy XY.

Hinh 8. Quỹ đạo nội suy đường tròn không gian 3D

Khi chiếu kết quả này lên mặt phẳng XY và YZ ta được

cung tròn như Hinh 3, ngược lại khi chiếu lên mặt phẳng XZ

ta được đường thẳng điều đó phản ảnh đúng với lý thuyết xây

dựng thuật toán với mặt phẳng nội suy XY (hoặc YZ) tham

chiếu tuyến tính theo trục Z (hoặc trục X) trong gian 3D.

Đánh giá sai lệch quỹ đạo trên các mặt phẳng, thì sai

lệch so với mặt phẳng XY, YZ là 0,5 BLU còn với mặt

phẳng XZ là 0. Trong khi đó, sai lệch quỹ đạo khi thuật

toán chưa cải tiến tất cả các mặt phẳng đều 1 BLU.

So sánh kết quả Hinh 4 và Hinh 8 ta thấy khi hệ số k

càng lớn kích thước BLU càng nhỏ thì sai lệch càng nhỏ

theo. Tiến hành thực hiện thuật toán này trên FPGA với hệ

số xung k=10 lần (trong thực tế thì k=1000 xung/đơn vị

chiều dài). Kết quả được thể hiện trên Hinh 9. Ta thấy, tổng

số bước được thực hiện 140/200 chu kỳ xung, giá trị xung

mỗi trục 100. Sự xuất hiện quan hệ xung trên các mặt phẳng

XY,YZ là đường tròn nội suy, còn mặt phẳng XZ là quan

hệ đường thẳng nên xung trên ZPP và ZPP là giống nhau.

Như vậy, kết quả phản ảnh đúng lý thuyết thuật toán trong

mọi trường hợp.

Hinh 9. Kết quả mô phỏng thuật toán xấp xỉ bậc thang cải tiến trên FPGA với hệ số xung k=10

2.6. Thực nghiệm thuật toán xấp xỉ bậc thang cải tiến nội

suy đường tròn trên FPGA trong không gian 3D

Tiến hành thực nghiệm kết quả trên KIT DE1 SoC với

dòng FPGA là 5CEBA7F31C6 với các đầu vào giả định

(x1,y1,z1) = (0,100,0); (x2,y2,z2) = (100,0,100), R=100,

CLK=50MHz, tốc độ F=400 (tương ứng chu kỳ xung

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 15

2KHz) các giá trị đầu ra XPP, YPP, XPP, XPM, YPM,

ZPM được gán cho GPIO_0[31:26].

Tần số clk 50MHz, hệ số xung k = 10 xung/BLU, thực

nghiệm được đo đặt tại các kênh phát xung của trục X, Y,

Z như Hinh 10 trong đó Y’ là kết quả đo kênh trục Y lần 2

cùng với trục Z của máy hiện sóng 2 kênh.

Kết quả cho thấy xung trên hai trục X, Y sẽ hình thành

quỹ đạo chuyển động đường tròn trên mặt phẳng XY, đối

với mặt phẳng XZ là chuyển động tuyến tính. Như vậy

nhóm tác giả khẳng định việc xây dựng thuật toán xấp xỉ

bậc thang cải tiến trên nền FPGA trong không gian 3D là

phù hợp.

Hinh 10. Kết quả thực nghiệm thuật toán cải tiến trên FPGA với hệ số xung k=10

3. Kết luận

Việc xây dựng thuật toán xấp xỉ bậc thang cải tiến cho

phép nội suy đường tròn trên nền FPGA trong không gian

2D, 3D là phù hợp với những công nghệ ngày nay, đặc biệt

sử dụng cho bộ CNC-on-Chip. Bài viết đã có những đóng

góp cụ thể như sau:

- Bước đầu đưa dòng sản phẩm FPGA vào ứng dụng

lĩnh vực điều khiển là phù hợp, trong bối cảnh thiết kế chíp

tại Việt Nam đang đi vào ứng dụng nhiều về FPGA và phù

hợp với xu hướng nghiên cứu trên thế giới về xây dựng

thuật toán điều khiển trên FPGA [2], [10].

- Đề xuất xây dựng thuật toán xấp xỉ bậc thang cải tiến

cho phép nội suy đường tròn trên nền phần cứng của FPGA

trong không gian 2D; qua đó giảm thiểu sai lệch từ 1 BLU

xuống còn 0,5 BLU và rút ngắn thời gian nội suy đường

tròn xuống 30% (từ 20 xuống 14 chu kỳ xung).

- Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng

được thuật toán xấp xỉ bậc thang cải tiến trong không gian

3D xây dựng trên phần cứng FPGA là khả thi, với quỹ đạo

sai lệch nhỏ và thời gian nội suy nhanh, mà tác giả chưa

tìm thấy các công trình trước đây.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] I. S. Suk-Hwan Suh, Seong Kyoon Kang Dae Hyuk Chung, “Theory and Design of CNC Systems”, in Springer Series in Advanced

Manufacturing, Springer S., 2008.

[2] J. Dong, T. Wang, B. Li, Z. Liu, and Z. Yu, “An FPGA-based low-

cost VLIW floating-point processor for CNC applications”,

Microprocessors and Microsystems, vol. 50, pp. 14–25, 2017.

[3] Y. Jin, Y. He, J. Fu, Z. Lin, and W. Gan, “A fine-interpolation-based

parametric interpolation method with a novel real-time look-ahead

algorithm”, Computer-Aided Design, 2014.

[4] J. J. De Santiago-Perez, R. a. Osornio-Rios, R. J. Romero-Troncoso,

and L. Morales-Velazquez, “FPGA-based hardware CNC

interpolator of Bezier, splines, B-splines and NURBS curves for

industrial applications”, Computers & Industrial Engineering, vol.

66, no. 4, pp. 925–932, Dec. 2013.

[5] M. A. Saifee, “Design and Implementation of 2-Axis Circular Interpolation

Controller in Field Programmable Gate Array (FPGA) for Computer Numerical Control (CNC) Machines and Robotics”, International Journal

of Computer Applications (0975 – 8887), vol. 106, no. 13, pp. 1–7, 2014.

[6] W. T. Ã. Lei, M. P. Sung, L. Y. Lin, and J. J. Huang, “Fast real-time

NURBS path interpolation for CNC machine tools”, vol. 47, pp.

1530–1541, 2007.

[7] F. Wang, H. Lin, L. Zheng, L. Yang, J. Feng, and H. Zhang, “Design

and implementation of five-axis transformation function in CNC system”, Chinese Journal of Aeronautics and Astronautics &

Beihang University, vol. 27, no. 2, pp. 425–437, 2014.

[8] R. Ramesh, S. Jyothirmai, and K. Lavanya, “Intelligent automation

of design and manufacturing in machine tools using an open

architecture motion controller”, Journal of Manufacturing Systems, vol. 32, no. 1, pp. 248–259, 2013.

[9] P. B. Carlos Maximiliano Giorgio Bort, Marco Leonesio, “A model-

based adaptive controller for chatter mitigation and productivity

enhancement in CNC milling machines”, Robotics and Computer-

Integrated Manufacturing, vol. 40, pp. 34–43, 2016.

[10] J. Liu, Y. Fu, Z. Han, and H. Fu, “Design of an Industrial Ethemet Based Embedded Open Architecture CNC System”, 2015

International Conference on Estimation, Detection and Information

Fusion (ICEDlF 2015), no. ICEDlF, pp. 413–417, 2015.

(BBT nhận bài: 10/05/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 02/06/2017)

16 Nguyễn Chi Công, Nguyễn Vĩnh Long

ỨNG DỤNG DỮ LIỆU MÂY VỆ TINH TRONG DỰ BÁO SỚM NGẬP LỤT

CHO HẠ DU LƯU VỰC SÔNG GIANH TỈNH QUẢNG BÌNH

APPLYING SATELLITE CLOUDS TO EARLY FLOOD FORECASTING AT DOWNSTREAM

OF THE GIANH RIVER BASIN IN QUANG BINH PROVINCE

Nguyễn Chi Công1, Nguyễn Vĩnh Long2 1Trương Đai hoc Bach khoa - Đại học Đà Nẵng; chicongbkdn@gmail.com

2Chi cục Phòng chống thiên tai khu vực Miền Trung và Tây Nguyên

Tóm tắt - Để phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai do lũ lụt gây ra, việc nghiên cứu các công cụ dự báo sớm và cảnh báo sớm là rất cần thiết, đặc biệt đối với khu vực Miền Trung nói chung và tỉnh Quảng Bình nói riêng. Nghiên cứu này áp dụng bộ công cụ tích hợp gồm: (i) mô hình thủy văn IFAS và (ii) mô hình thủy lực Nays2DFlood, kết hợp với mây vệ tinh để mô phỏng ngập lụt hạ du lưu vực sông Gianh, tỉnh Quảng Bình. Các mô hình này được hiệu chỉnh và kiểm định bởi hai trận lũ năm 2015 và 2016. Kết quả cho thấy khi sử dụng dữ liệu mây vệ tinh để dự báo ngập lụt thì thời gian dự báo sớm hơn so với sử dụng mưa của các trạm đo. Kết quả nghiên cứu này là cơ sở cho việc dự báo sớm ngập lụt cho hạ du lưu vực sông Gianh trong những năm tiếp theo.

Abstract - To prevent and mitigate natural disasters caused by floods, it is necessary to study early forecasting and early warning tools, especially in Central Vietnam and Quang Binh in particular. The aim of present work uses an integrated set of tools including: (i) IFAS hydrological model, and (ii) Nays2DFlood hydraulic model, combined with satellite clouds to simulate flooding for the downstream of the Gianh river basin, Quang Binh Province. These models are calibrated and tested by two floods in 2016 and 2015. The results indicate that if using satellite cloud data to predict flooding, the forecasting time is earlier than the rainfall utilization of the stations. These results are the basis for early flood forecasting for the downstream of the Gianh river basin in the coming years.

Từ khóa - IFAS; Nays2Dflood; mây vệ tinh; viễn thám; sông Gianh. Key words - IFAS; Nays2Dflood; satellite clouds; remote sensing; Gianh river.

1. Đặt vấn đề

Lưu vực sông Gianh và sông Nhật Lệ là hai lưu vực sông

lớn nhất của tỉnh Quảng Bình. Hàng năm lũ lụt do hai con

sông này đã gây thiệt hại rất nghiêm trọng cho vùng hạ lưu.

Đặc biệt năm 2016, theo báo cáo của UBND tỉnh Quảng Bình,

trận lũ từ ngày 11 đến ngày 17 tháng 10 với tổng lượng mưa

phổ biến từ 600-1000 mm, có nơi trên 1000 mm. Mực nước

trên sông Gianh tại Mai Hóa đạt 9,20m trên báo động (BĐ) III

là 2,7 m, trên sông Kiến Giang tại Lệ Thủy đạt 3,53m trên BĐ

III là 0,83 m. Trận lũ này đã gây thiệt hại gần 2800 tỷ đồng và

làm chết 14 người.

Hiện nay các nghiên cứu trong nước về ngập lụt hạ lưu

sông Nhật Lệ và sông Gianh thường sử dụng hai bộ mô

hình HEC hoặc MIKE để dự báo và cảnh báo ngập lụt hạ

lưu 6, 7. Tuy nhiên cơ sở dữ liệu mưa của cách tiếp cận

này dựa trên số liệu đo tại các trạm (số liệu đã xảy ra), nên

kết quả tính toán ngập lụt chỉ mang tính phục hồi hoặc kiểm

chứng lại mức độ ngập lụt của trận lũ đã xảy ra hoặc theo

các tần suất giả định. Trên thực tế để giảm thiểu những thiệt

hại do lũ lụt gây ra, người ta thường cần những thông tin

dự báo sớm về xu hướng như: diện ngập, chiều sâu ngập

và thời gian ngập của trận lũ trước khi nó diễn ra hoặc sắp

diễn ra. Để giải quyết vấn đề này, công nghệ viễn thám và

radar được ứng dụng để tính toán lượng mưa của trận lũ

trước khi nó xảy ra và làm cơ sở tính toán cho mô hình thủy

văn, thủy lực.

Nghiên cứu này bước đầu áp dụng công nghệ viễn thám

(mây vệ tinh) vào mô hình dự báo ngập lụt bằng mô hình

thủy văn IFAS và mô hình thủy lực Nays2DFlood của

Trường Đại học Hokkaido, Nhật Bản 1, 2, 3, 4. Đây

là mô hình có chức năng dự báo sớm và cảnh báo sớm về

nguy cơ lũ lụt bằng cách sử dụng dự báo mưa bằng mây vệ

tinh hoặc radar. Dữ liệu này sẽ đưa vào mô hình thủy văn

IFAS và mô hình thủy lực Nays2DFlood để hiệu chỉnh và

kiểm định bộ thông số mô hình, làm cơ sở cho dự báo

nhanh xu hướng ngập lụt hạ du.

2. Phương pháp nghiên cứu

2.1. Mô hình thủy văn IFAS

IFAS sử dụng bộ thông số phân bố cho toàn bộ lưu vực,

theo đó lưu vực được số hóa và chia đều thành các tiểu lưu

vực với diện tích là 1 km2. Mỗi tiểu lưu vực được đặc trưng

bởi một bộ thông số thủy văn.

- Hiệu chỉnh bộ thông số mô hình IFAS được tiến hành

qua 3 bước sau:

(i) Chọn trận lũ để hiệu chỉnh và thu thập dữ liệu đường

quá trình lũ thực đo.

(ii) Hiệu chỉnh bộ thông số đặc trưng các lớp dòng chảy

của lưu vực nghiên cứu (BTS1) bằng cách so sánh giữa

đường lưu lượng thực đo và đường lưu lượng mô phỏng từ

dữ liệu mưa các trạm đo mưa trên lưu vực, thông qua chỉ

số Nash1.

(iii) Sử dụng bộ thông số đã hiệu chỉnh, tiến hành mô

phỏng đường lưu lượng từ dữ liệu mây vệ tinh và hiệu chỉnh

bộ thông số mây vệ tinh (BTS2) bằng cách so sánh với đường

lưu lượng thực đo thông qua chỉ số Nash2. Nghiên cứu sử

dụng dữ liệu mây vệ tinh Gsmap-NRT của Nhật Bản, dữ liệu

này được đồng bộ hóa cơ sở dữ liệu với mô hình IFAS. Nếu

chỉ số Nash1 và Nash2 < 0,7 thì cần tiến hành hiệu chỉnh lại

bộ thông số BTS1 và BTS2 nói trên.

- Kiểm định bộ thông số mô hình được thực hiện như

sau: Chọn trận lũ độc lập với trận lũ đã hiệu chỉnh. Giữ

nguyên bộ thông số BTS1 (Bảng 1) và BTS2 (Bảng 2), tiến

hành mô phỏng 2 đường lưu lượng từ: (i) mưa của các trạm

đo trên lưu vực và (ii) mưa từ mây vệ tinh. So sánh 2 đường

lưu lượng này với đường lưu lượng thực đo của trận lũ đã

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 17

chọn, thông qua chỉ số Nash1 và Nash2 tương ứng.

Bảng 1. Bộ thông số BTS1

Kí hiệu Thông số Đơn vị Giải thích

Bộ thông số lớp bề mặt

fo SKF cm/s Thể hiện khả năng thấm nước

Sf2 HFMXD m Chiều cao tối đa của bể

Sf1 HFMND m Chiều cao của dòng chảy

dưới mặt

Sfo HFOD M Chiều cao của dòng chảy thấm

N SNF m-1/3s1 Hệ số nhám bề mặt

HIFD M Giá trị ban đầu để tính

Αn FALFX Non Hệ số dòng chảy dưới mặt

Bộ thông số lớp nước ngầm

Au AUD (1/mm/day) 1/2 Hệ số dòng chảy ngầm

không giới hạn

Ag AGD 1/day Hệ số dòng chảy ngầm giới hạn

Sg HCGD M Chiều cao bể

HIGD M Chiều cao ban đầu để tính

Bộ thông số của lòng sông

RBW - Hệ số thiết lập chiều rộng sông

RBS Non Hệ số từ 0,3 ~ 0,5

RNS m-1/3s-1 Hệ số chính

RRID M Giá trị ban đầu để tính

RGWD 1/day Hệ số thấm của đáy sông

RHW - Mực nước của sông

hc=RHW. RHS

RHS - Giá trị để tính mực nước sông

RBH Non Chiều rộng của sông

RBET Non Độ dốc lòng sông

RLCOF Non Thông số chiều dài sông

Bảng 2. Bộ thông số BTS2

Kí hiệu Thông số Giải thích

x Sn Chỉ số biến đổi GSMap

y mj Tỷ lệ điều chỉnh

2.2. Mô hình thủy lực Nays2Dflood trong IRIC

IRIC (International River Interface Cooperative) là gói

phần mềm phân tích biến động lòng sông và dòng chảy trong

sông, được phát triển bởi quỹ tài trợ của Trung tâm Nghiên

cứu Phòng chống Thiên tai, Đại học Hokkaido.

Nays2DFlood là một modun giải quyết phân tích dòng chảy

lũ nhanh dựa vào mô phỏng dòng chảy 2 chiều ngang không

ổn định và không cần thông tin về số liệu mặt cắt địa hình.

Mô hình thủy lực Nays2DFlood được hiệu chỉnh và kiểm

định thông qua bản đồ hệ số nhám của lưu vực, dựa trên việc

so sánh giữa kết quả mô phỏng độ ngập lớn nhất trong mô

hình và số liệu mực nước thu thập được tại vị trí trạm thủy

văn Quảng Minh ở hạ du lưu vực sông Gianh.

3. Áp dụng và kết quả nghiên cứu

3.1. Áp dụng cho lưu vực nghiên cứu

Sông Gianh là con sông lớn thứ 2 tại Quảng Bình, nằm

phía Bắc của tỉnh. Tổng diện tích lưu vực tính đến trạm

thủy văn Đồng Tâm là 1150 km2 và đến trạm thủy văn Tân

Mỹ là 4420 km2. Lưu vực nghiên cứu nằm trên các huyện

Quảng Trạch, Bố Trạch, Tuyên Hóa và thị xã Ba Đồn thuộc

tỉnh Quảng Bình 5 (Hình 1).

Hình 1. Bản đồ vị trí lưu vực nghiên cứu

3.1.1. Các trạm đo mưa được sử dụng trong nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng 8 trạm đo mưa (Bảng 3). Trong đó,

có 6 trạm đo mưa nằm trong địa bàn tỉnh Quảng Bình, còn

lại có 2 trạm đo thuộc địa bàn của tỉnh Hà Tĩnh, lý do là để

tăng thêm mật độ trạm đo mưa trên lưu vực nhằm mục đích

tính toán mưa theo phương pháp đa giác Thái Sơn được

chính xác hơn.

Bảng 3. Tọa độ các trạm đo mưa

Tên trạm Tuyên Hóa Ba Đồn Minh Hóa Đồng Tâm

Vĩ độ 17052’59” 17045’00” 17048’00” 17055’00”

Kinh độ 106001’01” 106025’01” 106001’01” 106000’00”

Tên trạm Mai Hóa Tân Mỹ Kỳ Anh Hương Khê

Vĩ độ 17048’00” 17041’99” 18004’49” 18010’49”

Kinh độ 106010’58” 106025’58” 106017’14” 105043’14”

3.1.2. Bản đồ DEM và sử dụng đất lưu vực nghiên cứu

Trong mô hình thủy văn IFAS và mô hình thủy lực

Nays2DFlood, do hạn chế về khả năng cập nhật cơ sở dữ

liệu hiện trạng nên nhóm tác giả chỉ sử dụng cơ sở dữ liệu

DEM và bản đồ sử dụng đất lấy từ cơ sở dữ liệu toàn cầu.

3.1.3. Dữ liệu bản đồ hệ số nhám

Hình 2. Bản đồ hệ số nhám vùng nghiên cứu

Thực tế, để xác định hệ nhám n của lưu vực hay sườn

dốc rất khó, do nó còn phụ thuộc vào hiện trạng sử dụng

đất. Xây dựng bản đồ hệ số nhám Manning dựa trên bản đồ

18 Nguyễn Chi Công, Nguyễn Vĩnh Long

hiện trạng sử dụng đất của khu vực nghiên cứu (Bản đồ

hiện trạng sử dụng đất năm 2010 do Đài khí tượng thủy văn

Trung Trung Bộ cung cấp). Kết quả xây dựng bản đồ hệ số

nhám n được trình bày trong Hình 2.

3.1.4. Điều kiện biên và lưới tính toán

- Biên thượng lưu: Do lưu vực sông Gianh rất rộng lớn

và khá phức tạp, cộng thêm việc thu thập số liệu bị hạn chế

nên tác giả quyết định lựa chọn 3 biên thượng lưu tương

ứng với 3 nhánh sông chính của lưu vực sông Gianh. Đây

chính là 3 đường quá trình lưu lượng lũ chảy về các trạm

thủy văn Đồng Tâm, Tân Lâm và Phong Nha. Thời đoạn

lựa chọn tương ứng với 2 trận lũ năm 2016 (từ 11/10 -

17/10) và năm 2015 (từ 10/9 -18/9).

- Biên hạ lưu: Sử dụng đường quá trình mực nước tại

trạm thủy văn Tân Mỹ gần cửa ra của sông Gianh tương

ứng với thời gian xuất hiện 2 trận lũ nói trên.

- Chia lưới tính toán thủy lực và bản đồ cao độ:

Nghiên cứu sử dụng lưới cấu trúc ô vuông 100m x

100m để mô tả đặc điểm địa hình trong phạm vi mô phỏng

của hạ du lưu vực sông Gianh. Vùng nghiên cứu sử dụng

bản đồ với tỉ lệ 1/2000. Cao độ được chuẩn hóa về hệ tọa

độ VN2000 và cao độ quốc gia, lấy bản đồ VN2000 làm

nền để hiệu chỉnh (Hình 3).

Hình 3. Bản đồ chia lưới khu vực tính toán

3.2. Kết quả và bàn luận

3.2.1. Kết quả mô phỏng mô hình thủy văn

Các kết quả dưới đây thực hiện dựa trên 2 trận lũ, trong

đó: trận lũ tháng 10/2016 là trận lũ lớn nhất gần đây đo

được, dùng để hiệu chỉnh mô hình thủy văn và mô hình

mây vệ tinh. Trận lũ tháng 09/2015 được dùng để kiểm

định mô hình thủy văn và mô hình mây vệ tinh.

Hình 4. Kết quả hiệu chỉnh đường quá trình lũ

ngày 11 đến 17/10/2016

Hình 4 và 5 là kết quả hiệu chỉnh thông số của mô hình

thủy văn và mô hình mây vệ tinh cho trận lũ tháng 10/2016

(tại trạm thủy văn Đồng Tâm) với chỉ số Nash1= 0,9 và

Nash2= 0,7. Các thông số mô hình thủy văn và mô hình

mây vệ tinh được thể hiện trong Bảng 4 và Bảng 5.

Hình 5. Kết quả hiệu chỉnh đường quá trình lũ

ngày 11 đến 17/10/2016

Bảng 4. Bộ thông số BTS1

Bảng 5. Bộ thông số BTS2

Thông số Sn mj

Kí hiệu x Y

Giá trị Khi x <= 1,5 thì y = -0,30

Khi x >= 7,5 thì y = 0,30

Sau khi xác định được 2 bộ thông số của mô hình IFAS,

tác giả kiểm định cho 1 trận lũ độc lập vào tháng 09/2015.

Hình 6 và Hình 7 thể hiện kết quả kiểm định mô hình thủy

văn và mô hình mây vệ tinh với chỉ số Nash1= Nash2= 0,83.

Hình 6. Kết quả kiểm định đường quá trình lũ

ngày 10 đến 18/09/2015

Lớp

SKF HFMXD HFMND HFOD SNF FALFX HFID

0,00008 0,10 0,00001 0,0005 0,60 1,65 0,00

0,00002 0,50 0,010 0,0005 2,00 0,60 0,00

0,00001 0,10 0,010 0,0005 2,00 0,50 0,00

0,000001 0,001 0,0005 0,0001 0,10 0,90 0,00

0,00001 0,05 0,010 0,0050 2,00 0,50 0,00

AUD AGD HCGD HIGD

0,30 0,010 2,00 1,00

0,11 0,005 2,00 2,00

0,12 0,003 2,00 2,00

0,13 0,003 2,00 2,00

RBW RBS RNS RRID RGWD RHW RHS

7,00 0,50 0,04 0,20 0,00 9999,00 1,00

7,00 0,50 0,04 0,20 0,00 9999,00 1,00

7,00 0,50 0,04 0,20 0,00 9999,00 1,00

RBH RBET RLCOF

0,50 0,05 1,40

0,50 0,05 1,40

0,50 0,05 1,40

Bề mặt

Nước ngầm

Lòng sông

Các thông số

Mô phỏng

Thực đo

Mô phỏng

Thực đo

Mô phỏng

Thực đo

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 19

Hình 7. Kết quả kiểm định đường quá trình lũ

ngày 10 đến 18/09/2015

3.2.2. Kết quả mô phỏng mô hình thủy lực

Các kết quả mô tả dưới đây được thực hiện dựa trên 2

trận lũ tháng 10/2016 (dùng để hiệu chỉnh) và trận lũ tháng

09/2015 (dùng kiểm định). Mỗi trận lũ được mô phỏng theo

hai kịch bản biên thượng lưu:

-Kịch bản 1: Lưu lượng tại Đồng Tâm là lưu lượng

thực đo, tại Tân Lâm và Phong Nha do không có số liệu

thực đo nên sử dụng lưu lượng mô phỏng của mô hình thủy

văn IFAS từ mưa của các trạm đo trên lưu vực.

-Kịch bản 2: Lưu lượng tại Đồng Tâm, Tân Lâm và

Phong Nha là lưu lượng mô phỏng của mô hình thủy văn

IFAS từ mưa vệ tinh Gsmap-NRT của Nhật Bản.

Bảng 6 ước tính mực nước lũ tại trạm thủy văn Quảng

Minh của trận lũ tháng 10 năm 2016.

Bảng 6. Kết quả tính toán thủy lực tại

trạm thủy văn Quảng Minh, trận lũ tháng 10 năm 2016

Trạm Kịch bản mô phỏng Mực nước lớn nhất (m)

Quảng

Minh

Kịch bản 1 3,4 ~ 3,6

Kịch bản 2 3,3 ~ 3,6

Hình 8 và Hình 9 thể hiện kết quả mô phỏng phạm vi

và độ sâu ngập lụt lớn nhất của trận lũ tháng 10/2016 tương

ứng với kịch bản 1 và kịch bản 2.

Hiệu chỉnh mô hình thủy lực bằng cách so sánh mực

nước lớn nhất mô phỏng với mực nước lớn nhất thực đo tại

trạm thủy văn Quảng Minh vào thời điểm lúc 3h ngày

15/10/2016 là 3,49m.

Các kết quả trên cho thấy, kết quả mô phỏng khá phù

hợp với mực nước lũ lớn nhất đo được tại trạm Quảng

Minh. Do đó lấy bộ thông số hệ số nhám đã xây dựng để

kiểm định cho trận lũ độc lập vào tháng 09/2015.

Hình 8. Bản đồ ngập lụt lớn nhất của kịch bản 1

ứng với trận lũ ngày 11 đến 17/10/2016

Hình 9. Bản đồ ngập lụt lớn nhất của kịch bản 2

ứng với trận lũ ngày 11 đến 17/10/2016

Hình 10 và 11 thể hiện kết quả kiểm định mô hình ứng

với 2 kịch bản tương tự. Tại trạm thủy văn Quảng Minh,

kết quả mô phỏng trận lũ tháng 09 năm 2015 theo mô hình

Nays2DFlood được thể hiện qua Bảng 7. Mực nước lớn

nhất thực đo tại trạm thủy văn Quảng Minh vào thời điểm

lúc 1.00 giờ, ngày 15/09/2015 là 1,63m.

Hình 10. Bản đồ ngập lụt lớn nhất của kịch bản 1,

kiểm định trận lũ từ ngày 10 đến 18/09/2015

Hình 11. Bản đồ ngập lụt lớn nhất của kịch bản 2,

kiểm định cho trận lũ từ ngày 10 đến 18/09/2015

Bảng 7. Kết quả tính toán thủy lực tại

trạm thủy văn Quảng Minh, trận lũ tháng 09 năm 2015

Trạm Kịch bản mô phỏng Mực nước lớn nhất (m)

Quảng

Minh

Kịch bản 1 1,6 ~ 2,0

Kịch bản 2 1,7 ~ 2,1

Kết quả kiểm định trận lũ tháng 9/2015 cho thấy 2 kịch

bản mô phỏng cho kết quả tính toán mực nước lũ lớn nhất

tại trạm Quảng Minh rất phù hợp với mực nước lũ lớn

nhất thực đo. Điều này cho thấy bộ thông số của mô hình

thủy lực Nays2DFlood là tin cậy, có thể dùng để dự báo

Mô phỏng

Thực đo

20 Nguyễn Chi Công, Nguyễn Vĩnh Long

cho các trận lũ trong thời gian đến. Bên cạnh đó, do mô

hình thủy lực Nays2DFlood là mô hình thủy lực 2 chiều

ngang và với ô lưới tính toán kích thước 100 m x 100 m,

thời gian mô phỏng ngập lụt cho hạ lưu sông Gianh chỉ

mất khoảng 1,5 giờ.

Theo 2 kịch bản mô phỏng đã xây dựng thì kịch bản 2 có

lợi thế hơn là có thể dự báo sớm khả năng ngập lụt cho hạ

lưu sông Gianh nhờ mô hình tính mưa từ mây vệ tinh. Theo

đó mây vệ tinh cho phép dự báo trận mưa gây lũ sau 3 giờ

kể từ thời gian bắt đầu trận mưa thực tế gây lũ, đây chính là

độ trễ do truyền tín hiệu hình ảnh mây vệ tinh và sau mỗi giờ

sẽ nhận được hình ảnh tiếp theo. Do đó đường quá trình lũ

của kịch bản 2 được mô phỏng và cập nhật theo từng giờ.

Trong khi đó, đường quá trình lũ mô phỏng của kịch bản 1

chỉ tính được khi kết thúc trận mưa gây lũ vì lúc đó dữ liệu

đo mưa của các trạm mới truyền về.

4. Kết luận

Nghiên cứu bước đầu khai thác dữ liệu vệ tinh Gsmap-

NRT của Nhật Bản vào mô hình thủy văn IFAS và mô hình

thủy lực Nays2DFlood để dự báo sớm ngập lụt cho hạ lưu lưu

vực sông Gianh, tỉnh Quảng Bình, nơi vừa hứng chịu tổn thất

nặng nề về người và của sau trận lũ lịch sử năm 2016. Các kết

quả cho thấy khả năng ứng dụng cách tiếp cận này là rất khả

thi. Các bộ thông số của mô hình thủy văn, mây vệ tinh và

thủy lực được xác định cho lưu vực sông Gianh là rất tin cậy.

Đây chính là cơ sở dữ liệu để xây dựng bộ công cụ dự báo

sớm ngập lụt cho hạ lưu sông Gianh trong thời gian đến. Kết

quả dự báo này là cơ sở hỗ trợ ra quyết định cho chính quyền

địa phương ứng phó kịp thời.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] River Center of Hokkaido (2014). IRIC Software User’s Manual, Japan.

[2] Yasuyuki Shimizu (2015). Nays2DFlood Solver Manual, Hokkaido University, Japan.

[3] ICHARM Public Works Research Institute – Japan (2014), IFAS

ver.2.0 technical manual. International Centre for Water Hazard and

Risk Management.

[4] ICHARM, PWRI (2015). IFAS Quick Reference for ver 2.0, Japan.

[5] Nguyễn Đức Lý, Ngô Hải Dương, Nguyễn Đại (2013), Khí hậu và Thủy

văn tỉnh Quảng Bình, Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.

[6] Ngô Hải Dương (2016), Bản đồ ngập lụt tỉnh Quảng Bình vùng hạ

du sông Gianh và sông Nhật Lệ (Mô phỏng theo trận lũ tháng

10/2016), Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh Quảng Bình.

[7] Hoàng Thái Bình, Trần Ngọc Anh, Đặng Đình Khá (2010), Ứng

dụng mô hình MIKE FLOOD tính ngập lụt hệ thông sông Nhật Lệ

tỉnh Quảng Bình. Tạp chí Khoa học ĐHQGNH, Khoa học tự nhiên và Công nghệ 26, số 3S(2010), p285-294.

(BBT nhận bài: 18/05/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 23/05/2017)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 21

NGHIÊN CƯU THU NHẬN DỊCH ĐẠM THUY PHÂN

TỪ VỎ ĐẦU TÔM BẰNG ENZYME ALCALASE

RESEARCH ON OBTAINING PROTEIN HYDROLYSATE

FROM SHRIMP HEAD WASTE USING ALCALASE ENZYME

Bùi Xuân Đông1, Phạm Thị Mỹ2, Huỳnh Văn Anh Thi1, Trần Trung Thanh Bình3, Ngô Thị Ngọc Bích4,

Nguyên Văn Tuyên5, Hà Ngọc Tuấn6 1Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; xdbui@dut.udn.vn

2Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng 3Trường Cao đẳng Bách khoa Đà Nẵng

4Học viện CNTT Microsoft – Đại học Đà Nẵng 5Trương Cao đẳng Lương thưc – Thưc phâm Đa Năng

6Trung tâm Chất lượng Nông Lâm Thủy sản vùng 2 – Đà Nẵng

Tóm tắt - Trong bài báo này, chế phẩm dịch đạm (PPH) từ vỏ đầu tôm thẻ chân trắng (Penaeus vannamei) được nghiên cứu thu hồi bằng công nghệ enzyme. Enzyme alcalase đã được sử dụng để nghiên cứu phản ứng thủy phân protein trong vỏ đầu tôm. Nghiên cưu đã xác định được các thông số cơ bản của phản ứng enzyme để thủy phân protein trong vỏ đầu tôm như nhiệt độ môi trường, pH môi trường, tỷ lệ enzyme với cơ chất, thời gian phản ứng enzyme lần lượt là 55°C; 8,0; 1.5% và 80 phút, hiệu suất thu protein khi đó đạt mức 61,28 ± 0,5%. Chế phẩm dịch đạm từ vỏ đầu tôm có hàm lượng protein xác định được là 7,93%, hàm lượng nitơ axit amin là 0,87 gam/lít. Chế phẩm dịch đạm từ vỏ đầu tôm được xác định đủ điều kiện sử dụng làm thức ăn chăn nuôi (theo QCVN 01-183:2016/BNNPTNT).

Abstract - In this article, preparation of protein hydrolysate (PPH) from shrimp waste mainly comprising head and shell of Penaeus vannamei by enzymatic hydrolysis is presented. Enzyme alcalase is used to optimize hydrolysis conditions for shrimp waste hydrolysis. A model equation is proposed to determine effects of temperature; pH; enzyme/substrate ratio and time on degree of hydrolysis where optimum values are found to be 55°C; 8,0; 1.5% and 80 min, for maximum degree of hydrolysis 61,28±0,5% respectively. The extraction of prepared protein hydrolysate obtained contains protein content (7,93%) and nitrogen amino acid content (0,87 g/l). Prepared protein hydrolysate is suitable enough to recommend as a functional food additive (according to QCVN 01-183:2016/BNNPTNT).

Từ khóa - chế phẩm dịch đạm (PPH); vỏ đầu tôm; enzyme alcalase; Bacillus lichenifomis, protein; protease; endopeptidase; hợp chất có hoạt tính sinh học; ô nhiễm môi trường

Key words - preparation of protein hydrolysate (PPH); shrimp head waste; enzyme alcalase; Bacillus lichenifomis; protein; protease; endopeptidase; bioactive compound; environment pollution

1. Đặt vấn đề

Việc tận dụng phế liệu công nghiệp chế biến tôm để sản

xuất các sản phẩm giá trị gia tăng đã gây ra những tác động

xấu trong những năm qua. Tác động xấu sinh ra khi dùng

công nghệ lạc hậu có thể kể đến là vấn nạn ô nhiễm môi

trường. Công nghệ hiện đang sử dụng để xử lý phế liệu tôm

thải ra những sản phẩm phụ là các chất độc hại như HCl,

acid acetic và NaOH vào hệ sinh thái nước, tác động mạnh

tới môi sinh của động vật và thực vật trong nước, dẫn tới

mất cân bằng sinh thái. Vì vậy vấn đề nghiên cứu và sử

dụng công nghệ thay thế an toàn hơn là vấn đề cấp thiết [1].

Phế liệu vỏ đầu tôm chứa các hoạt chất sinh học như chitin,

chất màu, axit amin và các acid béo. Những hoạt chất sinh

học này được ứng dụng rộng rãi trong y học, điều trị, mỹ

phẩm, công nghiệp dệt và sản xuất giấy, công nghệ sinh

học và công nghệ thực phẩm [1, 3]. Mục tiêu của nghiên

cứu này là tìm giải pháp sinh học để thu các amino acid và

peptid (sản phẩm thủy phân protein) từ vỏ đầu tôm, từ đó

tạo ra chế phẩm dịch đạm nhằm định hướng ứng dụng trong

chăn nuôi. Chế phẩm dịch đạm (preparation of protein

hydrolysate- PPH) từ vỏ đầu tôm được dùng làm thức ăn

bổ sung trong chăn nuôi gia súc, gia cầm và trong nuôi

trồng thủy sản. Việc nghiên cứu sản xuất PPH hiện nay rất

được quan tâm [1-3].

2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

2.1. Đối tượng nghiên cứu

2.1.1. Vỏ đầu tôm

Mẫu vỏ đầu tôm thuộc loại tôm thẻ chân trắng (Penaeus

vannamei) được thu mua tại Xí nghiệp đông lạnh 32 –

Công ty Cổ phần Thủy sản và Thương mại Thuận Phước,

Đà Nẵng. Các mẫu vỏ đầu tôm được chứa trong các túi

nilon và chuyển ngay về phòng kiểm nghiệm – Trung tâm

Chất lượng Nông Lâm Thủy sản Vùng 2, Đà Nẵng. Tại đây,

mẫu vỏ đầu tôm được rửa sạch dưới vòi nước chảy để bỏ

thịt vụn và bùn, sau đó để ráo nước và phân chia vào các

bao PE dán đê đảm bảo vô trùng, mỗi túi chứa 50g vỏ đầu

tôm nguyên liệu. Các mẫu này có thể sử dụng làm thí

nghiệm ngay hoặc đem đi cấp đông ở nhiệt độ -200C.

Những lần sử dụng tiếp theo sẽ tiến hành rã đông từ từ trong

tủ lạnh trước khi thực hiện các thí nghiệm.

Khi tiến hành thí nghiệm, các mẫu vỏ đầu tôm được

nghiền đến kích thước 2 – 3 mm để tăng diện tích tiếp xúc

với enzyme.

2.1.2. Enzyme

Nghiên cứu này sử dụng enzyme Alcalase 2.4L của

hãng Novo Nordisk, Bagsvaerd, Denmark.

Alcalase là enzyme thủy phân protein thu nhận từ

Bacillus lichenifomis. Chúng có khả năng phân cắt các liên

kết peptide nội phân tử (endopeptidase) để chuyển các phân

tử protein thành peptide. Các điều kiện tối thích cho

enzyme Alcalase là nhiệt độ từ 550C đến 700C, phụ thuộc

vào loại cơ chất, và giá trị pH là từ 6,5 đến 8,5.

22 Bùi Xuân Đông, Phạm Thị Mỹ, Huỳnh Văn Anh Thi, Trần Trung Thanh Bình, Ngô Thị Ngọc Bích, Nguyên Văn Tuyên, Hà Ngọc Tuấn

2.2. Phương pháp nghiên cứu

2.2.1. Xác định tỷ lệ enzyme Alcalase/nguyên liệu vỏ đầu

tôm thích hợp cho phản ứng enzyme thủy phân protein

Cho 50g vỏ đầu tôm đã nghiền nhỏ (kích thước 2 –

3mm) vào các bao PE dán, bổ sung 50ml nước (trước đó

điều chỉnh pH nước về pH = 8 bằng NaOH 20%). Thêm

enzyme Alcalase 2.4L với các tỉ lệ là 0,5%, 1,0 %, 1,5% và

2,0% so với khối lượng nguyên liệu vỏ đầu tôm. Quá trình

thủy phân được thực hiện ở nhiệt độ 450C trong thời gian

80 phút. Tiến hành thu dịch thủy phân và đánh giá các chỉ

tiêu chất lượng.

2.2.2. Xác định giá trị pH thích hợp cho phản ứng enzyme

thủy phân protein trong vỏ đầu tôm

Cho 50g vỏ đầu tôm đã nghiền nhỏ (kích thước 2 - 3mm)

vào bao PE dán, bổ sung 50ml nước, điều chỉnh pH môi

trường các mẫu tương ứng pH = 6, pH = 7, pH = 8, pH = 9

bằng dung dịch NaOH 20%. Thêm enzyme Alcalase 2.4L

với tỉ lệ 1,5% so với khối lượng nguyên liệu vỏ đầu tôm. Quá

trình thủy phân được thực hiện ở nhiệt độ 450C trong thời

gian 80 phút. Tiến hành thu dịch thủy phân và đánh giá các

chỉ tiêu chất lượng nhằm tối ưu hóa thông số tiếp theo.

2.2.3. Xác định nhiệt độ thích hợp cho phản ứng enzyme

thủy phân protein trong vỏ đầu tôm

Cho 50g vỏ đầu tôm đã nghiền nhỏ (kích thước 2 –

3mm) vào bao PE dán, bổ sung 50ml nước, chỉnh pH môi

trường về pH = 8 bằng NaOH 20%. Thêm enzyme Alcalase

2.4L với tỉ lệ là 1,5% so với khối lượng nguyên liệu vỏ đầu

tôm. Quá trình thủy phân được thực hiện ở các giá trị nhiệt

độ là 400C, 450C, 500C, 550C trong thời gian 80 phút. Tiến

hành thu dịch thủy phân và đánh giá các chỉ tiêu chất lượng.

2.2.4. Hiệu suất thu hồi protein từ vỏ đầu tôm

Hiệu suất thu hồi protein từ vỏ đầu tôm được tính theo

công thức:

1

2

(%) 100N

N

CH

C

Trong đó: CN1- là hàm lượng protein trong dịch đạm;

CN2- là hàm lượng protein trong vỏ đâu tôm

nguyên liệu (Hàm lương protein đươc xác định thông qua

hàm lượng nitơ tông sô nhân với hê số chuyển đôi là 6,25)

2.3. Các phương pháp phân tích

2.3.1. Các phương pháp phân tích thành phần nguyên liệu

và chất lượng PPH

- Nghiên cứu sử dụng các phương pháp phân tích chuẩn

theo quy định hiện hành để phân tích thành phần hóa học

của nguyên liệu và sản phẩm PPH. Cụ thể như sau: hàm

lượng protein được xác định bằng phương pháp Kjeldahl;

hàm lượng lipit được xác định theo tiêu chuẩn NMKL số

131 – 1989; hàm lượng ẩm được xác định theo tiêu chuẩn

NMKL số 23 – 1991; hàm lượng tro được xác định theo

tiêu chuẩn NMKL số 173-2005; hàm lượng nitơ amin được

xác định theo TCVN 3708 – 1990; hàm lượng axit amin

được xác định theo TCVN 8764 – 2012.

- Hàm lượng astaxanthin trong đầu tôm được phân tích

theo phương pháp của Metusalach [4] và Tolasa và cộng

sự [5]. Cân chính xác 1g mẫu cho vào ống đồng hóa (hay

cốc thủy tinh).

Thêm 5ml dung môi chứa hexan và isopropanol với tỷ lệ

3:2 (v:v). Đồng hóa trong 2 phút với tốc độ 15000 vòng/phút.

Để yên 30 phút. Sau đó tiến hành lọc qua giấy lọc Whatman

No.1. Tách chiết 3 lần. Dịch chiết được đựng trong bình

chiết và bổ sung thêm nước muối sinh lý với tỷ lệ 1:2. Lắc

nhẹ bình chiết và để yên trong 10 phút ở nhiệt độ phòng cho

tách pha hoàn toàn. Tách bỏ pha dưới, lấy pha hexan bên

trên. Sau đó, rửa pha hexan bằng nước muối sinh lý. Tiến

hành cô quay chân không ở 400C để bay hơi hexan. Hòa tan

mẫu với ete dầu hỏa và định mức lên 10ml. Sau đó, tiến hành

pha loãng mẫu (nếu cần) và đo độ hấp thụ của dung dịch ở

bước sóng 468 nm (A468), dùng ete dầu hỏa làm dung dịch

so sánh. Hàm lượng astaxanthin tổng số trong mẫu được tính

theo công thức của Saito và Regier (1971):

( / )0, 2

A D VC g g

G

Trong đó: C: là hàm lượng astaxanthin (μg/g mẫu);

A: độ hấp thụ của dung dịch ở 468 nm;

V: thể tích pha loãng (ml);

D: hệ số pha loãng;

G: trọng lượng mẫu khô (g);

0,2: là độ hấp thụ của dung dịch ở bước sóng

468 nm của 1 μg/ml astaxanthin chuẩn.

2.3.2. Các phương pháp phân tích vi sinh

Khả năng lây nhiễm vi sinh vật có hại của PPH được

đánh giá thông qua việc: định lượng tổng số vi sinh vật hiếu

khí theo TCVN 4884 – 2005; định lượng Coliforms theo

TCVN 6848 – 2007; định lượng E. coli β- glucuronidase

dương tính theo TCVN 7924 – 2008; định lượng

Staphylococcus aureus tiêu chuẩn NMKL 66 – 2003.

2.4. Phương pháp xử lý số liệu

- Các thí nghiệm trong nghiên cứu được lặp lại tối thiểu

3 lần, kết quả đưa ra là trung bình hoặc có tính chất đại diện

tốt nhất cho 3 lần thí nghiệm.

Trong một số thí nghiệm có số lần lặp lại cao hơn và số

liệu được xử lý thống kê.

- Các kết quả được tính toán và xử lý bằng chương trình

Microsoft Excel 2010.

3. Kết quả nghiên cứu và khảo sát

3.1. Kết quả xác định thành phần hóa học của vỏ đầu tôm

Bảng 1 cho thấy độ ẩm của vỏ đầu tôm nguyên liệu là

79,5%, hàm lượng protein chiếm 63,1% và khoáng chiếm

18,7% theo hàm lượng chất khô.

Bảng 1. Thành phần hóa học của nguyên liệu

vỏ đầu tôm thẻ chân trắng

STT Chỉ tiêu phân tích Đơn vị Kết quả

1 Độ ẩm % 79,5±0,3

2 Hàm lượng tro % 18,7±0,06

3 Hàm lượng protein % 63,1±0,07

4 Hàm lượng lipit % 9,7±0,4

5 Hàm lượng astaxanthin mg/kg 141,8±0,3

Theo nghiên cứu của Trang Sĩ Trung và cộng sự [5],

hàm lượng protein chiếm 54,4% và hàm lượng khoáng

chiếm 21,2% theo hàm lượng chất khô của nguyên liệu vỏ

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 23

đầu tôm thẻ chân trắng. Các kết quả phân tích hàm lượng

protein và khoáng trong các thí nghiệm này có sự chênh

lệch so với tác giả trước có thể giải thích là do đặc điểm về

loài, thành phần thức ăn và chu kì sinh sản của tôm chân

trắng và vị trí địa lý.

Hàm lượng astaxanthin (carotenoid) trong nguyên liệu

vỏ đầu tôm chân trắng khoảng 141,85 mg/kg theo hàm

lượng chất khô, đây là thành phần thường được thu hồi để

ứng dụng trong y học và công nghệ thực phẩm [4; 5; 6].

Theo Sachindra và cộng sự [7], hàm lượng carotenoid

chứa trong vỏ đầu tôm khoảng 35 – 153 µg/g. Thành phần

carotenoid này sẽ ảnh hưởng nhiều đến chất lượng cảm quan

của sản phẩm chitin đồng thời làm ô nhiễm nguồn nước, do

đó cần xử lý triệt để trong quá trình sản xuất chitin.

Thành phần chính của carotenoid trong vỏ đầu tôm là

astaxanthin (86-96%) nên có thể hiểu thu carotenoid là thu

astaxanthin.

3.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ enzyme Alcalase/

vỏ đầu tôm đến hiệu suất thủy phân protein từ vỏ đầu tôm

Nồng độ cơ chất và nồng độ enzyme có ảnh hưởng đến

tốc độ của phản ứng enzyme [13]. Trong Hình 1, hiệu suất

thu hồi protein phụ thuộc nhiều vào nồng độ enzyme

Alcalase sử dụng. Ở ty lê 0,5% enzyme Alcalase, hiệu suất

thu hồi protein là 30,46%, khi tỷ lệ enzyme tăng lên gấp hai,

gấp ba lần thì hiệu suất thu hồi tăng lên tương ứng là 43,96%

và 51,06%. Việc tăng tỷ lệ enzyme làm tăng hiệu suất thu

hồi protein do số lượng phân tử enzyme tiếp xúc và phân cắt

protein trong tăng. Nhưng khi tỷ lệ enzyme Alcalase/ vỏ đầu

tôm tăng lên 2,0% thì hiệu suất đạt 48,69%.

Shahidi và cộng sự [10] đã chứng minh rằng trong giai

đoạn đầu của quá trình thủy phân, lượng lớn protein hòa

tan sẽ được giải phóng và không có sự tăng lên các sản

phẩm thủy phân hòa tan khi thêm enzyme trong giai đoạn

ổn định của quá trình thủy phân.

Hình 1. Ảnh hưởng của nồng độ Enzyme alcalase

đến hiệu suất thu hồi protein từ vỏ đầu tôm

Diniz và Martin [11] đã báo cáo rằng, khi cơ chất có

mặt trong dịch thủy phân được gắn vào trung tâm hoạt động

của enzyme, các enzyme tự do có thể sẽ ức chế quá trình

thủy phân và có thể thủy phân chúng. Bởi vậy, việc tăng

nồng độ enzyme lên quá cao trên 4% không được khuyến

khích và sẽ không kinh tế.

Với phân tích trên đây, sử dụng tỷ lệ enzyme Alcalase

là 1,5% thì hiệu suất hiệu suất thu hồi protein là tốt nhất –

đạt mức 51,06%. Kết quả này sẽ được sử dụng cho các thí

nghiệm tiếp theo.

3.3. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của độ pH đến hiệu

suất thủy phân protein trong vỏ đầu tôm bằng enzyme

Theo Phạm Thị Trân Châu [12], pH môi trường ảnh

hưởng rõ rệt đến phản ứng enzyme vì nó ảnh hưởng đến

mức độ ion hóa cơ chất, enzyme và ảnh hưởng đến độ bền

của protein enzyme.

Hình 2 thể hiện ảnh hưởng của pH đến hiệu suất thu hồi

protein từ vỏ đầu tôm.

Hình 2. Ảnh hưởng của nồng độ pH đến

hiệu suất thu hồi protein từ vỏ đầu tôm

Khi sử dụng pH = 6 cho phản ứng thủy phân protein, đây

chưa phải là mức pH tối thích cho hoạt động của enzyme

Alcalase, bởi vậy hiệu suất thu hồi chỉ đạt 33,64%. Khi phản

ứng thủy phân vỏ đầu tôm được thực hiện ở pH trung tính

(pH = 7), hiệu suất thu hồi protein đã tăng lên một cách đáng

kể, khoảng 41,42%. Và khi phản ứng thủy phân thực hiện ở

giá trị pH là 8 thì hiệu suất thu hồi là 49,51%, đạt cao nhất

trong bốn phản ứng. Và cuối cùng, khi cho phản ứng xảy ra

ở pH = 9 thì đây không còn là điều kiện tối thích cho enzyme

Alcalase hoạt động, hiệu suất thu hồi protein giảm xuống còn

48,45%, điều này có thể giải thích do khi pH tăng sẽ ảnh

hưởng đến độ bền của enzyme làm cho hoạt động của nó trở

nên yếu hơn, kéo theo làm giảm lượng protein tạo thành.

Như vậy, giá trị pH = 8 sẽ là pH tối ưu cho quá trình thủy

phân vỏ đầu tôm thẻ chân trắng. Kết quả này sẽ được sử dụng

để thực hiện thí nghiệm tiếp theo.

3.4. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến

hiệu suất thủy phân protein

Theo Nguyễn Đức Lượng [13], nhiệt độ ảnh hưởng rất

lớn đến phản ứng enzyme và người ta thường sử dụng yếu

tố nhiệt độ để điều khiển hoạt động của enzyme và tốc độ

phản ứng trong bảo quản và chế biến thực phẩm.

Hình 3 thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ đên hiệu suất

thu hồi protein từ vỏ đầu tôm. Như thấy được trong hình,

sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng rõ rệt nhất đến hiệu suất thu

hồi protein. Ở nhiệt độ 400C, hiệu suất thu hồi protein là

39,49%, khi tăng nhiệt độ lên thêm 50C thì hiệu suất thu

hồi protein tăng thêm 9,97%. Khi thực hiện phản ứng thủy

phân ở 500C thì hiệu suất thu hồi vẫn tăng nhưng tăng

chậm, chỉ tăng thêm 6,48% so với nhiệt độ 450C. Tiếp theo,

thí nghiệm được tiến hành ở 550C, hiệu suất thu hồi protein

chỉ tăng thêm 5,33% so với khi thực hiện ở 500C. Hiệu suất

24 Bùi Xuân Đông, Phạm Thị Mỹ, Huỳnh Văn Anh Thi, Trần Trung Thanh Bình, Ngô Thị Ngọc Bích, Nguyên Văn Tuyên, Hà Ngọc Tuấn

thu hồi protein cao nhất ở nhiệt độ 550C. Nhưng ở mức

nhiệt độ 600C thì hiệu suất thu hồi protein lại giảm, chỉ đạt

mức 50,1% có thể do enzyme bắt đầu bị biến tính dưới tác

dụng của nhiệt độ cao.

Hình 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến

hiệu suất thu hồi protein từ vỏ đầu tôm

Satya S. Dey & Krushna Chandra Dora [14], khi nghiên

cứu thủy phân thu hồi protein từ vỏ đầu tôm sú Penaeus

monodon bằng 4 loại enzyme Alcalase, Neutrase,

Protamex, Flavourzyme cho thấy Alcalase có tác dụng tốt

nhất. Chế độ tối ưu đề xuất thủy phân là ở nhiệt độ 59,370C,

pH 8,25, tỷ lệ enzyme/cơ chất 1,84%, thời gian 84,42 phút.

Như vậy, nếu so sánh với kế quả nghiên cứu của bài báo

này thì có sự khác biệt đáng kể. Điều này có thể giải thích

do nghiên cứu của Satya S. Dey & Krushna Chandra Dora

thủy phân trên đối tượng là tôm sú khác với đối tượng sử

dụng trong nghiên cứu này là tôm thẻ chân trắng. Ngoài ra,

do thành phần của vỏ đầu tôm nguyên liệu tôm khác nhau

theo vị trí địa lý, mùa vụ sinh trưởng, điều kiện môi trường

thủy phân, ... nên kết quả ở đây có sự khác nhau.

Như vậy, nhiệt độ 550C là thích hợp cho quá trình thủy

phân vỏ đầu tôm bằng enzyme Alcalase.

3.5. Kết quả khảo sát chất lượng PPH

Từ những nghiên cứu và luận giải trên đây, điều kiện

phản ứng enzyme xác định được là nhiệt độ môi trường

phản ứng 550C, tỉ lệ enzyme Alcalase/vỏ đầu tôm là 1,5%,

giá trị pH = 8 (được điều chỉnh bằng NaOH), thời gian phản

ứng là 80 phút.

Hình 4. Mẫu PPH từ vỏ đầu tôm

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thu PPH ở điều kiện xác

định được, hiệu suất thu protein đạt 61,28±0,5 % so với

hàm lượng trong nguyên liệu ban đầu, sau đó phân tích các

chỉ tiêu chất lượng PPH thu được. Trên Hình 4 là mẫu chế

phẩm PPH thu được sau khi thực hiện phản ứng enzyme.

3.5.1. Thành phần hóa học và thành phầm acid amin của PPH

Kết quả xác định thành phần hóa học và đặc tính hóa lý

của PPH được trình bày trong Bảng 2

Bảng 2. Kết quả phân tích thành phần hóa học PPH

Chỉ tiêu phân tích Đơn vị Kết quả

Độ ẩm % 90,5±0,06

Khoáng % 0,82±0,4

Protein (N×6,26) % 7,93±0,03

Lipit % 0,95±0,5

Astaxanthin mg/kg 25,5±0,5

Nitơ axit amin g/l 0,87±0,07

pH - 7,0-7,5

Phân tích kết quả trong Bảng 2, cho thấy hàm lượng

protein đạt mức 7,93%, ham lương nitơ axit amin ở mức

0,87g/l. Trong chế phẩm PPH còn chứa lipit và astaxanthin,

đây là những thành phần có giá trị dinh dưỡng và giá trị

sinh học cao.

Kêt quả phân tích thành phần cac axit amin trong PPH

được trình bày trong Bảng 3 và trên săc kí đô HPLC (Hình 5)

Bảng 3. Thành phần các axit amin trong chế phẩm PPH

STT Axit amin Kết quả

(g/l) STT Axit amin

Kết quả

(g/l)

1 Alanine 0,58 10 Glutamic axit 0,89

2 Glycine 0,52 11 Phenylalanine 0,27

3 Proline 0,56 12 Asparagine 0,68

4 Valine 0,44 13 Arginine 0,18

5 Serine 0,16 14 Cystine 0,1

6 Leucine 0,67 15 Lysine 0,66

7 Isoleucine 0,43 16 Histidine 0,14

8 Threonine 0,18 17 Tyrosine 0,09

9 Methionine 0,18 18 Tryptophan 0,03

Hình 5. Săc ki đô HPLC thu đươc khi phân tich

thanh phân axit amin cua chê phâm PPH

Trong Bảng 3, ta thấy PPH thu được từ quá trình thủy

phân vỏ đầu tôm bằng enzyme alcalase 2.4L chứa tổng hàm

lương axit amin là 6,76 g/l. Đặc biệt là các axit amin thiết

yếu có giá trị cao về dinh dưỡng như valine, leucine,

isoleucine, methionine, threonine, phenylalanine,

tryptophan, lysine, arginine, histidine [17].

Ibrahim và cộng sự [15], đã nghiên cứu thành phần các

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 25

axit amin trong vỏ đầu tôm he sấy khô và nhận thấy trong

nguyên liệu có chứa lượng các axit amin như axit glutamic

(8,38%), lysine (3,13%), valine (4,56%), asparagine (2,36%),

proline (2,0%). Do trong nghiên cứu của Ibrahim và cộng sự

đã sử dụng tôm sấy khô, dưới tác dụng của nhiệt độ nên đã

làm hao hụt phần lớn các axit amin. Vì vậy so với kết quả

nghiên cứu này thì có sự khác biệt như trên đã phân tích.

3.5.2. Kết quả phân tích các vi sinh vật gây bệnh trong PPH

Kết quả phân tích vi sinh vật trong PPH được trình bày

trên Hình 6 và Bảng 4.

Hình 6. Kết quả phân tích các vi sinh vật gây bệnh:

A – Coliforms; B – Escherichia coli;

C – Staphylococcus aureus; D – Tổng số vi sinh vật hiếu khí

Qua kết quả phân tích vi sinh vật thấy được chất lượng

của PPH là khá tốt. Các chỉ tiêu Coliforms, Escherichia

coli, Staphylococcus aureus ở mức dưới 01 CFU/ml và

tổng số vi sinh vật hiếu khí là 2,0 x 101 CFU/ml, các kết

quả này đều nằm trong giới hạn cho phép đối với các loại

thức ăn chăn nuôi [16]. Điều này có thể giải thích do chế

độ pH và nhiệt độ trong quá trình thủy phân đã ức chế gần

như hoàn toàn các vi sinh vật gây bệnh. Phần lớn các vi

sinh vật này phát triển ở nhiệt độ 30 – 370C, nên khi nâng

nhiệt độ lên 550C kéo dài trong 80 phút thì hầu hết các vi

sinh vật đã bị tiêu diệt.

Bảng 4. Kết quả phân tích vi sinh vật trong PPH

Chỉ tiêu phân tích Đơn vị Kết quả

Tổng số vi sinh vật hiếu khí CFU/ml 2,0 x 101

Coliforms CFU/ml <1,0

Escherichia coli CFU/ml <1,0

Staphylococcus aureus CFU/ml <1,0

3.6. Đề xuất quy trình công nghệ thu nhận PPH từ vỏ

đầu tôm

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu ở trên, nhóm nghiên

cứu đề xuất quy trình công nghệ thu hồi PPH như Hình 7.

Quy trình công nghệ được mô tả như sau: Vỏ đầu tôm

sau quá trình rửa và xử lý để loại bỏ tạp chất được đưa vào

máy ép cơ học. Dưới tác dụng nén ép của trục vít phần thịt

đầu tôm sẽ được tách ra khỏi phần bã vỏ đầu tôm dưới dạng

dịch. Phần này sau đó được tinh chế và sử dụng như PPH.

Sau khi ép, vỏ tôm được nghiền tới kích thước 1-3 mm và

đưa sang quá trình thủy phân bằng enzyme Alcalase. Quá

trình thủy phân protein từ vỏ đầu tôm được thực hiện ở

nhiệt độ 550C, tỉ lệ enzyme Alcalase/vỏ đầu tôm là 1,5%,

tỉ lệ nước cất/ nguyên liệu là 1:1, giá trị pH = 8 trong thời

gian 80 phút. Sau khi kết thúc quá trình thủy phân, dịch

thủy phân protein được lọc và tách khỏi bã vỏ đầu tôm, quá

trình lọc có thể thực hiện trong máy lọc ép khung bản. Dịch

lọc thu được mang đi tinh chế qua các quá trình đồng hóa,

và cô đặc chân không để tạo PPH.

Hình 7. Quy trình công nghệ thu nhận PPH từ vỏ đầu tôm

4. Kết luận

Từ các kết quả nghiên cứu chúng tôi rút ra những kết

luận sau đây:

- Đã xác định được thành phần hóa học của vỏ đầu tôm

nguyên liệu, trong đó hàm lượng protein là 63,1%, lipit là

9,7%, astaxanthin là 141,85 mg/kg theo hàm lượng chất khô.

- Xác định được điều kiện thích hợp cho phản ứng

enzyme thủy phân protein trong vỏ đầu tôm nghiền nhỏ.

Cụ thể: tỉ lệ enzyme Alcalase/ vỏ đầu tôm là 1,5%, nhiệt độ

và pH môi trường phản ứng t=550C, pH = 8; thời gian phản

ứng là 80 phút. Hiệu suất thu protein đạt 61,28±0,5% so

với hàm lượng trong nguyên liệu ban đầu.

- Phân tích thành phần axit amin của PPH cho thấy chứa

hầu hết các axit amin như valine (0,44 g/l), lysine

(0,66 g/l), leucine (0,67 g/l), alanine (0,58 g/l), glycine

(0,52 g/l), proline (0,56 g/l), axit glutamic (0,89 g/l),

asparagine (0,68 g/l). Đây là các axit amin có gia tri dinh

dưỡng, có thể được sử dụng cho công nghệ thực phẩm và

thức ăn chăn nuôi.

- PPH có các chỉ tiêu vi sinh như Coliforms, Escherichia

coli, Staphylococcus aureusnhỏ hơn 1 CFU/ml và tổng số vi

sinh vật hiếu khí là 2,0 x 101 CFU/ml, các kết quả này đều nằm

trong giới hạn cho phép đối với các loại thức ăn chăn nuôi.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Prameela Kandra & Murali Mohan Challa & Hemalatha Kalangi

Padma Jyothi, “Efficient use of shrimp waste: present and future

trends”. Appl Microbiol Biotechnol 2012, №93:pp. 17–29.

26 Bùi Xuân Đông, Phạm Thị Mỹ, Huỳnh Văn Anh Thi, Trần Trung Thanh Bình, Ngô Thị Ngọc Bích, Nguyên Văn Tuyên, Hà Ngọc Tuấn

[2] Trang Sĩ Trung, Trần Thị Luyến, Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Thị

Hằng Phương. Chitin-Chitosan từ phế liệu thủy sản và ứng dụng. NXB Nông nghiệp, TP. HCM, 2010.

[3] Đỗ Văn Nam và ctv, “Nghiên cứu đánh giá hiện trạng môi trường các

cơ sở chế biến thủy sản, đề xuất các giải pháp quản lí”. Viện nghiên

cứu Hải Sản, Hai Phong, 2005.

[4] Metusalach, Brown, J.A., Shahidi, F., “Effects of stocking density on

colour characteristics and deposition of carotenoids in cultured Arctic

charr (Salvelinus alpinus)”. Food Chemistry, №59, 1997, pp.107–114.

[5] Tolasa, S., Cakli, S., Ostermeyer, U., “Determination of astaxanthin

and canthaxanthin in salmonid”. European Food Research and Technology, № 221, 2005, pp. 787–791.

[6] Trang Si Trung and Pham Thi Doan Phuong, “Bioactive Compounds

from By-Products of Shrimp Processing Industry in Vietnam”,

Journal of Food and Drug Analysis, № 20(1), 2012, pp. 194–197.

[7] N.M. Sachindra, N. Bhaskar, N.S. Mahendrakar, “Recovery of

carotenoids from shrimp waste in organic solvents”, Waste Management, № 26, 2006, pp. 1092–1098.

[8] Nguyễn Văn Ngoan và cộng sự, Nghiên cứu công nghệ tổng hợp sử

dụng phế thải trong sản xuất tôm đông lạnh xuất khẩu, Đề tài KN-

04-07, Viện nghiên cứu hải sản, Hải Phòng, 1995.

[9] Haslaniza, H., Maskat, M. Y., Wan Aida, W. M. and Mamot, S., “The

effects of enzyme concentration, temperature and incubation time on

nitrogen content and degree of hydrolysis of protein precipitate from cockle (Anadara granosa) meat wash water”, International Food

Research Journal, № 17, 2010, pp. 147–152.

[10] Fereidoon Shahidi, Xiao-Qing Han & Jozef Synowiecki, “Production

and characteristics of protein hydrolysates from capelin (Mallotus

villosus)”, Food Chemistry, № 53, 1995, pp. 285–293.

[11] Diniz F.M, Martin A.M., “Use of response surface methodology to

describe the combined effects of pH, temperature and E/S ratio on the hydrolysis of dogfish (Squalus acanthias) muscle”, Int J Food Sci

Tech, № 31, 1996, pp. 419–426.

[12] Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng, Hóa sinh học, Nhà xuất bản

Giáo dục, 2006.

[13] Nguyễn Đức Lượng, Công nghệ enzyme, Nhà xuất bản Đại học Quốc

gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2004.

[14] Satya Sadhan Dey & Krushna Chandra Dora, “Antioxidative activity of

protein hydrolysate produced by alcalase hydrolysis from shrimp waste (Penaeus monodon and Penaeus indicus)”, Journal of Food Science and

Technology, Volume 51, Issue 3, March 2014, , pp. 449–457.

[15] H.M. Ibrahim, M.F. Salama and H.A. El-Banna, “Shrimp’s waste:

Chemical composition, nutritional value and utilization”. Molecular

Nutrition & Food Research, Volume 43(6), 1999, pp. 418–423.

[16] QCVN 01-183:2016/BNNPTNT Quy định giới hạn tối đa cho phép

hàm lượng độc tố nấm mốc, kim loại nặng và vi sinh vật trong thức ăn hỗn hợp cho gia súc, gia cầm, Ha Nôi, 2016.

[17] Lê Ngoc Tu va công sư. Hoa sinh công nghiêp. NXB Khoa hoc va

Ky thuât, 1997.

(BBT nhận bài: 20/04/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 25/07/2017)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 27

ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ TÍNH MÔ-MEN

CHO TAY MÁY ROBOT SONG SONG PHẲNG 3 BẬC TỰ DO

SYNCHRONOUS COMPUTED TORQUE CONTROL

OF 3 DOF PLANAR PARALLEL ROBOTIC MANIPULATORS

Lê Tiến Dũng1, Lê Quang Dân2 1Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; ltdung@dut.udn.vn

2Trường Đại học Ulsan, Hàn Quốc; ledantm@gmail.com

Tóm tắt - Trong bài báo này, một thuật toán điều khiển đồng bộ tính mô-men được trình bày cho điều khiển bám quỹ đạo của tay máy robot song song phẳng 3 bậc tự do. Trước hết, mô hình động lực học của tay máy robot song song phẳng 3 bậc tự do được xây dựng trên cơ sở áp dụng nguyên lý D’lambert. Sau đó, dựa trên mô hình động lực học này, một thuật toán điều khiển bám đồng bộ tính mô-men được đề xuất. Khác với các thuật toán điều khiển truyền thống trước đây chỉ xét đến sai số của riêng từng trục chuyển động, thuật toán điều khiển đồng bộ được phát triển sử dụng các khái niệm hàm đồng bộ và sai số đồng bộ để xét đồng thời sai số của các khớp chủ động của tay máy robot song song. Sự ổn định của thuật toán được chứng minh bằng lý thuyết ổn định Lyapunov. Để kiểm chứng sự hiệu quả của thuật toán điều khiển, các mô phỏng được thực hiện trên Matlab/ Simulink và SimMechanics cho tay máy robot song song phẳng 3 bậc tự do và so sánh với các thuật toán điều khiển truyền thống.

Abstract - In this paper, a synchronous computed torque control algorithm is presented for trajectory tracking control of 3 DOF planar parallel robotic manipulators. Firstly, a dynamic model of the parallel robotic manipulators is developed based on the application of D’lambert principle. After that, based on this dynamic model, a synchronous computed torque tracking controller is proposed. Different from traditional tracking controllers which consider only the error of individual joints, the synchronous tracking controller is developed using the principles of synchronization function and cross-coupling errors in order to consider error of active joints of parallel robotic manipulators in a synchronous manner. The stability of the proposed control algorithm is proved by Lyapunov theory. For demonstration of the effectiveness of the proposed control algorithm, simulations are conducted on Matlab/ Simulink and SimMechanics for a 3 DOF planar parallel robotic manipulator and are compared with some traditional tracking control algorithms.

Từ khóa - tay máy robot song song; điều khiển đồng bộ; hàm đồng bộ; sai số đồng bộ; điều khiển bám quỹ đạo.

Key words - parallel robotic manipulators; synchronous tracking control; synchronization function; cross-coupling errors; trajectory tracking control.

1. Đặt vấn đề

Ngày nay, tay máy robot công nghiệp đã trở nên phổ

biến và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng

như trong dân dụng. Xét về cấu trúc động học, tay máy

robot công nghiệp được chia thành hai loại: Tay máy robot

nối tiếp và tay máy robot song song. Mỗi loại tay máy này

đều có các ưu nhược điểm riêng và do đó được ứng dụng

để thực hiện các chức năng phù hợp với thế mạnh của

chúng. So với tay máy robot nối tiếp truyền thống, tay máy

robot song song có nhiều ưu điểm như độ chính xác cao,

độ cứng vững lớn, khả năng mang tải lớn, tốc độ chuyển

động nhanh và mô-men quán tính nhỏ. Tuy nhiên, tay máy

robot song song có một số hạn chế do tính chất của cấu trúc

động học như không gian làm việc nhỏ, mô hình động lực

học phức tạp, nhiều cấu hình kỳ dị và tính toán động học

phức tạp. Chính những hạn chế này làm cho việc điều khiển

tay máy robot song song phẳng gặp nhiều khó khăn và

thách thức hơn so với tay máy robot nối tiếp truyền thống.

Trong lịch sử phát triển của lý thuyết điều khiển cho tay

máy robot, đã có nhiều nhà khoa học, nhiều nhà nghiên cứu

công bố các công trình liên quan đến việc điều khiển bám

quỹ đạo cho tay máy robot song song. Trong [1], một thuật

toán điều khiển PD phi tuyến được đề xuất cho tay máy robot

song song có xét đến cấu trúc cơ khí của tay máy. Ở một

công bố khác [2], thuật toán điều khiển PD có bù thành phần

trọng lực được trình bày cho tay máy robot 6 bậc tự do truyền

động bằng thủy lực. Ngoài ra, một số biến thể của thuật toán

điều khiển PD phi tuyến và PID phi tuyến cũng đã được đề

xuất cho tay máy robot song song [3-5]. Đặc điểm chung của

các thuật toán điều khiển đã được đề xuất ở các công trình

nghiên cứu kể trên là đều dựa theo sai số các khớp của tay

máy robot song song mà chưa tính đến mô hình động lực học

của robot. Thuật toán điều khiển dựa theo sai số tuy đơn

giản, dễ thực hiện nhưng có những hạn chế về chất lượng

điều khiển do không tính đến động lực học của tay máy

robot. Để khắc phục hạn chế này, các thuật toán điều khiển

dựa theo mô hình động lực học đã được nghiên cứu và công

bố như: điều khiển tính mô-men [6, 7], điều khiển trượt [8],

điều khiển thích nghi [9, 10]. Các thuật toán này đã khắc

phục được hạn chế của phương pháp điều khiển chỉ dựa theo

sai số, tuy nhiên, các mạch vòng điều khiển đều chỉ lấy thông

tin sai số từ các khớp chuyển động riêng lẻ của robot. Điều

này chưa thật sự phù hợp với đặc điểm động học của tay máy

robot song song. Trong các tay máy robot song song, các

chuỗi động học đều được nối vào một khâu chấp hành cuối.

Chuyển động của mỗi chuỗi động học đều ảnh hưởng đến độ

chính xác điều khiển của khâu chấp hành cuối. Vì vậy, trong

thuật toán điều khiển nên tính đến sai số của các khớp chủ

động ảnh hưởng đến nhau.

Với những phân tích ở trên, bài báo này đề xuất một

thuật toán điều khiển đồng bộ cho tay máy robot song

song phẳng 3 bậc tự do. Thuật toán điều khiển được xây

dựng dựa trên mô hình động lực học của tay máy robot

kết hợp với các định nghĩa về hàm đồng bộ và sai số đồng

bộ. Khác với các thuật toán điều khiển truyền thống trước

đây chỉ xét đến sai số của riêng từng trục chuyển động,

thuật toán điều khiển của bài báo xét đồng thời sai số của

các khớp chủ động của tay máy robot song song. Sự ổn

định của hệ thống được đảm bảo bằng lý thuyết ổn định

Lyapunov.

28 Lê Tiến Dũng, Lê Quang Dân

2. Mô hình động lực học của tay máy robot song song 3

bậc tự do

Hình 1. Robot song song phẳng 3 bậc tự do

Một tay máy robot song song phẳng được thể hiện như

trên Hình 1. Nó bao gồm 3 khớp chủ động (A1, A1 và A3)

và 6 khớp thụ động (B1, B2, B3, C1, C2 và C3). Chiều dài

các thanh của robot là l1 = AiBi, l2 = BiCi (i = 1, 2, 3). Khâu

chấp hành cuối của tay máy robot là một tam giác đều

C1C2C3 với khoảng cách từ đỉnh đến tâm P của tam giác là

l3 = CiP (i = 1, 2, 3).

Ký hiệu các vector của tay máy robot như sau:

• 𝜃𝑎 = [𝜃𝑎1, 𝜃𝑎2, 𝜃𝑎3]𝑇 là vector góc của các khớp chủ

động.

• 𝜃𝑝 = [𝜃𝑝1, 𝜃𝑝2, 𝜃𝑝3]𝑇 là vector góc của các khớp thụ

động quan trọng.

• 𝑋𝑃 = [𝑥𝑃 , 𝑦𝑃 , 𝜙𝑃]𝑇 là vector vị trí và hướng của khâu

chấp hành cuối.

Mô hình động lực học của tay máy robot song song

phẳng 3 bậc tự do ở trên được thiết lập bằng cách sử dụng

nguyên lý D’lambert và phương pháp Lagrange. Trước hết,

giả sử tay máy robot được cắt ảo thành cấu trúc hở như trên

Hình 2. Sau đó, các phương trình Lagrange được thiết lập

cho cơ hệ với cấu trúc hở và các mô-men ở các khớp chủ

động được tính toán để tạo ra chuyển động thỏa mãn được

các ràng buộc của các chuỗi động học kín.

Mô hình động lực học của tay máy robot với cấu trúc

hệ hở được viết như sau:

𝑀𝑜�� + 𝐶𝑜�� = 𝜏𝑜 (1)

Trong đó:

Mo9x9 là ma trận quán tính của hệ hở;

Co9x9 là ma trận của các lực hướng tâm, lực Coriolis

của hệ hở;

o= [a, p, X] 9x1 là vector mô-men của tất cả các

khớp của tay máy robot;

= [a, p, Xp]9x1 là vector tất cả các biến khớp và

biến tọa độ khâu chấp hành cuối của robot.

Trong tay máy robot song song, chỉ có các khớp chủ

động được truyền động, do đó mô hình động lực học (1) chưa

thể sử dụng để làm cơ sở thiết kế các thuật toán điều khiển

cho tay máy robot. Để xây dựng thuật toán điều khiển, cần

thiết phải đưa mô hình động lực học về xây dựng trong mối

quan hệ với các tín hiệu vào là mô-men của các khớp chủ

động và điều khiển ở hệ tọa độ các biến khớp chủ động.

Hình 2. Cấu trúc hệ hở của robot có được bằng cách cắt ảo

ở các khớp thụ động

Dựa trên nguyên lý D’lambert, chúng ta có mối quan hệ

sau đây giữa vector mô-men của tất cả các khớp và vector

mô-men của các khớp chủ động [11]:

𝑊𝑇𝜏𝑜 = 𝜏𝑎 (2)

trong đó a = [a1, a2, a3]T là vector mô-men của các khớp

chủ động; W là ma trận Jacobian được tính từ mối quan hệ

động học ràng buộc của cơ hệ kín ban đầu của tay máy

robot song song. Phương trình của ma trận Jacobian W

được tính như sau:

𝑊 = [𝐼, 𝜕𝜃𝑝 𝜕𝜃𝑎⁄ , 𝜕𝑋𝑝 𝜕𝜃𝑎⁄ ]𝑇

𝜖 ℛ9𝑥3 (3)

Từ phương trình (3) chúng ta cũng sẽ có mối quan hệ

sau đây:

�� = [𝐼, 𝜕𝜃𝑝 𝜕𝜃𝑎⁄ , 𝜕𝑋𝑝 𝜕𝜃𝑎⁄ ]𝑇 𝑑𝜃𝑎

𝑑𝑡 (4)

tương đương với:

�� = 𝑊��𝑎 (5)

Để xây dựng mô hình động lực học của tay máy robot

song song trong hệ tọa độ khớp chủ động, chúng ta nhân 2

vế của phương trình (1) với WT. Kết quả có được:

𝑊𝑇(𝑀𝑜�� + 𝐶𝑜��) = 𝑊𝑇𝜏𝑜 (6)

Thay phương trình (2) và (4) vào phương trình (6)

chúng ta có:

𝑊𝑇𝑀𝑜𝑊��𝑎 + (𝑊𝑇𝑀𝑜�� + 𝑊𝑇𝐶𝑜𝑊)��𝑎 = 𝜏𝑎 (7)

Đặt:

𝑀𝑎 = 𝑊𝑇𝑀𝑜𝑊 là ma trận quán tính của tay máy robot

trong hệ tọa độ khớp chủ động.

𝐶𝑎 = 𝑊𝑇𝑀𝑜�� + 𝑊𝑇𝐶𝑜𝑊 là ma trận các lực hướng tâm

và Coriolis của tay máy robot trong hệ tọa độ khớp chủ động.

Như vậy, phương trình (7) có thể viết lại như sau:

𝑀𝑎��𝑎 + 𝐶𝑎��𝑎 = 𝜏𝑎 (8)

Phương trình (8) chính là mô hình động lực học của tay

máy robot song song phẳng 3 bậc tự do trong hệ tọa độ khớp

chủ động. Trong các mục tiếp theo, các thuật toán điều khiển

sẽ được thiết kế dựa trên mô hình động lực học (8).

3. Thuật toán điều khiển tính mô-men cho tay máy

robot song song phẳng 3 bậc tự do

Gọi da(t) là quỹ đạo góc quay mong muốn của các

khớp chủ động của tay máy robot. Các vector sai số quỹ

đạo và sai số vận tốc được định nghĩa như sau:

𝑒 = 𝜃𝑑𝑎(𝑡) − 𝜃𝑎(𝑡) (9)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 29

�� = ��𝑑𝑎(𝑡) − ��𝑎(𝑡) (10)

Điều khiển tính mô-men là một thuật toán nổi tiếng và

rất hiệu quả cho việc điều khiển chuyển động bám quỹ đạo

của tay máy robot công nghiệp. Bên cạnh đó, thuật toán

này còn đảm bảo được tính ổn định toàn cục của hệ thống

[12]. Thuật toán điều khiển tính mô-men truyền thống cho

tay máy robot song song phẳng 3 bậc tự do trong bài báo

này được viết như sau:

𝜏𝑎 = 𝑀𝑎(��𝑑𝑎 + 𝐾𝑝𝑒 + 𝐾𝑣 ��) + 𝐶𝑎��𝑎 (11)

Trong đó, Kp3x3 và Kv3x3 là các ma trận tham số

xác định dương.

Bộ điều khiển (11) có thể được chia thành 2 thành phần.

Thành phần thứ nhất có tác dụng bù các thành phần động

lực học của robot theo quỹ đạo mong muốn:

𝜏𝑎1 = 𝑀𝑎��𝑑𝑎 + 𝐶𝑎��𝑎 (12)

Thành phần thứ 2 có tác dụng làm triệt tiêu sai số, đưa quỹ

đạo thực của tay máy robot bám theo quỹ đạo mong muốn:

𝜏𝑎2 = 𝑀𝑎(𝐾𝑝𝑒 + 𝐾𝑣��) (13)

Trước đây, thuật toán điều khiển tính mô-men truyền

thống được áp dụng nhiều cho việc điều khiển bám quỹ đạo

của tay máy robot nối tiếp. Gần đây thuật toán này cũng đã

được nhiều nhà nghiên cứu, nhiều công trình áp dụng cho

tay máy robot song song, kết quả đã có hiệu quả nhất định

trong việc điều khiển tay máy robot bám theo quỹ đạo

mong muốn. Tuy nhiên thuật toán điều khiển này mới chỉ

xét sai số của từng khớp chủ động riêng lẽ mà chưa xét sự

ảnh hưởng qua lại của các khớp chủ động với kết quả

chuyển động của khâu chấp hành cuối. Đối với tay máy

robot song song, do các chuỗi động học được nối kín với

nhau bằng khâu chấp hành cuối nên cần thiết phải điều

khiển đồng bộ giữa các khớp chủ động [13]. Trong mục

tiếp theo của bài báo, các tác giả đề xuất một thuật toán

điều khiển đồng bộ cho tay máy robot song song phẳng 3

bậc tự do dựa trên sự cải tiến của thuật toán điều khiển tính

mô-men truyền thống (11).

4. Điều khiển bám đồng bộ cho tay máy robot song song

phẳng 3 bậc tự do

Trước hết, định nghĩa lại sai số quỹ đạo như sau:

𝑒𝑎 = 𝜃𝑎(𝑡) − 𝜃𝑑𝑎(𝑡) (14)

Trong thuật toán điều khiển đồng bộ, không chỉ riêng

sai số của mỗi trục thành phần phải tiến về không

(eai(t) 0, i = 1,2,3) mà các sai số này phải cùng đồng thời

bằng nhau trong quá trình điều khiển bám quỹ đạo:

ea1(t) = ea2(t) = ea3(t) (15)

Sai số đồng bộ được định nghĩa như sau:

1(t) = ea1(t) - ea2(t)

2(t) = ea2(t) - ea3(t) (16)

3(t) = ea3(t) - ea1(t)

Mục tiêu của thuật toán điều khiển là các sai số đồng bộ

trong công thức (16) cùng tiến về 0, điều này có nghĩa là

thuật toán điều khiển xem xét sai số của các trục có sự ảnh

hưởng qua lại lẫn nhau. Để thực hiện điều này, chúng ta định

nghĩa một hàm sai số xen kênh ngang như sau:

*( )

10

te e dwi i i i

, i = 1,2,3 (17)

trong đó là hằng số dương, w là biến số thời gian.

Thuật toán điều khiển đồng bộ tính mô-men cho tay

máy robot song song phẳng 3 bậc tự do mà bài báo đề xuất

được viết như sau:

𝜏𝑎 = 𝑀𝑎��𝑑𝑎 + 𝑀𝑎(𝐾𝑝𝑒𝑎∗ + 𝐾𝑣��𝑎

∗) + 𝐶𝑎��𝑎 (18)

trong đó Kp3x3, Kv3x3 là các ma trận tham số xác định

dương. Các vector sai số xen kênh ngang: 𝑒𝑎

∗ = [𝑒1∗, 𝑒2

∗, 𝑒3∗]𝑇, ��𝑎

∗ = [��1∗, ��2

∗, ��3∗]𝑇.

Để chứng minh tính ổn định của thuật toán điều khiển

đề xuất, hàm Lyapunov được chọn như sau:

𝑉(𝑒𝑎∗ , ��𝑎

∗) = 1

2��𝑎

∗𝑇��𝑎∗ + ∫ 𝜎𝑇𝐾𝑝(𝜎)𝑑𝜎

𝑒𝑎∗

0 (19)

trong đó, vì Kp là ma trận xác định dương nên ta có [14]:

∫ 𝜎𝑇𝐾𝑝(𝜎)𝑑𝜎𝑒𝑎

∗

0= ∫ 𝜎1𝑘𝑝1(𝜎1)𝑑𝜎1

𝑒𝑎1∗

0 +

∫ 𝜎2𝑘𝑝2(𝜎2)𝑑𝜎2𝑒𝑎2

∗

0+ ∫ 𝜎3𝑘𝑝3(𝜎3)𝑑𝜎3

𝑒𝑎3∗

0 (20)

Đạo hàm của hàm Lyapunov (19) được tính bằng cách

sử dụng công thức (20) và công thức Leibnitz cho thành

phần tích phân như sau:

��(𝑒𝑎∗ , ��𝑎

∗) = ��𝑎∗𝑇��𝑎

∗ +𝑑

𝑑𝑡[∫ 𝜎𝑇𝐾𝑝(𝜎)𝑑𝜎

𝑒𝑎∗

0

]

= ��𝑎∗𝑇��𝑎

∗ + ∑𝜕

𝜕𝑒𝑎𝑖∗

3𝑖=1 [∫ 𝜎𝑖𝑘𝑝𝑖(𝜎𝑖)𝑑𝜎𝑖

𝑒𝑎𝑖∗

0] ��𝑎𝑖

∗

= ��𝑎∗𝑇��𝑎

∗ + ∑ 𝑒𝑎𝑖∗3

𝑖=1 𝑘𝑝𝑖(𝑒𝑎𝑖∗ )��𝑎𝑖

∗

= ��𝑎∗𝑇��𝑎

∗ + 𝑒𝑎∗𝑇𝐾𝑝��𝑎

∗ (21)

Từ mô hình động lực học (8) và phương trình của thuật

toán điều khiển đồng bộ tính mô-men (18) chúng ta có:

��𝑎∗ + 𝐾𝑝𝑒𝑎

∗ + 𝐾𝑣 ��𝑎∗ = 0 (22)

Nhân 2 vế của phương trình (22) với ��𝑎∗ và thay vào

phương trình (21) chúng ta có:

��(𝑒𝑎∗ , ��𝑎

∗) = −��𝑎∗𝑇𝐾𝑣 ��𝑎

∗ (23)

Do Kv là ma trận xác định dương, nên ��(𝑒𝑎∗ , ��𝑎

∗) ≤ 0.

Vì vậy chúng ta có thể kết luận là hệ thống điều khiển ổn

định dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov.

5. Mô phỏng kiểm chứng

Để kiểm chứng tính hiệu quả của thuật toán điều khiển

bám đồng bộ cho tay máy robot song song phẳng 3 bậc tự

do trong bài báo trình bày kết quả so sánh giữa bộ điều

khiển mô-men truyền thống và bộ điều khiển đồng bộ.

Robot được xây dựng mô phỏng dựa trên sự kết hợp phần

mềm Solidworks và Matlab/Simulink.

Bảng 1. Thông số của tay máy robot

Thanh Thông số

Chiều dài (m) Khối lượng (Kg) Mô-men quán tính

Chủ động 0.2ail 0.5aim 0.002ai

I

Bị động 0.2pi

l 0.55pim 0.0025pi

I

Khâu chấp

hành 0.125

el

0.17em

0.0006

eI

30 Lê Tiến Dũng, Lê Quang Dân

Trong đó: ail , pil là chiều dài của thanh truyền lần lượt

là của chủ động và bị động thứ th

i ; el là chiều dài từ tâm

khâu chấp hành đến khớp liên kết với thanh bị động. Trọng

tâm của các thanh truyền và khâu chấp hành được đặc ở

điểm chính giữa của thanh và trung tâm của khâu chấp

hành. mai và m pi là khối lượng của thanh truyền thứ th

i

lần lượt của thanh chủ động và thanh bị động; em là khối

lượng của khâu chấp hành; Ii là mô-men quán tính của

thanh thứ th

i (i=1, 2, 3).

Thông số của bộ điều khiển mô-men truyền thống có hệ

số 3 3250v

K I , 3 325eK I là ma trận với 3 3I là

ma trận đơn vị 3x3. Trong bộ điều khiển đồng bộ hệ số

đồng bộ 0.2 được chọn.

Quỹ đạo thiết kế của robot

3 / 12

( ) 0.25 0.03cos( )

( ) 0.03sin( )

( ) 0P

x t t

y t t

t

và ma sát tại khớp chủ động

0.03 ( ) 0.02 ( 1,2,3)fi ai ai

f sign i

Kết quả sai số của khâu chấp hành cuối theo các trục

tọa độ x, y và sai lệch góc quay được thể hiện trên Hình 3.

Đường nét đứt là kết quả của phương pháp điều khiển tính

mô-men truyền thống. Đường nét liền là kết quả của

phương pháp điều khiển đồng bộ tính mô-men mà bài báo

đề xuất. Chúng ta có thể thấy rõ rằng phương pháp điều

khiển đồng bộ tính mô-men mang lại kết quả sai số nhỏ

hơn và nhanh tiến đến xác lập hơn so với phương pháp

truyền thống.

Hình 4 thể hiện so sánh tín hiệu mô-men đầu vào truyền

động cho các khớp chủ động của tay máy robot (được tính

bởi thuật toán điều khiển). Kết quả cho thấy tín hiệu mô-men

ở trường hợp sử dụng phương pháp điều khiển đồng bộ tính

mô-men ít đập mạch hơn so với phương pháp truyền thống.

Hình 3. Sai số của khâu chấp hành cuối

Hình 4. Mô-men cung cấp tại khớp chủ động của robot

Hình 5. Kết quả bám theo quỹ đạo của khâu chấp hành

Kết quả điều khiển bám quỹ đạo của khâu chấp hành

cuối được thể hiện trên Hình 5. Chúng ta có thể thấy rõ

phương pháp điều khiển đồng bộ tính mô-men cho kết quả

bám quỹ đạo nhanh hơn và chính xác hơn so với phương

pháp điều khiển tính mô-men truyền thống.

6. Kết luận

Bài báo đã trình bày một thuật toán điều khiển đồng bộ

bám mô-men cho việc điều khiển bám quỹ đạo của tay máy

robot song song phẳng 3 bậc tự do. Trong bài báo, dựa trên

mô hình động lực học của tay máy robot, một thuật toán

điều khiển bám đồng bộ đã được đề xuất. Khác với các

thuật toán điều khiển truyền thống trước đây chỉ xét đến sai

số của riêng từng trục chuyển động, thuật toán điều khiển

đồng bộ được phát triển sử dụng các khái niệm hàm đồng

bộ và sai số đồng bộ để xét đồng thời sai số của các khớp

chủ động của tay máy robot song song. Sự ổn định của

thuật toán được chứng minh bằng lý thuyết ổn định

Lyapunov. Các mô phỏng kiểm chứng đã được thực hiện

trên Matlab/Simulink và SimMechanics cho tay máy robot

song song phẳng 3 bậc tự do. Kết quả cho thấy thuật toán

điều khiển mà bài báo đề xuất mang lại kết quả tốt hơn so

với thuật toán điều khiển tính mô-men truyền thống.

Lời ghi nhận

Bài báo là kết quả nghiên cứu của đề tài cấp Bộ Giáo

0 1 2 3 4 5 6 7-0.02

0

0.02

0.04

Time(s)

Sai so X

(m)

a) Sai so truc X

X Computed Torque Controller Error

X Synchronization Error

0 1 2 3 4 5 6 7-4

-2

0

2x 10

-3

Time(s)

Sai so Y

(m)

b) Sai so truc Y

Y Computed Torque Controller Error

Y Synchronization Error

0 1 2 3 4 5 6 7-1

-0.5

0

Time(s)

Sai so P

hi()

c) Sai so goc quay

Angle Computed Torque Controller Error

Angle Synchronization Error

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Time(s)

Torq

ue in C

om

pute

d T

orq

ue C

ontr

olle

r

a) Mo-men dung bo dieu khien CTC

Torque 1

Torque 2

Torque 3

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

-2

-1

0

1

2

Time(s)

Torq

ue in S

ynchro

niz

ation

b) Mo-men dung bo dieu khien dong bo

Torque 1

Torque 2

Torque 3

0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 0.26 0.27 0.28 0.290.11

0.12

0.13

0.14

0.15

0.16

0.17

0.18

0.19

X(m)

Y(m

)

XY Desired

XY Computed Torque Controller

XY Synchronization

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 31

dục & Đào tạo mã số KYTH-17 năm 2017, tên đề tài

“Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển đồng bộ thích nghi cho

tay máy robot song song phẳng”.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Su, Yuxin, et al., "Integration of saturated PI synchronous control

and PD feedback for control of parallel manipulators”, IEEE

Transactions on Robotics 22.1 (2006): 202-207.

[2] Yang, Chifu, et al., "PD control with gravity compensation for

hydraulic 6-DOF parallel manipulator”, Mechanism and Machine theory 45.4 (2010): 666-677.

[3] Su, Y. X., B. Y. Duan, and C. H. Zheng, "Nonlinear PID control of

a six-DOF parallel manipulator”, IEE Proceedings-Control Theory

and Applications 151.1 (2004): 95-102.

[4] Shang, Wei Wei, et al., "Augmented nonlinear PD controller for a

redundantly actuated parallel manipulator”, Advanced Robotics 23.12-13 (2009): 1725-1742.

[5] Su, Y. X., et al., "Nonlinear PD synchronized control for parallel

manipulators”, Robotics and Automation, 2005. ICRA 2005.

Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on. IEEE, 2005.

[6] Le, Quang Dan, Hee-Jun Kang, and Tien Dung Le, "Adaptive

Extended Computed Torque Control of 3 DOF Planar Parallel

Manipulators Using Neural Network and Error Compensator”, International Conference on Intelligent Computing. Springer

International Publishing, 2016.

[7] Le, Tien Dung, et al., "An online self-gain tuning method using

neural networks for nonlinear PD computed torque controller of a 2-dof parallel manipulator”, Neurocomputing 116 (2013): 53-61.

[8] Le, Tien Dung, Hee-Jun Kang, and Young-Soo Suh, "Chattering-free

neuro-sliding mode control of 2-DOF planar parallel manipulators”,

International Journal of Advanced Robotic Systems10.1 (2013): 22.

[9] Cazalilla, J., et al., "Adaptive control of a 3-DOF parallel manipulator

considering payload handling and relevant parameter models”, Robotics

and Computer-Integrated Manufacturing 30.5 (2014): 468-477. [10] Le, Tien Dung, and Hee-Jun Kang, "An adaptive tracking controller

for parallel robotic manipulators based on fully tuned radial basic function networks”, Neurocomputing 137 (2014): 12-23.

[11] Nakamura, Yoshihiko, and Katsu Yamane, "Dynamics computation of

structure-varying kinematic chains and its application to human figures”,

IEEE Transactions on Robotics and Automation 16.2 (2000): 124-134.

[12] Song, Zuoshi, et al., "A computed torque controller for uncertain

robotic manipulator systems: Fuzzy approach”, fuzzy Sets and

Systems 154.2 (2005): 208-226.

[13] Ren, Lu, James K. Mills, and Dong Sun, "Adaptive synchronized

control for a planar parallel manipulator: theory and experiments”, Journal of dynamic systems, measurement, and control 128.4

(2006): 976-979.

[14] M.A. Llama, et al., Stable computed-torque control of robot

manipulators via fuzzy self-tuning, IEEE Trans. Syst. Man Cybern.

Part B Cybern. 30 (2000) 143–150.

(BBT nhận bài: 05/5/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 26/6/2017)

32 Phan Thị Thúy Hằng, Trần Mạnh Lục, Nguyễn Đình Lâm

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH HÓA HỌC ỐNG NANO CACBON

NHẰM CẢI THIỆN TÍNH PHÂN TÁN TRONG MÔI TRƯỜNG PHÂN CỰC

STUDY ON CHEMICAL MODIFICATION OF CARBON NANOTUBES

TO IMPROVE THEIR DISPERSION IN POLAR ENVIRONMENT

Phan Thị Thúy Hằng1, Trần Mạnh Lục2, Nguyễn Đình Lâm1 1Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; thuyhang@dut.udn.vn, ndlam@dut.udn.vn

2Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt - Ống nano cacbon (CNTs) là loại vật liệu mới có nhiều đặc tính tuyệt vời như: độ cứng cao, tính dẫn điện tốt, khả năng phát xạ electron cao, các tính chất cơ học và độ bền hóa cao. Tuy nhiên, đặc trưng cấu tạo của CNTs là không phân cực, nên việc phân tán trong các môi trường phân cực của CNTs kém. Trong bài báo này chúng tôi trình bày kết quả khảo sát quá trình biến tính hóa học CNTs nhằm cải thiện khả năng phân tán của CNTs vào các môi trường phân cực như nước, dung môi hữu cơ phân cực, polyme phân cực,... Kết quả biến tính hóa học CNTs được đặc trưng bằng các phương pháp phân tích như phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phổ nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM). Kết quả thu được cho thấy CNTs đã biến tính hóa học có khả năng phân tán và ổn định phân tán trong môi trường phân cực tốt hơn so CNTs nguyên thủy.

Abstract - Carbon nanotubes (CNTs) are new materials, which have many great properties such as high hardness, good electrical conductivity, high electron emission capability, high mechanical properties with chemical stability. However, structural characteristics of carbon nanotubes are not polar, so their dispersion in polar environments is poor. In this paper we reported the investigated results of chemical modification for CNTs to support improvement of dispersal ability of CNTs into polar environments such as water, polar organic solvent, polar polymers, etc. The results of CNTs functionation have been measured by analysis methods such as Fourier transform infrared (FTIR), X-ray diffraction (XRD), Scanning electron microscope (SEM). The results have shown that dispersal ability and dispersal stability in the polar environment of chemical modified CNTs have been better than neat CNTs.

Từ khóa - Ống nanocacbon; biến tính hóa học; khả năng phân tán; sự ổn định phân tán; môi trường phân cực

Key words - Carbon nanotubes; chemical modification; dispersal ability; dispersal stability; polar environment

1. Giới thiệu

Kể từ khi khám phá ra ống nano cacbon vào năm 1991

bởi Giáo sư Sumio Iijima, chỉ trong thời gian ngắn CNTs

đã có mặt trong rất nhiều ứng dụng khoa học và công nghệ

đặc biệt [1]. CNTs có các tính chất nổi trội hơn rất nhiều

vật liệu khác như: độ bền cơ học cao, dẫn điện dẫn nhiệt

tốt, chịu môi trường hóa chất... nên nó có ứng dụng rộng

rãi trong các lĩnh vực như công nghệ nano, điện tử, quang

học, y sinh và các lĩnh vực khác của khoa học vật liệu [1,

4]. Do vậy, các ống nanocacbon đã thu hút sự chú ý của

nhiều nhà khoa học trên khắp thế giới [2]. Sự quan tâm đặc

biệt này xuất phát từ đặc tính cấu trúc, cơ học và điện tử

nổi bật của chúng [2]. Nhóm tác giả của một báo cáo nhằm

tóm tắt một số thành tựu quan trọng trong lĩnh vực nghiên

cứu ống nano cacbon cả về thực nghiệm và lý thuyết kết

hợp với các ứng dụng công nghiệp có thể của ống nano [10]

đã cho thấy sự thu hút của CNTs đối với nhiều nhà khoa

học ở các lĩnh vực (điện, điện tử, sinh học, vật liệu...) trên

thế giới. Những nghiên cứu gần đây của các nhà khoa học

đó là các phương pháp biến tính hóa học CNTs cải thiện và

nâng cao hoạt tính cho CNTs nhằm mở rộng phạm vi ứng

dụng của chúng, đặc biệt là trong lĩnh vực vật liệu polyme

[3]. Trong đó CNTs được sử dụng làm vật liệu gia cường

cho polyme thì bề mặt của chúng phải được biến tính bằng

cách bổ sung các nhóm chức phân cực [10]. Điều này

không chỉ cải thiện tính phân tán trong nhựa phân cực mà

còn hỗ trợ khả năng hình thành liên kết ngang trong quá

trình đóng rắn đối với nhựa [10]. Trong đó đáng chú ý là

các quá trình nhằm biến đổi từ cấu hình C lai hóa sp2 sang

C sp3, việc này cho phép thay đổi các tính chất điện tử của

CNTs cũng như có thể điều chỉnh các tính chất bề mặt của

chúng, nhờ đó các tính năng mới có thể xuất hiện mà CNTs

nguyên bản không thể có được [4]. CNTs có tính dẫn nhiệt,

dẫn điện như một kim loại hoặc chất bán dẫn tùy thuộc vào

độ tinh khiết [3]. Tuy nhiên, do những đặc điểm về cấu trúc

bề mặt ống cacbon nano, nên việc phân tán cũng như tương

tác với các môi trường phân tán trong đó bao gồm dung

môi hữu cơ phân cực, nước, polyme phân cực... rất hạn chế.

Đặc biệt là do ảnh hưởng của hiệu ứng kích thước và hiệu

ứng bề mặt xảy ra với các vật liệu nano nên CNTs rất dễ

xảy ra hiện tượng kết tụ. Sự kết tụ này được hỗ trợ thêm

bởi liên kết Van der Walls khiến cho CNTs càng khó phân

tán trong các môi trường phân cực. Cũng chính hiện tượng

này làm cho khả năng phân tán và liên kết của CNTs với

môi trường phân tán không được tốt. Bên cạnh đó dưới

những tác động nhất định sẽ dễ dàng kéo CNTs ra khỏi hệ

phân tán dẫn đến hiện tượng lắng tụ [9]. Chính vì vậy, để

giúp cho khả năng phân tán và ổn định trạng thái phân tán

của CNTs vào các môi trường phân tán phân cực tốt, người

ta thường phải biến tính hóa học CNTs nhằm gắn các nhóm

chức có khả năng liên kết tốt với các phân tử môi trường

phân tán tương ứng [4, 5]. Một mốc quan trọng trong lĩnh

vực biến tính hóa học CNTs thu hút nhiều nhà nghiên cứu

đó là sự phát triển của quá trình oxy hóa cho CNTs liên

quan đến việc xử lý bằng siêu âm trong hỗn hợp axit nitric

và axit sulfuric [4]. Với các điều kiện khắc nghiệt như vậy

dẫn đến việc mở 2 đầu ống cũng như sự hình thành các

điểm khuyết tật trên bề mặt vách của ống [5]. Tiếp theo đó

là sự gắn các nhóm chức có chứa oxy (OH, CO, COO...)

dọc theo bề mặt của ống đồng thời với sự giải phóng carbon

dioxide (CO2). Các ống nano cacbon được chức hoá theo

cách này về cơ bản vẫn giữ nguyên cấu trúc tinh thể và cấu

trúc điện tử ban đầu của CNTs [4].

Có nhiều công trình nghiên cứu biến tính hóa học CNTs

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 33

đã được công bố trên các tạp chí khoa học, trong đó đáng

chú ý là kết quả nghiên cứu biến tính hóa học CNTs bằng

3 tác nhân oxy hóa gồm H2O2 30%, HNO3 69.7% và H2SO4

98% do nhóm tác giả Falah H Hussein [11]. Kết quả cho

thấy tác nhân H2O2 30% có khả năng oxy hóa kém nhất chỉ

xuất hiện nhóm chức OH, còn 2 tác nhân còn lại có khả

năng oxy hóa mạnh hơn và đã gắn được cả nhóm OH và

nhóm cacbonyl (CO) [11]. Thêm nữa là các công trình

nghiên cứu về sự biến tính hóa học oxy hóa CNTs của

nhóm tác giả D. Howard Fairbrother [11]. Theo kết quả

công bố cho thấy rằng mức độ oxy hóa (hàm lượng oxy gắn

trên bề mặt CNTs) phụ thuộc vào mức độ oxy hóa của các

tác nhân, trong đó các tác nhân khảo sát gồm: HNO3, hỗn

hợp HNO3/H2SO4 và KMnO4 [11]. Sự có mặt của các nhóm

chức chứa oxy dẫn đến việc giảm tương tác Van der Waals

giữa các CNTs, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tách CNTs

thành các ống riêng lẻ. Ngoài ra, việc gắn các nhóm chức

thích hợp làm cho các ống có thể phân tán trong môi trường

nước hoặc dung môi hữu cơ phân cực, từ đó có thể mở ra

khả năng điều chỉnh sự phân tán của CNTs trong các môi

trường phân cực khác như polyme phân cực [4]. Các

nghiên cứu khác cũng đáng chú ý là việc gắn các nhóm

chức vào bề mặt nano cacbon của các nhóm nghiên cứu

Holzinger và cộng sự [12], Kim và các cộng sự [13], Chen

và cộng sự [14].

Trong nghiên cứu này, có thể xem lần đầu tiên được sử

dụng hệ oxy hóa gồm hỗn hợp axit HNO3/HCl với tỷ lệ thể

tích 3:1, trong điều kiện nhiệt độ 55oC và thời gian duy trì

12h (điều kiện được chọn trên cơ sở các kết quả khảo sát

đối với tác nhân oxy hóa HNO3 riêng lẻ và hỗn hợp

HNO3/H2SO4 đã được công bố trong tài liệu [4,11]. Quá

trình biến tính hóa học CNTs được minh họa trong Hình 1.

Hình 1. Sơ đồ quá trình biến tính hóa học CNTs tạo O-CNTs

2. Thực nghiệm

2.1. Hóa chất

+ CNTs do Công ty TNHH Bảo Lâm Khoa sản xuất,

axit HCl 36,5%, axit HNO3 đặc 68% được sản xuất bởi

Xilong Chemical Factory và Guangdong Guanghua

Sci-Tech Co.

2.2. Biến tính hóa học CNTs

Phương pháp biến tính hóa học CNTs ở đây được chọn

phương pháp oxy hóa bằng hỗn hợp HNO3/HCl với tỷ lệ

thể tích là 3:1, trong điều kiện nhiệt độ là 55oC và thời gian

là 12h. Sản phẩm thu được là CNTs oxy hóa ký hiệu là

O-CNTs đem đi lọc rửa bằng nước cất trên phễu hút chân

không để loại bỏ hoàn toàn axit, thử nước rửa cho đến khi

đạt trung tính. Mẫu đem đi sấy trong tủ sấy chân không ở

nhiệt độ 60oC cho đến khối lượng không đổi, rồi cho vào

túi nhựa và bảo quản trong bình hút ẩm.

2.3. Các phương pháp phân tích đặc trưng của sản phẩm

biến tính hóa học

- Sử dụng phương pháp đo phổ hồng ngoại biến đổi

Fourier (FTIR) trên máy Nicolet 6700 tại Trung tâm Phân

tích hàng hóa hải quan Đà Nẵng để xác định sự có mặt của

các nhóm chức sau khi biến tính hóa học.

- Sử dụng phương pháp phân tích phổ nhiễu xạ tia X

(XRD) trên máy SIEMENS D5005 tại Phòng thí nghiệm

vật lý chất rắn Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại

học Quốc gia Hà Nội, để xác định cấu trúc tinh thể của

CNTs trước và sau biến tính hóa học.

- Sử dụng phương pháp phân tích bằng kính hiển vi điện

tử quét (SEM) loại S4800-NIHE, điện thế gia tốc 10 kV tại

Phòng Siêu cấu trúc của Viện dịch tễ Trung ương, để xác

định hình thái học của CNTs trước và sau biến tính hóa học.

2.4. Khảo sát khả năng phân tán và ổn định phân tán

trong môi trường phân cực là nước

Sử dụng phương pháp khuấy cơ học là khuấy từ với tốc

độ 200 v/phút, trong thời gian 1h và khuấy siêu âm với biên

độ tần số siêu âm là 40%, thời gian siêu âm là 1h để phân

tán CNTs vào môi trường phân tán là nước. Sau khi phân

tán để yên theo dõi trạng thái ổn định phân tán sau thời gian

là 1h, 3h và 3 ngày.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Biến tính hóa học CNTs tạo O-CNTs

Kết quả khảo sát CNTs sau biến tính hóa học bằng phân

tích phổ FTIR được thể hiện trên Hình 2.

Hình 2. Phổ FT-IR của CNTs (a) và O-CNTs (b)

Từ Hình 2 cho thấy pic 3413,4 cm-1 với cường độ hấp

thụ mạnh đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm OH có

thể của nhóm COOH hoặc nhóm OH của nước (trong mẫu),

pic ở 1634 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết

C=O của nhóm cacboxyl, pic tại 1104 cm-1 đặc trưng cho dao

động hóa trị của liên kết C-O và pic ở 1456 cm-1 đặc trưng

cho dao động biến dạng của nhóm epoxy dạng C-O-C. Điều

này chứng tỏ quá trình oxy hóa đã làm xuất hiện các nhóm

chức chứa oxy C=O, COO, C-O-C trên bề mặt ống tức là có

b

HNO3/HCl

55oC, 12h

34 Phan Thị Thúy Hằng, Trần Mạnh Lục, Nguyễn Đình Lâm

sự biến đổi từ C lai hóa sp2 sang C sp3, kết quả này tương

đồng với các nghiên cứu trong tài liệu [4, 5, 9].

3.2. Đặc trưng tinh thể của CNTs và O-CNTs bằng phổ

nhiễu xạ tia X (XRD)

Hình 3. Phổ XRD của CNTs và O-CNTs

Kết quả khảo sát phổ nhiễu xạ tia X (XRD) trên Hình 3

cho thấy cấu trúc tinh thể của CNTs trước và sau biến tính

biến tính hóa học không có sự thay đổi, có nghĩa là sự biến

tính hóa học CNTs chỉ làm thay đổi thành phần cấu tạo (gắn

thêm các nhóm chức trên bề mặt ống) mà không làm thay

đổi cấu trúc tinh thể. Hơn nữa, cấu trúc tinh thể của CNTs

trước và sau biến tính hóa học hầu như không thay đổi là

do trong điều kiện biến tính hóa học đã chọn chỉ tác động

lên các vị trí C liên kết π (C=C) hoạt tính mà không làm

đứt các liên kết cộng hóa trị σ trong vòng 6 cạnh mạng tinh

thể graphit. Do vậy, cấu trúc tinh thể dạng ống vẫn được

giữ nguyên, kết quả này tương đồng với các kết quả trong

các tài liệu [4, 9]. Đây cũng chính là điều mà nhóm nghiên

cứu mong muốn đạt được.

3.3. Đặc trưng hình thái hình học của CNTs và O-CNTs

bằng kính hiển vi điện tử quét

Cấu trúc hình thái của CNTs và O-CNTs được xác định

bằng kính hiển vi điện tử quét. Kết quả phân tích SEM của

CNTs và O-CNTs được thể hiện trong Hình 4 và 5.

Hình 4. SEM của CNTs Hình 5. SEM của O-CNTs

Từ Hình 4 và 5 cho thấy đặc trưng hình thái hình học

của CNTs và O-CNTs đều có dạng ống. Điều này chứng

tỏ, CNTs trước và sau biến tính hóa học trong điều kiện

khảo sát hầu như không làm thay đổi về hình thái học. Như

vậy, điều kiện biến tính hóa học được lựa chọn chỉ gắn các

nhóm chức chứa oxy lên bề mặt của vách ống mà hoàn toàn

không làm biến đổi về hình thái hình học của CNTs ban

đầu. Đây chính là điều mà nhóm nghiên cứu mong muốn.

3.4. Khảo sát xác định phương pháp phân tán CNTs vào

trong môi trường phân tán là nước

Để xác định phương pháp phân tán hiệu quả đối với

CNTs trong nghiên cứu này tiến hành 2 phương pháp gồm:

khuấy cơ học (dùng máy khuấy từ) và khuấy siêu âm. Kết

quả được thể hiện ở Hình 6.

Hình 6. Phương pháp phân tán CNTs trong nước

Hình 6 cho thấy môi trường nước đã chuyển sang màu

đen của chất phân tán là CNTs đối với phương pháp khuấy

siêu âm, chứng tỏ sự phân tán đã xảy ra. Đối với phương

pháp khuấy từ (cơ học), môi trường phân tán (nước) không

có sự đổi màu và sau khi ngừng khuấy thì CNTs lắng tụ

xuống đáy cốc, chứng tỏ không phân tán được CNTs vào

môi trường nước. Có thể thấy rằng, vật liệu cấu trúc nano

thường có xu hướng kết tụ khi phân tán vào các môi trường.

Vì vậy, để phân tán cũng như xé nhỏ hạt nano cần phải

cung cấp đủ năng lượng để vượt qua lực liên kết này. Trong

đó, tác dụng của sóng siêu âm làm cho sự phân tán và phá

vỡ sự kết tụ của hạt nano xảy ra [6, 8]. Khi sóng siêu âm

lan truyền vào trong môi trường phân tán sẽ liên tục tạo ra

các chu kỳ xen kẽ giữa áp suất cao và áp suất thấp, điều

này gây tác động lên các lực liên kết của hạt nano. Đồng

thời, khi hàng loạt các bọt khí vỡ tung sẽ tạo ra một áp lực

tương tự động cơ phản lực của máy bay tác động lên chùm

hạt nano khiến chúng tách ra khỏi nhau dễ dàng [5, 9]. Do

vậy, siêu âm được xem là một phương pháp hiệu quả trong

việc phân tán CNTs.

3.5. Khảo sát đánh giá khả năng và trạng thái ổn định

phân tán của CNTs và O-CNTs vào môi trường phân tán

phân cực là H2O

Để đánh giá khả năng phân tán và trạng thái ổn định

phân tán của CNTs trước và sau biến tính hóa học, trong

nghiên cứu này tiến hành phân tán bằng phương pháp siêu

âm ở điều kiện 40% biên độ tần số sóng siêu âm, trong thời

gian 60 phút. Trạng thái phân tán được đánh giá bằng cách

quan sát thông qua hiện tượng lắng tụ của mẫu trong các

khoảng thời gian khác nhau: 1h, 3h và 3 ngày.

Kết quả khảo sát thu được thể hiện ở Hình 7.

Hình 7 (A) cho thấy sau khi siêu âm cả 2 mẫu đều phân

tán đồng nhất trong môi trường nước. Hình 7 (B) cho thấy

sau phân tán 1h thì mẫu CNTs bắt đầu lắng tụ, trong khi đó

mẫu O-CNTs vẫn ổn định. Hình 7 (C) cho thấy sau 3h thì

mẫu CNTs tiếp tục lắng tụ, còn mẫu O-CNTs vẫn giữ trạng

thái phân tán ổn định. Hình 7 (D) cho thấy sau 3 ngày thì

mẫu CNTs lắng tụ hoàn toàn, mẫu O-CNTs vẫn giữ nguyên

O-CNTs

CNTs

Khuấy siêu âm Khuấy từ

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 35

trạng thái phân tán ban đầu. Như vậy chứng tỏ trạng thái

ổn định phân tán của O-CNTs trong môi trường phân tán

phân cực tốt hơn nhiều so với CNTs. Kết quả này cũng phù

hợp với kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả Đỗ Quang

Kháng và cộng sự [9].

Hình 7. Kết quả khảo sát trạng thái phân tán của CNTs và

O-CNTs trong môi trường nước: sau khi siêu âm (A), để yên sau

siêu âm phân tán lần lượt: 1h (B), 3h (C) và 3 ngày (D)

Điều này cũng chứng tỏ sự có mặt của các nhóm chức

phân cực -COOH, -C=O, -OH trong O-CNTs nên dễ dàng

hình thành các liên kết với phân tử H2O như liên kết hydro,

liên kết phân cực. Do vậy mà O-CNTs có ái lực lớn với

nước nên giữ trạng thái phân tán ổn định trong môi trường

nước tốt hơn so với CNTs. Ngoài ra, sự có mặt của các

nhóm chức gắn trên bề mặt ống của CNTs đã làm tăng

khoảng cách và lực đẩy tĩnh điện giữa các ống sau khi siêu

âm nên có xu hướng giảm sự kết tụ [4, 6, 7]. Vì vậy mà khả

năng phân tán và ổn định trạng thái phân tán của O-CNTs

trong môi trường phân cực được cải thiện đáng kể.

4. Kết luận

Các kết quả phân tích đặc trưng O-CNTs và CNTs cho

thấy sự biến tính hóa học CNTs bằng hỗn hợp HNO3 /HCl

với tỷ lệ thể tích 3:1, trong điều kiện nhiệt độ là 55oC và

thời gian là 12h thành công.

Xác định được phương pháp phân tán CNTs vào môi

trường phân tán hiệu quả là phương pháp phân tán bằng

siêu âm.

Khả năng và trạng thái ổn định phân tán của CNTs sau

biến tính hóa học trong môi trường nước cải thiện đáng kể.

Điều này rất quan trọng khi sử dụng chúng trong các lĩnh

vực ứng dụng kết hợp với các loại vật liệu có tính phân cực

như cao su, sơn, keo dán, chất dẻo...

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Belluci, Carbon nanotubes: physics and applications, Physica Status Solidi, pp.34-47 (2005).

[2] Sinnott, Susan B, Andrews, Rodney, Carbon Nanotubes: Synthesis,

Properties, and Applications, Critical Reviews in Solid State and

Materials Sciences (2001).

[3] Valentin N. Popov, Review of Carbon nanotubes: properties and

application, Materials Science and Engineering R 43-61 (2004).

[4] K. Balasubramanian, M.Burghard, Review of Chemically

Functionalized Carbon Nanotubes, Small Journal, 1, No. 2, 180 –192 (2005).

[5] Garima Mittal, Vivek Dhand, Kyong Yop Rhee, Soo-jin Park, A

review on carbon nanotubes and graphene as fillers in reinforced

polymer nanocomposites, Journal of Industrial and Engineering

Chemistry 21.11-25 (2015).

[6] Ma P-C, Mo S-Y, Tang B-Z, Kim J-K, Dispersion, interfaces

interaction and re-agglomeration of functionalized carbon nanotubes in epoxy composites, Carbon 48(6):1824 (2010).

[7] Yu J, Grossiord N, Koning CE, Loos J, Controlling the dispersion

of multi-wall carbon nanotubes in aqueous surfactant solution,

Carbon 45(3):618-623 (2006).

[8] Fan Z, Advani SG, Rheology of multiwall carbon nanotube

suspensions, J Rheol 51(4):585 (2007).

[9] Chu Anh Vân, Lê Hồng Hải, Hồ Thị Oanh, Đỗ Quang Kháng,

Nghiên cứu biến tính bề mặt ống nanocarbon bằng phản ứng este

hóa Fisher, Tạp chí Hóa học 53(4) 520-525 (2015).

[10] Charles C. Chusuei and Mulugeta Wayu, Characterizing

Functionalized Carbon Nanotubes for Improved Fabrication in Aqueous Solution Environments, www.intechopen.com

[11] Kevin A. Wepasnick, Billy A. Smith & Julie L. Bitter D. Howard

Fairbrothe, Review of Chemical and structural characterization of

carbon nanotube surfaces, Anal Bioanal Chem DOI

10.1007/s00216-009-3332-5 (2010).

[12] Holzinger, M., Vostrowsky, O., Hirsch, A., Hennrich, F., Kappes,

M., Weiss, R.; Jellen, F, Sidewall Functionalization of Carbon Nanotubes, Ang. Chem. Inter. Ed., (2001).

[13] Kim, B.; Sigmund, W. M., Functionalized Multiwall Carbon

Nanotube/Gold, Nanoparticle Composites, Langmuir, 20, 8239-

8242 (2004).

[14] Chen, G.-X.; Kim, H.-S.; Park, B. H.; Yoon, J.-S, Controlled

Functionalization of Multiwalled Carbon Nanotubes with Various

Molecular-Weight Poly l-lactic acid,. J. Phys. Chem. B, 109, 22237-22243 (2005).

(BBT nhận bài: 17/02/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 25/07/2017)

(A)

(B)

(C)

(D)

CNTs O-CNTs

CNTs O-CNTs

CNTs O-CNTs

CNTs O-CNTs

36 Nguyễn Phi Hùng, Thái Thị Bích Vân

KẾT QUẢ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÂM CANH GIỐNG NGÔ NẾP NÙ 66

TRÊN ĐẤT TRỒNG LÚA NƯỚC VỤ ĐÔNG XUÂN TẠI XÃ SA NGHĨA,

HUYỆN SA THẦY, TỈNH KON TUM

RESULTS OF BUILDING THE COMPREHENSIVE MODEL OF STICKY CORN NU 66

ON RICE LAND IN SA NGHIA COMMUNE, SA THAY DISTRICT, KON TUM PROVINCE

Nguyễn Phi Hùng, Thái Thị Bích Vân

Đại học Đà Nẵng; nphung@ac.udn.vn

Tóm tắt - Nghiên cứu đã tiến hành đánh giá các chỉ tiêu sinh trưởng, phát triển qua đó tính toán hiệu quả kinh tế của mô hình thâm canh giống ngô nếp Nù 66 vụ đông xuân 2016-2017 trên diện tích đất chỉ trồng lúa vụ mùa do thiếu nước tưới tại xã Sa Nghĩa, huyện Sa Thầy, tỉnh Kon Tum. Mô hình thực hiện trên diện tích 2,64 ha, năng suất bình quân đạt 75,8 tạ ngô tươi/ha. Mô hình thích ứng với biến đổi khí hậu, góp phần nâng cao hệ số sử dụng đất, giải quyết việc làm và mang lại lợi nhuận cho người nông dân 72.655.000 đồng/ha chỉ sau 72 ngày trồng; tỷ suất lãi so với vốn đầu tư đạt 2,34. Mô hình có thể khuyến cáo nông dân áp dụng sản xuất trên đất trồng lúa nước vụ đông xuân không chủ động nước tưới.

Abstract - The study has evaluated the growth and development criteria and estimated the economic efficiency of the model of sticky corn NU 66 in winter-spring crop of 2016-2017 on water shortage crop land in Sa Nghia Commune, Sa Thay district, Kon Tum province. The model was implemented on an area of 2.64 hectares with an average yield of 75.8 quintals of fresh corn per hectare. The model can adapt to climate change, making a contribution to the improvement of land use, job creation and profitability for farmers of 72,655,000 VND/ha only after 72 days, reaching 2.34 on the rate of investment return. The model can advise farmers to apply production to irrigated winter-spring crop without irrigation water.

Từ khóa - Sa Nghĩa; Sa Thầy; Kon Tum; ngô nếp; Nù 66; vụ đông xuân.

Key words - Sa Nghia; Sa Thay; Kon Tum; Sticky corn; Nu 66; winter-spring crop.

1. Đặt vấn đề

Tình hình biến đổi khí hậu, hạn hán thường xuyên diễn

ra, cùng với hệ thống tưới cho cây trồng vụ đông xuân ở

tỉnh Kon Tum còn hạn chế đã gây thiệt hại đáng kể cho

ngành nông nghiệp. Theo báo cáo của Ủy ban nhân dân

tỉnh Kon Tum, vụ đông xuân 2015-2016 trên địa bàn Tỉnh

đã xảy ra khô hạn, thiếu nước với diện tích 4.198,27 ha,

gồm 1.372,1 ha lúa, 2.533,3 ha cây công nghiệp, 49,52 ha

ngô, rau màu các loại và 243,35 ha cây trồng khác, tổng giá

trị thiệt hại ước tính khoảng 188.392,125 triệu đồng [4].

Để tăng diện tích gieo trồng cây hàng năm và đa dạng

hóa sản phẩm nông nghiệp, các cấp ủy Đảng, chính quyền,

các ngành chức năng của tỉnh Kon Tum đã tập trung chỉ đạo

chuyển đổi cơ cấu cây trồng trên diện tích đất lúa thiếu nước

trong vụ đông xuân nhưng hiệu quả mang lại còn thấp do

nhiều nguyên nhân như ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, hệ

thống thủy lợi chưa đồng bộ, hạn chế về vốn đầu tư, chưa

xác định được loại cây trồng để chuyển đổi hiệu quả, …

Qua khảo sát cho thấy một số loại cây trồng ngắn ngày

như ngô, bí đỏ, các loại đậu đỗ, … sử dụng nước ít hơn rất

nhiều so với lúa, có khả năng thích nghi với điều kiện đất

đai, khí hậu vụ đông xuân trên đất trồng lúa nước. Nhu cầu

thị trường các loại nông sản này rất lớn, song chưa có một

kết quả nghiên cứu nào về thử nghiệm xây dựng mô hình

trồng vụ đông xuân trên đất lúa nước không chủ động nước

tưới mang lại hiệu quả kinh tế cao để khuyến cáo sản xuất

đại trà tại tỉnh Kon Tum.

Để sử dụng hiệu quả diện tích đất thiếu nước tưới vụ

đông xuân trong điều kiện hạn hán thường xuyên xảy ra,

tăng hệ số sử dụng đất góp phần giải quyết việc làm, tăng

thu nhập cho lao động khu vực nông thôn, chúng tôi đã

nghiên cứu xây dựng mô hình trồng ngô nếp Nù 66 tại xã

Sa Nghĩa, huyện Sa Thầy, tỉnh Kon Tum.

2. Nội dung, phương pháp nghiên cứu

2.1. Vật liệu, địa điểm, thời gian, quy mô nghiên cứu

- Vật liệu: Giống ngô nếp Nù 66.

- Địa điểm: Mô hình được thực hiện trên đất trồng lúa

đông xuân thiếu nước tưới của xã Sa Nghĩa, huyện Sa

Thầy, tỉnh Kon Tum.

- Thời gian nghiên cứu: vụ đông xuân 2016-2017.

- Tổng diện tích mô hình: 2,64 ha.

2.2. Nội dung nghiên cứu

- Theo dõi, đánh giá các chỉ tiêu sinh trưởng, phát triển.

- Theo dõi tình hình sâu bệnh hại.

- Đánh giá hiệu quả kinh tế.

2.3. Phương pháp nghiên cứu

2.3.1. Kỹ thuật áp dụng xây dựng mô hình thâm canh ngô

nếp theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 01-56:

2011/BNNPTNT

- Thời vụ: Gieo hạt từ 15/12/2016 – 15/01/2017.

- Giống sử dụng: Ngô nếp Nù 66.

- Yêu cầu về đất trồng: Bằng phẳng, sạch cỏ dại, đảm

bảo độ ẩm đất lúc gieo khoảng 75-80% độ ẩm TĐĐR.

- Kỹ thuật gieo, khoảng cách, mật độ: Mỗi hốc gieo 2 hạt,

sâu từ 3 - 4 cm. Khi ngô 3 - 4 lá tiến hành tỉa lần 1, đến 5 - 6

lá tỉa lần 2, chỉ để lại mỗi hốc 1 cây. Khi ngô mọc mầm, nếu

gặp mưa phùn và xuất hiện sâu keo, sâu xám phá hoại thì sử

dụng thuốc bảo vệ thực vật theo hướng dẫn của nhà sản xuất.

- Khoảng cách và mật độ gieo trồng: Khoảng cách

70 cm x 25 cm, mật độ 57.000 cây/ha.

- Phân bón:

+ Lượng phân chuồng từ 2,5 đến 5 tấn/ha hoặc phân

hữu cơ khác với lượng quy đổi tương đương.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 37

+ Lượng phân vô cơ sử dụng tùy theo nhóm giống và

điều kiện đất đai của điểm xây dựng mô hình. Định mức

chung: 450 kg Urê, 600 Lân Supe, 200 kg Kali Clorua.

+ Thời điểm bón: Bón lót toàn bộ phân hữu cơ và phân

lân + 1/4 lượng đạm; Bón thúc lần 1 khi ngô 4 - 5 lá: 1/4

lượng đạm + 1/2 lượng kali; Bón thúc lần 2 khi ngô 8 - 9

lá 1/2 lượng đạm + 1/2 lượng kali.

- Chăm sóc: Khi ngô từ 4 đến 5 lá: Xới vun, bón thúc

lần 1 và vun nhẹ quanh gốc; khi ngô từ 8 đến 9 lá: Xới vun,

bón thúc lần 2 và vun cao chống đổ.

- Tưới tiêu: Đảm bảo đủ độ ẩm đất cho ngô trong suốt

quá trình sinh trưởng và phát triển, đặc biệt chú ý vào các

thời kỳ ngô 6-7 lá, xoắn nõn, trổ cờ, chín sữa.

- Phòng trừ sâu bệnh: Phòng trừ sâu bệnh và sử dụng

thuốc hoá học theo hướng dẫn của ngành bảo vệ thực vật.

- Thu hoạch: Khi ngô chín (chân hạt có vết đen hoặc

khoảng 75% số cây có lá bi khô) chọn ngày nắng ráo để thu

hoạch.

2.3.2. Các chỉ tiêu theo dõi

- Thời gian từ khi gieo đến mọc, thời gian thu hoạch

tươi sau khi gieo, thời gian sinh trưởng, số lá, chiều cao

cây, chiều cao đóng bắp, đường kính bắp, chiều dài bắp, số

bắp hữu hiệu/ cây, số hàng/ bắp, số hạt/ hàng, P1000 hạt.

- Tình hình sâu bệnh hại.

- Các yếu tố cấu thành năng suất (số bắp/cây, số hàng

hạt/bắp, số hạt/hàng, P 1000 hạt).

- Hiệu quả kinh tế của mô hình theo các tiêu chí:

Tổng giá trị thu nhập (GR) = Năng suất x Giá bán;

Tổng chi phí lưu động (TVC) = Chi phí vật tư + Chi phí

lao động + Chi phí năng lượng + Lãi suất vốn đầu tư;

Lợi nhuận (RVAC) = GR - TVC;

Tỷ suất lãi so với vốn đầu tư = RVAC/TVC.

2.3.3. Phương pháp xử lý số liệu

Sử dụng phần mềm Statistix 8.2 và Ms. Excel 2003

3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

3.1. Thời gian sinh trưởng và đặc điểm hình thái

Trong vụ đông xuân, việc bố trí thời vụ có ý nghĩa quan

trọng, giúp hạt giống nảy mầm thuận lợi và đảm bảo thời

kỳ tung phấn, phun râu của ngô có độ ẩm đất, độ ẩm không

khí thích hợp cho quá trình tạo hạt [1], [2]. Thời điểm gieo

hạt của mô hình trong khoảng 15/12/2016 đến 15/01/2017.

Kết quả theo dõi ghi nhận thời gian từ lúc gieo đến khi cây

mọc là 5 – 6 ngày; thời điểm thu sản phẩm tươi trung bình

chỉ sau 72 ngày trồng. Thời gian sinh trưởng của giống ngô

nếp Nù 66 từ 85-86 ngày, phù hợp với đặc điểm sinh học

của giống mà nhà sản xuất khuyến cáo.

Về đặc điểm hình thái, chiều cao cây dao động trong

khoảng 160,3 – 168,8 cm; chiều cao đóng bắp trung bình 7

1,3 cm; số lá trung bình 15,4 thuận lợi cho quá trình quang hợp.

3.2. Tình hình sâu bệnh hại

Sâu bệnh là một trong những yếu tố ảnh hưởng lớn đến

sinh trưởng, phát triển và năng suất của ngô [3]. Kết quả

theo dõi cho thấy mô hình nhiễm sâu bệnh hại ở mức độ

nhẹ, ảnh hưởng không đáng kể đến năng suất. Thời kỳ ngô

5 – 6 lá có xuất hiện sâu xám (mật độ 1 con/m2); trước khi

ngô trỗ cờ có 7% số cây bị sâu đục thân gây hại và 6,7% số

cây nhiễm bệnh khô vằn – một trong những bệnh nguy

hiểm đối với cây ngô.

3.3. Năng suất mô hình

Số liệu đo đếm cho thấy số bắp hữu hiệu trên cây là

1 bắp; số hàng hạt/ bắp dao động trong khoảng 15,5 – 17;

số hạt/ hàng đạt trung bình 29; số hạt/ hàng trung bình

29,0 hạt và trọng lượng 1000 hạt đạt từ 275,7 – 286,5g.

Năng suất ngô tươi trung bình của các hộ tham gia mô hình

đạt 75,8 tạ/ha, trong đó hộ Nguyễn Văn Ngọc đạt cao nhất

(79,2 tạ/ha).

Bảng 2. Các yếu tố cấu thành năng suất mô hình ngô nếp Nù 66

vụ đông xuân 2016-2017 tại xã Sa Nghĩa, huyện Sa Thầy

TT Tên hộ Số

bắp

Số hàng/

bắp

Số hạt/

hàng

P 1000

hạt (g)

Năng suất ngô

tươi (tạ/ha)

1 Hộ Phan

Lương 1,0 15,5 29,5 275,7 75,7

2 Hộ Võ Xuân

Phương 1,0 15,8 28,9 284,7 72,8

3 Hộ Nguyễn

Văn Ngọc 1,0 17 28,5 286,5 79,2

TB 1,0 16,1 29,0 282,3 75,8

3.4. Hiệu quả kinh tế của mô hình

Tổng chi phí đầu tư 1 ha ngô nếp Nù 66 là 31.045.000

đồng, trong đó chi phí nguyên vật liệu 11.045.000 đồng, chỉ

chiếm 35,6% tổng vốn đầu tư, phù hợp với khả năng đầu tư

của đa số các nông hộ. Tổng doanh thu đạt 103.700.000

đồng/ha, lãi thuần thu được 72.655.000 đồng/ha,

Bảng 1. Thời gian sinh trưởng, đặc điểm hình thái của giống ngô nếp Nù 66 vụ

đông xuân 2016-2017 tại xã Sa Nghĩa, huyện Sa Thầy

TT Tên hộ Thời gian

từ gieo đến

mọc (ngày)

Thời gian

thu hoạch

tươi (ngày)

Thời gian

sinh trưởng

(ngày)

Số

lá

Chiều

cao cây

(cm)

Chiều cao

đóng bắp

(cm)

Đường

kính

bắp (cm)

Chiều

dài bắp

(cm)

1 Hộ Phan Lương 5 70 85 15,6 160,3 70,6 5,5 18,9

2 Hộ Võ Xuân Phương 5 72 85 15,5 161,9 72,8 5,3 18,7

3 Hộ Nguyễn Văn Ngọc 6 74 86 15 168,8 70,6 5,4 17,8

TB 5,3 72 85,3 15,4 163,7 71,3 5,4 18,5

38 Nguyễn Phi Hùng, Thái Thị Bích Vân

mang lại lợi nhuận khá lớn cho người nông dân chỉ sau 72

ngày trồng. Mô hình đã nâng hệ số sử dụng đất gấp 2 lần,

giải quyết việc làm, tăng thu nhập cho nông hộ.

Bảng 3. Hiệu quả kinh tế của mô hình

(tính trên diện tích 1.000 m2)

TT Nội dung chi Đơn vị

tính

Số

lượng

Đơn giá

(đồng)

Thành tiền

(đồng)

I Tổng chi phí 3.104.500

1 Chi phí công lao

động 2.000.000

Công chăm sóc

và thu hoạch Công 10 200.000 2.000.000

2 Chi phí vật tư 1.104.500

Giống Kg 2 35.000 70.000

Phân chuồng Kg 300 500 150.000

Urê Kg 30 7.500 225.000

Lân Kg 35 3.200 112.000

Kali Kg 25 7.500 187.500

BVTV Đồng 210.000

Chi phí tưới Đồng 150.000

II Tổng doanh thu 10.370.000

Năng suất (số bắp

thu hoạch 1000m2) Trái 5.185

Giá bán bình

quân/1 bắp Đồng 2.000

III Lãi thuần Đồng 7.265.500

IV

Tỷ suất lãi so với

vốn đầu tư 2,34

4. Kết luận và kiến nghị

4.1. Kết luận

Tại xã Sa Nghĩa, huyện Sa Thầy, tỉnh Kon Tum, trong

vụ đông xuân 2016 – 2017trên chân đất trồng lúa nước, mô

hình trồng ngô nếp Nù 66 cho thu hoạch chỉ sau 72 ngày

gieo trồng, mang lại hiệu quả kinh tế cao: năng suất tươi

đạt 75,8 tạ/ha, lãi thuần 72.655.000 đồng/ha, tỷ suất lãi so

với vốn đầu tư đạt 2,34.

4.2. Kiến nghị

- Mở rộng diện tích mô hình trồng ngô nếp Nù 66 vụ

đông xuân trên đất trồng lúa nước không chủ động tưới để

thu sản phẩm tươi tại xã Sa Nghĩa, huyện Sa Thầy, tỉnh

Kon Tum và các địa bàn có điều kiện tượng tự.

- Tùy theo diễn biến thời tiết từng năm, bố trí thời điểm

gieo hạt từ 15/12 – 15/01 năm sau; trồng với mật độ 55.000

cây/ ha, chăm sóc đúng quy trình kỹ thuật sẽ hạn chế sâu

bệnh hại và cho năng suất cao.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Phan Xuân Hào và cộng sự, “Kết quả bước đầu nghiên cứu và chọn tạo giống ngô nếp lai ở Việt Nam”, Tạp chí Nông nghiệp và Phát

triển nông thôn, số 01/2007.

[2] Nguyễn Thị Nhài, Báo cáo kết quả thực hiện đề tài Nghiên cứu chọn

tạo giống ngô nếp lai phục vụ sản xuất năm 2009, 2010, 2011.

[3] Ngô Hữu Tình, Trần Hồng Uy, Võ Đình Long, Bùi Mạnh Cường, Lê

Quý Kha, Nguyễn Thế Hùng (1997), Cây ngô, nguồn gốc, đa dạng

di truyền và quá trình phát triển, Nxb Nông nghiệp, Hà Nội.

[4] Ủy ban nhân dân tỉnh Kon Tum, Báo cáo kết quả triển khai Nghị

quyết số 03/NQ-HĐND ngày 06/5/2016 của Hội đồng nhân dân tỉnh về việc giao chỉ tiêu sản xuất lúa vụ Đông xuân 2016-2017.

(BBT nhận bài: 25/05/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 09/06/2017)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 39

KHAI THÁC DỮ LIỆU VỆ TINH JASON-2 ĐỂ QUAN TRẮC MỰC NƯỚC

HỒ CHỨA NƯỚC PHÚ NINH, TỈNH QUẢNG NAM

APPLYING SATELLITE RADAR ALTIMETRY JASON-2 DATA

TO MONITOR PHU NINH RESERVOIR WATER LEVEL

Phạm Thành Hưng, Nguyễn Chi Công

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; hungptbk@gmail.com

Tóm tắt - Quan trắc mực nước trong hệ thống các công trình thuỷ lợi đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc vận hành hồ chứa nhằm cấp nước kịp thời cho sản xuất. Tuy nhiên, phương pháp này gặp rất nhiều khó khăn như tầm nhìn bị hạn chế hoặc mưa to, gió lớn. Trong khi đó, phương pháp đo tự động có chi phí rất cao. Trong những năm gần đây, việc ứng dụng dữ liệu miễn phí của vệ tinh đo cao để quan trắc mực nước trong các sông và hồ chứa lớn đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Tuy nhiên, phương pháp này chưa được sử dụng nhiều tại Việt Nam. Mục tiêu nghiên cứu này là khai thác dữ liệu đo cao mực nước từ vệ tinh Jason-2 (với chu kỳ lặp lại 10 ngày) để đo mực nước tại hồ chứa Phú Ninh. Kết quả nghiên cứu cho thấy, mực nước đo đạc dùng vệ tinh Jason-2 từ năm 2008 đến năm 2016 cho kết quả khá giống với mực nước thực đo tại hồ chứa Phú Ninh, với hệ số tương quan tương đối cao R2 = 0,995.

Abstract - Water level monitoring in reservoirs play an important role in developing operation rules. It is used to manage water supply and flood controls. Conventional methods are difficult to measure in flood events, while costs of automatic measurement systems are very high. Currently, application of satellite radar altimetry in water level monitoring at large rivers or reservoirs has received increasing attention. However, this application is still limited in Vietnam. This study aims to explore satellite radar altimetry Jason-2 (10-day) to measure water levels at Phu Ninh Reservoir. The results indicate that satellite altimetry-derived water levels have a good agreement with the in-situ water levels at the reservoir (R2=0,995). This reveals a potential application of satellite radar altimetry data to complement the in-situ data in this reservoir.

Từ khóa - mực nước hồ chứa; Jason-2; vệ tinh đo cao; hồ chứa Phú Ninh; ảnh vệ tinh Landsat TM 7

Key words - Water level; Jason-2; satelilte radar altimetry; Phu Ninh reservoir; Landsat TM 7

1. Đặt vấn đề

Vấn đề quản lý tài nguyên nước dưới tác động của biến

đổi khí hậu và sự gia tăng dân số ngày càng trở thành vấn đề

thu hút sự quan tâm trên thế giới. Một trong những công tác

quản lý tài nguyên nước là việc xây dựng quy trình vận hành

hiệu quả các hồ chứa phục vụ công tác cấp nước và điều tiết

lũ. Để đáp ứng được yêu cầu đó, số liệu đo đạc mực nước tại

các hồ chứa đóng vai trò hết sức quan trọng. Hiện nay, mực

nước tại hồ chứa thường được đo đạc theo phương pháp

truyền thống. Tuy nhiên, phương pháp này gặp nhiều khó

khăn đặc biệt trong điều kiện thời tiết mưa lũ.

Trong những năm gần đây, số liệu đo cao vệ tinh

(satellite radar altimetry) đã và đang được áp dụng rộng

rãi trong việc quan trắc mực nước trong các sông lớn và

các hồ chứa [1, 2]. Một trong các vệ tinh đo cao là vệ tinh

ENVISAT, được vận hành bởi cơ quan vũ trụ châu Âu ESA

(European Space Agency) với bước thời gian quan trắc là

35 ngày [3]. Khác với quỹ đạo của vệ tinh ENVISAT, các

vệ tinh T/P (Topex/Poseidon), Jason-1 và Jason-2 được vận

hành bởi cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ NASA (National

Aeronautics and Space Administration) và Trung tâm

Nghiên cứu Vũ trụ Quốc gia Pháp CNES (Centre National

d'études Spatiales) với quỹ đạo quan trắc 10 ngày. Số liệu

của các vệ tinh đã và đang được khai thác để quan trắc mực

nước ở các lưu vực sông lớn chảy qua biên giới đa quốc

gia, như sông Mêkông [4], sông Ganges-Brahmaputra tại

Băng-la-đét [5]. Ngoài ra, các vệ tinh này còn được khai

thác để quan trắc mực nước các sông và hồ chứa lớn [6, 7].

Ở Việt Nam, Đoàn Văn Chinh [8] đã ứng dụng số liệu

đo cao của vệ tinh Jason-1 và T/P để quan trắc sự thay đổi

mực nước biển. Hiện nay, việc khai thác sử dụng số liệu

miễn phí từ vệ tinh đo cao để quan trắc mực nước trong các

sông và hồ chứa tại Việt Nam là một cách tiếp cận hoàn

toàn mới. Mục đích của nghiên cứu này là khai thác số liệu

đo cao của vệ tinh Jason-2 để quan trắc mực nước hồ chứa

Phú Ninh, tỉnh Quảng Nam.

Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh Landsat TM7 để xác

định phần mặt nước hồ chứa Phú Ninh. Căn cứ vào vị trí

đường quan trắc (Pass 077) của vệ tinh Jason-2 trên mặt

đất (ground-tracksPass 077) và phần mặt nước hồ chứa

Phú Ninh để xác định khu giao cắt. Khu giao cắt này được

gọi là trạm ảo (virtual station). Mực nước quan trắc bằng

vệ tinh đo cao Jason-2 sẽ được tính toán tại vị trí trạm ảo

vừa được xác định. Kết quả mực nước quan trắc bằng vệ

tinh đo cao Jason-2 có tương quan khá chặt chẽ với mực

nước thực đo tại hồ chứa Phú Ninh.

2. Giới thiệu vùng nghiên cứu và dữ liệu

2.1. Vùng nghiên cứu

Hồ chứa nước Phú Ninh thuộc tỉnh Quảng Nam, được

khởi công xây dựng từ năm 1977, hoàn thành năm 1986

với dung tích 344 triệu m3 nước, nhằm cung cấp nước tưới

cho 23.000 ha đất nông nghiệp của các huyện: Phú Ninh,

Tam Kỳ, Núi Thành, Thăng Bình, Quế Sơn và Duy Xuyên

(Hình 1). Mực nước tại hồ được đo qua công trình tràn nằm

sát đập chính (điểm hình vuông màu vàng ở Hình 1c). Vị

trí đường quan trắc số 77 (Pass 77) của vệ tinh đo cao

Jason-2 (đường chấm đứt màu đỏ) cắt qua phần mặt nước

của hồ chứa Phú Ninh (Hình 1b và 1c). Phần giao cắt này

gọi là trạm ảo, được ký hiệu bằng khung chữ nhật màu đỏ

(ở giữa), và trọng tâm của trạm ảo được ký hiệu bằng tam

giác màu vàng (Hình 1c).

40 Phạm Thành Hưng, Nguyễn Chi Công

Hình 1. a) Vị trí tỉnh Quảng Nam, b) Vị trí hồ chứa Phú Ninh,

c) Vị trí đường quan trắc số 77 của Jason-2

2.2. Vệ tinh đo cao Jason-2

Nghiên cứu này khai thác số liệu đo cao của vệ tinh

Jason-2 vì vệ tinh này có bước thời gian đo đạc (10 ngày)

ngắn hơn vệ tinh ENVISAT (35 ngày). Vệ tinh Jason-2

được phóng lên quỹ đạo vào năm 2008 và vẫn đang hoạt

động để thu thập số liệu quan trắc mực nước toàn cầu [9].

Nghiên cứu sử dụng sản phẩm S-GDR (Sensor-Geopysical

Data Records) với tần suất sóng radar là 20 Hz tương ứng

với khoảng cách giữa hai điểm đo là gần 300m. Thông số

kỹ thuật của vệ tinh Jason-2 trình bày ở Bảng 1. Số liệu của

Jason-2 S-GDR có thể tải miễn phí tại

ftp://ftp.nodc.noaa.gov/pub/data.nodc/jason2/.

Bảng 1. Thông tin đặc tính của vệ tinh đo cao Jason-2

Tên vệ

tinh

Sản

phẩm

Chu kỳ

lặp lại

Độ phân

giải

Độ chính

xác đo cao

Giai đoạn

đo

Jason-

2/OSTM

S-GDR

(20hz) 10 ngày

300 m x

315 km 2,5 cm

2008-

hiện tại

2.3. Dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat TM7

Ảnh viễn thám quang học (optical remote sensing) với

độ phân giải cao Landsat TM 7 (Thermatic Mapping) được

sử dụng để xác định ranh giới đường mặt nước của hồ chứa.

Landsat TM 7 có tổng cộng 8 kênh (band) đánh số thứ tự

từ 1 đến 7 và một kênh toàn sắc (panchromatic). Trong đó

vùng bức xạ nhìn thấy gồm kênh 1, 2 và 3. Vùng hồng

ngoại với độ phân giải 30 m gồm có kênh 4, 5 và 7. Kênh

số 6 thuộc vùng hồng ngoại nhiệt có độ phân giải 60 m.

Kênh toàn sắc có độ phân giải 15m. Ảnh vệ tinh Landsat

TM 7 có thể tải miễn phí từ trang web của USGS

(https://earthexplorer.usgs.gov).

2.4. Mực nước đo tại hồ Phú Ninh

Mực nước thực đo tại hồ Phú Ninh được quan trắc tại

vị trí tràn xả lũ. Mực nước được đo 2 lần một ngày và được

đo từ năm 2008 đến nay. Số liệu cao độ mực nước thực đo

tại hồ chứa được cung cấp bởi Công ty TNHHMTV Thuỷ

lợi Quảng Nam.

3. Phương pháp

3.1. Mực nước đo bằng vệ tinh đo cao Jason-2

Vệ tinh đo cao Jason-2 với mục đích chính là đo cao độ

mực nước biển (Hình 2a). Cao độ mực nước biển được tính

toán dựa theo nguyên lý được trình bày bởi Fu and

Cazenave [10]. Cao độ mực nước so với mặt chuẩn (H)

được tính toán như sau:

H = A – R + C (1)

Trong đó, A là độ cao của vệ tinh so với mặt chuẩn

(reference ellipsoid), R là khoảng cách giữa vệ tinh và mực

nước biển, C là các giá trị hiệu chỉnh sai số gây ra do ảnh

hưởng của tầng đối lưu, tầng điện ly, và thủy triều.

Khi áp dụng nguyên lý này để tính toán mực nước trong

sông và hồ chứa, sai số hiệu chỉnh chỉ kể đến là sai số ở

tầng đối lưu (dry troposphere, wet troposphere), tầng điện

ly (ionophere), và thủy triều (solid earth và pole tides). Các

sai số khác được áp dụng cho tính toán cao độ mực nước

biển được bỏ qua khi tính toán mực nước sông và hồ chứa

trên đất liền [11]. Hình 2b thể hiện các đường quan trắc của

vệ tinh đo cao Jason-2 cắt qua các hệ thống sông trên phần

đất liền Việt Nam.

Hình 2. (a) Nguyên lý đo đạc cao độ mực nước biển của vệ tinh

Jason-2 và các yếu tố ảnh hưởng đến sai số đo đạc,

(b) Đường quan trắc trên bề mặt trái đất (ground-tracks) của

vệ tinh Jason-2 cắt qua hệ thống sông Việt Nam

Khi vệ tinh đo cao độ mực nước trên đại dương, các

sóng tín hiệu phát ra từ vệ tinh đến mặt biển và phản xạ lại

vệ tinh không bị ảnh hưởng nhiễu bởi tầng phủ mặt đất

(rừng cây, bụi cỏ hay mặt đất). Tuy nhiên, khi vệ tinh đo

cao độ mực nước trong sông và hồ trên đất liền, sóng radar

thu và phát ra từ vệ tinh sẽ bị nhiễu bởi lớp phủ thực vật,

các cồn cát (đụn cát) trong sông, hoặc các đảo trong hồ

chứa. Vì vậy không thể áp dụng trực tiếp các tham số đo

đạc của vệ tinh đo cao Jason-2 cho đại dương vào tính toán

mực nước trong sông và hồ trên đất liền.

Do đó, Bamber [12] đã phát triển thuật toán Ice-1 để theo

dõi và phân tích lại dạng sóng (waveform re-tracker) phản

xạ từ mặt đất liền để ước tính các tham số cao độ và sai số

hiệu chỉnh khi quan trắc mực nước trên đất liền. Nghiên cứu

này sử dụng các tham số ước tính từ thuật toán Ice-1 để tính

toán cao độ mực nước cho hồ chứa Phú Ninh.

Đầu tiên, dữ liệu của các kênh 5, 4, và 3 của vệ tinh

Landsat TM7 được tổ hợp để tạo ra ảnh mô phỏng màu sắc

tự nhiên (đỏ - xanh lá cây- xanh da trời) (Hình 3). Sau đó

đường bao mặt nước hồ chứa được xác định dựa vào sự khác

biệt về màu sắc giữa mặt nước và mặt đất. Đường quan trắc

Pass 77 của vệ tinh Jason-2 thể hiện là các điểm hình vành

khăn cắt qua mặt thoáng hồ chứa (Hình 3). Phần giao cắt của

vệ tinh và hồ chứa (khung chữ nhật) được gọi là trạm ảo

(Hình 3). Kích thước của hình chữ nhật được chọn lựa sao

cho vừa đảm bảo chứa được nhiều điểm quan trắc của vệ tinh

nhất và đồng thời ít bị ảnh hưởng của phần mặt đất và cây

cối nhất. Sau khi xây dựng được trạm ảo, cao độ mực nước

được tính toán dựa theo công thức (1) tại các điểm quan trắc

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 41

thuộc bên trong hình chữ nhật (trạm ảo). Cao độ mực nước

hồ chứa tại một thời điểm quan trắc nhất định được xác định

bằng cách tính trung vị (median) của các điểm đo đã được

lựa chọn tại trạm ảo [13]. Cuối cùng, các điểm ngoại lai

(outliers) được loại bỏ từ chuỗi số liệu quan trắc bằng cách

so sánh các giá trị quan trắc với khoảng tin cậy 95%

(confidence interval of 95%) của toàn bộ chuỗi quan trắc.

Hình 3. Ảnh màu tự nhiên của hồ chứa Phú Ninh tạo ra

từ ảnh vệ tinh Landsat TM7. Đường chấm vành khăn là

đường quan trắc Pass 77 của vệ tinh Jason-2

3.2. Phương pháp đánh giá

Vị trí trạm thực đo tại hồ chứa Phú Ninh được bố trí tại

vị trí tràn xả lũ. Trong khi đó, vị trí trọng tâm của trạm ảo

nhằm về phía thượng lưu của hồ, cách vị trí trạm thực đo

tại tràn gần 5,6 km. Do khác nhau về vị trí quan trắc nên

hai chuỗi số liệu mực nước sẽ có chênh lệch độ cao gây ra

bởi độ dốc đường mặt nước trong hồ chứa. Để có thể so

sánh và đánh giá độ chính xác của mực nước quan trắc bằng

vệ tinh đo cao so với mực nước thực đo tại trạm, nghiên

cứu sử dụng phương pháp thu phóng (công thức 2) để

chuyển hai chuỗi số liệu mực nước về cùng một tỷ lệ để có

thể so sánh. Công thức thu phóng như sau

MNthu phóng = (MNquan trắc – MNmin) / (MNmax – MNmin) (2)

Trong đó, MNthu phóng là mực nước sau khi thu phóng,

MNquan trắc là mực nước quan trắc bằng vệ tinh hoặc trạm đo,

MNmax và MNmin tương ứng là mực nước lớn nhất và bé nhất

của chuỗi số liệu quan trắc bằng vệ tinh hoặc bằng trạm đo.

Hai chuỗi số liệu mực nước sau khi được thu phóng sẽ

được so sánh đánh giá dựa theo các tiêu chí về độ tương quan

(R2), sai số quân phương (RMSE), và độ thiên lệch (Bias)

R2 = [∑ (𝑦𝑖

𝑜−𝑦𝑜 )(��𝑖−��)𝑛𝑖=1

√∑ (𝑦𝑖𝑜−𝑦𝑜 )

2∑ (��𝑖−��)

2𝑛𝑖=1

𝑛𝑖=1

]

2

(3)

RMSE = √∑ (𝑦𝑖

𝑜−��𝑖)2𝑛𝑖=1

𝑛 (4)

Bias = (��

𝑦0 − 1) (5)

Trong đó, y0 là mực nước thực đo tại trạm, �� là mực

nước quan trắc bằng vệ tinh. 𝑦𝑜 và �� lần lượt là giá trị trung

bình của chuỗi mực nước đo tại trạm và mực nước quan

trắc bằng vệ tinh.

3.3. Phương trình quan hệ giữa mực nước thực đo và

mực nước quan trắc của vệ tinh

Để có thể sử dụng mực nước quan trắc bằng vệ tinh

trong việc ước tính mực nước tại trạm đo của hồ chứa,

phương trình hồi quy tuyến tính bậc nhất được áp dụng để

xây dựng quan hệ giữa hai chuỗi số liệu mực nước.

Y = a + bX (6)

Trong đó, a và b là hai hệ số của phương trình tuyến

tính bậc nhất. X là số liệu mực nước quan trắc bằng vệ tinh

(10 ngày). Y là số liệu mực nước ước tính tại vị trí trạm

thực đo tại cùng thời điểm tương ứng.

4. Kết quả và bàn luận

Kết quả cho thấy mực nước quan trắc bằng vệ tinh có

quan hệ rất chặt chẽ với mực nước đo tại trạm với hệ số

tương quan rất cao R2=0,995 (Hình 4). Mực nước quan trắc

bằng vệ tinh thể hiện khá rõ dao động mực nước theo mùa

(mùa khô và mùa mưa). Sự chênh lệch về độ lớn của hai

chuỗi mực nước trong Hình 4 là do ảnh hưởng của độ dốc

đường mặt nước trong hồ giữa hai vị trí đo đạc (cách nhau

gần 5,6 km).

Hình 4. Chuỗi số liệu mực nước đo tại hồ (đường nét liền) và

mực nước quan trắc bằng vệ tinh Jason-2 (điểm tròn)

Hai chuỗi số liệu mực nước sau khi được thu phóng về

cùng tỷ lệ (từ 0 đến 1) được thể hiện trong Hình 5. Kết quả

cho thấy rằng mực nước quan trắc bằng vệ tinh gần như mô

tả chính xác dao động của mực nước thực đo với độ lệch

quân phương RSME = 3 cm. Mực nước quan trắc bằng vệ

tinh Jason-2 bé hơn mực nước thực đo tại hồ là 0,03 m

(Hình 5). Nguyên nhân dẫn đến độ lệch này là do gió Tây

Nam tạo ra độ dềnh mực nước trong hồ chứa.

Hình 5. Số liệu mực nước thu phóng từ mực nước đo

tại trạm (đường nét liền) và mực nước thu phóng từ

số liệu quan trắc vệ tinh (điểm tròn)

Để có thể dự báo mực nước hồ chứa từ dữ liệu vệ tinh đo

cao Jason-2, phương trình hồi quy tuyến tính được thiết lập

dựa vào số liệu quan trắc mực nước từ vệ tinh và số liệu thực

đo tại hồ (Hình 6). Hệ số độ dốc của phương trình (b) gần

như bằng 1, do đó trị số a = -2,26 m thể hiện sự chênh lệch

độ cao mực nước giữa hai điểm đo. Hiện tại, do chưa có số

liệu thực đo về độ dốc đường mực nước trong hồ nên nghiên

42 Phạm Thành Hưng, Nguyễn Chi Công

cứu này tạm thời chưa đánh giá độ lệch mực nước giữa trạm

thực đo và trạm ảo. Tuy nhiên, kết quả cho thấy tiềm năng

trong việc sử dụng số liệu đo cao của vệ tinh Jason-2 trong

việc hỗ trợ quan trắc mực nước hồ chứa Phú Ninh.

Hình 6. Phương trình quan hệ giữa mực nước đo tại trạm và

mực nước quan trắc bằng vệ tinh Jason-2 (đường nét liền),

các giá trị mực nước quan trắc (điểm tròn)

5. Kết luận

Hiện nay, chưa có một nghiên cứu nào sử dụng số liệu

vệ tinh đo cao Jason-2 để quan trắc mực nước hồ chứa và

sông tại Việt Nam. Nghiên cứu này đã chỉ ra khả năng ứng

dụng của vệ tinh đo cao Jason-2 trong quan trắc mực nước

các hồ chứa Phú Ninh. Kết quả cho thấy mực nước quan

trắc bằng vệ tinh có tương quan chặt chẽ với mực nước đo

tại trạm (R2 = 0,995) và sai số khá nhỏ 3 cm. Phương trình

tương quan hồi quy tuyến tính có thể được sử dụng để ước

tính mực nước tại hồ chứa từ số liệu quan trắc của vệ tinh

đo cao Jason-2.

Với chu kỳ lặp lại là 10 ngày, số liệu vệ tinh Jason-2 có

thể được áp dụng cho việc xây dựng kế hoạch cấp nước của

hồ vào mùa khô. Tuy nhiên, số liệu mực nước quan trắc

bằng vệ tinh hiện tại chưa thể áp dụng cho việc điều tiết lũ

của hồ. Do đó, việc tạo ra số liệu mực nước hằng ngày từ

số liệu mực nước 10 ngày của vệ tinh đo cao Jason-2 là một

hướng nghiên cứu có nhiều tiềm năng. Nghiên cứu hiện tại

dừng lại ở việc đánh giá dựa trên toàn bộ chuỗi số liệu, việc

phân tích theo mùa nằm ngoài phạm vi đối tượng nghiên

cứu của bài báo này. Do đó, việc đánh giá độ chính xác của

số liệu đo cao từ vệ tinh theo mùa mưa và mùa khô là hướng

nghiên cứu tiếp theo của nhóm tác giả.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] C. M. Birkett and B. Beckley, "Investigating the Performance of the

Jason-2/OSTM Radar Altimeter over Lakes and Reservoirs”, Marine Geodesy, vol. 33, pp. 204-238, 2010.

[2] J.-F. Crétaux and C. Birkett, "Lake studies from satellite radar altimetry”,

Comptes Rendus Geoscience, vol. 338, pp. 1098-1112, 2006.

[3] S. Calmant and F. Seyler, "Continental surface waters from satellite

altimetry”, Comptes Rendus Geoscience, vol. 338, pp. 1113-1122, 2006.

[4] K.-T. Liu, K.-H. Tseng, C. Shum, C.-Y. Liu, C.-Y. Kuo, G. Liu, et

al., "Assessment of the Impact of Reservoirs in the Upper Mekong

River Using Satellite Radar Altimetry and Remote Sensing

Imageries”, Remote Sensing, vol. 8, p. 367, 2016.

[5] S. Biancamaria, F. Hossain, and D. P. Lettenmaier, "Forecasting

transboundary river water elevations from space”, Geophysical Research Letters, vol. 38, 2011.

[6] F. Papa, S. K. Bala, R. K. Pandey, F. Durand, V. Gopalakrishna, A.

Rahman, et al., "Ganga‐Brahmaputra river discharge from Jason‐2

radar altimetry: An update to the long‐term satellite‐derived

estimates of continental freshwater forcing flux into the Bay of Bengal”, Journal of Geophysical Research: Oceans, vol. 117, 2012.

[7] A. K. Dubey, P. K. Gupta, S. Dutta, and R. P. Singh, "An improved

methodology to estimate river stage and discharge using Jason-2

satellite data”, Journal of Hydrology, vol. 529, pp. 1776-1787, 2015.

[8] B. T. K. T. Đoàn Văn Chinh, Li Dawei, "Sử dụng số liệu đo vệ tinh

Topex/Poseidon và Jason-1 khảo sát sự thay đổi của nước biển”,

Tuyển tập Hội nghị khoa học thường niên- Đại học Thủy lợi, pp. 131-133, 2013.

[9] J. Dumont, V. Rosmorduc, N. Picot, S. Desai, H. Bonekamp, J. Figa,

et al., "OSTM/Jason-2 products handbook”, CNES: SALP-MU-M-OP-

15815-CN, EUMETSAT: EUM/OPS-JAS/MAN/08/0041, JPL: OSTM-

29-1237, NOAA/NESDIS: Polar Series/OSTM J, vol. 400, 2009.

[10] L.-L. Fu and A. Cazenave, Satellite altimetry and earth sciences: a handbook of techniques and applications vol. 69: Academic Press, 2000.

[11] J. G. Leon, S. Calmant, F. Seyler, M. P. Bonnet, M. Cauhopé, F.

Frappart, et al., "Rating curves and estimation of average water depth

at the upper Negro River based on satellite altimeter data and modeled

discharges”, Journal of Hydrology, vol. 328, pp. 481-496, 2006.

[12] J. L. Bamber, "Ice sheet altimeter processing scheme”, International

Journal of Remote Sensing, vol. 15, pp. 925-938, 1994.

[13] F. Frappart, F. Seyler, J.-M. Martinez, J. G. León, and A. Cazenave,

"Floodplain water storage in the Negro River basin estimated from

microwave remote sensing of inundation area and water levels”,

Remote Sensing of Environment, vol. 99, pp. 387-399, 2005.

(BBT nhận bài: 22/05/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 02/06/2017)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 43

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG LƯỢNG TIẾN DAO ĐẾN LỰC CẮT

KHI TIỆN THÉP C45 DÙNG MẢNH DAO HỢP KIM CACBIT VONFRAM

TRÊN MÁY CNC EMCO CONCEPT TURN 250

A STUDY ON DETERMINING THE FEEDRATE INFLUENCE ON CUTTING FORCE

ON TURNING C45 STEEL USING CACBIT VONFRAM CUTTER PIECE

ON CNC EMCO CONCEPT TURN 250

Phạm Nguyễn Quốc Huy1, Lê Minh Sơn2, Trần Xuân Tùy1 1Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; pnquochuy24@gmail.com, tranxuantuy@yahoo.fr

2Trường Cao đẳng Giao thông vận tải II; sonminhdn16@gmail.com

Tóm tắt - Bài báo giới thiệu phương pháp xác định ảnh hưởng của lượng tiến dao đến các lực cắt thành phần khi gia công tiện thép C45 trên máy tiện CNC Emco Concept Turn 250 bằng dụng cụ đo lực cắt DKM 2010 –TeLC. Tín hiệu đo sự thay đổi của các lực cắt thành phần được chuyển đổi thành tín hiệu số và xuất ra kết quả dưới dạng đồ thị bằng phần mềm XKM. Sử dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm dựa trên tiêu chuẩn Cochran và công cụ Fitting Curve của phần mềm Matlab 2014a để xây dựng công thức thực nghiệm đối với lực cắt chính (Pz) theo lượng tiến dao dọc (s). Từ công thức thực nghiệm vẽ đồ thị ảnh hưởng của lượng tiến dao s đến lực cắt chính khi tiện thép C45 dùng mảnh dao Cacbit Vonfram và kiểm nghiệm độ tin cậy của giá trị lực cắt chính.

Abstract - The article describes the method of determining the feedrate influence on cutting force on using turning material on CNC Emco Concept Turn 250 by cutting force measurement equipment named DKM 2010-TeLC. Measurement signal of changing part cutting forces will be transmitted to digital signals, and export result under graph by XKM software, thereby appreciating the changing part cutting forces. Use the experimental planning method relying on Cochran standard and the Fitting curve toolbox of Matlab 2014 a software to establish experimental formula for the main cutting force (PZ) upon the axial feedrate (s) parameter. From experimental formula, draw graph of the influence of axial federate on the main cutting force on turning C45 steel by Cacbit Vonfram cutter piece, and test the reliability of the main cutting force value.

Từ khóa - tiện; phương trình lực cắt; lực cắt; lượng tiến dao; máy CNC

Key words - turning process; cutting force equation; cutting force; CNC machine

1. Đặt vấn đề

Ảnh hưởng của chế độ cắt đến lực cắt đã được nhiều tác

giả nghiên cứu bằng nhiều phương pháp khác nhau:

phương pháp lý thuyết, phương pháp đo trực tiếp, phương

pháp toán thống kê xác suất [1].

Các phương pháp nghiên cứu trên đã đạt được kết quả

đáng ghi nhận: Lực cắt có giá trị nhỏ nhất khi tiện thép có

độ cứng khoảng 50 HRC, giá trị lực cắt khi tiện thép X12M

lớn hơn nhiều so với tiện thép 9XC ở cùng điều kiện gia

công và việc tối ưu chế độ cắt khi tiện thép 9XC bằng dụng

cụ cắt dùng vật liệu lập phương đa tinh thể (PCBN) phụ

thuộc nhiều vào vận tốc cắt ở giá trị khoảng 100m/phút,

đồng thời nghiên cứu đã xác định được mô hình hồi qui

biểu diễn giá trị lực cắt theo vận tốc cắt “v” và lượng tiến

dao “s” như sau [2]:

𝑃𝑍 = 3,719 ∗ 10−4𝑣3,30903𝑠1,497𝑙𝑛𝑣−6,6020 (1)

𝑃𝑋 = 0,0837𝑣2,1426𝑙𝑛𝑣−3,6504 (2)

Trong một kết quả nghiên cứu khác khi tiện thép

Cacbon thấp dùng mảnh dao TiC loại CNMG 12 04 08 TiN

bằng thuật toán Taguchi và mô hình dự đoán Logic mờ có

sử dụng thiết bị đo lực kế đã xác định được công thức tính

lực cắt (3) và so sánh được sự khác nhau giữa các phương

pháp xác định lực cắt (Hình 1) [8]:

𝑅 = 707 + 0,23𝑣 + 112𝑠 + 13,4𝑡 (3)

Trong đó, tốc độ cắt và lượng tiến dao ảnh hưởng đến

95% lực cắt.

Xác định sự thay đổi lực cắt khi gia công thực tế khá khó

khăn do điều kiện thiết bị đo, phụ thuộc vào từng loại vật

liệu, phương án chạy dao, vật liệu làm dao, thông số hình

học dao, độ cứng vững của thiết bị, đồ gá, ... cùng một chế

độ cắt. Bằng phương pháp đo thực nghiệm và phương pháp

toán thống kê, bài báo tập trung nghiên cứu xác định sự thay

đổi lực cắt dựa trên sự thay đổi lượng tiến dao khi tiện thép

C45 bằng mảnh dao hợp kim Cacbit Vonfram WC. Các thí

nghiệm được thực hiện trên máy CNC vì nó cho phép thay

đổi vô cấp các thông số chế độ cắt một cách chính xác trong

phạm vi rộng. Từ đó xây dựng công thức thực nghiệm để xác

định giá trị lực cắt theo lượng chạy doa trong cùng một điều

kiện cắt với các chi tiết khác nhau làm bằng vật liệu thép

C45, công thức này có thể được áp dụng khi gia công trên

máy CNC và các loại máy tiện thông thường.

Các thí nghiệm được thực hiện trên máy tiện CNC 3

trục Emco Concept Turn 250 và dụng cụ đo lực cắt DKM

2010 –TeLC tại Viện Công nghệ Cơ khí và Tự động hóa,

Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng.

Hình 1. Biểu đồ so sánh giữa giữa kết quả

thực nghiệm và dự đoán

44 Phạm Nguyễn Quốc Huy, Lê Minh Sơn, Trần Xuân Tùy

2. Xác định ảnh hưởng của lượng tiến dao “s” đến lực

cắt chính PZ

Xây dựng công thức thực nghiệm lực cắt dựa trên sự thay

đổi lượng tiến dao (s) khi tiện thép C45 và sử dụng dao tiện

mảnh hợp kim Atorn CCMT 09T304-WP HC6620.

2.1. Thông số hình học và vật liệu mảnh dao tiện

Thông số hình học của dụng cụ cắt tạo nên bởi mảnh

dao và thân dao như sau:

- Góc trước = 00, góc sau α = 70;

- Góc nghiêng chính (góc tiến dao) = 900;

- Góc đỉnh dao: 800; Bán kính mũi dao R = 0,4 mm;

- Chiều dài cạnh cắt: l = 9,52 mm; chiều dày t = 3,97 mm.

Vật liệu làm mảnh dao gồm hợp kim cứng Vonfram và

Coban, có thêm TiC và TaC để tăng thêm độ bền nhiệt và

chống mài mòn.

2.2. Lắp đặt thiết bị đo DKM 2010 –TeLC trên máy tiện

CNC Emco Concept Turn 250

Xác định lực cắt bằng thiết bị đo DKM 2010 –TeLC

(Hình 3) với 5 thành phần: Lực cắt chính – PZ; Lực chạy

dao hướng kính phải/ trái–PYR/L; Lực tiếp tuyến –PX+/-

(hướng vào/ ra mâm cặp). Lực cắt tối đa 2000N (độ phân

giải 1N).

Hình 3. Nguyên lý đo lực cắt của dụng cụ đo

DKM 2010 –TeLC

Hình 4. Sơ đồ kết nối dụng cụ đo và xử lý số liệu đo

1: Phôi thép C45; 2: Thiết bị đo DKM 2010 có gá đặt dụng cụ

cắt; 3: Bộ chuyển đổi tương tự/số (A/D); 4: Máy tính

Thiết bị đo DKM 2010–TeLC sử dụng cảm biến điện

trở (Hình 3) thay đổi theo biến dạng của kết cấu chịu lực

gắn trong thiết bị đo do lực cắt gây ra, tín hiệu đo của cảm

biến được chuyển thành tín hiệu số thông qua bộ chuyển

đổi A/D. Tín hiệu số sau đó được chuyển qua máy tính qua

cổng COM và được xử lý bằng phần mềm XKM để xuất ra

kết quả dưới dạng đồ thị hoặc bảng (Hình 4).

Khi tiện trên máy CNC Emco Concept Turn 250, thiết

bị đo DKM 2010 –TeLC được gắn cố định vào ụ gá dao

tiện và dao tiện được gắn cố định với thiết bị đo (Hình 5).

Giữa thiết bị đo và máy tính được kết nối bằng cáp tín hiệu

sử dụng cổng COM. Thiết bị đo tác động độc lập không

ảnh hưởng đến hệ điều khiển máy CNC.

Hình 5. Gá lắp dụng cụ đo lực cắt DKM 2010 –TeLC trên máy

tiện CNC Concept Turn 250

1. Ụ gá dao; 2. Mảnh dao; 3. Phôi thép C45; 4. Thiết bị đo;

5. Máy tính ghi nhận giá trị đo

2.3. Xây dựng công thức thực nghiệm đối với “PZ”

Hình 6. Các thành phần lực cắt khi tiện

𝑃𝑍 (FC): Lực chạy dao; 𝑃𝑌(Ff): Lực hướng kính;

𝑃𝑋(Fp): Lực tiếp tuyến

Công thức xác định lực cắt tổng quát khi tiện [1], [4]:

R = √PX2 + PY

2 + PZ2 (4)

Trong đó:

+ PZ = CPZ. t PZ

X. s PZ

Y. v PZ

NKPZ

[N] (5)

+ PY = CPY. t PY

X. s PY

Y. v PY

NKPY

[N] (6)

+ PX = CPX. t PX

X. s PX

Y. v PX

NKPX

[N] (7)

2.3.1. Chế độ cắt khi tiện

- Chiều sâu cắt: t = 0,5 ÷ 1 mm;

- Vận tốc cắt: vC = 120 ÷ 240 m/ph;

- Lượng tiến dao: s= 0,12 ÷ 0,4 mm/vòng;

- Tiện dọc theo phương Z một khoảng 15 mm;

- Điều kiện cắt khô, không bôi trơn làm nguội.

2.3.2. Xác định lực cắt bằng thực nghiệm

Để đảm bảo độ tin cậy số liệu đo thực nghiệm, ta tiến

hành 5 lần đo lặp lại khi thay đổi lượng tiến dao s.

Kết quả đo được ghi nhận và hiển thị dưới dạng đồ thị,

với trục đứng thể hiện độ lớn của giá trị lực cắt thành phần

PZ, PY, PX và trục ngang thể hiện số điểm thu nhận giá trị đo.

Hình 2. Mũi dao Atorn CCMT 09T304-WP HC6620

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 45

Trong lần thực nghiệm này, ta chọn tần số lấy mẫu là

10Hz, tức là trong 1 giây, thiết bị sẽ đo được 10 giá trị.

Thiết lập bộ lọc Filter, khi giá trị lực lớn hơn 30N, thì

phần mềm mới thu nhận giá trị đo.

Ta tiến hành đo liên tục với 5 giá trị lượng tiến dao s:

0,12; 0,19, 0,26; 0,33; 0,4 mm/vg trên 5 phôi thép C45

trong 1 lần đo thực nghiệm, lặp lại 5 lần. Kết quả là đồ thị

thể hiện 5 đường giá trị lực cắt ứng với 5 giá trị lượng tiến

dao tạo thành một chuỗi liên tục. Kết quả đo và xử lý số

liệu lực cắt thực nghiệm như sau:

- Khi lượng tiến dao “s” thay đổi, cố định vC = 170

m/ph, t = 0,5 mm

Hình 7: Đồ thị kết quả đo lực cắt

1: Đồ thị PZ; 2: Đồ thị PY; 3: Đồ thị PX

Điểm 1 đến 37: s = 0,12 mm/vg;

Điểm 52 đến 76: s = 0,19 mm/vg;

Điểm 82 đến 100: s = 0,26 mm/vg;

Điểm 106 đến 119: s = 0,33 mm/vg;

Điểm 125 đến 136: s = 0,4 mm/vg;

Trong lần đo thứ 1, khi lượng tiến dao thay đổi từ

0,12 – 0,4 mm/vòng thì giá trị lực cắt chính PZ thay đổi từ

207 – 407 N. Đồ thị kết quả ở Hình 7 cho thấy giá trị lực

cắt đo được hầu như ổn định trên suốt chiều dài đường cắt

ứng với mỗi lượng tiến dao, và thời gian thu nhận dữ liệu

đo giảm khi lượng tiến dao tăng, dẫn đến số điểm đo được

cũng giảm dần.

Sau khi thực hiện 5 lần đo, lấy trung bình của các giá

trị đo được, ta có bảng kết quả sau:

Bảng 1. Kết quả đo khi s = 0,120,4 mm/vg;

vC = 170 m/ph; t = 0,5 mm

t = 0,5 mm; vc = 170 m/ph

S Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5

PZ PY PZ PY PZ PY PZ PY PZ PY

0,12 207 84 214 99 159 61 172 64 163 61

0,19 263 90 266 107 226 92 236 92 226 88

0,26 324 96 341 126 309 108 292 118 281 112

0,33 368 113 367 139 337 156 345 142 331 135

0,4 407 126 467 179 377 153 394 165 378 157

- Khi lượng tiến dao “s” thay đổi, vC = 170 m/ph, t = 1 mm

Hình 8. Kết quả đo

Điểm 2 – 75: s = 0,12; Điểm 80 – 95: s = 0,26;

Điểm 99 – 107: s = 0,4

Bảng 2. Kết quả đo khi thay đổi s = 0,120,4 mm/vg;

vC = 170 m/ph; t = 1,0 mm

t = 1 mm; vc = 170 mm/vg

s (mm/vg) 0,12 0,26 0,4

PZ (N) 325 585 807

PX (N) 169 227 276

PY (N) 71 109 174

- Khi thay đổi vận tốc cắt “vC”:

Hình 9. Kết quả đo lực cắt khi thay đổi vC (m/ph)

Điểm 2 – 10: vc = 240; Điểm 15 – 25: vc = 210;

Điểm 30 – 42: vc = 180; Điểm 47 – 61: vc = 150;

Điểm 67 – 84: vc = 120

Bảng 3. Kết quả đo khi thay đổi vc = 120 240 m/ph và

s = 0,3 mm/vg; t = 1 mm

t = 1 mm; s = 0,3 mm/vg

vC 240 210 180 150 120

PZ 675 614 661 635 624

PX 271 246 286 282 289

PY 152 147 158 166 173

Kết quả đo thực nghiệm tại Bảng 1, 2 và 3 cho thấy sự

thay đổi của thành phần lực cắt chính PZ là lớn nhất và lực

cắt phụ thuộc lượng tiến dao, vận tốc cắt, chiều sâu cắt.

Ngoài ra, từ biểu đồ lực cắt khoảng thời gian thay đổi đột

ngột lực cắt là rất ngắt, nên dù giá trị lực cắt có thể chưa đủ

lớn nhưng lực động do lực cắt gây ra đến kết cấu thân dao,

mũi dao và chi tiết là đáng phải quan tâm.

Bảng số liệu đo lực cắt cho thấy, giá trị lực cắt chính PZ

46 Phạm Nguyễn Quốc Huy, Lê Minh Sơn, Trần Xuân Tùy

chênh lệch lớn so với lực cắt hướng kính PY và PX. Việc

xác định sự thay đổi lực cắt chính dựa vào 3 tham số: s, t

và v là rất khó khăn. Vì vậy, bài báo tập trung vào việc xác

định sự thay đổi của lực cắt chính PZ khi thay đổi lượng

tiến dao dọc trục s thông qua Bảng 1 và xây dựng công thức

thực nghiệm lực cắt chính PZ.

2.3.3. Xác định phương trình lực cắt chính PZ [1] và [4]

Bảng 4. Bảng tính phương sai giá trị lực cắt chính PZ

s PZ 𝑃𝑍

(PZi-

P��)2 σi

2

0,12 207 214 159 172 163 183,00 2634,00 658,50

0,19 263 266 226 236 226 243,40 1555,20 388,80

0,26 324 341 309 292 281 309,40 2321,20 580,30

0,33 368 367 337 345 331 349,60 1167,20 291,80

0,4 407 467 377 394 378 404,60 5481,20 1370,30

Tổng 3289,70

Kiểm tra các giá trị lực cắt thực nghiệm bằng phương

pháp quy hoạch thực nghiệm theo tiêu chuẩn Cochran [3]:

+ Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai, hay tính ổn

định giữa các lần thí nghiệm, với công thức tính phương sai:

𝜎𝑖2 = ∑

(𝑃𝑍𝑖−𝑃𝑍 )2

𝑟−1

𝑟𝑖=1 (r là số lần lặp lại: 5) (8)

+ Tính hệ số phân phối xác suất 𝐺𝑡𝑡 theo tiêu chuẩn

Cochran:

𝐺𝑡𝑡 =𝜎𝑚𝑎𝑥

2

𝜎12+𝜎2

2+⋯+𝜎𝑛2 =

1370,30

3289,70= 0,4165 (9)

+ Kiểm định hệ số theo tiêu chuẩn Cochran:

Tra bảng phân phối Cochran:

Gb(n,f,p) = Gb(5,4,0.05) = 0,5441

+ So sánh, ta có: Gtt< Gb

+ Kết luận: tính đồng nhất của phương sai được chấp nhận.

Từ phương trình lực cắt tổng quát và thành phần (4, 5,

6, 7). Và dựa trên việc thực nghiệm chọn chế độ cắt chỉ có

một yếu tố thay đổi là lượng chạy dao s, nên phương trình

tổng quát lực cắt chính có thể viết là:

𝑃𝑍 = 𝑎 ∗ 𝑠𝑏 (10)

Xác định hàm hồi quy cho lực cắt chính PZ bằng phương

pháp bình phương bé nhất thông qua thuật toán “least

square curve fitting” của phần mềm Matlab 2014a, với

dạng hàm mũ (Power) bậc 1:

Thuật toán “least square curve fitting”

clc

close all

clear all

Value_sheet_1 = xlsread('file_excel.xlsx');

% doc so lieu tu file excel

S = Value_sheet_1(:,1)

Pz =(Value_sheet_1(:,2) + Value_sheet_1(:,4) +

Value_sheet_1(:,6)+

Value_sheet_1(:,8)+Value_sheet_1(:,10))/5

figure(2);

plot(S,Pz,'.')

% Ve do thi quan he Pz va S

[aa,bb,xData_1,yData_1] = Fitting(S,Pz);

disp('Value of sheet 1')

disp(['Value of R^2 = ',num2str(bb.rsquare)])

disp(['General model Power1: y(x) =

',num2str(aa.a),'*x^',num2str(aa.b)]);

% Tim phuong trinh quan he bang ham Fitting Curve

figure(3)

plot(aa,'b'),hold all

plot(cc,'r')

plot(xData_1,yData_1,'.')

plot(xData_2,yData_2,'.')

legend('Luc cat chinh Pz','Luc huong kinh Py')

grid on

xlim([0.115 0.41])

Kết quả tính toán xác định được hệ số a, b:

a = 736,2678; b = 0,65844

Hệ số hồi quy: R2 = 0,9974

Vậy phương trình lực cắt thực nghiệm:

𝑃𝑍 = 736,2678 ∗ 𝑠0,65844 (11)

Hình 10. Đồ thị hàm lực cắt 𝑃𝑍 = 736,2678 ∗ 𝑠0,65844

3. Đánh giá và bình luận

Ta nhận thấy lực cắt chính PZ thay đổi lớn hơn nhiều so

với các lực cắt thành phần PX, PY khi thay đổi s. Từ đồ thị

lực cắt chính thực nghiệm, ta thấy PZ gần tuyến tính với

tham số lượng tiến dao dọc trục s (Hình 10).

Kiểm nghiệm giá trị lực cắt tính bằng công thức thực

nghiệm và đo bằng dụng cụ đo là gần bằng nhau và sai số

nằm trong giới hạn cho phép (<= 5%): Bảng 5 và Hình 11

Bảng 5. So sánh kết quả đo lực cắt chính PZ bằng thực nghiệm và

công thức khi thay đổi s ngẫu nhiên trong khoảng 0,12 ÷ 0,4 mm/vòng

t = 0,5 mm; vC = 170 m/ph; s = 0,15 mm/vg

Tính theo công

thức 𝑃𝑍 = 736,2678 ∗ 𝑠0,65844 = 211 (𝑁)

(sai số 4,46%)

Đo thực nghiệm PZ = 202 (N)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 47

Đối chiếu các công thức thực nghiệm (1), (2), (3) và giá

trị đo thực nghiệm, ta nhận thấy lực cắt chính phụ thuộc

nhiều vào lượng tiến dao s cho dù vật liệu gia công khác

nhau. Với chế độ cắt được xác định ban đầu, ta nhận thấy

giá trị lực cắt thay đổi nhưng đảm bảo trong giới hạn cho

phép do lực cắt gây ra đối với dụng cụ cắt.

4. Kết luận

Bằng phương pháp đo thực nghiệm, phương pháp kiểm tra

tính đồng nhất của phương sai theo tiêu chuẩn Cochran và xử

lý kết quả thông qua công cụ Fitting Curve của phần mềm

Matlab 2014a, kết quả là đã xây dựng được công thức thực

nghiệm quan hệ giữa lực cắt PZ và lượng tiến dao dọc s (11)

khi tiện vật liệu thép C45 sử dụng mảnh dao hợp kim Vonfram

– Coban (CCMT 09T304-WP HC6620), với chế độ cắt: vận

tốc cắt v = 170 m/ph, chiều sâu cắt t = 0,5 mm và lượng chạy

dao s = 0,120,4 mm/vg, không bôi trơn làm nguội là:

𝑃𝑍 = 736,2678 ∗ 𝑠0,65844

Đồng thời, từ phương trình lực cắt chính PZ, xây dựng

được đồ thị thể hiện ảnh hưởng của lượng tiến dao s đến PZ

khi tiện thép C45 bằng mảnh dao hợp kim Cacbit Volfram

đối với các chi tiết trong cùng điều kiện gia công với độ tin

cậy cao.

Kết quả trên làm cơ sở tính toán lực cắt để khai thác

công suất máy nhằm nâng cao năng suất cắt, đảm bảo độ

cứng vững của hệ thống, độ bền của cơ cấu chạy dao của

máy CNC và độ bền của mảnh dao. Đồng thời, có thể tham

khảo để xác định lực cắt dựa trên nhiều tham số khác nhau:

lượng tiến dao và chiều sâu cắt hoặc vận tốc cắt và chiều

sâu cắt,... Xác định mối liên hệ giữa lực cắt và nhiệt cắt

bằng công thức thực nghiệm.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Ngọc Đào, Trần thế San, Nguyễn Ngọc Bình, Chế độ cắt gia công cơ khí, NXB Đà Nẵng, 2002.

[2] Nguyễn Thị Quốc Dung, Nghiên cứu quá trình tiện thép hợp kim qua tôi

bằng dao PCBN, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Thái Nguyên, 2012.

[3] Nguyễn Minh Tuyển (2005), Quy hoạch thực nghiệm, Nxb Khoa học

và Kỹ thuật, Hà Nội.

[4] Trần Sỹ Túy, Nguyễn Duy, Nguyễn Văn Tự, Nguyên lý cắt kim

loại, NXB Đại học và trung học chuyên nghiệp, 1977.

[5] Amit Kumar Malik and VK Gorana,Effects on Cutting Forces in

Shaping Operation, European Journal of Advances in Engineering

and Technology, 2015, 2(6): 20-23, ISSN: 2394 - 658X.

[6] Masood Atahar Khan, Jayant K. Kittur, Vishal. Dutt Kohir, Study

and Analysis of Effect of Cutting Parameters on Cutting Forces and

Surface Roughness, Advanced Engineering and Applied Sciences: An International Journal 2015; 5(3): 63-73, ISSN 2320–3927.

[7] M.Tech Scholar, B.P. NandwanaProfessor, M.A. Saloda,M.S. Khidiya,

S. Jindal& S. BarvaliyaAssociate Professor, Assistant Professor,

Professor, M.TechScholar, Experimental Analysis of the Cutting Forces

in Dry Turning of EN8 Steel, Imperial Journal of Interdisciplinary Research (IJIR), Vol-2, Issue-7, 2016, ISSN: 2454-1362.

[8] S. Shankar, S.K. Thangarasu, T. Mohanraj and D.S. Pravien,

Prediction of cutting force in turning process:An experimental and

fuzzy approach, Journal of Intelligent & Fuzzy Systems 28 (2015)

1785–1793, Doi:10.3233/IFS-1.

(BBT nhận bài: 07/06/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 26/06/2017)

Hình 11. Kết quả đo thực nghiệm PZ khi t = 0,5 mm;

vc = 170 m/ph; s = 0,15 mm/vg

48 Dương Thế Hy

TỔNG HỢP COPOLYMER BLOCK TRÊN CƠ SỞ POLY(DIMETHYLSILOXANE)

BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRÙNG HỢP RAFT

SYNTHESIS OF POLY(DIMETHYLSILOXNAE) BASED BLOCK COPOLYMERS

BY RAFT POLYMERIZATION

Dương Thế Hy

Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; dthy@dut.udn.vn

Tóm tắt - Bài báo giới thiệu việc tổng hợp copolymer block trên cơ sở Poly(dimethylsiloxane) (PDMS) bằng phương pháp trùng hợp kiểm soát RAFT, một trong những phương pháp trùng hợp kiểm soát phổ biến hiện nay. Toàn bộ quá trình tổng hợp được tiến hành theo hai bước. Bước một là gắn tác nhân chuyền mạch mang nhóm chức acid carboxylic lên PDMS thương mại có nhóm chức hydroxyl ở cuối mạch bằng phản ứng ester hóa. Bước hai là trùng hợp monomer lên PDMS đã được gắn chất chuyền mạch. Động học quá trình trùng hợp đã được theo dõi và kết quả cho thấy quá trình trùng hợp được kiểm soát tốt, copolymer tạo ra có khối lượng phân tử như mong muốn và độ đa phân tán thấp. Ngoài ra, ảnh hưởng của việc thay thế nhóm chức acid trên chất chuyền mạch bằng nhóm chức ester lên sự kiểm soát quá trình trùng hợp cũng được khảo sát.

Abstract - This paper reports synthesis of poly(dimethylsiloxane) based block copolymers using RAFT polymerization, a well known method of controlled polymerizations. The copolymer synthesis goes through two stages. The first one is attachment of a chain transfer agent having a carboxylic acid function onto a commercial PDMS possessing an alcohol group at a chain end by esterification. The second one is monomer polymerization onto PDMS attached to the chain transfer agent. Kinetic data shows that the polymerization is well controlled. Obtained Block copolymers have average molecular weights close to predicted values and low polydispersities. In addition, influence of replacing acid carboxylic group in the chain transfer agent by an alcohol group on the control of polymerization is investigated.

Từ khóa - trùng hợp kiểm soát; PDMS; ester hóa; động học; độ đa phân tán.

Key words - controlled polymerization; PDMS; esterification; kinetic; polydispersities

1. Đặt vấn đề

Trùng hợp gốc thông thường, cho đến hiện tại, là phương

pháp được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp do nó

có nhiều ưu điểm. Một số ưu điểm nổi bật là việc tạo gốc tự

do dễ dàng, nhiều monomer có thể được trùng hợp bằng

phương pháp này, nhiệt độ trùng hợp không cao, ít nhạy với

tạp chất (ví dụ ẩm, dung môi proton) so với trùng hợp ion

[1]. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có những nhược

điểm. Các nhược điểm quan trọng là rất khó để tổng hợp

copolymer khối hoặc ghép, khó kiểm soát khối lượng phân

tử (KLPT), độ đa phân tán (Đ) và vi cấu trúc phân tử. Các

nhược điểm này xuất phát từ thời gian sống rất ngắn, khoảng

1 giây của các gốc tự do [2]. Trong khoảng thời gian này có

hàng trăm đến hàng ngàn phân tử monomer được gắn vào

gốc tự do để hình thành phân tử polymer.

Phương pháp trùng hợp gốc kiểm soát khắc phục được

những nhược điểm này bằng cách kéo dài thời gian sống của

các gốc tự do lên đến hàng giờ và bằng cách giảm tốc độ cộng

monomer vào gốc tự do. Nguyên tắc của trùng hợp gốc kiểm

soát là thiết lập một sự cân bằng động giữa một lượng nhỏ

gốc tự do hoạt động và lượng lớn còn lại ở dạng không hoạt

động [3]. Với trùng hợp kiểm soát, có thể tạo ra các

copolymer khối [4], [5], ghép [6], [7], hình sao [8], [9]… một

cách dễ dàng với KLPT mong muốn và độ đa phân tán thấp.

Ba phương pháp trùng hợp kiểm soát phổ biến nhất hiện

nay là phương pháp NMP (Nitroxide Mediated

Polymerization) [10], phương pháp ATRP (Atom Transfer

Radical Polymerization) [11] và phương pháp RAFT

(Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer) [12].

Trong phương pháp trùng hợp RAFT, ngoài monomer,

chất khơi mào như trùng hợp gốc thông thường còn sử dụng

chất chuyền mạch (CTA), là các thiocarbonate để tạo ra cân

bằng động như đề cập ở trên. Cấu trúc phân tử CTA có ảnh

hưởng quyết định đến tốc độ trùng hợp và mức độ kiểm

soát KLPT, độ đa phân tán của polymer [13]. KLPT của

polymer có thể dự đoán theo công thức 1.

𝑀𝑛 =[𝑀]0×𝑀𝑚𝑜𝑛𝑜𝑚𝑒𝑟×𝜌

[𝐶𝑇𝐴]0+ 𝑀𝐶𝑇𝐴 (1)

Trong đó: [M]0 là nồng độ mol ban đầu của monomer;

Mmonomer là KLPT tử monomer; là độ chuyển hóa của

monomer; [CTA]0 là nồng độ mol ban đầu của chất chuyền

mạch và MCTA là KLPT chất chuyền mạch.

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp trùng hợp RAFT

để tổng hợp copolymer block trên cơ sở PDMS bằng cách

trùng hợp tert-butyldimethylsilyl methacrylate (MASi) lên

PDMS đã được gắn chất chuyền mạch (PDMS-CTA). Các

polymer trên cơ sở MASi đã được ứng dụng làm chất tạo

màng trong sơn chống nhiễm bẩn từ môi trường biển [14].

Ngoài ra, MASi cũng đã được xác nhận là monomer dễ

trùng hợp bằng phương phương pháp RAFT [15].

2. Thực nghiệm

2.1. Hóa chất

MASi được tặng bởi phòng thí nghiệm MAPIEM, Cộng

hòa Pháp. -hydroxyethylpropoxyl-ω-propyl

poly(dimethylsiloxane) (PDMS-OH) 5000 g.mol-1

(Gelest). 2-(Dodecylthiocarbonothioylthio)-2-

methylpropionic acid (CTA1), 4-cyano-4-

(dodecylsulfanylthiocarbonyl)sulfanylpentanoic acid

(CTA2) (Strem Chemicals), Dicyclohexylcarbodiimide

(DCC), 4-dimethylamino pyridine (DMAP), magiesium

sulfate, silicagel, hexane, methanol, dichloromethane

(DCM) và ethyl acetate (Sigma-Aldrich). Tất cả các hóa

chất trên được sử dụng không qua tinh chế.

2,2-azobis(isobutyronitrile) (AIBN) (Sigma-Aldrich) được

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 49

kết tủa lại trong methanol trước khi sử dụng. Toluene

(Sigma-Aldrich) được chưng cất trước khi sử dụng.

2.2. Tổng hợp PDMS-CTA

Việc tổng hợp PDMS-CTA được tiến hành theo quy

trình đã được mô tả [16], tuy nhiên, có một số thay đổi. Cụ

thể như sau: 2,806 g PDMS-OH (0,5 mmol) và 0,092 g

DMAP (0,75 mmol) được cho vào bình cầu 3 cổ có thanh

khuấy từ và hút chân không trong 2h. Sau đó phá chân

không bằng khí argon và cho 7 mL DCM vào trong khi vẫn

duy trì dòng khí argon. Tiếp tục nhỏ từng giọt dung dịch

chứa 0,273 g CTA1 (0,75 mmol), 0,309 g DCC (1,5 mmol)

trong 7 mL DCM vào. Bình cầu sau đó được ngâm vào bể

dầu đã được gia nhiệt đến 300C và duy trì nhiệt độ này trong

15h. Sau khi kết thúc phản ứng, hỗn hợp được ngâm trong

nước đá trong 3h và lọc để loại bỏ kết tủa. Dung môi được

cho bay hơi bằng hệ thống cô quay chân không. 250 mL

hexane được cho vào để hòa tan sản phẩm và chuyển qua

phểu chiết. Tiến hành chiết 3 lần, mỗi lần với 100 mL

methanol. Dung dịch PDMS-CTA1 trong hexane tiếp tục

được kết tủa trong methanol. Kết tủa PDMS-CTA1 được

hòa tan trở lại trong 100 mL hexane và được loại nước bằng

10 g MgSO4. Lọc bỏ MgSO4 và tiến hành cô quay chân

không để tách loại hexane, sau đó sản phẩm được cho qua

cột sắc kí silicagel với pha động là hỗn hợp hexane/ethyl

acetate. Sản phẩm thu được loại bỏ dung môi và sấy trong

chân không đến khối lượng không đổi.

2.3. Tổng hợp polymer

Homopolymer PMASi được tổng hợp như sau: cho

10 mL dung dịch trong toluene chứa 3 g MASi (15 mmol),

44,4 mg CTA1 (0,12 mmol) và 4 mg AIBN (0,024 mmol)

vào bình cầu 2 cổ dung tích 100 mL. Nồng độ monomer

ban đầu trong hệ phản ứng là 1,5 M và tỷ lệ mol

CTA/AIBN là 5/1. Sục khí argon để loại không khí trong

bình trong 40 phút. Bình phản ứng được ngâm vào bể dầu

đã được gia nhiệt lên 700C. Trong quá trình phản ứng, mẫu

được lấy để phân tích bằng một syringe thông qua nút cao

su trên bình. Kết thúc phản ứng, hỗn hợp phản ứng được

kết tủa trong methanol. Polymer kết tủa được sấy ở 400C

trong chân không đến khối lượng không đổi.

Copolymer được tổng hợp theo quy trình tương tự như

quy trình tổng hợp homopolymer. Sự khác nhau duy nhất

về nguyên liệu phản ứng là thay vì dùng CTA thì ở đây

dùng PDMS-CTA. Giá trị nồng độ monomer ban đầu trong

hỗn hợp phản ứng và tỷ lệ mol PDMS-CTA/AIBN cũng

giống như trong tổng hợp homopolymer.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Xác định mức độ kiểm soát của CTA

Như đã đề cập ở trên, mức độ kiểm soát của quá trình

trùng hợp một monomer phụ thuộc vào cấu trúc phân tử

của CTA. Ở nghiên cứu này 2 CTA được lựa chọn để khảo

sát đối với quá trình trùng hợp MASi. Hình 1 biểu diễn sự

kiểm soát quá trình trùng hợp của 2 CTA được nghiên cứu.

Ở Hình 1a cho thấy quan hệ giữa ln([M]0/[M]). Trong đó

[M]0 và [M] tương ứng là nồng độ monomer ban đầu và tại

thời điểm t, và thời gian phản ứng là quan hệ tuyến tính.

Điều này chứng tỏ rằng nồng độ gốc tự do ở dạng hoạt động

trong hệ phản ứng được duy trì ổn định trong suốt thời gian

này [17]. Ngoài ra Hình 1a còn cho thấy có một khoảng

thời gian mà ở đó tốc độ tiêu thụ monomer gần như bằng

không, thời gian này được gọi là thời gian cảm ứng. Bằng

cách ngoại suy đường xu hướng, thời gian cảm ứng của

CTA1 và CTA2 đối với trùng hợp MASi xác định được

tương ứng là 90 phút và 50 phút. Sở dĩ xuất hiện thời gian

cảm ứng là do sự phân mảnh chậm hoặc sự ngắt mạch của

các gốc trung gian trong giai đoạn tiền cân bằng [18], [19].

Hình 1. (a) Ln([M]0/[M]) phụ thuộc thời gian của sự trùng hợp

MASi sử dụng CTA1 (♦), CTA2 (■), (b) sự biến đổi Mn (TD-SEC)

khi sử dụng CTA1 (♦), CTA2 (■) và sự biến đổi của Đ khi sử dụng

CTA1 (+), CTA 2 (●) theo độ chuyển hóa monomer.

Tỷ lệ mol MASi/CTA/AIBN là 615/5/1. KLPT trung bình số mong

muốn tại độ chuyển hóa monomer 100% là 25 kg.mol-1. Trong

hình b, đường nét đứt là đường xu hướng của số liệu thực nghiệm,

đường nét liền là đường lý thuyết về sự thay đổi KLPT polymer

theo thời gian trùng hợp.

Tuy nhiên, Hình 1b cho thấy sự kiểm soát của CTA1 và

CTA2 đối với quá trình trùng hợp MASi hoàn toàn khác

nhau. Đối với CTA1, ngay khi ở độ chuyển hóa monomer

rất thấp thì KLPT trung bình số của polymer tạo ra đã cao

hơn giá trị mong muốn của polymer cuối cùng, 25 kg.mol-1,

đồng thời biến thiên KLPT polymer theo độ chuyển hóa

monomer không theo quy luật tuyến tính. Điều này chứng

tỏ sự lớn lên của các mạch phân tử polymer trong hệ thống

phản ứng là không đồng đều. Giá trị của độ đa phân tán

nằm trong khoảng từ 1,4 đến 1,6 cũng cho thấy điều đó.

Đối với CTA2, các giá trị KLPT xác định bằng thực

nghiệm rất gần với giá trị tính toán (dựa vào phương trình

1), độ đa phân tán giảm nhanh trong giai đoạn đầu và đạt

giá trị không đổi, khoảng 1,1.

Như vậy có thể thấy việc sử dụng CTA2 trong trùng

hợp MASi cho kết quả tốt hơn so với CTA1. Tuy nhiên,

như đã đề cập ở phần trước, việc thay đổi cấu trúc phân tử

CTA có thể ảnh hưởng đến hiệu quả kiểm soát của nó đối

với sự trùng hợp một monomer nào đó. Do vậy CTA2 vẫn

được sử dụng để tổng hợp chất chuyền mạch cao phân tử

cho quá trình tổng hợp copolymer.

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 20 40 60 80 100

Đ

Mn

(kg

.mo

l-1)

Độ chuyển hóa monomer (%)

0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

0 100 200 300 400 500 600

Ln

([M

] 0/[

M])

Thời gian (phút)

(a)

(b)

50 Dương Thế Hy

3.2. Tổng hợp chất chuyền mạch cao phân tử (PDMS-CTA)

Để tổng hợp copolymer khối bằng phương pháp RAFT

người ta có thể dùng một trong hai cách. Cách thứ nhất là

cho lần lượt các monomer vào hệ phản ứng, cách thứ hai là

gắn chất chuyền mạch lên các phân tử polymer được tổng

hợp trước đó hoặc có sẵn trên thị trường và sau đó trùng

hợp monomer lên chất chuyền mạch cao phân tử này.

Nghiên cứu này sử dụng cách thứ hai. Phản ứng được sử

dụng để gắn chất chuyền mạch lên PDMS thương mại là

phản ứng ester hóa (sơ đồ 1). Do đây là phản ứng thuận

nghịch nên hệ xúc tác DCC/DMAP đã được dùng để tăng

hiệu suất của phản ứng [20]. Kết quả chụp phổ 1H-NMR

cho thấy hầu hết các lần thí nghiệm đều không thấy PDMS-

OH còn dư trong hỗn hợp sau phản ứng. Một vài trường

hợp vẫn còn một lượng nhỏ, khoảng 5% PDMS-OH. Có

thể tách PDMS-OH không phản ứng ra khỏi sản phẩm bằng

cách chạy sắc kí cột silicagel với pha động là hỗn hợp

hexane/ethyl acetate. Hình 2 biểu diễn phổ 1H-NMR (được

đo trên máy Brüker Advance 400 (400 MHz), dung môi

CDCl3, 16 scan) của PDMS-CTA1 sau khi đã tinh chế.

Trên phổ thu được đều có các peak đặc trưng của các

proton trong PDMS và CTA1. Khi tạo thành ester, có sự

dịch chuyển peak của các proton tại carbon số 9 và 10 trong

PDMS ban đầu từ 3,54 ppm và 3,73 ppm đến các vị trí

tương ứng là 3,62 ppm và 4,25 ppm trong sản phẩm. Trên

phổ của sản phẩm không còn xuất hiện 2 peak tại vị trí

3,54 ppm và 3,73 ppm chứng tỏ trong sản phẩm không còn

PDMS-OH. Trong quá trình tinh chế sản phẩm, có thể có

sự mất mát của phần sản phẩm có KLPT thấp, vì vậy KLPT

của sản phẩm cuối cùng phải được xác định lại. Độ trùng

hợp trung bình của PDMS (n trong Hình 2) trong sản phẩm

có thể được tính toán thông qua cường độ peak trên phổ 1H-NMR theo công thức 2.

𝑛 =𝐼0,072 𝑝𝑝𝑚

3𝐼4,25 𝑝𝑝𝑚− 1 (2)

Trong đó: I0,072 ppm và I4,25 ppm là cường độ các peak tương

ứng tại 0,072 ppm (peak số 5) và 4,25 ppm (peak số 10).

Hình 2. Phổ 1H-NMR của PDMS-CTA1 (16 scan trong dung

môi CDCl3)

3.3. Tổng hợp copolymer block

Toàn bộ quy trình tổng hợp copolymer block có thể

được tóm tắt theo sơ đồ 1.

Sơ đồ 1. Quy trình tổng hợp copolymer block

Giai đoạn trùng hợp MASi lên PDMS để tạo ra

copolymer được tiến hành tương tự như tổng hợp

homopolymer, chỉ khác là CTA được thay bằng PDMS-

CTA. Kết quả khảo sát động học cho thấy đối với cả hai chất

chuyền mạch, PDMS-CTA1 và PDMS-CTA2, quan hệ giữa

ln([M]0/[M]) và thời gian phản ứng cũng là quan hệ tuyến

tính (dữ liệu không được giới thiệu). Quan hệ này được duy

trì trong cả hai trường hợp đến độ chuyển hóa monomer trên

80%. Tuy nhiên, cũng giống như trong trường hợp chất

chuyền mạch ban đầu (CTA1 và CTA2), khi sử dụng chất

chuyền mạch PDMS-CTA1 thì sự biến đổi KLPT polymer

trong quá trình phản ứng không như dự đoán theo lí thuyết

(Hình 3a) và sản phẩm cuối cùng có KLPT trung bình số là

45 kg.mol-1, gần gấp đôi so với giá trị mong muốn là 25

kg.mol-1. Giá trị Đ mặc dù giảm dần theo độ chuyển hóa

monomer nhưng giá trị cuối cùng vẫn còn cao. Tín hiệu RI

thu được từ TD-SEC (đo trên máy GPC Max) (Hình 3b) cho

thấy sự dịch chuyển của peak theo thời gian phản ứng về

phía thời gian lưu bé hơn. Điều này chứng tỏ có sự trùng hợp

của MASi lên PDMS. Tuy nhiên các peak đều có 2 đỉnh và

rộng. Đây là kết quả của sự lớn lên không đồng đều của các

phân tử polymer trong hệ thống phản ứng.

Với chất chuyền mạch PDMS-CTA2 thì sự kiểm soát

quá trình trùng hợp là rất tốt. KLPT polymer thu được rất

gần với giá trị tính toán, giá trị Đ bé và giảm dần theo thời

gian (Hình 3a). Peak tín hiệu RI luôn luôn có 1 đỉnh hẹp và

dịch chuyển về phía thời gian lưu bé trong quá trình phản

ứng. Như vậy có thể thấy rằng việc thay nhóm acid trong

các CTA ban đầu bằng nhóm ester không làm thay đổi khả

năng kiểm soát đối với phản ứng trùng hợp MASi.

Hình 3. (a) Sự biến đổi Mn (TD-SEC) khi sử dụng PDMS-CTA1

(♦), PDMS-CTA2 (■) và sự biến đổi của Đ khi sử dụng PDMS-

CTA1 (+), PDMS-CTA 2 (●) theo độ chuyển hóa monomer.

Đường nét đứt là đường xu hướng của số liệu thực nghiệm, đường

nét liền là đường lý thuyết về sự thay đổi KLPT polymer theo thời

gian trùng hợp. (b) tín hiệu RI từ TD-SEC khi sử dụng PDMS-

CTA1(bên trái) và PDMS-CTA2 (bên phải). Các peak từ trái qua

phải tương ứng với thời gian phản ứng là 0h, 2h và 3h. Tỷ lệ mol

MASi/PDMS-CTA/AIBN là 475/5/1. KLPT trung bình số mong

muốn tại độ chuyển hóa monomer 100% là 25 kg.mol-1.

PDMS-OH + HOOC-CTA PDMS-CTA

PDMS-CTA + MASi PDMS-b-PMASi

DCC, DMAP

DCM, 300C

Toluene, 700C

AIBN

1

1,4

1,8

2,2

2,6

3

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 20 40 60 80 100

Đ

Mn

(kg

.mo

l-1)

Độ chuyển hóa monomer (%)

(a)

(b)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 51

4. Kết luận

Việc thay nhóm chức acid bằng nhóm chức ester trong

các CTA khảo sát không làm thay đổi khả năng kiểm soát

của chúng trong trùng hợp MASi. Chất chuyền mạch cao

phân tử đã được tổng hợp và được sử dụng để tổng hợp

copolymer block. Sự kiểm soát của quá trình trùng hợp đã

được xác nhận qua việc theo dõi động học của phản ứng

trùng hợp. Copolymer thu được có KLPT như mong muốn

và độ đa phân tán thấp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] P. B. Zetterlund, Y. Kagawa, and M. Okubo, “Controlled/Living

Radical Polymerization in Dispersed Systems”, Chem. Rev., vol. 108, no. 9, pp. 3747–3794, Sep. 2008.

[2] A. Goto and T. Fukuda, “Kinetics of living radical polymerization”,

Prog. Polym. Sci., vol. 29, no. 4, pp. 329–385, Apr. 2004.

[3] “Wiley: Controlled and Living Polymerizations: From Mechanisms to

Applications - Krzysztof Matyjaszewski, Axel H. E. Müller.” [Online].

Available: http://www.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-

3527324925.html. [Accessed: 11-May-2017].

[4] T. C. Castle, L. R. Hutchings, and E. Khosravi, “Synthesis of Block

Copolymers by Changing Living Anionic Polymerization into Living Ring Opening Metathesis Polymerization”, Macromolecules,

vol. 37, no. 6, pp. 2035–2040, Mar. 2004.

[5] X. Yu, T. Shi, G. Zhang, and L. An, “Synthesis of asymmetric H-

shaped block copolymer by the combination of atom transfer radical

polymerization and living anionic polymerization”, Polymer, vol. 47, no. 5, pp. 1538–1546, Feb. 2006.

[6] Y. Miura and M. Okada, “Synthesis of densely grafted copolymers

by nitroxide-mediated radical polymerization of styrene using

poly(phenylacetylene)s as a macroinitiator”, Polymer, vol. 45, no.

19, pp. 6539–6546, Sep. 2004.

[7] S. Sawada, A. Suzuki, T. Terai, and Y. Maekawa, “TEMPO addition into

pre-irradiated fluoropolymers and living-radical graft polymerization of styrene for preparation of polymer electrolyte membranes”, Radiat.

Phys. Chem., vol. 79, no. 4, pp. 471–478, Apr. 2010.

[8] B. Barboiu and V. Percec, “Metal Catalyzed Living Radical

Polymerization of Acrylonitrile Initiated with Sulfonyl Chlorides”,

Macromolecules, vol. 34, no. 25, pp. 8626–8636, Oct. 2001.

[9] D. Boschmann and P. Vana, “Z-RAFT Star Polymerizations of

Acrylates:  Star Coupling via Intermolecular Chain Transfer to

Polymer”, Macromolecules, vol. 40, no. 8, pp. 2683–2693, Apr. 2007.

[10] M. K. Georges, R. P. N. Veregin, P. M. Kazmaier, and G. K. Hamer,

“Narrow molecular weight resins by a free-radical polymerization process”, Macromolecules, vol. 26, no. 11, pp. 2987–2988, May 1993.

[11] J.-S. Wang and K. Matyjaszewski, “‘Living’/Controlled Radical

Polymerization. Transition-Metal-Catalyzed Atom Transfer Radical

Polymerization in the Presence of a Conventional Radical Initiator”,

Macromolecules, vol. 28, no. 22, pp. 7572–7573, Oct. 1995.

[12] J. Chiefari et al., “Living Free-Radical Polymerization by Reversible

Addition−Fragmentation Chain Transfer:  The RAFT Process”,

Macromolecules, vol. 31, no. 16, pp. 5559–5562, Aug. 1998.

[13] D. J. Keddie, G. Moad, E. Rizzardo, and S. H. Thang, “RAFT Agent

Design and Synthesis”, Macromolecules, vol. 45, no. 13, pp. 5321–5342, Jul. 2012.

[14] C. Bressy and A. Margaillan, “Erosion study of poly(trialkylsilyl

methacrylate)-based antifouling coatings”, Prog. Org. Coat., vol.

66, no. 4, pp. 400–405, Oct. 2009.

[15] M. N. Nguyen, C. Bressy, and A. Margaillan, “Controlled radical

polymerization of a trialkylsilyl methacrylate by reversible

addition–fragmentation chain transfer polymerization”, J. Polym. Sci. Part Polym. Chem., vol. 43, no. 22, pp. 5680–5689, Oct. 2005.

[16] M. L. Wadley and K. A. Cavicchi, “Synthesis of

polydimethylsiloxane-containing block copolymers via reversible

addition fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization”, J.

Appl. Polym. Sci., vol. 115, no. 2, pp. 635–640, Jan. 2010.

[17] C. Barner-Kowollik, Handbook of RAFT Polymerization. John

Wiley & Sons, 2008.

[18] G. Moad, Y. K. Chong, A. Postma, E. Rizzardo, and S. H. Thang,

“Advances in RAFT polymerization: the synthesis of polymers with defined end-groups”, Polymer, vol. 46, no. 19, pp. 8458–8468, Sep. 2005.

[19] H. De Brouwer, M. A. J. Schellekens, B. Klumperman, M. J.

Monteiro, and A. L. German, “Controlled radical copolymerization

of styrene and maleic anhydride and the synthesis of novel

polyolefin-based block copolymers by reversible addition–fragmentation chain-transfer (RAFT) polymerization”, J. Polym.

Sci. Part Polym. Chem., vol. 38, no. 19, pp. 3596–3603, Oct. 2000.

[20] A. J. D. Magenau, N. Martinez-Castro, and R. F. Storey, “Site

Transformation of Polyisobutylene Chain Ends into Functional

RAFT Agents for Block Copolymer Synthesis”, Macromolecules, vol. 42, no. 7, pp. 2353–2359, Apr. 2009.

(BBT nhận bài: 18/05/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 25/07/2017)

52 Trần Phi Líp King, Lưu Đức Bình

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐỘ TRÒN

DESIGNING AND MANUFACTURING ROUNDNESS MEASURING EQUIPMENT

Trần Phi Líp King1, Lưu Đức Bình2 1Công ty Cổ phần Ô tô Trường Hải; trankingqn91@gmail.com

2Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; ldbinh@dut.udn.vn

Tóm tắt - Thực tiễn cho thấy rằng, trên 70% sản phẩm cơ khí có các bề mặt dạng trụ tròn. Một trong bốn chỉ tiêu đánh giá chất lượng sản phẩm cơ khí là độ chính xác hình dáng hình học, trong đó chỉ tiêu quan trọng nhất đối với bề mặt dạng trụ là độ tròn. Việc xác định độ tròn thường bằng thủ công (với đồng hồ so, thước đo dài…) hoặc bằng máy đo độ tròn. Mặc dù máy đo độ tròn có nhiều tính năng, độ chính xác cao; song thực tế ở Việt Nam hiện nay chưa có cơ sở nào chế tạo loại thiết bị này. Từ đó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu, xây dựng được phương án thiết kế và chế tạo thành công thiết bị đo độ tròn cho các chi tiết có khối lượng nhỏ hơn 10kg, đường kính nhỏ hơn 100 mm, với độ chính xác 1μm.

Abstract - The reality shows that over 70% of mechanical products have circular cylindrical surfaces. One of the four criteria of the quality of mechanical products is geometric precision. Particularly, the most important criteria for the cylindrical surface is roundness. Determination of roundness is usually done manually (with indicator, metrometer...) or by roundness measuring equipment. Although the measuring machine has many features and high accuracy, in reality, there are no manufactures for such equipment in Vietnam yet. Therefore, we have conducted research and built a successful design and manufacture of roundness measuring equipment for details(samples) of less than 10kg in weight, less than 100mm in diameter, with a precision of 1μm.

Từ khóa - thiết bị đo độ tròn; đo lường; phương pháp đo; sai lệch biên dạng tròn; ứng dụng đo độ tròn trong cơ khí.

Key words - roundness measuring instrument; metrology; measurement method; roundness deformation deviation; application of roundness measurement in the mechanical industry.

1. Đặt vấn đề

Để đánh giá chất lượng sản phẩm cơ khí, cần dùng 4

chỉ tiêu về độ chính xác kích thước, hình dáng hình học, vị

trí tương quan và chất lượng bề mặt. Với bề mặt dạng trụ,

chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá độ chính xác hình dáng

hình học là độ tròn.

Sai lệch độ tròn là khoảng cách lớn nhất từ các điểm

của profin thực tới đường tròn áp đo trong mặt cắt ngang

vuông góc với đường tâm trụ. Để xác định sai lệch độ tròn,

thường dùng các biện pháp đo bằng đồng hồ so, bằng thước

kẹp hoặc bằng máy đo độ tròn [1].

Dĩ nhiên đo bằng máy đo độ tròn sẽ cho kết quả chính

xác cao, lưu và xử lý số liệu thuận lợi và đơn giản. Do đó,

hầu hết các nghiên cứu tại Việt Nam về lĩnh vực đo độ tròn

tập trung vào loại thiết bị này. Tác giả Vũ Toàn Thắng [6]

nghiên cứu phương pháp tính sai lệch độ tròn, độ cạnh từ

bộ số liệu đo; xây dựng mô hình thực nghiệm máy đo sai

lệch độ tròn có sự kết hợp đồng bộ của đệm khí quay, bàn

điều chỉnh đàn hồi, các đầu đo dịch chuyển dài và dịch

chuyển góc số hóa - ghép nối với máy tính và chương trình

sử lý số liệu đo, hoạt động theo đúng yêu cầu của một máy

đo sại lệch độ tròn hoàn chỉnh. Tác giả Tạ Thị Thúy Hương

[7] xác lập được kỹ thuật tính toán ổ khí quay tĩnh với kết

cấu đệm khí rãnh bằng phương pháp điện khí tương đương;

nghiên cứu, phân tích được các yếu tố ảnh hưởng tới khả

năng làm việc của ổ khí, đưa ra biện pháp công nghệ gia

công các chi tiết của ổ; ứng dụng để thiết kế, chế tạo các

loại ổ khí quay dùng trong đo lường; nghiên cứu, thiết kế,

chế tạo thành công mô hình thực nghiệm đo độ tròn sử

dụng ổ khí quay kết hợp 3 đầu đo trong điều kiện công nghệ

gia công cơ khí tại Việt Nam. Tác giả Vũ Thị Tâm [8] đánh

giá tổng quan về các phương pháp đo trên máy CMM, cơ

sở toán học, các phép đo công cụ toán về phép đo và sử lý

số liệu; xây dựng thuật toán mới xác định sai lệch độ tròn,

đồng thời viết chương trình ứng dụng trên máy CMM 544

Mitutoyo. Với các nghiên cứu tại nước ngoài, thường tập

trung vào việc loại bỏ độ lệch tâm tức thời trong phép đo

độ tròn như kết hợp nhiều đầu đo (Wei Gao [9]), đặt đầu

đo ở các góc khác nhau (G.X. Zhang [10]), …

Với mục đích chế tạo ra thiết bị đo độ tròn có độ chính xác

tương đối cao, số liệu đo được chuyển về máy tính, … nhưng

lại có giá thành thấp, dễ sử dụng, dễ điều chỉnh, sửa chữa, …

Chúng tôi đã nghiên cứu, lựa chọn được phương án thiết kế

và chế tạo thành công loại thiết bị đo độ tròn như trên, ứng

dụng rất tốt cho các cơ sở sản xuất cũng như đào tạo.

2. Thiết kế, chế tạo thiết bị đo độ tròn

Hiện nay, nguyên lý máy đo độ tròn được chia thành

hai kiểu theo phương pháp tạo đường tròn lý tưởng là đầu

đo quay - chi tiết đứng yên hoặc chi tiết quay - đầu đo đứng

yên, như Hình 1.

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý máy đo độ tròn

Các loại máy đo độ tròn trên có thể có các bộ biến đổi

cảm ứng điện hoặc khí nén đóng vai trò các hệ thống đo.

Loại đầu đo quay - chi tiết đứng yên (Hình 1a) có ưu điểm

là trục chính mang đầu đo không tiếp nhận toàn bộ trọng

lượng chi tiết đo nhưng lại hạn chế kích thước đo do chiều

dài mũi đo có hạn. Loại chi tiết quay - đầu đo đứng yên

(Hình 1b) ít bị hạn chế về kích thước đo được nhưng lại

mang khối lượng vật đo khi quay nên loại này thường dùng

các loại ổ đỡ đặc biệt như đệm không khí, đệm từ…

Chúng tôi chọn thiết bị sẽ chế tạo theo sơ đồ nguyên lý

kiểu 1b với chi tiết đo được có kích thước đường kính trung

bình (<100), khối lượng 10kg, độ chính xác đo 1m.

Đầu đo

Chi tiết Chi tiết

Đầu đo

a) b)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 53

2.1. Thiết kế cơ khí

2.1.1. Lựa chọn phương án thiết kế

Như đã nói ở trên, sơ đồ nguyên lý thiết kế chọn là chi

tiết quay, đầu đo đứng yên. Do vậy, cần phân tích lựa chọn

các phương án truyền động và gá đặt chi tiết.

a. Chọn phương án gá đặt chi tiết

Yêu cầu khi gá đặt chi tiết trên máy đo độ tròn là phải

đảm bảo độ đồng tâm của chi tiết và tâm quay, thao tác gá

đặt nhanh chóng, lực kẹp không cần lớn.

Nếu sử dụng bàn từ quay dẫn động bằng động cơ sẽ

đảm bảo được độ cứng vững cao. Tuy nhiên, phương án

này không đảm bảo được độ đồng tâm giữa trục chính và

tâm quay của chi tiết khi thiết bị làm việc. Hơn thế nữa giá

thành cũng khá cao.

Hình 2. Bàn từ quay

Sử dụng các trang bị công nghệ đã tiêu chuẩn như mâm

cặp 3 chấu hay ống kẹp đàn hồi sẽ đảm bảo được độ sai

lệch giữa trục chính và tâm quay của chi tiết là thấp, giá

thành cũng rẻ hơn rất nhiều so với bàn từ quay. Tuy nhiên,

mâm cặp 3 chấu lại dễ thao tác và các kết cấu cơ khí để liên

kết mâm cặp cũng đơn giản.

Hình 3. Mâm cặp 3 chấu và ống kẹp đàn hồi

Do đó, chúng tôi chọn mâm cặp 3 chấu làm trang bị gá

đặt cho chi tiết của thiết bị.

b. Chọn phương án truyền động

Khi đo độ tròn, tốc độ quay là rất nhỏ và chỉ cần quay

1 vòng. Do vậy, có thể chọn phương án truyền động bằng

động cơ điện thông qua bộ truyền trục vít – bánh vít để

giảm tốc độ (Hình 4).

Tuy nhiên, do tải trọng cần truyền động là nhỏ, kết hợp

với tốc độ nhỏ và chỉ quay 1 vòng/lần đo. Do đó, việc lựa

chọn động cơ bước là phù hợp hơn so với động cơ điện

thông thường. Khi đó, chỉ cần sử dụng bộ truyền đai để

quay mâm cặp (Hình 5).

Hình 4. Phương án truyền động bằng động cơ điện

và bộ truyền trục vít – bánh vít

Hình 5. Phương án truyền động bằng động cơ bước và

bộ truyền đai

Như vậy, sơ đồ nguyên lý của thiết bị đo độ tròn được

thiết kế như sau (Hình 6):

Hình 6. Sơ đồ nguyên lý máy thiết kế

Chi tiết đo 5 đặt lên bàn quay 7 được dẫn động bằng ổ

quay 4, trên bàn quay có bộ phận điều chỉnh để chỉnh tâm

chi tiết về trùng với tâm của bàn quay. Khi đo bàn mang

chi tiết quay, encoder 2 và đầu đo 6 dịch chuyển hướng

kính quanh chi tiết cho biết thông tin về vị trí góc quay θ

và bán kính đo R, quay chi tiết trên toàn vòng 3600 được

một bộ thông số đo (Ri,θi) với i = 1÷ n.

Giả sử chi tiết 5 có tâm O’, hệ thống bàn quay 7 có tâm

O. Nếu chi tiết được đặt lên bàn đo sao cho O’ trùng với O

54 Trần Phi Líp King, Lưu Đức Bình

thì biến thiên bán kính nhận được lên một đầu đo đặt hướng

kính sẽ mô tả profile bề mặt chi tiết, khi đó ta sẽ xác định

được sai lệch độ tròn.

2.1.2. Tính chọn các thông số

a. Chọn động cơ

Chọn bộ truyền đai răng với tỉ số truyền i = 2, số vòng

quay mâm cặp 5 n 10 (vg/ph). Chọn hiệu suất ổ lăn

1 = 0,99; của bộ truyền đai là 2 = 0,98 [9].

Số vòng quay của động cơ là:

5.2 10.210,416( / ) 20,8( / )

0,96 0,96dcvg ph n vg ph

Chọn loại động cơ bước kết hợp với driver điều khiển,

có góc bước 1.80

Từ thực nghiệm, lực động cơ cần thiết là 40 (N)

Công suất yêu cầu:

. 40.0,1

0,0041000 1000

yc

P vN kW

Công suất của động cơ:

0,004

0,004160,96

yc

ct

NN kW

Chọn động cơ có định mức điện áp 5V, dòng I = 2A

Do đó công suất N = U.I = 5.2 = 10W, phù hợp với công

suất yêu cầu.

b. Chọn mâm cặp

Với chi tiết đo có kính thước trung bình Φ <100 nên ta

lựa chọn mâm cặp có thông số kỹ thuật như Bảng 1.

Hình 7. Các thông số kỹ thuật chính mâm cặp

Bảng 1. Các thông số kỹ thuật của mâm cặp được chọn

A B C D E F G H

112 59 80 95 24 4.5 3-M8 42

2.2. Thiết kế hệ thống thu nhận dữ liệu

2.2.1. Chọn đồng hồ so

Chọn đồng hồ so Mitutoyo, số hiệu 543-280 với dải đo:

0 – 12,7mm; độ phân giải 0,001mm; đường kính trục gá

đồng hồ 8mm.

Sử dụng chân gá đồng hồ so Mitutoyo có các đường

kính lỗ dùng được là 4mm; 8mm; 9,53mm.

Hình 7. Đồng hồ so và chân gá

2.2.2. Encoder và cáp truyền dữ liệu

Chọn Encoder có các thông số kỹ thuật như sau:

- Đường kính 8mm;

- Độ phân giải 300 xung/vong;

- Pha ngõ ra 3 pha A, B, Z;

- Tần số đáp ứng Max 300Khz;

- Ngõ ra: ngõ ra totem pole;

- Nguồn cấp 12-24 VCD ± 5%; - Trở kháng cách ly: MIN 100MΩ.

Việc chọn cáp truyền dữ liệu phải đồng bộ với đồng hồ

và phải nhận được thông tin từ đồng hồ so chuyển qua máy

tính dưới dạng file Excel, do vậy chọn cáp nối SPC.

Tóm lại, ta có được sơ đồ thu nhận dữ liệu như sau:

Hình 8. Sơ đồ hệ thống thu nhận dữ liệu

2.2.3. Hệ thống xử lý dữ liệu

Sau khi ta đã chuyển đổi tín hiệu đo thành tín hiệu điện

áp, nghĩa là mỗi dịch chuyển 0,001 của đồng hồ so thành

một chu kỳ tín hiệu sin. Biến tín hiệu điện áp thành tín hiệu

đếm. Bộ đếm sẽ thực hiện phép đếm từng chu kỳ tín hiệu.

Như vậy, nếu đồng hồ dịch chuyển 0,001mm thì bộ đếm sẽ

nhảy một đơn vị đếm.

Để tín hiệu điện áp chuyển thành tín hiệu đếm, ta cần

phải chuyển đổi tín hiệu điện áp thành tín hiệu xung. Bộ

đếm được thiết kế dựa trên cơ sở đếm sườn xung. Mỗi một

chu kỳ tín hiệu sẽ chỉ có một thời điểm xung lên do đó việc

đếm xung sẽ không bị lỗi trong cùng một chu kỳ.

Tín hiệu thu nhận được sẽ chuyển trực tiếp vào file

Excel. Tại đây, chúng ta có thể tính toán sai lệch độ tròn

bằng cách viết các chương trình xử lý số liệu.

2.3. Lắp ráp, chế tạo thiết bị

Với các thông số của hệ thống cơ khí và hệ thống thu

nhận dữ liệu đã thiết kế; tiến hành lắp ráp, chế tạo các phần

tử tạo thành thiết bị như Hình 9.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 55

Hình 9. Thiết bị đo độ tròn được chế tạo

Để hiệu chỉnh thiết bị sau khi chế tạo, sử dụng vòng bạc

chuẩn 50 và đo thử vòng bạc này.

Nhận định rằng,

- Nếu kết cấu quay định tâm không tốt, vòng bạc chuẩn

tròn tuyệt đối thì số liệu đo nhận được sẽ giống nhau về chu

kỳ. Nhưng lệch pha nhau theo vị trí góc xê dịch của vòng bi.

- Nếu kết cấu quay định tâm không tốt, vòng bạc chuẩn

bị méo thì chu kỳ và biên độ của số đo biến thiên bất kỳ

không giống nhau và cũng không trùng nhau.

- Nếu kết cấu quay định tâm tốt, chu kỳ và độ biến thiên

bán kính sau các lần đo trùng nhau, chính là sai lệch độ tròn.

Hình 10. Kết quả đo độ tròn thể hiện trên Matlab

3. Kết quả và bàn luận

Đã thiết kế, chế tạo thành công thiết bị đo sai lệch độ

tròn với kích thước đường kính trung bình (<100), khối

lượng 10kg, độ chính xác đo 1m.

Thiết bị đã hoạt động chính xác, dữ liệu truyền về máy

tính, phần mềm tính toán và hiển thị kết quả đo hoạt động tốt.

Nghiên cứu đã góp phần khẳng định khả năng có thể

lắp ráp, chế tạo các loại thiết bị đo chính xác với giá thành

rất cạnh tranh, có thể sử dụng tại các cơ sở sản xuất cơ khí

cũng như các phòng thí nghiệm đo lường.

Tuy nhiên, cần hoàn thiện thiết bị hơn về khả năng định

tâm cao của các chấu kẹp sau một thời gian sử dụng, vấn

đề rung động của thiết bị trong quá trình đo, ảnh hưởng của

việc gá đặt chi tiết (đặc biệt là chi tiết dài) đến kết quả đo,

các giải pháp để ổn định tín hiệu, loại trừ nhiễu và sai số

trong quá trình đo.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Lưu Đức Bình, Châu Mạnh Lực, Kỹ thuật đo cơ khí. NXB Giáo dục Việt Nam, 2015.

[2] Nguyễn Phùng Quang, Matlab và simulink cho kỹ sư điều khiển tự

động. NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006.

[3] Nguyễn Tiến Thọ - Nguyễn Thị Xuân Bảy – Nguyễn Thị Cẩm Tú,

Kỹ thuật đo lường kiểm tra trong chế tạo cơ khí, Nhà xuất bản Khoa

học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2005

[4] Hồ Đắc Thọ, Nguyễn Thị Xuân Bảy, Cơ sở kỹ thuật đo trong chế

tạo máy, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1984

[5] Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế máy, Nhà xuất bản Đại học Quốc

gia, 2004.

[6] Vũ Toàn Thắng, Xây dựng phương pháp đo sai lệch độ tròn của các

chi tiết cơ khí trong hệ tọa độ cực. Luận án tiến sỹ kỹ thuật – Đại

học Bách khoa Hà Nội, 2006.

[7] Tạ Thị Thúy Hương, Cơ sở đảm bảo, nâng cao độ chính xác của

phép đo độ tròn, Luận án tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2016.

[8] Vũ Thị Tâm, Thuật toán mới và chương trình Matlab xác định sai

lệch độ tròn từ dữ liệu đo trên máy CMM 544. Luận văn thạc sĩ Kỹ

thuật, Trường ĐH KTCN Thái Nguyên, 2010

[9] Wei GAO, Satoshi KIYONO, Roundness measurement by the

orthogonal mixed method, JSME, 61(589), 1995

[10] G. X. Zhang, R. K. Wang, Four-Point Method of Roundness and

Spindle Error Measurements, CIRP Annals, Manufacturing

Technology, Volume 42, Issue 1, 593-596, 1993

[11] Francis T. Farago, “Handbook of dimensional measurement”.

Industrial press Inc.

[12] Mitutoyo Corporation, Measuring Instruments Catalog, Unied

State of America, 2012

[13] Europa Lehrmittel, Mechanical and Metal trades handbook,

Germany, 2006.

[14] http://mdmetric.com

[15] http://www.roymech.co.uk

[16] http://www.nist.gov

(BBT nhận bài: 17/07/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 27/07/2017)

56 Nguyễn Tùng Linh, Trương Việt Anh, Nguyễn Thanh Thuận

CẢI TIẾN THUẬT TOÁN DI TRUYỀN ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN

TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN CÓ XÉT ĐẾN VỊ TRÍ VÀ CÔNG SUẤT

CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN KẾT NỐI VÀO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

IMPROVEMENT OF GENETIC ALGRITHM FOR DISTRIBUTION NETWORK

RECONFIGURATION PROBLEM WITH THE POSITION AND POWER CAPACITY

OF DISTRIBUTER CONNECTOR GIRD

Nguyễn Tùng Linh1, Trương Việt Anh2, Nguyễn Thanh Thuận3

1Trường Đại học Điện lực; linhnt@epu.edu.vn 2Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh; tvanhspkt@gmail.com

3Trường Cao đẳng nghề Công nghệ cao Đồng An

Tóm tắt - Trong tương lai nguồn năng lượng sạch từ các nguồn điện phân tán (Distributed generation - DG) sẽ đóng vai trò quan trọng trong các lưới điện phân phối. Việc kết nối DG vào lưới điện phân phối sẽ giúp nâng cao độ tin cậy và khả năng cung cấp điện, giảm tổn thất trong quá trình tuyền tải điện năng. Tuy nhiên, nó cũng đòi hỏi một cấu hình lưới hợp lý để nâng cao hiệu quả cung cấp điện cũng như sử dụng hiệu quả các nguồn điện phân tán. Do đó trong bài báo này, nhóm tác giả đề xuất phương pháp xác định vị trí và công suất của nguồn điện phân tán có xét đến bài toán tái cấu trúc lưới điện với hàm mục tiêu là giảm tổn thất công suất tác dụng. Phương pháp đề xuất được kiểm tra trên lưới điện mẫu của IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) và so sánh với các kết quả nghiên cứu khác.

Abstract - In the future, clean energy resources from distributed generation (DG) will play an important role in electrical distribution networks. Location and size of the distributed generators (DGs) and the number of DGs in distribution network system affect distribution network configuration in normal operating conditions and restoration conditions from faults. So, in this article, the authors propose using genetic algorithms to determine the location and capacity of scattered power considering the reconstruction problem of distribution network with the objective of reducing power losses. The proposed is tested on IEEE electric grid and compared with the results of other studies.

Từ khóa - lưới điện phân phối; tái cấu trúc; thuật toán gen; nguồn điện phân tán; giảm tổn thất điện năng.

Key words - electrical distribution network; reconfiguration; genetic algorithms; distributed generation; power loss reduction.

1. Giới thiệu

Cấu trúc hệ thống điện truyền thống có dạng dọc, mạng

phân phối sẽ nhận điện từ lưới truyền tải hoặc truyền tải

phụ sau đó cung cấp đến hộ tiêu thụ điện. Mạng lưới phân

phối có cấu trúc hình tia hoặc dạng mạch vòng nhưng vận

hành trong trạng thái hở. Dòng công suất trong trường hợp

này đổ về từ hệ thống thông qua mạng phân phối cung cấp

cho phụ tải. Vì vậy, việc truyền tải điện năng từ nhà máy

điện đến hộ tiêu thụ sẽ sinh ra tổn hao trên lưới truyền tải

và mạng phân phối (khoảng 10 - 15% tổng công suất của

hệ thống). Với cấu trúc mới của lưới phân phối hiện nay,

do có sự tham gia của các DG, dòng công suất không chỉ

đổ về từ hệ thống truyền tải mà còn lưu thông giữa các phần

của mạng phân phối với nhau, thậm chí đổ ngược về lưới

truyền tải. Cấu trúc này được gọi là cấu trúc ngang.

Với cấu trúc ngang có sự tham gia của các DG, lưới

điện phân phối (LĐPP) thực hiện tốt hơn nhiệm vụ cung

cấp năng lượng điện đến hộ tiêu thụ đảm bảo chất lượng

điện năng, độ tin cậy cung cấp điện và một số yêu cầu an

toàn trong giới hạn cho phép. Đồng thời mang lại nhiều lợi

ích khác như: giảm tải trên lưới điện, cải thiện điện áp,

giảm tổn thất công suất và điện năng, hỗ trợ lưới điện.

Đã có nhiều công trình nghiên cứu về bài toán tái cấu

hình LĐPP với hàm mục tiêu giảm tổn thất trên lưới điện

có kết nối với nhiều DG hoặc không có kết nối DG, tuy

nhiên vị trí và dung lượng của các DG này luôn được cho

trước. Các phương pháp chủ yếu dựa trên các đề xuất của

Merlin và Back [3] - giải quyết bài toán thông qua kỹ

thuật heuristic rời rạc nhánh - biên, Civanlar và các cộng

sự [4] - phương pháp trao đổi nhánh hay các phương pháp

heuristic hoặc meta-heuristic như GA, PSO, CSA mới

cũng được sử dụng để giải quyết bài toán này. Trong khi

đó, bài toán có xét đến vị trí và dung lượng DG chỉ được

xét trên LĐPP hình tia không có sự biến đổi cấu hình của

LĐPP được đề cập trong các nghiên cứu [8-14]. Điều này

đã không giải quyết được trọn vẹn bài toán đặt DG vì khi

có thay đổi cấu hình lưới, vị trí các DG sẽ không phù hợp

để phát huy khả năng ổn định điện áp và giảm tổn thất hay

việc bơm công suất quá lớn của các DG sẽ gây tổn hao

lớn trên LĐPP, gây xung đột giữa lợi ích của điện lực và

lợi ích khách hàng. Việc kết hợp hai bài toán vị trí và dung

lượng của DG với bài toán tái cấu trúc LĐPP [15-17] đã

giải quyết được cả hai mục tiêu là tính kinh tế vì đã tận

dụng tối đa công suất của DG, đồng thời đảm bảo được

hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất trên lưới trong bài

toán tái cấu trúc là nhỏ nhất, do đó việc nghiên cứu này là

cần thiết.

Bài báo này tiếp cận bài toán xác định vị trí và công

suất của các DG trên LĐPP có xét đến bài toán tái cấu

hình vận hành lưới điện với mục tiêu là giảm tổn thất

công suất tác dụng và thỏa mãn công suất bơm vào lưới

của các khách hàng.

Giải pháp xác định vị trí và công suất của các DG tối

ưu và xác định cấu hình vận hành được thực hiện bằng hai

giai đoạn với thuật toán di truyền (GA - Genetic

Algorithm). Trong đó, giai đoạn thứ nhất sử dụng GA xác

định vị trí và công suất tối ưu của các máy phát phân tán

trên LĐPP kín (đóng tất cả các khóa điện); Giai đoạn thứ

hai, giải thuật di truyền được sử dụng để xác định cấu trúc

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 57

vận hành hở tối ưu của hệ thống. Kết quả bài toán được so

sánh với các nghiên cứu [12-15], cho thấy tính hiệu quả của

giải pháp đề xuất.

2. Mô hình bài toán tái cấu trúc có xét đến kết nối

nguồn điện phân tán vào lưới điện phân phối

2.1. Mô hình toán học của bài toán

Xét LĐPP đơn giản như Hình 1. Với 3 vị trí có lắp DG

cho phép không làm mất tính tổng quát khi mô tả tất cả các

trường hợp vị trí khóa mở và vị trí DG. Hàm tổn thất công

suất tác dụng P của LĐPP ở Hình 1 được viết tại biểu thức

(1), dòng điện nhánh trên LĐPP Hình 1 có thể biểu diễn

thành 2 thành phần như Hình 2: nhanh P QI I I . Để mô

tả hàm số P, phụ thuộc vào lượng công suất chuyển tải

hay dòng công suất chuyển tải, có thể sử dụng kỹ thuật bơm

vào và rút ra tại khoá điện đang mở trên nhánh MN cùng

một dòng điện có giá trị là IMN như Hình 3.

Hình 1. LĐPP hở có 3 nguồn DG

Hình 2. Hai thành phần của dòng điện nhánh

Hình 3. Dòng IPMN và IQ

MN rút ra và bơm vào tại khoá MN

Tổn hao công suất của LĐPP trước khi tái cấu hình lưới:

22n ntruoc DG DG DG DGP I I I R I I I R

PA PC QA QCPi i Qi ii 1 i 1

i OA i OA

22n n n nDG DG 2 2I I R I I R I R I RPC QCPi i Qi i Pi i Qi i

i 1 i 1 i 1 i 1

i ABC i ABC i CN i CN

2nDI I R I IPL QLPi i Qi

i 1

i OL

2n n nDG 2 2R I R I R

i Pi i Qi ii 1 i 1 i 1

i OL i LM i LM

Tổn hao công suất của LĐPP sau khi tái cấu trúc:

2nsau DG DG MNP I I I I R

PPA PCPi ii 1

i OA

2 2n nbu bu MN DG MNI I I I R I I I R

PQA QC Q PCQi i Pi ii 1 i 1

i OA i ABC

2 2n nDG MN MNI I I R I I R

PQC QQi i Pii 1 i 1

i ABC i CN

2MNI IQQi

i 1

i CN

2n nDG MNR I I I RPL Pi Pi i

i 1

i OL

2 2n nDG MN MNI I I R I I R

PQL QQi i Pi ii 1 i 1

i OL i LM

2 22nMN MN MNI I R I R I R

P MN MNQ QQi ii 1

i LM

Khi đó, bài toán xác định khóa mở trở thành bài toán

xác định giá trị bơm vào và rút ra Pj, Qj để tổn thất công

suất tác dụng là bé nhất.

Hay có thể biểu diễn bài toán trở thành tìm MN

PI và MN

QI

để giá trị P của lưới điện Hình 1 đạt cực tiểu thì: sau

MN

P

P0

I

và

sau

MN

Q

P0

I

nsauDG DG MN

PPA PCPi iMNi 1Pi OA

n nDG MN MN

P PPCPi i Pi ii 1 i 1i ABC i CN

n nQG MN MN MNPL P P P MNPi i Pi i

i 1 i 1i OL i LM

P0 I I I I R

I

I I I R I I R

I I I R I I R I R 0

nsaubu bu MNQA QC QQi iMN

i 1Qi OA

n nbu MN MNQC Q QQi i Qi i

i 1 i 1i ABC i CN

n nbu MN MN MN

MNQL Q Q QQi i Qi ii 1 i 1i OL i LM

P0 I I I I R

I

I I I R I I R

I I I R I I R I R 0

Giải ra được

𝐼𝑃𝑀𝑁 =

1

𝑅𝐿𝑜𝑜𝑝 [∑ 𝐼𝑃𝑖𝑅𝑖 − ∑ 𝐼𝑃𝑖𝑅𝑖𝑛𝑖=1

𝑖∈𝑂𝑁

𝑛𝑖=1

𝑖∈𝑂𝑀

] +

1

𝑅𝐿𝑜𝑜𝑝 [𝐼𝑃𝐴𝐷𝐺 ∑ 𝑅𝑖

𝑛𝑖=1

𝑖∈𝑂𝐴

+ 𝐼𝑃𝐶𝐷𝐺 ∑ 𝑅𝑖

𝑛𝑖=1

𝑖∈𝑂𝐶

− 𝐼𝑃𝐿𝐷𝐺 ∑ 𝑅𝑖

𝑛𝑖=1

𝑖∈𝑂𝐿

] (3)

𝐼𝑄𝑀𝑁 =

1

𝑅𝐿𝑜𝑜𝑝 [∑ 𝐼𝑄𝑖𝑅𝑖 − ∑ 𝐼𝑄𝑖𝑅𝑖𝑛𝑖=1

𝑖∈𝑂𝑁

𝑛𝑖=1

𝑖∈𝑂𝑀

] +

1

𝑅𝐿𝑜𝑜𝑝 [𝐼𝑄𝐴𝐷𝐺 ∑ 𝑅𝑖

𝑛𝑖=1

𝑖∈𝑂𝐴

+ 𝐼𝑄𝐶𝐷𝐺 ∑ 𝑅𝑖

𝑛𝑖=1

𝑖∈𝑂𝐶

− 𝐼𝑄𝐿𝐷𝐺 ∑ 𝑅𝑖

𝑛𝑖=1

𝑖∈𝑂𝐿

] (4)

Biểu thức (3) và (4) cho thấy việc đặt DG vào LĐPP sẽ

làm vị trí khóa mở sẽ thay đổi do các giá trị IPMN và IQ

MN

thay đổi khi có DG. Điều này cho thấy việc đặt DG tối ưu

trên LĐPP hình tia rồi mới xét đến bài toán tái cấu hình

LĐPP là không phù hợp.

Từ nhận xét trên, tác giả đề xuất một trình tự giải bài

toán xác định vị trí và dung lượng DG các bước như sau:

Inhánh

Ipnhánh

Iqnhánh

Iq

Ip

(1)

(2)

58 Nguyễn Tùng Linh, Trương Việt Anh, Nguyễn Thanh Thuận

• Đóng tất cả các khóa điện tạo thành LĐPP kín. Điều

chỉnh điện áp tại tất cả các nguồn (trạm biến áp cấp cho

LĐPP) có giá trị bằng nhau

• Tối ưu vị trí và công suất các nguồn phân tán trên lưới

điện kín sử dụng các thuật toán tối ưu sao cho tổn thất công

suất bé nhất.

• Tối ưu cấu trúc vận hành lưới điện phân phối sử dụng

các thuật toán tối ưu sao cho tổn thất công suất trên hệ

thống là bé nhất.

2.2. Hàm mục tiêu và các điều kiện ràng buộc

Tổn thất công suất của hệ thống bằng tổng tổn thất trên

các nhánh.

Ploss = ∑ ki∆Pi

Nbr

i=1

= ∑ ki. Ri. |Ii|2

Nnr

i=1

= ∑ kiRi

Pi2 + Qi

2

Vi2

Nbr

i=1

Trong đó:

ΔPi: tổn thất công suất tác dụng trên nhánh thứ i;

Nbr: tổng số nhánh;

Pi, Qi: công suất tác dụng, công suất phản kháng trên

nhánh thứ I;

Vi, Ii: điện áp nút kết nối của nhánh và dòng điện trên

nhánh thứ I;

Ploss: tổn thất công suất tác dụng của hệ thống;

ki: trạng thái của của các khóa điện, nếu ki = 0 khóa điện

thứ i mở và ngược lại.

Điều kiện ràng buộc

Phương pháp đề xuất được chia làm 2 giai đoạn, do đó

các điều kiện ràng buộc được chia như sau:

Giai đoạn 1: Xác định vị trí và công suất nguồn phân tán.

Giai đoạn 2: Xác định cấu trúc vận hành tối ưu của lưới điện.

Đối với giai đoạn 1, cần thỏa mãn các ràng buộc sau:

Giới hạn công suất phát của các máy phát phân tán:

PDGi,min ≤ PDG,i ≤ PDGi,max, với i = 1, 2, … , NDG

Giới hạn dòng điện trên các nhánh và điện áp các nút

|Ii| ≤ Ii,max, với i = 1, 2, … , Nbus

Vi,min ≤ |Vi| ≤ Vi,max, với i = 1, 2, … , Nbus

Đối với giai đoạn 2, bên cạnh việc phải thỏa mãn các

ràng buộc liên quan đến điện áp các nút và dòng điện trên

các nhánh phải nằm trong giới hạn cho phép, thì ràng buộc

về cấu trúc lưới hình tia là một trong những ràng buộc quan

trọng nhất của bài toán nhằm tìm ra cấu trúc vận hành hình

tia của LĐPP.

3. Đề xuất phương pháp sử dụng giải thuật di truyền

cho bài toán tái cấu trúc có xét đến nguồn phân tán

3.1. Giải thuật di truyền

Trong giai đoạn 1 và 2, thuật toán di truyền được sử

dụng để tối ưu các biến điều khiển. Các bước cơ bản của

thuật toán giải thuật di truyền được thực hiện như sau:

(1) Khởi tạo quần thể: Với các biến điều khiển cho

trước X, chọn ngẫu nhiên một quần thể nhiễm sắc thể

(NST) {𝑋01, 𝑋0

2, … , 𝑋0𝑝

} trong đó mỗi NST 𝑋0𝑖 có thể được

thể hiện bởi một chuỗi mã nhị phân hay các số liên tục. Khi

đó, mỗi NST tương ứng với một giá trị hàm mục tiêu

𝑓(𝑋0𝑖 ), và quần thể tương ứng với tập giá trị hàm mục tiêu

{𝑓(𝑋01), 𝑓(𝑋0

2), … , 𝑓(𝑋0𝑝

)}. Đặt thế hệ k = 0, di chuyển đến

bước tiếp theo.

(2) Lựa chọn: Chọn một cặp NST từ quần thể như là

một cha mẹ. Thông thường, NST với độ thích nghi lớn hơn

có một xác suất được lựa chọn lớn hơn.

(3) Ghép chéo: là hoạt động quan trọng trong thuật toán

Giải thuật di truyền. Mục đích của ghép chéo, là để trao đổi

thông tin đầy đủ giữa các nhiễm sắc thể (NST). Có rất nhiều

phương pháp ghép chéo, như ghép chéo một điểm và ghép

chéo đa điểm.

(4) Đột biến: là hoạt động quan trọng khác trong thuật

toán di truyền. Các đột biến tốt sẽ được giữ lại, và đột biến

xấu sẽ được loại bỏ. Thông thường, các NST với độ thích

nghi kém có xác suất được lựa chọn lớn hơn. Tương tự như

ghép chéo, có đột biến một điểm và đa điểm.

Thực hiện xong bước 2-4, một quần thể mới được sinh

ra thay thế cho thế hệ cha mẹ với một số NST mới và loại

bỏ một số NST xấu. Quần thể mới được đánh giá bằng hàm

thích nghi. Nếu các điều kiện hội tụ được thỏa mãn, thuật

toán sẽ được dừng lại ngược lại thuật toán sẽ quay lại bước

2 và tiếp tục thực hiện các bước tiếp theo.

3.2. Mã hóa các biến trong các giai đoạn

Giai đoạn 1: Các biến cần tối ưu là vị trí và công suất

các máy phát điện phân tán, vì vậy véctơ biến điều khiển

có dạng như sau:

𝑋𝑖 = [𝑉𝑇1𝑖 , … , 𝑉𝑇𝑚

𝑖 , 𝐷𝐺1𝑖 , … , 𝐷𝐺𝑚

𝑖 ] (5)

Trong đó, 𝑉𝑇𝑚𝑖 là vị trí các nút được lắp đặt DG nằm

trong giới hạn là tất cả các nút trong hệ thống trừ nút nguồn,

m là số lượng DG cần lắp đặt, 𝐷𝐺𝑚𝑖 là công suất của DG

cần lắp đặt.

Giai đoạn 2: Các biến cần tối ưu là các khóa điện mở trong

hệ thống, vì vậy véctơ biến điều khiển có dạng như sau:

𝑋𝑖 = [𝑆1𝑖 , 𝑆2

𝑖 … , 𝑆𝑁𝑂𝑖 ] (6)

Trong đó, 𝑆𝑁𝑂𝑖 là khóa điện mở, NO là số lượng khóa

mở để duy trì cấu trúc lưới hình tia.

Lưu đồ giải thuật chi tiết được trình bày trong Hình 4.

Phương pháp xác định vị trí và công suất nguồn phát

trong quy hoạch LĐPP được thực hiện như sau:

Bước 1: Đóng tất cả các khóa điện tạo thành LĐPP kín

Bước 2: Sử dụng giải thuật di truyền xác định vị trí và

công suất các máy phát điện phân tán trên LĐPP giảm tổn

thất công suất.

Bước 3: Cập nhật lại thông số LĐPP có sự xuất hiện

của các nguồn phân tán vừa xác định.

Bước 4: Sử dụng giải thuật di truyền xác định cấu trúc

vận hành hình tia LĐPP giảm tổn thất công suất.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 59

Bắt đầu

Chọn thông số: quần thể N, số biến (vị trí, dung lượng DG), tỉ lệ

đột biến Xm, và tỉ lệ chọn lọc Xkeep, Số vòng lặp lớn nhất Itermax,1

- Khởi tạo ngẫu nhiên quần thể nhiễm sắc thể N

[vị trí DG,..., công suất DG,...]

Giải bài toán phân bố công suất và tính toán tổn thất công suất cho mỗi nhiễm sắc thể

- Giữ lại các nhiễm sắc thể tốt nhất dựa trên tỉ lệ chọn lọc Xkeep

- Chọn các cặp nhiễm sắc thể để ghép chéo

Xuất nhiễm sắc thể tốt nhất (có tổn thất công suất nhỏ nhất)

[vị trí DG, công suất DG]

Iter1 <= Itermax,1

đúng

sai

Thực hiện ghép chéo sử dụng phương pháp đơn điểm

- Thay thể ngẫu nhiên một số gen được chọn dựa trên Xm

- Kiểm tra các giới hạn ràng buộc của các nhiễm sắc thể mới

Kết thúc

Iter1 = Iter1 + 1

Đóng các khóa điện

Chọn thông số: quần thể N, số biến (số khóa điện mở), tỉ lệ đột

biến Xm, và tỉ lệ chọn lọc Xkeep, Số vòng lặp lớn nhất Itermax,2

- Khởi tạo ngẫu nhiên quần thể nhiễm sắc thể N

[s1, s2, …, sn]

Giải bài toán phân bố công suất và tính toán tổn thất công suất cho mỗi nhiễm sắc thể

- Giữ lại các nhiễm sắc thể tốt nhất dựa trên tỉ lệ chọn lọc Xkeep

- Chọn các cặp nhiễm sắc thể để ghép chéo

Xuất nhiễm sắc thể tốt nhất (có tổn thất công suất nhỏ nhất) bao gồm

[các khóa mở]

Iter2 <= Itermax,2

đúng

sai

Thực hiện ghép chéo sử dụng phương pháp đơn điểm

- Thay thể ngẫu nhiên một số gen được chọn dựa trên Xm

- Kiểm tra các giới hạn ràng buộc của các nhiễm sắc thể mới

Iter2 = Iter2 + 1

Cập nhật thông số DG vào thông số lưới

Hình 4. Lưu đồ giải thuật GA cho bài toán tái cấu trúc

4. Kiểm tra trên các lưới mẫu của IEEE

Hệ thống phân phối 33 nút, bao gồm 37 nhánh, 32 khóa

điện thường đóng và 5 khóa điện thường mở. Sơ đồ đơn tuyến

được trình bày trong Hình 5. Tổng công suất thực của tải và

công suất phản kháng của hệ thống tương ứng là 3.72MW và

2.3MVAR. Tổng tổn thất công suất thưc và công suất phản

kháng đối với các trường hợp ban đầu tính từ phân bố công

suất tương ứng là 202.68 kW và 135.14 kVAr. Độ lớn điện áp

nhỏ nhất của hệ thống là 0.9108 p.u. xảy ra tại nút 18.

1

23

1

4

5

67

8

1920

21

33

91011

12

22

35

1819

20

21

87

6

5

4

3

2

91011

1314

1534

1214

1316 17

18 33

36

15

16 17

2627

28

25 2627

32

29

29

23

24

25

37

2223

24

31

30

3231

30

29

Hình 5. Sơ đồ lưới điện 33 nút

Bảng 1. Kết quả thực hiện hai giai đoạn lượi điện 33 nút

Giai đoạn 1 Giai đoạn 2

Vị trí DG (nút) 32; 8; 25 32; 8; 25

PDG (MW) 0,8234;1,1047,

1,1073

0,8234; 1,1047,

1,1073

Khóa mở Không có khóa mở 33, 34, 11, 30, 28

Tổn thất (kW) 41,9082 53, 4274

Umin(pu) 0,9832 0,9685

Umax (pu) 1 1

Giá trị hàm mục tiêu 41,9082 53,4274

Thời gian tính toán (giây) 130,49 39,54

Bảng 1 trình bày kết quả tính toán trong hai giai đoạn.

Giai đoạn 1, vị trí các máy phát phân tán lần lượt được lắp

đặt tại các vị trí tối ưu là nút 32; 8 và 25 với công suất tương

ứng là 0,8234; 1,1047 và 1,1073 MW. Tổn thất công suất

trên lưới điện này là41.9082 kW. Tuy nhiên, cần lưu ý là

cấu trúc lưới trong giai đoạn 1 là cấu trúc lưới điện kín và

tổn thất công suất trên lưới điện kín là tổn thất bé nhất mà

lưới điện phân phối có thể đạt được. Sau khi xác định được

vị trí và công suất tối ưu của máy phát phân tán trên cấu

trúc lưới kín, giai đoạn 2 được thực hiện để tìm các khóa

điện mở. Cấu trúc lưới thu được với các khóa mở là 33; 34;

11; 30 và 28 tương ứng với tổn thất công suất 53.4274 kW.

Tổng tổn thất công suất đã được giảm 73,64% so với chưa

thực hiện tối ứu lưới điện Ngoài ra, điện áp thấp nhất trong

hệ thống đã được cải thiện từ 0,91081 tới 0,9685pu.

Quá trình hội tụ của giai đoạn 1 và giai đoạn 2 được thể

hiện trong các Hình 6, 7. Thời gian thực hiện tính toán trên

máy tính cá nhân core i3, ram 2G khoảng 170 s cho cả hai

giai đoạn.

Hình 6. Đặc tính hội tụ giải thuật di truyền giai đoạn 1

Hình 7. Đặc tính hội tụ giải thuật di truyền giai đoạn 2

Điện áp các nút trong hệ thống sau khi thực hiện hai giai

60 Nguyễn Tùng Linh, Trương Việt Anh, Nguyễn Thanh Thuận

đoạn được cho ở Hình 8. Từ Hình 8 cho thấy, điện áp các nút

trong giai đoạn 1 tốt hơn so với giai đoạn 2. Điều này khẳng

định, sự tối ưu của cấu trúc vận hành kín so với cấu trúc vận

hành hở. Do đó, nếu các thiết bị bảo vệ lưới điện đáp ứng nhu

cầu vận hành kín, thì việc vận hành LĐPP kín có nhiều ưu

điểm về tổn thất và điện áp các nút trên toàn hệ thống.

Hình 8. Điện áp các nút trong hai giai đoạn tính toán

Tuy nhiên, mặc dù điện áp các nút không tốt hơn cấu

trúc vận hành kín, nhưng rõ ràng điện áp các nút sau giai

đoạn 2 đã được cải thiện đáng kể so với cấu trúc ban đầu,

điều này được thể hiện bằng sự so sánh với điện áp ban đầu

tại Hình 8. Cấu trúc lưới và vị trí lắp đặt máy phát phân tán

tối ưu trên hệ thống được trình bày trên Hình 9.

Hình 9. Điện áp trước và sau khi tối ưu lưới điện

Cấu trúc tối ưu sau khi tính toán, Hình 10.

1

23

1

4

5

67

8

1920

21

33

91011

12

22

35

1819

20

21

87

6

5

4

3

2

91011

1314

1534

1214

1316 17

18 33

36

15

16 17

2627

28

25 2627

32

28

29

23

2425

37

2223

24

31

30

3231

30

29

G

G

G

Hình 10. Cấu trúc lưới tối ưu

Kết quả so sánh giữa các phương pháp được trình bày

trong Bảng 2 và Bảng 3. Từ kết quả so sánh cho thấy, ở

thành phần tổn thất công suất, phương pháp đề xuất có cấu

trúc lưới tối ưu với tổn thất công suất 53,43 kW so với

73,05 kW khi thực hiện bằng HSA và 67,11 kW với FWA.

Trong khi, điện áp nhỏ nhất tại các nút trong hệ thống là

gần như tương tự nhau với điện áp nhỏ nhất trên hệ thống

được thực hiện bằng phương pháp đề nghị, HSA và FWA

lần lượt là 0,9685, 0,9700 và 0,9713 p.u. Đối với thuật toán

CSA, tổn thất công suất thu được của phương pháp đề nghị

gần bằng với phương pháp CSA với tổn thất công suất của

hai phương pháp lần lượt là 53,43 kW và 53,21 kW. Từ kết

quả so sánh trong Bảng 2 ta nhận thấy phương pháp đề xuất

có Umin là 0.9685 thấp hơn so với điện áp Umin của phương

pháp CSA là 0.9806pu tuy nhiên vẫn nằm trong giới hạn

cho phép. Các thông số tổn thất công suất, các điều kiện

khóa mở/đóng, công suất huy động của nguồn điện phân

tán của phương án đề xuất so với các phương án trong bảng

so sánh là khả thi để thực hiện.

Bảng 2. So sánh kết quả thực hiện với cấu trúc ban đầu

LĐPP ban đầu

không có DG

LĐPP hở có

DG đề xuất

Vị trí DG (nút) Không 32; 8; 25

PDG (MW) Không 0,8234; 1,1047;

1,1073

Khóa mở 33; 34; 35; 36; 37 33; 34; 11; 30; 28

Tổn thất (kW) 202.68 53,4274

Umin(pu) 0,9108 0,9685

Umax (pu) 1 1

Giá trị hàm mục tiêu Không 53,4274

Thời gian tính toán (giây) Không 39,54

Bảng 3. So sánh kết quả thực hiện với các phương pháp

Phương pháp

đề nghị HSA [11]

FWA

[13] CSA [14]

Vị trí DG

(nút) 32; 8; 25 32;31; 33 32; 29; 18 18; 25; 7

P

DG(MW)

0,8234

1,1047

1,1073

P∑=3,035

0,5258

0,5586

0,5840

P∑=1,6684

0,5367

0,6158

0,5315

P∑=1,68

0,8968

1,4381

0,9646

P∑=3,299

Khóa mở 33; 34; 11;

30; 28

7; 14; 10;

32; 28

7; 14; 11;

32; 28

33; 34; 11;

31; 28

Ptt (kW) 53,43 73,05 67,11 53,21

Umin (pu) 0,9685 0,9700 0,9713 0,9806

5. Kết luận

Bài báo này tiếp cận bài toán xác định vị trí và công

suất máy phát điện phân tán trên LĐPP có xét đến cấu trúc

vận hành lưới điện với mục tiêu là giảm tổn thất công suất

tác dụng trên hệ thống phân phối. Giải pháp xác định vị trí

và công suất máy phát điện phân tán tối ưu và xác định cấu

trúc vận hành được thực hiện riêng rẽ bằng hai giai đoạn

sử dụng thuật toán di truyền. Trong đó, giai đoạn 1 sử dụng

thuật toán di truyền xác định vị trí và công suất tối ưu của

các máy phát phân tán trên lưới điện phân phối kín; Giai

đoạn 2 giải thuật di truyền được sử dụng để xác định cấu

trúc vận hành hở tối ưu của hệ thống. Từ kết quả của việc

áp dụng thử nghiệm phương pháp vào hệ thống mạng 33

nút, phương pháp thực hiện đơn giản, rút ngắn thời gian

thực hiện cho giải thuật di truyền vì số lượng biến cần tối

ưu trong mỗi lần thực hiện là tương đối nhỏ. Kết quả thực

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 61

hiện so sánh với một số nghiên cứu cho thấy sự phù hợp

của phương pháp đề xuất.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] S. Kalambe and G. Agnihotri, “Loss minimzation techniques used

in distribution network: Bibliographical survey”, Renew. Sustain.

Energy Rev., vol. 29 pp. 184-200, 2014.

[2] T.T. Nguyen and A. V. Truong, “Distribution network

reconfiguration for power loss minimization and voltage profile improvement using cuckoo seach algorithm”, Int. j. Electr. Power

Energy Syst., vol. 68, pp. 233-242,2015.

[3] A. Merlin and H. Back, “Search for a minimal loss operating tree

configuration in an urban power distribution system”, Proceeding 5th

power Syst. Comput. Conf (PSCC), Cambridge, UK, vol. 1-18,1975.

[4] S. Civanlar, J.J. Grainger, H. Yin, and S.S.H. Lee, “Distribution

feeder reconfiguration for loss reduction s.”, IEEE Trans. Power Deliv., vol.3, no.3, pp. 1217-1223,1988.

[5] Lê Kim Hùng – Lê Thái Thanh, “Tối ưu hóa vị trí đặt và công suất

phátcủa nguồn phân tán trên mô hình lưới điện phân phối 22kV”,

Tạp chí KH &CN, Đại học Đà Nẵng số 2(25) 2008. pp 67-72

[6] D. Q. Hung, N. Mithulananthan, and R. C. Bansal, “An optimal

invesment planing framework for multiple distributed generation

units in industrial distribution systems”, Appl. Energy, vol.124, pp.62-72, 2014.

[7] César Augusto Peñuela Meneses, José RobertoSanches Mantovani,

“Improving the Grid Operation andReliability Cost of Distribution

Systems With Dispersed Generation”, IEEE Transactions on power

systems, vol. 28, no. 3, august 2013.

[8] V. V. S. N. Murty and A. Kumar, “Optimal placement of DG in

radial distribution systems bases on new voltage stability index

under load growth”, Int. J. Electr. Power Energy Syst., vol. 69, pp. 246-256, 2015

[9] I. a. Mohamed and M. Kowsalya, “Optimal size and siting of multiple

distributed generators in distribution system using bacterial foraging

optimization”, Swarm Evol. Comput. vol.15, pp. 58-65, 2014.

[10] A. Ameli, B. Shahab, K. Farid, and H. Mahmood-Reza, “A

Multiobjective Particle Swarm Optimization for Sizing and

Placement of DGs from DG Owner’s and Distribution Company’s Viewpoints”, IEEE Trans. POWER Deliv., vol. 29, no 4, pp. 1831-

1840, 2014.

[11] S. Tan, J. X. Xu, and S. K. Panda, “Optimization of distribution

network incorporating distributed generators: An integrated approach”, IEEE Trans. Power Syst., 28, no. 3, pp. 2421- 2432, 2013.

[12] R. S. Rao, K. Ravindra, K. Satish, and S. V. L. Narasimham, “Power

Loss Minimiztion in Distribution System Using Network

Reconfiguration in the Presence of Distributed Generation”, IEEE

Trans. Power Syst., vol. 28, no. 1, pp. 1-9, 2013

[13] A. Mohamed Imran, M. Kowsalya, and D. P. Kothari, “A novel

intergration technique for optimal network reconfiguration and distributed generation placement in power distribution networks”,

Int, J. Electr. Power Energy Syst., vol. 63, pp. 461-472, 2014.

[14] T. T. Nguyen, A. V. Truong, and T. A. Phung, “A novel method based

on adaptive cuckoo search for optimal network reconfiguration and

distributed generation allocation in distribution network”, Int. J. Electr. Power Energy Syst., vol. 78, pp. 801–815, 2016.

(BBT nhận bài: 05/05/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 14/06/2017)

62 Dương Thị Hồng Phấn, Nguyễn Tiến Dũng, Lê Minh Đức, Đào Hùng Cường

NGHIÊN CỨU LỚP THỤ ĐỘNG ỨC CHẾ ĂN MÒN ĐA KIM LOẠI

Mo/Zr/Ti TRÊN NỀN THÉP

CORROSION INHIBITION OF STEEL BY CHROMIUM-FREE CONVERSION COATING

ON INORGANIC (Mo/Zr/Ti)

Dương Thị Hồng Phấn1, Nguyễn Tiến Dũng1, Lê Minh Đức1, Đào Hùng Cường2 1Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; dthphan@dut.udn.vn

2Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng; cuongdh1949@gmail.com

Tóm tắt - Lớp phủ thụ động chứa Mo, Zr và Ti đã được thực hiện thành công trên nền thép bằng cách nhúng trong dung dịch chứa 17g/l Na2MoO4, 8g/l K2ZrF6, 1g/lH2TiF6 và pH= 5. Hình thái cấu trúc tế vi của bề mặt và sự hiện diện thành phần nguyên tố Mo/Zr/Ti trên bề mặt thép nền đã được nghiên cứu và xác nhận bằng kính hiển vi điện tử quét kết hợp phổ tán sắc năng lượng tia X (SEM/EDX). Đường cong phân cực biểu diễn mối quan hệ điện thế và dòng ăn mòn thu được khi có và không có lớp phủ thụ động trên nền thép cho thấy có sự giảm dòng ăn mòn trên bề mặt thép có phủ lớp thụ động này. Mặt khác, khả năng bảo vệ ăn mòn của lớp phủ thụ động còn được khảo sát bằng thiết bị phun sương muối, lớp màng phá hủy hoàn toàn sau thời gian 4 giờ. Lớp phủ thụ động đã tăng cường tính năng chống ăn mòn cho nền thép.

Abstract - Passivation coating containing Mo, Zr and Ti has been successfully applied on steel by dipping it in solution of 17g/l Na2MoO4, 8g/l K2ZrF6,1g/lH2TiF6 and pH= 5. The microscopic structure and the presence of Mo/Zr/Ti on surface of the steel have been studied using Scanning electron microscopy with energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM/EDX). Polarization method, applied to determine the corrosion potential and current of coating with and without pasivation layer on the steel, shows that the corrosion current density decreases when using Mo/Zr/Ti coating.On the other hand, the capacity of corrosive protection of pasivation coating is also investigated by the salt spray tests. Passivation layer can be completely destroyed after 4 hours of test. The pasivation layers can improve the anticorrosion of suface steels.

Từ khóa - Na2MoO4; K2ZrF6; H2TiF6; chống ăn mòn; lớp phủ thụ động; thiết bị phun sương muối.

Key words - Na2MoO4; K2ZrF6; H2TiF6; corrosion protection; passivation coating; salt spray tests.

1. Đặt vấn đề

Thép, một trong những vật liệu phổ biến nhất trên thế giới

nhờ vào khả năng chịu lực lớn và độ bền cao. Với hơn 1,3 tỷ

tấn được sản xuất hàng năm, sử dụng làm nguyên liệu chính

trong ngành xây dựng, công nghiệp cơ khí, phương tiện vận

tải và vũ khí [1]. Tuy nhiên, trong các môi trường không khí,

trong đất hay trong vùng ngập nước thì thép dễ bị ô-xy hóa,

phá hủy và làm giảm tuổi thọ của công trình một cách nhanh

chóng. Chính vì vậy, thụ động kim loại là một trong những

biện pháp hiệu quả, thông dụng nhất hiện nay để bảo vệ và

đảm bảo tính công tác của các cấu kiện thép [2].

Lớp thụ động phủ trên bề mặt thép với mục đích làm tăng

độ bám dính của màng hữu cơ với nền thép đồng thời nâng

cao khả năng chống ăn mòn cho nền kim loại. Trong đó, lớp

phủ thụ động truyền thống cromat trước đây đã được sử dụng

rộng rãi trong xử lý bề mặt của thép với khả năng chống ăn

mòn cao. Tuy nhiên, hexavalent chromium, Cr (VI) là chất

độc hại, gây nguy cơ ung thư ở người và ô nhiễm môi trường

cao. Do đó, muối cromat bị cấm sử dụng từ năm 2006 bởi

Luật bảo vệ môi trường EU, Tổ chức về hạn chế các chất độc

hại RoHS (Restriction Of Hazardous Substances) và theo Cơ

quan Bảo vệ Môi Sinh Hoa Kỳ (EPA) [3]. Trong xu thế phát

triển bền vững, nhiều lớp phủ chứa các thành phần thân thiện

với môi trường được các nhà khoa học trên thế giới tập trung

nghiên cứu định hướng thay thế Cr như molybdate,

phosphate, Ti/Zr và các nguyên tố đất hiếm [3, 4, 7, 9].

Lớp ức chế ăn mòn molybdate được đánh giá cao về

khả năng thay thế cho ion cromat (VI) trong lĩnh vực bảo

vệ kim loại bởi không những có khả năng chống ăn mòn

tốt tương tự, mà còn là chất ức chế không độc hại, an toàn

với môi trường [4]. Tuy nhiên, chất ức chế ăn mòn

molybdate chỉ đạt hiệu quả cao hơn khi có mặt của hợp chất

oxy hóa. Bên cạnh đó, màng thụ động Ti/Zr cũng được

đánh giá cao về khả năng ức chế ăn mòn trên bề mặt thép

trong những thập kỷ gần đây [9, 10].

Trong bài báo này, chúng tôi trình bày kết quả nghiên

cứu chế tạo lớp phủ chứa Mo/Zr/Ti trên nền thép bằng

phương pháp hóa học nhằm cải thiện khả năng bảo vệ chất

nền dưới tác động của môi trường xâm thực thông qua

phương pháp đo đường cong phân cực Tafel, phương pháp

mù sương muối. Bên cạnh đó, sử dụng kính hiển vi điện tử

quét phổ tán sắc năng lượng tia X (SEM/EDX) để cung cấp

thông tin về cấu trúc tế vi của bề mặt và thành phần nguyên

tố lớp phủ đa kim loại.

2. Phương pháp nghiên cứu

2.1. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm

Các hóa chất K2ZrF6, Na2MoO4. 2H2O, H2TiF6 được

cung cấp từ hãng Aldrich, CHLB Đức.

Các loại hóa chất thông thường khác NaOH, Na2CO3,

Na3PO4, HNO3, các dụng cụ thí nghiệm khác được mua

trên thị trường Việt Nam.

2.2. Bài toán quy hoạch thực nghiệm

Bài toán quy hoạch thực nghiệm thiết lập ma trận gồm

27 thí nghiệm dựa trên phần mềm Statgraphics plus XVII.2

để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng ăn mòn của

lớp phủ thụ động (Bảng 1). Các yếu tố ảnh hưởng cần khảo

sát bao gồm nồng độ hoạt tính của ZrF62 (4; 6 và 8 g/l của

K2ZrF6), TiF62 (1; 4 và 7g/l của H2TiF6), MoO4

2 (7; 14 và

21 g/l Na2MoO4.2H2O) và pH của dung dịch (2; 3,5; 5).

Nhiệt độ và thời gian ngâm mẫu trong dung dịch lần lượt là

200C và 3 phút, được duy trì trong tất cả các thí nghiệm.

2.3. Phương pháp tạo lớp phủ lớp thụ động Mo/Zr/Ti

Mẫu thép thường được chuẩn bị với kích thước

(40 x 15 x 1) mm đo đường cong phân cực, (25 x 10 x 1) mm

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 63

để phân tích hình ảnh cấu trúc tế vi hoặc (100 x 50 x 1) mm

đo độ mù sương muối theo tiêu chuẩn ASTM B117. Mẫu

được mài cơ học bằng các loại giấy nhám P600, P800 rồi

P1000 sẽ được rửa sạch trong dòng nước chảy rồi ngâm vào

dung dịch NaOH (10g/l), Na2CO3 (8g/l), Na3PO4 (12g/l) trong

30 phút để tẩy dầu mỡ.

Mẫu được rửa sạch bằng nước cất rồi tiếp tục ngâm vào

NaOH 5% nhiệt độ (70 800C) trong 30 phút với mục đích

hoạt hóa bề mặt. Mẫu rửa lại bằng nước cất và bảo quản

trong aceton. Tiến hành ngâm ngập mẫu thép trong dung

dịch ức chế với thời gian, nhiệt độ quy định cho 27 thí

nghiệm. Mỗi thí nghiệm tiến hành cho ba mẫu thép. Cuối

cùng đem mẫu sấy ở nhiệt độ (130 1400C) trong 40 phút.

2.4. Các phương pháp nghiên cứu hóa lý đặc trưng

2.4.1. Phương pháp đo đường cong Tafel

Đánh giá khả năng chống ăn mòn của lớp phủ qua phép đo

đường cong Tafel được thực hiện trên máy điện hóa đa năng

PGS-HH10 (Việt Nam) tại phòng thí nghiệm Hóa lý Trường

Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng. Các phép đo điện hóa

được thực hiện trên bình đo 3 điện cực: điện cực làm việc, điện

cực đối (thép không gỉ) và điện cực so sánh (Ag/AgCl).

2.4.2. Phương pháp phổ huỳnh quang tia X (XRF)

Các phép đo phân tích XRF để xác định thành phần thép

nền, lớp phủ thụ động được thực hiện tại Trung tâm Phân

tích Phân loại Xuất nhập khẩu, chi nhánh Miền Trung.

2.4.3. Kính hiển vi điện tử quét/ Phổ tán xạ năng lượng tia

X (SEM/EDX)

Mẫu được đo tại Trung tâm Đáng giá Hư hỏng Vật liệu,

Viện Khoa học Vật liệu (SEM/EDX Jeol JMS 6400, Japan).

2.4.4. Phương pháp đo độ mù sương muối

Phép đo được tiến hành tại Công ty sơn Hải Vân (SAM-

Y90, theo tiêu chuẩn ASTM B117).

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Xác định thế ăn mòn (Ecorr) từ việc đo đường cong

phân cực

3.1.1. Khảo sát thời gian ngâm mẫu ảnh hưởng đến thế ăn

mòn (Ecorr)

Hình 1. Đường cong phân cực của thép trong dung dịch

khi thay đổi thời gian ngâm (a)không ngâm, (b) 1phút,

(c) 2phút, (d) 3 phút và (e)4 phút. Tốc độ quét thế 10mV/s

Đường cong Tafel thu được trong dung dịch 21g/l

MoO42, 8g/l ZrF6

2, 7g/l TiF62 và pH = 2 với thời gian

ngâm mẫu khác nhau thể hiện trên Hình 1.

Có thể nhận thấy rằng, khi tăng dần thời gian ngâm mẫu

thì dòng ăn mòn đều có xu hướng giảm nhanh chóng và thế

ăn mòn dịch chuyển dần sang phía dương hơn so với thép

không phủ lớp thụ động (Ecorr= 0,65V). Tiếp tục tăng thời

gian ngâm mẫu lên 4 phút thì dòng ăn mòn lại tăng và thế

ăn mòn lại dịch chuyển về phía âm hơn (Ecorr= 0,53V).

Như vậy, tại thời gian ngâm mẫu là 3 phút (Ecorr= 0,33V)

có dòng và thế ăn mòn tốt hơn ngâm mẫu trong 1, 2 và

4 phút (Ecorr= 0,62; 0,47 và 0,53V). Trong môi trường

ăn mòn có chứa các tác nhân gây thụ động nói trên, các

phản ứng có thể xảy ra như sau:

+ Phản ứng anode là phản ứng hòa tan Fe

Fe = Fe2+ + 2e (1)

+ Phản ứng cathode là các phản ứng giải phòng H2, khử

O2 xảy ra đồng thời trên cathode tùy thuộc môi trường

O2 + H2O + 4e = 4OH (2)

2H+ + 2e = H2 (3)

Quá trình hình thành lớp phủ thụ động trên các vùng

cathode tế vi của mẫu thép

Na2MoO4 = 2Na+ + MoO42 (4)

Fe2+ + MoO42 = FeMoO4 (5)

MoO42 + 2FeMoO4 = Fe2(MoO4)3 (6)

ZrF62 + 4OH = ZrO2.2H2O + 6F (7)

TiF62- + 4OH = TiO2.2H2O + 6F (8)

Điều này có thể giải thích rằng, ban đầu Fe hòa tan nhiều,

phản ứng cathode (2) và (3) thuận lợi hơn do lượng electron

cung cấp nhiều, dẫn đến pH cục bộ tăng cao. Nhưng sau một

thời gian, xung quanh bề mặt mẫu thép, Fe2+ trong dung dịch

sẽ bão hòa, có sự cạnh tranh kết tủa giữa Mo, Zr, Ti và Fe

nên việc hình thành màng trên bề mặt sắt bị giảm xuống làm

cho thế ăn mòn chuyển trở lại về phía âm. Do đó, chọn thời

gian ngâm mẫu thích hợp nhất là 3 phút.

3.1.2. Thế ăn mòn (Ecorr) của 27 tổ mẫu trong bài toán quy

hoạch thực nghiệm

Hình 2. Đường cong Tafel của 10 tổ mẫu trong bài toán

quy hoạch thực nghiệm. Tốc độ quét thế 10mV/s

Dựa vào Hình 2, so với thép nền (Ecorr = 0,65V) thì tất

cả lớp phủ ở 27 tổ mẫu thí nghiệm cho thấy thế ăn mòn đều

dịch chuyển về phía dương hơn và đồng thời dòng ăn mòn

cũng giảm xuống đáng kể. Thế ăn mòn tăng nhiều nhất ở tổ

64 Dương Thị Hồng Phấn, Nguyễn Tiến Dũng, Lê Minh Đức, Đào Hùng Cường

mẫu 19 (Ecorr = 0,15V) và tăng ít nhất là tổ mẫu 22

(Ecorr = 0,54V) so với thép nền. Các mẫu còn lại cũng cho

kết quả phù hợp với hướng nghiên cứu khi dòng ăn mòn đều

giảm và thế ăn mòn dịch chuyển về phía dương (Bảng 1).

Bảng 1. Nồng độ các chất, độ pH và thế ăn mòn 27 mẫu

Mẫu MoO42 (g/l) H2TiF6 (g/l) K2ZrF6 (g/l) pH Ecorr (V)

1 14,0 4,0 6,0 3,5 0,39

2 14,0 4,0 6,0 3,5 0,40

3 14,0 4,0 6,0 3,5 0,38

4 7,0 1,0 4,0 2,0 0,30

5 7,0 1,0 4,0 5,0 0,53

6 7,0 1,0 8,0 2,0 0,48

7 7,0 1,0 8,0 5,0 0,26

8 7,0 7,0 4,0 2,0 0,32

9 7,0 7,0 4,0 5,0 0,51

10 7,0 7,0 8,0 2,0 0,29

11 7,0 7,0 8,0 5,0 0,18

12 14,0 1,0 4,0 2,0 0,46

13 14,0 1,0 4,0 5,0 0,34

14 14,0 1,0 8,0 2,0 0,21

15 14,0 1,0 8,0 5,0 0,17

16 14,0 7,0 4,0 2,0 0,50

17 14,0 7,0 4,0 5,0 0,40

18 14,0 7,0 8,0 2,0 0,29

19 14,0 7,0 8,0 5,0 0,15

20 21,0 1,0 4,0 2,0 0,37

21 21,0 1,0 4,0 5,0 0,45

22 21,0 1,0 8,0 2,0 0,54

23 21,0 1,0 8,0 5,0 0,22

24 21,0 7,0 4,0 2,0 0,48

25 21,0 7,0 4,0 5,0 0,25

26 21,0 7,0 8,0 2,0 0,37

27 21,0 7,0 8,0 5,0 0,32

Kết quả nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm, cho phép

thiết lập được một phương trình hồi quy thể hiện sự phụ

thuộc Ecorr vào nồng độ và pH của các chất tham gia. Đây

là cơ sở chọn được điều kiện tối ưu để đạt thế ăn mòn cao.

3.2. Kết quả sơ bộ (Bài toán quy hoạch thực nghiệm)

3.2.1. Phương trình hồi quy của 4 yếu tố

Sau khi sử dụng phần mềm Statgraphics plus XVII.2

cho bài toán quy hoạch thực nghiệm 27 mẫu đã cho ra một

phương trình hồi quy:

Trên Hình 3 có thể nhận thấy rằng, việc sử dụng lớp

phủ thụ động Mo/Zr/Ti rất có hiệu quả trong việc chống ăn

mòn khi so sánh với thép nền. Lớp phủ thụ động ở nồng độ

tối ưu MoO42 17g/l, ZrF6

2 8g/l, TiF62 1g/l và pH=5 làm

giảm dòng ăn mòn một cách rõ rệt đồng thời thế ăn mòn

dịch chuyển về phía dương hơn (Ecorr = 0,19V) tăng 0,46V.

Hình 3. Đường cong Tafel của thép nền và thép phủ lớp

thụ động với dung dịch tối ưu. Tốc độ quét thế 10mV/s

Khi nhúng Fe vào dung dịch tối ưu, các phản ứng xảy ra:

H2TiF6 + Fe + 2H2O = TiO2 + Fe2+ + 4H+ + 6F + H2 (9)

Tạo màng kết tủa do xảy ra phản ứng (5) và (6)

Đồng thời, quá trình thủy phân xảy ra càng làm tăng

khả năng tạo màng trên thép đặc biệt khi pH cao sẽ xảy ra

phản ứng (7) và (8).

Fe2(MoO4)3, ZrO2 hoặc/ và TiO2 phát triển tại một số vị

trí tâm trên bề mặt Fe và phát triển thành màng [5, 6, 7, 8].

Theo cơ chế này, có thể xảy ra sự cạnh tranh kết tủa trên

điện cực Fe. Sự kết hợp của thành phần MoO42, ZrF6

2 và

TiF62 cho được màng thụ động có tính chất bảo vệ tốt hơn

màng chứa Ti và Mo [4] hay Zr và Ti [9].

3.2.2. Khảo sát sự phụ thuộc pH vào thế ăn mòn (Ecorr)

a. Đối với từng nguyên tố (Mo, Ti, Zr)

Đường cong Tafel thu được trong các dung dịch có pH

khác nhau được thể hiện;

Hình 5. Đường cong Tafel của a) MoO42, 17g/l; b) K2ZrF6, 8g/l;

c) H2TiF6, 1g/l khi pH thay đổi và d) từng dung dịch và hỗn hợp

dung dịch tối ưu tại pH=5. Tốc độ quét thế 10mV/s

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 65

Đối với MoO42 có nồng độ 17g/l

Có thể nhận thấy, khi giá trị pH của dung dịch chứa

MoO42 tăng lên thì thế ăn mòn cũng tăng theo về phía

dương hơn (0,46V đến 0,2V). Tuy nhiên dòng ăn mòn

tại pH =2 và 3,5 không giảm xuống rõ rệt bằng pH=5. Điều

này càng khẳng định thêm độ tin cậy của phương trình hồi

quy 4 yếu tố khi lựa chọn pH của dung dịch tối ưu.

Đối với K2ZrF6 nồng độ 8g/l

Dựa vào Hình 5b, ta thấy tại pH= 2 có thế ăn mòn

Ecorr= 0,42V, pH= 3,5 thế ăn mòn Ecorr= 0,35V và pH=5

thế ăn mòn Ecorr= 0,31V điều đó cho ta biết được khi pH

tăng lên thì thế ăn mòn cũng tăng lên và đồng thời dòng ăn

mòn của thép cũng giảm xuống.

Đối với H2TiF6 nồng độ 1g/l

Trên Hình 5c cũng cho thấy khi độ pH tăng từ 2 lên 5

thi thế ăn mòn của lớp phủ H2TiF6, 1g/l cũng tăng theo từ

0,3V lên 0,2V (tăng 0,10V). Tuy nhiên, tốc độ dòng ăn

mòn thay đổi không theo thế ăn mòn. Dòng ăn mòn tại

pH=3,5 là lớn nhất và tại pH = 5 là nhỏ nhất. Điều này càng

khẳng đinh, độ pH có ảnh hưởng rất lớn đến các nồng độ

của các dung dịch tối ưu.

b. So sánh đường cong Tafel của từng dung dịch tối

ưu riêng lẻ với hỗn hơp dung dịch Mo/Zr/Ti tại pH=5

Khi so sánh với thép nền thì từng dung dịch MoO42,

17g/l; K2ZrF6, 8g/l; H2TiF6, 1g/l và hỗn hợp dung dịch tối

ưu khi pH=5 thì tất cả các lớp phủ này đều làm giảm tốc độ

ăn mòn một cánh nhanh chóng và thế ăn mòn tăng lên đáng

kể. Lớp phủ thụ động Mo/Zr/Ti có thế ăn mòn lớn nhất khi

so với từng lớp phủ riêng lẻ tại cùng một pH.

3.3. Hình thái học và cấu trúc bề mặt

3.3.1. Kết quả nghiên cứu bằng kỹ thuật XRF

Thép phủ lớp thụ động trong dung dịch tối ưu được

chọn và đem đo XRF để phân tích thành phần nguyên tố

trên lớp nền thép. Kết quả thể hiện trong Bảng 2 cho thấy

Mo/Zr/Ti đều có trên lớp phủ thụ động với hàm lượng khác

nhau, nguyên tố Ti có mặt trên lớp phủ nhiều nhất (71,3%)

và nguyên tố Zr có hàm lượng tương đối nhỏ (1,7%) có thể

chọn chiều dày lớp phủ để quét chưa lớn.

Bảng 2. Thành phần các nguyên tố của lớp phủ thụ động

trên nền thép (chiều dày quét 100µm)

Nguyên tố Hàm lượng (%)

Mo 26,9219

Zr 1,7487

Ti 71,3294

3.3.2. SEM/EDX

Cấu trúc tế vi và thành phần nguyên tố trên bề mặt mẫu

được phân tích trên máy SEM/EDX Jeol JMS 6400. Trên

Hình 6a, 6b với mẫu thép ban đầu, có thể nhìn thấy các rãnh

sâu do quá trình mài cơ học ở trên bề mặt và chỉ peak thành

phần nguyên tố Fe và Si trên mẫu này.

Cấu trúc màng thụ động khá đặc biệt so với ban đầu,

nhìn thấy nhiều cấu trúc hạt nhỏ trên bề mặt (Hình 6c). Các

vết rãnh sâu do đánh bóng bề mặt mất hẳn. Trong quá trình

tạo màng thụ động ở pH= 5, các hợp chất muối của

FexMoyOz và oxit của Zr, Ti được tạo thành trên bề mặt

thép dựa vào cơ sở ban đầu là sự có mặt của các peak của

các nguyên tố Mo, Zr, Ti, Fe và O (Hình 6d).

Hình 6. SEM/EDX của bề mặt thép trước (a, b)

và sau (c, d) khi thụ động trong dung dịch chứa Mo/Zr/Ti

Nhìn vào kết quả EDX (Bảng 3, vị trí 1 và 2 tương ứng

trong Hình 6c), ở vùng 2 đã hiển thị rõ 3 thành phần Mo

(0,57% tính theo khối lượng), Zr (0,16%), Ti (0,05%).

Nhưng vùng 1 chỉ nhìn thấy thành phần Mo (0,89%),

Ti (0,19%). Peak của Zr không thể hiện, có thể do cường

độ của các peak Fe, Mo, C, O quá mạnh nên che khuất hoặc

lượng Zr có thể tham gia lớp phủ khá nhỏ ở vùng này.

Lớp phủ thụ động trên nền thép chủ yếu là các oxit của

Zr, Ti và muối của Mo. Sự có mặt của Fe2+ trong lớp phủ

thụ động có thể tạo nên hợp chất phức MoxZryTizOt, tạo nên

tính bảo vệ cho nền thép [5, 10, 11].

Bảng 3. Thành phần nguyên tố trên vùng 1 và 2

của bề mặt Fe sau khi thụ động

Nguyên tố %khối lượng

Vùng 1 Vùng 2

C 5,33 4,12

O 37,85 39,15

Mo 0,89 0,57

Zr 0,00 0,16

Ti 0,19 0,05

Fe 55,74 55,95

Tổng 100,00 100,00

3.4. Tính kháng ăn mòn

Khả năng chống ăn mòn của lớp phủ thụ động trên nền

thép thể hiện qua phép đo mù sương muối. Mẫu thép nền

và thép có phủ lớp thụ động có kích thước (100 x 50 x 1)

mm được đưa vào thiết bị phun muối SAM-Y90 ở dạng

sương theo dõi thời gian bắt đầu và kết thúc ăn mòn.

Kết quả cho thấy mẫu thép nền sau 1 giờ đặt vào thiết

bị thì toàn bộ bề mặt tấm thép đã phá hủy. Mẫu thép có phủ

lớp thụ động bị phá hủy hoàn toàn bề mặt sau 4 giờ đặt

mẫu. Như vậy việc phủ lớp thụ động lên thép làm chậm đi

thời gian phá hoại, do đó việc bảo vệ thép sẽ tốt hơn.

4. Kết luận

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã xác định được chế

độ tạo lớp màng thụ động trên nền thép bằng một phương

pháp đơn giản, dễ thực hiện nhúng mẫu thép vào dung

66 Dương Thị Hồng Phấn, Nguyễn Tiến Dũng, Lê Minh Đức, Đào Hùng Cường

dịch thụ động trong 3 phút. Dung dịch gồm 17g/l

Na2MoO4, 8g/l K2ZrF6, 1g/lH2TiF6; pH = 5.

Bằng phép đo điện hóa (đường cong phân cực, đường

Tafel) cho thấy màng thụ động có hiệu quả trong việc nâng

cao chống ăn mòn cho nền thép thể hiện qua: giảm dòng ăn

mòn, chuyển thế điện cực về phía dương hơn.

Các ảnh chụp SEM/EDX cho thấy cấu trúc khá đặc biệt

của lớp thụ động và xác định thành phần nguyên tố thể hiện

sự có mặt của Mo/Zr/Ti trên nền thép. Tuy nhiên có vùng

chưa hiện được rõ sự có mặt Zr, có thể do hàm lượng Zr

thấp, các peak của các nguyên tố khác mạnh hơn đã che

chắn nên không thể hiện rõ.

Khả năng chống ăn mòn của lớp phủ thụ động trên nền

thép thể hiện qua độ mù sương muối có thời gian ăn mòn

lâu hơn gấp 4 lần với thép nền trơ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trịnh Xuân Sén, Ăn mòn và Bảo vệ kim loại, NXB Đại học Quốc gia

Hà Nội, 2006. [2] Vale´ rie Sauvant-Moynot, Serge Gonzalez, Jean Kittel, Self-healing

coatings: An alternative route for anticorrosion protection, Progress

in Organic Coatings 63 (2008) 307–315.

[1] D. Heller, W. Fahrenholtz, M.J. O’Keefe, Effect of phosphate source

on the posttreatment and corrosion performance of cerium based conversion coatings on Al 2024-T3, J. Electrochem. Soc. 156 (11)

(2009) C400.

[3] Le Minh Duc, Nguyen Thi Huong, Duong Thi Hong Phan, Vu Quoc

Trung, Dao Hung Cuong, “Improve the corrosion resisitance Ti, Mo”, Tạp chí KH và CN, Viện Hàn lâm Khoa học và Công Nghệ Việt Nam,

Tập 53-Số 4A, 80-86, 2015 (2nd International Workshop on Corrosion

and Protection of Materials 26-29 October 2015, Ha Noi, Viet Nam). [4] R. Mohammad Hosseini, A.A. Sarabi, H. Eivaz Mohammadloo, M.

Sarayloo, “The performance improvement of Zr conversion coating

through Mn incorporation: With and without organic coating”,

Surface & Coatings Technolagy 258 (2014) 437446.

[5] G. Yoganandan, K. Pradeep Premkumar, J.N. Balaraju, “Evaluation

of corrosion resistance and self-healing behavior of zirconium–cerium conversion coating developed on AA2024 alloy”, Surface &

Coatings Technology 270 (2015) 249–258.

[6] H. Vakili, B. Ramezanzadeh, R. Amini, “The corrosion performance and adhesion properties of the epoxy coating applied on the steel

substrates treated by cerium-based conversioncoatings”, Corrosion Science 94 (2015) 466–475.

[7] Konrad Tarka, Thesis for the degree of licentiate of engineering,

Corrosion of painted galvanized steel pretreated with Zr-based thin films,

Chalmers university of technology, Gothenburg, Sweden 2015.

[8] Lê Minh Đức, Nâng cao khả năng chống ăn mòn của lớp phủ hữu cơ

bằng lớp biến tính Zr, Ti, Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, Số 1(110).2017, 29, 2017.

[9] O. Lunder, C. Simensen, Y. Yu and K. Nisancioglu, “Formation and

characterisation of Ti – Zr based conversion layers on AA6060 aluminium”, Surf. Coatings Technol., vol.184, pp. 278–290, 2004.

[10] S. Adhikari, K. A. Unocic, Y. Zhai, G. S. Frankel, J. Zimmerman,

and W. Fristad, “Hexafluorozirconic acid based surface pretreatments: Characterization and performance assessment”,

Electrochim. Acta, vol. 56, no. 4, pp. 1912–1924, 2011.

(BBT nhận bài: 18/05/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 07/06/2017)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 67

QUẢN LÝ NƯỚC THẢI KHU CÔNG NGHIỆP DỊCH VỤ THỦY SẢN ĐÀ NẴNG:

HIỆN TRẠNG VÀ TRỞ NGẠI

WASTEWATER MANAGEMENT IN DANANG’S INDUSTRIAL FISHING SERVICE ZONE:

CURRENT STATE AND OBSTACLES

Trần Văn Quang1, Phan Thị Kim Thủy1, Trịnh Vũ Long2, Hoàng Ngọc Ân1 1Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; tvquang@dut.udn.vn, ptkthuy@dut.udn.vn, hnan@dut.udn.vn

2Công ty Thoát nước và Xử lý nước thải Đà Nẵng; vlongbkdn@gmail.com

Tóm tắt - Quản lý nước thải khu công nghiệp (KCN) dịch vụ thủy sản Đà Nãng gặp nhiều khó khăn do nước thải từ quá trình chế biến thủy sản có nồng độ các chất ô nhiễm cao, chế độ thải không ổn định và quản lý hạ tầng kỹ thuật đô thị còn nhiều hạn chế. Nghiên cứu hiện trạng quản lý nước thải KCN cho kết quả: các nhà máy đã xây dựng hệ thống xử lý nước thải với công nghệ áp dụng phù hợp, quản lý vận hành thiếu hiệu quả, dẫn đến sự quá tải của trạm xử lý tập trung, gây ô nhiễm môi trường. Các nguyên nhân và trở ngại bao gồm: năng lực quản lý vận hành chưa đáp ứng được yêu cầu, thiếu công cụ và thiết bị hỗ trợ; chính quyền đô thị chưa có giải pháp quản lý bền vững bùn thải. Để quản lý bền vững nước thải KCN, phải triển khai quy hoạch bùn thải, tăng cường năng lực cho người vận hành và áp dụng biện pháp kỹ thuật phù hợp, ổn định quá trình xử lý sinh học.

Abstract - Wastewater management in Danang’s industrial fishing service zones has had several difficulties due to waste water from seafood processing having high concentration of pollutants, unstable waste discharge and limited urban insfrastructure management. Research on the current state of wastewater management in industrial zones shows that: factories there have built wastewater treatment plants themselves with the proper technology, but inefficient operating management has led to overload in wastewater treatment plants of industrial zones and causes pollution. Causes and obstacles include: operating management not up to standard, lack of supporting tools and lack of sustaintable solutions to sludge management from the local government. To manage wastewater in industrial zones sustaintably, it is needed to develop sludge zoning, improve the operators’ knowledge and adopt suitable technology to stabilize the biological treatment process.

Từ khóa - chế biến thủy sản; khu công nghiệp; nước thải; quản lý nước thải; quản lý bùn thải.

Key words - seafood processing; industrial zone; wastewater; wastewater management; sludge management.

1. Đặt vấn đề

Ngành thủy sản Việt Nam đóng góp 4% GDP, 8% giá

trị xuất khẩu, 9% việc làm cho người lao động của cả nước

và là ngành chủ lực trong phát triển kinh tế xã hội khu vực

các tỉnh ven biển Miền Trung. Cùng với những đóng góp

cho phát triển, ngành chế biến thủy sản (CBTS) cũng là

một trong những ngành gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi

trường do lượng và thành phần các chất ô nhiễm trong nước

thải phức tạp, thay đổi theo mùa, phụ thuộc vào nguyên

liệu, sản phẩm chế biến [1, 2].

Với thành phần các chất ô nhiễm chủ yếu là các hợp

chất hữu cơ dễ phân hủy và giàu dinh dưỡng, phương pháp

xử lý sinh học là phương pháp xử lý có hiệu quả cao trong

việc kiểm soát ô nhiễm nước thải từ quá trình chế biến thủy

sản. Các phương pháp sinh học thường được áp dụng:

(1) quá trình kỵ khí, thiếu khí và hiếu khí như bể UASB, bể

bùn hoạt tính lơ lửng hiếu khí (Activated Sludge) và bể

thiếu khí (Anoxic); (2) xử lý sinh học hiếu khí như bể bùn

hoạt tính lơ lửng hiếu khí (Activated Sludge) và bể thiếu

khí (Anoxic); (3) mương oxy hóa tuần hoàn. Để quá trình

xử lý sinh học có hiệu quả, lượng dầu và mỡ phải được loại

bỏ triệt để, các công nghệ áp dụng trong bước tiền xử lý

bao gồm: (1) mương tách mỡ và bể tuyển nổi áp lực;

(2) kết hợp quá trình keo tụ/ tạo bông và tuyển nổi áp lực/

siêu nông; (3) lắng keo tụ/ lắng. Quá trình xử lý bậc III,

các phương pháp áp dụng bao gồm: (1) khử trùng; (2) lọc

áp lực và khử trùng hoặc keo tụ/ lắng và khử trùng. Tùy

thuộc vào nguồn tiếp nhận nước thải cột B hay A, QCVN

11-MT: 2015/BTNMT mà hệ thống xử lý nước thải

(XLNT) không hoặc cần phải có các bước tiền xử lý hay

quá trình xử lý bậc III. Bùn phát sinh từ hệ thống XLNT có

thể tái sử dụng làm compost [3].

Các hoạt động CBTS ở Đà Nẵng được tập trung ở khu

công nghiệp dịch vụ thủy sản (KCN DVTS) Đà Nẵng với

19 doanh nghiệp đang hoạt động. Nước thải sản xuất được

yêu cầu xử lý sơ bộ hoặc triệt để với nồng độ chất hữu cơ

theo COD phải nhỏ hơn 1.500 mg/l trước khi đấu nối vào

hệ thống thu gom và đưa về trạm xử lý tập trung của KCN

tiếp tục được xử lý đạt cột B trước khi thải vào nguồn tiếp

nhận là âu thuyền Thọ Quang [4].

Trạm XLNT tập trung KCN DVTS Đà Nẵng được xây

dựng từ năm 2009, công suất thiết kế 2.500m3/ngđ.. Với

công nghệ xử lý áp dụng bao gồm: (1) xử lý cơ học kết hợp

với gạn chất nổi; (2) sinh hóa 3 bậc: kỵ khí, thiếu khí và

hiếu khí và (3) khử trùng. Mặc dù tất cả các nhà máy, trạm

XLNT tập trung đã có rất nhiều cố gắng trong việc cải tạo

để nâng cao hiệu suất xử lý nhưng chất lượng nước sau xử

lý vẫn còn thiếu ổn định, nhiều thời điểm vượt quy chuẩn

cho phép và gây ảnh hưởng đến chất lượng môi trường khu

vực xung quanh.

Trong 5 năm gần đây, Ban quản lý các KCN và chế

xuất, Sở Tài nguyên Môi trường đã lồng ghép các chương

trình quốc gia với sự tài trợ của các tổ chức quốc tế thực

hiện các nghiên cứu triển khai đánh giá và tìm kiếm các

giải pháp, biện pháp giải quyết vấn đề. Các kết quả cụ thể:

Dự án VPEG, sự quá tải là do các trạm XLNT của các

nhà máy và trạm XLNT tập trung không đạt yêu cầu, kiến

nghị tạm ngừng cấp phép nâng công suất và đầu tư mới vào

KCN để kiểm soát lượng nước thải đưa về trạm XLNT tập

trung, các nhà máy cần hiệu chỉnh chế độ vận hành - nâng

cấp trạm XLNT để tránh quá tải [5].

Nghiên cứu tiền khả thi của RVO, các quá trình tiền xử

lý tại các nhà máy có công suất xả thải trên 500m3/ngđ.

68 Trần Văn Quang, Phan Thị Kim Thủy, Trịnh Vũ Long, Hoàng Ngọc Ân

không được tối ưu hóa và vận hành ở chế độ tự động. Các

công trình xử lý không được quản lý vận hành trong điều

kiện phù hợp, dẫn đến hiệu suất chuyển hóa các chất hữu

cơ thấp. Các đề xuất giải quyết vấn đề: tất cả các trạm

XLNT phải cải tiến bổ sung, tối ưu hóa quá trình xử lý và

để cải thiện quá trình cần có sự hướng dẫn và đào tạo cho

người vận hành. Các đề xuất cho các nhà máy: thay thế

thiết bị tuyển nổi, tăng thể tích bể Aeroten, tối ưu hóa và tự

động hóa quá trình vận hành. Chi phí để thực hiện các biện

pháp cải tạo và nâng cấp hệ thống XLNT dao động trong

khoảng từ 80 đến 220 ngàn EUR tùy thuộc điều kiện cụ thể

của từng nhà máy [6].

Trình diễn của KANSO, tại nhà máy đồ hộp Hạ Long,

để chống quá tải cho bể Aeroten, biện pháp nâng cao tải

trọng của bể Aeroten bằng vật liệu PVAGel với tỷ lệ thể

tích 20%, đảm bảo duy trì hiệu suất xử lý chất hữu cơ đến

90% và cho chất lượng nước sau xử lý có COD luôn nhỏ

hơn 300mg/l. Chi phí đề xuất cải tạo cho nhà máy là

3,1 triệu Yên và giá 1m3 đệm PVA là 40 ngàn Yên [7].

Từ các tài liệu kỹ thuật hướng dẫn chuyên ngành của

FAO [2], Tổng cục Môi trường [1] và các nghiên cứu trong

và ngoài nước [2 ,4, 5, 6, 7, 8, 9] có liên quan cho thấy:

công nghệ XLNT đã và đang áp dụng tại các nhà máy trong

KCN và trạm XLNT tập trung là phù hợp, cho chất lượng

nước sau xử lý có thể đạt được cột B, QCVN 11-MT:

2015/BTNMT. Nhưng thực tế là ngược lại, mặc dù được

xử lý hai lần bằng công nghệ phù hợp, nhưng chất lượng

nước sau xử lý vẫn không đáp ứng được yêu cầu cột B của

quy chuẩn. Như vậy, việc xác định rõ nguyên nhân, cụ thể

hóa các vấn đề tồn tại và trở ngại trong quản lý nước thải,

từ đó đề xuất các giải pháp quản lý và biện pháp kỹ thuật

là rất cần thiết không những về mặt môi trường mà còn góp

phần giúp các nhà máy trong KCN hoạt động ổn định và

phát triển sản xuất.

Nội dung bài báo là một phần kết quả nghiên cứu của

đề tài “Đánh giá các trở ngại và đề xuất biện pháp nâng

cao hiệu quả quản lý nước thải cho khu công nghiệp dịch

vụ thủy sản Đà Nẵng” do Trung tâm Nghiên cứu Bảo vệ

Môi trường (EPRC), Trường Đại học Bách khoa - Đại học

Đà Nẵng thực hiện với nguồn kinh phí từ Sở Khoa học và

Công nghệ thành phố Đà Nẵng.

2. Đối tượng, nội dung và phương pháp

2.1. Đối tượng

Nghiên cứu tập trung vào các đối tượng: nước thải, hệ

thống XLNT và hoạt động quản lý nước thải của các nhà máy

trong KCN. Các nhà máy điển hình được xem xét và đánh giá

chi tiết là: Bắc Đẩu, Hải Thanh, Danifood, Thủy sản Thuận

Phước và Đồ hộp Hạ Long. Vị trí các nhà máy và trạm XLNT

tập trung trong phạm vi KCN được trình bày tại Hình 1.

Hình 1. Vị trí các nhà máy trong phạm vi khu công nghiệp dịch vụ thủy sản Đà Nẵng

2.2. Nội dung

Thu thập tài liệu, số liệu thứ cấp và các thông tin sơ cấp

bằng các phiếu điều tra và phỏng vấn trực tiếp các người

quản lý, công nhân trực tiếp vận hành trạm XLNT của các

nhà máy. Các thông tin thu thập bao gồm: hệ thống thu gom

và xử lý nước thải, bùn thải; công nghệ XLNT áp dụng,

nhận thức và năng lực quản lý vận hành.

Từ các thông tin thu thập được, kế hoạch khảo sát, thu

thập số liệu bổ sung được thiết lập, triển khai quan trắc,

đánh giá công nghệ áp dụng và hiệu quả xử lý của nó tại

các nhà máy lựa chọn. Quá trình quan trắc được tiến hành

5 đợt/trạm với các thông số chất lượng nước: pH, TSS,

BOD5, COD, N-NH4, T-N, T-P và dầu mỡ trong khoảng

thời gian từ tháng 01/2016 đến tháng 01/2017.

Từ các số liệu quan trắc, các thông tin sơ cấp và thứ cấp

có được, xử lý số liệu và kiểm chứng độ tin cậy, đánh giá

hiện trạng, phân tích làm rõ các nguyên nhân và trở ngại

trong quản lý nước thải của các nhà máy trong KCN.

2.3. Phương pháp

Phương pháp thống kê, kết hợp với việc kiểm chứng và

hiệu chỉnh bằng các số liệu khảo sát bổ sung, được sử dụng

trong quá trình thu thập và xử lý các số liệu, tài liệu và các

thông tin liên quan đến các hoạt động sản xuất, quản lý và

vận hành các trạm XLNT của các nhà máy.

Phương pháp quan trắc và phân tích chất lượng nước,

được thực hiện theo các quy trình tiêu chuẩn với các thiết

bị đo, lấy mẫu và phân tích các thông số chất lượng nước

theo các tiêu chuẩn, quy chuẩn của quản lý nhà nước.

Phương pháp phân tích và đánh giá, hiệu quả xử lý của

các quá trình công nghệ, dựa trên cơ sở so sánh các thông

DANIF

OOD

ghi chó:

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 69

số tính toán với các giá trị tương ứng trong tiêu chuẩn

ngành [10] và sổ tay kỹ thuật [1]. Khả năng đáp ứng yêu

cầu xả thải được đánh giá theo quy định của quản lý nhà

nước tại địa phương và QCVN tương ứng [11].

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Nguồn phát sinh và thành phần nước thải

3.1.1. Nguồn và lượng nước thải

Khu công nghiệp DVTS Đà Nẵng có 19 nhà máy,

doanh nghiệp đang hoạt động. Nước thải từ các hoạt động

của nhà máy bao gồm: nước thải sinh hoạt và nước thải từ

quá trình chế biến sản phẩm. Nguồn và lượng thải phát sinh

từ các nhà máy phụ thuộc vào công suất, loại sản phẩm chế

biến và mùa vụ đánh bắt hải sản. Lượng nước thải sản xuất

trong năm 2016 thống kê và khảo sát được trình ở Bảng 1.

Bảng 1. Lượng nước thải lớn nhất, trung bình và sản phẩm

chế biến của các nhà máy trong KCN

Tt Nhà máy Sản phẩm

Nước thải (m3/ngày)

Lớn nhất Trung

bình

1 Thuận Phước Tôm 1.120 378

2 Danifoods Cá Fillet, Surimi 793 361

3 Bắc Đẩu Cá Fillet, Surimi 936 461

4 Hải Thanh Cá Fillet, Surimi 714 317

5 Đồ hộp Hạ Long Cá Ngừ đóng hộp 264 85

6 NMCBTS còn lại Cá Fillet 1.096 560

Tổng lượng nước thải 3.452 2.202

Lượng nước thải phát sinh từ các nhà máy có sự khác

biệt lớn giữa sản phẩm cá Fillet và Surimi (chả cá), lượng

nước thải trung bình từ quá trình chế biến Surimi chiếm

50%, Tôm 17,2% và lượng nước thải từ 4 nhà máy có công

suất lớn: Thuận Phước, Danifoods, Bắc Đẩu và Hải Thanh

chiếm gần 70% tổng lượng nước thải. Trong năm 2016,

lượng nước thải của các nhà máy thay đổi theo mùa và loại

sản phẩm trong ngày, lượng thải ngày lớn nhất, gấp 2 đến

4 lần so với giá trị trung bình và lượng nước thải lớn nhất

có thể phát sinh của các nhà máy trong KCN là

3.452m3/ngày (gấp 1,57 lần so với giá trị trung bình).

3.1.2. Thành phần và nồng độ các chất ô nhiễm

Các số liệu khảo sát về thành phần nước thải từ quá

trình chế biến các loại sản phẩm của các nhà máy trong

KCN được trình bày trong Bảng 2.

Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải: các chất lơ

lửng (TSS), trong nước thải từ quá trình CBTS đều có giá

trị cao, giá trị trung bình xấp xỉ và lớn hơn 1.000mg/l. Thấp

nhất là nước thải từ quá trình chế biến tôm đông lạnh và

lớn nhất là từ quá trình chế biến surimi với giá trị cao nhất

khoảng 4.000mg/l và trung bình 2.700mg/l. Tương tự với

chất hữu cơ, giá trị BOD5 và COD từ quá trình chế biến sản

phẩm cá fillet là 1.000 và 1.500mg/l, cao nhất là nước thải

từ quá trình chế biến surimi 3.500 và 4.500mg/l. Nồng độ

các chất dinh dưỡng (N,P) cao và tăng dần từ sản phẩm cá

Fillet, Tôm, cá Ngừ đóng hộp và Surimi. Nồng độ dầu và

mỡ trong nước thải từ quá trình chế biến cá Ngừ đóng hộp

và Surimi là đặc biệt cao, trung bình là 1.305mg/l và

899,9mg/l. So sánh kết quả có được với các số liệu thống

kê trong sổ tay chuyên ngành [1] cho thấy, kết quả phân

tích là hợp lý và phù hợp với đặc điểm nước thải của quá

trình chế biến thủy sản.

Với thành phần các chất ô nhiễm chủ yếu là các chất

hữu cơ dễ phân hủy sinh học và dinh dưỡng cao, khoảng

dao động rộng và dầu mỡ nhiều, để kiểm soát tốt và ổn định

vấn đề ô nhiễm, các nhà máy cần phải áp dụng công nghệ

XLNT phù hợp với lượng và thành phần các chất ô nhiễm

cũng như đủ năng lực quản lý vận hành hệ thống, đáp ứng

yêu cầu của Ban Quản lý và QCVN tương ứng.

Bảng 2. Tính chất, thành phần nước thải từ quá trình chế biến các loại sản phẩm của các nhà máy trong KCN

Thông số Khoảng dao động (Trung bình)

Cá fillet Surimi Cá Ngừ đóng hộp Tôm đông lạnh

pH 7 – 7,4 (7,2) 6,8 – 7,5 (7,2) 6 – 6,7 (6,3) 6,8 – 7,1 (6,9)

TSS, mg/l 1.108 – 2.232 (1.644) 2.056 – 3.992 (2.707) 2.085 - 2.806 (2120,5) 122 – 1.676 (904)

BOD5, mg/l 584,3 – 2.203,6 (1.306,9) 2.158,8 – 4.796,1 (3.247,6) 2.314 - 2.813 (2430,2) 481,7 – 2.216,8 (1.557)

COD, mg/l 664 – 2.476 (1.526) 3.104 – 6.570 (4.544) 3.320 –3.980 (3.435,8) 669 – 3.260 (2.237)

N-NH4, mg/l 65,7 – 235,6 (140) 110 – 306 (212) 140 – 245,5 (198,8) 120 – 165 (137)

T-N, mg/l 182,1 – 398,6 (272) 196,4 – 476,3 (365) 175 -323 (275,7) 210 – 231 (218)

T-P, mg/l 12,77 – 25,18 (18,5) 18,1 – 101,4 (48,2) 31,1 - 83,5 (40,5) 25,85 – 32,59 (30,1)

Dầu mỡ, mg/l 90 – 402 (234,8) 532,5 – 1.443,3 (899,9) 522 – 2610 (1.305) 59 – 133 (96,8)

3.2. Quản lý nước thải tại các nhà máy trong KCN

3.2.1. Công nghệ áp dụng và chất lượng nước thải sau xử lý

Tất cả các nhà máy trong KCN đều xây dựng hệ thống

thoát nước mưa và nước thải riêng, nước thải sản xuất có

nồng độ các chất ô nhiễm cao, được thu gom đưa về trạm

XLNT, nước sau xử lý được thải ra hệ thống thu gom nước

thải của KCN và đưa về trạm XLNT tập trung.

Các phương pháp xử lý nước thải được các nhà máy lựa

chọn và áp dụng bao gồm: phương pháp cơ học với các quá

trình: lọc mảnh vụn thịt cá, gạn/ tuyển nổi hoặc keo tụ -

lắng, tách các chất không tan có kích thước, dầu, mỡ và

chất béo. Phương pháp sinh học với quá trình sinh hóa

trong điều kiện: kỵ khí, phân hủy các mảnh vụn nhỏ thịt cá

thành dạng phân tán nhỏ; quá trình thiếu khí, khử Nitơ và

hiếu khí chuyển hóa các chất hữu cơ ở dạng hòa tan, phân

tán nhỏ; và khử trùng. Thống kê về công nghệ XLNT và

xử lý bùn cặn áp dụng tại các nhà máy trong KCN DVTS

Đà Nẵng, trình bày tại Bảng 3.

70 Trần Văn Quang, Phan Thị Kim Thủy, Trịnh Vũ Long, Hoàng Ngọc Ân

Bảng 3. Công nghệ xử lý nước thải và bùn cặn áp dụng tại các nhà máy trong KCN DVTS Đà Nẵng

TT Nhà máy Công nghệ xử lý nước thải Công nghệ xử lý bùn cặn

1 Thuận Phước Nước thải Lưới lọc Kỵ khí (UASB) Aeroten Lắng

Keo tụ Lắng Khử trùng Hệ thống thu gom

Bùn, cặn Bể nén Máy ép Vận

chuyển

2 Danifoods Nước thải Lưới lọc Keo tụ Lắng Tuyển nổi áp lực

Aeroten (SBR) Hệ thống thu gom (HTTG)

Bùn, cặn Bể chứa phân hủy Vận

chuyển

3 Bắc Đẩu Nước thải Lưới lọc, gạn mỡ Keo tụ Tuyển nổi Kỵ khí

(UASB) Thiếu khí Aeroten Lắng HTTG.

Bùn cặn Bể chứa phân hủy Máy

ép Vận chuyển.

4 Hải Thanh Nước thải Lưới lọc, gạn mỡ Keo tụ Lắng Kỵ khí (UASB)

Aeroten Lắng HTTG.

Bùn, cặn Bể chứa phân hủy Máy

ép Vận chuyển.

5 Đồ hộp Hạ Long Nước thải Song chắn rác Aeroten Lắng HTTG. Bùn Bể phân hủy Vận chuyển

6 Các NMCBTS

khác trong KCN

Nước thải Song chắn rác Điều hòa kết hợp với phân hủy kỵ

khí Aeroten Lắng HTTG

Bùn Bể phân hủy Vận chuyển

Với nước thải từ quá trình chế biến Surimi có TSS, chất

hữu cơ và dầu mỡ cao, các nhà máy Danifoods, Bắc Đẩu

và Hải Thanh áp dụng quá trình keo tụ/ lắng và tuyển nổi

áp lực/ tuyển nổi siêu nông kết hợp keo tụ để tách các chất

lơ lửng và dầu mỡ, đảm bảo cho quá trình xử lý sinh học

tiếp theo ổn định. Các nhà máy còn lại, với nồng độ TSS

thấp, quá trình xử lý lựa chọn: quá trình kỵ khí phân hủy

các chất hữu cơ dạng lơ lửng thành dạng hòa tan và phân

tán nhỏ, tiếp theo là quá trình hiếu khí chuyển hóa và tách

các chất hữu cơ, chất dinh dưỡng.

Theo các tài liệu chuyên ngành và thực tiễn, công nghệ

XLNT áp dụng là phù hợp, đáp ứng yêu cầu cột B của

QCVN. Riêng nhà máy Đồ hộp Hạ Long, có nồng độ dầu

mỡ cao, việc tách bằng biện pháp gạn thủ công sẽ gặp nhiều

khó khăn trong việc duy trì hoạt động bể Aeroten.

Về xử lý bùn, cặn từ quá trình xử lý cơ học và bùn hoạt tính

dư từ quá trình sinh học, quá trình xử lý được áp dụng: nén, keo

tụ bằng polymer và ép (các nhà máy lớn); chứa kết hợp phân

huỷ kỵ khí (các nhà máy nhỏ), và khi đầy thuê Công ty Cổ phần

Môi trường Đô thị vận chuyển xử lý chung với phân bùn bể

phốt tại bãi chôn lấp rác Khánh Sơn. Hiện tại, vấn đề ô nhiễm

nước rỉ rác tại bãi chôn lấp đã trở nên nghiêm trọng, việc duy trì

dịch vụ này không được thường xuyên và đây là một trở ngại

lớn đến quá trình vận hành trạm XLNT của các nhà máy.

Các số liệu thống kê về giá trị COD của nước sau xử lý

tại điểm đấu nối vào hệ thống thu gom nước thải của KCN

cho kết quả: nhà máy Thuận Phước, 35/35 mẫu đạt cột B

(150mg/l), trong đó có 21/35 mẫu đạt cột A, QCVN

11:2015/BTNMT; Danifoods, 29/42 mẫu nhỏ hơn

300mg/l, trong đó 23 mẫu đạt cột B, mẫu có giá trị lớn nhất

là 730mg/l; nhà máy Bắc Đẩu, 4/37 mẫu đạt B và 35/37

trong khoảng từ 300 đến 1.500mg/l (mức quy định tối đa

của Ban Quản lý KCN [4]), lớn nhất là 1.994mg/l; Hải

Thanh, 18/39 mẫu đạt B, 29/39 trong khoảng 300 đến

1.500mg/l và lớn nhất 1.696mg/l; Đồ hộp Hạ Long, 2/25

mẫu đạt B và 4/25 mẫu lớn hơn 1.500mg/l và lớn nhất

4.611mg/l; Các nhà máy khác: nhà máy Sơn Trà, 9/11 mẫu

đạt cột B và 2/11 mẫu nhỏ hơn 300mg/l, còn lại phần lớn

không đáp ứng được cột B và tỷ lệ số mẫu vượt giá trị mức

quy định cho phép là khoảng 7 đến 20%.

Kết quả thống kê và khảo sát cho thấy, mặc dù công

nghệ xử lý áp dụng là phù hợp, nhưng chỉ có nhà máy

Thuận Phước, Danifoods và Sơn Trà có chất lượng nước

sau xử lý ổn định và đáp ứng được yêu cầu của Ban Quản

lý KCN. Các nhà máy còn lại, hiệu suất xử lý không ổn

định và ở nhiều thời điểm hiệu suất rất thấp, nồng độ các

chất ô nhiễm trong nước sau xử lý còn cao hơn giá trị trước

xử lý và đây là một trong những nguyên nhân gây trở ngại

đến quản lý vận hành trạm xử lý tập trung.

3.2.2. Quản lý vận hành và chi phí xử lý

Tất cả các nhà máy đều có bộ phận chuyên trách hoặc

kiêm nhiệm, chịu trách nhiệm về vấn đề môi trường và vận

hành trạm XLNT, tổ chức và số lượng người quản lý, vận

hành phụ thuộc vào quy mô sản xuất (lượng nước thải) và

sự quan tâm của người chủ doanh nghiệp. Các nhà máy có

lượng nước thải trên 300m3/ngđ. có bộ phận quản lý

chuyên trách và đủ nhân lực vận hành liên tục. Các nhà

máy có lượng thải ít, việc quản lý và vận hành thường là

do tổ Cơ – Điện kiêm nhiệm.

Về năng lực, các nhà máy Thuận Phước, Danifoods,

thủy sản Miền Trung và Thủy sản Sơn Trà, người quản lý

hoặc vận hành được đào tạo kiến thức chuyên môn về kỹ

thuật và công nghệ XLNT. Các nhà máy Hải Thanh và Bắc

Đẩu có người phụ trách và công nhân vận hành theo ca. Đồ

hộp Hạ Long và các nhà máy còn lại quản lý dạng kiêm

nhiệm và vận hành hệ thống theo kinh nghiệm tích lũy

được trong quá trình làm việc và trên cơ sở các hướng dẫn

ban đầu của tư vấn chuyển giao.

Tùy thuộc vào công nghệ xử lý, tổ chức quản lý vận

hành, chi phí trực tiếp (điện và hóa chất) cho việc xử lý dao

động trong khoảng từ 1.300 - 12.200 đồng/m3 nước thải.

Chi phí xử lý từ cao đến thấp được xếp theo thứ tự: Thủy

sản Thuận Phước, Danifoods, Hải Thanh, Bắc Đẩu, Đồ hộp

Hạ Long và các nhà máy chế biến cá Fillet.

So với các nhà máy CBTS có công suất, sản phẩm chế

biến và công nghệ xử lý áp dụng tương tự ở khu vực phía

Nam, mức chi phí như vậy là hợp lý. Tuy nhiên, do chất

lượng nước sau xử lý không ổn định và chưa đáp ứng được

các yêu cầu xả thải, các nhà máy đều phải trả phí xử lý cho

việc vận hành trạm xử lý tập trung của KCN với mức phí:

3.636 đồng (COD đạt cột B) và 8.600 đồng/m3 (COD 500-

1.500mg/l). Nếu lớn hơn sẽ cắt giảm lượng thải và không

cho phép xả thải nếu COD lớn hơn 3.000mg/l.

Với mức quy định về phí xả thải của Ban quản lý, các

nhà máy trong KCN phải trả phí cao hơn từ 3 đến 5 nghìn

đồng/m3 so với các nhà máy hoạt động trong các KCN

tương tự, làm tăng chi phí cho các nhà máy quản lý hệ

thống xử lý tốt (Thủy sản Thuận Phước) và không khuyến

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 71

khích được các nhà máy cải tiến quy trình vận hành, đảm

bảo xử lý ổn định, tránh quá tải cho trạm tập trung. Ngoài

ra, việc phải trả phí cao, không cho phép xả nước thải và

ngừng cấp giấy phép đầu tư mới, nâng công suất chế biến

sản phẩm, đã có những ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất

kinh doanh của các nhà máy và phát triển kinh kế xã hội.

3.3. Các trở ngại trong quản lý nước thải

3.3.1. Các trở ngại do các yếu tố khách quan

Các số liệu về lượng nước thải theo tháng trong các năm

2014, 2015, 2016 và theo ngày trong các tháng lớn nhất và

nhỏ nhất của các nhà máy được thống kê và trình bày ở

Hình 4.

Hình 4. Tổng hợp số liệu lưu lượng nước thải tại các doanh nghiệp điển hình trong KCN:

(a) Danifoods, (b) Bắc Đẩu, (c) Hải Thanh và (d) Đồ hộp Hạ Long

Số liệu Hình 4 cho thấy, lượng nước thải có sự thay đổi

rất lớn giữa các tháng trong năm và ngày trong tháng với

biên độ thay đổi là rất lớn, dao động trong khoảng từ không

có đến lớn nhất và phụ thuộc vào mùa vụ.

Với sự thay đổi lượng nước thải theo ngày lớn, các quá

trình xử lý cơ học và hóa lý với thời gian lưu ngắn (phút,

giờ) và tốc độ làm sạch nhanh, việc duy trì hiệu suất xử lý

ổn định là tương đối đơn giản, người vận hành chỉ cần bật

thêm bơm dự phòng và tăng liều lượng hóa chất keo tụ. Các

quá trình sinh hóa kỵ khí, thiếu khí và hiếu khí, hiệu suất

xử lý phụ thuộc vào tải trọng khối lượng (F/M) và thời gian

nước lưu dài (ít nhất là ½ ngày), sự tăng lưu lượng thường

dẫn đến hệ quả là: giảm hiệu suất xử lý do lượng bùn hoạt

tính không đủ để duy trì tỷ lệ F/M ổn định và có thể xảy ra

hiện tượng sốc tải do hệ vi khuẩn trong bùn hoạt tính chưa

kịp thích nghi. Đây là nguyên nhân chính dẫn đến chất

lượng nước sau xử lý ở nhiều thời điểm có giá trị COD cao

hơn giá trị đầu vào.

Hệ thống xử lý của các nhà máy có lượng nước thải ít,

quy mô đầu tư nhỏ, việc thẩm định hồ sơ thiết kế thi công

hệ thống xử lý thường ít được quan tâm, dẫn đến trong giai

đoạn đầu, lượng nước thải ít, chất lượng nước đáp ứng

được yêu cầu và khi sản xuất ổn định, sự quá tải xảy ra

thường xuyên, do việc tính toán thiết kế thường được tính

theo công suất, không xem xét đến đặc điểm và thành phần

nước thải. 12 nhà máy công suất nhỏ trong KCN có thiết

kế công nghệ xử lý là giống nhau, quy hoạch mặt bằng kiểu

hợp khối với bể lắng II được chọn là lắng đứng, có hình

vuông và đều thiếu biện pháp gạt bùn đáy và thu bùn nổi,

lượng bùn hồi lưu không đủ, dẫn đến hiện tượng sốc tải và

thối rữa xảy ra tương đối thường xuyên.

Việc không có dịch vụ ổn định thu gom bùn cặn thải từ

quá trình XLNT đã gây trở ngại đến vấn đề quản lý nước

thải. Các nhà máy lớn có lượng bùn thải nhiều và có thiết

bị ép, chủ động giải quyết vấn đề bằng cách cho các cơ sở

sản xuất phân hữu cơ và các hợp tác xã nông nghiệp sử

dụng làm phân bón, nhưng lượng không nhiều và hoàn toàn

bị động. Các nhà máy nhỏ, chấp nhận cho lượng bùn cặn

định kỳ chảy tràn cùng với nước sau xử lý vào hệ thống thu

gom nước thải của KCN.

Việc xả bùn thải vào hệ thống thu gom là không được

phép, với người quản lý trạm XLNT của các nhà máy là

điều không mong muốn, nhưng trong điều kiện hiện tại các

nhà máy không có phương án giải quyết. Việc thu gom và

quản lý bùn thải thuộc chức năng và nhiệm vụ của công ty

dịch vụ công ích, chịu sự quản lý của chính quyền đô thị.

(a)

(a)

(b)

(b)

(c)

(c)

(d)

(d)

72 Trần Văn Quang, Phan Thị Kim Thủy, Trịnh Vũ Long, Hoàng Ngọc Ân

3.3.2. Các trở ngại do yếu tố chủ quan

Với thời gian sản xuất chủ yếu là ban ngày hoặc hai ca

kéo dài, để duy trì tỷ lệ F/M ổn định, người vận hành phải

biết trước được kế hoạch sản xuất của ngày hôm sau và

trong tuần, để chuẩn bị hóa chất và duy trì lượng bùn hoạt

tính tương ứng với mức độ tăng tải. Công việc này đòi hỏi:

(1) người vận hành ngoài kiến thức chuyên môn, phải có

tinh thần trách nhiệm và có đủ các điều kiện để thực hiện.

Cụ thể: các thiết bị đo nhanh: pH, DO, nồng độ bùn, tốc độ

lắng của bùn hoạt tính và bể chứa bùn hoặc chứa lượng

nước thải tăng đột biến; (2) Quản lý doanh nghiệp phải

hiểu sự tăng chi phí là hợp lý, tỷ lệ tăng theo mức tăng sản

lượng sản phẩm và xem đây là trách nhiệm của người vận

hành, có sự ghi nhận về công việc của họ. Thực tế cho thấy,

các nhà máy tổ chức quản lý theo dạng kiêm nhiệm, thiếu

trang thiết bị hỗ trợ và có ít kinh nghiệm, thường khó có

thể đáp ứng được yêu cầu.

4. Kết luận và kiến nghị

Các nhà máy trong KCN đã xây dựng hệ thống xử lý

với công nghệ áp dụng phù hợp theo yêu cầu bảo vệ môi

trường của cơ quan quản lý. Cùng với sự hỗ trợ của các

chương trình quốc gia và các tổ chức tư vấn trong nước và

quốc tế, các nhà máy đã có sự cố gắng và nỗ lực nâng cấp,

cải tạo và quản lý vận hành, nhưng hiệu suất xử lý không

ổn định, nhiều thời điểm chất lượng nước vượt mức quy

định, gây ô nhiễm đến môi trường xung quanh, buộc phải

ngừng sản xuất để khắc phục, ảnh hưởng rất lớn đến hoạt

động sản xuất kinh doanh.

Nguyên nhân của việc xử lý nước thải thiếu hiệu quả là:

(1) do đặc thù của ngành chế biến thủy sản có lượng nguyên

liệu và chủng loại sản phẩm chế biến phụ thuộc vào mùa

vụ đánh bắt và khai thác hải sản, dẫn đến tải lượng các chất

ô nhiễm có sự thay đổi; (2) chưa có phương án giải quyết

bùn cặn thải từ quá trình xử lý nước thải; (3) năng lực quản

lý và vận hành chưa đáp ứng được yêu cầu; (4) thiếu các

công cụ hỗ trợ và biện pháp kỹ thuật kiểm soát vấn đề.

Trong điều kiện cơ sở hạ tầng KCN, để giải quyết các

trở ngại, đảm bảo hoạt động sản xuất kinh doanh cho các

nhà máy ổn định và mở rộng sản xuất, các kiến nghị sau

được đề xuất: (1) Chính quyền đô thị cần phải có phương

án quản lý bền vững bùn cặn thải từ quá trình xử lý nước

thải theo hướng tiếp cận bền vững. Có thể áp dụng mô hình

sản xuất phân hữu cơ tương tự như các tỉnh vùng đồng bằng

sông Cửu Long; (2) nghiên cứu triển khai áp dụng biện

pháp kỹ thuật kiểm soát và hồi lưu bùn hoạt tính từ bể lắng

II, giúp cho các nhà máy có lượng nước thải ít, ổn định quá

trình xử lý; (3) tổ chức các khóa đào tạo, nâng cao năng lực

cho những người quản lý và vận hành hệ thống; (4) Phân

tích chi tiết về chi phí – lợi ích trong quản lý nước thải của

các nhà máy trên cơ sở so sánh các phương án: xử lý bậc I

bằng quá trình cơ học và hóa lý hoặc xử lý sinh học bậc II,

sau đó xả về trạm XLNT tập trung hoặc xử lý bậc III xả

trực tiếp ra nguồn tiếp nhận.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Tổng Cục Môi trường, Tài liệu kỹ thuật - Hướng dẫn đánh giá sự phù hợp của công nghệ xử lý nước thải và giới thiệu một số công

nghệ xử lý nước thải đối với ngành Chế biến thuỷ sản, Dệt may, Giấy

và bột giấy, Hà Nội năm 2011.

[2] Food and Agriculture Organization (FAO) of the United Nations,

Fisheries technical paper – 355 Wastewatertreatment in the fishery industry, Rome, 1996.

[3] Phong Tan Nguyen, Luan Thanh Mai, “Study on Fish Processing

Wastewater Treatment by Swim-bed and Stick-bed Processes”.

Journal of Water Sustainability, Volume 3, Issue 2, June 2013, 79–84.

[4] Ủy ban nhân dân thành phố Đà Nẵng, Quyết định số 290/UBND-

QLĐTh ngày 10/1/2013 về việc đảm bảo hoạt động của trạm XLNT

tập trung KCN DVTS Đà Nẵng.

[5] Sở Tài Nguyên Môi trường thành phố Đà Nẵng, Dự án quản lý nhà

nước về môi trường cấp tỉnh tại Việt Nam-VPEG. Báo cáo kiểm toán nước thải-Khu công nghiệp dịch vụ thủy sản Đà Nẵng, Đà Nẵng, 2012.

[6] Vitteveen + Bos (RVO), Feasibility study for improvement

wastewater treatment at seafood industrial Zone, Danang, Final

report. Danang, 2015.

[7] The general Environmetal Technos Co,.LTD. Kurray Aqua Co.,Ltd,

Hiyoshi Corporation; Education institution Osaka Prefecture

University, 2015-2016 Asia water environmental improvement model businese “Improvement businese of facility operation of

water treatment in fish processing factory in Vietnam”, Business

Final Report. Danang, 31st march 2016.

[8] Tran Van Quang, “A Study on Increasing the Stabilization of the

Wastewater Treatment from Fish and Seafood Processing”, Proceeding: Vietnam-Korea Workshop on Environ.technology in

water prevention, Hanoi 2004.

[9] Công ty thoát nước và xử lý nước thải Đà Nẵng, Báo cáo kỹ thuật

hiện trạng năng lực xử lý và đề xuất cải tạo trạm xử lý nước thải Thọ

Quang, 2013.

[10] Bộ xây dựng, TCVN 7957:2008 – Thoát nước – mạng lưới và công

trình bên ngoài – Tiêu chuẩn thiết kế, 2008.

[11] Bộ tài nguyên và môi trường, QCVN 11-MT:2015/BTNMT – Quy

chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải chế biến thủy sản, 2016.

(BBT nhận bài: 17/07/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 27/07/2017)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 73

NGHIÊN CƯU TIÊM NĂNG ÁP DỤNG SẢN XUẤT SẠCH HƠN CHO

LÀNG NGHỀ GỐM THANH HÀ, THÀNH PHỐ HỘI AN, TỈNH QUẢNG NAM

RESEARCHING ON THE POTENTIAL OF CLEANER PRODUCTION APPLICATION FOR

THANH HA POTTERY CRAFT VILLAGE, HOI AN CITY, QUANG NAM PROVINCE

Phan Như Thúc

Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; pnthuc@dut.udn.vn

Tóm tắt - Bài báo đã tiến hành điều tra, khảo sát, đánh giá hoạt động sản xuất tại Làng nghề gốm Thanh Hà, Hội An từ đó đề xuất các giải pháp sản xuất sạch hơn (SXSH) giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, nâng cao hiệu quả sản xuất cho các hộ làm gốm trong làng nghề. Qua phân tích sơ bộ tính khả thi về mặt kinh tế, việc áp dụng các giải pháp SXSH tại cơ sở sản xuất gốm ông Lê Văn Xê giúp tiết kiệm được số tiền là 32.141.000 đồng/năm sau khi đã khấu trừ chi phí đầu tư ban đầu 37.000.000 đồng. Trong các năm tiếp theo chỉ tốn chi phí bảo dưỡng thiết bị mỗi năm khoảng 550.000 đồng, lợi nhuận thu được là 68.591.000 đồng/năm. Bên cạnh lợi ích về kinh tế, việc áp dụng SXSH giúp giảm thiểu tiêu hao năng lượng, nguyên nhiên vật liệu, hạn chế lượng chất thải phát sinh giảm thiểu ô nhiễm môi trường cho lang nghê gôm Thanh Hà, thành phô Hôi An, tinh Quảng Nam.

Abstract - This research is conducted to investigate, survey and assess the production activities at Thanh Ha pottery craft village, Hoi An, and propose cleaner production (CP) measures for reducing environmental pollution, increasing production efficiency for pottery makers in the village. Based on a preliminary analysis of economic feasibility, the application of cleaner production measures in the pottery production factory of Mr. Le Van Xe results in saving VND 32,141,000/year after deducting the initial investment fee of 37,000,000 VND. In the following years, the cost of maintenance of equipment is about 550,000 VND/year and the profit is 68,591,000 VND/year. Besides the economic benefits, CP application also helps to reduce the energy, fuel and material consumption, the amount of wastes generated as well as minimize environmental pollution in Thanh Ha pottery village, Hoi An city, Quang Nam province.

Từ khóa - làng nghề; gốm; Thanh Hà; Hội An; môi trường; san xuât sach hơn.

Key words - craft village; pottery; Thanh Ha; Hoi An; environment; cleaner production.

1. Đặt vấn đề

Nhưng năm vưa qua, ơ nhiêu vung nông thôn nươc ta

cac lang nghê đa phat triên kha manh, môt măt đong gop

đang kê cho phat triên kinh tê - xa hôi cua đia phương, bên

cạnh đó cung co nhưng tac đông nguy hai tơi môi trương,

sưc khoe người lao động và ngươi dân sinh sống tại các

làng nghề. Làng nghề gốm Thanh Hà, thành phố Hội An,

tỉnh Quảng Nam là một trong những làng nghề truyền

thống khá độc đáo và nổi tiếng, được hình thành cách đây

500 năm [1]. Tuy nhiên việc phát triển làng nghề gốm

Thanh Hà trong những năm gần đây còn một số hạn chế

như: quy mô sản xuất còn nhỏ, phân tán, năng suất lao động

thấp, ý thức bảo vệ môi trường sinh thái và bảo vệ chính

gia đình của người lao động còn khá hạn chế, môi trường

có xu hướng bị ô nhiễm [2]. Do đo cân co nhưng giai phap

thiêt thưc vơi chi phi thâp, phu hơp vơi kinh tê cua lang

nghê để giảm thiểu tiêu hao năng lượng, nguyên nhiên vật

liệu, hạn chế lượng chất thải phát sinh, giảm thiểu ô nhiễm

môi trường, nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất.

Với những ý nghĩa kinh tế, văn hóa, xã hội to lớn mà

làng nghề gốm Thanh Hà mang lại và những khó khăn đang

gặp phải, rõ ràng việc bảo tồn và phát huy làng nghề truyền

thống một cách bền vững là một việc cần thiết, một hướng

đi đáng quan tâm. Nhằm mục đích bảo vệ môi trường

(BVMT) hướng đến phát triển bền vững (PTBV) cho làng

nghề gốm Thanh Hà trong quá trình sản xuất qua đó thu

hút khách du lịch đến thăm quan cân co nhưng biên phap

bảo vệ môi trường, giam thiêu chât thai ngay tai nguôn -

ngay tai khu vưc dân cư kha nhay cam [3] nhăm giam tac

đông xâu đên con ngươi va môi trương. Từ những vấn đề

thực tế trên, chúng tôi tiến hành: “Nghiên cứu tiêm năng

ap dung san xuât sach hơn cho làng nghề gốm Thanh Hà,

thành phố Hội An, tỉnh Quảng Nam”.

2. Đối tượng va phương phap nghiên cứu

2.1. Đối tượng

Hoat đông sản xuất gôm tại làng nghề gốm Thanh Hà,

thành phố Hội An, tỉnh Quảng Nam.

Các đề xuất giảm thiểu ô nhiễm theo hướng SXSH có

khả năng áp dụng tại làng nghề gốm Thanh Hà.

2.2. Phương pháp nghiên cứu

2.2.1. Phương pháp thu thập điều tra khảo sát

Lập phiếu khảo sát, tiến hành phỏng vấn.

Phương pháp phỏng vấn nhanh: tiến hành phỏng vấn 8

hộ tham gia sản xuất về nguyên liệu, hóa chất sử dụng,

lượng nước phục vụ cho sản xuất, chất lượng môi trường,

sức khỏe và các phương pháp sử dụng để BVMT nơi sản

xuất và sức khỏe người lao động.

2.2.2. Phương pháp luận đánh giá sản xuất sạch hơn

Sản xuất sạch hơn là việc áp dụng liên tục chiến lược

phòng ngừa tổng hợp về môi trường vào các quá trình sản

xuất, sản phẩm và dịch vụ nhằm nâng cao hiệu suất sinh

thái và giảm thiểu rủi ro cho con người và môi trường [4]

Để thực hiện SXSH cho làng nghề ta tiến hành 6 bước

với 18 nhiệm vụ sau (Hình 1) [5]:

74 Phan Như Thúc

Hình 1. Sơ đồ các bước đánh giá sản xuất sạch hơn

3. Kêt qua nghiên cưu va thao luân

3.1. Hiên trang san xuât lang nghê gôm Thanh Ha

3.1.1. Quy trinh san xuât gôm

Sơ đô quy trinh san xuât gôm tai lang nghê gôm Thanh

Ha kem theo dong thai được trình bày ở Hình 2.

Đất sét đem về được đổ nước vào, dùng xuồng xăm kĩ,

nhào nhuyễn rồi dùng kéo xén đất, cắt mỏng 3 đến 4 lần.

Sau đó dùng sức người đạp đi đạp lại để tăng độ liên kết.

Khi đất đã được nhào nhuyễn kĩ thì chia thành từng

phần mới bắt đầu tạo dáng. Muốn tạo dáng trước tiên phải

chuốt. Khi chuốt phải có hai người, một người đứng 1 chân

còn chân kia đạp bàn xoay trong khi đó 2 tay làm con đất,

người còn lại (kĩ thuật chính) lấy con đất đặt lên bàn xoay,

cuốn thành hình sâu kèn rồi dùng cái sò, vòng, giẻ thấm

nước để tạo dáng sản phẩm (Hình 3).

Hinh 2. Sơ đô quy trinh công nghê san xuât tai

lang nghê gôm Thanh Ha kem theo dong thai

Hình 3. Tạo hình bằng cách xoay thủ công

Khi đã tạo dáng xong thì đem ra ngoài phơi nắng. Phơi

gốm se lại thì có 1 người sẽ dập hoa văn hay trang trí tùy

ý. Đối với sản phẩm có đáy bầu sau khi phơi se lại thì được

đưa vào bàn xoay lần thứ 2 úp ngược rồi dùng 1 dụng cụ

“vòng tròn” để tạo dáng lần cuối.

Sau khi gốm được phơi kĩ thì chất vào lò. Nhóm lửa

khoảng 7 -8 giờ khi thấy khói đốt đã hết mới bắt đầu đốt

thật lớn cho đến khi chín thì nghỉ lửa. Người thợ dùng “gốm

thăm” trong lò kéo ra để thử. Nghỉ lửa thì phá cửa lò cho

rộng để mau nguội, khoảng 1 ngày sau cho ra lò.

Bước 1: Cac công viêc

chuân bi cho thưc hiên

1. Thành lập nhóm đánh

giá SXSH;

2. Liêt kê cac bươc công

nghê san xuât gôm;

3. Nhân dang cac công

đoan gây lang phi.

Bước 2: Phân tích các

công đoan san xuât cua

lang nghê gôm

4. Chuẩn bị sơ đồ dong cua

qua trinh san xuât;

5. Cân bằng nguyên liệu,

năng lượng cho cac công

đoan chinh;

6. Xác định chi phí dòng

thải;

7. Phân tich nguyên nhân

dong thai.

Bước 3: Phat triên cac

cơ hôi san xuât sach hơn

8. Xây dưng các cơ hội

SXSH;

9. Lựa chọn các cơ hội

khả thi nhất.

Bước 4: Thưc hiên

cac giai phap SXSH

10. Đánh giá khả thi về

kỹ thuật;

11. Đánh giá khả thi về

kinh tế;

12. Đánh giá về mặt

môi trường;

13. Lựa chọn giải pháp

kha thi nhât để thực

hiện.

Bước 5: Thực hiện các

giải pháp SXSH

14. Chuẩn bị thực hiện;

15. Thực hiện các giải

pháp SXSH;

16. Quan trắc và đánh giá

kết quả.

Bước 6: Duy trì

SXSH

17. Duy trì các giải

pháp SXSH

18. Lựa chọn công

đoạn tiếp theo cho

trọng tâm đánh giá

SXSH (quay về

Bước 3).

Nhiệt tỏa

Nước

Đất sét

Củi

Than

Không khí

Nhiệt tỏa

Bụi

Khí thải

Tro xỉ

Thành phẩm

Phân loại, hoàn

chỉnh sản phẩm

Nhào, lọc đất

Cắt tỉa

Phơi sơ

bộ

Nung sản

phẩm

Phơi khô

Tạo hình

Làm nguội sản phẩm

Nước thải chứa SS

cao

Chất thải rắn: sỏi sạn

Chất thải rắn: đất sét

Bốc hơi

Bốc hơi

Chất thải rắn

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 75

3.1.2. Quy mô san xuât

San xuât theo quy mô nho, tưng hô gia đinh, thôn, xom.

Nguyên liêu, nhiên liêu: đât set, nươc, than, cui (Bảng 1).

Lưc lương lao đông: 50 ngươi (8 cơ sơ san xuât gôm),

không phân biêt tuôi tac, giơi tinh.

San phâm: nôi đât, binh hoa, lông binh, to he, lông đen

băng gôm, cac mô phong ky quan thê giơi, …

Bang 1. Quy mô san xuât gôm tai cac cơ sơ san xuât

gôm Thanh Ha (năm 2016)

STT Tên cơ sở

Lượng nguyên liệu sử

dụng trong năm 2016

Lượng thải bỏ

trong năm 2016

Đất

sét

(tân)

Nước

cấp

(tân)

Củi

(tân)

Than

cam 4

(kg)

Nước

thải

(tân)

Sỏi,

sạn

(kg)

Tro

xỉ

(tân)

Vật bể

nung

(tân)

1 Phùng Tấn

Cương 138,6 36 70,5 720 3,6 36 5,76 3,6

2 Nguyễn Lành 154 40 61,2 700 4 35 6,7 7,4

3 Nguyễn Ngữ 154 40 58,7 800 4 40 6,4 8

4 Nguyễn Văn

Tùng 144,4 37,5 58,7 600 3,75 30 6,45 6,8

5 Ngụy Trung 154 40 78,3 800 4 40 6,4 8

6 Lê Trọng 173,3 45 68,5 800 40 7,5 4,5

7 Lê Văn Xê 157,9 41 62,6 720 4,1 36 6,86 7,6

8 Nguyễn Văn

Xê 144,4 37,5 73,4 750 3,75 38 6 3,8

Tổng cộng 1221 317 531,6 5890 27,2 295 52,1 49,6

3.1.3. Sô lương lo nung gôm

Hình 4 mô tả số lượng và chủng loại lò nung gốm tại

làng nghề.

Hình 4. Số lượng lò nung tại làng nghề

3.1.4. Phương tiện bảo hộ lao động sử dụng cho sản xuất

tại làng nghề

Hình 5. Phương tiện bảo hộ lao động đang được

sử dụng ở làng nghề

Quá trình sản xuất gốm chủ yếu phát sinh nhiều bụi và

khí nên các hộ tham gia làm gốm đều đã tự trang bị cho

mình những dụng cụ nhằm bảo vệ sức khỏe trong quá trình

lao động (Hình 5).

3.2. Cân băng vât chât năng lương cho lo nung gôm

3.2.1. Cân băng vât chât lo nung gôm

Tỷ lệ khối lượng đầu vào và đầu ra:

%7,0100476.15

369.15476.15

x

Theo định luật bảo toàn khối lượng Gv1 = Gr1, nhưng

trong tính toán có một phần sai số và một phần khối lượng

bốc hơi (Bảng 2). Tuy nhiên lượng hao hụt này là không

đáng kể.

Bang 2. Cân băng vât chât lo nung gôm

Đầu vào Đầu ra

Nguyên

liệu

Ký

hiệu

Lượng

(kg/ngày) Chất thải

Ký

hiệu

Lượng

(kg/ngày)

Đất sét Gs 3.849 Thành phẩm Gtp 3.656

Vật bể nung Gbể 193

Củi Gc 1.467 Tro xỉ Gtx 190

Than Gt 20 Hơi nước Gn 886,44

Không khí Gkk 10.140 Khói thải Gkh 10.444

Tổng vào 15.476 Tổng ra 15.369

3.2.2. Cân băng năng lương lo nung gôm

Sơ đồ cân bằng năng lượng lò nung gốm được trình bày

ở Hình 6.

Hình 6. Sơ đồ cân bằng năng lượng

Bang 3. Cân băng năng lương cho 1 me nung gôm

Đầu vào Đầu ra

Nhiệt

lượng

Ký

hiệu

Lượng

(kcal/ngày)

Nhiệt

lượng

Ký

hiệu

Lượng

(kcal/ngày)

Nhiệt tỏa

ra do đưa

nhiên liệu

vào lò

Qnl 25.496

Nhiệt tỏa

ra do

nung sản

phẩm

Qsp 127.479

Nhiệt do

không khí

cấp vào lò

Qkk 75.442 Nhiệt ra

theo xỉ Qtx 5.130

Nhiệt cung

cấp từ quá

trình cháy

Qcháy 5.946.258

Nhiệt ra

theo khói Qkh 776.457

Nhiêt ra

thanh lo,

đay lo

QL 60.040

Nhiệt tổn

thất khác Qtt 5.078.089

Tổng vào Qvào 6.047.196 Tổng ra Qra 6.047.196

Theo định luật bảo toàn năng lượng:

Tổng nhiệt lượng vào lò = tổng nhiệt lượng ra khỏi lò

Nhiêt tôn thât khac chiêm 83,97% trong đo co nhiêt toa

ra tư noc lo, nhiêt toa ra tư cưa lo.

Do đo vấn đề cần quan tâm trong quá trình nung gốm

tại làng nghề gốm Thanh Hà là khí thải và nhiệt thừa toa ra

tư noc lo, cưa lo nung gôm (Bảng 3).

3.3. Nguyên nhân gây ra dong thai

Bảng 4 trình bày nguyên nhân gây ra dòng thải tại các

công đoạn sản xuất gốm.

9

2 4

0

2

4

6

8

10

Lò nung nhỏ (lò hộp)

không có ống khói

Lò nung úp

(lò lớn) không có ống khói

Lò nung úp

(lò lớn) có ống khói

Cái

Loại lò

6 2 70

10

Găng tay Kính khẩu trang

Hô

Phương tiện sử

dụng

Qkh

Qtt

Qtx

Qkk

Lò Nung Gốm

Qnl

Qcháy

Qsp

QL

76 Phan Như Thúc

Bang 4. Nguyên nhân gây ra dong thai

Dòng thải Công đoạn Nguyên nhân

Rơi vãi

đất sét,

sỏi sạn

Nhao, loc

đât

Làm thủ công, chưa có công nghệ

thay thế cho sức người

Khu vực tạo hình và bãi chứa

nguyên liệu trộn đất sét ở xa nhau

Nhiệt Nung san

phâm

Lò nung thủ công chưa có biện pháp

tận thu nguồn nhiệt (công nghệ cũ)

Khói

thải

Nung san

phâm

Chưa có biện pháp kiểm soát khí thải

phát sinh

Bụi Nung san

phâm

Chưa có biện pháp xử lý bụi trong

quá trình bốc dỡ sản phẩm

3.4. Đê xuât biên phap giam thiêu ô nhiêm theo hương

san xuât sach hơn

Để thuận tiện cho việc phân tích, đánh giá và áp dụng

các cơ hội SXSH cho các hộ làm gốm tại làng gốm Thanh

Hà chúng tôi lựa chọn hộ làm gốm ông Lê Văn Xê làm

nghiên cứu điển hình để triển khai các bước đánh giá

SXSH. Từ các đề xuất SXSH đối với hộ ông Lê Văn Xê có

thể triển khai áp dụng đối với các hộ làm gốm tương tự

trong Làng nghề gốm Thanh Hà, TP. Hội An.

3.4.1. Tăng cương quan ly nôi vi

Tinh toan va đưa ra đinh mưc sư dung nguyên liêu,

nhiên liêu hơp ly.

Tăng cương bao ôn cho lo nung gôm, khăc phuc hiên

tương âm ươt trong mua mưa, gây anh hương đên qua trinh

nung gôm.

Trang bi bao hô lao đông cho ngươi lao đông như: khâu

trang, găng tay, kinh.

Cac hô san xuât nho le nên gom lai đê nung môt me lơn.

3.4.2. Phân loai tai nguôn

Sư dung đât set co ham lương soi san it hơn đê cho ra

san phâm đep măt, thu hut ngươi mua.

3.4.3. Cai tiên thiêt bi

a. Trang bi may đun lam nhôi nhuyên đât va lam

chin đât

* Muc đich: Nâng cao hiêu qua lam đât, cho san phâm

chât lương tôt hơn, bên canh đo cai thiên sưc khoe ngươi

lao đông vê cac bênh đau lưng, viêm khơp.

Hình 7. May đun lam nhôi nhuyên đât va chin đât

* Thông tin sản phẩm (Hình 7):

+ Máy đùn;

+ Công suất: 7,5kW;

+ Năng suất: làm nhồi nhuyễn đất với công suất 5 m3/4 giờ;

+ Xuất sứ: Việt Nam.

* Chi phí đầu tư: 1 máy 25.000.000 đồng

* Chi phí làm bằng máy đùn

+ Chi phí điện năng làm 5m3 đất trong 4 giờ

1.500 VNĐ/kWh x 7,5 kW x 4 h= 45.000 đồng

+ Chi phí nhân công

Chi phí 1 nhân công trong 4 giờ: 75.000 đồng

Cần 2 nhân công làm trong 4 giờ

Tổng chi phí làm 5 m3 đất trong 4 giờ bằng máy đùn:

75.000 x 2 + 45.000 = 195.000 đồng

* Chi phí làm bằng phương pháp thủ công

+ Cần 20 nhân công làm 5m3 đất trong 4 giờ

+ Chi phí 1 nhân công trong 4 giờ: 75.000 đồng

Tổng chi phí làm 5m3 đất trong 4 giờ bằng phương pháp

thủ công: 75.000 x 20 = 1.500.000 đồng

* Chi phí tiết kiệm sản xuất 5m3 đất khi làm máy đùn

so với phương pháp thủ công:

1.500.000 – 195.000 = 1.305.000 đồng

Vậy chi phí tiết kiệm sản xuất 1m3 đất khi làm máy đùn

so với phương pháp thủ công: 261.000 đồng

* Tại hộ ông Lê Văn Xê, tổng lượng đất sét cần làm

trong 1 năm là 82m3, suy ra lợi tức thu được nếu sử dụng

máy đùn là: 261.000 x 82 = 21.402.000 đồng

Thời gian hoàn vốn:

25.000.0001,17

21.402.000 (năm)

Tính khả thi về mặt kinh tế cao, bên cạnh đó sản

phẩm cho ra chất lượng đẹp hơn, sẽ thu thêm lợi ích từ việc

bán sản phẩm đem lại.

b. Trang bị thêm mô tơ thiết kế cho bàn quay công

đoạn tạo hình

* Muc đich: Cai thiên sưc khoe ngươi lao đông vê cac bênh

đau lưng, viêm khơp, đông thơi nâng cao hiêu qua san xuât.

Hình 8. Thiết bị cải tiến trang bị thêm mô tơ

cho bàn quay công đoạn tạo hình

* Thông tin sản phẩm (Hình 8):

+ Mô tơ;

+ Công suất: 125W;

+ Xuất sứ: Việt Nam.

* Chi phí đầu tư: 2 mô tơ 4.000.000 đồng,

1 bàn quay 1.000.000 đồng

* Chi phí tạo hình sản phẩm bằng bàn quay có mô tơ

+ Chi phí điện năng tạo hình 5m3 đất trong 15 ngày

0,125kW x 1500 VNĐ/kWh x 8h x 2 x 15 = 45.000 đồng

+ Chi phí nhân công:

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 77

Chi phí 1 nhân công trong 1 ngày: 150.000 đồng

Cần 2 nhân công làm trong 15 ngày

Tổng chi phí tạo hình 5m3 đất trong 15 ngày:

150.000 x 2 x 15 + 45.000 = 4.545.000 đồng

* Chi phí làm bằng phương pháp thủ công

+ Cần 2 nhân công tạo hình 5m3 đất trong 20 ngày

+ Chi phí 1 nhân công trong 1 ngày: 150.000 đồng

Tổng chi phí làm 5 m3 đất trong 20 ngày bằng phương

pháp thủ công: 150.000 x 2 x 20 = 6.000.000 đồng

* Chi phí tiết kiệm khi tạo hình 5m3 đất bằng bàn quay

có mô tơ so với phương pháp thủ công:

6.000.000 -4.545.000 = 1.455.000 đồng

Chi phí tiết kiệm khi tạo hình 1m3 đất bằng bàn quay có

mô tơ so với phương pháp thủ công: 291.000 đồng

* Tại hộ ông Lê Văn Xê, tổng lượng đất sét cần làm

trong 1 năm là 82m3. Suy ra lợi tức thu được nếu tạo hình

bằng bàn quay có mô tơ là:

291.000 x 82 = 23.862.000 đồng

Thời gian hoàn vốn:

5.000.0000,21

23.862.000 (năm)

Tính khả thi về mặt kinh tế cao.

c. Thiêt kê cưa nap nhiên liêu qua trinh đôt lo nung gôm

* Mục đích nhằm giảm nhiệt tỏa ra cửa lò, bên cạnh đó

bảo vệ sức khỏe cho người lao động trong quá trình nung gốm.

Hình 9 cho thấy lò nung gốm thủ công đang hoạt động

của nhà Ông Lê Văn Xê với cửa nạp nhiên liệu hở.

Hình 9. Lò nung gốm nhà ông Lê Văn Xê

Hình 10. Chi tiết kích thước cải tiến cửa nạp liệu

cho quá trình đốt lò nhỏ hộ ông Lê Văn Xê

Từ miệng cửa nạp liệu, tiến hành xây lồi ra 125 mm để

tạo độ liên kết lò nung với miệng cửa nạp liệu ban đầu

(Hình 10).

Sau đó lắp cửa nạp liệu cải tiến bằng hệ thống đỡ bản

lề như Hình 11.

Hình 11. Cửa nạp nhiên liệu quá trình đốt lò nung gốm

(a) Cửa nạp nhiên liệu thiết kế;

(b) Phần cửa liên kết với bản lề; (c) Khóa cửa

Xung quanh cửa được phủ lớp sơn chịu nhiệt Cadin.

Cấu tạo cửa nạp liệu gồm 2 lớp [6], [7]:

Lớp I: gạch samot, δ1= 120mm,

λ1=0,837+0,58 x 10-3= 0,838 (W/m.oC).

Lớp II: thép, δ2= 5mm, λ2=58 (W/m2.oC).

Với: δ1, δ2 là chiều dày của các lớp vật liệu; λ1, λ2 là hệ

số dẫn điện lớp vật liệu.

Việc phân tích tính khả thi về mặt kinh tế, kỹ thuật và

môi trường của các giải pháp SXSH được dựa vào phương

pháp cho điểm theo tính khả thi của các giải pháp:

1 - 4 điểm: Tính khả thi thấp; 5 - 7 điểm: Tính khả thi trung

bình; 8 - 10 điểm: Tính khả thi cao.

Thứ tự ưu tiên thực hiện các giải pháp SXSH tại làng

nghề gốm Thanh Hà được trình bày ở Bảng 5.

Bảng 5. Tổng kết lợi ích từ các mặt và thứ tự ưu tiên

của các giải pháp SXSH

Các giải pháp SXSH

Lợi ích các mặt của các giải

pháp SXSH Tổng

điểm

Xếp

loại Kinh tế

(50%)

Kỹ thuật

(30%)

Môi trường

(20%)

Giải pháp 1: Sử dụng đất sét có hàm lượng sỏi sạn

ít hơn

8 4,0 1 0,3 3 0,6 4,9 Trung

bình

Giải pháp 2: Sử dụng

than đá có hàm lượng lưu huỳnh thấp, có nhiệt

trị cao

1 0,5 1 0,3 9 1,8 2,6 Thấp

Giải pháp 3: Trang bị thêm máy đùn làm nhồi nhuyễn

đất và làm chín đất

7 3,5 9 2,7 7 1,4 7,6 Cao

Giải pháp 4: Trang bị thêm

mô tơ thiết kế cho bàn quay công đoạn tạo hình

9 4,5 9 2,7 7 1,4 8,6 Cao

Giải pháp 5: Trang bị

thêm mô tơ và hộp số thiết kế cho bàn quay

công đoạn tạo hình

9 4,5 9 2,7 7 1,4 8,6 Cao

Giải pháp 6: Thiết kế

chụp hút khí thải, quạt cấp khí cho quá trình đốt

1 0,5 6 1,8 9 1,8 4,1 Thấp

Giải pháp 7: Cải tiến cửa

nạp nhiên liệu cho quá trình đốt, cửa bốc dỡ sản

phẩm gốm.

1 0,5 6 1,8 9 1,8 4,1 Thấp

Giải pháp 8: Bảo ôn lò

đốt, tránh tổn thất nhiệt, cung cấp đủ oxy cho quá

trình cháy

1 0,5 9 2,7 9 1,8 5 Trung bình

Giải pháp 9: Dồn nung chung lò nung lớn có

khả năng kiểm soát khí

thải tại lò nung

1 0,5 1 0,3 9 1,8 2,6 Thấp

450

205225

430

450125 125

205225125

430125

125 700125 125

205350125

555125

125

CHI TIEÁT CAÛI TIEÁN

CÖÛA NAÏP LIEÄU

KÍCH THÖÔÙT BAN ÑAÀU

CÖÛA NAÏP LIEÄU

MAËT ÑÖÙNG MAËT BEÂN

100

100

70

PHAÀN NOÁI VÔÙI CÖÛA

NAÏP LIEÄU BAN ÑAÀU

PHAÀN CÖÛA LIEÂN KEÁT

VÔÙI BAÛN LEÀ

MAËT ÑÖÙNG MAËT BEÂN MAËT ÑÖÙNG MAËT BEÂN

(a) (b) (c)

78 Phan Như Thúc

Các cơ sở làm gốm trong làng nghề gốm Thanh Hà, Hội

An thực hiện các giải pháp SXSH với thứ tự ưu tiên như

trên, đồng thời tiến hành giám sát và đánh giá kết quả để

có biện pháp can thiệp kịp thời.

4. Kết luận

Lang nghê gôm Thanh Ha co y nghia rât quan trong vê

măt kinh tê - xa hôi, gop phân giai quyêt viêc lam va đem

lai thu nhâp cho ngươi dân trong lang. Do đo viêc tim ra

cac giai phap nhăm tiêt kiêm chi phi san xuât, vưa bao vê

môi trương san xuât la môt hương tiếp cận giup cho lang

nghê phat triên bền vững.

Tiêm năng ap dung san xuât sach hơn đôi vơi cac hoat

đông san xuât công nghiêp nhìn chung rât nhiêu. Môt bươc

ngoăt mơi cho san xuât sach hơn la co thê đươc nghiên cưu,

ap dung vơi cac hoat đông lang nghê. Qua qua trinh nghiên

cưu ap dung san xuât sach hơn tai lang nghê gôm Thanh

Ha cho thấy cac giai phap đưa ra là hoan toan co tinh kha

thi. Cac giai phap bao gôm: tăng cương quan ly nôi vi, phân

loai tai nguôn, cai tiên thiêt bi. Nếu áp dụng các cơ hội được

đề xuất như trong nghiên cứu này thì năng suất sản xuất sẽ

tăng cao, tiết kiệm nguyên nhiên liệu, giảm phát thải chất

thải ra môi trường.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Phòng Văn hóa - Thông tin TP. Hội An, “Làng gốm Thanh Hà”, Du

lịch Hội An, 09/06/2015. [Online]. Available:

http://hoiantourism.info/pages/chuyenmuc_view.aspx?idchuyenmuc=723, [Accessed: 05/05/2017].

[2] Phan Như Thúc, Phạm Thị Nhã Yên, “Nghiên cứu đánh giá hiện

trạng và đề xuất biện pháp bảo vệ môi trường cho làng nghề gốm

Thanh Hà, thành phố Hội An, tỉnh Quảng Nam”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, 1(98), 2016, pp. 69-74.

[3] Đặng Kim Chi, Nguyễn Ngọc Lân, Trần Lệ Minh, Làng nghề Việt

Nam và Môi trường, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2012.

[4] Bộ Công thương, “Sản xuất sạch hơn là gì?”, Sản xuất sạch hơn tại

Việt Nam. [Online]. Available: http://www.sxsh.vn/vi-

VN/Home/FAQ.aspx,[Accessed: 05/05/2017].

[5] Nguyễn Đình Huấn, Tài liệu giảng dạy sản xuất sạch hơn, Trường

Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, 2005.

[6] Trần Ngọc Chấn, Kĩ thuật thông gió, NXB Xây dựng, Hà Nội, 1998.

[7] Hoàng Thị Hiền, Thiết kế Thông gió Công nghiệp, NXB Xây dựng

Hà Nội, 2001.

(BBT nhận bài: 15/05/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 07/06/2017)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 79

BÙN THẢI ĐÔ THỊ TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG: HIỆN TRẠNG VÀ KHẢ NĂNG

XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY KỴ KHÍ

SEWAGE SLUDGE IN DANANG CITY: CURRENT STATE AND TREATMENT BY

ANAEROBIC DIGESTION

Phan Thị Kim Thủy, Dương Gia Đức, Trần Văn Quang

Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

ptkthuy@dut.udn.vn, dgduc@dut.udn.vn, tvquang@dut.udn.vn

Tóm tắt - Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu về hiện trạng quản lý bùn thải đô thị và các thông số cơ bản của quá trình phân hủy kỵ khí làm cơ sở cho việc lựa chọn công nghệ xử lý bùn thải từ các trạm xử lý nước thải (XLNT) đô thị tiếp cận theo hướng giảm phát thải khí nhà kính tại Đà Nẵng. Kết quả nghiên cứu cho thấy, lượng lớn bùn thải từ hệ thống thoát nước phát sinh chứa lượng lớn chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, chất dinh dưỡng nhưng chưa được xử lý phù hợp. Thực nghiệm áp dụng phương pháp phân hủy kỵ khí (PHKH) trong xử lý bùn cặn từ trạm XLNT đô thị cho kết quả: (1) Bùn cặn từ trạm XLNT có thể được xử lý bằng phương pháp PHKH cho khả năng thu hồi biogas cao; (2) Chế độ vận hành liên lục tối ưu ở tải trọng 0,84gCHC/lít.ngày, sản lượng biogas 0,27l/gCHC; (3) Áp dụng phương pháp PHKH trong xử lý (XL) bùn cặn từ các trạm XLNT là cần thiết, góp phần giảm phát thải khí nhà kính cho thành phố trong tương lai.

Abstract - This paper presents the results of the current management of municipal sludge and the basic parameters of anaerobic process as the basis for choosing the technology for treating sludge from municipal wastewater treatment plants (MWTPs) towards reducing greenhouse gase (GHG) emissions in Da Nang city. The results show that a large quantity of sludge from sewage system has high concentration of organic matter and nutrients but they are not treated well. The experiment of anaerobic process for treating sludge from MWTPs shows that (1) Sludge from MWTPs can be treated by continuous anaerobic digestion and it can bring high efficiency and capability of collecting biogas; (2) The parameter of optimal continuous process is at load of 0.84g(Organic matter)/l.day with biogas amount of 0.27l/gram(Organic matter); (3) Treating sludge from MWTPs by anaerobic process is necessary and contributes to reducing GHG emissions for Danang city in the future.

Từ khóa - bùn thải; phân hủy kỵ khí; xử lý bùn cặn; xử lý nước thải; khí sinh học

Key words - sludge; anaerobic digestion; sludge treatment; wastewater treatment; biogas

1. Đặt vấn đề

Hệ thống thoát nước đô thị của Việt Nam chủ yếu là hệ

thống thoát nước chung cho cả 3 loại nước thải là nước thải

sinh hoạt, nước thải sản xuất và nước mưa. Phần lớn hệ

thống thoát nước các đô thị lớn đều đã được xây dựng từ

lâu, xuống cấp và quá tải. Quản lý hệ thống thoát nước đô

thị hiện nay được giao cho các Công ty trách nhiệm hữu

hạn (TNHH) nhà nước một thành viên Thoát nước Đô thị

(đối với các đô thị loại đặc biệt và loại I trực thuộc TƯ),

các công ty môi trường đô thị, công ty cấp thoát nước hoặc

công ty dịch vụ công trình đô thị (đối với các đô thị khác)

[1, 2]. Tại thành phố Đà Nẵng, Công ty Thoát nước và Xử

lý nước thải (TN&XLNT) là đơn vị thực hiện các nhiệm vụ

nạo vét bùn cặn mạng lưới thoát nước (cống và kênh

mương); việc hút, vận chuyển bùn thải từ bể tự hoại phần

lớn được các công ty tư nhân tham gia thực hiện và công

tác xử lý bùn thải từ hệ thống thoát nước do Công ty Cổ

phần Môi trường Đô thị Đà Nẵng thực hiện. Bùn cặn từ hệ

thống kênh mương được vận chuyển và đưa đi chôn lấp với

mục đích duy trì hoạt động thoát nước là chính. Bùn thải từ

các trạm xử lý nước thải chưa được quan tâm, xử lý triệt

để. Hoạt động hút phân bùn bể tự hoại chưa kiểm soát, chưa

khuyến khích được các hộ gia đình thông hút bể tự hoại

thường xuyên và chỉ thông hút bể tự hoại khi bể bị tắc và

tràn ra ngoài. Việc chôn lấp và xử lý bùn cặn thoát nước,

bùn thải bể tự hoại ... chưa có được quy trình thống nhất và

không được xử lý triệt để là nguyên nhân gây ô nhiễm môi

trường nước, đất và không khí khu vực [3]. Với đặc điểm

đặc trưng từ các loại bùn cặn: (1) phân bùn bể phốt có hàm

lượng chất hữu cơ cao, chất rắn có khoảng dao động rộng

và lượng lớn Nitơ, Phốt pho; (2) Bùn cặn từ hệ thống thoát

nước và xử lý nước thải (HTTN & XLNT) có khoảng dao

động nồng độ chất rắn, chất hữu cơ và chất dinh dưỡng rất

lớn phụ thuộc vào đặc điểm HTTN và đặc điểm lưu vực đã

gây khó khăn cho công tác xử lý cũng như đề xuất mô hình

quản lý bùn cặn một cách hiệu quả. Vì vậy, việc đánh giá

hiện trạng và đề xuất giải pháp quản lý bùn cặn từ hệ thống

thoát nước đô thị là rất cần thiết, không những chỉ ra các

vấn đề tồn tại và giải pháp xử lý bùn cặn từ HTTN mà còn

hướng đến việc xây dựng mô hình quản lý bùn cặn một

cách bền vững và giảm phát thải khí nhà kính. Nghiên cứu

được tập trung chính vào việc đánh giá hiện trạng thu gom

xử lý bùn cặn từ HTTN tại thành phố Đà Nẵng và thực

nghiệm áp dụng phương pháp phân hủy kỵ khí trong xử lý

bùn cặn từ trạm XLNT đô thị làm cơ sở quan trọng cho

việc tiếp cận, nghiên cứu sâu các giải pháp công nghệ xử

lý bùn cặn phù hợp với chiến lược quản lý môi trường bền

vững tại thành phố Đà Nẵng trong tương lai.

2. Vật liệu và phương pháp

2.1. Vật liệu và các mô hình thực nghiệm

Các loại bùn thải được xem xét trong nghiên cứu bao

gồm: Phân bùn bể phốt từ hộ gia đình (PBBP); bùn thải từ

trạm xử lý nước thải đô thị và bùn cặn từ hệ thống thoát

nước. Bùn thải sử dụng cho mô hình thực nghiệm áp dụng

phương pháp phân hủy kỵ khí được lấy trực tiếp từ quá

trình vận hành mô hình sinh hóa hiếu khí Aerotank (SBR)

với nước thải đầu vào lấy từ trạm XLNT Phú Lộc để tiến

hành thí nghiệm.

Mô hình xác định tốc độ phân hủy kỵ khí ở phòng thí

nghiệm được tiến hành trong trường hợp nạp liệu gián đoạn

(Hình 1) và liên tục (Hình 2).

80 Phan Thị Kim Thủy, Dương Gia Đức, Trần Văn Quang

Hình 1. Mô hình kỵ khí 500ml – chế độ gián đoạn

Mô hình với chế độ hoạt động gián đoạn bao gồm: Thiết

bị ổn định nhiệt độ, bình phản ứng hình trụ (500ml), hệ

thống đường ống thu khí, thiết bị khuấy trộn. Tiến hành vận

hành với bùn dư từ quá trình aerotank – SBR. Tiến hành

vận hành các mô hình thí nghiệm ở chế độ 550C và 350C.

Hình 2. Mô hình kỵ khí 160l – chế độ liên tục

Mô hình với chế độ hoạt động liên tục bao gồm: hình

trụ làm bằng thép (D = 450 mm, H = 1000 mm),

Vhữu ích =120 lít. Mô hình có lắp đặt hệ thống đường ống

dẫn khí, đồng hồ đo áp suất, túi chứa khí, bộ gia nhiệt và

hệ thống xáo trộn bằng cách tuần hoàn hỗn hợp biogas sinh

ra, bên ngoài có bọc lớp cách nhiệt, phễu nạp bùn cặn, van

xả nước đầu ra, van xả bùn đáy. Quá trình vận hành mô

hình luôn duy trì nhiệt độ (34-350C), kết hợp quá trình

khuấy trộn bằng sục khí. Hằng ngày nạp bùn với từng lưu

lượng khác nhau Q = 10 lít/ngày, 15 lít/ngày, 20 lít/ngày.

Thời gian vận hành tương ứng của mỗi lưu lượng là 10 -

20 ngày để xác định quá trình phân hủy. Đo đạc nhiệt độ,

thành phần khí sinh ra: 01 lần/ngày.

2.2. Phương pháp nghiên cứu

2.2.1. Phương pháp thống kê

Tổng hợp, thu thập các tài liệu, số liệu liên quan: các tài

liệu, số liệu về hiện trạng thu gom và xử lý định kỳ bùn cặn

từ hệ thống thoát nước trên địa bàn thành phố Đà Nẵng.

2.2.2. Phương pháp khảo sát, lấy mẫu và phân tích

Phương pháp được áp dụng trong quá trình lấy mẫu bùn

cặn tại các hộ gia đình, hệ thống thoát nước, trạm xử lý nước

thải đô thị và được tuân theo tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành.

2.2.3. Phương pháp mô hình

Sử dụng trong quá trình triển khai các nghiên cứu thực

nghiệm, bao gồm thiết lập và vận hành mô hình phân hủy

kỵ khí xử lý bùn cặn.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Hiện trạng thu gom và xử lý bùn thải đô thị tại thành

phố Đà Nẵng

3.1.1. Phân bùn bể phốt

Các số liệu thu thập và tính toán lượng phân bùn bể phốt

phát sinh và thu gom tại thành phố Đà Nẵng giai đoạn 2010

- 2016 được trình bày tại Bảng 1. Các số liệu thu thập, lấy

mẫu và phân tích về tính chất thành phần phân bùn bể phốt

được trình bày tại Bảng 2.

Bảng 1. Khối lượng phân bùn bể phốt phát sinh và thu gom

trong giai đoạn 2011-2015 [3]

Năm 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Phát sinh

(tấn/năm) 56.724 59.614 61.184 63.344 66.900 73.033 78.440

Thu gom

(tấn/năm) 16.766 22.616 19.688 29.200 24.700 21.495 16.971

Các số liệu tổng hợp cho thấy, lượng phân bùn bể phốt tại

các hộ gia đình được thu gom so với lượng phát sinh còn

chênh lệch khá lớn, chỉ chiếm khoảng 30-40% tổng lượng

phân bùn phát sinh hằng năm của thành phố. Khối lượng phân

bùn thu gom giữa các các năm cũng có sự chênh lệch đáng kể

(Năm 2010: 16.766 tấn; năm 2013: 29.200 tấn). Sự chênh lệch

giữa lượng thu gom – xử lý và lượng phát sinh phụ thuộc vào

nhiều nguyên nhân khác nhau nhưng tập trung chủ yếu vào

việc quản lý vận hành bể tự hoại hộ gia đình, chính quyền

thành phố chưa có cơ chế quản lý, kiểm soát hoạt động này.

Việc thông hút phân bùn tại hộ gia đình chỉ diễn ra khi các hộ

dân có nhu cầu hoặc các trường hợp khi bể tự hoại bị tắc.

Bảng 2. Tính chất thành phần phân bùn bể phốt tại Tp. Đà Nẵng 2012-2014 và tại một số vị trí khảo sát năm 2015, 2016

Chỉ

tiêu

Đơn

vị

2012-2014 2015 2016

Min TB Max BBP1 BBP2 BBP3 BM1 BM2 BM3 BM4 BM5 BM6

pH - 7,3 7,7 8,2 7,4 7,6 7,4 7,5 7,6 7,8 7,7 7,6 7,9

SS mg/l 1.750 36.523 73.200 19.500 14.600 45.000 18.900 15.700 17.800 17.000 15.300 16.100

COD mg/l 2.550 40.495 64.400 14.200 11.500 24.800 15.200 12.785 14.950 15.000 11.800 13.700

T-N mg/l 864 3.045 5.180 1.720 1.380 3.853 1.834,8 1.454,1 1.557,7 1.707,0 1.605,0 1.234,2

T-P mg/l 98,6 1.077 2.028 482,5 356,2 754,5 600,6 556,7 568,9 633,6 523,5 431,0

Với kết quả phân tích được và so với các nghiên cứu

trước đây cho thấy, giá trị có được tại thời điểm khảo sát,

lấy mẫu năm 2016 là hoàn toàn phù hợp. Thành phần phân

bùn bể phốt có hàm lượng chất hữu cơ, chất rắn và lượng

Nitơ, Phốt pho cao. Kết quả đo được giữa các mẫu có sự

chênh lệch là do thời gian thông hút, thời gian lưu bùn cặn

giữa các vị trí khác nhau.

Với các số liệu thu thập và khảo sát, phân tích tại thời

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 81

điểm hiện tại cho thấy: Tại thành phố Đà Nẵng, thành phần

phân bùn bể phốt có chứa một lượng lớn các chất ô nhiễm

(chất rắn, chất hữu cơ, chất dinh dưỡng), khoảng dao động

của các chất ô nhiễm là khá rộng tùy thuộc vào đặc điểm

công trình, quá trình quản lý - vận hành công trình bể tự

hoại. Với các đặc điểm về tính chất thành phần phân bùn

bể phốt, nếu không có biện pháp quản lý phù hợp từ quy

mô hộ gia đình đến quy mô quận, huyện, tỉnh thì nguy cơ

gây ô nhiễm môi trường là rất lớn.

Việc thu gom vận chuyển phân bùn bể phốt chủ yếu do

các công ty tư nhân đảm nhận thực hiện. Phân bùn bể phốt sau

khi thu gom được xử lý bằng phương pháp ổn định bùn, tách

cặn khỏi chất lỏng và chôn lấp tại khu xử lý chất thải rắn

Khánh Sơn mà chưa quan tâm đến việc tận thu lượng chất dinh

dưỡng trong phân bùn cho các mục đích tái sử dụng. Sơ đồ

quy trình xử lý phân bùn bể phốt được thể hiện tại Hình 3.

Hình 3. Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý phân bùn bể phốt

tại thành phố Đà Nẵng

3.1.2. Bùn thải từ hệ thống thoát nước

Công tác nạo vét khơi thông hệ thống thoát nước đô thị

do công ty TN&XLNT thành phố Đà nẵng thực hiện. Các

số liệu thống kê về lượng bùn cặn HTTN được nạo vét từ

2010 đến 2015 được thể hiện tại Bảng 3 và các số liệu phân

tích về tính chất thành phần bùn cặn từ HTTN được trình

bày tại Bảng 4.

Bảng 3. Khối lượng bùn cặn từ quá trình thông tắc và

nạo vét HTTN tại Tp. Đà Nẵng (2010-2015)

Năm 2010 2011 2012 2013 2014 2015

Bùn cặn

(tấn/năm) 5652 8243 4383 2807 2154 3669,5

Bảng 4. Tính chất thành phần bùn thải từ khơi thông nạo vét

hệ thống thoát nước (2016)

TT Chỉ tiêu Đơn vị Đợt 1 Đợt 2 Đợt 3

1 Độ ẩm % 84,4 84,8 43

2 Độ tro % 37,2 32,4 15,7

3 Tổng cacbon g/kg 0,301 0,430 0,488

4 Tổng Nitơ g/kg 1,29 1,4 1,45

5 Tổng Phospho g/kg 0,75 0,62 0,92

Với các số liệu thu thập được cho thấy, lượng bùn cặn

nạo vét từ HTTN qua các năm có sự chênh lệch đáng kể do

khối lượng nạo vét hằng năm phụ thuộc vào khối lượng

giao khoán từ UBND Thành phố, ngoài ra còn do nhiều

nguyên nhân khác có liên quan: hệ thống thoát nước là hệ

thống chung và không đồng bộ, sự thay đổi của khí hậu

(đặc biệt là sự thay đổi về lượng mưa hàng năm), công tác

quản lý, vận hành hệ thống thoát nước, … Tuy nhiên, các

số liệu thu thập được cho thấy có sự đầu tư và đạt hiệu quả

trong quản lý vận hành hệ thống, lượng bùn cặn nạo vét

giảm đi đáng kể từ 8.243tấn (2011) còn khoảng 2.154 tấn

(2014). Lượng phát sinh trung bình qua các năm giai đoạn

từ 2010-2015 đạt khoảng 4.484,7 tấn/năm.

Thành phần bùn cặn từ hệ thống thoát nước chứa hàm

lượng chất hữu cơ thấp, các chất dinh dưỡng T-N từ 1,2 -

1,5 g/kg khô, T-P từ 0,5-1 g/kg khô. Hàm lượng TOC từ

0,3 – 0,5 g/kg. Tuy nhiên, thành phần bùn cặn tại các lưu

vực - khu vực sẽ khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm của

từng lưu vực - khu vực, điều kiện khí hậu và các yếu tố liên

quan khác. Thành phần hữu cơ trong bùn cặn sẽ thay đổi

theo thời gian do thời gian lưu giữ trong các công trình và

mạng lưới thoát nước lâu và phần lớn các chất hữu cơ trong

bùn cặn lắng đọng đã bị phân huỷ. Bùn cặn sau khi thu gom

được chôn lấp tại khu xử lý chất thải rắn Khánh Sơn.

3.1.3. Bùn thải từ các trạm XLNT đô thị

Các trạm XLNT đô thị tại thành phố Đà Nẵng hiện đang

sử dụng công nghệ hồ kỵ khí dạng đơn giản trừ trạm XLNT

Hòa Xuân và Phú Lộc áp dụng công nghệ hiếu khí (SBR)

mới được thi công xây dựng và đang vận hành thử nghiệm

nên lượng bùn dư rất ít và chỉ đủ vận hành hệ thống. Với

các trạm xử lý nước thải đô thị áp dụng công nghệ hồ kỵ

khí (Hòa Cường, Sơn Trà và Ngũ Hành Sơn), nước thải đô

thị từ hệ thống thoát nước chung, sau khi loại bỏ rác, lắng

cát được đưa vào hồ kỵ khí và được thải vào nguồn tiếp

nhận (sông và biển). Theo số liệu thống kê cho thấy, các hệ

thống này xử lý không đạt hiệu quả và nhiều thời điểm chất

lượng nước thải sau xử lý không đạt tiêu chuẩn [4, 5].

Ngoài ra tại các trạm hầu như không có các biện pháp phù

hợp về quản lý bùn thải từ vận hành hệ thống, bùn thải từ

hồ kỵ khí hầu như rất ít.

Theo chiến lược quản lý nước thải đến năm 2020 của

thành phố Đà Nẵng, công nghệ xử lý tại các trạm XLNT

dần được chuyển sang công nghệ sinh hóa hiếu khí (SBR)

và bùn cặn từ quá trình xử lý được đưa đến bể nén bùn sau

đó được làm khô bằng máy ép bùn và vận chuyển lên bãi

chôn lấp chất thải rắn Khánh Sơn để xử lý.

Các kết quả phân tích về tính chất thành phần bùn dư

từ mô hình SBR với nước thải đầu vào lấy từ trạm XLNT

Phú Lộc được trình bày tại Bảng 5.

Bảng 5. Tính chất thành phần bùn dư từ mô hình SBR với

nước thải đầu vào lấy từ trạm XLNT Phú Lộc

TT Chỉ tiêu Đơn vị BSBR

1 Độ ẩm % 99,0 - 99,1

2 Độ tro % 18,5 - 31,9

3 COD mg/l 7.600 – 9.600

4 N-NH4+ mg/l 190,0 – 240,0

5 P-PO43- mg/l 63,3 – 80,0

82 Phan Thị Kim Thủy, Dương Gia Đức, Trần Văn Quang

Kết quả phân tích cho thấy, bùn dư từ quá trình SBR có

chứa lượng lớn chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học và chất

dinh dưỡng. Với khoảng dao động COD (7,6 - 9,6 g/l);

N-NH4+ (190 - 240 mg/l) và P-PO4

3- (63,3 - 80 mg/l). Tỷ lệ

chất hữu cơ và chất dinh dưỡng (C:N:P) phù hợp cho quá

trình xử lý bằng phương pháp phân hủy kỵ khí và thu hồi

năng lượng.

3.2. Kết quả thực nghiệm áp dụng phương pháp phân hủy

kỵ khí trong xử lý bùn cặn từ trạm xử lý nước thải đô thị

3.2.1. Xác định thông số tốc độ phân hủy bùn cặn ở chế độ

gián đoạn (lên men ấm và lên men nóng)

Kết quả theo dõi tổng lượng khí sinh ra tại mỗi mô hình

khi kết thúc thí nghiệm được trình bày tại Hình 4 và kết quả

tính toán thông số thực nghiệm, sản lượng khí của các mô

hình được thể hiện tại Bảng 6.

Hình 4. Tổng lượng khí sinh ra của 2 mô hình (350C & 550C)

Bảng 6. Thông số thực nghiệm và sản lượng khí

STT Mô hình Sản lượng khí

(ml/gCHC)

Thời gian lưu

(ngày)

1 Chế độ nóng (550C) 217 14

2 Chế độ ấm (350C) 180 16

Từ kết quả vận hành mô hình gián đoạn cho thấy: bùn

dư từ quá trình sinh hóa hiếu khí (SBR) có khả năng phân

hủy kỵ khí và ở chế độ nóng 550C thời gian thích nghi của

bùn dài (4 ngày), ở chế độ ấm 350C thời gian thích nghi

ngắn hơn (2 ngày). Tuy nhiên thời gian phân hủy chất hữu

cơ ở giai đoạn sau ở chế độ nóng lại ngắn hơn. Sản lượng

khí sinh ra tính trên 1 gam chất hữu cơ ở chế độ nóng là

0,217 lít và ở chế độ ấm là 0,18 lít.

Quá trình phân hủy ở chế độ nóng cho sản lượng khí

cao hơn và thời gian phân hủy chất hữu cơ ngắn hơn, tuy

nhiên yêu cầu phải gia nhiệt thường xuyên, tốn năng lượng,

trong khi đó đối với chế độ ấm cho sản lượng khí chỉ thấp

hơn khoảng 10% và không cần gia nhiệt, phù hợp với điều

kiện khí hậu ở Đà Nẵng do đó trong quá trình xử lý bùn cặn

bằng phương pháp phân hủy kỵ khí nên áp dụng với chế độ

ấm 350C.

3.2.2. Xác định thông số tốc độ phân hủy bùn cặn ở chế độ

liên tục (chế độ lên men ấm)

Kết quả hiệu suất phân hủy chất hữu cơ, sản lượng

biogas thu được theo các tải trọng và thành phần biogas thu

được tính từ lúc khởi động mô hình đến lúc mô hình được

ổn định lần lượt được thể hiện tại các Hình 5, 6 và 7.

Hình 5. Hiệu suất phân hủy CHC theo các tải trọng

Hình 6. Sản lượng biogas thu được theo tải trọng

Hình 7. Thành phần khí thu được theo thời gian vận hành

Kết quả thực nghiệm cho thấy, hiệu suất phân hủy chất

hữu cơ giảm dần theo sự tăng tải trọng. Cao nhất là 40,8%

ứng với tải trọng thấp nhất 0,42 gCHC/lít.ngày; khi tải

trọng tăng lên 0,63 gCHC/lít.ngày thì hiệu suất phân hủy

chất hữu cơ là 33,7% (0,63gCHC/lít.ngày ~ 33,7%);

(0,84gCHC/lít.ngày ~ 29,7%); (1,25 gCHC/lít.ngày ~ 25,5

%) và hiệu suất đạt thấp nhất là 22,9 % ứng với tải trọng

1,67 gCHC/lít.ngày.

Với sản lượng biogas thu hồi trên 1 đơn vị (1g CHC)

tăng từ 74 ml/gCHC lên 269 ml/gCHC khi tải trọng tăng từ

0,42 gCHC/lít.ngày đến 0,84 gCHC/lít.ngày; Sau đó sản

lượng biogas giảm xuống còn 251 ml/gCHC khi tải trọng

tăng lên 1,67 gCHC/lít.ngày. Lý do được giải thích do

lượng chất hữu cơ nạp vào hằng ngày lớn làm vi sinh vật

tiêu thụ không hết dẫn đến sốc tải và ở tải trọng thấp thì

lượng chất hữu cơ bị vi sinh vật tiêu thụ hết và thiếu lượng

chất hữu cơ. Bên cạnh đó, theo thời gian vận hành, thành

phần khí mêtan lúc mô hình ổn định đạt 65 – 75%,

O2: 0,7 – 1,8%; CO2:7,1 – 20,8%.

Như vậy, với các thực nghiệm cho thấy khi thiết kế, vận

hành công trình áp dụng phương pháp phân hủy kỵ khí

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 83

trong xử lý bùn cặn từ trạm xử lý nước thải đô thị nên chọn

tải trọng 0,84 gCHC/lít.ngày là tối ưu.

4. Kết luận

Tại thành phố Đà Nẵng, bùn thải đô thị phát sinh chủ

yếu là bùn bể tự hoại (phân bùn bể phốt), bùn từ hệ thống

thoát nước và bùn từ trạm XLNT. Công tác thu gom còn

nhiều hạn chế, chưa triệt để và chỉ chiếm 30-40% trên tổng

lượng phát sinh; Công nghệ xử lý bùn thải chủ yếu chôn

lấp, chưa hướng đến vấn đề thu hồi và tái sử dụng.

Bùn cặn tách ra từ quá trình sinh hóa hiếu khí (SBR) với

nước thải đầu vào lấy từ trạm XLNT đô thị Phú Lộc có

chứa lượng lớn chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học và chất

dinh dưỡng. Với khoảng dao động: chất hữu cơ (COD) từ

7,6 – 9,6 g/l; Chất dinh dưỡng: N-NH4+ (190-240 mg/l) và

P-PO43- (63,3-80 mg/l). Tỷ lệ chất hữu cơ và chất dinh

dưỡng (C:N:P) phù hợp cho quá trình xử lý bằng phương

pháp phân hủy kỵ khí và thu hồi năng lượng.

Quá trình phân hủy kỵ khí bùn cặn từ quá trình sinh hóa

hiếu khí (SBR) tại trạm XLNT đô thị tại Tp. Đà Nẵng với

chế độ lên men ấm là phù hợp. Các thông số vận hành mô

hình ở chế độ liên tục có hiệu suất phân hủy các chất hữu cơ

giảm khi tải trọng tăng, sản lượng biogas thu được tăng dần

theo tải trọng và đạt tối ưu ở tải trọng 0,84 gCHC/lít.ngày.

Thành phần khí sinh học khi mô hình hoạt động ổn định:

CH4 khoảng 65% đến 75%, O2 khoảng 0,7% đến 1,8%, CO2

khoảng 7,1% đến 20,8%. Khí sinh học có khả năng cháy và

tỏa ra nhiệt lượng cao.

Để áp dụng công nghệ vào thực tiễn xử lý bùn cặn tại

thành phố Đà Nẵng hướng đến thu hồi tài nguyên và giảm

phát thải khí nhà kính cho thành phố trong tương lai, rất

cần thiết việc tiếp tục nghiên cứu sâu các yếu tố ảnh hưởng

và khả năng tận thu nguồn biogas từ quá trình phân hủy kỵ

khí bùn cặn từ quá trình sinh hóa hiếu khí (SBR) tại trạm

XLNT đô thị tại thành phố Đà Nẵng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Hồng Tiến, “Quản lý bùn thải ở Việt Nam: Những thách thức và đề xuất các giải pháp”, Tạp chí Môi trường, số 1+2/2015.

[2] Trần Đức Hạ, “Bổ sung nội dung xử lý bùn cặn hệ thống thoát nước

đô thị vào TCVN 7957:2008 - thoát nước: Mạng lưới bên ngoài và

công trình - tiêu chuẩn thiết kế”, Tạp chí Cấp thoát nước, số 5 (86)

T8/2012.

[3] Viện quy hoạch xây dựng Đà Nẵng, Quy hoạch xử lý chất thải rắn

thành phố Đà Nẵng đến năm 2030 - tầm nhìn đến năm 2050, 2015.

[4] Công ty thoát nước và xử lý nước thải đô thị Đà Nẵng, Báo cáo “Kết

quả quan trắc các trạm xử lý quí I,II năm 2014”, 2014.

[5] Ngân hàng thế giới, Đánh giá hoạt động quản lý nước thải đô thị Việt

Nam, 2013.

(BBT nhận bài: 28/06/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 27/07/2017)

84 Trương Hữu Trì, Lê Gia Trung, Phan Thanh Sơn, Nguyễn Đinh Lâm

TỔNG HỢP GRAPHENE ĐA LỚP TRÊN LÁ ĐỒNG BẰNG

PHƯƠNG PHÁP KẾT TỤ HÓA HỌC TRONG PHA HƠI

SYNTHESIS OF MULTI-LAYER GRAPHENE ON COPPER FOILS BY

CHEMICAL VAPOR DEPOSITION METHOD

Trương Hữu Trì*1, Lê Gia Trung2, Phan Thanh Sơn1, Nguyễn Đinh Lâm*1 1Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; thtri@dut.udn.vn; ndlam@dut.udn.vn

2Học viên cao học K26 - Ngành Công nghệ Hóa học

Tóm tắt - Vật liệu graphene đã được cộng đồng các nhà khoa học quan tâm đặc biệt từ hơn một thập kỷ qua nhờ vào các tính chất ưu việt của chúng. Có nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng để tổng hợp loại vật liệu này, trong đó phương pháp kết tụ hóa học trong pha hơi có ưu điểm lớn là tạo ra lớp graphene ít bị sai hỏng trong cấu trúc. Do vậy, ở nghiên cứu này, nhóm tác giả đã sử dụng phương pháp kết tụ hóa học trong pha hơi để tổng hợp graphene đa lớp trên lá đồng kim loại với nguồn carbon được sử dụng là dung dịch ethanol có nồng độ khác nhau. Sản phẩm tổng hợp được đánh giá chất lượng bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), quang phổ Raman. Kết quả thu được cho thấy nồng độ carbon trong môi trường phản ứng ảnh hưởng rất lớn không chỉ đến chất lượng sản phẩm mà cả số lớp graphene trong sản phẩm thu được.

Abstract - Graphene material has attracted much attention from the scientific community for over the last decade thanks to its novel properties. Different methods have been used to synthesize this material. Particularly, the chemical vapour deposition (CVD) method has the great advantage of making the graphene layer has fewer structural defects. Thus, in this study, the authors use chemical vapor deposition (CVD) to synthesize multi- layer graphene on copper foils using ethanol solution at different concentrations as carbon source. The quality of the final products are characterised by several techniques including scanning electron microscopy (SEM) and Raman spectrum. The results show that the carbon concentrations in the reaction medium affects not only the quality of the product but also the number of graphene layers in the product.

Từ khóa - CVD; graphene; FLG; SEM; Raman Key words - CVD; graphene; FLG; SEM; Raman

1. Giới thiệu chung

Graphene là một mặt phẳng đơn lớp của các nguyên tử

carbon gắn với nhau thông qua liên kết cộng hóa trị sp2

nhằm tạo thành một cấu trúc tinh thể hình lục giác đều bền

vững với cấu trúc hai chiều [1]. Vật liệu graphene được chế

tạo thành công và công bố đầu tiên bởi nhóm nghiên cứu

của Andre Geim tại Trường Đại học Manchester - Vương

Quốc Anh vào năm 2004 [1]. Khi xem xét về các đặc tính,

vật liệu graphene có nhiều tính chất ưu việt như độ dẫn điện,

độ dẫn nhiệt tốt [1-3], năng lượng vùng cấm (bandgap) gần

bằng zero [4], có độ bền cơ học cao và là vật liệu trong suốt

[1-3]. Ngoài ra, graphene còn là loại vật liệu mỏng nhất

trong tất cả các loại vật liệu mà chúng ta biết đến nay. Nhờ

các tính chất nổi trội mà loại vật liệu này đã được nghiên

cứu ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt cho

ngành điện tử như điện tử nano [5] và điện tử sinh học [6].

Tuy nhiên lĩnh vực ứng dụng còn phụ thuộc vào chất lượng

của graphene thu được, thông thường graphene có chất

lượng cao và ít lớp sẽ được sử dụng để chế tạo các linh kiện

điện tử với kích thước nanomet [7], chế tạo vật liệu siêu dẫn

[8], sử dụng làm vật liệu lưu trữ hydro. Với graphene có

chất lượng thấp hơn, số lớp nhiều (đa lớp) sẽ được sử dụng

làm chất mang cho xúc tác trong các phản ứng hóa học [9]

hay được sử dụng như những hợp phần trong vật liệu

composite nhằm gia tăng một số tính chất cơ lý [10].

Cho đến nay đã có rất nhiều phương pháp khác nhau

nhằm chế tạo hay tổng hợp vật liệu graphene như: Phương

pháp cắt vi cơ (micromechanical cleavage) [1], phương

pháp bóc tách hóa học (chemical exfoliation) [11], phương

pháp bóc tách bằng cách sử dụng sóng siêu âm tác động lên

graphite được phân tán trong dung môi như N-methyl-

pyrrolidone [7]. Những phương pháp vừa nêu có đặc điểm

chung là sử dụng graphite làm vật liệu ban đầu để tạo ra

sản phẩm, nên được gọi chung là quá trình từ trên xuống

(top-down process). Cùng với quá trình này thì quá trình từ

dưới lên (bottom-up process) hay còn gọi phương pháp

epitaxy cũng được sử dụng phổ biến trong tổng hợp

graphene. Bản chất của phương pháp epitaxy là tạo màng

đơn tinh thể trên bề mặt chất nền được chọn.

Phương pháp epitaxy được một số tác giả sử dụng chế tạo

graphene trên chất nền là silicon carbua (SiC), khi nhiệt đủ

lớn, do silic kém bền nhiệt hơn carbon nên chúng sẽ thăng hoa

trước, khi đó các nguyên tử carbon trên bề mặt vật liệu sẽ phân

bố lại và liên kết với nhau trong quá trình graphite hóa để tạo

thành lớp carbon mới. Khi khống chế tốt sự thăng hoa của silic

thì quá trình graphite hóa sẽ tạo thành một lớp carbon, đó

chính là tấm graphene [12]. Phương pháp epitaxy cũng được

sử dụng rộng rãi bởi nhiều nhóm nghiên cứu để tổng hợp

graphene trên bề mặt của các kim loại chuyển tiếp như nicken,

đồng bằng phương pháp kết tụ hóa học trong pha hơi (CVD)

với nguồn carbon khác nhau [13-15]. Ở phương pháp CVD,

khi dùng nhiệt để phân hủy nguồn carbon ở nhiệt độ cao sẽ

tạo ra được các nguyên tử carbon. Các nguyên tử carbon này

có thể thâm nhập vào sâu bên trong đế kim loại, sau đó khi

làm lạnh với một tốc độ phù hợp thì các nguyên tử carbon sẽ

khuếch tán trở lại bề mặt và liên kết với nhau để hình thành

nên lớp graphene. Phương pháp này có ưu điểm lớn là tạo ra

lớp graphene ít bị sai hỏng trong cấu trúc. Trong thực tế, mỗi

một phương pháp tổng hợp đều có những ưu và nhược điểm

riêng, do đó tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà người ta sẽ

lựa chọn phương pháp nhằm sản xuất graphene phù hợp với

ứng dụng đã được xác định trước. Trong thực tế, vật liệu

graphene đơn lớp rất khó sản xuất và thao tác, do đó giá thành

thường rất cao. Để khắc phục điều này, các nhà khoa học đã

nghiên cứu sản xuất và sử dụng graphene đa lớp (few layer

graphene - FLG). Các kết quả công bố cho thấy khi số lớp

graphene trong vật liệu được khống chế trong một giới hạn

nhất định thì các tính chất ưu việt của graphene vẫn được đảm

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 85

bảo [2]. Việc sử dụng FLG thay cho graphene đơn lớp sẽ giúp

cho quá trình chế tạo và thao tác chúng được dễ dàng hơn, do

đó giá thành sẽ thấp hơn. Ở nghiên cứu này, nhóm tác giả đã

sử dụng phương pháp CVD để tổng hợp graphene đa lớp trên

nền đồng với nguồn carbon là ethanol có nồng độ khác nhau.

Sản phẩm thu được sẽ được đánh giá đặc trưng bằng một số

phương pháp phân tích hóa lý hiện đại như chụp ảnh bằng

kính hiển vi điện tử quét (SEM) và đo quang phổ Raman nhằm

đánh giá hình thái bên ngoài của sản phẩm và cấu trúc tinh thể

của mạng lưới graphene.

2. Thực nghiệm

2.1. Nguyên vật liệu ban đầu

Hóa chất và xúc tác: axit HCl nồng độ 36-38% (Xilong

chemical Co., Ltd, China), Acetone với độ tinh khiết 99%

thể tích (Đức Giang, Hà Nội, Việt Nam), Ethanol với độ

tinh khiết 99,7% thể tích (Đức Giang, Hà Nội, Việt Nam),

lá đồng có độ dày 25 μm với độ tinh khiết 99,98% (Sigma-

Aldrich Co., USA).

2.2. Quá trình tổng hợp

Lá đồng được cắt với kích thước 10×10 mm2 và rửa sạch

bề mặt bằng acetone rồi sấy khô, đặt nằm ngang trên thuyền

sứ ở giữa ống quartz có chiều dài 1200 mm, đường kính

45 mm đã được đặt trong lò gia nhiệt như trình bày trên Hình 1.

Hình 1. Sơ đồ đơn giản thiết bị tổng hợp

Quá trình tổng hợp được tiến hành như sau: trước hết,

toàn bộ hệ thống được đuổi không khí bằng dòng khí

argonvới lưu lượng 200 ml/phút trong 60 phút để loại bỏ

toàn bộ oxy trong hệ thống. Tiếp theo, hệ thống thiết bị phản

ứng được gia nhiệt bằng điện thông qua bộ điều chỉnh với

tốc độ gia nhiệt là 100C/phút đến nhiệt độ mong muốn

(9000C). Khi lò đạt đến nhiệt độ thì hỗn hợp khí H2 và Ar

được đưa qua lưu lượng kế để điều chỉnh lưu lượng với tỷ lệ

thích hợp rồi dẫn vào thiết bị tổng hợp để thực hiện quá trình

khử oxit đồng nhằm chuyển oxit về đồng kim loại làm chất

xúc tác cho quá trình tổng hợp. Sau quá trình khử, dòng khí

được cho sục qua bình đựng ethanol có nồng độ khác nhau

nhằm lôi cuốn ethanol và hơi nước vào trong thiết bị tổng

hợp. Bình chứa ethanol được sử dụng ở nghiên cứu này là

bình hai cổ, một cổ có ống dẫn nhằm đảm bảo cho hỗn hợp

khí được sục vào trong ethanol, cổ còn lại để dẫn hỗn hợp

khí và hơi vào thiết bị tổng hợp. Sau thời gian tổng hợp

(10 phút), ngừng cung cấp nguồn carbon và tiến hành giảm

nhiệt độ của hệ thống. Để có thể kiểm soát được tốc độ quá

trình làm lạnh, nhóm nghiên cứu đã tiến hành làm lạnh cả

bên trong (sử dụng khí argon) và bên ngoài ống (dùng không

khí nén thổi qua), khi nhiệt độ của hệ thống về đến nhiệt độ

phòng ngừng làm lạnh và đưa sản phẩm ra ngoài.

2.3. Đánh giá đặc tính của sản phẩm

Sản phẩm thu được đã được phân tích bằng ảnh SEM

trên thiết bị Jeol 6010LV nhằm xem xét hình thái bề mặt

của sản phẩm. Quang phổ Raman được đo trên máy

RENISHAW ở cường độ bức xạ 532nm nhằm đánh giá

chất lượng của sản phẩm.

3. Kết quả và thảo luận

Ở nghiên cứu này, nhóm tác giả đã tiến hành tổng hợp

03 mẫu ở nhiệt độ 900oC trong thời gian 10 phút với thành

phần hỗn hợp khí, nồng độ ethanol trong bình chứa khác

nhau, các mẫu được ký hiệu là M1, M2, M3 như trình bày

trong Bảng 1.

Bảng 1. Các thông số của quá trình tổng hợp

Ký hiệu mẫu

Điều kiện M1 M2 M3

Nồng độ ethanol (% thể tích) 1 0,75 0,65

H2 (ml/phút) 20 20 20

Ar (ml/phút) 200 200 200

Để đánh giá tính chất của sản phẩm thu được, trước hết

nhóm tác giả đã tiến hành chụp ảnh SEM của các mẫu, kết

quả được trình bày trên Hình 2. Quan sát ảnh SEM thu

được cho thấy, khi nồng độ của ethanol được sử dụng giảm

từ 1 đến 0,65% thể tích thì bề mặt của sản phẩm thu được

nhẵm hơn và giảm dần các hạt carbon nằm lại trên bề mặt.

Hình 2. Ảnh SEM của lá đồng và các mẫu M1, M2, M3

Để có thể khẳng định sản phẩm thu được chính là

graphene đa lớp, nhóm nghiên cứu đã tiến hành phân tích

các mẫu bằng quang phổ Raman, kết quả được trình bày

trên Hình 3.

Hình 3. Quang phổ Raman của sản phẩm

86 Trương Hữu Trì, Lê Gia Trung, Phan Thanh Sơn, Nguyễn Đinh Lâm

Quang phổ Raman là phương pháp phân tích được sử

dụng rất phổ biến trong đánh giá chất lượng và đặc trưng

của graphene hay graphene đa lớp (FLG) [13-18]. Theo các

kết quả công bố cho thấy, trong độ dịch chuyển Raman từ

1200 đến 3000cm-1 sẽ có 03 pic đặc trưng đối với vật liệu

graphene, đỉnh D (ở số sóng 1350cm-1), đỉnh G (ở số sóng

1585cm-1), đỉnh 2D (ở số sóng 2793cm-1). Các nghiên cứu

đã chỉ ra rằng: Đỉnh D đặc trưng cho mức độ sai hỏng trong

cấu trúc mạng lưới tinh thể, đỉnh G đặc trưng cho mức độ

tinh khiết và trật tự của mạng lưới cấu trúc trong mỗi lớp

graphene, đỉnh 2D đặc trưng cho số lớp của graphene

[15,16]. Từ kết quả nghiên cứu này, các nhà khoa học đã

sử dụng tỷ lệ cường độ ID/IG (với ID và IG là cường độ pic

tại đỉnh D và đỉnh G của vật liệu) để đánh giá chất lượng

hay mức độ khuyết tật trong mạng lưới cấu trúc của

graphene, khi tỷ lệ này càng nhỏ thì graphene mức độ

khuyết tật càng nhỏ và độ tinh sạch của sản phẩm càng cao.

Giá trị tỷ lệ cường độ I2D/IG (với I2D và IG là cường độ pic

tại đỉnh 2D và đỉnh G của vật liệu) đánh giá graphene đơn

lớp hay đa lớp, khi giá trị này càng cao thì số lớp graphene

trong sản phẩm càng nhỏ và ngược lại.

Kết quả tính toán tỷ lệ cường độ ID/IG của các mẫu tổng

hợp ở nghiên cứu này và kết quả của các nhóm nghiên cứu

khác được trình bày trong Bảng 2.

Bảng 2. Tỷ lệ cường độ ID/IG của một số kết quả khác nhau

Tính chất

Mẫu, Tác giả

Chất nền mang

graphene hoặc

FLG

Tỷ số

ID/IG

Tài liệu

tham khảo

M1 Cu 0,39 Kết quả thu

được ở nghiên

cứu này

M2 Cu 0,33

M3 Cu 0,29

Alexandra và

cộng sự

Thủy tinh 0,35-0,61 [18]

Dong và cộng sự Cu 0,26 [16]

Li và cộng sự Cu 0,23; 0,26 [15]

Từ kết quả ở Bảng 2 cho thấy khi giảm nồng độ của

ethanol trong bình chứa hay nồng độ carbon trong môi

trường phản ứng thì giá trị của ID/IG cũng giảm đi tương ứng

từ 0,39 đến 0,29. Với kết quả này cho phép khẳng định lại

kết quả về độ sạch thu được ở hình ảnh SEM. So sánh giá trị

ID/IG thu được ở nghiên cứu này với các kết quả từ các công

bố khác cho thấy giá trị thu được ở nghiên cứu này rất gần

với các kết quả công bố khác nên có thể khẳng định mẫu thu

được có độ sạch tốt và mức độ sai hỏng trong cấu trúc mạng

lưới tinh thể nhỏ hay sản phẩm có chất lượng cao.

Bảng 3. Tỷ lệ cường độ I2D/IG của một số kết quả khác nhau

Tính chất

Mẫu, Tác giả

Tỷ số I2D/IG Tài liệu tham

khảo Chất nền của

graphene hoặc FLG 1 lớp 2 lớp 3 lớp 4 lớp

Nhiều lớp

(multilayer)

M1 Cu 0,24 Kết quả thu

được ở nghiên

cứu này

M2 Cu 0,39

M3 Cu 0,49

Li và cộng sự Cu 2,07 1,3 0,22 [15]

Dong và cộng sự Cu 2,2 1,17 0,41 [16]

Alexandra và cộng sự Thủy tinh 0,28 [18]

Nan và cộng sự - 0,53; 0,64 [19]

Tiếp tục tính toán tỷ lệ cường độ I2D/IG của các mẫu

tổng hợp ở nghiên cứu này và của các nhóm nghiên cứu

khác, kết quả được trình bày trong Bảng 3. Từ kết quả được

công bố của các nhóm nghiên cứu khác nhau cho thấy,

graphene đơn lớp luôn có tỷ số I2D/IG cao nhất, giá trị này

giảm rất nhanh khi số lớp tăng lên. So sánh các giá trị của

tỷ số I2D/IG thu được ở nghiên cứu này với các kết quả của

các nhóm nghiên cứu khác, cho phép khẳng định sản phẩm

được tổng hợp ở nghiên cứu này là graphene đa lớp. Đối

với các mẫu được tổng hợp ở nghiên cứu này thì khi nồng

độ ethanol trong bình chứa hay nồng độ carbon trong môi

trường phản ứng giảm thì tỷ số I2D/IG tăng lên, do đó có thể

khẳng định số lớp graphene trong sản phẩm sẽ giảm xuống.

4. Kết luận

Ở nghiên cứu này, nhóm tác giả đã bước đầu đã xây

dựng thành công quy trình tổng hợp graphene cho phép thu

được sản phẩm graphene đa lớp, với chất lượng cao. Kết

quả thu được cũng cho thấy nồng độ carbon trong môi

trường phản ứng ảnh hưởng rất lớn đến không chỉ chất

lượng sản phẩm mà cả số lớp graphene trong sản phẩm.

Tuy nhiên, để có thể xác định được cụ thể về số lớp trong

sản phẩm thì cần có sử dụng những phân tích khác như kính

hiển vị điện tử truyền qua (TEM) hay kính hiển vi lực

nguyên tử (AFM). Ngoài ra, kết quả này đã mở ra cho

nhóm nghiên cứu những bước tiếp theo về khả năng nghiên

cứu khảo sát điều kiện tiến hành thí nghiệm để có thể khống

chế được số lớp graphene trong mỗi sản phẩm tổng hợp.

TAI LIỆU THAM KHẢO

[1] Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang,Y.;

Dubonos, S. V.; Grigorieva, I.V.; Firsov, A. A., “Electric field Effect in etomically thin carbon films”. Science, Vol.306, (2004) p.666-669.

[2] Jian Ru Gong, Graphene - Synthesis, characterization, properties

and applications, Janeza Trdine 9, 51000 Rijeka, Croatia, 2011.

[3] Balandin, A. A.; Ghosh, S.; Bao, W.; Calizo, I.; Teweldebrahn, D.;

Miao, F.; Lau, C. N. “Superior thermal tonductivity of single layer

graphene”, Nano Letters, Vol.8 (2008), p.902-907.

[4] Q.Shao, G.Liu, D.Teweldebrhan, A.A.Balandin, “High-temperature

quenching of electrical resistance in graphene Interconnects”, Appl.

Phys. Lett, 92(20), 2008, p.202108.

[5] Kristóf Tahy, et al., Graphene Transistors, University of Notre

Dame, USA, 2011.

[6] Guo Shirui, Graphene-based Material Systems for

Nanoelectronicsand Energy Storage Devices, University of

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 87

California, USA, 2013.

[7] Blake P, Brimicombe PD, Nair RR, Booth TJ, Jiang D, Schedin F,

Ponomarenko LA, Morozov SV, Gleeson HF, Hill EW, Geim AK,

Novoselov KS, “Graphene-based liquid crystal device”, Nano Lett, Vol. 8(6) (2008), p.1704-1708.

[8] Stoller MD, Park S, Zhu Y, An J, Ruoff RS, “Graphene-based

ultracapacitors”, Nano Lett, Vol. 8(10) (2008), p.3498-3502

[9] Tri Truong-Huu, Kambiz Chizari, Izabela Janowska, Maria Simona

Moldovan, Ovidiu Ersen, Lam D. Nguyen, Marc J. Ledoux, Cuong

Pham-Huu, Dominique Begin, “Few-layer graphene supporting

palladium nanoparticles with a fully accessible effective surface for liquid-phase hydrogenation reaction”, Catalysis Today, Vol.189

(2012), p.77-82.

[10] Sasha Stankovich, Dmitriy A. Dikin, Geoffrey H. B. Dommett,

Kevin M. Kohlhaas, Eric J. Zimney, Eric A. Stach, Richard D. Piner, SonBinh T. Nguyen and Rodney S. Ruoff, “Graphene-based

composite materials”, Nature, Vol.442 (2006), p. 282-286.

[11] Eda, G.; Fanchini, G.; Chhowalla, M, “Large-area ultrathin films of

reduced graphene oxide as a transparent and flexible electronic

material” Nat. Nanotechnol, Vol.3 (2008), p.270-274.

[12] Claire Berger, Zhimin Song, Tianbo Li, Xuebin Li, Asmerom Y.

Ogbazghi, Rui Feng, Zhenting Dai, Alexei N. Marchenkov, Edward H. Conrad, Phillip N. First, and Walt A. de Heer,

“Ultrathin epitaxial graphite: 2D electron gas properties and a

route toward graphene-based nanoelectronics”, J. Phys. Chem. B. Vol.108(2004), p.19912-19916.

[13] Bhaviripudi, S., Jia, X., Dresselhaus, M. S., and Kong, J., “Role of

kinetic Factors in chemical vapor deposition synthesis of uniform large area graphene using copper catalyst”, Nano Letters, Vol.10

(2010), p.4128-4133.

[14] Xuesong Li, Weiwei Cai, Jinho An, Seyoung Kim, Junghyo Nah,

Dongxing Yang, Richard Piner, Aruna Velamakanni, Inhwa Jung,

Emanuel Tutuc, Sanjay K. Banerjee, Luigi Colombo, Rodney S. Ruoff, “Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene

Films on Copper Foils”. Science, Vol.324 (2009), p.1312-1314.

[15] Xiao chen Dong, Peng Wang, Wenjing Fang, Ching-Yuan Su, Yu-

Hsin Chen, Lain-Jong Li d, Wei Huang, Peng Chen, “Growth of

large-sized graphene thin-films by liquid precursor-based chemical vapor deposition under atmospheric pressure”, Carbon, Vol.49

(2011), p.3672-3678.

[16] Ying ying Wang, Zhen hua Ni, Ting Yu, Ze Xiang Shen, Hao min

Wang, Yi hong Wu, Wei Chen and Andrew Thye Shen Wee, “Raman Studies of Monolayer Graphene: The Substrate Effect”, J.

Phys. Chem. C 2008, 112, p.10637-10640.

[17] Alexandra S. Pavlova, Ekaterina A. Obraztsova, Alexey V.Belkin,

Christelle Monat, Pedro Rojo-Romeo, Elena D. Obraztsova.

“Liquid-phase exfoliation of flaky graphite”. Journal of Nanophotonics Vol. 10 (1) (2006), p.012525-1 - 012525-10.

[18] Li N, Wang Z Y, Zhao K K, Shi Z J, Gu Z N, Xu S K. (2010a). Large

scale synthesis of N-doped multi-layered graphene sheets by simple

arc-discharge method. Carbon, Vol.48, 1, p.255-259.

(BBT nhận bài: 10/7/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 24/7/2017)

88 Hà Duyên Trung, Nguyễn Tiến Hòa, Đỗ Trọng Tuấn

PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU GIỮA HAI ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH

QUA MÔI TRƯỜNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY

A DATA TRANSMISSION METHOD BETWEEN TWO SMARTPHONES OVER VISIBLE

LIGHT COMMUNICATION CHANNELS

Hà Duyên Trung, Nguyễn Tiến Hòa, Đỗ Trọng Tuấn

Viện Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; trung.haduyen@hust.edu.vn

Tóm tắt - Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một phương pháp tách dữ liệu mới sử dụng trong hệ thống truyền dẫn dữ liệu giữa hai điện thoại thông minh sử dụng hệ điều hành Android qua môi trường ánh sáng nhìn thấy. Chúng tôi lần lượt trình bày trong hệ thống thiết kế này, đầu tiên dữ liệu được mã hóa thành các hình ảnh. Tiếp đến, các hình ảnh này được hiển thị trên màn hình máy phát để truyền qua kênh truyền ánh sáng VLC. Sau đó, camera của máy thu sẽ tiếp nhận các ảnh này ở khoảng cách từ 10 đến 35 cm và cuối cùng giải mã khung để tách các dữ liệu ban đầu. Hệ thống tự thiết kế và phát triển của chúng tôi được thực thi trên nền tảng Android. Các kết quả thực nghiệm đã đánh giá được về tỷ lệ lỗi bit (BER) dưới tác động của các tham số khác nhau về cường độ sáng của màn hình máy phát, khoảng cách truyền dẫn và nhiễu môi trường gây ra bởi ánh sáng ngoài.

Abstract - In this paper, we propose a new detection approach for a data transmission system between two Android smart-phones over visible light communications (VLC) channels. In the designed system, data is firstly encoded into images. Secondly, these images are displayed on the flashing transmitter’s screen for transmitting over VLC channels. The receiver’s camera then captures the flashing images from the transmitter at distances of 10÷35 cm and finally decodes a frame subtraction to detect the transmitted data. The designed system is implemented and deve-lopped on Android operating platform. Practical experiments are implemented to evaluate bit error rate (BER) performance under the effect of several parameters on the data detection such as the bright-ness of the flashing transmitter’s screen, the transmitting distance and interference caused by the lux of lighting sources.

Từ khóa - điện thoại thông minh; Android; thông tin ánh sáng nhìn thấy; xử lý ảnh; tỷ lệ lỗi Bit (BER).

Key words - Smartphone; Android; visible light communications; image processing; Bit Error Rate (BER).

1. Giới thiệu

Ngày nay các thiết bị điện tử nói chung và điện thoại

thông minh nói riêng thực hiện truyền dẫn dữ liệu bằng

sóng vô tuyến điện từ, nó cho phép thực hiện kết nối ở tốc

độ tới Gbps trong môi trường fa-đing. Tuy nhiên, khi nhu

cầu truyền dữ liệu không dây tăng lên thì phổ tần số vô

tuyến sẽ dự báo sẽ dần cạn kiệt [1]. Thêm vào đó, do tác

động gây nhiễu sóng điện từ lẫn nhau giữa các thiết bị đầu

cuối sẽ làm ảnh hưởng tới những môi trường sử dụng có

tính đặc thù như trong bệnh viện hay trên máy bay [2].

Công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy

VLC (Visible Light Communications) đã và đang được cho

là một công nghệ rất hấp dẫn ở những môi trường mà nhiễu

sóng điện từ là một vấn đề cần giải quyết [3], [4]. Thêm

nữa, trong khu vực yêu cầu bảo mật thông tin được đặt lên

hàng đầu như an ninh quốc phòng thì công nghệ này cho

phép tạo ra các kênh thông tin an toàn trong các môi trường

văn phòng hoặc toà nhà. Trong những năm gần đây, đã có

nghiên cứu về điện thoại thông minh có khả năng xử lý dữ

liệu thông tin từ nguồn ánh sáng của bộ đèn LED thông qua

cảm biến CMOS [5]-[8]. Picapi Camera của Casio [5] sử

dụng các chấm nhấp nháy trên màn hình hoặc nhấp nháy

ánh sáng màu để chuyển tải một lượng nhỏ dữ liệu. Tốc độ

dữ liệu rất thấp và đèn truyền cần phải có ánh sáng đặc biệt

để thay đổi màu sắc đỏ, xanh lục và xanh dương (RGB).

Các tác giả trong [6] đã khai thác hiệu ứng màn trập lăn

(rolling shutter) của cảm biến camera của máy thu và mã

hóa Manchester để liên tục tiếp nhận những thay đổi trạng

thái bật-tắt (on-off) của ánh sáng được phát đi từ đèn LED.

Để giải mã, camera chụp ảnh từ một bề mặt phản chiếu để

lấp đầy toàn bộ ảnh. Bằng cách tận dụng lợi thế của các

hàng khác nhau của điểm ảnh chụp vào thời điểm khác

nhau, phương pháp này cho tốc độ dữ liệu đạt được cao hơn

tốc độ khung hình camera và có thể đạt tốc độ dữ liệu là

3,1 kbps. Tuy nhiên, khi bề mặt phản xạ không đều và phức

tạp thì phương pháp này không còn phù hợp. Phương pháp

tiếp cận tương tự [6] được tác giả P. Ji và cộng sự đề xuất

sau đó trong [7] trên nền tảng iOS khi truyền dữ liệu giữa

ánh sáng phương tiện giao thông và camera điện thoại

thông minh (Vehicular VLC). Kết quả từ mẫu thử nghiệm

(prototype) thực tế chỉ ra ở khoảng cách tối đa 40cm cho tỷ

lệ lỗi bit (bit-error-rate, BER) là 0,72% và lỗi phát hiện

khung hình (frame-detection-error) là 1,7%. Tiếp theo đó,

cũng bằng phương pháp sử dụng cảm biến CMOS, tác giả

T.-H. Do và M. Yoo trình bày trong [8] phương pháp phân

tính toán học kết hợp mô phỏng về chất lượng tín hiệu trên

nhiễu (gồm nhiễu liên ký tự và nhiễu môi trường) nhận

được và tốc độ dữ liệu có xem xét đến tác động của các

tham số hệ thống như phép đo trắc quang, vận hành máy

ảnh, xử lý nhiếp ảnh và hình ảnh. Tuy nhiên, tất cả các

nghiên cứu trên chỉ tập trung vào các xử lý ảnh bên thu khi

tín hiệu được phát đi bằng mã hóa khóa bật-tắt (on-off

keying) ánh sáng từ các đèn LED đơn.

Đã có một số nghiên cứu gần đây đề cập tới việc sử

dụng mảng ma trận LED hay màn hình LCD của điện thoại

thông minh như là một thiết bị phát dữ liệu qua môi trường

ánh sáng nhìn thấy [9]-[11]. Tác giả trong [9] trình bày một

thử nghiệm hệ thống truyền dữ liệu giữa một máy phát

16×16 LEDs và một webcam thương mại để phát hiện và

tách dữ liệu khung hình ảnh phát đi. Bên thu sử dụng

phương pháp tách đường viền dựa trên phép biến đổi

Hough [10] để đạt tốc độ dữ liệu 15 bps trong phạm vi

0,5m-2m. Các tác giả trong [11] trình bày về dung lượng

đường truyền khi sử dụng camera của điện thoại thông

minh, xem xét đến sự thay đổi về cảm nhận của máy thu về

khoảng cách và góc truyền dẫn so với máy phát. Khi đó

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 89

dung lượng ước tính có thể đạt được tới hàng chục Mbps.

Tuy nhiên, mô hình nghiên cứu trong phòng thí nghiệm này

không đề cập tới nhiễu do ánh sáng của môi trường tác

động lên chất lượng truyền dữ liệu.

Gần đây nhất, tác giả Boubezari và các cộng sự đã trình

bày trong [12] một hệ thống truyền dẫn VLC giữa màn hình

và camera của điện thoại thông minh. Kỹ thuật SURF

(speeded up robust features) được sử dụng để giải mã hình

ảnh tại bên thu, xem xét đến suy hao đường truyền và nhiễu

liên ký tự ISI (inter-symbol interference). Tuy nhiên,

phương pháp tách hình ảnh dữ liệu này gặp phải trở ngại

khi tăng khoảng cách truyền dẫn do máy thu không thể tìm

được đủ các điểm khóa (keypoint) để thực hiện việc cắt

khung dữ liệu. Xuất phát từ vấn đề này, trong bài báo này

chúng tôi đề xuất sử dụng một phương pháp tách hình ảnh

dữ liệu mới để quá trình khôi phục được linh hoạt hơn.

Các đóng góp chính của bài báo gồm: (1) Phát triển mô

hình hệ thống truyền dữ liệu giữa hai điện thoại thông minh

qua kênh truyền có nhiễu môi trường và (2) Giải quyết một số

vấn đề cải thiện chất lượng tách dữ liệu ảnh bên thu sử dụng

ngưỡng Ohtsu dưới tác động của nhiễu ánh sáng môi trường.

2. Thiết kế hệ thống

Trong phần này, chúng tôi lần lượt trình bày chi tiết quá

trình thiết kế hệ thống, các thuật toán mã hóa dữ liệu bên

phát và xử lý khôi phục dữ liệu bên thu do chúng tôi tự phát

triển và được ứng dụng trực tiếp trên điện thoại thông minh.

2.1. Mô hình hệ thống

Tx

Light beam

Rx

Hình 1. Mô hình truyền dẫn dữ liệu

Hình 2. Sơ đồ chi tiết quá trình truyền dẫn dữ liệu

Mô hình truyền dẫn dữ liệu giữa thiết bị phát (Tx) và

thiết bị thu (Rx) qua môi trường ánh sáng nhìn thấy như

trên Hình 1. Trong đó, dòng dữ liệu truyền đi từ Tx sẽ được

mã hóa thành các dòng bits “0” và “1” và được sắp xếp

thành ma trận có kích thước M×N với M và N là độ phân

giải màn hình của Smartphone. Để đơn giản, ma trận bits

này sẽ được mã hóa thành hình ảnh bitmap với hai màu cơ

bản tương ứng là đen và trắng, và nó sẽ được hiển thị lên

màn hình của Tx. Khi bắt đầu một phiên truyền dữ liệu,

Tx sẽ phát ra một khung phát hiện bắt đầu, tiếp theo sau sẽ

là các khung chứa dữ liệu đã được mã hóa. Khi kết thúc,

Tx sẽ phát ra khung phát hiện kết thúc. Khung phát hiện

bắt đầu, và khung phát hiện kết thúc, sẽ được tạo ra một

cách ngẫu nhiên, và cố định sẵn ở trong ứng dụng, để tạo

sự đồng bộ khi thực hiện phiên truyền dữ liệu. Ở phía thu,

camare của thiết bị thu (Rx) sẽ có nhiệm vụ bắt những hình

ảnh của Tx để phục vụ việc phát hiện và khôi phục dữ liệu

(Hình 2).

Như vậy, quá trình truyền dẫn được chia làm 5 giai đoạn

chính: Mã hóa dữ liệu đầu vào, hiển thị hình ảnh trên màn

hình máy phát, thu nhận hình ảnh bên máy thu, xử lý và

khôi phục dữ liệu từ các khung ảnh chứa dữ liệu. Trong đó

hai giai đoạn mã hóa dữ liệu và hiển thị hình ảnh sẽ thuộc

phần xử lý của máy phát, nhiệm vụ của máy phát sẽ bao

gồm phần mã hóa dữ liệu từ dạng văn bản đầu vào thành

các dòng dữ liệu nhị phân, sau đó sẽ được mã hóa thành

các hình ảnh dữ liệu mã hóa. Máy thu bao gồm các thành

phần thu nhận hình ảnh, xử lý ảnh và khôi phục dữ liệu.

Mỗi phiên truyền có sự tham gia của hai thành phần hiển

thị hình ảnh và thu nhận hình ảnh. Chúng tôi sẽ lần lượt mô

tả các quá trình này ở phần tiếp theo của bài báo này.

2.2. Thiết bị phát (Tx)

2.2.1. Mã hóa dữ liệu văn bản thành dữ liệu bit

Người dùng thao tác với bàn phím nhập vào dữ liệu

hoặc duyệt các thư mục trong bộ nhớ của máy để chọn tập

tin dữ liệu cần gửi. Kiểu dữ liệu mà ứng dụng hỗ trợ trong

phạm vi bài báo này là kiểu văn bản (*.txt). Quá trình mã

hóa dữ liệu văn bản thành các bit 0 và 1, tương ứng với các

cell đen và trắng của hình ảnh được hiển thị trên màn hình

máy phát trong quá trình truyền. Ứng dụng hỗ trợ dữ liệu

đầu là ngôn ngữ tiếng Việt hoặc tiếng Anh. Các ký tự sẽ

được mã hóa theo bảng mã ASCII mở rộng. Theo đó, với

mỗi ký tự cần 8 bit để mã hóa, vì thế có tối đa 256 (28) kí

tự được mã hóa, phần lớn bao gồm các kí tự Latin, các chữ

số cùng các kí tự thông dụng (!”#&%...). Với các kí tự đặc

biệt ở bảng mã Unicode không nằm trong phạm vi của bảng

mã ASCII mở rộng, trước tiên cần phải biểu diễn các kí tự

này bằng các kí tự nằm trong mã ASCII mở rộng. Một kí

tự Unicode sẽ được mã hóa thành chuỗi 8 bit sử dụng bảng

mã ASCII mở rộng. Với ngôn ngữ JAVA của Android, các

kí tự Tiếng Việt không có trong bảng mã ASCII mở rộng

được mã hóa dưới dạng chuỗi: “\u + mã hex của kí tự nằm

trong bảng mã Unicode”. Như vậy, những kí tự có giá trị

mã ASCII mở rộng tương ứng nhỏ hơn 256 sẽ được mã hóa

bằng 8 bit của mã ASCII mở rộng. Đối với những kí tự có

giá trị mã lớn hơn 256, tức là không nằm trong bảng mã

ASCII mở rộng, trước tiên được chuyển về mã dạng JAVA

rồi sau đó mới mã hóa thành chuỗi bit nhị phân.

Tóm lại, đối với dữ liệu văn bản tiếng Anh, mỗi ký tự

sẽ được mã hóa trực tiếp sang mã ASCII nhị phân 8 bit.

Đối với dữ liệu văn bản tiếng Việt, các ký tự nằm ngoài

bảng mã ASCII mở rộng sẽ được chuyển sang mã JAVA

trước khi được mã hóa thành các bit nhị phân mã ASCII.

2.2.2. Ảnh dữ liệu mã hóa

Dữ liệu đầu vào của quá trình này là dữ liệu dạng dòng

bit thu được từ quá trình mã hóa dữ liệu như đã trình bày ở

trên. Quá trình mã hóa văn bản thành hình ảnh được thực

hiện như trên Hình 3 (a). Dữ liệu dạng văn bản sẽ được

chuyển thành các bit nhị phân, mỗi bit này sẽ tương ứng với

một cell đen hoặc trắng trên ảnh đầu ra. Kích thước của một

cell ảnh là 10×10 pixel (100 pixel), việc sử dụng cell ảnh lớn

90 Hà Duyên Trung, Nguyễn Tiến Hòa, Đỗ Trọng Tuấn

sẽ tăng độ chính xác của việc truyền dữ liệu với những

khoảng cách xa. Tuy nhiên, kích thước cell lớn đồng nghĩa

với việc biểu diễn được ít dữ liệu hơn trên cùng một bức ảnh.

Ảnh chứa dữ liệu sau khi chuyển đổi các bit thành các cell

đen, trắng (Hình 3 (b)). Các ảnh này sẽ được hiển thị trên

màn hình máy phát Tx trong quá trình truyền dữ liệu.

a) Giải thuật b) Hình ảnh mã hóa

Hình 3. Giải thuật mã hóa dữ liệu bit thành hình ảnh

2.3. Thiết bị thu (Rx)

2.3.1. Thu nhận hình ảnh

Camera máy thu Rx đảm nhận nhiệm vụ thu các khung dữ

liệu. Trong quá trình truyền-nhận, với mỗi khung hình thu

được, Rx cần kiểm tra đó có phải là khung kết thúc hay không.

Nếu đó không phải khung kết thúc, tức là vần còn dữ liệu cần

truyền, Rx sẽ phát tín hiệu ACK qua đèn flash, báo hiệu cho

bên phát hiển thị khung dữ liệu tiếp theo. Phiên truyền chỉ kết

thúc sau khi máy thu nhận được khung “kết thúc” từ màn hình

máy phát (Hình 4). Với các khung ảnh thu được, Rx sẽ chuyển

sang giai đoạn xử lý và khôi phục dữ liệu.

Hình 4. Sơ đồ giải thuật thu hình ảnh ở bên nhận

Cách để phát hiện khung “kết thúc” dựa trên phương

pháp tìm đường viền (contour) của các vật thể có trong

khung ảnh. Với điện thoại Android, ảnh thu được từ camera

ở định dạng YUV420 sẽ được chuyển sang ảnh mức xám.

Việc chuyển đổi này là cần thiết vì khung ảnh cần thu chỉ

chứa 2 màu đen và trắng, hơn nữa xử lý với ảnh mức xám

sẽ thuận lợi hơn (Hình 5). Sau đó tiến hành nhị phân ảnh

xám. Quá trình nhị phân hóa sẽ biến đổi từng pixel trong

ảnh thành điểm ảnh đen (mức cường độ sáng 0) hoặc điểm

ảnh trắng (mức cường độ sáng 255). Ở đây, chúng tôi sử

dụng phương pháp nhị phân hóa với ngưỡng tự động Otsu

vì phương pháp này có khắc phục được ảnh hưởng của ánh

sáng môi trường [13]. Để tìm đường viền của các vật thể

trong khung hình, ta sẽ sử dụng hàm findContours [14]

trong thư viện OpenCV. Khung hình được coi là khung

hình “kết thúc” khi nó thỏa mãn các điều kiện được quy

định sau: Khung có chứa vật thể có đường viền hình chữ

nhật (gọi là rect). Bên trong rect phải chứa 2 vật thể “con”

có đường viền dạng ngũ giác (5 đỉnh). Và diện tích hình

bao bởi đường viền của rect phải đủ lớn (>1000 pixels).

Nếu nhận thấy hình ảnh “kết thúc”, phiên truyền sẽ

hoàn tất. Dữ liệu thu được từ một phiên truyền gồm có một

hình ảnh “bắt đầu” và các hình ảnh chứa dữ liệu mã hóa.

Với các khung ảnh thu được, bên máy thu sẽ chuyển sang

giai đoạn xử lý và khôi phục dữ liệu.

Hình 5. Quá trình chuyển ảnh màu sang ảnh nhị phân

của ảnh có khung hình “kết thúc”

2.3.2. Xử lý trước khi khôi phục dữ liệu

Dữ liệu hình ảnh được đưa vào quá trình xử lý trước khi

khôi phục dữ liệu, gồm 3 phần:

a. Quá trình 1: Xác định tọa độ khung dữ liệu

Dữ liệu đầu vào camera của thiết bị thu được là các

khung hình, các dữ liệu này đã được lưu dưới dạng ma trận

trong bộ nhớ của ứng dụng. Một điểm ảnh trên hình ảnh

này được đặt trong một hệ tọa độ 2 chiều. Dữ liệu đầu vào

ở bước này là khung “bắt đầu” hình ảnh đầu tiên thu được

từ camera máy thu. Sau đó tọa độ màn hình máy phát được

xác định như sau: Tương tự như quá trình kiểm tra khung

“kết thúc”, khung “bắt đầu” với định dạng YUV420 sẽ

được chuyển đổi thành ảnh nhị phân. Ở đây, hàm

findContours của OpenCV tiếp tục được sử dụng để lấy

được khung dữ liệu. Một điều kiện lọc đưa ra là đường viền

của khung dữ liệu phải có dạng hình chữ nhật có kích thước

lớn (>1000 pixels), bên trong là một đường viền tam giác.

Khi đó, sẽ lọc bỏ những đường viền không mong muốn.

Tọa độ 4 đỉnh của hình chữ nhật chính là tọa độ các

đỉnh của khung dữ liệu. Đến đây có một vấn đề phát sinh

là khi xoay màn hình máy phát ở các vị trí ngang, dọc khác

nhau, làm thế nào để xác định được đúng thứ tự 4 góc trên-

trái, trên-phải, dưới-trái, dưới-phải của khung dữ liệu? Ý

tưởng để xác định vị trí 4 đỉnh: sử dụng một tam giác nhỏ

được đặt gần góc trên-trái khung bắt đầu, tính khoảng cách

từ trọng tâm tam giác này tới 4 đỉnh của khung dữ liệu.

Theo đó, thứ tự tăng dần các khoảng cách sẽ tương ứng với

thứ tự 4 góc là trên-trái, trên-phải, dưới-trái, dưới-phải.

Hình 6 dưới đây cho thấy tọa độ của khung dữ liệu với 4

đỉnh để tiến hành cắt khung dữ liệu.

Hình 6. Tọa độ 4 đỉnh của khung dữ liệu

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 91

b. Quá trình 2: Cắt các khung chứa dữ liệu

Hình 7. Biến đổi Perspective Transform với khung dữ liệu

Với tọa độ 4 đỉnh thu được ở trên, áp dụng phép biến đổi

Perspective Transform [15] ta tiến hành cắt các khung dữ

liệu (Hình 7). Trong không gian thực, đối với các vật thể có

cùng một kích thước ở các vị trí khác nhau trong không gian

ta thấy vật ở gần thì lớn hơn, vật ở xa thì nhỏ hơn, vật ở gần

thì rõ hơn, vật ở xa thì mờ hơn v.v. Đó là do ảnh hưởng của

luật xa gần trong bức ảnh. Khi biểu diễn hình ảnh của một

vật thể trong không gian thực ba chiều lên mặt phẳng hai

chiều thì hình dạng của vật thể đó sẽ bị biến dạng đi so với

thực tế. Trong xử lý ảnh, để khắc phục điều đó, phép biến

đổi Perspective Transform thường được sử dụng [15], [16].

Trong trường hợp đối tượng có hình chữ nhật, ảnh hưởng do

vị trí góc nhìn của mắt người hay camera, sẽ bị biến dạng,

không còn giữ được hình dạng gốc của nó. Để thực hiện phép

biến đổi Perspective Transform đối với khung dữ liệu hình

chữ nhật, bốn góc đỉnh của khung cần được xác định. Bốn

góc này chính là bốn góc thu được từ bước xác định tọa độ

khung dữ liệu ở trên. Kết quả sau bước xử lý này là danh

sách các ảnh chỉ chứa dữ liệu, các ảnh này là đầu vào cho

quá trình khôi phục dữ liệu.

2.3.3. Quá trình 3: Khôi phục dữ liệu

Dữ liệu đầu vào ở giai đoạn này là các khung chứa dữ

liệu mã hóa tách được từ bước cắt khung dữ liệu (Hình 8).

Quá trình nhị phân hóa sẽ biến đổi từng pixel trong ảnh thành

điểm ảnh đen (mức cường độ sáng 0) hoặc điểm ảnh trắng

(mức cường độ sáng 255). Phương pháp nhị phân hóa với

ngưỡng tự động Otsu được dùng do phương pháp này khắc

phục được ảnh hưởng của ánh sáng môi trường ngoài [13].

Kết quả thu được là những hình ảnh khung dữ liệu được

chuyển về ảnh nhị phân với hai màu đen và trắng (Hình 8).

Từ tiến hành bước tiếp theo về giải mã hình ảnh thành các

bit dữ liệu. Dữ liệu đầu vào là các ảnh chứa dữ liệu bit sau

khi nhị phân hóa. Với các hình ảnh nhị phân thu được, chúng

tôi tiến hành giải mã để thu được dữ liệu bit. Cụ thể, chuyển

đổi dữ liệu từ từng cell bằng quy tắc: cell màu đen tương ứng

với bit 0, cell trắng tương ứng với bit 1. Với kích thước một

cell là 10x10 pixel, tương ứng với 100 pixel, cell được cho

là màu đen khi có số lượng điểm ảnh đen (mức sáng 0) lớn

hớn số điểm ảnh trắng (mức sáng 255) và ngược lại. Tiến

hành duyệt từng cell trên bức ảnh, theo thứ tự từ trái qua phải

và từ trên xuống dưới, khi đó thu được bit có giá trị tương

ứng với độ sáng của từng cell. Kết thúc việc giải mã ảnh

chứa dữ liệu thu được chuỗi dữ liệu bit mà ảnh đó biểu diễn.

Hình 8. Nhị phân hóa ảnh và giải mã dữ liệu bit từ hình ảnh

3. Thử nghiệm và kết quả

Chúng tôi đã thực thi ứng dụng trên điện thoại thông

minh hoạt động với hệ điều hành Android, trình biên dịch

là Android Studio của Google. Ứng dụng được tích hợp thư

viện xử lý ảnh OpenCV phiên bản 2.4.10. Ứng dụng được

triển khai trên điện thoại Sony Z1 Compact với hệ điều

hành Android 5.1.1 và HTC One E8 với hệ điều hành

Android 6.0. Các thông số dữ liệu đầu vào (Bảng 1), thiết

bị máy phát (Bảng 2) và thiết bị máy thu (Bảng 3) như sau:

Bảng 1. Bảng thông số dữ liệu đầu vào

Định dạng tệp tin Văn bản (.txt)

Kích thước (byte) 2940

Chiều dài (ký tự) 2940

Số bit mã hóa (bit) 23520

Số ảnh mã hóa (ảnh) 4

Kiểu mã hóa Unicode

Bảng 2. Bảng thông số máy phát

Tên model Sony Z1 Compact

Kích thước màn hình 4.3 inches (1280×720 pixels)

Độ phân giải camera 20.7 megapixels

CPU 2.2 GHz, 4 lõi

Phiên bản Android 5.1

Bảng 3. Bảng thông số máy thu

Tên model HTC One E8

Kích thước màn hình 5.0 inches (1920×1080 pixels)

Độ phân giải camera 13 megapixels

CPU 2.5 GHz, 4 lõi

Phiên bản Android 6.0

Hình 9. Hình ảnh thử nghiệm

Smartphone

phát Smartphone

nhận

Nguồn ánh

sáng gây

nhiễu

92 Hà Duyên Trung, Nguyễn Tiến Hòa, Đỗ Trọng Tuấn

Tiêu chí được đưa ra để đánh giá kết quả của một phiên

truyền là tỉ lệ bit lỗi BER (Bit-error-rate). Hình 9 thể hiện

hình ảnh thử nghiệm quá trình truyền dữ liệu. Máy phát và

máy thu được gán cố định vào hai giá đỡ. Một nguồn sáng

từ đèn LED ngoài phát đi từ trên xuồng nhằm giả định

nhiễu môi trường. Chúng tôi tập trung thực hiện hai kịch

bản truyền dữ liệu như sau.

A. Kịch bản thử nghiệm

Kịch bản thử nghiệm 1: Đánh giá ảnh hưởng của độ

sáng màn hình máy thu tới việc truyền dữ liệu. Độ sáng

màn hình của máy phát ở các mức 25%, 50%, 75% và

100%. Cường độ ánh sáng của môi trường truyền được cố

định ở 450 lux. Khoảng cách giữa máy phát và máy thu

thay đổi từ 10 đến 60 cm với bước nhảy là 5cm.

Kịch bản thử nghiệm 2: So sánh hai phương pháp

truyền dữ liệu qua môi trường ánh sáng nhìn thấy. Cường độ

ánh sáng của môi trường truyền được cố định ở 450 lux. Độ

sáng màn hình của máy phát cố định ở mức 50%. Khoảng

cách giữa máy phát và máy thu thay đổi từ 10 đến 60 cm với

bước nhảy là 5cm. Chúng tôi thực nghiệm so sánh 2 phương

pháp truyền dữ liệu khác nhau. Phương pháp 1 (Method 1)

là phương pháp đề xuất và phương pháp 2 (Method 2) là

phương pháp sử dụng kỹ thuật SURF đã thực hiện trong tài

liệu tham khảo [10]. Hai phương pháp có cùng bản chất là

truyền dữ liệu qua môi trường ánh sáng nhìn thấy, cùng thực

hiện cách thức mã hóa dữ liệu thành các hình ảnh để truyền

đi dữ liệu. Điểm khác biệt giữa hai phương pháp nằm ở cách

thức cắt khung hình chứa dữ liệu. Với phương pháp tham

khảo, một hình ảnh được quy định là ảnh tham chiếu được

đặt vào trong ứng dụng có ở cả bên thu và bên phát. Khi

truyền dữ liệu, máy phát sẽ hiển thị hình ảnh đó, máy nhận

sẽ thu lại, sử dụng giải thuật phát hiện sự tương đồng giữa

hai bức hình từ những điểm được gọi là keypoint của ảnh, từ

đó tìm và xác định được khung hình dữ liệu.

B. Kết quả và đánh giá

Để đạt kết quả chính xác nhất, chúng tôi thực hiện mỗi

phép đo được thực hiện 30 lần, kết quả được ghi lại là giá

trị trung bình của 30 lần đo.

Kịch bản thứ nhất cho kết quả như trên Hình 10, khi thay

đổi độ sáng màn hình của máy phát với các mức 25%, 50%,

75% và 100%, chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy sự khác

biệt. Trong cùng điều kiện về môi trường và khoảng cách

truyền, trường hợp độ sáng màn hình máy phát ở mức 50%

có tỉ lệ lỗi bit thấp nhất, BER luôn nhỏ hơn 10-5 trong khoảng

cách dưới 35cm. Tương tự với đó là trường hợp màn hình ở

độ sáng 25%. Khi màn hình phát sáng ở mức 100%, tỉ lệ bit

lỗi cao hơn nhiều so với các trường hợp khác, cụ thể với

khoảng cách 25cm, BER lên đến 10-4 so với tỉ lệ bit lỗi không

vượt quá 5. 10-6 với các mức độ sáng màn hình thấp hơn.

Với kịch bản thứ hai, phương pháp truyền dữ liệu mà

đồ án nghiên cứu được thử nghiệm so sánh kết quả với một

phương pháp truyền dữ liệu tham khảo [10] như trên Hình

11. Có thể thấy rằng, phương pháp tham khảo có tỉ lệ lỗi

bit cao hơn nhiều so với phương pháp đề xuất. BER của

phương pháp này tăng rất nhanh theo khoảng cách truyền,

và ở khoảng cách trên 45cm, không thể thực hiện truyền dữ

liệu được nữa bởi ở khoảng cách xa, máy thu không thể tìm

được đủ các keypoint để thực hiện việc cắt khung dữ liệu.

Hình 10. BER theo khoảng cách và độ sáng của màn hình máy phát

Hình 11. So sánh hai phương pháp theo BER theo khoảng cách truyền

4. Kết luận

Chúng tôi đã trình bày chi tiết phương pháp truyền dữ

liệu giữa hai smartphone qua môi trường ánh sáng nhìn

thấy. Kết quả chỉ ra rằng, ở khoảng cách 10 – 35 cm, tỷ lệ

lỗi BER là thấp nhất do hình ảnh thu được từ camera đảm

bảo được độ sắc nét cần thiết. Với những khoảng cách xa

hơn, hình ảnh camera thu sẽ mờ đi, do đó số bit lỗi cũng

tăng lên. Ảnh hưởng của ánh sáng môi trường đến quá trình

truyền dữ liệu là không đáng kể. Trong khi đó, khi độ sáng

màn hình máy phát lớn gây ra hiện tượng lóa sáng, nhiều

điểm ảnh đen sẽ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng mạnh của màn

hình, khiến dữ liệu bị lỗi, với khoảng cách càng xa thì ảnh

hưởng này càng rõ rệt. Ngoài ra, chất lượng của phiên

truyền dữ liệu còn bị ảnh hưởng bởi cấu hình của máy điện

thoại phát và thu, điều kiện thực hiện thí nghiệm, độ rung

lắc màn hình, di chuyển thiết bị. Đây cũng là những vấn đề

sẽ được tiếp tục thực hiện trong các nghiên cứu tiếp theo.

Lời cảm ơn

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Bách

khoa Hà Nội trong đề tài mã số T2016-LN-12.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Ergul, E. Dinc, O. B. Akan, “Communicate to illuminate: State-of-

the-art and research challenges for visible light communications”,

Physical Commun., vol. 17, 2015, pp. 72–85.

[2] L. U. Khan, “Visible light communication: Applications,

architecture, standardization and research challenges”, Digital Commun. and Netw., vol. 3, no. 2, 2017, pp. 78–88, 2017.

[3] C. Hongda, et. al., “Advances and prospects in visible light

communications”, J. Semiconductors, vol. 37, no. 1, Jan. 2016.

[4] Jelena Vucic and Klaus-Dieter Langer, “High-Speed Visible Light

Communications: State-of-the-Art”, in Proc. of the Opt. Fiber

Commun. Conf., 2012, pp. 1-3.

[5] Casio Unveils Prototype of VLC System Using Smartphones at

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 93

CES, http://world.casio.com/news/2012/0115_VisibleLightcomm/

(Jan. 2012).

[6] C. Danakis, M. Afgani, G. Povey, I. Underwood, and H. Haas,

“Using a CMOS camera sensor for visible light communication”, in

Proc. IEEE Globecom Workshops, 2012, pp. 1244-1248.

[7] P. Ji, H.-M. Tsa, C. Wang, F. Li, “Vehicular Visible Light

Communications with LED Taillight and Rolling Shutter Camera”, in

Proc. 79th IEEE Vehicular Techn. Conf. (VTC Spring), 2014, pp. 1-6.

[8] T.-H. Do and M. Yoo, “Performance Analysis of Visible Light

Communication Using CMOS Sensors” Sensors J. vol 16, no. 3,

pp.1-23, 2016.

[9] N. Trang, L. N. Tuan, and J. Y. Min, “Practical design of screen-to-camera based optical camera communication”, in Proc. of the Int.

Conf. Infor. Netw., 2015, pp. 369-374.

[10] F. Dai, N. Zhang, and J. Xue, “Primal sketch of images based on

empirical mode decomposition and Hough transform”, in Proc. 3rd

IEEE Conf. on Industrial Elect. and Applications, pp. 2521-2524, 2008.

[11] A. Ashok, S. Jain, M. Gruteser, N. Mandayam, Y. Wenjia, and K.

Dana, “Capacity of pervasive camera based communication under

perspective distortions”, in Proc. IEEE Int. Conf. on Pervasive Comp. and Commun., pp. 112-120, 2014.

[12] R. Boubezari, H. L. Minh, Z. Ghassemlooy and A. Bouridane,

“Smartphone camera based visible light communication”, J.

Lightwave Technol., vol. 17, no. 34, 2016, pp. 4121-4127.

[13] Xiangyang Xu, Shengzhou Xu, Lianghai Jin, Enmin Song,

“Characteristic analysis of Otsu threshold and its applications”,

Pattern Recognition letters, vol. 32, no. 7, 2011, pp. 956-961.

[14] D. Ray, “Edge detection in digital image processing”, University of

Washington: Department of Mathematics, 2013.

[15] L. Jagannathan and C. V. Jawahar, “Perspective correction methods for camera-based document analysis”, in Proc. 1st Int. Workshop on

Camera-based Document Analysis and Recognition, pp. 148-154. 2005.

[16] T. Shakunaga and H. Kaneko, “Perspective angle transform:

Principle of shape from angles”, International Journal of Computer

Vision, vol. 3, no. 3, Sept. 1989, pp. 239-254.

(BBT nhận bài: 10/05/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 19/07/2017)

94 Nguyễn Quang Trung, Dương Việt Dũng

ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ PHỐI TRỘN ETHANOL

TRONG XĂNG SINH HỌC ĐẾN TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ THUẬT VÀ

Ô NHIỄM ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC Ở CHẾ ĐỘ TẢI TRUNG BÌNH

EFFECTS OF ETHANOL ADDITION TO BIOLOGICAL GASOLINE ON PERFORMANCE

AND POLLUTION OF SPARK IGNITION ENGINES USING GASOHOL AT MIDDLE LOAD

Nguyễn Quang Trung, Dương Việt Dũng

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng; trungckgt@gmail.com, dvdung@dut.udn.vn

Tóm tắt - Bài báo này trình bày kết quả thực nghiệm về tính kinh tế - kỹ thuật và ô nhiễm động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng nhiên liệu xăng pha ethanol ở các tỷ lệ 0, 10, 15, 20 và 25% thể tích. Thực nghiệm được tiến hành trên động cơ thí nghiệm Daewoo A16DMS tại phòng thí nghiệm động cơ đốt trong của trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng. Điều kiện thực nghiệm được xác lập để xây dựng đặc tính tốc độ của động cơ ở vị trí bướm ga 50% cho dải tốc độ từ 1250 đến 4500 vòng/phút. Kết quả cho thấy có sự cải thiện về mô men, công suất, tiêu hao nhiên liệu và lượng phát thải của động cơ khi sử dụng E10, E15, so với xăng (E0) ở chế độ tải 50% vị trí bướm ga ở vùng tốc độ từ 2000 đến 4500 vòng/phút; Còn E20 và E25 tỏ ra bất lợi về công suất, mô men và suất tiêu hao nhiên liệu ở mọi tốc độ. Sự có mặt của nhân tố oxy trong ethanol là lý do làm tăng hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp, giảm khả năng bay hơi của nhiên liệu, giảm nhiệt trị của nhiên liệu và đây chính là nguyên nhân của các thay đổi trên.

Abstract - This paper presents experimental results of the performance and exhaust pollution of spark ignition engines using gasoline-ethanol blended fuels at the rates of ethanol 0, 10, 15, 20 and 25% by volume. The experiment was conducted on the Daewoo A16DMS experimental engine at the internal combustion engine laboratory of the Danang University of Science and Technology. Experimental conditions were established to characterize the engine speed at the throttle position of 50% for the speed range from 1250 to 4500 rpm. Results show an improvement in torque, power, fuel consumption and engine emissions when using E10, E15, compared to gasoline (E0) at 50% throttle valve opening at speed range from 2000 to 4500 rpm; The E20 and E25 are at a disadvantage at all speeds. The presence of the oxygen factor in ethanol is the reason for increasing the air–fuel equivalence ratio, reducing the evaporation of the fuel, reducing the heating value of the blended fuel, and this is the cause of the above changes.

Từ khóa - ethanol; xăng; đánh lửa cưỡng bức; hệ số dư lượng không khí.

Key words - ethanol; gasoline; spark ignition; air–fuel equivalence ratio.

1. Đặt vấn đề

Nhiên liệu xăng dầu truyền thống với trữ lượng hạn chế,

quá trình đốt cháy những nhiên liệu này làm gia tăng

cacbondioxit trong khí quyển gây biến đổi khí hậu. Các

quốc gia gần đây đã thật sự quan tâm đến việc sử dụng

nhiên liệu sinh học như ethanol, methanol và butanol để

thay thế phần nào cho lượng xăng phải sử dụng [4, 9, 12].

Ethanol [8, 12] là chất lỏng không màu, còn được gọi

là rượu cồn, rượu ngũ cốc. Ethanol có cùng công thức hóa

học CH3CH2OH bất kể nó được sản xuất từ nguồn nguyên

liệu tinh bột hay đường, chẳng hạn như hạt ngô (chủ yếu là

ở Hoa Kỳ), mía đường (chủ yếu là ở Braxin), hoặc từ

cellulose (như các mùn cưa hoặc phế phẩm cây trồng).

Sự có mặt của nguyên tố oxy có độ âm điện cao trong

ethanol làm cho phân tử CH3CH2OH bị phân cực và dẫn đến

nhiều sự khác biệt so với xăng. Ethanol có trị số octan cao hơn

xăng, khi pha vào xăng làm tăng trị số octan cho xăng sinh

học. Ethanol có nhiệt trị thấp hơn so với xăng, theo các mức

độ khác nhau phụ thuộc vào tỷ lệ thể tích ethanol trong hỗn

hợp. Ethanol tinh khiết (99,5% ethanol) có nhiệt trị thấp hơn

30% so với xăng mỗi đơn vị thể tích. Tuy nhiên xét theo nhiệt

trị do đơn vị khối lượng hỗn hợp thì ethanol chỉ làm giảm chút

ít nhờ lượng không khí lý thuyết (L0=9kgkk/kgnl) nhỏ hơn đáng

kể so với xăng (L0=14,7kgkk/kgnl) vì vậy nếu tăng lượng nhiên

liệu phun tương ứng với mức giảm của L0 thì công suất động

cơ có thể không giảm. Do đó tác động của ethanol lên tính

kinh tế nhiên liệu phụ thuộc vào hàm lượng ethanol trong xăng

sinh học [12].

Ethanol lần đầu tiên được đề xuất làm nhiên liệu xe hơi

ở Hoa Kỳ vào những năm 1930, nhưng chỉ được sử dụng

rộng rãi sau năm 1970. Ethanol hiện nay là nhiên liệu cồn

phổ biến nhất được sử dụng trong ngành giao thông vận tải

trên thế giới. Ethanol đang được sử dụng hoặc là tinh khiết

hoặc như một phụ gia của xăng để làm nhiên liệu cho các

động cơ đốt cháy cưỡng bức. Nhiên liệu ethanol được sử

dụng rộng rãi ở Brazil và Hoa Kỳ, và cả hai nước này chiếm

khoảng 87,1% sản lượng nhiên liệu ethanol của thế giới

trong năm 2011 [4].

Tại Việt Nam, từ ngày 1 tháng 12 năm 2015, xăng sản

xuất, chế biến và kinh doanh để sử dụng trong xe có động cơ

trên toàn quốc là E5 và từ ngày 01 tháng 12 năm 2017 là E10

[1]. Trước đó, theo "Chiến lược phát triển nhiên liệu sinh học

đến năm 2015 với tầm nhìn đến năm 2025", sản xuất nhiên

liệu sinh học (ethanol và dầu diesel sinh học) sẽ đạt 5% nhu

cầu xăng dầu vào năm 2025. Nhiên liệu ethanol đã được thí

điểm và một số nhà máy ethanol sử dụng ngô và sắn làm

nguyên liệu hiện đang được xây dựng như Công ty Cổ phần

Nhiên liệu Sinh học PetroVietnam (100 triệu lít/ năm tại Phú

Thọ), Công ty Cổ phần Lúa Xanh (100.000 tấn/ năm tại

Quảng Ngãi), Sai Gon Biofuels và Công ty Dầu khí (40 triệu

lít / năm, tại Cát Lái TP. Hồ Chí Minh).

Ở Việt Nam, các nghiên cứu gần đây [2, 6, 7, 10, 11]

cho thấy, khi lượng ethanol pha trộn với xăng từ 5 đến 10%

khối lượng sẽ cải thiện đáng kể mô men, công suất, hiệu

suất và lượng khí thải khi so sánh với xăng. Ngoài ra, CO

và HC (hydrocarbon) giảm với sự gia tăng ethanol trong

hỗn hợp nhiên liệu. Tuy nhiên, nhiệt độ cao của ethanol

gây khó khăn cho động cơ bắt đầu lạnh do bốc hơi kém.

Trong khí hậu nóng, ethanol bị ảnh hưởng xấu do hiện

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 95

tượng nút hơi. Nó cũng bị ảnh hưởng bởi sự không tương

thích với một số vật liệu động cơ và hệ thống nhiên liệu khi

ethanol có nhiều trong xăng [3].

Bên cạnh đó, với thế mạnh của nền nông nghiệp Việt

Nam, sản lượng dồi dào của các sản phẩm nông nghiệp

truyền thống như mía, ngô, sắn... nên việc sử dụng tỷ lệ pha

trộn ethanol cao hơn 10% là cần thiết để đảm bảo an ninh

năng lượng. Vì vậy, chúng tôi đã mạnh dạn nghiên cứu sử

dụng xăng sinh học với tỷ lệ phối trộn của ethanol cao, cụ

thể là E10, E15, E20 [1, 5].

2. Nghiên cứu thực nghiệm

Hình 1. Bố trí các trang thiết bị trong phòng thí nghiệm

1. Máy tính điều khiển trung tâm;

2. Trung tâm xử lý dữ liệu Puma;

3. Bộ điều khiển tay ga THA-100;

4. Bộ đo lưu lượng khí nạp;

5. Hộp thu nhận các tín hiệu cảm biến;

6. Bộ đo độ lọt khí Cacter;

7. Các cảm biến gắn trên động cơ;

8. Bộ cấp và đo tiêu hao nhiên liệu;

9. Băng thử APA 204/8;

10. Bộ cấp và điều hoà nhiệt độ nước làm mát động cơ;

11. Thiết bị đo ô nhiễm khí thải Digas 4000;

12. Bộ giảm chấn khí nén;

13. Bệ thử nghiệm.

Thực nghiêm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Động

cơ đốt trong trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

với các trang thiết bị đồng bộ của hãng AVL. Động cơ thí

nghiệm là động cơ Daewoo A16DMS được trang bị hệ thống

cảm biến ghi nhận các thông số quá trình nạp thải, thông số

vận hành hệ thống bôi trơn, làm mát, hệ thống cung cấp

nhiên liệu, tốc độ động cơ và áp suất buồng cháy. Băng thử

APA 204/8 được nối với động cơ qua khớp nối để gây tải

cho động cơ. APA 204/8 hoạt động như động cơ điện để kéo

động cơ thí nghiệm khi khởi động, ngược lại khi động cơ thí

nghiệm đã làm việc tùy theo giá trị tốc độ cần duy trì tại điểm

đo mà băng thử sẽ tạo ra mô men cản lúc này nó hoạt động

như máy phát điện.

Động cơ thí nghiệm là Daewoo A16DMS với các thông

số [6]:

- Nhiên liệu sử dụng: Xăng;

- Kiểu động cơ: E-TECII;

- Số xilanh 4;

- Dung tích: 1598 cm3;

- Hệ thống phân phối khí:16valve, DOHC;

- Hệ thống phun xăng điện tử EFI;

- Mômen cực đại: 145Nm, tại n = 3800 vòng/phút;

- Công suất cực đại: 77kW ở n= 5800 vòng/phút;

- Tỉ số nén: 9,5:1

- Đường kính xilanh: 79 mm;

- Hành trình piston: 81,5 mm.

Thông số băng thử công suất APA 204/8 [6]:

- Công suất cực đại Ne(max): 220 kW;

- Mômen quay cực đại Me(max): 934 Nm;

- Số vòng quay cực đại ne(max): 8000 vòng/phút.

3. Kết quả

Trong bài báo này kết quả nghiên cứu thể hiện ở chế

độ tải trung bình của động cơ ứng với 50% vị trí bướm ga

được xác lập bởi thiết bị THA100 với dải tốc độ thay đổi

từ 1250-4500vòng/phút có bước thay đổi 250vòng/phút.

Đây là chế độ tải đặc trưng cho điều kiện vận hành thực tế

của động cơ để qua đây xem xét ảnh hưởng của tỷ lệ tham

dự của ethanol đến mô men, công suất, suất tiêu hao nhiên

liệu và phát thải ô nhiễm của động cơ.

Hình 2. Diễn biến hệ số dư lượng không khí

của động cơ theo tốc độ và tỷ lệ tham dự của ethanol

Hình 2 thể hiện diễn biến của hệ số dư lượng không khí

theo tốc độ động cơ và theo tỷ lệ tham dự của ethanol trong

xăng sinh học khi áp suất phun nhiên liệu pfuel được xác lập

ở giá trị 3,2bar và hệ số dư lượng không khí được xác định

từ máy phân tích khí thải. Hệ số dư lượng khi động cơ sử

dụng xăng nguyên chất (E0) nhỏ hơn 1 ở tốc độ nhỏ 1250

vòng/phút và lớn hơn 2500 vòng/phút, quy luật thay đổi

tương đồng với diễn biến hệ số nạp của động cơ. Điều đáng

chú ý là ở pham vị tốc độ từ 3000 vòng/phút hệ số dư lượng

khá thấp điều này chứng tỏ nhiên liệu được bay hơi tốt và

hỗn hợp cháy hoàn thiện nên góp phần làm mô men tiếp cận

giá trị cực đại (xem Hình 3). Khi tốc độ động cơ đạt đến 4000

vòng/phút thì hệ số dư lượng tăng trở lại điều này chứng tỏ

khả năng cháy hoàn thiện đã kém đi do tốc độ động cơ lớn

làm giảm mô men của động cơ.

Khi tăng tỷ lệ tham dự của ethanol, quy luật diễn biến

hệ số dư lượng không khí ít thay đổi chỉ có giá trị tăng lên

0.75

0.85

0.95

1.05

1.15

1.25

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Engnine speed (rpm)

So sánh hệ số dư lượng không khí ở 50%BG

50%BG_E0

50%BG_E10

50%BG_E15

50%BG_E20

50%BG_E25

96 Nguyễn Quang Trung, Dương Việt Dũng

do có một lượng oxy được bổ sung từ nhiên liệu làm giảm

lượng không khí lý thuyết để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu

L0. Tăng tỷ lệ ethanol trong khi lượng nhiên liệu cung cấp

tăng không đáng kể vì khối lượng riêng của ethanol chỉ lớn

hơn chút ít so với xăng dẫn đến sự giảm mô men, công suất

và tăng suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ khi sử

dụng nhiên liệu E20 và E25. Riêng đối với nhiên liệu E10

và E15 ít bị ảnh hưởng, thậm chí E15 có mô men, công suất

và E10 có tiêu hao nhiên liệu có ích tốt hơn xăng (E0) như

trên Hình 3, Hình 4 và Hình 5.

Hình 3. Diễn biến mô men có ích của động cơ

theo tốc độ và tỷ lệ tham dự của ethanol

Hình 4. Diễn biến công suất có ích của động cơ

theo tốc độ và tỷ lệ tham dự của ethanol

Hình 5. Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ

theo tốc độ và tỷ lệ tham dự của ethanol

Hệ số dư lượng không khí góp phần quan trọng tới quy

luật phát thải CO của khí xả động cơ khi diễn biến theo quy

luật ngược lại, mức phát thải CO tăng dần và đạt cực đại ở

tốc độ động cơ khoảng 3500vòng/phút và sau đó giảm dần.

Với hệ số dư lượng không khí tăng tương ứng với tỷ lệ

tham dự của ethanol nên phát thải CO của động cơ khi sử

dụng xăng E10, E15, E20 và E25 giảm đáng kể so với xăng

A92 (E0). Cụ thể mức phát thải CO cực đại 6,25% đối với

E0, 4,9% đối với E10, 4,41% đối với E15, 3,83% đối với

E20 và E25 chỉ còn 2,53% ứng với tỷ lệ giảm lần lượt 21%

khi so sánh E10 với E0, 29% khi so sánh E15 với E0, 39%

khi so sánh E20 với E0 và 59% khi so sánh E25 với E0

(xem Hình 6).

Hình 6. Diễn biến phát thải CO của động cơ

theo tốc độ và tỷ lệ tham dự của ethanol

Hình 7. Diễn biến phát thải HC của động cơ theo tốc độ và tỷ lệ

tham dự của ethanol

Khác chút ít với CO, quy luật phát thải HC có xu hướng

giảm dần khi tăng tốc độ động cơ với lý do là nhiên liệu đã

hóa hơi tốt, tuy nhiên ở phạm vi tốc độ từ

35003750vòng/phút động cơ phát HC cao hơn chút ít do

hỗn hợp đậm lên đáng kể và đây chính là phạm vi tốc độ

mà CO cao nhất. Ở 3500vòng/phút mức phát thải HC trong

khí xả động cơ ứng với E0, E10, E15, E20 và E25 lần lượt

là 112ppm, 102ppm, 61ppm, 67ppm và 92ppm ứng với tỷ

lệ giảm 8,9% khi so sánh E10 với E0, 45,5% khi so sánh

E15 với E0, 40% khi so sánh E20 với E0 và 17,8% khi so

sánh E25 với E0. Như vậy mức HC giảm khi tăng tỷ lệ

tham dự của ethanol và mức giảm HC tốt nhất là E15 và

E20 (Hình 7).

Trái ngược với CO và HC, NOx có xu hướng tăng dần

khi tăng tốc độ động cơ đến 3000 vòng/phút với lý do là

nhiệt độ khí thải tăng dần kết hợp với hệ số dư lượng không

khí >1, tuy nhiên ở phạm vi tốc độ từ 35003750

vòng/phút động cơ phát thải NOx giảm đáng kể do hỗn hợp

đậm lên khiến giảm nồng độ O2. Mức phát thải NOx tăng

khi tăng tỷ lệ ethanol, ở 3500vòng/phút mức phát thải NOx

trong khí xả động cơ ứng với E0, E10, E15, E20 và E25 lần

lượt là 845ppm, 1227ppm, 1542ppm, 1907ppm và

2031ppm ứng với tỷ lệ tăng 145% khi so sánh E10 với E0,

182% khi so sánh E15 với E0, 225% khi so sánh E20 với

E0 và 240% khi so sánh E25 với E0. Như vậy NOx tăng

khi tăng tỷ lệ tham dự của ethanol và mức tăng NOx ít nhất

là E10 (Hình 8).

50

60

70

80

90

100

110

120

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Torq

ue

(Nm

)

Engine speed (rpm)

So sánh mô men ở 50%BG

Torque (50%_E0)

Torque (50%_E10)

Torque (50%_E15)

Torque (50%_E20)

Torque (50%_E25)

0

10

20

30

40

50

60

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Po

we

r (k

W)

Engine speed (rpm)

So sánh công suất ở 50%BG

Power (50%_E0)

Power (50%_E10)

Power (50%_E15)

Power (50%_E20)

Power (50%_E25)

200

250

300

350

400

450

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

FUEL

CO

SP(g

/kW

h)

Engine speed (rpm)

So sánh suất tiêu hao nhiên liệu ở 50%BG

FUELCOSP (50%_E0)

FUELCOSP (50%_E10)

FUELCOSP (50%_E15)

FUELCOSP (50%_E20)

FUELCOSP (50%_E25)

0

1

2

3

4

5

6

7

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

CO

(%)

Engnine speed (rpm)

So sánh CO ở 50%BG

CO (50%BG_E0)

CO (50%BG_E10)

CO (50%BG_E15)

CO (50%BG_E20)

CO (50%BG_E25)

0

50

100

150

200

250

300

350

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

HC

(pp

m)

Engnine speed (rpm)

So sánh HC ở 50%BGHC (50%BG_E0)

HC (50%BG_E10)

HC(50%BG_E15)

HC (50%BG_E20)

HC (30%BG_E25)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 97

Hình 8. Diễn biến phát thải NOx của động cơ

theo tốc độ và tỷ lệ tham dự của ethanol

Hình 9. Diễn biến phát thải động cơ

theo tỷ lệ ethanol ở 3500 vòng/phút

4. Kết luận

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm động cơ Daewoo

A16DMS trên băng thử APA 204/8 với nhiên liệu sử dụng

xăng A92 và xăng E10, xăng E15, xăng E20 và xăng E25

ở mức tải trung bình 50% vị trí bướm ga với phạm vi tốc

độ từ 1250 đến 4500 vòng/phút cho thấy:

- Khi lượng ethanol pha trộn với xăng từ 10 đến 15%

thể tích sẽ cải thiện chút ít mô men, công suất, suất tiêu hao

nhiên liệu có ích và đồng thời giảm phát thải CO và HC

trong khí thải khi so sánh với xăng. Cụ thể ở tốc độ

3500vòng/phút mức phát thải CO của động cơ đạt cực đại,

lúc này so với E0 mức giảm của E10 và E15 lần lượt 21%

và 29%; ở tốc độ này HC giảm 8,9% khi so sánh E10 với

E0, 45,5% khi so sánh E15 với E0.

- Khi lượng ethanol pha trộn với xăng từ 20 đến 25% thể

tích sẽ làm giảm chút ít mô men, công suất và tăng suất tiêu

hao nhiên liệu nhưng lượng phát thải CO và HC trong khí thải

giảm khi so sánh với xăng. Cụ thể ở tốc độ 3500vòng/phút,

phát thải CO giảm 39% khi so sánh E20 với E0 và 59% khi so

sánh E25 với E0; phát thải HC giảm 40% khi so sánh E20 với

E0 và 17,8% khi so sánh E25 với E0.

- Hạn chế lớn nhất E10, E15, E20 và E25 so với xăng

(E0) là mức phát thải NOx khá lớn khi mức tăng lên đến

145% khi so sánh E10 với E0, 182% khi so sánh E15 với

E0, 225% khi so sánh E20 với E0 và 240% khi so sánh E25

với E0 ở tốc độ 3500 vòng/phút.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Phú Cường, "Thực trạng và sự cần thiết ban hành lộ trình bắt buộc áp dụng tỷ lệ phối trộn NLSH với nhiên liệu truyền thống", Tạp

chí Khoa học và Công nghệ - Công nghiệp, 09, 2013, 23-25.

[2] Bùi Văn Ga, Bùi Văn Tấn, Nguyễn Văn Đông, "Ảnh hưởng của nhiên

liệu, tỷ số nén và góc đánh lửa sớm đến quá trình cháy hỗn hợp xăng-

ethanol trong động cơ daewoo", Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, 1(98), 2016, 27-32.

[3] Lê Thị Kiều Oanh, Lưu Tiến Thuận, "Những khó khăn và giải pháp

đẩy mạnh tiêu dùng xăng sinh học E5 tại TP. Cần Thơ", Tạp chí Khoa

học Cần Thơ, 04, 2015, p. 15-23.

[4] Liễu Anh Đài, "Công nghiệp sản xuất cồn Ethanol và đường ở Brazil",

Tạp chí Châu Mỹ ngày nay, 08, 2008, 32-34.

[5] Nguyễn Thị Hằng Nga, Nghiên cứu khả năng sản xuất etanol sinh học

từ phụ phẩm nông nghiệp, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, 2010.

[6] Lê Văn Tụy, Trần Văn Nam, Huỳnh Bá Vang, "Nghiên cứu thử

nghiệm độ hao mòn động cơ chạy xăng pha cồn", Tạp chí Khoa học

và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, 4(39), 2010, 227-234.

[7] Huỳnh Bá Vang, Nghiên cứu thực nghiệm tính năng kinh tế kỹ thuật

của ôtô sử dụng xăng A95 pha 10% ethanol, Đại học Đà Nẵng, 2011.

[8] Sarathy, S.M., et al., "Alcohol combustion chemistry", Progress in

Energy and Combustion Science, 44, 2014, 40-102.

[9] Szwaja, S. and J. Naber, "Combustion of n-butanol in a spark-ignition IC engine", Fuel, 89(7), 2010, 1573-1582.

[10] Tuan, L.A., et al., "Simulation study of motorcycle engines

charateristics fueled with ethanol-gasoline blends", Journal of Science

& Technology, 83B, 2011, 119-124.

[11] Tuan, L.A. and P.M. Tuan, "Impacts of Gasohol E5 and E10 on

Performance and Exhaust Emissions of In-used Motorcycle and Car:

A Case Study in Vietnam". Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường đại học kỹ thuật, 73B, 2009, 98-104.

[12] Wheals, A.E., et al., "Fuel ethanol after 25 years", Trends in

biotechnology, 17(12), 1999, 482-487.

(BBT nhận bài: 21/04/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 07/06/2017)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

NO

x (p

pm

)

Engnine speed (rpm)

So sánh NOx ở 50%BGNOx (50%BG_E0)

NOx (50%BG_E10)

NOx (50%BG_E15)

NOx (50%BG_E20)

NOx (50%BG_E25)

0

50

100

150

200

250

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 5 10 15 20 25 30

HC

, N

Ox (

x1

0)

, C

O (

x1

0)

% Ethanol

So sánh phát thải ở 3500rpm

l

CO

HC

NOX

98 Bùi Thị Minh Tú

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN

QUÁ TRÌNH ĐO ĐẠC CỦA NHIỄU TỪ

A STUDY ON THE MEASUREMENT CONDITIONS OF ELECTROMAGNETIC NOISE

Bùi Thị Minh Tú

Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; btmtu@dut.udn.vn

Tóm tắt - Nhiễu từ là loại sóng điện từ xuất phát từ sâu bên trong vật liệu từ khi đặt vật liệu từ trong một từ trường biến thiên, có quan hệ chặt chẽ với cấu trúc bên trong của vật liệu. Bằng cách đo đạc nhiễu từ tại bề mặt vật liệu, ta có thể đoán được cấu trúc bên trong của vật liệu đó mà không làm ảnh hưởng đến bản thân vật liệu như các cách thông thường. Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại vẫn gặp khó khăn khi so sánh, đối chiếu lẫn nhau, chủ yếu là do những khác biệt trong điều kiện đo đạc. Bài báo này đề xuất một mô hình cho việc đo đạc nhiễu từ, hướng đến ứng dụng trong việc kiểm tra không phá hủy vật liệu, có tính đến các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đo đạc và giải pháp khắc phục các yếu tố đó.

Abstract - Electromagnetic noise is an electromagnetic signal which originates inside the material when placing the material in a varying magnetic field. This noise is believed to be closely related to the structure of the material. Hence, by measuring the electromagnetic noise at the surface of the material, we can have an idea of the structure inside the material without destroying it as by classical methods. However, the study of this application of electromagnetic noise still faces the difficulties when comparing different results from different research groups mainly because of the difference in measuring conditions. This paper proposes a measuring model for the measurement of electromagnetic noise in view of non-destructive testing application, taking into account different measuring factors.

Từ khóa - nhiễu từ; đo đạc; mô hình hóa; kiểm tra không phá hủy; cấu trúc vật liệu.

Key words - magnetic noise; measurement; modelling; non-destructive testing; structure of material.

1. Đặt vấn đề

Vật liệu từ được chia thành các vùng từ ngăn cách nhau

bởi các bức tường từ. Khi không chịu tác động bởi các yếu

tố bên ngoài, các vùng từ này sẽ có các hướng khác nhau,

sao cho xét về mặt trung bình, vật liệu trung hòa về từ tính.

Khi đặt vật liệu dưới môi trường từ hóa, các bức tường di

chuyển, tạo nên tính từ cho vật liệu [1].

Nhiễu từ hay còn gọi là nhiễu Barkhausen (BN) là một

hiện tượng một loạt bước nhảy rời rạc và đột ngột xuất hiện

trong quá trình từ hóa vật liệu sắt từ khi đặt vật liệu này

trong môi trường từ hóa. Nguyên nhân chủ yếu là do các

khiếm khuyết vi mô gây cản trở bức tường từ trong quá

trình di chuyển của chúng (Hình 1), dẫn đến một đường

cong từ hóa không mịn [2, 3, 4]. Vì lý do này, người ta tin

rằng nhiễu từ chứa thông tin về cấu trúc vi mô của vật liệu.

Bằng cách phân tích nhiễu từ, trích xuất các thông tin chứa

đựng trong đó, ta có thể đoán biết được các thông tin về

cấu trúc vi mô của vật liệu như tỉ lệ tạp chất, những lỗi cấu

trúc hay những đứt gãy sâu bên trong vật liệu. Như vậy, nó

có thể được sử dụng như một kỹ thuật kiểm tra không phá

hủy nhanh và không tốn kém.

Hình 1. Bức tường từ bị ngăn cản do lỗi cấu trúc

và di chuyển khi từ trường ngoài tăng

Một số nghiên cứu cũng đã giới thiệu sự liên quan giữa

nhiễu từ và cấu trúc của vật liệu (ferrite, perlite và hỗn hợp

ferrite-perlite) như ở Hình 3 [5] hay giữa nhiễu từ và nhiệt

độ xử lý vật liệu như ở Hình 4 [6]. Tuy nhiên, việc ứng

dụng nhiễu từ trong việc phân tích cấu trúc của vật liệu vẫn

còn gặp nhiều khó khăn do việc xác định nguyên nhân

chính xác của sự hình thành nhiễu, cũng như các ảnh hưởng

của điều kiện đo đạc đến nhiễu thu được. Trong bài báo

này, ta chỉ xét đến các yếu tố ảnh hưởng đến sự đo đạc

nhiễu và các giải pháp có thể sử dụng để khắc phục chúng.

Hình 2. Nhiễu từ gây ra bởi cấu trúc lỗi bên trong vật liệu

Hình 3. Nhiễu từ và cấu trúc vi mô của vật liệu [5]

Hình 4. Nhiễu từ và nhiệt độ xử lý vật liệu [6]

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 99

2. Mô hình đo đạc nhiễu từ đề xuất

Hình 5. Mô hình đo đạc nhiễu từ đề xuất

Có nhiều mô hình đo đạc khác nhau của nhiễu từ. Mỗi mô

hình cho các kết quả khác nhau khi đo đạc. Điều này dẫn đến

việc so sánh các kết quả giữa các nhóm nghiên cứu khác nhau

không thực hiện được. Chính vì vậy, việc thống nhất giữa các

mô hình đo đạc khác nhau, hoặc phương pháp loại trừ các ảnh

hưởng của điều kiện đo đạc đến kết quả là vô cùng quan trọng.

Hình 5 giới thiệu mô hình đo đạc nhiễu từ đề xuất. Bộ

phận chính của mô hình này là phần tạo trường điện từ gồm

hai lõi chữ C bằng vật liệu ferit (NiZn) áp quanh một mẫu

vật có độ dày nhỏ. Cấu trúc này nhằm đảm bảo từ trường

tạo ra trong vật liệu là đồng nhất (Hình 6). Thiết kế này

cũng đã được kiểm chứng bằng các kết quả đo đạc, kết hợp

với mô hình phần tử hữu hạn [7].

Hình 6. Kiểm tra tính đồng nhất của từ trường bên trong mẫu thử

Hệ thống đo đạc gồm nguồn AC tạo sóng tam giác (đã

được loại bỏ hoàn toàn thành phần sóng cao tần nhờ bộ lọc

thông thấp LPF). Tín hiệu ra kết hợp với máy phát công

suất 60W, đi qua mạch khuếch đại để đảm bảo công suất

của tín hiệu tạo từ trường.

Sóng điện từ tạo ra bên trong vật liệu đi đến bề mặt và

được đo bởi cảm biến (sensor) đặt ở bề mặt. Tín hiệu đo đạc

được sau đó được khuếch đại và lọc nhiễu để thu được thành

phần mong muốn, mang các thông tin về cấu trúc của vật liệu.

Ngoài ra, ta còn có thể thực hiện phép đo đạc với hệ

thống có kích thước nhỏ hơn (Hình 7). Mô hình này phù

hợp với việc đo đạc khi chiều dài mẫu vật bị hạn chế hay

ta muốn đo tại một vị trí cụ thể của mẫu vật.

Hình 7. Hệ thống đo đạc nhiễu từ khi chiều dài mẫu vật bị hạn chế

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống đo đạc nhiễu từ

3.1. Từ trường được tạo thành bên trong mẫu thử

Hình 8. Từ trường hình thành bên trong mẫu thử

Các cuộn sơ cấp bao gồm N vòng dây quấn quanh lõi

ferit. Ở đây, hệ thống đề xuất sử dụng cùng số vòng N1 cho

cả hai cuộn. Tuy nhiên, việc sử dụng số vòng khác nhau ở

hai cuộn này không làm ảnh hưởng đến kết quả đo đạc. Áp

điện áp 𝑣(𝑡) vào các cuộn dây sơ cấp tạo ra từ thông Φ1

trong lõi ferit:

Φ1 = ∫𝑣(𝑡)

𝑁1𝑑𝑡 =

1

𝑁1∫ 𝑣(𝑡)𝑑𝑡. (1)

Khi không có thất thoát từ thông, từ thông xuất hiện

trong lõi vật liệu được tính bởi (2):

Φ = Φ1 +Φ1 = 2Φ1 = 2𝜇𝑓𝑒𝑟𝑖𝑡𝐻1𝑆, 2)

với S là diện tích mặt cắt của lõi ferit.

Như vậy, từ trường tạo ra trong mẫu thử được tính bằng:

H = 2𝐻1 =2Φ1

𝜇𝑓𝑒𝑟𝑖𝑡𝑆. (3)

3.2. Đặc tính của cảm biến

Tùy theo kích thước của mẫu vật cần đo đạc, ta có thể dùng

hai dạng cảm biến khác nhau: cảm biến vòng và cảm biến

cạnh bên (Hình 9). Cảm biến vòng gồm 120 vòng dây quấn

quanh ống ferit, cảm biến cạnh bên gồm 30 vòng dây quấn

quanh lõi đặc ferit. Cảm biến cạnh bên có ưu điểm về kích

thước nhỏ gọn và dễ sử dụng nên phù hợp với nhiều ứng dụng

hơn. Ta sẽ nghiên cứu kỹ về đặc tính của loại cảm biến này.

Hình 9. Cảm biến vòng và cảm biến cạnh bên

Để nghiên cứu về đặc tính của cảm biến cạnh bên, ta đặt

cảm biến vào ống solenoid có các thông số sau: (Hình 10)

- Số vòng dây Ns: 761;

- Đường kính D: 64mm;

- Chiều dài l: 542mm.

Hình 10. Đo đạc đặc tính của cảm biến cạnh bên

100 Bùi Thị Minh Tú

Cho dòng điện 𝑖 = 𝐼0𝑠𝑖𝑛𝜔0𝑡 chạy qua ống solenoid sẽ

tạo ra từ trường trong ống, từ trường này gây ra từ trường

cảm biến trong cảm biến cần đo đạc. Cảm ứng từ này có

thể được đo đạc bằng dòng điện ở đầu ra của cảm biến.

Ta có từ trường được tạo ra trong ống solenoid được

tính bằng:

B =𝜇0𝑁𝑠𝑖

𝑙= 𝜇0𝐻 (4)

→ H =𝑁𝑠𝑖

𝑙=

𝑁𝑠𝐼0𝑠𝑖𝑛𝜔0𝑡

𝑙 (5)

Từ thông xuất hiện trong cảm biến đặt trong cuộn

solenoid được tính bởi

Φ = B𝑆𝑐, (6)

với 𝑆𝑐 là diện tích mặt cắt của cảm biến.

Từ thông này lại tạo thành dòng điện chạy qua các vòng

dây của cảm biến theo công thức (7, 8):

𝑣𝑐 = 𝑁𝑐𝑑Φ

𝑑𝑡= 𝜇0𝑁𝑐𝑆𝑐

𝑑𝐻

𝑑𝑡, (7)

→ 𝑣𝑐 =𝜇0𝑁𝑐𝑆𝑐𝐼0

𝑙𝜔cos𝜔𝑡. (8)

Điện áp của dòng điện cảm ứng này được đo đạc và vẽ

theo tần số 𝜔 như Hình 11.

Hình 11. Dòng điện cảm ứng của cảm biến

Ta thấy rằng điện áp cảm ứng tăng theo hướng tuyến

tính với tần số của dòng điện kích ứng khi tần số này thấp

hơn một giá trị nhất định (trong trường hợp này là khoảng

430kHz). Khi tiếp tục tăng tần số của dòng điện kích ứng,

điện áp cảm ứng tăng mạnh, tạo thành đỉnh cộng hưởng

tại tần số 455kHz. Ta gọi đây là tần số cộng hưởng của

cảm biến.

Như vậy, cảm biến cạnh bên được lựa chọn có tính chất

tương tự như bộ lọc bậc 2 và trong tất cả các đo đạc, cần

phải xét đến ảnh hưởng này. Có thể kết luận rằng, để so

sánh nhiễu từ trong tất cả các hệ thống đo đạc, cần phải biết

rõ các thông tin, tính chất của cảm biến được sử dụng. Hai

cảm biến khác nhau có thể có tần số cộng hưởng khác nhau

và mức độ khuếch đại ở các dải tần khác tần số cộng hưởng

khác nhau. Đối với cảm biến cạnh bên được lựa chọn ở đây,

dải tần số hoạt động tốt nhất là dưới 430kHz.

3.3. Đặc tính của vật liệu

Tín hiệu thu được ở bề mặt vật liệu là một sóng điện từ

được tạo ra bởi sự biến thiên từ thông bên trong vật liệu.

Sóng điện từ được tạo ra ở độ sâu z của mẫu vật phải đi qua

và bị hấp thụ một phần bởi vật liệu để đến được bề mặt của

mẫu vật theo phương trình (9) (giả sử rằng vật liệu là đồng

nhất) [3].

A = 𝐴0𝑒−𝛼𝑧𝑒−𝑗(𝜔𝑡−𝛽𝛿), (9)

với A0: biên độ ban đầu của tín hiệu sóng điện từ; z: độ sâu

nơi sóng điện từ được tạo ra; 𝜔: tần số của tín hiệu; 𝛽: hệ

số pha; 𝛼 = √𝜋𝑓𝜇0𝜇𝑟𝜎: hệ số hấp thụ của vật liệu; 𝜇𝑟: độ

từ thẩm và 𝜎: độ điện dẫn và 𝑓: tần số tín hiệu.

Phương trình (9) cho thấy tín hiệu tần số cao sẽ nhanh

chóng bị hấp thụ bởi vật liệu. Như vậy, các thông tin về cấu

trúc bên trong vật liệu mà ta có thể có được, chỉ có thể được

khai thác trong thành phần tần số thấp của tín hiệu đo đạc

được. Lớp vật liệu có mật độ dòng điện cảm ứng cao được

gọi là hiệu ứng bề mặt của vật liệu. Vùng này là tương

đương với độ sâu 𝛿 bên dưới bề mặt vật liệu nơi mật độ

dòng giảm còn 𝐴

𝐴0= 𝑒−1.

Ta có thể tính được chiều dày của lớp hiệu ứng bề mặt

này như (7):

δ =1

√𝜋𝑓𝜇0𝜇𝑟𝜎= 503√

1

𝑓𝜇𝑟𝜎. (7)

Độ sâu của hiệu ứng bề mặt của vật liệu phụ thuộc vào

cả hai tần số của tín hiệu, độ từ thấm và độ điện dẫn của

vật liệu. Bảng 1 cung cấp các hằng số điện và từ cho một

số loại vật liệu thông dụng. Hầu hết các thép (acier) có độ

điện dẫn trong khoảng 106𝑆/𝑚 đến 107𝑆/𝑚 và độ từ thẩm

tối đa bằng 300. Hình 12 biểu diễn bề dày của hiệu ứng của

một số vật liệu.

Bảng 1. Hằng số điện và từ của một số loại vật liệu.

Fe Ni Co Cu Al

𝜎(𝑆/𝑚) 1 × 107 1.43× 107

1.72× 107

5.95× 107

3.6 × 107

𝜇𝑟 150 110 70 1 1

Hình 12. Bề dày hiệu ứng bề mặt của một số vật liệu

Có thể thấy được rằng, hiệu ứng bề mặt hay độ sâu mà

ta có thể khai thác thông tin từ nhiễu từ của thép khá thấp

(khoảng 10−5m cho một tín hiệu đến 200kHz). Như vậy,

các kết quả đo đạc chỉ có thể cung cấp được thông tin về

cấu trúc vật liệu trong độ sâu này.

4. Kết luận

Nhiễu từ chứa các thông tin về cấu trúc của vật liệu.

Nếu có thể khai thác tốt thông tin từ đây, việc xác định cấu

trúc của vật liệu có thể được tiến hành dễ dàng mà không

làm ảnh hưởng đến bản thân vật liệu.

Bài báo đã đề xuất mô hình đo đạc nhiễu từ, có xét đến

các yếu tố làm ảnh hưởng đến kết quả đo đạc. Để có được

kết quả có độ tin cậy cao, cần đảm bảo từ trường được tạo

ra bên trong vật liệu là đồng nhất. Để có thể so sánh các kết

quả đo đạc trong các điều kiện khác nhau, cần phải biết

thông tin về cảm biến đo đạc nhằm loại trừ ảnh hưởng của

nó đến tín hiệu đo đạc được. Cảm biến cạnh bên trong bài

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 101

báo này có tính chất gần giống bộ lọc bậc 2, tần số cộng

hưởng ở 455kHz và dải tần hoạt động tốt ở dưới 430kHz.

Ngoài ra, do ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt, tín hiệu sóng

điện từ bị hấp thụ phần lớn bởi vật liệu và thông tin khai

thác được chủ yếu đến từ lớp bề mặt của vật liệu. Muốn có

được thông tin ở những độ sâu cao hơn, cần tìm cách khai

thác thông tin chứa trong dải tần số thấp của tín hiệu.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] G. Bertotti: Hysteresis in Magnetism: for Physicists, Materials Scientists, and Engineers. Academic Press, 1998.

[2] Alex Hubert and Rudolf Schafer: Magnetic Domain. The analysis of

magnetic microstructures. Springer, 1998.

[3] David Jiles: Introduction to magnetism and magnetic materials. 3rd

edition, CRC Press, 2016.

[4] Stefano Zapperi, Pierre Cizeau, Gianfranco Durin and H. Eugene

Stanley: Dynamics of a ferromagnetic domain wall: Avalanches,

depinning transition, and the Barkhausen effect. Physical Review B,

58(10):6353–6366, September 1998.

[5] O. Saquet, J. Chicois and A. Vincent: Barkhausen noise from plain

carbon steels: Analysis of the influence of microstructure. Materials

Science & Engineering A, 269:73– 82, 1999.

[6] Saeed Kahrobaee, Taha-Hossein Hejaz: A RSM-based predictive

model to characterize heat treating parameters of D2 steel using

combined Barkhausen noise and hysteresis loop methods. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 433, 1 July 2017,

Pages 131-140.

[7] Bui Thi Minh Tu: Contribution à la modélisation du bruit

Barkhausen en relation avec la microstructure des materiaux ferromagnetiques. Universite de Technologie de Compiegne, 2010.

(BBT nhận bài: 10/07/2017; hoàn tất thủ tục phản biện: 24/07/2017)

102 Nguyễn Hữu Vinh, Hồ Thanh Tuấn, Nguyễn Hùng, Lê Kim Hùng

ỨNG DỤNG D-STATCOM ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP TRÊN

HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI 22KV: KHU CÔNG NGHIỆP TÂN BÌNH,

TP. HỒ CHÍ MINH

D-STATCOM APPLICATION TO IMPROVE VOLTAGE QUALITY IN 22KV POWER

DISTRIBUTION SYSTEM: A CASE STUDY AT TAN BINH INDUSTRIAL PARK,

HO CHI MINH CITY

Nguyễn Hữu Vinh1, Hồ Thanh Tuấn1, Nguyễn Hùng2, Lê Kim Hùng3 1Tổng công ty Điện lực TP.HCM; nguyenhuuvinhdlhcm@gmail.com, thanhtuanho90@gmail.com

2Trường Đại học Công nghệ TP.HCM; n.hung@hutech.edu.vn 3Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; lekimhung@dut.udn.vn

Tóm tắt - Bài báo này trình bày kết quả mô phỏng của việc sử dụng bộ bù đồng bộ tĩnh (D-STATCOM) dùng nghịch lưu nguồn áp (VSC) để nâng cao ổn định, cải thiện chất lượng điện áp của lưới điện phân phối 22kV thực tế tại Khu công nghiệp Tân Bình, Thành phố Hồ Chí Minh. Bộ bù D-STATCOM dùng điều khiển PID được áp dụng để ổn định và cải thiện điện áp tại các nút phụ tải của hệ thống điện phân phối dưới các chế độ làm việc xác lập khi điện áp nguồn dao động hoặc phụ tải thay đổi và chế độ quá độ khi xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha thoáng qua. Kết quả mô phỏng trong miền thời gian cho thấy hiệu quả của việc có sử dụng bộ bù D-STATCOM trong việc ổn định biên độ và cải thiện chất lượng điện áp khi xảy ra nhiễu nhỏ trong chế độ xác lập cũng như việc nâng cao biên độ, giảm dao động điện áp, phục hồi nhanh về giá trị ban đầu trong quá trình quá độ khi xảy ra nhiễu lớn trong hệ thống điện.

Abstract - This paper presents the simulation results of using a static synchronous compensator (D-STATCOM) based on voltage source converter (VSC) to enhance voltage stability and improve voltage quality of the actual 22kV power distribution system in Tan Binh Industrial Park, Ho Chi Minh City. The PID controller based D-STATCOM is applied to stabilize and improve voltage waveforms at load buses in the studied power system under various operating conditions such as oscillation of supply voltage source or variable load and transient conditions when three-phase short circuit fault occurs. Simulation results in a time domain are presented to show effectiveness of using the D-STATCOM for stability and improvement of voltage quality when small disturbances occur, and of enhancing voltage magnitude, mitigating voltage oscillation in transient conditions under a severe disturbance in the power system.

Từ khóa - bộ bù đồng bộ tĩnh lưới phân phối (D-STATCOM); bộ bù tĩnh (SVC); bộ nghịch lưu nguồn áp (VSC); cải thiện chất lượng điện áp; bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID).

Key words - Distribution static synchronous compensator (D-STATCOM); Static var compensator (SVC); Voltage Source Converter (VSC); Voltage quality improvement; Proportional Integral Derivative (PID).

1. Giới thiệu

Trong những năm qua đã có nhiều công trình nghiên

cứu về đánh giá ổn định điện áp hệ thống điện trong chế độ

xác lập [1-4]. Trong [1], các tác giả sử dụng phương pháp

phân tích theo đường cong PV/QV để xác định được các

nút bị mất ổn định tĩnh hoặc độ dự trữ ổn định điện áp kém

để cần phải xem xét cải thiện ổn định áp chứ chưa đưa ra

biện pháp giải quyết. Trong [2-4], các tác giả cũng phân

tích ổn định hệ thống điện trong chế độ xác lập bình thường

và sự cố bị mất một đường dây hay máy phát cũng bằng

phương pháp phân tích PV/QV từ đó xác định được vị trí

và dung lượng thiết bị bù SVC cần thiết để nâng cao ổn

định điện áp cho các nút có nguy cơ mất ổn định tĩnh. Tuy

nhiên, việc áp dụng bộ bù SVC trên với giá trị cố định chỉ

hiệu quả cho một vài trạng thái vận hành xác định chứ

không hiệu quả bằng bộ bù đồng bộ tĩnh STATCOM, do

có đáp ứng nhanh và liên tục nhờ vào bộ điều khiển và

chuyển mạch của linh kiện điện tử công suất trong VSC

[4-5]. Ứng dụng STATCOM điều khiển dòng công suất và

ổn định điện áp được sử dụng trong [6]. Tuy nhiên, hiệu

quả khi dùng STATCOM để điều khiển dòng công suất tác

dụng thì không nhiều cộng với lưới điện kín nên việc cải

thiện biên độ điện áp tại tất cả các nút không rõ rệt. Trong

[7], các tác giả áp dụng STATCOM để ổn định điện áp và

cải thiện đáp ứng quá độ nhưng áp dụng cho lưới truyền tải

500kV dùng bộ điều khiển PI nên đáp ứng hơi chậm và sai

số xác lập lớn. Mô hình hóa và điều khiển STATCOM, đã

được đưa ra trong [8, 9] và cho thấy hiệu quả trong việc

điều khiển biên độ điện áp trong xác lập. Tuy nhiên, kết

quả nghiên cứu mới cho thấy hiệu quả cho bộ bù công suất

nhỏ và chỉ áp dụng trong lưới điện hạ thế. Gần đây có nhiều

công trình nghiên cứu ứng dụng STATCOM trong hệ thống

truyền tải cao thế, cho thấy hiệu quả của nó trong việc cải

thiện đáp ứng quá độ và giảm dao động hệ thống điện [10-

16]. Trong [10, 11], các tác giả chứng minh STATCOM

hiệu quả hơn SVC trong việc nâng cao ổn định động, giảm

dao động công suất cho hệ thống điện có nhiều máy phát

điện. Trong [12-14], các tác giả ứng dụng STATCOM

trong việc cải thiện đáp ứng quá độ, nâng cao ổn định áp

khi xảy ra ngắn mạch đối xứng và không đối xứng cho hệ

thống điện có nguồn điện gió kết lưới. Trong [15],

STATCOM với bộ điều khiển PID được dùng để giảm dao

động công suất và ổn định động máy phát điện khi xảy ra

ngắn mạch ba pha trên hệ thống điện xoay chiều có tụ điện

bù dọc. Trong [16], tác giả cũng áp dụng bộ điều khiển PID

cho STATCOM để cải thiện chất lượng điện áp khi có

nhiễu lớn trong hệ thống có nguồn điện mặt trời nối lưới.

Phương pháp điều khiển bền vững áp dụng vào tìm bộ điều

khiển vòng kín cho STATCOM, tuy nhiên tác giả chỉ phân

tích mà chưa mô phỏng để thấy được hiệu quả của nó [17].

Trong [18], tác giả dùng bộ điều khiển PI cho

D-STATCOM để bù công suất kháng và ổn định điện áp

nhưng chỉ áp dụng cho lưới điện công suất nhỏ một pha.

Phần lớn các công trình nghiên cứu trên được áp dụng

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 103

mạnh mẽ vào hệ thống truyền tải điện cao áp mà ít đề cập

đến việc giải quyết chất lượng điện cung cấp gần chổ khách

hàng. Hơn nữa, đa phần các bộ STATCOM trên sử dụng

nghịch lưu 6 bước dùng IGBT nên dạng sóng ngõ ra còn

chứa nhiều sóng hài, quá trình chuyển mạch làm mất cân

bằng điện áp trên tụ DC, chưa giải quyết được hiệu quả cả

trong xác lập và quá độ.

Bài báo này, đã trình bày việc ứng dụng bộ bù

D-Statcom sử dụng nghịch lưu đa bậc với chuyển mạch

GTO kết hợp kỹ thuật điều chế PWM vào mạng lưới điện

phân phối KCN IV, Tân Bình, Thành phố Hồ Chí Minh để

cải thiện chất lượng điện áp của phụ tải trong chế độ xác

lập khi điện áp nguồn dao động và phụ tải thay đổi theo các

mức bình thường, thấp điểm, cao điểm trong ngày và chế

độ sự cố ngắn mạch ba pha thoáng qua. Kết quả mô phỏng

trong chế độ xác lập cho thấy rằng khi có lắp đặt D-

Statcomtại nút phụ tải thì điện áp tại nút đó được điều chỉnh

ổn định, biên độ điện áp luôn nằm trong giới hạn cho phép

≤ ±5%, giảm thời gian dao động, ổn định biên độ điện áp

không những tại nút lắp đặt D-Statcom mà còn cho những

nút lân cận cũng ảnh hưởng tốt từ việc lắp đặt này. Kết quả

mô phỏng quá trình quá độ khi xảy ra sự cố ngắn mạch ba

pha: khi có D-Statcom biên độ điện áp tại các nút được

nâng cao hơn so với khi không có D-Statcom và biên độ

điện áp phục hồi nhanh lại giá trị định mức 1pu như trước

khi sự cố và không xảy ra dao động. Điều này cho thấy hiệu

quả của việc dùng bộ bù D-Statcom vào việc cải thiện chất

lượng điện áp lưới phân phối trong chế độ xác lập và quá

độ, đồng thời cho thấy khả năng ứng dụng D-Statcom vào

thực tế để đảm bảo chất lượng điện áp khi vận hành và bị

tác động của nhiễu cho các phụ tải quan trọng trong các

khu công nghiệp.

2. Mô hình D-Statcom

2.1. Nguyên lý làm việc của D-Statcom

Hình 1 trình bày cấu trúc cơ bản của D-Statcom bao

gồm: một bộ biến đổi nguồn điện áp ba pha (VSC) dựa vào

chuyển mạch điện tử công suất chuyển nguồn điện áp DC

sang AC kế nối với phía thứ cấp của máy biến áp lên lưới

phân phối.

Hình 1. Cấu trúc cơ bản D-Statcom

Nguyên lý hoạt động của D-Statcom được trình bày

trên Hình 2.Việc điều chỉnh công suất phản kháng được

thực hiện bằng việc điều khiển bộ VSC. VSC sử dụng các

linh kiện điện tử công suất để điều chế thành điện áp xoay

chiều ba pha V2 từ nguồn một chiềuVdc được tích trên các

tụ điện. D-Statcom là một thiết bị bù ngang, nó điều chỉnh

điện áp tại vị trí nó lắp đặt đến giá trị mong muốn (Vref)

thông qua việc điều chỉnh biên độ và góc pha của điện áp

rơi giữa D-Statcom và hệ thống điện.

Hình 2. Nguyên lý hoạt động của D-STATCOM

Trong chế độ hoạt động ổn định điện áp thì D-Statcom

phát ra điện áp V2 cùng pha với V1 (δ = 0), do đó nó chỉ có

chức năng điều khiển công suất kháng. Bằng cách điều

khiển VSC để điện áp V2 tạo ra cùng pha với điện áp V1

của hệ thống nhưng có biên độ lớn hơn khiến dòng phản

kháng (Iq) chạy từ D-Statcom vào hệ thống điện, lúc này

dòng điện Iq hoạt động như một điện dung cung cấp công

suất phản kháng vào hệ thống điện, vì thế sẽ làm điện áp

hệ thống lên tăng lên. Ngược lại, nếu điện áp V2 tạo ra bởi

VSC có biên độ thấp hơn điện áp V1 của hệ thống khiến

dòng phản kháng (Iq) chạy từ hệ thống vào D-Statcom, lúc

này dòng điện Iq hoạt động như một điện cảm tiêu thụ công

suất phản kháng từ hệ thống, qua đó làm giảm điện áp hệ

thống điện tại chổ kết nối. Nếu điện áp V2 tạo ra bởi VSC

và điện áp hệ thống V1 bằng nhau thì không có trao đổi

công suất phản kháng.

2.2. Mô hình toán của D-Statcom

Hình 3. Sơ đồ đơn tuyến D-Statcom nối lưới

Với điện áp tạo ra từ D-Statcomtheo 2 thành phần trục

d và trục q được tính theo công thức sau [5-7]:

vqsta= Vdcstakmstacos(pcc+) (1)

vdsta= Vdcstakmstasin(pcc+) (2)

với kmsta là hệ số điều chế; sta góc pha trong điều khiển

D-Statcom; pcc là góc pha tại PCC; Vdcsta là điện áp DC

của D-Statcom; Cm là giá trị tụ điện DC của D-Statcom.

Phương trình quan hệ giữa điện áp DC và dòng điện

trong D-Statcom được tính bằng

(Cm)(��dcsta) =b[Idcsta (Vdcsta/Rm)] (3)

với dòng điện một chiều được tính bằng công thức sau

Idcsta= iqstakmcos(θpcc+) +idstakmsin(θpcc+) (4)

với iqsta và idsta là hai thành phần trục q và trục d của dòng

điện tại đầu cực ngõ ra của D-Statcom.

Sơ đồ khối điều khiển D-Statcom để điều chỉnh điện áp

được trình bày ở Hình 4. Bằng cách thay đổi góc kích sta

cho D-Statcom để điều khiển điện áp DC trên tụ điện như

Hình 4.a. Trong khi đó, thay đổi hệ số điều chế kmsta để

ista

Rm

Rsta Xsta

Vdcsta Cm

sta stakm ,α

VPCC

104 Nguyễn Hữu Vinh, Hồ Thanh Tuấn, Nguyễn Hùng, Lê Kim Hùng

điều khiển được điện áp xoay chiều vsta của D-Statcom như

Hình 4.b.

kmmax

kmmin

km

vbus

vbus_ref +

0km

+Ks

1+sTs

Hình 4. Sơ đồ khối điều khiển D-Statcom

3. Hệ thống điện nghiên cứu

B2 B3 B4

Đường dây Đường dây

0.12km 1.579km

D-STATCOM

Tải 1

Tân Bình 1

B1

B5

Đường dây

0.633km

0.35km

0.686km

Tải 4

Tải 2

Tải 3

B7

B6

B8

Đường dây

Đường dây

Đư

ờn

g d

ây

0.9

26k

m

110kV/22kV

22k

V/3

80V

22kV/380V

22kV/380V

22kV/380V

Hình 5. Sơ đồ đơn tuyến hệ thống điện phân phối 22Kv

phát tuyến KCN IV, Tân Bình, TP.HCM

Hình 5 giới thiệu sơ đồ lưới điện phân phối KCN IV

(thuộc phát tuyến KCN IV, Quận Tân Bình, TP.HCM),

nguồn điện áp từ trạm biến áp Tân Bình 1 110KV/22KV,

công suất 63MVA. Đường dây B2-B3 dài 0,12km, tại B3

có nhánh rẽ đến B5 dài 0,926km kết nối Tải 1 qua máy biến

thế 22kV/380V. Đường dây B2-B4 dài 1,579km, tại B4 kết

nối D-Statcom 22kV, ± 3MVAR. Sau B4 chia làm 3 nhánh

lần lượt là: đường dây B4-B6 dài 0,686km kết nối Tải 2

qua máy biến thế 22kV/380V, đường dây B4-B7 dài

0,633km kết nối Tải 3 qua máy biến thế 22kV/380V, đường

dây B4-B8 dài 0,35km kết nối Tải 4 qua máy biến thế

22kV/380V. Dữ liệu phụ tải được thu thập thực tế từ kho

dữ liệu đo đếm xa của Công ty Công nghệ Thông tin Điện

lực, thuộc Tổng Công ty Điện lực Thành phố Hồ Chí Minh.

Việc lắp đặt D-Statcom tại vị trí nút B4 vì đường dây phân

phối 22kV nằm ở xa trạm điện 110/22kV nhưng gần trung

tâm tải khu công nghiệp gồm các nút tải B6, B7, B8.

Hình 6. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện phân phối 22Kv

phát tuyến KCN IV, Tân Bình, TP.HCM

Hình 6 trình bày sơ đồ mô phỏng cho mạng điện phân

phối phát tuyến KCN IV, Tân Bình, TP.HCM trên môi

trường Matlab/ Simulink. Hình 7 trình bày sơ đồ mô phỏng

cho D-Statcom 22kV/± 3Mvar nối vào nút 4 (Bus 4) nhằm

ổn định biên độ điện áp tại nút này khi điện áp nguồn dao

động và phụ tải 1, 2, 3, 4 thay đổi trong ngày. D-Statcom

được xây dựng dựa vào bộ nghịch lưu nguồn áp sử dụng

IGBT kết hợp với máy biến áp để nối lên lưới phân phối

22kV. Bộ điều khiển PID được dùng để điều khiển điện áp

trong mô hình này.

Hình 7. Sơ đồ khối mô phỏng D-Statcom

4. Kết quả mô phỏng

4.1. Trường hợp điện áp nguồn dao động ±6% và công

suất các phụ tải 1, 2, 3, 4 không thay đổi

Thời gian mô phỏng là 0,5s. Tại thời điểm 0,2s điện áp

nguồn tăng 6% lên đến 1,06pu, sau đó tại thời điểm 0,3s

nguồn giảm 6% xuống 0,94pu và đến thời điểm 0,4s nguồn

trở về bình thường 1pu như trên Hình 8a (đường nét đứt).

Công suất các phụ tải như trong Bảng 1:

Bảng 1. Công suất các phụ tải 1, 2, 3, 4

Phụ tải 1 Phụ tải 2 Phụ tải 3 Phụ tải 4

P(kW) 784,35 439,24 627,48 501,99

Q(kVAr) 257,81 257,14 206,24 165,00

(a) Điện áp V tại nút 4 (b) Công suất P tại nút 4

(c) Công suất Q tại nút 4

Hình 8. Đặc tính P, Q, V tại nút 4 khi áp nguồn dao động

Hình 8 trình bày kết quả mô phỏng các đồ thị P, Q, V

trong trường hợp không có (đường nét đứt) và có (đường

nét liền) D-Statcom kết nối với nút 4 (B4). Kết quả cho thấy

khi không có D-Statcom (đường nét đứt) đồ thị điện áp bị

dao động vượt quá ±5%, vi phạm giới hạn cho phép theo

tiêu chuẩn [14] và khi có nối D-Statcom (đường nét liền) tại

nút 4 (B4) nối đến các nút tải (B6, B7, B8) thì điện áp ổn

định, bằng phẳng hơn và biên độ điện áp trở về gần với giá

trị định mức1pu như mong muốn. Tương tự các đồ thị công

suấtP, Q tại nút có nối D-Statcom (Bus 4) bằng phẳng hơn

và gần với giá trị ban đầu khi chưa có dao động điện áp

0,12km 1,579km 0,633km

0,35km

0,686km

0,9

26

km

a)

b)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 105

nguồn. Công suất P dao động trong khoảng 2,28MW đến

2,5MW, công suất kháng Q dao động trong khoảng

0,79Mvar đến 0,9Mvar. Điều này cho thấy, hiệu quả của D-

Statcom trong việc ổn định biên độ, cải thiện chất lượng

điện áp tại các nút tải khi điện áp nguồn dao động.

4.2. Trường hợp thay đổi công suất các phụ tải 1, 2, 3, 4

Giá trị công suất các phụ tải thay đổi tương ứng các thời

điểm bình thường (Biểu 1), thấp điểm (Biểu 2) và cao điểm

(Biểu 3) dựa vào dữ liệu đo đếm được trình bày trong Bảng 2.

a) Điện áp tại nút 4 (b) Công suất P tại nút 4

có nối D-Statcom

(c) Công suất Q tại nút 4

Hình 9. P, Q, V tại nút 4 (B4) khi công suất tải thay đổi

Hình 9 trình bày kết quả mô phỏng các đồ thị P, Q, V

trong trường hợp không có (đường nét đứt) và có (đường

nét liền) D-Statcom kết nối với nút 4 (B4). Khi các tải thay

đổi vào các thời điểm bình thường, thấp điểm, cao điểm

như trong Bảng 2 thì điện áp nút 4 bị giảm nhỏ hơn định

mức và dao động không bằng phẳng (đường nét đứt).

Trường hợp có D-Statcom kết nối với nút 4 (B4) thì điện

áp bằng phẳng hơn, dao động nhỏ quanh giá trị định mức

1pu như mong muốn (đường nét liền). Đồ thị công suất P,

Q khi có D-Statcom được nâng cao hơn so với khi không

có D-Statcom.

Bảng 2. Công suất các phụ tải tại các thời điểm bình thường,

thấp điểm và cao điểm

Phụ tải Công suất Biểu 1 Biểu 2 Biểu 3

Phụ tải 1 P(kW) 1.623,20 1.358,30 1.724,60

Q(kVAr) 533,51 446,47 425,14

Phụ tải 2 P(kW) 908,98 760,67 965,78

Q(kVAr) 298,77 250,02 317,44

Phụ tải 3 P(kW) 1.298,54 1.086,67 1.379,69

Q(kVAr) 426,81 357,17 453,48

Phụ tải 4 P(kW) 1.038,83 869,34 1.103,75

Q(kVAr) 341,45 285,74 362,79

Hình 10 cho thấy biên độ điện áp tại nút 2 (B2) phía

nguồn cũng được nâng cao hơn, tránh xảy ra quá tải do tụt

áp quá nhiều do tải thay đổi. Điều này cho thấy hiệu quả

của D-Statcom trong việc điều chỉnh điện áp không những

ổn định điện áp tại nút kết nối mà còn ổn định điện áp ở

những nút lân cận nữa.

Hình 10. Điện áp tại nút 2 (B2)

4.3. Trường hợp xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha thoáng

qua trên lưới phân phối tại Phụ tải 1

Sơ đồ mô phỏng khi xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha

thoáng qua trên lưới phân phối tại Phụ tải 1 được trình bày

trên Hình 11.

Hình 11. Sơ đồ mô phỏng khi xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha

thoáng qua trên lưới phân phối tại Phụ tải 1

Kết quả mô phỏng biên độ điện áp tại các nút B2 và B4

khi không có và có D-Statcom lắp đặt tại nút B4. Thời gian

mô phỏng từ 0 đến 0,8s. Thời gian xảy ra sự cố ngắn mạch

thoáng qua từ 0,4s đến 0,6s. Trên Hình 12, trường hợp

không có D-Statcom thì điện áp nguồn B2 giảm từ 0,95pu

đến 0,54pu trong thời gian xảy ra sự cố ngắn mạch, sau đó

từ 0,6s phục hồi về giá trị ban đầu 0,95pu như trước khi sự

cố. Khi có D-Statcom thì điện áp B2 giảm từ 1pu đến

0,56pu trong thời gian xảy ra sự cố ngắn mạch, sau đó phục

hồi về giá trị ban đầu 1pu như trước khi sự cố. Tương tự

trên Hình 13, trường hợp khi không có D-Statcom thì điện

áp nút B4 giảm từ 0,92pu đến 0,35pu trong thời gian xảy

ra sự cố ngắn mạch sau đó từ 0,6s phục hồi về giá trị ban

đầu 0,92pu như trước khi sự cố. Còn khi có

D-Statcom thì điện áp B4 giảm từ 1pu đến 0,56pu trong

thời gian xảy ra sự cố ngắn mạch sau đó phục hồi về giá trị

ban đầu 1pu như trước khi sự cố. Kết quả cho thấy khi có

lắp đặt D-Statcom thì biên độ điện áp tại nút B2 và B4 được

nâng cao hơn so với trường hợp không có D-Statcom khi

xảy ra sự cố ngắn mạch, đồng thời đáp ứng điện áp phục

hồi nhanh và ổn định lại bằng điện áp định mức 1pu như

trước khi sự cố, không xảy ra dao động điện áp sau sự cố,

nâng cao chất lượng điện áp cung cấp cho phụ tải. Tuy

nhiên phản ứng của STATCOM hiệu quả chưa cao trong

trường hợp này là do dự cố xảy ra ở vị trí gần về phía nguồn

hơn so với vị trí của STATCOM. Hơn nữa bộ PID thông

số cố định sẽ không hoạt động tốt trong tất cả các trường

hợp. Điều này có thể giải quyết bằng cách dùng kết hợp

PID với logic mờ, nơron hoặc điều khiển thích nghi cho

D-Statcom.

106 Nguyễn Hữu Vinh, Hồ Thanh Tuấn, Nguyễn Hùng, Lê Kim Hùng

Hình 12. Đáp ứng điện áp tại nút B2 khi xảy ra sự cố

ngắn mạch ba pha thoáng qua từ 0,4s đến 0,6s trên

lưới phân phối tại Phụ tải 1

Hình 13. Đáp ứng điện áp tại nút B4 khi xảy ra sự cố

ngắn mạch ba pha thoáng qua từ 0,4s đến 0,6s trên

lưới phân phối tại Phụ tải 1

5. Kết luận

Bài báo đã trình bày việc ứng dụng bộ D-Statcom vào

mạng lưới điện phân phối KCN IV, Tân Bình, TP.HCM để

cải thiện chất lượng điện áp của phụ tải trong chế độ xác

lập khi điện áp nguồn dao động và phụ tải thay đổi theo các

mức bình thường, thấp điểm, cao trong ngày và chế độ sự

cố ngắn mạch ba pha thoáng qua. Kết quả mô phỏng trong

chế độ xác lập cho thấy rằng khi có lắp đặt D-Statcom tại

nút phụ tải thì điện áp tại nút đó được điều chỉnh ổn định,

biên độ điện áp luôn nằm trong giới hạn cho phép ≤ ±5%,

giảm thời gian dao động, ổn định biên độ điện áp không

những tại nút lắp đặt D-Statcom mà còn cho những nút lân

cận cũng ảnh hưởng tốt từ việc lắp đặt này. Kết quả mô

phỏng quá trình quá độ khi xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha

thì khi có D-Statcom biên độ điện áp tại các nút được nâng

cao hơn so với khi không có D-Statcom và biên độ điện áp

phục hồi nhanh lại giá trị định mức 1pu như trước khi sự

cố và không xảy ra dao động. Điều này cho thấy, hiệu quả

của việc dùng bộ bù D-Statcom vào việc cải thiện chất

lượng điện áp lưới phân phối trong chế độ xác lập và quá

độ, đồng thời cho thấy khả năng ứng dụng D-Statcom vào

thực tế để đảm bảo chất lượng điện áp khi vận hành và bị

tác động của nhiễu cho các phụ tải quan trọng trong các

khu công nghiệp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Tùng Lâm, Trần Thị Hằng, Nguyễn Văn Nhật, “Sử dụng đường cong PV/QV phân tích ổn định điện áp”, Tuyển tập báo cáo

Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng,

pp120-129, 2010. [2] Nguyễn Xuân Dũng, “Đánh giá ổn định điện áp 220kV khu vực miền

trung”, Luận văn thạc sĩ Đại học Đà Nẵng, 2012.

[3] Trần Văn Vinh, “Ứng dụng thiết bị SVC để nâng cao độ ổn định điện áp trong hệ thống điện”, Luận văn thạc sĩ Đại học Sư phạm Kỹ thuật

TP.HCM, 2013.

[4] Lê Đức Hiền, Trần Phương Châu, Trần Văn Dũng, Hà Đình Nguyên “Ứng dụng thiết bị STATCOM để nâng cao độ ổn định điện áp cho

hệ thống điện Việt Nam”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Sinh viên

Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng, pp.106-112, 2010. [5] Hồ Đắc Lộc, “Thiết bị FACTS trong hệ thống điện”, Nhà xuất bản

Xây dựng, 2013.

[6] D. Shen, and P. W. Lehn, “Modeling, analysis and control of a current source inverter based STATCOM”, IEEE Trans.on Power Deliverv.

Vol.17. No.l, pp. 248-253, 2002.

[7] A. Jain, K. Joshi, A. Behal,and N. Mohan, “Voltage regulation with STATCOMs:Modeling, control and results”, IEEE Trans. Power

Delivery, vol. 21, no. 2, pp. 726-735, 2006.

[8] Nguyen Huu Vinh, Le Kim Hung, Nguyen Hung, “Comparative Stability Improvement Studied of a Multi-machine System with a

STATCOM and a SVC”, The 2015 International Symposium on

Electrical and Electromics Engineering -ISEE 2015, Vietnam, pp.24-31, October 30th 2015.

[9] Nguyễn Hồng Anh, Lê Cao Quyền, “Lựa chọn thiết bị bù công suất

phản kháng tối ưu cho lưới điện 500kV Việt Nam”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, pp.1-9, Số 3(26), 2008.

[10] Nguyen Huu Vinh, Nguyen Hung, Le Kim Hung, “Using a Statcom

to Enhance Stability of a Grid Connected Wind Power System”, The University of Da Nang, Journal of Science and Technology, pp.215-

219, Vol 11 (96), 2015.

[11] D. Manasa, M.GopiSivaPrasad, G.Jayakrishna, “Statcom Control

under Asymmetrical Grid Faults at FSIG- Wind Farm”, International

Journal of Electrical and Electronics Research,Vol. 2, Issue 2,

pp.124-132, June 2014. [12] H. Chong, A. Q. Huang, M. E. Baran, S. Bhattacharya, W.

Litzenberger, L. Anderson, A. L. Johnson, and A. A. Edris, “STATCOM impact study on the integration of a large wind farm

into a weak loop power system”, IEEE Trans. Energy Conversion,

vol. 23, no. 1, pp. 226-233, 2008. [13] K. V. Patil, J. Senthil, J. Jiang, and R. M. Mathur, “Application of

STATCOM for damping torsinal oscillations in series compensated AC

system”, IEEE Trans. Energy Conversion, vol. 13, no. 3, pp. 237-243, 1998. [14] A. Ganesh, R. Dahiya and G. K. Singh, "Development of simple

technique for STATCOM for voltage regulation and power quality

improvement”, 2016 IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES), Trivandrum,

India, pp.1-6,2016.

[15] Bô Công thương, Thông tư số 39/2015/TT-BCT “Qui định hệ thống điện phân phối”, Bộ Công thương, Hà Nội ngày 18/11/2015.

[16] Trần Đình Long”,Tra cứu về chất lượng điện năng”, Nhà xuất bản

Bách khoa Hà Nội, 2013. [17] P. M. Anderson and A. A. Fouad, “Power System Control and

Stability”, IEEE Press, 2d ed., 2003.

[18] P. Kundar, “Power System Stability and Control”. New York: McGraw-Hill, 1994.

(BBT nhận bài: 27/06/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 21/07/2017)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 107

NGHIÊN CỨU CHUYỂN HÓA SUCROSE THÀNH 5-HYDROXYMETHYL-2-

FURFURALDEHYDE BẰNG SỰ KẾT HỢP GIỮA NHIỆT VÀ XÚC TÁC HCl

CONVERSION OF SUCROSE INTO 5-HYDROXYMETHYL-2-FURFURALDEHYDE

BY COMBINATION OF HEAT AND HCl AS A CATALYST

Bùi Viết Cường1, Nguyễn Thị Hường2, Đặng Thị Thiện2, Đoàn Thị Ngọc Thúy2 1Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; buivietcuongbk@gmail.com

2Sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng;

huongnguyen.bk210@gmail.com; thithiendang@gmail.com; thuydoan9658@gmail.com

Tóm tắt - 5-Hydroxymethyl-2-Furfuraldehyde (5-HMF) có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau của công nghiệp. Nghiên cứu được tiến hành nhằm khai thác những ưu điểm vượt trội của sự kết hợp giữa nhiệt và xúc tác HCl nhằm chuyển hóa sucrose thành 5-HMF. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hóa được khảo sát: nhiệt độ, nồng độ xúc tác, thời gian, tỉ lệ cơ chất: chất xúc tác (g/ml). Các thông số tối ưu của phản ứng chuyển hóa được xác định: nhiệt độ 200ºC, nồng độ xúc tác HCl 2M, thời gian phản ứng 10 phút, tỉ lệ cơ chất : chất xúc tác 1:16 (g/ml) với hiệu suất chuyển hóa 5-HMFcao nhất là 43,34 ± 2,23 %. Kết quả nghiên cứu đã chứng minh sự kết hợp giữa nhiệt và xúc tác HCl với cơ chất sucrose có thể thay thế các phương pháp khác trong quá trình sản xuất 5-HMF.

Abstract - 5-Hydroxymethyl-2-Furfuraldehyde (5-HMF) has a variety of applications in many sectors of industry. This study is carried out to explore the advantages of the combination of heat and HCl as a catalyst to convert sucrose as a substrate into 5-HMF. The factors of the conversion reaction such as temperature, concentration of HCl, reaction time and ratio of substrate and catalyst (g/ml) are screened.The optimal factors selected for the conversion reaction are temperature of 200ºC, HCl concentration of 2M, reaction time of 10 m, sucrose ratio of 1:16 (g/ml) and HCl (g/ml) with 47,75 ± 3,87 % of the highest conversion yield of 5-HMF. The combination of heat and HCl as a catalyst with sucrose as a substrate can reach the approximate conversion yield of 5-HMF in comparison with other methods.

Từ khóa - 5-Hydroxymethyl-2-Furfuraldehyde; hiệu suất chuyển hóa 5-HMF; sucrose; xúc tác HCl; sự kết hợp giữa nhiệt và xúc tác HCl.

Key words - 5-Hydroxymethyl-2-Furfuraldehyde; conversion yield of 5-HMF; sucrose; HCl as a catalyst; combination of heat and HCl as a catalyst.

1. Đặt vấn đề

5-HMF là sản phẩm trung gian của phản ứng caramel

và phản ứng Maillard [1] . 5-HMF có rất nhiều ứng dụng

đa dạng trong các lĩnh vực khác nhau của công nghiệp. 5-

HMF là cơ chất để sản xuất polymer, nhựa tái sinh,

polyester, ... trong công nghiệp vật liệu; là chất có hoạt tính

sinh học cao được ứng dụng trong hóa nông, y dược, ...

được phối trộn với nhiên liệu lỏng trong công nghiệp năng

lượng; là cơ chất để tổng hợp dialdehyde, eter, chất béo có

khối lượng phân tử thấp và các dẫn xuất hữu cơ khác ... [2].

Hơn nữa, 5-HMF còn có tiềm năng ứng dụng trong y dược

như: điều chế thuốc điều trị các bệnh thần kinh, tim mạch

và nội tạng. Ngoài ra, 5-HMF còn có tác dụng làm giảm sự

tích tụ các chất độc trong cơ thể, đặc biệt còn có khả năng

loại bỏ các gốc tự do chống oxy hóa [3]. Trong công nghiệp

thực phẩm, hợp chất 5-HMF được sử dụng để tổng hợp các

chất phụ gia thực phẩm như: alapyridaine, acid levulinic,

acid fomic, ... [4]. Bên cạnh đó, 5-HMF là hợp chất có khả

năng ức chế sự phát triển của nấm men và vi khuẩn, vì vậy,

hợp chất này còn được sử dụng để bảo quản thực phẩm lên

men [5].

5-HMF và dẫn xuất của nó được phát hiện từ cuối thế kỉ

19 và cho đến nay đã có hơn 1000 công trình nghiên cứu về

phương pháp sản xuất 5-HMF được công bố, điều này đã

minh chứng cho tầm quan trọng của 5-HMF [6]. Phần lớn

các nghiên cứu trước sử dụng phương pháp kết hợp giữa

nhiệt: hơi nước bão hòa, hơi nước quá bão hòa, nước nhiệt

... [7] và các loại xúc tác khác nhau như: acid vô cơ, acid hữu

cơ, acid lewis, muối … [6] để chuyển hóa đường fructose

thành 5-HMF. Tuy nhiên, thiết bị dùng cho các nghiên cứu

đã tiến hành đắt tiền, làm việc ở áp suất cao, chi phí bảo trì

bảo dưỡng lớn nên là gánh nặng về kinh tế cho quá trình sản

xuất với qui mô công nghiệp. Hơn nữa, các acid vô cơ và

muối vô cơ được sử dụng làm chất xúc tác ở các nghiên cứu

trước bắt buộc phải loại bỏ hoàn toàn trước khi đưa vào sử

dụng trong y học, sinh học và thực phẩm. Đối với các nghiên

cứu sử dụng xúc tác acid hữu cơ thì cường lực xúc tác của

acid hữu cơ thấp hơn acid vô cơ và dễ dàng bị phân hủy bởi

nhiệt độ cao, điều này ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng

chuyển hóa fructose thành 5-HMF.

Nguồn nhiệt trong nghiên cứu này có giá thành thấp,

vận hành đơn giản, chi phí bảo trì bảo dưỡng thấp và chưa

được khai thác triệt để chuyển hóa đường thành 5-HMF.

Ngoài ra, nguồn và giá thành của sucrose phong phú và

thấp hơn so với fructose. Hơn thế nữa, HCl được sử dụng

như một loại phụ gia thực phẩm vì tính an toàn đối với đối

tượng sử dụng [8]. Nên HCl sẽ là một xúc tác thích hợp cho

quá trình sản xuất 5-HMF, nhằm nâng cao khả năng sử

dụng của sản phẩm thô thu được sau phản ứng khi HCl

được loại bỏ bằng phương pháp trung hòa với NaOH hoặc

pha loãng đến nồng độ qui định như là một phụ gia thực

phẩm (0,05 M) [8].

Nghiên cứu này được tiến hành nhằm mục đích khai

thác những ưu điểm vượt trội của sự kết hợp giữa nhiệt và

xúc tác HCl nhằm chuyển hóa sucrose thành 5-HMF.

2. Nguyên liệu, hóa chất và phương pháp nghiên cứu

2.1. Nguyên liệu, hóa chất

Sucrose, phenol, acid sulfuric (95 - 98%),

dihydroxyacetone (DHA) (Merck-Đức); fructose (Himedia-

Ấn Độ); glucose, acid clohydric (36 - 38%), natri

hydroxit (96%), kali natri tartrate (Trung Quốc);

108 Bùi Viết Cường, Nguyễn Thị Hường, Đặng Thị Thiện, Đoàn Thị Ngọc Thúy

acid dinitrosalicylic, 5-Hydroxymethyl-2-Furfuraldehyde

(5-HMF), nước khử ion, methanol (Sigma-Aldrich, USA).

2.2. Phương pháp nghiên cứu

Tất cả các phản ứng chuyển hóa được tiến hành trong

bình phản ứng kín bằng sứ (50 ml) chịu nhiệt và áp suất

cao với tủ sấy (101-2, Ketong, Trung Quốc). Các sản phẩm

thô thu được sau phản ứng chuyển hóa được bảo quản ở

4°C để tiến hành các phân tích tiếp theo.

2.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến phản

ứng chuyển hóa sucrose thành 5-HMF

Sucrose với khối lượng 1g được hòa tan trong 10 ml

HCl 0,05M bằng máy khuấy từ. Hỗn hợp được thực hiện

phản ứng ở các nhiệt độ 100°C đến 220ºC, chênh lệch nhiệt

độ giữa các phản ứng là 20ºC. Mẫu trắng gồm sucrose (1g)

và 10 ml nước khử ion được tiến hành song song với các

điều kiện như mẫu có xúc tác.

2.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ xúc tác đến phản

ứng chuyển hóa sucrose thành 5-HMF

Sucrose với khối lượng 1g được hòa tan trong 10 ml

HCl ở các nồng độ khác nhau bằng máy khuấy từ. Hỗn hợp

được thực hiện phản ứng ở nhiệt độ tối ưu với các nồng độ

HCl(M): 0,05; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0;

2,2; 2,4; 2,6; 2,8; 3,0.

2.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến

phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-HMF

Sucrose với khối lượng 1g được hòa tan trong 10 ml

HCl 2M bằng máy khuấy từ. Hỗn hợp được thực hiện phản

ứng ở nhiệt độ và nồng độ xúc tác tối ưu với các thời gian

phản ứng (phút): 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35. Mẫu trắng gồm

1g sucrose và 10ml nước khử ion được tiến hành song song

với các điều kiện như mẫu có xúc tác.

2.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ cơ chất và chất xúc tác

đến phản ứngchuyển hóa sucrose thành 5-HMF

Hỗn hợp gồm sucrose và HCl được thực hiện phản ứng

ở nhiệt độ, nồng độ HCl và thời gian tối ưu đã được lựa

chọn với các tỉ lệ (cơ chất: chất xúc tác, g/ml): 1:2, 1:4, 1:6,

1:8, 1:10, 1:12, 1:14, 1:16, 1:18.

2.3. Phương pháp phân tích

2.3.1. Xác định hàm lượng carbohydrate tổng (TC)

Hàm lượng TC được xác định bằng phương pháp

phenol - sulfuric acid [9]. Hàm lượng TC được tính toán

bằng % (g TC/100g sucrose).

2.3.2. Xác định hàm lượng đường khử (RS)

Hàm lượng RS được xác định bằng phương pháp

dinitrosalicylic acid [10]. Hàm lượng RS được tính bằng %

(g RS/100g đường sucrose).

2.3.3. Độ hấp thụ UV của sản phẩm thô thu được sau phản

ứng chuyển hóa

Độ hấp thụ UV của sản phẩm thô thu được sau phản

ứng chuyển hóa được xác định tại bước sóng 284nm [11].

2.3.4. Xác định hiệu suất chuyển hóa sucrose thành 5-HMF

Hiệu suất chuyển hóa 5-HMF được xác định bằng

phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC). Sản phẩm

thô sau phản ứng được trung hòa bằng NaOH và lọc qua

màng lọc có đường kính lỗ màng 0,2µm. 20µL mẫu được

tiêm vào HPLC. Hỗn hợp nước khử ion và methanol

(90:10, v/v) được lọc qua màng lọc có đường kính lỗ màng

0,2 µm được sử dụng làm pha động với tốc độ dòng1

ml/phút. Cột C18 (Dionex, 5 µm, 120 Å, 4,6 x 50 mm), đầu

dò UV trên HPLC (Dionex Ultimate 3000, Thermo

Scientific, Mỹ) được sử dụng để phân tách và xác định độ

hấp thụ của 5-HMF tại bước sóng 284 nm. Hiệu suất

chuyển hóa sucrose thành5-HMF được tính bằng % (g 5-

HMF/100g sucrose).

2.3.5. Phương pháp phân tích số liệu

Phần mềm Minitab 16 được sử dụng để phân tích sự

khác biệt có ý nghĩa của kết quả thí nghiệm.

3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng chuyển hóa

sucrose thành 5-HMF

Nhìn chung, nhiệt độ trong khoảng khảo sát không có

ảnh hưởng lớn đến phản ứng chuyển hóa sucrose thành

5-HMF khi không có xúc tác và có xúc tác. TC của phản

ứng có xúc tác và mẫu trắng thay đổi không lớn. RS có sự

thay đổi đáng kể đối với mẫu có xúc tác nhưng ngược lại

đối với mẫu trắng RS đều bằng 0. pH của mẫu trắng và mẫu

có xúc tác hầu như không thay đổi. Hiệu suất chuyển hóa

5-HMF và độ hấp thụ của sản phẩm thô (phản ánh mức độ

hình thành các sản phẩm trung gian của phản ứng caramel

[11]) không có sự khác nhau nhiều giữa các nhiệt độ đã lựa

chọn để khảo sát đối với mẫu có xúc tác và không thay đổi

đối với mẫu trắng.

Hình 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất chuyển hóa

sucrose thành 5-HMF

TC của mẫu xúc tác và mẫu trắng đều không có sự

chênh lệch đáng kể giữa các nhiệt độ. Với mẫu có xúc tác,

khi nhiệt độ tăng thì RS tăng dần, cụ thể từ 100 - 140ºC RS

tăng mạnh, trong khoảng nhiệt độ từ 140 - 220ºC RS tăng

không đáng kể và hàm lượng RS đạt cực đại với giá trị

0

2

4

6

0

20

40

60

80

100

100 120 140 160 180 200 220

pH

Ph

ần

tră

m (

%)

Nhiệt độ (°C ) Tổng carbohydrate (mẫu có xúc tác)

Tổng carbohydrate (mẫu trắng)

Đường khử (mẫu có xúc tác)

Đường khử (mẫu trắng)

pH (mẫu có xúc tác)

pH (mẫu trắng)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

100 120 140 160 180 200 220

AB

S

Hiệ

u s

uất

ch

uyển

hóa

(%)

Nhiệt độ (ºC)Hiệu suất chuyển hóa 5-HMF (mẫu có xúc tác)

Hiệu suất chuyển hóa 5-HMF (mẫu trắng)

Độ hấp thụ (mẫu trắng)

Độ hấp thụ (mẫu có xúc tác)

A)

B)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 109

90,14 ± 2,67% tại 220ºC.Với mẫu trắng thì hàm lượng RS

bằng 0 vì sự thủy phân sucrose thành đường khử (glucose

và fructose) không xảy ra. Khi nhiệt độ tăng dần cùng với

ảnh hưởng của xúc tác HCl 0,05 M, sucrose bị phân hủy

thành glucose, fructose và các hợp chất chứa nhóm chức

aldehyde (-CHO) vì vậy lượng RS tăng dần. Trong khi đó,

RS của mẫu trắng có giá trị 0 vì phản ứng thủy phân sucrose

thành glucose và fructose, hoặc chuyển hóa đường khử

thành các hợp chất có nhóm chức aldehyde (-CHO) chưa

xảy ra. pH của mẫu có xúc tác và mẫu trắng thay đổi không

đáng kể vì phản ứng phân hủy 5-HMF thành acid hữu cơ:

acid levulinic, acid formic [2]... diễn ra chậm. Khi nhiệt độ

tăng dần, hiệu suất chuyển hóa 5-HMF và độ hấp thụ của

mẫu có xúc tác tăng dần. Trong khoảng nhiệt độ 100-140ºC

hiệu suất chuyển hóa 5-HMF tăng không đáng kể, 140-

200ºC hiệu suất chuyển hóa 5-HMF tăng mạnh và từ 200-

220ºC 5-HMF tăng nhẹ. Hàm lượng 5-HMF đạt giá trị cực

đại cực đại là 0,30 ± 0,06% và độ hấp thụ cực đại là 0,96 ±

0,07 tại 220ºC. Phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-HMF

và các hợp chất trung gian không xảy ra khi không có xúc

tác trong khoảng nhiệt độ khảo sát nên hàm lượng 5-HMF

và độ hấp thụ của sản phẩm thô đều bằng 0. Bên cạnh đó,

kết quả nghiên cứu cũng cho thấy phản ứng chuyển hóa

bằng phương pháp nhiệt khi có mặt xúc tác HCl xảy ra tốt

hơn so với phản ứng chuyển hóa không có xúc tác.

Phân tích sự khác biệt có ý nghĩa được tiến hành và kết

quả phân tích cho thấy ở các nhiệt độ 200ºC và 220°C có sự

chênh lệch hiệu suất chuyển hóa 5-HMF không đáng kể và có

sự khác biệt hoàn toàn đối với các nhóm nhiệt độ phản ứng

khác. Do đó, nhiệt độ 200°C được lựa chọn làm nhiệt độ phản

ứng chuyển hóa tối ưu cho các nghiên cứu tiếp theo.

3.2. Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác đến phản ứng

chuyển hóa sucrose thành 5-HMF

Nồng độ xúc tác có ảnh hưởng rất lớn đến phản ứng

chuyển hóa sucrose thành 5-HMF. TC, RS của phản ứng

có sự thay đổi lớn giữa các nồng độ xúc tác HCl được lựa

chọn để khảo sát. Bên cạnh đó, hiệu suất chuyển hóa 5-

HMF và độ hấp thụ của sản phẩm thô cũng có sự khác biệt

lớn giữa các nồng độ xúc tác HCl.

TC và RS không thay đổi đáng kể từ 0,05 M - 2,6 M và từ

2,6 M - 3,0 M giảm mạnh vì nồng độ HCl cao làm cho đường

khử (hợp chất có chứa nhóm aldehyde, -CHO) hoặc 5-HMF

(hợp chất có chứa nhóm aldehyde, -CHO) bị phân hủy thành:

acid levulinic, acid formic,... [2], hình thành polymer không

tan hoặc sản phẩm cuối của phản ứng caramel dẫn đến TC và

RS giảm đáng kể. Hơn thế nữa, phản ứng caramel xảy ra mãnh

liệt đã hình thành nên các hợp chất bay hơi hoặc polymer

không tan [2] được tạo thành với cơ chất 5-HMF đã làm cho

TC, RS giảm đáng kể. Tương ứng với sự thay đổi của TC và

RS thì hiệu suất chuyển hóa 5-HMF tăng nhanh và đạt cực đại

với giá trị 41,82 ± 2,63% tại nồng độ HCl 2,0 M. Tương tự,

độ hấp thụ của sản phẩm thô có xu hướng tăng nhanh từ 0,05

M đến 2,2 M và sau đó giảm dần vì khi tăng nồng độ xúc tác

các hợp chất màu của phản ứng caramel bị phân hủy [11].

Hiệu suất chuyển hóa 5-HMF tăng mạnh khi tăng nồng độ xúc

tác HCl đã cho thấy xúc tác HCl đóng vai trò quan trọng trong

phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-HMF bằng phương

pháp nhiệt.

Sự khác biệt có ý nghĩa của kết quả thí nghiệm được

phân tích cho thấy ở nồng độ 2 M có sự khác biệt hoàn toàn

đối với các nhóm nồng độ xúc tác khác. Do đó, nồng độ 2

M được lựa chọn làm nồng độ xúc tác tối ưu cho các nghiên

cứu tiếp theo.

Hình 2. Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác HCl đến

hiệu suất chuyển hóa sucrose thành 5-HMF

Hình 3. Sắc kí đồ của sản phẩm thô thu được sau phản ứng

chuyển hóa (điều kiện phản ứng: 200ºC, HCl 2 M, 10 phút,

tỉ lệ cơ chất và chất xúc tác 1:10, g/ml).

3.3. Ảnh hưởng của thời gian đến phản ứng chuyển hóa

sucrose thành 5-HMF

Thời gian có ảnh hưởng lớn đến phản ứng chuyển hóa

sucrose thành 5-HMF khi nồng độ xúc tác HCl 2 M và nhiệt

độ phản ứng 200ºC và không có ảnh hưởng đối với mẫu

trắng. TC, RS của phản ứng chuyển hóa có xúc tác và mẫu

trắng thay đổi không đáng kể. Giá trị pH của mẫu trắng và

50

60

70

80

90

100

Ph

ần

trăm

(%

)

Nồng độ HCl (M)

Tổng carbohydrate Đường khử

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

0

20

40

60

AB

S

Hiệ

u s

uấ

t ch

uy

ển

hóa

(%

)

Nồng độ HCl (M)

Hiệu suất chuyển hóa sucrose thành 5-HMF Độ hấp thụ

5-HMF

DHA

A)

B)

110 Bùi Viết Cường, Nguyễn Thị Hường, Đặng Thị Thiện, Đoàn Thị Ngọc Thúy

mẫu có xúc tác hầu như không đổi. Hiệu suất chuyển hóa

5-HMF, độ hấp thụ có sự khác biệt đáng kể giữa các

khoảng thời gian phản ứng đối với mẫu có xúc tác và không

thay đổi đối với mẫu trắng.

Hình 4. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất chuyển hóa

sucrose thành 5-HMF

TC, RS của mẫu có xúc tác tăng từ 5 phút đến 10 phút

và sau đó giảm mạnh từ 10 phút đến 35 phút. Thời gian

phản ứng tăng thì hàm lượng TC, RS tăng do sucrose đã

phân hủy thành glucose, fructose, các sản phẩm trung gian

chứa nhóm chức aldehyde (-CHO). Tuy nhiên, khi kéo dài

thời gian phản ứng thì các sản phẩm trung gian sẽ bị phân

hủy thành các sản phẩm cuối cùng của phản ứng caramel

hoặc các sản phẩm phụ làm cho TC, RS giảm. Đối với mẫu

trắng, TC thay đổi không đáng kể và RS tại các điểm khảo

sát đều bằng 0 vì khả năng thủy phân sucrose thành fructose

và glucose không xảy ra khi không có xúc tác HCl. pH thay

đổi không đáng kể tại các mức thời gian phản ứng được

khảo sát. Đối với mẫu có xúc tác, hiệu suất chuyển hóa 5-

HMF tăng nhanh trong khoảng thời gian từ 5 đến 10 phút

và đạt cực đại với giá trị 41,82 ± 2,63%, sau đó giảm mạnh

trong khoảng thời gian từ 10 đến 35 phút. Độ hấp thụ của

sản phẩm thô đạt cực đại 1,45 ± 0,03 tại 15 phút. Khi tăng

thời gian phản ứng đã tạo điều kiện cho phản ứng chuyển

hóa sucrose thành 5-HMF xảy ra triệt để hơn, tuy nhiên khi

thời gian quá dài đã làm cho 5-HMF bị phân hủy đến sản

phẩm cuối cùng của phản ứng caramel hoặc phân hủy thành

acid levulinic, acid formic, ... làm cho hiệu suất chuyển hóa

5-HMF giảm. Đối với mẫu trắng thì hàm lượng 5-HMF

cũng như độ hấp thụ đều bằng 0. Do đó, HCl đã chứng

minh khả năng xúc tác vượt trội trong phản ứng chuyển hóa

sucrose thành 5-HMF bằng phương pháp nhiệt khi so sánh

với mẫu không có xúc tác trong khoảng thời gian phản ứng

được lựa chọn để khảo sát.

Phân tích sự khác biệt có ý nghĩa được tiến hành và kết

quả phân tích cho thấy ở thời gian phản ứng 10 phút có sự

khác biệt hoàn toàn đối với các khoảng thời gian phản ứng

còn lại. Do đó, thời gian 10 phút được lựa chọn làm thời

gian tối ưu cho các nghiên cứu tiếp theo.

3.4. Ảnh hưởng của tỉ lệ giữa cơ chất và chất xúc tác đến

phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-HMF

Nhìn chung, tỉ lệ giữa cơ chất và chất xúc tác có ảnh

hưởng lớn đến phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-HMF

ở nhiệt độ, nồng độ và thời gian tối ưu. TC, RS của phản

ứng có sự thay đổi không đáng kể. Giá trị pH hầu như

không đổi. Hiệu suất chuyển hóa 5-HMF và độ hấp thụ của

sản phẩm thô có sự khác biệt lớn giữa các tỉ lệ cơ chất: xúc

tác đã được lựa chọn để khảo sát.

Hình 5. Ảnh hưởng của tỉ lệ giữa cơ chất và chất xúc tác

đến hiệu suất chuyển hóa sucrose thành 5-HMF

TC, RS có xu hướng giảm dần, TC giảm từ 90,82 ±

2,62% đến 62,68 ± 3,42% và RS giảm từ 84,57 ± 2,86% đến

50,76 ± 0,87%, vì khi nồng độ sucrose quá cao thì sucrose

dễ bị phân hủy thành hợp chất màu và hợp chất bay hơi,

chính lượng hợp chất bay hơi là nguyên nhân dẫn đến TC và

RS giảm. Bên cạnh đó, 5-HMF hình thành cũng tham gia

vào phản ứng polymer hóa hình thành các polymer không

tan, cũng là nguyên nhân làm cho RS và TC giảm [2].

Độ hấp thụ tăng dần từ tỉ lệ 1:18 đến 1:2 bởi vì nồng độ

sucrose càng cao, phản ứng caramel càng dễ xảy ra dẫn đến

nồng độ của các sản phẩm trung gian lớn [12]. Hiệu suất

chuyển hóa 5-HMF tăng nhanh từ tỉ lệ 1:18 đến 1:16 và đạt

cực đại với giá trị 43,34 ± 2,23 %, từ tỉ lệ 1:16 đến 1:2 giảm

dần. Khi tăng nồng độ dung dịch sucrose đến giá trị thích

hợp sẽ tạo điều kiện tối ưu cho phản ứng chuyển hóa, tuy

nhiên khi nồng độ dung dịch sucrose quá cao sẽ làm cho

phản ứng caramel xảy ra mãnh liệt, các sản phẩm trung gian

chuyển hóa thành sản phẩm cuối cùng [12], hơn thế nữa, 5-

0

2

4

6

8

0

20

40

60

80

100

5 10 15 20 25 30 35

pH

Ph

ần

trăm

(%

)

Thời gian (phút)Tổng carbohydrate (mẫu có xúc tác)

Tổng carbohydrate (mẫu trắng)

Đường khử (mẫu có xúc tác)

Đường khử (mẫu trắng)

pH (mẫu có xúc tác)

pH(mẫu trắng)

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

0

20

40

60

5 10 15 20 25 30 35

AB

S

Hiệ

u s

uấ

t ch

uy

ển

hóa

(%

)

Thời gian (phút)

Hiệu suất chuyển hóa 5-HMF (mẫu có xúc tác)

Hiệu suất chuyển hóa 5-HMF (mẫu trắng)

Độ hấp thụ (mẫu có xúc tác)

Độ hấp thụ (mẫu trắng)

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

20

40

60

80

100

1:18 1:16 1:14 1:12 1:10 1:08 1:06 1:04 1:02

pH

Ph

ần

tră

m (

%)

Tỉ lệ ( cơ chất : chất xúc tác, g/ml)

Tổng carbohydrate Đường khử pH

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

0

20

40

60

1:18 1:16 1:14 1:12 1:10 1:08 1:06 1:04 1:02

AB

S

Hiệ

u s

uấ

t ch

uy

ển

hóa

(%

)

Tỉ lệ (cơ chất : chất xúc tác, g/ml)

Hiệu suất chuyển hóa5-HMF (mẫu có xúc tác)

Độ hấp thụ (mẫu có xúc tác)

A)

B)

A)

B)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 111

HMF bị phân hủy thành acid hữu cơ: levulinic, acid formic,

... hoặc tổng hợp thành các polymer không tan nhằm tạo thế

cân bằng động cho phản ứng caramel [2] dẫn dến hiệu suất

chuyển hóa 5-HMF giảm.

Phân tích sự khác biệt có ý nghĩa được tiến hành và kết

quả phân tích cho thấy tỉ lệ giữa cơ chất: xúc tác là 1:16 có

sự khác biệt hoàn toàn đối với các tỉ lệ giữa cơ chất: xúc tác

còn lại. Do đó, tỉ lệ 1:16 được lựa chọn làm tỉ lệ tối ưu.

4. Kết luận

Kết quả nghiên cứu 4 yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng

chuyển hóa sucrose thành 5-HMF bằng sự kết hợp giữa nhiệt

và xúc tác HCl cho thấy: nhiệt độ phản ứng ảnh hưởng không

đáng kể trong khoảng khảo sát, các yếu tố quyết định đến

phản ứng chuyển hóa là nồng độ xúc tác, thời gian phản ứng,

tỉ lệ cơ chất và chất xúc tác. Trong đó, nồng độ xúc tác là yếu

tố quyết định đến phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-

HMF. Ngoài ra, nghiên cứu đã lựa chọn được điều kiện tối

ưu để chuyển hóa sucrose thành 5-HMF bằng sự kết hợp giữa

nhiệt và xúc tác HCl là nhiệt độ 200ºC, nồng độ

HCl 2 M, thời gian phản ứng 10 phút, tỉ lệ giữa cơ chất và

chất xúc tác là 1:16 (g/ml). Phản ứng chuyển hóa được thực

hiện tại điều kiện tối ưu cho hiệu suất chuyển hóa sucrose

thành 5-HMF cao nhất 43,34 ± 2,23%.

Hiệu suất chuyển hóa sucrose thành 5-HMF (43,34 ±

2,23%) trong nghiên cứu này lớn hơn so với sự kết hợp

giữa nhiệt từ bức xạ vi sóng và xúc tác TiO2 với cơ chất

fructose (hiệu suất chuyển hóa 36%) [13], sự kết hợp giữa

nước, nhiệt và xúc tác TiO2 với cơ chất fructose (hiệu suất

chuyển hóa 5-HMF 20%) hoặc xúc tác ZrO2 với cơ chất

fructose (hiệu suất chuyển hóa 5-HMF 15%) [14] có thể

chứng minh sucrose là một nguyên liệu tiềm năng để sản

xuất 5-HMF và nguồn nhiệt và xúc tác HCl trong nghiên

cứu này có thể thay thế các nguồn nhiệt và xúc tác khác để

sản xuất 5-HMF với qui mô lớn.

Nghiên cứu này đã mở ra hướng mới trong nghiên cứu

chuyển hóa đường thành 5-HMF và đã chỉ ra những ưu điểm

của sự kết hợp giữa nhiệt và xúc tác HCl. Hơn thế nữa,

nghiên cứu đã tạo nền tảng cơ bản về sự kết hợp giữa nhiệt

độ và xúc tác cho các nghiên cứu tiếp theo tại Việt Nam nói

riêng và trên thế giới nói chung. Bên cạnh đó, mô hình

nghiên cứu này dễ dàng áp dụng cho các nguồn liệu khác

nhau như: rơm rạ, bã mía, vụn gỗ, … là phế phẩm và phụ

phẩm của nông nghiệp, lâm nghiệp, ... nhằm nâng cao hiệu

quả kinh tế và giải quyết vấn đề môi trường.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Simpson, B.K., et al., Food biochemistry and food processing, ed.

2nd. 2006, Iowa (USA): A John Wiley and Sons Ltd. Publications.

[2] F. N. D. C. Gomes, L.R.P., N. F. P. Ribeiro and M. M. V. M. Souza,,

Production of 5-hydroxymethylfurfural (hmf) via fructose dehydration: Effect of solvent and salting-out 2013.

[3] Li Yong-xin, et al., In Vitro Antioxidant Activity of 5-HMF Isolated

from Marine Red Alga Laurencia undulata in Free Radical Mediated

Oxidative Systems. 2009.

[4] van Putten, R.-J., Experimental and modelling studies on the

synthesis of 5-hydroxymethylfurfural from sugars. 2015.

[5] Zaldivar J., M.A., Ingram L.O,, Effect of selected aldehydes on the

growth and fermentation of ethanologenic Escherichiacoli. 1999.

[6] Jarosław Lewkowski, Synthesis, chemistry and applications of

5-hydroxymethylfurfural and its derivatives. 2001.

[7] Pornlada Daorattanachai, S.N., et al., 5-Hydroxymethylfurfural

production from sugars and cellulose in acid- and base-catalyzed conditions under hot compressed water. 2012.

[8] F.A.O. and W.H.O., C.A.-G.S.f.F.A., Food and Agriculture

Organization of the United Nations and World Heald Organization,

Viale delle Terme di Caracalla, 00153 Rome, Italy, 2015.

[9] Dubois, et al., Colorimetric method for determination of sugars and

related substances, analytical chemistry. 1956.

[10] Chaplin, M.F.a.K., J.F.,, Carbohydrate analysis - a practical

approach. 1994.

[11] Haghparast, S., Shabanpour, B., Kashiri, H., Alipour, G. and Sudagar, M.,,

A comparative study on antioxidative properties of carameled reducing

sugars; inhibitory effect on lipid oxidative and sensory improvement of glucose carameled products in shrimp flesh. 2012.

[12] Simpson, B.K., et al., Food biochemistry and food processing, ed.

2nd. 2006, Iowa (USA): A John Wiley and Sons Ltd. Publications.

[13] Rodrigo Lopes de Souza, et al., 5-Hydroxymethylfurfural (5-HMF)

Production from Hexoses: Limits of Heterogeneous Catalysis in

Hydrothermal Conditions and Potential of Concentrated Aqueous

Organic Acids as Reactive Solvent System. 2012.

[14] Tianfu Wang, Catalytic conversion of glucose to

5-hydroxymethylfurfural as a potential biorenewable platform chemical. 2014.

(BBT nhận bài: 19/04/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 21/07/2017)

112 Trần Xuân Hồi

NGHIÊN CỨU THU NHẬN VỊ TRÍ - THỜI GIAN ĐỂ

ĐỊNH LƯỢNG PHƠI CHIẾU CÁ NHÂN ĐỐI VỚI KHÔNG KHÍ TRONG NHÀ

RESEARCH ON RECORDING THE TIME-LOCATION PATTERNS

FOR ESTIMATING THE PERSONAL EXPOSURE TO INDOOR AIR

Trần Xuân Hồi

Trường Đại học Phú Yên; tranxuanhoi@pyu.edu.vn

Tóm tắt - Nghiên cứu này hướng đến việc thu nhận lịch sử vị trí theo thời gian cho một nhóm nhân viên bức xạ. Sau đó, lượng phơi chiếu cá nhân đối với I-131 trong không khí được định lượng và đánh giá. Nhóm đối tượng gồm 9 người tham gia sản xuất I-131 tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt. Thời gian thực hiện thu nhận dữ liệu là 12 tháng. Một số kết luận rút ra từ nghiên cứu này đã góp phần trong việc hạn chế liều cho các cá nhân. Hơn nữa, phương pháp này có thể thực hiện tại các khu vực trong nhà ở hoặc nơi làm việc để thu thập dữ liệu về vị trí - thời gian trong đánh giá phơi không khí ô nhiễm. Tuy nhiên, với số lượng đối tượng nhiều thì phương pháp sẽ tốn thời gian lớn để phân tích số liệu.

Abstract - The aim of this research is to focus on recording the time-location patterns spent by a radiation worker group in 12 months. Then the exposure to I-131 of indoor air is estimated and assesssed individually. The object consists of 9 workers involved in a I-131 production line at Dalat Nuclear Research Institute. Some important conclusions from this paper have helped to constrain internal dose for the individuals. Moreover, the technique used in this research may be applied in the indoor areas for collecting time-location patterns to support data for the assessment of pollutant air exposure. However, this method will take long time to collect data in case of large objects or population-dose research.

Từ khóa - không khí trong nhà; I-131; liều chiếu trong; phơi chiếu cá nhân; vị trí-thời gian.

Key words - Indoor air; I-131; internal dose; personal exposure; time-location.

1. Giới thiệu

Các nhân viên bức xạ (NVBX) thao tác trực tiếp trên

các sản phẩm phóng xạ dễ bay hơi sẽ có nguy cơ về phơi

nhiễm trong vì họ hít phải không khí có chứa nhân phóng

xạ [2, 3, 5, 8, 14]. Một nghiên cứu đã công bố về định liều

chiếu trong (LCT) đối với I-131 cho kết quả rằng, LCT

hiệu dụng hàng năm của một số nhân viên là trên 1 mSv,

trong đó một nhân viên có LCT đạt 7,66 mSv và phải được

theo dõi cá nhân [2]. Theo Cơ quan Năng lượng Nguyên tử

Quốc tế (IAEA), một trong số các tình huống cần phải được

đánh giá lượng phơi nhiễm là các đối tượng thao tác trên

một lượng lớn đồng vị phóng xạ dùng trong y học, chẳng

hạn như I-131 [5]. Một trong số các phép định liều gián

tiếp thường dùng trong việc định LCT do nhân phóng xạ

thâm nhập qua đường hô hấp là dựa trên phép phân tích các

mẫu không khí được lấy nơi làm việc kết hợp với thống kê

vị trí - thời gian chiếm giữ mà người đó đã trải qua [5].

Để xây dựng mô hình đánh giá phơi nhiễm, nguyên lý

cơ bản đó là khớp các vị trí mà các đối tượng đã phơi chiếu

với nồng độ trung bình theo thời gian hoặc nồng độ liên tục

của khí ô nhiễm nơi mà họ đã từng ở đó [7, 10]. Việc thu

nhận vị trí theo thời gian mà con người đã trải qua, hay còn

gọi là lịch sử về vị trí - thời gian, gần đây các nhà nghiên

cứu đã sử dụng kết hợp một số phép bao gồm sử dụng hệ

thống câu hỏi phỏng vấn đối tượng, yêu cầu đối tượng ghi

chép nhật kí hoặc sử dụng các tình nguyện viên để đeo thiết

bị định vị toàn cầu (GPS) [3, 11, 15, 17].

Mô hình viết nhật kí thường được sử dụng như một

công cụ hữu ích để xây dựng hồ sơ kết cấu hoạt động - thời

gian của các đối tượng, tức nó cho biết họ đã làm gì và ở

đâu tương ứng vào lúc nào. Tuy nhiên, trong phương pháp

này có một yếu tố hạn chế là thông tin thu được là rất ít

trong trường hợp môi trường làm việc là trong nhà. Vì thế,

mô hình này sẽ cho độ tin cậy không cao trong các bước

xử lí số liệu sau đó. Sự phức tạp và độ chính xác của mô

hình đánh giá phơi nhiễm trong nhà bị hạn chế bởi độ chính

xác của các nội dung trong nhật kí [4].

Sử dụng phương pháp GPS có khả năng đưa đến sự

không chính xác về xác định vị trí một cách không mong

muốn. Hoạt động - thời gian xây dựng trên cơ sở GPS đã

được nghiên cứu kỹ lưỡng, kết quả về độ chính xác trung

bình là 7m trong trường hợp môi trường đô thị bình thường

[9]. Độ chính xác 7m có thể không phù hợp cho việc đánh

giá phơi nhiễm cá nhân trong nhà với kích thước các phòng

không quá lớn. Hơn nữa, sự phụ thuộc của độ chính xác

GPS vào nhiều yếu tố như vị trí bất lợi của vệ tinh, hoặc sự

nhiễu động của tầng điện li là những chướng ngại cần phải

giải quyết. Một nguyên nhân khác gây ra sai số là sự tắc

nghẽn tín hiệu từ vệ tinh. Do đó, sai số của GPS mang lại

sẽ đặt một đối tượng vào một vị trí sai trên mặt đất [1].

Tất cả các mô hình kể trên đều không đưa ra được vị trí

tọa độ một cách đủ chính xác của các cá nhân. Các nhà

nghiên cứu sử dụng các phương pháp này phải giảm thiểu

sự bất tiện đến công việc chung cũng như độ chính xác kém

của dữ liệu vì môi trường - thời gian trong trường hợp quan

trắc môi trường trong nhà. Để tránh khỏi các mặt hạn chế

này, một số tác giả đã đề nghị là sử dụng điện thoại thông

minh với sự hỗ trợ của các phần mềm ứng dụng trong việc

đánh dấu vị trí môi trường. Máy chụp ảnh, quay phim tích

hợp trên điện thoại có thể sử dụng để quan trắc một số vị

trí cố định và có thể cho ra một cơ sở dữ liệu chi tiết [4,

16]. Bên cạnh đó, máy lấy mẫu khí cố định có thể được sử

dụng để xác định nồng độ chất phóng xạ trong không khí,

nồng độ này có thể được kết hợp với các giả định về đặc

tính lí hóa của chất phóng xạ, tốc độ hít thở và thời gian

phơi chiếu của nhân viên để định lượng phơi chiếu [5].

Như vậy, trong điều kiện môi trường trong nhà và số

lượng đối tượng không nhiều thì việc sử dụng máy quay

phim của điện thoại để thu nhận vị trí - thời gian phơi chiếu

là một cách tiện lợi. Bằng cách sử dụng điện thoại có

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 113

camera, nghiên cứu này hướng đến việc thu nhận lịch sử vị

trí theo thời gian thật mà một nhóm NVBX đã trải qua. Sau

đó, lượng phơi chiếu cá nhân đối với I-131 được định lượng

và đánh giá. Nhóm đối tượng gồm 9 NVBX tham gia sản

xuất I-131 tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân (NCHN) Đà Lạt.

Thời gian thực hiện thu nhận dữ liệu là 12 tháng. Một số

kết luận rút ra từ nghiên cứu này đã góp phần trong việc

hạn chế liều cho các NVBX.

2. Thiết bị và phương pháp

2.1. Ứng dụng cảm biến chuyển động Motion Recorder

Để thu được dữ liệu về các vị trí chiếm cứ theo thời gian

thực được trải qua bởi các đối tượng, nghiên cứu này dùng

một ứng dụng cảm biến chuyển động có tên là Motion

Recorder [12]. Ứng dụng này chạy trên hệ điều hành

Symbian của điện thoại với kích thước sau cài đặt là 76 kB.

Ứng dụng Motion Recorder sau khi cài đặt trên điện thoại,

nó sử dụng camera của điện thoại thành bộ phận ghi nhận

chuyển động. Nguyên tắc hoạt động dựa trên sự thay đổi hai

thông số của hình ảnh xuất hiện trên màn hình, bao gồm độ

nhạy sáng của các điểm ảnh (pixel change sensitivity) và độ

nhạy của sự thay đổi vị trí của các điểm sáng trên khung hình

(Motion detection sensitivity). Ứng dụng này cho phép người

dùng có thể điều chỉnh hai thông số này nhằm thu được các

chuyển động như mong muốn. Các chuyển động nhỏ khác

như các vật nhẹ trong phòng dao động vì gió thì được loại bỏ.

Thời gian khởi phát thu sau chuyển động được phát hiện từ 1

đến 10s. Ứng dụng cho phép chạy ngầm (không hiển thị màn

hình) nên tiết kiệm được dung lượng pin. Độ phân giải của tập

tin video có thể tùy chọn được bởi người dùng, có các mức

như QVGA, VGA, nHD và 720p.

Khi ứng dụng chạy, mọi cử động của các vật trên màn

hình giao diện của ứng dụng mà thỏa mãn các độ nhạy đã

cài đặt trước sẽ được ghi vào điện thoại dưới dạng một tập

tin phim có phụ đề là thời gian thực tại thời điểm ghi. Ngoài

ra, các thời điểm trên màn hình giao diện chỉ có khung hình

tĩnh thì không được ghi bởi ứng dụng và lúc đó điện thoại

đang ở trạng thái chờ.

a) b) c)

Hình 1. Bộ dụng cụ (a), cách bố trí để ghi thời gian (b) và hệ thống đang hoạt động tại Phòng 2 (c)

2.2. Bố trí thí nghiệm và thu thập dữ liệu thời gian

2.2.1. Bố trí thí nghiệm

Khu vực quan tâm của nghiên cứu này gồm có 3 phòng

liên tiếp nhau. Phòng ở giữa (Phòng 1) được thông với hai

phòng còn lại qua hai cửa (Hình 1). Từ hành lang, muốn đi

vào Phòng 1 thì phải đi qua cửa của Phòng 2 hoặc Phòng

3. Như vậy, có tổng cộng bốn cửa ra vào các phòng này và

chúng nằm gần nhau từng đôi một. Do đó, chỉ cần bố trí hai

điện thoại để quan sát các cử động diễn ra tại bốn cửa trên.

Các điện thoại quan sát và thu thập thông tin về thời

gian trong nghiên cứu này được gắn lên tường gần các cửa

ra vào như thể hiện trên Hình 1. Điện thoại thứ nhất được

gắn ở Phòng 2, quan sát sự ra vào Phòng 2 và Phòng 1 của

các nhân viên; điện thoại thứ hai gắn tại Phòng 3 và quan

sát sự ra vào Phòng 3 và Phòng 1 (Hình 1b). Góc quay của

các camera là một yếu tố cần được điều chỉnh hợp lí. Vị trí

đặt có độ cao khoảng 2 m, điều chỉnh sao cho có được góc

quay vừa đủ để nhận diện được đối tượng và không cản trở

công việc chung. Thời gian chạy trên hai điện thoại được

đồng bộ trước khi tiến hành đo.

Đối tượng nghiên cứu gồm có 9 nhân viên, được kí hiệu

từ W1 đến W9, tham gia sản xuất I-131 hoặc thường xuyên

có mặt tại các phòng quan tâm trong năm 2015 của Viện

Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt. Đây là các đối tượng được

theo dõi vị trí - thời gian khi có quá trình sản xuất I-131

diễn ra. Các đối tượng này gồm ba nhóm nhiệm vụ. Nhóm

1 đảm nhận vận hành dây chuyền chưng cất gồm W1 và

W6; nhóm 2 có nhiệm vụ phân chia và đóng gói sản phẩm

gồm W3, W4, W5, W7 và W8; nhóm 3 là các đối tượng

khác gồm W2 và W9. Thời gian làm việc của các nhân viên

này thường bắt đầu lúc 8 giờ sáng cho đến khi hoàn thành

công việc khoảng 22 giờ tối.

2.2.2. Thu thập dữ liệu

Khi các nhân viên đi vào hoặc rời khỏi các phòng kiểm

soát, tức có đi ngang qua các cửa đã gắn điện thoại, sẽ tạo

ra trên màn hình giao diện một cử động. Khi đó ứng dụng

được kích hoạt, điện thoại sẽ thu chuyển động này ngay khi

xảy ra và gắn nhãn thời gian kiểu hh:mm:ss lên đoạn phim.

Dữ liệu thu được từ điện thoại sau đó được chuyển vào máy

tính để xử lí số liệu.

Tập tin video sau khi được ghi nhận sẽ có thời gian ngắn

hơn nhiều so với thời gian điện thoại đã quan trắc. Chẳng hạn,

đợt sản xuất ngày 18/7/2015, thời gian quan trắc của điện thoại

tại cửa Phòng 3 là từ 8:18 đến 22:33 (tương ứng là 14,25h)

trong khi tập tin video thu được có thời gian là 62 phút, tức rút

ngắn được 92,7% thời gian. Sự rút ngắn này mang lại các tiện

lợi như giảm thời gian xử lí dữ liệu, điện thoại được an toàn

và ổn định hơn về dung lượng pin và bộ nhớ.

Để tiết kiệm dung lượng pin, ứng dụng cho phép chạy

ngầm khi hoạt động. Hơn nữa, để tăng thời gian sống, các

điện thoại được cấp nguồn trực tiếp từ bộ pin dự phòng

(Hình 1a). Do đó, có thể lắp đặt hệ thống một cách dễ dàng

và linh động trong việc điều chỉnh hướng quay.

Kết quả thu được từ điện thoại sau khi thu thập số liệu

là một tập tin video có đính kèm thời gian thực. Các thông

tin gồm tên đối tượng, vị trí (phòng), thời điểm và khoảng

thời gian tương ứng mà đối tượng này đã trải qua ở các

114 Trần Xuân Hồi

phòng được xác định thông qua tập tin video và được nhập

thông tin vào Microsoft Excel để xử lí. Đây là cơ sở dữ liệu

để lập lịch sử về vị trí - thời gian phơi chiếu cho từng đối

tượng quan tâm.

3. Kết quả và nhận xét

3.1. Sự di chuyển của các đối tượng

Vì sự biến thiên mạnh theo không gian và thời gian của

nồng độ chất phóng xạ cũng như vị trí của các đối tượng

nên một trong các điều quan trọng khi định lượng phơi

nhiễm là phải khảo sát sự di chuyển của con người theo

thời gian [11, 15]. Lịch sử vị trí - thời gian chiếm cứ bởi

các đối tượng trong nghiên cứu này được thu nhận qua từng

đợt sản xuất I-131 trong năm 2015. Hình 2 thể hiện lịch sử

vị trí - thời gian của nhân viên phơi chiếu vào đợt sản xuất

20/6/2015. Có tổng cộng 11 biểu đồ thu được trong năm

2015 trong nghiên cứu này mà Hình 2 là một ví dụ.

Các vị trí chiếm cứ của các nhân viên trên Hình 2 gồm

Phòng 1, Phòng 2, Phòng 3 hoặc không ở các phòng này

(Ngoài) được thể hiện bằng các vạch tương ứng với các

mức độ đậm nhạt khác nhau và được gắn với trục thời gian

thực có độ phân giải là 1 phút. Thời gian phơi chiếu tổng

cộng ở từng tiểu môi trường của mỗi nhân viên chính là

tổng chiều dài thời gian theo trục hoành của các vạch cùng

màu tương ứng cho nhân viên đó. Kết quả tổng hợp được

thống kê ở Bảng 1.

Hình 2. Lịch sử chiếm cứ của 9 nhân viên vào đợt sản xuất 20/6/2015

Kết quả quan trắc cho thấy rằng, tần suất di chuyển

giữa các tiểu môi trường (các phòng) trong quá trình làm

việc của các nhân viên là rất lớn. Hơn nữa, mỗi đối tượng

có một dạng lịch sử chiếm cứ các vị trí là khác nhau và

không ổn định giữa các đợt sản xuất. Trong khi đó, nồng

độ trung bình của I-131 trong không khí tại các phòng

được ghi nhận là khá chênh lệch và nồng độ I-131 trong

ngày trong cùng một phòng cũng biến đổi một cách đáng

kể [13]. Vì thế, việc đánh dấu sự di chuyển thực tế của

con người theo không gian và thời gian kết hợp với phép

thu thập thông tin về các môi trường không khí mà họ đã

định cứ là các điều kiện quan trọng trong phép đánh giá

phơi chiếu cá nhân [11].

3.2. Đánh giá thời gian phơi chiếu

3.2.1. Thời gian phơi chiếu so với thời gian làm việc

Hiện nay, đánh giá của Trung tâm An toàn Bức xạ -

Viện Nghiên cứu Hạt nhân về thời gian phơi chiếu của các

NVBX tại khu vực sản xuất đồng vị I-131 là lấy ước lượng

thời gian phơi chiếu của từng nhân viên là từ 2 đến 4 giờ

mỗi đợt, chưa phân biệt được sự khác nhau giữa các nhân

viên. Con số này được đưa ra mà chưa có cơ sở thống kê

nào đáng tin cậy. Do đó, nghiên cứu này đã tiến hành ghi

nhận thời gian phơi chiếu từ các đợt sản xuất I-131 trong

năm 2015 của 9 nhân viên tại 3 phòng quan tâm, kết quả

khảo sát được thể hiện ở Bảng 1.

Bảng 1. Thời gian phơi chiếu tại 3 phòng trong năm 2015a

(phút)

Mã

nhân

viên

Phòng 1 Phòng 2 Phòng 3

Trung

bình phơi

chiếub (h)

W1 4007±14,5 329±7,9 395±5,0 7,17

W2 497±6,9 152±4,7 216±3,5 1,31

W3 825±10,1 2926±11,2 329±3,8 6,18

W4 657±10,0 3250±12,0 47±2,7 5,99

W5 613±8,8 291±7,2 43±2,2 1,43

W6 1928±12,1 1082±11,1 123±3,8 4,75

W7 1488±14,2 2143±14,8 111±3,6 5,67

W8c 45±3,2 873±4,6 0 2,55

W9 194±6,0 135±4,3 151±3,4 0,73

aKhông kể tháng 11, bTính trung bình cho mỗi đợt sản xuất tại 3 phòng; cTính cho 6 tháng (từ tháng 2 đến tháng 7); Wi: Mã nhân viên.

Một đặc điểm dễ nhận thấy từ Bảng 1 là thời lượng phơi

chiếu trung bình tại ba phòng cho mỗi đợt sản xuất là khác

nhau đáng kể giữa các đối tượng, giá trị này nằm trong

khoảng từ 0,73 đến 7,17 h, tức gấp nhau 9,8 lần. Trung bình

phơi chiếu của 9 nhân viên trong mỗi đợt sản xuất tính từ

là 4,0h so với tổng thời gian tham gia sản xuất là 12,9h,

chiếm 31%. Giá trị này có thể được dùng để ước lượng

LCT cho tập thể nếu biết được nồng độ trung bình của I-

131 trong không khí.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 115

3.2.2. Thời lượng phơi chiếu theo từng vị trí

Như đã đề cập ở trên, nồng độ I-131 khác nhau đáng kể

giữa các phòng nên cần phải phân biệt vị trí phơi chiếu của

các đối tượng khi cần đánh giá lượng thâm nhập. Bảng 1 và

Hình 3 cho thấy rằng, thời lượng phơi chiếu tại các phòng

riêng lẻ là khác nhau đáng kể giữa các nhân viên. Một số

nhân viên chủ yếu chiếm giữ tại phòng 1, một số khác thì

tại phòng 2. Cụ thể, nhân viên W1 có mặt tại Phòng 1

(phòng chưng cất và đóng gói) với thời lượng cao nhất

(4007 phút) trong nhóm tham gia sản xuất. Tại Phòng 2

(phòng phân liều và chế tạo thuốc), các nhân viên có thời

gian chiếm giữ cao gồm W7, W3 và W4 với thời gian tương

ứng là 2143 phút, 2926 phút và 3250 phút.

Hình 3. Thời lượng phơi chiếu chi tiết của các nhân viên trong năm 2015

Nếu xét trên cùng một đối tượng thì thời gian phơi chiếu

giữa các tháng ở cùng một vị trí không khác nhau nhiều

(Hình 3). Điều này có ý nghĩa trong việc định liều dài hạn

cho từng cá nhân dựa vào nồng độ trung bình. Hoặc nó

cũng có ý nghĩa trong phép định liều tập thể theo từng

nhóm công việc.

3.3. Đánh giá lượng phơi chiếu

Sự khác biệt giữa thời gian phơi chiếu của các nhân

viên tương đối lớn như kể trên là nguyên nhân dẫn đến

mỗi cá nhân sẽ nhận một LCT hàng năm khác nhau đáng

kể. Dựa vào nồng độ I-131trung bình kết hợp với thời

lượng phơi chiếu ở Bảng 1, lượng phơi chiếu của từng cá

nhân trong năm 2015 (chỉ tính riêng cho I-131) tính theo

đơn vị DAC.h có thể tính được như thể hiện trên Bảng 2.

Từ đó ta có thể nhận ra rằng, lượng phơi chiếu của 9 đối

tượng đều thấp hơn nhiều so với số liệu được khuyến cáo

bởi Ủy ban Quốc tế về An toàn Bức xạ tại Ấn bản số 78

(ICRP-78) [6].

Bảng 2 cũng đưa ra kết quả định liều I-131 trên cùng

đối tượng từ phép phân tích nước tiểu. Nhìn chung, các đối

tượng có lượng phơi chiếu càng lớn thì nhận LCT cũng lớn.

Tuy nhiên, LCT phụ thuộc khá nhiều yếu tố nên để đưa ra

so sánh và đánh giá một cách chi tiết thì cần có một nghiên

cứu sâu hơn.

Bảng 2. So sánh lượng phơi chiếu của các đối tượng với tiêu chuẩn của ICRP-78

Mã nhân viên W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 W8 W9

Ea (DAC.h) 231 37 112 105 40 129 128 21 16

Tỉ lệb (%) 11,5 1,9 5,6 5,2 2,0 6,5 6,4 1,0 0,8

LCTc (mSv) 0,44 0,35 1,07 1,42 0,34 0,25 0,51 0,09 0,15

aLượng phơi chiếu đối với hơi I-131 năm 2015; bTỉ lệ giữa E với giới hạn phơi chiếu theo

ICRP; cĐược lấy từ kết quả định liều I-131 bằng phép phân tích nước tiểu năm 2015

R1R2R3R1R2R3R1R2R3R1R2R3R1R2R3R1R2R3R1R2R3R1R2R3R1R2R3

W1

W2

W3

W4

W5

W6

W7

W8

W9

0 1000 2000 3000 4000

Thời gian phơi chiếu (phút)

W-M

ã n

hân

viê

n,

R-P

hòn

g

Tháng 1

Tháng 2

Tháng 3

Tháng 4

Tháng 5

Tháng 6

Tháng 7

Tháng 8

Tháng 9

Tháng 10

Tháng 12

116 Trần Xuân Hồi

4. Kết luận

Trong bài báo này, tác giả đã trình bày những nghiên

cứu và đưa vào áp dụng kỹ thuật thu nhận thời gian phơi

chiếu cho từng cá nhân quan tâm. Có 9 đối tượng được theo

dõi vị trí theo thời gian trong khi làm việc tại các khu kiểm

soát thuộc khu vực sản xuất I-131. Phạm vi không gian

quan sát gồm ba căn phòng, mỗi phòng được xem như là

một tiểu môi trường. Toàn bộ số liệu về thời gian phơi

chiếu đều ghi nhận theo thời gian thực.

Kết quả cụ thể thu được là lịch sử về vị trí - thời gian

phơi chiếu trong cả năm 2015 của nhóm đối tượng. Có tổng

số 72 biểu đồ cá nhân về vị trí - thời gian được vẽ ra từ số

liệu ghi nhận được, mô tả vị trí của 9 NVBX đã trải qua tại

các tiểu môi trường trong suốt quá trình sản xuất I-131. Đây

là kết quả quan trọng để định lượng thâm nhập và LCT. Từ

số liệu thu được, có một số kết luận đáng quan tâm đã được

khuyến cáo như: Thời gian phơi chiếu I-131 của các nhân

viên là khá ít so với tổng thời gian diễn ra sản xuất; mỗi đối

tượng có một kiểu hình phơi chiếu đặc trưng.

Điện thoại thông minh được sử dụng để hỗ trợ ghi nhận

thời gian là một kết quả nghiên cứu đáng quan tâm trong

bài báo. Toàn bộ số liệu về kiểu hình phơi chiếu theo thời

gian thực của nhóm NVBX đều nhờ điện thoại thu nhận.

Qua 11 đợt chưng cất I-131, điện thoại đã đếm được 23021

phút (gần 384 h), là tổng thời gian phơi chiếu mà các đối

tượng đã trải qua tại các khu vực kiểm soát.

Với một chi phí thấp và độ chính xác cao, nghiên cứu

này có thể thực hiện tại các khu vực trong nhà có hiện hữu

không khí bị nhiễm xạ để đánh giá phơi nhiễm. Tuy nhiên,

khâu phân tích số liệu thời gian trong nghiên cứu này còn

thủ công, khó thực hiện trên nhiều đối tượng như trên phạm

vi cộng đồng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Beekhuizen J., Kromhout H., Huss A., and Vermeulen R.,

"Performance of GPS-devices for environmental exposure assessment", Journal of Exposure Science and Environmental

Epidemiology 23, 2013, 498-505.

[2] Bitar A., Maghrabi M., and Doubal A.W., "Assessment of intake and

internal dose from iodine-131 for exposed workers handling

radiopharmaceutical products", Applied Radiation and Isotopes 82,

2013, 370-375.

[3] Carneiro L.G., de Lucena E.A., da Silva Sampaio C., Dantas A.L.A.,

Sousa W.O., Santos M.S., and Dantas B.M., "Internal dosimetry of

nuclear medicine workers through the analysis of 131 I in aerosols", Applied Radiation and Isotopes 100, 2015, 70-74.

[4] Gerharz L.E., Krüger A., and Klemm O., "Applying indoor and

outdoor modeling techniques to estimate individual exposure to

PM2. 5 from personal GPS profiles and diaries: a pilot study",

Science of the total environment 407, 2009, 5184-5193.

[5] IAEA, Assessment of Occupational Exposure Due to Intakes of

Radionuclides, IAEA Safety Standards Series No. RS-G-1.2, Vienna, Austria. 1999.

[6] ICRP, Individual Monitoring for Internal Exposure of Workers (Part

1), ICRP Publication 78. Ann. ICRP 27. 1997.

[7] Klepeis N.E., "Modeling human exposure to air pollution", Human

exposure analysis 2006, 445-470.

[8] Krajewska G. and Pachocki K.A., "Assessment of exposure of workers

to ionizing radiation from radioiodine and technetium in nuclear

medicine departmental facilities", Medycyna pracy 64, 2013, 625-630.

[9] Nethery E., Mallach G., Rainham D., Goldberg M.S., and Wheeler

A.J., "Using Global Positioning Systems (GPS) and temperature

data to generate time-activity classifications for estimating personal

exposure in air monitoring studies: an automated method",

Environmental Health 13, 2014, 33.

[10] Ott W.R., "Concepts of human exposure to air pollution",

Environment International 7, 1982, 179-196.

[11] Steinle S., Reis S., and Sabel C.E., "Quantifying human exposure to

air pollution—Moving from static monitoring to spatio-temporally resolved personal exposure assessment", Science of The Total

Environment 443, 2013, 184-193.

[12] Ton Nam Software, MotionRecorder Quickstart Guide. 2013 [cited 2015 02

January]; Available from: http://tonnamsoftware.com/mrec/quickstart.html.

[13] Tran Xuan Hoi, Huynh Truc Phuong, and Nguyen Van Hung,

"Estimating the Internal Dose for 131I Production Workers From

Air Sampling Method", Radiation Protection Dosimetry 2016 10.1093/rpd/ncw269.

[14] Vidal M.V.S., Dantas A.L.A., and Dantas B., "A methodology for

auto-monitoring of internal contamination by 131I in nuclear medicine

workers", Radiation protection dosimetry 125, 2007, 483-487.

[15] Glasgow M.L., Rudra C.B., Yoo E.H., Demirbas M., Merriman J.,

Nayak P., Crabtree-Ide C., Szpiro A.A., Rudra A., Wactawski-

Wende J., and Mu L., "Using smartphones to collect time-activity data for long-term personal-level air pollution exposure

assessment", Journal of Exposure Science and Environmental

Epidemiology 26, 2014, 356-364.

[16] Broich A., Gerharz L., and Klemm O., "Personal monitoring of

exposure to particulate matter with a high temporal resolution", Environmental Science and Pollution Research 19, 2012, 2959-2972.

[17] Goldin L., Ansher L., Berlin A., Cheng J., Kanopkin D., Khazan A.,

Kisivuli M., Lortie M., Bunker Peterson E., Pohl L., Porter S., Zeng

V., Skogstrom T., Fragala M., Myatt T., Stewart J., and Allen J.,

"Indoor Air Quality Survey of Nail Salons in Boston", Journal of Immigrant and Minority Health 16, 2014, 508-514.

(BBT nhận bài: 16/06/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 13/07/2017)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 117

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁ NGỰA VẰN (DANIO RERIO HAMILTON, 1822)

LÀM SINH VẬT CẢNH BÁO SỚM Ô NHIỄM NGUỒN NƯỚC

CHO NHÀ MÁY NƯỚC CẤP

A STUDY ON USING ZEBRA FISH (DANIO RERIO HAMILTON, 1822) AS EARLY

WARNING ORGANISM FOR WATER POLLUTION FOR WATER SUPPLY PLANTS

Nguyễn Văn Khánh

Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng; vankhanhsk23@gmail.com

Tóm tắt - Bài báo cung cấp kết quả nghiên cứu hành vi của cá Ngựa vằn (Danio rerio Hamilton, 1822) để sử dụng làm sinh vật cảnh báo sớm ô nhiễm nguồn nước cho nhà máy nước cấp. Hành vi bơi của cá Ngựa vằn cho thấy ở mức độ ô nhiễm 10% LC50-24h hoạt động bơi của cá gia tăng đáng kể, mức độ ô nhiễm từ 20% LC50-24h trở lên, hoạt động bơi giảm dần. Do đó, cá Ngựa vằn có thể phát hiện chất ô nhiễm ở nồng độ 10% LC50-24h (NaOCl) với sự thay đổi hành vi là gia tăng hoạt động bơi và suy giảm dần ở nồng độ 20% LC50-24h trở lên so với hoạt động ở môi trường nước bình thường. Kết quả này cho thấy, việc sử dụng hệ thống phần mềm để nhận dạng thay đổi hành vi của cá Ngựa vằn trong các môi trường nước ô nhiễm khác nhau là hoàn toàn khả thi. Đây là nền tảng cơ bản để thiết lập hệ thống cảnh báo sớm ô nhiễm môi trường nước trong các nghiên cứu tiếp theo.

Abstract - This paper aims to provide the result of study about behaviors of Zebra fish (Danio rerio Hamilton, 1822) in order to assess the capacity of using this species as an early warning organism for water pollution for water supply plants. The result indicates that at 10% LC50-24h of NaOCl, swimming behavior increases significantly in comparison with standard condition and at 20% LC50-24h of NaOCl upwards, it shows a gradual decrease. Therefore, it is possible to use Zebra fish to detect pollutants with concentration that is equivalent to 10% LC50-24h of NaOCl via observing changes in behaviors of fish. This study also indicates that using the software system to track the behavioral changes of fish in various contaminated environments is feasible and should be considered as the basis for further studies on monitoring water pollution by early warning organism in Vietnam.

Từ khóa - cá Ngựa Vằn; Danio rerio; ô nhiễm nguồn nước; sinh vật cảnh báo sớm.

Key words - Zebra fish; Danio rerio; water; pollution; early warning organism.

1. Mở đầu

Chất lượng nước thường xuyên bị ảnh hưởng bởi các

quá trình bất lợi như suy thoái đất, biến đổi khí hậu, các tác

động trực tiếp hay gián tiếp của con người [3]. Theo Viện

Khoa học Sự sống Quốc tế [3], nhiều nhà quản lý nhà máy

xử lý nước cấp nhận thấy rằng chất ô nhiễm từ nông nghiệp,

nước thải chưa xử lý, … là mối đe dọa hàng đầu đến việc

cung cấp nước.

Việc áp dụng công nghệ sinh tin học để giám sát nguồn

nước mặt ô nhiễm mang lại hiệu quả khả quan song vẫn còn

rất mới mẻ ở Việt Nam. Hiện nay, nhiều nghiên cứu quan

tâm đến việc dùng cá như một sinh vật chỉ thị (biomarker)

cho việc giám sát ô nhiễm nguồn nước bằng cách phân tích

hành vi để xác định nguồn nước bị ô nhiễm hay không. Ý

tưởng là khi nguồn nước bị ô nhiễm, các chất ô nhiễm sẽ ảnh

hưởng lên hoạt động của các vi sinh vật sống trong đó. Từ

đó, bằng cách quan sát sự thay đổi hành vi của vi sinh vật ta

có thể xác định sự ô nhiễm và các chất gây ô nhiễm.

Tuy nhiên, sinh vật được sử dụng với các phương pháp

này thường thích nghi với điều kiện sống bản địa; việc tìm

ra các sinh vật giống hệt như vậy để áp dụng cho bài toán

ở Việt Nam là một vấn đề khó khăn bởi nhiều khả năng

chúng không tồn tại trong điều kiện khí hậu ở Việt Nam.

Bài báo này cung cấp những kết quả trong việc “Nghiên

cứu sử dụng cá Ngựa vằn (Danio rerio) làm sinh vật cảnh

báo sớm ô nhiễm nguồn nước cho nhà máy nước cấp tại

thành phố Đà Nẵng”. Bài báo này cung cấp các cơ sở khoa

học cho việc nghiên cứu, phân tích hành vi của cá Ngựa

vằn (Danio rerio) trong môi trường nước sông thuần túy và

môi trường nước sông có chất giả ô nhiễm (NaOCl) với các

nồng độ khác nhau, từ đó xét xem cá có thay đổi hành vi

bơi khi ở môi trường có chất ô nhiễm hay không. Đây là

những dẫn liệu khoa học góp phần xây dựng chương trình

ứng dụng sinh vật cảnh báo sớm, giám sát ô nhiễm nguồn

nước tại Việt Nam.

2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Nguồn nước được sử dụng trong thí nghiệm được lấy từ

nguồn nước sinh hoạt của thủy cục và nguồn nước sông được

thu ở đầu vào của nhà máy nước Cầu Đỏ, TP. Đà Nẵng.

Các loài cá thường được sử dụng cho nghiên cứu cảnh

báo sớm là loài đã được biết rõ về đặc điểm sinh học, đã

được nhân nuôi dễ dàng, kích thước đồng đều, chủ động về

nguồn cung cấp. Nghiên cứu này loài cá được sử dụng là Cá

ngựa vằn (Danio rerio Hamilton, 1822) thuộc bộ

Cypriniformes (bộ cá chép), họ Cyprinidae (họ cá chép) và

đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu khác. Cá được mua

từ cửa hàng cá cảnh, thuần dưỡng trong bể 80 lít trong vòng

1 tuần. Trước khi làm thí nghiệm, ngừng cho ăn 24 giờ để

hạn chế phân cá làm ô nhiễm nước khi tiến hành thí nghiệm.

2.1. Thí nghiệm độc học LC50-24h

Thí nghiệm được thực hiện theo hướng dẫn của OECD

(Organization for Economic Cooperation and Development)

về hóa chất và cá trong thí nghiệm độc tính cấp tính:

Xác định LC50-24h với dãy năm nồng độ natri hipoclorit

(NaOCl) đối với cá Ngựa vằn: 33,33; 40,00; 51,67; 53,33;

58,33 mg/L và đối chứng (0 mg/L). Với mỗi nồng độ lặp lại

3 lô, mỗi lô có 10 cá thể/ 3lít nước. Thí nghiệm được thực

hiện theo phương pháp tĩnh trong 24h, sục khí thường xuyên.

Thí nghiệm được theo dõi và ghi nhận số cá chết thường

xuyên và vớt cá chết để hạn chế ảnh hưởng đến chất lượng

nước. Các thông số môi trường: DO, nhiệt độ và pH được đo

118 Nguyễn Văn Khánh

vào lúc bắt đầu và kết thúc thí nghiệm, để theo dõi sự ảnh

hưởng của các yếu tố đến kết quả thí nghiệm.

2.2. Thí nghiệm theo dõi sự thay đổi hành vi của cá

Dựa trên kết quả LC50-24h của cá, tiến hành thí nghiệm

theo dõi sự thay đổi hành vi với các mẫu nước sau: nước

cấp, nước sông, nước sông chứa 10% LC50-24h, 20% LC50-

24h, 30% LC50-24h, 40% LC50-24h với tần suất lặp lại 3

lần cho mỗi thí nghiệm.

Bể thí nghiệm là bể hồi lưu, được làm bằng kính với

dung tích 9 lít. Bóng đèn huỳnh quang được gắn phía trên

mỗi bể để duy trì ánh sáng. Cá được nuôi thích nghi trong

môi trường bể nước thí nghiệm 1 giờ trước khi tiến hành

thí nghiệm giám sát hành vi trong 5 giờ. Không cho cá ăn

trong vòng 24h trước khi thực hiện thí nghiệm để tránh hiện

tượng nước bị ô nhiễm do chất thải từ cá. Hoạt động bơi

của cá sẽ được ghi lại bằng hai camera gắn ở phía trên và

mặt bên của bể và truyền trực tiếp đến máy tính trung tâm.

Dữ liệu hình ảnh được xử lý bằng phần mềm Matlab và

xuất dữ liệu trên phần mềm Microsoft Excel để phân tích.

Hoạt động bơi của cá Ngựa vằn được xác định bằng cách

theo dõi quãng đường di chuyển của cá trong bể thử

nghiệm mỗi 5 phút và theo dõi liên tục trong 5 giờ. Các

thông số môi trường: DO, nhiệt độ, pH được theo dõi trong

suốt quá trình tiến hành thí nghiệm.

2.3. Xử lý số liệu

Các số liệu được xử lí, thống kê và vẽ biểu đồ bằng

phần mềm Excel. So sánh các giá trị trung bình bằng

phương pháp phân tích ANOVA và kiểm tra LSD với mức

ý nghĩa α = 0,05. Phân tích và vẽ biểu so sánh hành vi của

cá bằng phần mềm Origin version 6.0.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Xác định LC50-24h của NaOCl đối với cá Ngựa vằn

Các thông số môi trường: DO, nhiệt độ, pH được giám

sát trong suốt quá trình thí nghiệm, nhằm theo dõi tính ổn

định của môi trường nước thí nghiệm (Bảng 1). Kết quả

cho thấy môi trường nước ổn định trong tất cả các lô và

trong suốt thí nghiệm (α = 0,05).

Bảng 1. Các thông số DO, Nhiệt độ, pH trong thời gian làm thí nghiệm LC5024h

Chỉ tiêu

Lô

DO (mg/L) Nhiệt độ (oC) pH

Đầu vào

tb±sd

Đầu ra

tb±sd

Đầu vào

tb±sd

Đầu ra

tb±sd

Đầu vào

tb±sd

Đầu ra

tb±sd

ĐC (n = 3) 7,03±0,21 7,13±0,17 26,25±0,96 27,00±1,15 6,98±0,11 7,06±0,19

NV1 (n = 3) 6,90±0,14 6,95±0,13 27,00±0,82 27,25±0,96 7,07±0,21 7,25±0,15

NV2 (n = 3) 6,95±0,13 7,00±0,22 26,50±1,29 27,25±1,71 7,26±0,07 7,25±0,23

NV3 (n = 3) 6,90±0,18 7,05±0,13 27,00±0,82 27,50±1,29 7,36±0,16 7,40±0,12

NV4 (n = 3) 7,00±0,18 7,08±0,13 27,50±1,29 27,50±0,58 7,41±0,19 7,53±0,18

NV5 (n = 3) 6,95±0,13 6,85±0,26 26,50±1,29 27,50±1,00 7,51±0,13 7,57±0,17

Sau 24 giờ tiếp xúc với hóa chất, ở nồng độ NaOCl thấp

nhất (33,33 mg/L) tỷ lệ cá chết khoảng 2,50%, tỷ lệ cá chết

tăng dần theo nồng độ NaOCl theo trình tự nồng độ càng

cao tỷ lệ cá chết càng cao (Bảng 2) và cá chết cao nhất ở

nồng độ cao nhất (58,33 mg/L) là 57,5%. Kết quả phân tích

tương quan và hồi quy xác định nồng độ gây chết 50% số

cá thể của NaOCl ở cá Ngựa vằn sau 24 giờ là 57,02 mg/L.

Bảng 2. Tỷ lệ cá Ngựa vằn chết theo nồng độ NaOCl

và giá trị LC50-24h

Nồng độ (mg/L) ĐC 33,33 40,00 51,67 53,33 58,33

Tỷ lệ cá chết (%) 0 2,50 10,00 22,50 30,00 57,50

LC50-24h (mg/L) 57,02

3.2. Hành vi của cá Ngựa vằn trong môi trường nước cấp

và nước sông không có NaOCl

Với mục tiêu hướng đến việc giám sát chất lượng nước

đầu vào của nhà máy xử lý nước bằng hệ thống cảnh báo

sớm, các thử nghiệm về hành vi của cá Ngựa vằn trong môi

trường nước sạch (nước thủy cục đã khử Clo trong 24h và

nước sông ở khu vực đầu vào của nhà máy cấp nước). Các

thông số môi trường từ lúc tiến hành thí nghiệm đến khi thí

nghiệm kết thúc liên tục được giám sát và cho thấy không

có thay đổi về chất lượng nước (α = 0,05) (Bảng 3).

Bảng 3. Thông số đầu vào và đầu ra của thí nghiệm

Lô thí nghiệm (n = 3) DO (mg/L) pH Nhiệt độ (oC)

Nước cấp Đầu vào 5,9±0,15 6,6±0,1 31,0±1,0

Đầu ra 5,8±0,15 6,7±0,05 32,5±0,3

Nước sông Đầu vào 5,3±0,10 6,9±0,1 30,8±1,0

Đầu ra 5,0±0,15 6,8±0,1 32,3±0,5

10% LC50-

24h

Đầu vào 6,2±0,15 7,1±0,1 31,0±1,5

Đầu ra 6,0±0,11 6,9±0,1 32,5±1,5

20% LC50-

24h

Đầu vào 6,3±0,10 7,0±0,1 32,3±0,5

Đầu ra 6,1±0,10 6,8±0,05 33,6±0,5

30% LC50-

24h

Đầu vào 6,2±0,15 7,2±0,1 31,0±1,5

Đầu ra 6,0±0,11 6,9±0,1 32,5±1,5

40% LC50-

24h

Đầu vào 6,3±0,10 7,0±0,1 32,3±0,5

Đầu ra 6,1±0,10 6,9±0,05 33,6±0,5

Kết quả phân tích Anova và kiểm tra LSD cho thấy

(Bảng 4), quãng đường di chuyển của cá Ngựa vằn trong môi

trường nước cấp và nước sông là không khác nhau (Hình

1.a). Trong khi đó, quãng đường di chuyển tăng cao khi ở

nồng độ 10% LC50 sau đó giảm dần theo sự gia tăng nồng độ

của NaOCl trong các lô thí nghiệm. Ở 10% LC50 cá Ngựa

vằn di chuyển nhanh hơn so với môi trường nước sông, đây

là hành vi “trốn chạy” của cá khi gặp điều kiện bất lợi (Hình

1.b). Và khi nồng độ NaOCl tăng lên khiến cá chuyển từ

“trốn chạy” sang trạng thái ngộ độc cấp tính và giảm khả

năng di chuyển. Ở 20% LC50-24h quãng đường di chuyển

của cá là 1.590,02 ± 80,59m, trong khi quãng đường di

chuyển của cá ở môi trường nước sông là 2.045,24 ± 359,46

m (Hình 1.c). Sự thay đổi hành vi bơi cũng được quan sát

thấy ở nhóm thí nghiệm 30% ngay khi tiến hành thí nghiệm,

cá bơi chậm hơn, quãng đường di chuyển ngắn hơn. Quãng

đường di chuyển mỗi 5 phút của cá ở môi trường chứa 30%

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 119

LC50-24h thấp hơn ở môi trường nước sông và thấp hơn cả

môi trường nước sông chứa 20% LC50-24h (Hình 1.d).

Chứng tỏ tốc độ bơi của cá chậm lại khi ô nhiễm tăng lên ở

mức 30% LC50-24h. Quãng đường di chuyển của cá Ngựa

vằn ở môi trường nước sông chứa 40% LC50-24h có sự suy

giảm so với quãng đường di chuyển trong môi trường đối

chứng (môi trường nước sông). So sánh quãng đường di

chuyển của cá trong môi trường chứa 40% LC50-24h với môi

trường chứa 30% LC50-24h thì không thấy sự khác biệt về ý

nghĩa (α=0,05) (Hình 1.e).

Bảng 4. Quãng đường di chuyển của cá Ngựa vằn

trong các môi trường nước khác nhau

Nghiệm thức Quãng đường trong

5 giờ (m)(n=3)

Quãng đường trong

5 phút (m)(n=3)

Nước cấp 2.074,09 ± 211,32a 34,57 ± 3,52a

Nước sông 2.045,24 ± 359,46a 34,09 ± 5,99a

10% LC50 3.017,41 ± 96,84b 50,29 ± 1,61b

20% LC50 1.590,02 ± 80,59c 26,50 ± 1,34c

30% LC50 799,64 ± 226,32d 13,33 ± 3,77d

40% LC50 701,66 ± 327,41d 11,69 ± 5,46d

Ghi chú: Các giá trị trung bình có cùng chữ cái a, b, c, d ở cùng một cột

không có sự khác nhau có ý nghĩa (α=0,05)

(1.a)

(1.b)

(1.c)

(1.d)

(1.e)

Hình 1. Quãng đường di chuyển của cá

trong các môi trường nước khác nhau

Kết quả tương tự cũng được quan sát thấy ở nghiên cứu

của Little và cộng sự [4], hoạt động bơi của cá tăng ở

ngưỡng ô nhiễm thấp sau đó suy giảm khi cá tiếp xúc với

những nồng độ cao hơn của DEF (photpho hữu cơ làm rụng

lá) hay 2,4-DMA ở nồng độ cao (5 - 50% LC50), một nghiên

cứu khác ở cá vược mặt trời (Bluegill) cũng đã chứng minh

điều tương tự, chuyển động của toàn bộ cơ thể cá suy giảm

khi có sự gia tăng nồng độ chất ô nhiễm [2]. Việc suy giảm

hành vi bơi có thể là một hành vi thích ứng về mặt sinh lý

làm giảm hoạt động trao đổi chất cân bằng nội môi từ đó

giảm nguy cơ tử vong [5].

120 Nguyễn Văn Khánh

4. Kết luận

Qua các kết quả thu được, xác định được LC50-24h của

NaOCl đối với cá Ngựa vằn là 57,02 mg/L. Nghiên cứu về

hành vi bơi của cá Ngựa vằn cho thấy ở mức độ ô nhiễm

10% LC50-24h hoạt động bơi của cá gia tăng đáng kể, mức

độ ô nhiễm từ 20% LC50-24h trở lên hoạt động bơi giảm

dần. Khi tiến hành so sánh ANOVA và phân tích LSD với

mức ý nghĩa α=0,05 nhận thấy quãng đường di chuyển của

cá đã có sự sai khác rõ rệt so với môi trường nước sông. Do

đó, cá Ngựa vằn có thể phát hiện chất ô nhiễm ở nồng độ

10% LC50-24h (NaOCl) với sự thay đổi hành vi là gia tăng

hoạt động bơi và suy giảm dần ở nồng độ 20% LC50-24h

trở lên so với hoạt động ở môi trường nước bình thường.

Kết quả này cho thấy, việc sử dụng hệ thống phần mềm

để nhận dạng thay đổi hành vi của cá Ngựa vằn trong các

môi trường nước ô nhiễm khác nhau là hoàn toàn khả thi.

Đây là nền tảng cơ bản để thiết lập hệ thống cảnh báo sớm

ô nhiễm môi trường nước trong các nghiên cứu tiếp theo.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Danielly de Paiva Magalha˜es, Rodolfo Armando da Cunha, Jose´ Augusto Albuquerque dos Santos. Behavioral response of Zebrafish

Danio rerio Hamilton 1822 to sublethal stress by sodium hypochlorite:

ecotoxicological assay using an image analysis biomonitoring system. Springer Science+Business Media, LLC 2007.

[2] Finger SE, Little EE, Henry MG, Fairchild JF, Boyle TP (1985).

Comparison of laboratory and field assessment of fluorine, part I:

Effects of fluorine on the survival, growth, reproduction, and behavior

of aquatic organisms in laboratory tests. In: Boyle TP (ed) Validation and Predictability of laboratory methods for assessment the fate and

effects of contaminants in aquatic ecosystems. STP 865. American

Society for Testing and materials, Philadelphia, PA, pp 120–133.

[3] ILSI. (1999). Early warning monitoring to detect hazardous events

in water supplies. ILSI Press, Washington, D.C.

[4] Little EE, Archeski RD, Flerox BA, Kozlovskaya VI (1989).

Behavioral indicators of sublethal toxicity in rainbow trout. Arch Environ Con Tox 19(3):380–385.

[5] Schreck CB, Olla BL, Davis MW (1997) Behavioral response to

stress. In: Iwama GK, Pickering AAD, Sumpter JP, Schreck CB

(eds) Fish stress and health in aquaculture. Cambridge Univ Press,

Cambridge, pp 145–170.

(BBT nhận bài: 20/04/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 05/06/2017)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 121

NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA TRÀ HOA VÀNG

(CAMELLIA QUEPHONGNENSIS HAKODA ET NINH) BẰNG KHỐI PHỔ

PHÂN GIẢI CAO

A STUDY OF CHEMICAL CONSTITUENTS OF THE CAMELLIA QUEPHONGNENSIS

HAKODA ET NINH FLOWERS WITH HIGH RESOLUTION MASS SPECTROMETRY

Nguyễn Văn Minh Khôi1, Phùng Văn Trung2, Hoàng Minh Hảo3, Nguyễn Thị Ngọc Lan4, Giang Thị Kim Liên5,

Ngọ Thị Phương6, Trần Quốc Thành7, Lê Ngọc Hùng1, Lê Minh Hà6 1Ban QLDA Phòng thí nghiệm chuyên ngành hóa dược, Trung tâm Đào tạo, Tư vấn và Chuyển giao công nghệ - VAST

2Viện Công nghệ Hóa học – VAST 3Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh

4Trường Đại học Nguyễn Tất Thành 5Đại học Đà Nẵng; giangkimlien@gmail.com

6Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam 7Sở Khoa học Công nghệ Nghệ An

Tóm tắt - 46 hợp chất đã được phát hiện có mặt trong cao tổng cồn/ nước và 20 hợp chất được phát hiện trong cao chiết phân đoạn ethyl axetat hoa trà hoa vàng Camellia quephongensis Hakoda et Ninh thu tại Quế Phong, Nghệ An bằng việc sử dụng kỹ thuật sắc ký lỏng phân giải cao ghép nối khối phổ. Các nhóm hợp chất chính có mặt trong cả hai cao chiết là flavonoid, phenol và este. Trong cao chiết phân đoạn ethyl axetat không thấy sự có mặt của đường và dẫn xuất đường, amino axit và amin, bên cạnh đó hàm lượng các chất chính như flavonoid, phenol, este đã tăng lên đáng kể so với cao cồn/ nước. Kết quả phân tích này là phù hợp với việc sử dụng dung môi ethyl axetat để làm giàu các hoạt chất poliphenol từ trà hoa vàng. Ngoài ra cũng xác định được sự có mặt của các nguyên tố vi lượng rất đáng quí trong hoa trà hoa vàng Camellia quephongensis như germanium, selenium. Đây là những công bố bước đầu về kết quả nghiên cứu thành phần hóa học của hoa trà hoa vàng Camellia quephongensis.

Abstract - 46 compounds are found to be present in ethanol / water extract and 20 compounds are detected in ethyl acetate fraction of the Camellia quephongensis Hakoda et Ninh collected in Que Phong, Nghe An by using high resolution liquid chromatography combined with mass spectrometry. The major compound groups present in both extracts are flavonoids, phenols and esters. In ethyl acetate extract no presence of sugars and derivatives of sugars, amino acids and amines is observed and the content of major compound groups such as flavonoids, phenols, and esters increases significantly compared with alcohol / water extract. The results are consistent with the use of ethyl acetate to enrich the active polyphenol ingredients from the yellow tea. In addition, we also identify the presence of valuable trace elements in Camellia quephongensis such as germanium, selenium. These are the initial publications on the chemical composition of Camellia quephongensis.

Từ khóa - Camellia quephongensis; Trà hoa vàng; Camellia sp; poliphenol; khôi phô phân giải cao

Key words - Camellia quephongensis; yellow tea; Camellia sp; polyphenol; high resolution mass spectrometry

1. Đặt vấn đề

Trà hoa vàng thuộc chi trà (Camellia) là một loài thực

vật hạt kín trong họ Theaceae. Từ những năm 60 của thế

kỷ XX, lần đầu tiên Trà hoa vàng được phát hiện ở Quảng

Tây, Trung Quốc thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa

học. Từ đó, Trà hoa vàng được nhiều nước quan tâm nghiên

cứu vì có nhiều giá trị và công dụng đặc biệt. Ở Việt Nam,

cây Trà hoa vàng được tìm thấy ở tỉnh Quảng Ninh, Vĩnh

Phúc (Tam Đảo), Tuyên Quang, Yên Bái, Ninh Bình (Cúc

Phương), Nghệ An, Lâm Đồng...

Trà hoa vàng là loài cây quý hiếm, có nhiều giá trị để

sử dụng như lấy gỗ, có thể làm cây trồng tầng dưới ở các

đai rừng phòng hộ, trồng làm cây cảnh và làm đồ uống cao

cấp, có tác dụng phòng và chống các bệnh huyết áp, tim

mạch, tiểu đường, u bướu, … Về thành phần hóa học, loài

này chứa thành phần quan trọng như saponin, flavonoid,

các hợp chất phenolic, amino acid, các nguyên tố vi lượng,

các vitamin, … [2]. Tại huyện Quế Phong, tỉnh Nghệ An,

Trà hoa vàng có mặt hầu hết tại các xã của huyện nhưng

tập trung nhiều nhất là ở xã Hạnh Dịch, xã Thông Thụ và

xã Tiên Phong với loài Camellia quephongensis Hakoda et

Ninh được phát hiện và đặt tên bởi GS. Hakoda và PGS.

TS. Trần Ninh từ năm 2012-2013. Đây cũng là loài ưa

bóng, thường mọc dưới tán rừng thứ sinh, thường phân bố

dọc khe suối. Sản phẩm hiện nay từ Trà hoa vàng chủ yếu

dùng lá và hoa làm trà thực phẩm chức năng hỗ trợ chữa

các bệnh huyết áp, tim mạch, tiểu đường, u bướu … Thành

phần hóa học của nước Trà hoa vàng từ lá và hoa chủ yếu

là các hoạt chất được chiết ra trong nước ở nhiệt độ từ 70 –

900C trong thời gian từ một giờ tới nhiều giờ khi được sử

dụng pha trà.

Hiện nay ở Việt Nam việc sử dụng kỹ thuật sắc ký lỏng

phân giải cao ghép nối khối phổ Ultimate 3000 RSLC và

khối phổ phân giải cao Q Exactive Focus Orbitrap MS

(Thermo Scientific) để phát hiện các hợp chất trong cao chiết

tổng dựa trên mzCloud bằng việc ghép nối khối phổ MS/MS

từ thư viện dữ liệu phổ HRAM MS2 Spectral Libratory

Match-mzCloud còn chưa được phát triển do chưa được đầu

tư về trang thiết bị và các phần mềm phân tích xử lí số liệu,

trong khi đó trên thế giới ứng dụng này đã sử dụng rất lâu và

rất có hiệu quả trong việc phát hiện và phân tích nhanh các

thành phần hoạt chất trong dịch chiết tổng. Trong bài báo

này, chúng tôi công bố các kết quả đạt được ban đầu về thành

phần hóa học của các hợp chất có mặt trong cao chiết tổng

cồn/ nước và phân đoạn ethyl axetat giàu flavonoid của hoa

Trà hoa vàng loài Camellia Quephongnensis Hakoda et

Ninh cùng với các kết quả phân tích các thành phần khoáng

vi lượng của chúng.

122 N. V. M. Khôi, P. V. Trung, H. M. Hảo, N. T. N. Lan, G. T. K. Liên, N. T. Phương, T. Q. Thành, L. N. Hùng, L. M. Hà

2. Thưc nghiêm

2.1. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị

Nguyên liệu: Hoa trà hoa vàng (Camellia

quephongensis Hakoda et Ninh) được thu hái tại Quế

Phong, Nghệ An vào tháng 5 năm 2016 và được xác định

tên khoa học bởi đoàn nghiên cứu Nhật Bản do GS. Hakoda

phối hợp với PGS.TS. Trần Ninh.

Hóa chất: Ammonium Format, Methanol, Nước, Axít

Formic dùng cho phân tích HPLC từ hãng Fisher Scientific.

Chất chuẩn: Chất chuẩn bao gồm Quercetin (độ tinh

khiết 95%) và Rutin (độ tinh khiết 97%) được đặt mua từ

hãng Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA).

Thiết bị sử dụng

Hệ thống Sắc ký lỏng phân giải cao ghép nối khối phổ

phân giải cao bao gồm:

Sắc ký lỏng Ultimate 3000 RSLC và khối phổ phân giải

cao Q Exactive Focus Orbitrap MS (Thermo Scientific).

Điều kiện phân tích HPLC: Phân tích HPLC được thực

hiện trên Ultimate 3000 RSLC với đầu dò DAD (Thermo

Scientific, Mỹ). Thực hiện phân tách trên cột Thermo

Scientific Hypersil GOLD™ aQ Polar Endcapped cột C18,

1.9 µm, 2.1 mm × 100 mm. Pha động gồm 4mM

Ammonium Format pha trong dung dịch 0,1% Axít Formic

(Dung môi A) và 4mM Ammonium Format pha trong dung

dịch Methanol 0,1% Axít Formic (Dung môi B). Chương

trình gradient như sau: 0 – 1 phút: 5% (B), 1 – 7 phút: 98%

(B), 7 – 10 phút: 98% (B), 10,1 – 13 phút: 5% (B). Nhiệt độ:

30ºC. Thể tích tiêm mẫu: 10µL. Tốc độ dòng: 300 µL/min.

Điều kiện chạy cho khối phổ phân giải cao Q Exactive

Focus Orbitrap MS: Khối phổ tứ cực - phân giải cao

(Quadrupole-Orbitrap MS) sử dụng nguồn ion hóa H-ESI

(Ion hóa phun điện tử được gia nhiệt) với điện áp phun:

4500 V (positive), -4000 V (negative), nhiệt độ của bộ hóa

hơi: 40ºC, nhiệt độ ống chuyển ion: 275ºC. Lưu lượng khí

phun: 40 unit, lưu lượng khí hỗ trợ: 15 unit.

Sử dụng phương pháp scan sàng lọc hợp chất:

FS-ddMS2 (Full Scan + Data-dependent MS/MS). Độ

phân giải toàn dải quét: 70.000 FWHM tại m/z 200. Độ

phân giải MS/MS: 17.500 FWHM tại m/z 200. Dải Scan:

m/z 100 đến 1000, phân cực riêng. Tự động xử lý 10 tín

hiệu phụ thuộc lớn nhất. Năng lượng va chạm được chuẩn

hóa: được chia bậc với ba mức 10, 30 và 60. Độ rộng cách

ly tiên chât: 1,2 m/z. Tự động thực hiện MS/MS trên

ngưỡng cường độ: 1.5E4.

Phần mềm sử dụng

Phần mềm Thermo Scientific Compound Discoverer 2.0

Xử lý dữ liệu

Các hợp chất được xác định dựa trên mzCloud bằng

việc ghép nối khối phổ MS/MS từ thư viện dữ liệu phổ

HRAM MS2 Spectral Libratory Match-mzCloud. Các dữ

liệu chưa xử lý của dung môi blank và các mẫu chưa xác

định đã được xử lý và phát hiện các đặc tính (các hợp chất

giả định được đặc trưng bởi số khối của chúng) trong dữ

liệu MS đầy đủ và ID giả định được chỉ định cho các tính

năng này bằng cách tìm kiếm số khối chính xác và phổ

MS/MS dựa vào thư viện phổ mzCloud. Các dữ liệu chưa

xử lý từ phân cực dương (positive) và âm (negative) được

xử lý riêng.

2.2. Phương pháp tiến hành

2.2.1. Chuẩn bị mẫu

Chiết xuất cao tổng cồn/ nước: Hoa Trà hoa vàng khô

(100 gam) được nghiền thành bột mịn và ngâm chiết trong

500ml cồn: nước (7:3), siêu âm ở 50oC trong 20 phút. Lọc

thu dịch chiết và quá trình chiết được lặp lại 3 lần. Gộp dịch

chiết và quay cất chân không để loại kiệt dung môi thu

được cao tổng cồn nước, ký hiệu THV-1.

Chiết xuất phân đoạn giàu flavonoid: từ cao tổng cồn

nước THV-1 đem phân bố lại trong nước theo tỷ lệ khối

lượng dung dịch cao: nước là 1:1 và chiết phân bố với etyl

axetat, cất loại dung môi thu cao chiết ethyl axetat giàu các

hợp chất flavonoid, ký hiệu THV-2.

2.2.2. Khảo sát thành phần hóa học

Việc khảo sát thành phần hóa học được thực hiện bằng

các phương pháp phổ Hệ thống khối phổ phân giải cao

Q Exactive Focus Orbitrap MS (Thermo Scientific), và so

sánh số liệu phổ với tài liệu tham khảo.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Thành phần hóa học của cao chiết cồn/nước

Kết quả phân tích cho thấy sự có mặt của 46 hợp chất

trong cao chiết tổng cồn/ nước của Trà hoa vàng

quephongensis (mẫu THV-1).

Hình 1. Sắc ký đồ cao cồn/ nước hoa trà hoa vàng

Thành phần hóa học và thành phần phần trăm tổng (theo

diện tích pic) của cao chiết cồn/ nước của hoa Trà hoa vàng

loài Camellia quephongnensis Hakoda et Ninh được thể hiện

ở Hình 1 và Bảng 1. Kết quả cho thấy trong cao chiết cồn

nước chứa các nhóm flavonoit, polyphenol, amino axít, axít

hữu cơ, đường và dẫn xuất đường, … Trong đó, các axit hữu

cơ chiếm tỷ lệ cao nhất (55,22%), tiếp đến là các amino axit

và amin (12,24%), flavonoid (7,38%), phenol (1,97%), este

(10,02%) và còn lại là các nhóm hợp chất khác.

Bảng 1. Thành phần hóa học cao cồn/ nước hoa trà hoa vàng THV-1

TT Tên chất Tỷ lệ

% KLPT

Thời gian

lưu (phút) Mz

Đường và dẫn xuất

đường 6,90

1 Gluconic acid 0,49 196,0578 0,83 94

2 L-Glutamic acid 0,94 147,0531 0,84 86

3 α,α-Trehalose 5,47 342,1155 0,85 92

Axit 55,22

4 D-(-)-Quinic acid 24,79 192,0629 0,85 89

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 123

5 DL-Malic acid 21,63 134,0212 0,89 96

6 Pipecolic acid 3,65 129,0789 0,9 89

7 Citric acid 1,74 192,0269 1,21 74

8 Methylmalonic acid 0,43 118,0263 1,23 86

9 Succinic acid 0,68 118,0263 1,42 87

10 2,4-Dihydroxybenzoic

acid 0,24 154,0263 3,45 88

11 Adipic acid 0,12 146,0577 3,58 90

12 Gentisic acid 0,55 154,0262 3,59 92

13 2-Isopropylmalic acid 0,13 176,0682 4,11 74

14 Isophthalic acid 0,07 166,0263 4,14 92

15 Suberic acid 0,03 174,0889 5,27 79

16 3-Phenyllactic acid 0,02 166,0627 5,3 82

17 Salicylic acid 0,16 138,0313 5,42 90

18 Benzoic acid 0,31 122,0365 5,55 92

19 Azelaic acid 0,08 188,1046 5,84 83

20 Atenolol acid 0,58 267,1471 6,76 86

21 Stearic acid 0,01 284,2711 9,94 97 Amino axit và amin 12,24

22 D-(+)-Proline 12,05 115,0632 0,86 94

23 4-Oxoproline 0,07 129,0423 1,21 88

24 Adenosine 0,12 267,0967 2,71 94 Flavonoid 7,38

25 Isorhamnetin 0,11 316,0596 1,02 75

26 Catechol 0,15 110,0365 3,5 94

27 Epicatechin 3,85 290,0788 4,21 93

28 Rutin 2,65 610,1523 5,7 90

29 Quercetin-3β-D-

glucoside 0,62 464,0949 5,72 83

Phenol 1,97

30 Pyrogallol 0,08 126,0314 1,61 83

31 Gallic acid 1,62 170,0213 2,33 92

32 Vanillin 0,03 152,047 5,59 79

33 Piceatannol 0,24 244,0736 7,11 70 Aldehyde và keton 0,34

34 Phthaldialdehyde 0,19 134,0366 4,97 94

35 Benzophenone 0,15 182,0732 7,13 86 Ester 10,02

37 Diallyl phthalate 0,45 246,0892 6,14 79

38 1-Stearoylglycerol 9,57 358,3081 9,41 87 Hydrocacbon 1,30

39 1,2,3,4-Tetramethyl-

1,3-cyclopentadiene 0,14 122,1095 4,66 78

40 Methoxsalen 1,16 216,0423 6,31 95 Nhóm hợp chất khác 4,64

41 5-Hydroxymethyl-2-

furaldehyde 2,53 126,0316 0,85 80

42 4-Acetamidobutanoic

acid 0,07 145,0737 1,93 74

43 α-Lapachone 1,71 242,0942 6,61 73

44 K 0,01 272,2348 8,75 89

45 Hexadecanamide 0,18 255,2562 9,13 76

46 Tridemorph 0,14 297,3032 10,33 84

3.2. Thành phần hóa học của phân đoạn chiết ethyl

axetat giàu flavonoid

Kết quả cho thấy đã xác nhận sự có mặt của 20 hợp chất

có trong phân đoạn chiết ethyl axetat mẫu Trà hoa vàng

(mẫu THV-2).

Thành phần hóa học và thành phần phần trăm tổng (theo

diện tích pic) của các nhóm chất có trong phân đoạn chiết

ethyl axetat hoa Trà hoa vàng loài Camellia quephongnensis

Hakoda et Ninh thể hiện ở Bảng 2 và Hình 2.

Hình 2. Sắc ký đồ phân đoạn ethyl axetat hoa trà hoa vàng

Bảng 2. Thành phần hóa học cua cao chiêt ethyl axetat

hoa Trà hoa vàng THV-1

TT Tên chất Tỷ lệ

% KLPT

Thời gian

lưu (phút) Mz

Axit 12,91

1 D-(-)-Quinic acid 1,28 192,063 0,86 91

2 DL-Malic acid 3,85 134,0212 0,86 96

3 Methylmalonic acid 0,83 118,0263 1,45 86

4 Succinic acid 1,16 118,0263 0,86 87

5 2,4-Dihydroxybenzoic

acid 0,38 154,0263 0,89 88

6 Gentisic acid 2,40 154,0263 3,6 92

7 Isophthalic acid 0,12 166,0262 4,17 73

8 Salicylic acid 1,08 138,0314 4,02 87

9 Benzoic acid 0,86 122,0365 4,59 93

10 Atenolol acid 0,91 267,1471 6,66 87

11 Stearic acid 0,05 284,271 9,95 94

Flavonoid 34,10

12 Catechol 0,85 110,0365 3,52 90

13 Epicatechin 22,63 290,0789 4,23 93

14 Rutin 3,60 610,1529 5,7 87

15 Quercetin-3β-D-

glucoside 7,03 464,0949 5,72 83

Phenol 12,20

16 Pyrogallol 0,81 126,0313 0,86 80

17 Gallic acid 11,39 170,0212 0,85 94

Aldehyde và keton 0,58

18 Benzophenone 0,58 182,0732 7,13 80

Ester 39,65

19 1-Stearoylglycerol 39,65 358,3081 9,42 88

Hydrocacbon 0,56

124 N. V. M. Khôi, P. V. Trung, H. M. Hảo, N. T. N. Lan, G. T. K. Liên, N. T. Phương, T. Q. Thành, L. N. Hùng, L. M. Hà

20 1,2,3,4-

Tetramethyl-1,3-

cyclopentadiene

0,56 122,1094 4,79 81

Kết quả cho thấy, trong phân đoạn chiết ethyl axetat

hàm lượng các hợp chất flavonoid chiếm 34,10%, phenol

chiếm 12,2%, axit hữu cơ chiếm 12,91%, còn lại là các hợp

chất khác như hidrocacbon, este, aldehyd và keton.

3.3. So sánh thành phần hóa học của cao tổng cồn nước

và cao chiết phân đoạn ethyl axetat

So sánh thành phần hóa học của cao tổng cồn nước và

cao chiết phân đoạn ethyl axetat của hoa trà hoa vàng

Camellia quephongnensis được thể hiện ở Bảng 3.

Bảng 3. So sánh thành phần hóa học cao tổng cồn nước và cao chiết

phân đoạn ethyl axetat hoa trà hoa vàng Camellia quephongnensis

T

T Tên chất

Tỷ lệ % chất

trong cao

tổng cồn nước

Tỷ lệ % chất

trong cao chiết

ethyl axetat

Đường và dẫn xuất đường 6,90 0

1 Gluconic acid 0,49 0

2 L-Glutamic acid 0,94 0

3 α,α-Trehalose 5,47 0

Axit 55,22 12,91

4 D-(-)-Quinic acid 24,79 1,28

5 DL-Malic acid 21,63 3,85

6 Pipecolic acid 3,65 0

7 Citric acid 1,74 0

8 Methylmalonic acid 0,43 0,83

9 Succinic acid 0,68 1,16

10 2,4-Dihydroxybenzoic acid 0,24 0,38

11 Adipic acid 0,12 0

12 Gentisic acid 0,55 2,40

13 2-Isopropylmalic acid 0,13 0

14 Isophthalic acid 0,07 0,12

15 Suberic acid 0,03 0

16 3-Phenyllactic acid 0,02 0

17 Salicylic acid 0,16 1,08

18 Benzoic acid 0,31 0,86

19 Azelaic acid 0,08 0

20 Atenolol acid 0,58 0,91

21 Stearic acid 0,01 0,05

Amino axit và amin 12,24 0,00

22 D-(+)-Proline 12,05 0

23 4-Oxoproline 0,07 0

24 Adenosine 0,12 0

Flavonoid 7,38 34,10

25 Isorhamnetin 0,11 0

26 Catechol 0,15 0,85

27 Epicatechin 3,85 22,63

28 Rutin 2,65 3,60

29 Quercetin-3-O- β-D-glucoside 0,62 7,03

Phenol 1,97 12,20

30 Pyrogallol 0,08 0,81

31 Gallic acid 1,62 11,39

32 Vanillin 0,03 0

33 Piceatannol 0,24 0

Aldehyde và keton 0,34 0,58

34 Phthaldialdehyde 0,19 0

35 Benzophenone 0,15 0,58

Ester 10,02 39,65

37 Diallyl phthalate 0,45 0

38 1-Stearoylglycerol 9,57 39,65

Hydrocacbon 1,30 0,56

39 1,2,3,4-Tetramethyl-

1,3-cyclopentadiene

0,14 0,56

40 Methoxsalen 1,16 0

Nhóm hợp chất khác 4,64 0,00

41 5-Hydroxymethyl-2-

furaldehyde

2,53 0

42 4-Acetamidobutanoic acid 0,07 0

43 α-Lapachone 1,71 0

44 K 0,01 0

45 Hexadecanamide 0,18 0

46 Tridemorph 0,14 0

Kết quả phân tích cho thấy trong cao chiết phân đoạn

ethyl axetat không chứa các nhóm chất đường và dẫn xuất

đường, amino axit và amin cùng với nhóm các hợp chất

khác, cho thấy việc chiết phân đoạn ethyl axetat khá chọn

lọc so với cao chiêt côn/ nước. Ngoài ra trong cao chiết

ethyl axetat hàm lượng một số chất chính là flavonoid và

phenol đã tăng lên đáng kế. Hàm lượng flavonoid trong cao

tổng cồn/ nước chiếm 7,38% còn trong cao chiết phân đoạn

ethyl axetat tăng lên thành 34,1%; hàm lượng phenol trong

cao cồn là 1,97% và trong cao ethyl axetat tăng lên thành

12,2%. Các hợp chất chính được nhận dạng cả trong cao

cồn nước và cao ethyl axetat là axit gallic (số khối là

170,02, thời gian lưu là 2,33 phút), epicatechin (số khối là

290,08, thời gian lưu là 4,21 phút), quercetin-3-O-β-D-

glucopyranoside (số khối là 302,04, thời gian lưu là 6,39

phút) và rutin (số khối là 610,15, thời gian lưu là 5,70 phút).

- Gallic acid: m/z = [M-H]- = 169,0141

- Epicatechin: m/z = [M-H]- = 289,0715; [M+FA]-

=335,0768

- Quercetin-3-O-β-D-glucopyranoside: m/z = [M-H]-

=463,0876

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 125

-Rutin: [M-H]- = 609,1452

Hình 3. Sắc ký đồ khối phổ của một số chất chính trong

cao tổng cồn/ nước và cao chiết phân đoạn ethyl axetat của

hoa Trà hoa vàng Camellia quephongnensis

So với các tài liệu đã công bố khi phân tích hoa khô của

Kim hoa trà (Camellia chrysantha) thì trong cao cồn nước

không phát hiện được các chất sau:

1. vitexin, số khối là 432,38;

2. kaempferol, số khối là 286,23;

3. kaempferol-3-O-β-D-glucopyranoside, số khối là

448,37;

4. lupeol, số khối là 426,7174;

5. oleanolic acid, số khối là 456,70032;

6. daucosterol, số khối là 576,8473;

7. β-sitosterol, số khối là 414,7067;

8. protocatechuicacid, số khối là 154,12;

9. vanillin, số khối là 152,15.

3.4. Thành phần các chất vi lượng

Một trong giá trị quan trọng của hoa Trà hoa vàng là chứa

các nguyên tố vi lượng như Germanium, Selenium và

Vanadium. Đây là các chất hiếm trong cây, có nhiều ý nghĩa

trong quá trình trao đổi chất của thực vật và giúp cho quá

trình chuyển hóa, bảo vệ đời sống trong cây. Ngoài ra, các

hợp chất này còn có ý nghĩa trong cuộc sống của con người

như bổ sung các chất này cho cơ thể con người mà không

thể tự tổng hợp được. Qua phân tích thành phần các chất

Germanium, Selenium, Vanadium có trong hoa từ 0,0035 -

0,0433µg/g; trong lá từ 0,0009 - 0,0015µg/g. Như vậy, muốn

khai thác và sử dụng các hợp chất này thì nên chiết xuất hoặc

sử dụng trực tiếp dưới trạng trà ở hoa là tốt nhất.

Các chất hiếm này có ý nghĩa rất quan trọng cho cơ thể

người và động vật, nó là nguồn nguyên liệu để điều hòa

enzim. Ngoài ra, các hợp chất này còn có tác dụng chống

ung thư như: Gernarium có khả năng cải thiện và tăng

cường hệ miễn dịch, tăng cường quá trình cung cấp oxy

cho cơ thể, tiêu diệt các gốc tự do gây hại. Bảo vệ cơ thể

chống lại những tia bức xạ của môi trường.

Kết quả phân tích hàm lượng các nguyên tố vi lương

trong cao cồn nước và cao ethyl axetat thêr hiện ở Bảng 4.

Bảng 4. Hàm lượng các nguyên tố vi lượng trong cao tổng cồn

nước và cao phân đoạn ethyl axetat của hoa Trà hoa vàng

Camellia quephongnensis

Nguyên tố vi

lượng (g/g)

Cao tổng cồn

nước

Cao chiết phân

đoạn ethyl axetat

Germanium 0,0430 0,0430

Selenium 0,0035 0,0038

Vanadium 0,0086 0,0085

4. Kêt luân

Bằng kỹ thuật sắc ký lỏng phân giải cao ghép nối khối

phổ gồm: Sắc ký lỏng Ultimate 3000 RSLC và khối phổ

phân giải cao Q Exactive Focus Orbitrap MS (Thermo

Scientific) và phát hiện các hợp chất dựa trên mzCloud bằng

việc ghép nối khối phổ MS/MS từ thư viện dữ liệu phổ

HRAM MS2 Spectral Libratory Match-mzCloud, 46 hợp

chất đã được phát hiện có mặt trong cao tổng cồn nước và

20 hợp chất được phát hiện trong cao chiết phân đoạn ethyl

axetat hoa Trà hoa vàng Camellia quephongensis Hakoda et

Ninh thu tại Quế Phong, Nghệ An. Các nhóm hợp chất chính

có mặt trong cả hai cao chiết là flavonoid, phenol và este.

Trong cao chiết ethyl axetat không thấy sự có mặt của đường

và dẫn xuất đường, amino axit và amin và hàm lượng các

chất chính như flavonoid, phenol, este đã tăng lên đáng kể

so với cao cồn nước. Kết quả phân tích này là hoàn toàn phù

hợp với việc sử dụng dung môi ethyl axetat để làm giàu các

hoạt chất poliphenol theo thông dụng trong hóa học. Ngoài

ra, cũng xác định được sự có mặt của các nguyên tố vi lượng

rất đáng quí trong hoa Trà hoa vàng như germanium,

selenium và vanadium. Đây là các kết quả sơ bộ ban đầu của

nhóm chúng tôi về phân tích hoa Trà hoa vàng Camellia

quephongnensis. Các nghiên cứu tiếp theo về thành phần hóa

học các loài trà hoa vàng đang được trồng và phát triển tại

Việt Nam đang được chúng tôi tiếp tục nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu cho thấy sắc ký lỏng phân giải cao

ghép nối khối phổ là phương pháp hữu hiệu, nhanh và đơn

giản, có độ chính xác cao để nhận dạng và xác định thành

phần hóa học của cao chiết tổng và các cao chiết phân đoạn

của các dược liệu.

Lời cám ơn: Các tác giả cám ơn Dự án Đầu tư xây dựng

phòng thí nghiệm chuyên ngành hóa dược đã đầu tư thiết

bị và kinh phí để thực hiện bài báo này.

TAI LIÊU THAM KHAO

[1] Peng Xiao, YU Da-Yong, Feng Bao-Min, Tang Ling, Wang Yong-Qi, Shi

Li-Ying, Chemical constituents from the flowers of Camellia chrysantha,

Institute of Materia Medica, Dalian University, Dalian 116622, China.

[2] Li Shi Rong, Study on Isolation and Antioxidation of Flavonoids

from the Flowers of Camelliachrysantha, Guangdong Ocean University, Master's thesis, 2012.

[3] Li Cuiyun, Duan Xiaoxian, Su Jianjia, et al., impact of leaves and

flowers of camellia chrysantha (hu) tuyama of different

concentrations on diethylnitrosaminal-induced precancerous lision

to liver of rat and hepatoma cells bel-7404, Journal of Guangxi Medical University 2007-05.

(BBT nhận bài: 16/06/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 26/06/2017)

126 Sesavanh Menvilay, Giang Thị Kim Liên, Đào Hùng Cường

NHỮNG KẾT QUẢ BƯỚC ĐẦU VỀ THÀNH PHẦN HOA HOC CUA CỦ NGHỆ

VÀNG (CURCUMA LONGA. L) THU HAI Ơ TINH CHAMPASACK LÀO

PRIMARY STUDY OF CHEMICAL COMPOUNDS OF

CURCUMA LONGA. L FROM CHAMPASACK LAOS

Sesavanh Menvilay1, Giang Thị Kim Liên2, Đào Hùng Cường3 1Trường Đai hoc Champasack Lào

2Đại học Đà Nẵng; giangkimlien@gmail.com 3Trường Đại hoc Sư pham – Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt - Tinh dâu củ nghệ vàng Champasack Lào thu đươc băng phương pháp chưng cât lôi cuôn hơi nước, thanh phân cua tinh dâu đươc xac đinh băng phương phap GC-MS, cac câu tư chinh gôm: Zingiberene (22,50%), Ar- tumerone (17,40%), Eucalyptol (15,66%). Thanh phân hoa hoc cua dich chiêt ethyl acetate đươc phân tich sơ bô bang phương phap GC-MS, đa đinh danh đươc 16 câu tư. Đông thơi, tư 1 phân đoan cua cao chiêt ethylacetate nghê vang đa phân lâp đươc câu tư M1 tinh sach. Băng viêc phôi hơp cac phương pháp phổ: khối phổ (MS), phổ cộng hưởng từ hạt nhân môt chiêu va hai chiêu (1H -NMR), (13C-NMR), COSY, phổ hồng ngoại IR cấu trúc cua hợp chất nay đa đươc xac đinh la Desmethoxycurcumin (C20H18O5). Theo tra cưu tai liêu tham khao, đây la công bô đâu tiên vê thanh phân hoa hoc cua củ nghệ Lào

Abstract - The essential oil of the Curcuma Longa rhizomes from Champasack, Laos obtained by the steam distillation method contains these main components: Zingiberene (22.50%), Ar- tumerone (17.40%), Eucalyptol (15.66%) and other components that have not been identified. The constituents of ethylacetate extract from Laos’ Curcuma Longa rhizomes have been investigated using GC/MS. 16 components have been identified and some other ones have not. Also, from this extract the compound M1- Desmethoxycurcumin (C20H18O5 - DMC) has been isolated and its structure has also been determined using spectroscopic methods (MS, IR, 1D and 2D-COSY-NMR) and compared with reported data. According to references, this is the first report about chemical composition of Laos’ Curcuma Longa. L.

Từ khóa - Nghệ vàng Lào; Desmethoxycurcumin; Zingiberene; Ar- tumerone; Eucalyptol.

Key words - Laos Curcuma Longa; Desmethoxycurcumin; Zingiberene; Ar- tumerone; Eucalyptol.

1. Đặt vân đê

Từ lâu Curcumin đã được biết đến như là một hoạt chất

có nguồn gốc từ thực vật đóng vai trò quan trọng trong nền

công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm. Nhờ sự

hỗ trợ của các phương pháp vật lý hiện đạinhư phổ tử

ngoại, phổ hồng ngoại, phổ cộng hưởng từ hạt nhân, phổ

proton. các phương pháp sắc ký chẳng hạn là phương pháp

sắc ký khí, phương pháp sắc ký cột, phương pháp sắc ký

bản mỏng, phương pháp sắc ký lỏng cao áp [1, 4, 5], phù

hợp với việc nghiên cứu xác định thành phần hóa học và

cấu trúc của chất curcumin trong củ nghệ. Nghệ là một

trong những các loại cây rất phổ biến đã được sử dụng cách

đây gần 4000 năm, bắt nguồn từ văn hóa AyerVeda tại Ấn

Độ nó được thêm vào hầu hết các món ăn dù nó là thịt hay

rau. Ngày nay nghệ là nguồn hóa chất quý, có giá trị kinh

tế cao. Chính vì vậy, việc nghiên cứu chiết tách xác định

thành phần hóa học và xác định cấu trúc của hợp chất được

tách ra từ củ nghệ có ý nghĩa vô cùng quan trọng và cần

thiết. Nhiều công trình nghiên cứu ở các nước trên thế giới

đã nghiên cứu chiết tách curcumin từ củ nghệ, chất

curcumin đó có hoạt tính sinh học cao như giải độc gan,

hàn gắn vết thương, chống loát dạ dày, lưu thông và lọc

máu, điều trị bệnh Alzeimer, kháng viêm… Ngoài ra,

curcumin còn là chất chống oxy hóa mạnh, chống lão hóa

hiệu quả, giảm cholesteron trong máu, kìm hãm tế bào

HIV-1 [2,3].

Do hoạt tính sinh học quý giá của chất curcumin nên

việc nghiên cứu chiết tách, xác định thành phần hóa học,

xác định cấu trúc và sử dụng curcumin đang được nhiều

nước tiếp tục nghiên cứu sâu hơn. Trong đó có nghiên cứu

về củ nghệ Lào nhưng chưa có công trình nghiên cứu nào

nghiên cứu phân lập và xác định cấu trúc của chất curcumin

trong củ nghệ Lào. Do tầm quan trọng và ứng dụng của

chất curcumin về nhiều mặt, việc nghiên cứu phân lập và

xác định cấu trúc của curcumin trong củ nghệ Lào có ý

nghĩa quan trọngkhoa học, cũng như thực tiễn ứng dụng

các loại nghệ Lào. Mặt khác, để giúp ngành nông nghiệp

và công nghiệp của Lào chủ động được việc phát triển

giống nghệ, nguồn nguyên liệu curcumin trong nước, giúp

người dân hiểu sâu sắc về tầm quan trọng của cây và giải

quyết việc làm cho người dân, phát triển kinh tế bền vững

cho địa bàn tỉnh Champasack Lào và cũng như địa bàn bốn

tỉnh miền Nam Lào.

Bài báo này trinh bay kêt qua nghiên cưu cac điêu kiên

chiêt va phân lập hợp chất curcumin từ cao chiết nghệ vàng

Lào và xac đinh câu truc cua no bằng viêc kêt hơp cac

phương pháp hoa ly hiên đai.

2. Thưc nghiêm

2.1. Nguyên liêu

Nguyên liệu: củ nghệ vàng được thu hoạch vào tháng

4/2015 tại tỉnh Champasak – Lào.

2.2. Hóa chất và thiết bị

Các dung môi: n-hexane, ethyl acetate (EtOAc),

dichloromethane, methanol (MeOH), …

Sắc ký lơp mỏng (TLC) được thực hiện trên bản mỏng

silicagel tráng sẵn Merck 60 F254, thuốc hiện là vanillin

trong axit sunfuric đặc. Sắc ký cột sử dụng silical gel cỡ

hạt 0,04-0,063mm của hãng Merck.

Phổ hồng ngoại IR được đo trên thiết bị IMPACT 410

của hãng Nicolet Hoa Kỳ. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân

NMR: AVANCE 500 MHz của hãng Bruker, CHLB Đức

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 127

tại Viện Hóa học với TMS làm nội chuẩn cho 1H và tín hiệu

dung môi làm chuẩn cho 13C-NMR. Thiêt bi săc ky khi

ghep nôi khôi phô GC-MSAgilent 7890A/5975C tại Trung

tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Do lường Chất lượng, số 2 Ngô

Quyền, Đà Nẵng.

Các dụng cụ thiết bị khác: thiêt bi chưng cât lôi cuôn

hơi nươc, máy cô quay chân không, cân phân tích, cốc thủy

tinh, các loại pipet, giấy lọc, cột sắc ky, ...

2.3. Chưng cât va xac đinh thanh phân hoa hoc cua tinh

dâu cunghê vang

Tinh dâu nghê vang đươc chưng cât tư nghệ tươi băng

phương phap chưng cât lôi cuôn hơi nươc. Cac yếu tố ảnh

hưởng đến lượng tinh dầu tư cu nghê gôm ty lê rắn (nguyên

liệu)/lỏng (dung môi) va thơi gian chưng cât.

2.3.1. Khảo sát cac yêu tô anh hương đên qua trinh chưng

cât tinh dâu

a. Tỷ lệ rắn (nguyên liệu)/lỏng (dung môi)

100 gam nguyên liêu rắn tư cu nghê tươi đươc chưng

cât trong nươc trong thơi gian 2h vơi thê tich nươc thay đôi

tư 100 ml đên 500 ml.

b. Thơi gian chưng cât

Chưng cât 100 gam nguyên liêu vơi ty lê răn long chon

đươc tư phân a, trong cac thơi gian khac nhau tư 2h đên 7h.

2.3.2. Xac đinh thanh phân hoa hoc cua tinh dâu cu nghê vang

Thanh phân hoa hoc cua tinh dâu nghê đươc xac đinh

băng phương phap GC-MS.

2.4. Khao sat thanh phân hoa hoc

Chiết chưng ninh 500g bột nghệ vàng thu gom tư

Champasack Lào trong hê dung môi ethyl acetate: aceton

với tỷ lệ (3:1). Sau khi chiết, lọc loai bo ba mâu lây dich

chiết,loai bơt dung môi bằng máy cất quay chân không để

lại 50 ml dịch chiết, loại bỏ tinh dầu ra khỏi dịch chiết bằng

dung môi diethyl ether thu được dich chiết nghệ vàng có

màu nâu sẫm.

2.4.1. Đinh danh cac câu tư trong dich chiêt băng phương

phap GC-MS

Môt phân dich chiêt đươc đươc phân tich băng thiêt bi

GC-MS. So sánh các thông số về thời gian lưu của các cấu

tử thu được với thư viện các chất chuẩn, độ trùng lặp đạt

trên 98% đê đinh danh cac chât.

2.4.2. Phân lâp va xac đinh câu truc curcumin

Phân dich chiêt con lai cô đuôi dung môi thu đươc cao

chiết. Tiên hanhphân tach va tinh chế 5g cao chiêt bằng

phương pháp sắc ký cột, kết hợp với sắc ký lớp mỏng với

các hệ dung môi thích hợp. Chất hấp phụ được sử dụng

trong săc ky côt là silicagel 60 F524 hãng Merck [1].

Hệ dung môi thích hợp dung đê phân lâp chât la hê

n- hexane: ethylacetate vơi tỷ lệ thay đôi tư (65:35) đên

(15:85). Phân đoan thu gom tư cac binh hưng35 – 82 cho

một vết săc ky tron đêu vơi màu vàng đậm. Kêt tinh lai va

cho hơi dung môi, thu được chất răn sach mau vang, ký

hiệu là M1, có khối lượng là 0,48g (chiêm 9,6% so vơi khôi

lương cao chiêt khô) và R f = 0,625.

Phổ khối MS cua chất M1 cho pic ion phân tử [M-H]-

có số khối m/z = 337.

Phô hông ngoai IR cua chât M1 cho cac tin hiêu đăc

trưng tai ν (cm-1): 3308; 1574; 1510; 1436; 1271; 1139;

967; 824.

3. Kêt qua va thao luân

3.1. Kết quả xac đinh thành phần hóa học trong tinh dầu

củ nghệ vàng Lào

3.1.1. Kêt qua khao sat cac điêu kiên chưng cât tinh dâu

a. Ty lê răn long

Kêt qua chưng cât tinh dâu vơi cac ty lê răn/long khac

nhau đươc trinh bay trên Bảng1.

Bang 1. Kêt qua chưng cât tinh dâu vơi cac ty lê răn/ long khac nhau

TT Khối lượng

nghệ (g)

Thể tích

nước (mL)

Thời gian

chiết (giờ)

Thể tích tinh

dầu (mL)

Hàm lượng

tinh dầu (%)

1 100 100 2 0,2 0,2

2 100 200 2 0,4 0,4

3 100 300 2 0,5 0,5

4 100 400 2 0,5 0,5

5 100 500 2 0,5 0,5

Tư kêt qua ơ Bảng 1 cho thây: ơ ty lê răn/ long = 100 g

nghê/300 ml dung môi thi thê tich tinh dâu va ham lương

tinh dâu thu đươc la lơn nhât (0,5 ml, ưng vơi ham lương

0,5%). Sư dung ty lê nay cho nghiên cưu tiêp theo.

b. Thơi gian chưng cât

Kêt qua chưng cât tinh dâu vơi ty lê răn/long = 100 g

nghê/300 ml dung môi đươc lưa chon ơ Muc a,vơi cac thơi

gian chưng cât khac nhau đươc trinh bay trên Bảng 2.

Bang 2. Kêt qua chưng cât tinh dâu vơi cac thơi gian

chưng câtkhac nhau

STT Khối luợng

nghệ (g)

Thể tích

nước (mL)

Thời gian

chiết (giờ)

Thể tích tinh

dầu (mL)

Hàm lượng

tinh dầu (%)

1 100 300 2 0,5 0,5

2 100 300 3 0,5 0,5

3 100 300 4 0,6 0,6

4 100 300 5 0,7 0,7

5 100 300 6 0,8 0,8

6 100 300 7 0,8 0,8

Kết quả ơ Bảng 2cho thây tinh dâu đat thê tích va ham

lương lơn nhât (0,8%) ơ điêu kiên chưng cât vơi ty lệ

rắn/lỏng (ty lệ khôi lương nghê trong nươc) la 100g nghệ/

300ml nước trong thời gian 6 giờ. Khi thơi gian chưng cât

tiêp tuc tăng thi ham lương tinh dâu không tăng nưa.

3.1.2. Thanh phân hoa hoc cua tinh dầu nghê vang Lao

Thanh phân hoa hoc cua tinh dầu nghê vang Lao đươc

trinh bay trên Bảng 3.

Bang 3. Thanh phân hoa hoc cua tinh dầu nghê vang Lao

STT RT(phút) Tên công thức hóa học Area(%)

1 4,879 a-Pinene 0,41

2 5,128 Camphene 0,06

3 5,426 p-Phellandrene 0,04

4 5,532 P-Pinene 0,14

5 5,928 a - Phellandrene 0,12

6 6,091 (+)-4-Carene 0,13

7 6,472 Eucalyptol 15,66

128 Sesavanh Menvilay, Giang Thị Kim Liên, Đào Hùng Cường

8 6,701 1,4-Cyclohexadiene, 1-

methyl-4-(1- methylethyl)- 0,08

9 7,161 Cyclohexene, 1-methyl-4-(1-

methylethylidene) - 2,39

10 7,202 Benzene, 1- methyl-4-(1-

methylethenyl)- 0,08

11 7,544 2,6-Dimethyl-1,3,5,7-

octatetraene, E, E- 0,02

12 8,190

Bicyclo[2.2.1] heptan-2-one,

1,7,7- trimethyl-, (1s)-

(Camphor)

0,18

13 8,458 Isobomeol 0,13

14 8,605 Bomeol 0,08

15 8,735 3-Cyclohexen-1 -ol, 4-methyl-

1-(1- methylethyl)- 0,24

16 9,646 2-Cyclohexen-1 -ol, 2-methyl-

5 -(1- methylethenyl)- 0,04

17 13,096

Cyclohexane, 1 -ethenyl-1 -

methyl-2,4- bis(1 -

methylethenyl)-,[1S-

(1.alpha.,2.beta.,4.beta.)] -

0,17

18 13,955 Caryophyllene 1,06

19 14,942 alpha -Caryophyllene 4,34

20 15,385 Benzene, 1-(1,5-dimethyl -4 -

hexenyl) - 4-methyl- 2,03

21 16,070

1,3-Cyclohexadiene, 5-(1,5-

dimethyl -4 - hexenyl)-2-methyl-,

[S-(R*,S*)]- (Zingiberene)

22,50

22 16,252

Cyclohexene-1 -methyl -4 -(5-

methyl -1- methylene-4-

hexenyl) - (S)

2,06

23 16,789

Cyclohexene -3-(1,5 -

dimethyl -4 - hexenyl)- 6-

methylene-[S-(R*, S*)]

11,03

24 17,544 Gamma. - Elemene 0,37

25 20,587 Ar-tumerone 17,40

26 20,687 Tumerone 5,98

27 21,348 Curlone 3,49

28 21,580

6,10-Dimethyl-3 -(1 -

mrthylethyl)-6- cyclodecen-

1,4-dione(Curdione)

0,04

Kêt qua trong Bảng 3 cho thây, đa xac đinh đươc 28 cấu

tử trong tinh dâu nghê vang Lao.Trong đó, tropone chiếm

hàm lượng cao nhất Zingiberene (22,50%), tiếp theo là Ar-

tumerone (17,40%) và Eucalyptol (15,66%) đây là những

chất có hoạt tính sinh học rất cao [6, 7]. Kêt qua nay phu

hơp vơi cac công bô vê thanh phân tinh dâu nghê vang cua

Viêt Nam. Theo tai liêu, sô lương câu tư đươc phat hiên

trong tinh dâu nghê vang thu hai tư Đông Nai, Quang Nam,

Nghê An, Binh Dương Viêt Nam it hơn so vơi trong tinh

dâu nghê vang Lao [6, 7].

3.2. Thanh phân hoa hoc cua dich chiêt

Cac câu tư trong dich chiêt ethylacetate đinh danh băng

phương phap GC-MS đươc trinh bay trên Bảng 4.

Kết quả thu được ở Bảng 4 cho thây, băng phương phap

GC-MS đa đinh danh đươc 16 cấu tử trong đó cấu tử có

hàm luợng nhiều nhất là Ar-tumerone (17,19%). Cac câu

tư con lai chưa đươc đinh danh chiêm 47,34%.

Bang 4. Thanh phân hoa hoc cua cu nghê vang

trong dung môi ethylacetate

STT RT(phút) Tên công thức hóa học Area(%)

1 5,888 Eucalyptol 0,53

2 7,114 Phenol, 2-methoxy- 0,35

3 8,090 Bicyclo[2.2.1]heptan-2-one,

1,7,7-trimethyl-, (1R)- 0,10

4 8,341 Isobomeol 0,13

5 8,739 3 -cyclohexene-1 -ol, 1 -methyl-

4-(1 - methylethylidene) - 0,12

6 8,638 Benzenmethanol 2,24

7 9,638 Benzofuran 1,06

8 11,576 2-methoxy-4-vinylphenol 1,89

9 14,631 Caryophyllene 0,83

10 16,004 1,6,10-dodecatriene 0,32

11 17,092 Benzene, 1-(1,5-dimethyl -4 -

hexenyl) -4 - methyl- 6,06

12 17,635

1,3-cyclohexadiene, 5-(1,5-

dumethyl-4- hexenyl)-2-methyl-

3 -methylene

5,82

13 21,759 Benzene, 1 -methyl-3 -(1 -

mrthylethyl)- 1,79

14 27,001 Ar-tumerone 17,19

15 27,208 Tumerone 7,30

16 29,272 Curlone 6,93

17 Cac câu tư chưa đinh danh 47,34

3.3. Xac đinh câu truc cua chât M1

Cac tin hiêu trên phô IR cho phep dư đoan cac nhom

chưc cua chât M1 như đươc trinh bay tai Bảng5.

Bảng 5. Phân tích phổ hồng ngoại (IR) của chất M1

STT ν (cm-1)

cua chât M1

ν (cm-1)

theo tài liệu [4]

Dự kiến

nhóm chức

1 3308 3600-3300 -OH (alcol)

2 1574; 1510 1600-1400 C=C (nhân

benzen)

3 1436 1475-1300 C-H

4 1271; 1139; 967; 824 1295- 650 R2C=CHR, Ar-H

Phổ khối cua chất M1 cho pic phân tử [M-H]- có số khối

m/z = 337, ưng vơi khôi lương phân tư cua chât M1 la 338.

Phổ 1H-NMR cua chất M1 cho thấy tín hiệu của

18 proton, phổ 13C-NMR cho thây tin hiêu cua 20 nguyên

tư C kêt hơp vơi phô MS cho phep dư đoan CTPT cua chât

M1 la C20H18O5. Cac tin hiêu đôi xưng trên phô 1H-NMR

va 13C-NMR, vơi cac sô lương proton va C trong phân tư

M1 hoan toan tương ưngvơi số lương proton va C có mặt

trong phân tử Desmethoxycurcumin (C20H18O5), Ở vùng

trường cao có 1 tín hiệu proton, trong đó có một pic đơn

(s)ở độ dịch chuyển 3,88ppm là tín hiệu của nhóm(-OCH3),

ở vùng trương thấp 5,90-6,85ppm có 7 tín hiệu proton. Trên

phô NMR hai chiêu xuât hiên cac tương tac proton-proton:

H-4, H-3; H4’, H3’; H-10, H-9; H-10’, H-9’; H-6’, H7’,

phu hơp vơi cac tương tac trong phân tư cua chât

Desmethoxycurcumin.

Câu truc cua chât M1 đươc khăng đinh nhơ viêc so sanh

vơi chât Desmethoxycurcumin (Hinh 1) đươc tông hơp

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 129

theo tai liêu [5, 8, 9]. Cac công trinh công bô trên thê giơi

cho thây chất curcumin có hoạt tính sinh học cao, chioongs

đông máu, là chất chống oxy hóa mạnh, có khả năng tiêu

diệt tế bào ung thư thế hệ mới, an toàn và không gây tác

dụng phụ [5, 8, 9].

Hình 1. Công thức câu tao của desmethoxycurcumin (DMC)

(C20H18O5, M= 338)

Các số liệu phổ 1H-NMR cua chât M1 (MeOD, 500

MHz) va chât so sanh (CDCl3, 500 MHz) đươc trinh bay

trên Bảng 6.

Bảng 6. Phổ 1H-NMR (MeOD, 500 MHz) của chất M1

Vi trí

C 𝛿𝐻 (ppm) cua chât M1

𝛿𝑐 (ppm) cua

desmethoxy-curcumin

[8]

1 5,90 (brs) 5,78

2/2’

3/3’ 6,55(d; 15,5)/ 6,58 (d; 15,5) 6,46 (d; 15,8;2H)

4/4’ 7,53(d; 15,5)/ 7,54(d; 15,5) 7,57/7,59

5/5’

6/6’ 7,45(d; 8,5)/ 7,17(brs) 7,10 (dd; 8,2)/7,03 (d; 1,5)

7/7’ 7,07(d; 8,5; 2H) 6,91 (d; 8,2;2H)

8/8’

9/9’ 6,80(d; 8,5)/ 6,80(d; 8,5) 6,84 (d; 8,5;2H)

10/10’ 7,45(d; 8,5)/ 6,80(br d; 8,5) 7,44 (d; 8,5)/6,91 (d; 8,2)

OCH3 3,88(s;3H) 3,93 (s;3H)

Các số liệu phổ 13C-NMR cua chât M1 (MeOD,

125MHZ) va chât so sanh (CDCl3, 125MHZ)đươc trinh bay

trên Bảng7. Trong qua trinh đo phô 13C-NMR, dung môi sư

dung cho chât M1 la MeOD va dung môi sư dung cho

Desmethoxy-curcumin trong tai liêu tham khao la CDCl3,

điêu nay ly giai tai sao co sư chênh lêch đô chuyên dich hoa

hoc cua 1 sô tin hiêu C giưa chât M1 va chât so sanh.

Bảng 7. Phổ 13C-NMR (MeOD, 125MHZ)của chất M1

Vi trí C 𝜹𝒄 ppm125 MHz

chât M1

𝜹𝒄Desmethoxy-

curcumin [8]

1 102,0 101,2

2/2’ 184,7/184,8 183,6 (2C)

3/3’ 122,0/122,3 122,8/122,9

4/4’ 142,1/141,8 147,0/146,9

5/5’ 128,0/128,6 127,9/127,7

6/6’ 111,8/131,1 109,7 / 140,6

7/7’ 149,3/ 116,8 146,8/115,9

8/8’ 150,3/161,0 147,9/157,6

9/9’ 116,5/116,8 114,8/114,8

10/10’ 124,0/131,1 129,9/140,1

OCH3 56,4 55,9

4. Kêt luân

1. Đa khao sat va tim đươc điêu kiên chưng cât tinh dâu

cu nghê băng phương phap chưng cât lôi cuôn hơi nươc,

cho ham lương tinh dâu lơn nhât (0,8%) như sau:

- Ty lê răn/long = 100 g nghê/300 ml dung môi;

- Thơi gian chưng cât: 6h.

2. Đa xac đinh đươc thanh phân hoa hoc cua tinh dâu

cu nghê vang Lao, trong đó tropone chiếm hàm lượng cao

nhất Zingiberene (22,50%), tiếp theo là Ar- tumerone

(17,40%) và Eucalyptol (15,66%) đây là những chất có

hoạt tính sinh học rất cao.

3. Băng phương phap GC-MS đa đinh danh đươc 16

cấu tử trong dich chiêt ethylacetate, trong đó cấu tử có hàm

luợng nhiều nhất là Ar-tumerone (17,19%).

4. Tư cao chiêt ethyl acetate đã phân lập va xác định

đươc câu truc cua Desmethoxycurcumin (DMC), câu tư

nay co khôi lương kha lơn, chiêm ham lương 9,6% so vơi

khôi lương cao chiêt khô.

Theo cac tra cưu tai liêu, đây la cac kêt qua nghiên cưu

đâu tiên vê thanh phân hoa hoc cua cua nghê vang Lao.

TAI LIÊU THAM KHAO

[1] Nguyễn Kim Phi Phụng, Phương pháp cô lập hợp chất hữu cơ, NXB

Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2007.

[2] Đỗ Tất Lợi, Những cây thuốc và vị thuốc Viêt Nam, NXB Y học Hà

Nội, 2004.

[3] Nguyễn Văn Đàn, Ngô Ngọc Khuyến, Hợp chất thiên nhiên dùng

làm thuốc, NXB Y học Hà Nội, 1999.

[4] GS.TS KH. Từ Văn Mặc, Phân tích hóa lý phương pháp phổ nghiệm

nghiên cứu cấu trúc phân tử, NXB khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 2003.

[5] T. Kosuge, H. Ishida, H. Yamasaki, Studies on active Substances in

the Herbs Used for Oketsu “Stagnant blood” in Chinese Medicine. III. On the anticoagulatus principles in curcuma rhizoma,

Chem.ABull. 33 (4), 1985, p. 1499-1502.

[6] Phan Thi Hoang Anh, Nghiên cưu quy trinh chiêt tach, tông hơp dân xuât

va xac đinh tinh chât, hoat tinh cua tinh dâu va curcumin tư cây nghê

vang (Curcuma Long L.) Binh Dương, Luân an tiên si ky thuât. 2013.

[7] Trân Thi Viêt Hoa, Trân Thi Phương thao, Vu Thi Thanh Tâm,

Thanh phân hoa hoc va tinh khang oxy hoa cua nghê đen(Curcuma zedoaria Berg.) trông ơ Viêt Nam, Tap chi Phat triên KH&CN, Tâp

10, sô 04, 2007, trang 37-46.

[8] Wisut Wichitnithad 1, Ubonthip Nimmannit 1,2, Sumrit Wacharasindhu

3 and Pornchai Rojsitthisak, Synthesis, Characterization and Biological

Evaluation of Succinate Prodrugs of Curcuminoids for Colon Cancer Treatment, Molecules, 16, 2011,p. 1888-1900.

[9] Tomoko KITA,Shinsuke IMAI,Hiroshi SAWADA,Hidehiko

KUMAGAI&Haruo SETO, The Biosynthetic Pathway of

Curcuminoid in Turmeric (Curcuma longa) as Revealed by 13C-Labeled Precursors, Bioscience, Biotechnology and Biochemistry Journal, Volum72, Issue 7, 2008, p. 1789-1798.

(BBT nhận bài: 31/5/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 14/6/2017)

130 Nguyễn Trần Nguyên

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ DENDRITIC PORPHYRIN DỰA VÀO

PHẢN ỨNG CLICK

SYNTHESIS OF DENDRITIC PORPHYRIN BASED ON CLICK REACTION

Nguyễn Trần Nguyên

Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng; ntnguyen@ued.udn.vn

Tóm tắt - Dendritic zinc(II)-porphyrin có chứa các đơn vị carbazole ở bên ngoài được điều chế dựa vào phản ứng click giữa Zn-porphyrin có chứa các nhóm azide (−N3), carbazole có chứa nhóm alkyne-1 và chất xúc tác [Cu(NCCH3)4][PF6]. 5,10,15,20-Tetrakis(3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6-trimethylphenyl)porphyrin được tổng hợp dựa vào phản ứng Lindsey giữa 3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6-trimethylbenzaldehyde và pyrrole trong dung môi CH2Cl2 và chất xúc tác BF3.OEt2. Carbazole có chứa nhóm alkyne-1 được điều chế dựa vào các phản ứng alkyl hóa Friedel – Crafts, phản ứng Ullmann và phản ứng Sonogashira. Cấu trúc các sản phẩm hình thành được chứng minh bằng các phương pháp phổ MS, 1H NMR, 13C NMR. Phổ khối MALDI – TOF xuất hiện peak tương ứng với khối lượng phân tử của dendrimer có nhân Zn(II)-porphyrin. Phổ 1H NMR xuất hiện peak tương ứng với proton của các nhóm CH2 (methylene) liên kết trực tiếp với nguyên tử N của vòng triazole.

Abstract - Dendritic zinc(II)-porphyrin bearing carbazole units at the terminals has been prepared via click reaction of azide-substituted Zn-porphyrin precursors and carbazole-based terminal alkyne under [Cu(NCCH3)4][PF6] catalysis. 5,10,15,20-Tetrakis(3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6-trimethylphenyl)porphyrin is synthesized from Lindsey reaction between 3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6-trimethylbenzaldehyde and pyrrole in CH2Cl2 and BF3.OEt2 catalyst. Carbazole-based terminal alkyne is made from Friedel – Crafts alkylation, Ullmann coupling and Sonogashira coupling. The structure of products is confirmed by mass spectrometry and nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H NMR, 13C NMR). The MALDI – TOF spectrum shows the peak that corresponds with molecular weight of target dendritic porphyrin. Then there appears

a new methylene peak diagnostic for the formation of triazole groups in dendrimer.

Từ khóa - dendritic porphyrin; porphyrin; carbazole; phản ứng click; azido porphyrin

Key words - dendritic porphyrin; porphyrin; carbazole; click reaction; azido porphyrin

1. Đặt vấn đề

Vật liệu chứa porphyrin đã và đang nhận được sự quan

tâm của các nhà khoa học do chúng có những ứng dụng

hứa hẹn trong các ngành khoa học vật liệu [1], xúc tác [2],

thiết kế sensor [3], quang trị liệu trong điều trị ung thư

(photodynamic therapy – PDT) [4] và điện tử hữu cơ [5].

Vì thế, việc thiết kế và điều chế các dendritic porphyrin

(còn được gọi là các dendrimer có nhân là porphyrin) có

cấu trúc và tính chất đặc biệt là một hướng nghiên cứu thú

vị để mở rộng các ứng dụng tiềm năng của porphyrin [6].

Ngoài ra, việc lựa chọn dendron có ảnh hưởng đến cấu trúc

và tính chất của phân tử dendrimer được thiết kế. Các dẫn

xuất của carbazole có thể được xem là các phân tử dendron

tiềm năng cho các dendrimer có nhân porphyrin [7].

Carbazole là một hợp chất chứa hệ liên hợp giàu electron,

các vị trí 3, 6 và 9 là những vị trí dễ tham gia phản ứng thế

electrophile [8]. Khi thay thế nguyên tử hydro ở vị trí số 9

của carbazole bằng một vòng thơm sẽ làm giảm năng lượng

của HOMO [9] và vì vậy, dẫn xuất của carbazole có thể

được sử dụng để chế tạo vật liệu phát quang (light –

emitting device) [10]. Các nhà khoa học đã tìm ra nhiều

phương pháp để điều chế các dendrimer thế hệ mới và phản

ứng click cũng được xem là một công cụ đơn giản và hữu

hiệu để đạt được mục tiêu này. Phản ứng đóng vòng của

azide (−N3) và alkyne-1 sử dụng xúc tác Cu(I) có tính chọn

lọc lập thể cho việc hình thành sản phẩm 1,2,3-triazole thế

ở vị trí 1,4 với hiệu suất cao [11]. Trong lĩnh vực hóa học

porphyrin, một số Zn(II)porphyrin đã được kết nối với

fullerene qua cầu triazole và tính chất quang lí của chúng

cũng đã được công bố [11b,12]. Một số dendrimer chứa

nhiểu porphyrin đã được điều chế dựa vào phản ứng click

và chúng có thể được dùng để chế tạo tấm pin năng lượng

mặt trời [13]. Tuy nhiên, cho đến nay chưa có công trình

nào nghiên cứu việc kết nối giữa porphyrin và carbazole

dựa vào phản ứng click. Trong bài báo này tôi công bố việc

điều chế dendrimer có nhân porphyrin dựa vào phản ứng

click giữa azido porphyrin và carbozole chứa nhóm alkyne-

1 khi có xúc tác [Cu(NCCH3)4][PF6].

2. Phương pháp nghiên cứu

Azido porphyrin, 5,10,15,20-tetrakis(3,5-

bis(azidomethyl)-2,4,6-trimethylphenyl)porphyrin, được điều

chế dựa vào phản ứng Lindsey giữa 3,5-bis (azidomethyl)-

2,4,6-trimethylbenzaldehyde và pyrrole trong dung môi

CH2Cl2, chất xúc tác BF3.OEt2. Zn(II)porphyrin được điều chế

từ phản ứng của 5,10,15,20-tetrakis(3,5-bis(azidomethyl)-

2,4,6-trimethylphenyl)porphyrin và (CH3COO)2Zn trong

dung môi CHCl3. 3,6-Di-tert-butyl-9-(4-ethynylphenyl)-9H-

carbazole được điều chế từ carbazole dựa vào các phản ứng

alkyl hóa Friedel – Crafts, phản ứng Ullmann và phản ứng

Sonogashira. Dendrimer có nhân porphyrin được điều chế dựa

vào phản ứng click giữa Zn(II)porphyrin và 3,6-di-tert-butyl-

9-(4-ethynylphenyl)-9H-carbazole trong dung môi THF và

chất xúc tác [Cu(NCCH3)4][PF6]. Các sản phẩm điều chế được

chứng minh cấu trúc bằng các phương pháp phổ 1H NMR, 13C

NMR, MS. Phổ 1H NMR, 13C NMR được đo trên máy Bruker

Avance 300 MHz, Bruker AMX 400 MHz hoặc Bruker

Avance II+ 600 MHz. Phổ MS được đo trên máy HP5989A

apparatus (CI và EI, năng lượng ion hóa 70 eV). Phổ khối

MALDI-TOF của dendrimer được đo trên máy Bruker

Daltonics – ultraflex II & ultraflex II TOF/TOF và matrix là

axit 2,5-dihydroxylbenzoic.

3. Kết quả nghiên cứu và bình luận

3.1. Điều chế 3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6-trimethylbenzaldehyde

Phản ứng điều chế 3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6-

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 131

trimethylbenzaldehyde (4) được tiến hành tương tự phản

ứng điều chế mesitaldehyde khi cho

1,3,5-trimethylbenzene phản ứng với dichloromethyl

methyl ether khi có mặt của xúc tác axit Lewis TiCl4 [14].

Dichloromethyl methyl ether phản ứng với hợp chất thơm

theo cơ chế phản ứng alkyl hóa Friedel – Crafts, tiếp theo

là phản ứng thủy phân để tạo aldehyde thơm.

Tuy nhiên, phản ứng của 1,3-bis(bromomethyl)-2,4,6-

trimethylbenzene (1) và dichloromethyl methyl ether

(Cl2CHOCH3) tạo hỗn hợp hai sản phẩm

3,5-bis(bromomethyl)-2,4,6-trimethylbenzaldehyde (2) và

3-bromomethyl-5-chloromethyl-2,4,6-

trimethylbenzaldehyde (3). Hai aldehyde 2 và 3 không thể

tách ra khỏi nhau khi đi qua sắc kí cột. Hỗn hợp hai

aldehyde thơm này được cho phản ứng với NaN3 trong

dung môi acetone/H2O và sản phẩm 3,5-bis(azidomethyl)-

2,4,6-trimethylbenzaldehyde (4) (Hình 1) thu được ở dạng

tinh khiết sau khi tinh chế bằng sắc kí cột.

Hình 1. Điều chế 3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6-

trimethylbenzaldehyde

Hình 2. Phổ 1H NMR của 3,5-bis(azidomethyl)-

2,4,6-trimethylbenzaldehyde

Phổ 1H NMR của 3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6-

trimethylbenzaldehyde cho thấy sự xuất hiện của peak

tương ứng với nguyên tử H của nhóm –CHO ở 10.62 ppm,

peak tương ứng với 4 nguyên tử H của hai nhóm −CH2−

liên kết trực tiếp với hai nhóm –N3 ở 4.5 ppm và hai peak

tương ứng với chín nguyên tử H của ba nhóm −CH3 ở

2.54 ppm và 2.49 ppm (Hình 2).

3.2. Điều chế 3,6-di-tert-butyl-9-(4-ethynylphenyl)-

9H-carbazole

Nhóm tert-butyl được gắn vào vị trí 3 và 6 của

carbazole thông qua phản ứng alkyl hóa Friedel – Crafts

giữa carbazole (5) và tert-butyl chloride trong dung môi

CH2Cl2 để thu được sản phẩm 3,6-di-tert-butyl-9H-

carbazole (6) [15]. Sau đó, phản ứng Ullmann giữa hợp

chất 6 và 1,4-diiodobenzene khi có mặt của chất xúc tác

CuI và K2CO3, sản phẩm của phản ứng là 3,6-di-tert-butyl-

9-(4-iodophenyl)-9H-carbazole (7). Hợp chất 8 được tổng

hợp với hiệu suất 85% dựa vào phản ứng Sonogashira giữa

hợp chất 7 và (trimethylsilyl)acetylene trong hỗn hợp dung

môi THF và Et3N (tỉ lệ 1:1), và hỗn hợp xúc tác CuI và

[PPh3]2PdCl2. Sau đó hợp chất 8 được đưa về dạng alkyne-

1 (9) với hiệu suất 98% [16] (Hình 3).

Hình 3. (a) AlCl3, CH2Cl2, nhiệt độ phòng, 3-4 giờ;

(b) CuI, K2CO3, DMF, 170oC, để qua đêm; (c) [PPh3]2PdCl2,

CuI, THF, Et3N, 60oC, 8 giờ; (d) TBAF (1 M in THF), THF,

nhiệt độ phòng, 10 phút

3.3. Tổng hợp 5,10,15,20-tetrakis(3,5-bis(azidomethyl)-

2,4,6-trimethylphenyl)porphyrin

Điều kiện phản ứng điều chế porphyrin theo phương pháp

Lindsey đã được tối ưu hóa. Hiệu suất sản phẩm porphyrin thu

được phụ thuộc vào nồng độ các chất tham gia phản ứng trong

dung môi CH2Cl2 khan và lượng xúc tác BF3.OEt2 sử dụng. Ở

nồng độ 10 mM của các chất tham gia phản ứng (aldehyde

thơm và pyrrole theo tỉ lệ 1 mmol/1 mmol) trong dung môi

CH2Cl2 và 0,3 mmol BF3.OEt2, hiệu suất sản phẩm porphyrin

thu được trong khoảng từ 30 đến 40% [17].

Áp dụng điều kiện đã được tối ưu hóa vào phản ứng

điều chế 5,10,15,20-tetrakis(3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6-

trimethylphenyl)porphyrin, tuy nhiên sản phẩm phản ứng

không xuất hiện. Khi tăng thời gian phản ứng và tăng lượng

xúc tác BF3.OEt2 cũng không thu được sản phẩm mong

muốn. Ngoài ra, axit trifluoroacetic (TFA) cũng được sử

dụng thay thế cho BF3.OEt2, tuy nhiên porphyrin mong

muốn cũng không hình thành.

Năm 1989, Lindsey và Wagner đã công bố phản ứng

điều chế tetramesitylporphyrin (12). Phản ứng của

mesitaldehyde (11) và pyrrole (10) trong dung môi CH2Cl2,

chất xúc tác BF3.OEt2 hoặc TFA không thu được sản phẩm

tetramesitylporphyrin. Tuy nhiên, tetramesitylporphyrin

thu được với hiệu suất từ 29 đến 32% khi thêm 0,75%

ethanol tuyệt đối vào dung môi CH2Cl2 khan [18] (Hình 4).

Hình 4. (1) BF3.OEt2 (0,3 mmol), 0,75% C2H5OH trong CH2Cl2,

nhiệt độ phòng, 1 giờ; (2) p-chloranil, 40oC, 1 giờ

Khi dùng 0,3 mmol BF3.OEt2 và nồng độ của các chất

phản ứng 4 và 10 là 10 mM trong dung môi CH2Cl2 chứa

0,75% ethanol tinh khiết, sản phẩm thu được là 5,10,15-

tris(3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6-trimethylphenyl)corrole

1.0

00

0

4.2

35

2

6.4

02

1

3.1

78

9

Inte

gra

l

10

.62

04

4.5

04

5

2.5

47

4

2.4

96

6

1.2

57

6

(ppm)

0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0

CHO

N3N3

132 Nguyễn Trần Nguyên

(13) với hiệu suất 10% và không có porphyrin nào xuất

hiện (Hình 5).

Hình 5. (1) BF3.OEt2 (0.3 mmol), 0.75% C2H5OH trong CH2Cl2,

nhiệt độ phòng, 1 giờ; (2) p-chloranil, 40oC, 1 giờ

Khi tăng lượng chất xúc tác BF3.OEt2 lên 0,8 mmol thì

thu được sản phẩm 5,10,15,20-tetrakis(3,5-

bis(azidomethyl)-2,4,6-trimethylphenyl)porphyrin (14)

nhưng với hiệu suất thấp 9% (Hình 6).

Hình 6. (1) BF3.OEt2 (0.8 mmol), 0.75% C2H5OH trong CH2Cl2,

nhiệt độ phòng, 1 giờ; (2) p-chloranil, 40oC, 1 giờ

Hình 7. Phổ 1H NMR của 5,10,15,20-tetrakis(3,5-

bis(azidomethyl)-2,4,6-trimethylphenyl)porphyrin

Phổ 1H NMR của 5,10,15,20-tetrakis(3,5-

bis(azidomethyl)-2,4,6-trimethylphenyl)porphyrin cho

thấy sự xuất hiện của các peak: peak ở 8.56 ppm tương ứng

với tám nguyên tử H của bốn vòng pyrrole trong porphyrin,

peak ở 4.72 ppm tương ứng với 16 nguyên tử H của tám

nhóm −CH2− (nhóm methylene) liên kết với nhóm –N3,

peak ở 2.78 ppm tương ứng với mười hai nguyên tử H của

bốn nhóm CH3 tương đương, peak ở 1.93 ppm tương ứng

với hai bốn nguyên tử H của tám nhóm CH3 tương đương.

Ngoài ra còn xuất hiện peak ở - 2.38 ppm tương ứng với

hai nguyên tử H liên kết với N của vòng pyrrole (Hình 7).

3.4. Điều chế dendrimer có nhân porphyrin

Phản ứng đóng vòng giữa azide (−N3) và alkyne-1 sử

dụng xúc tác Cu(I), còn được gọi là phản ứng CuAAC hay

phản ứng click, có thể tiến hành trong nhiều loại dung môi

khác nhau và các nguồn xúc tác Cu(I) khác nhau. Phản ứng

giữa 5,10,15,20-tetrakis(3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6-

trimethylphenyl)porphyrin (14) và 3,6-di-tert-butyl-9-(4-

ethynylphenyl)-carbazole (9) được tiến hành trong dung

môi THF và xúc tác [Cu(NCCH3)4][PF6]. Tuy nhiên, sản

phẩm phản ứng là dendrimer có nhân Cu(II)porphyrin, đây

là hợp chất không phát huỳnh quang. Để tránh việc hình

thành Cu(II)porphyrin, porphyrin 14 được cho phản ứng

với (CH3COO)2Zn trong dung môi CHCl3 để tạo

Zn(II)porphyrin 15 và porphyrin này được cho phản ứng

với carbazole 9 để tạo sản phẩm dendrimer có nhân

Zn(II)porphyrin 16 với hiệu suất 30% (Hình 8).

Hình 8. (1) 1 mmol Zn(II)porphyrin, 4 mmol carbazole,

2 giọt Et3N và 0,2 mmol [Cu(NCCH3)4][PF6], 60oC, 4 giờ

Hình 9. Phổ khối MALDI – TOF của dendrimer 16

Hình 10. Phổ 1H NMR của dendrimer có nhân Zn(II)porphyrin

Sự hình thành dendrimer có nhân Zn(II)porphyrin 16

được chứng minh bằng phổ khối MALDI – TOF (Hình 9)

và phổ 1H NMR. Phổ 1H NMR (Hình 10) của dendrimer 16

cho thấy peak tương ứng với proton của nhóm −CH2N3 của

Zn(II)porphyrin 15 ở 4.7 ppm biến mất hoàn toàn và xuất

hiện peak ở 5,8 ppm là proton của nhóm methylene (CH2)

8.0

00

0

16

.1

25

12

.1

39

24

.2

08

1.9

77

5

In

te

gra

l

8.5

69

5

4.7

24

4

2.7

86

2

1.9

33

2

-2

.3

83

9

(ppm)

-2.5-1.5-0.50.51.52.53.54.55.56.57.58.5

Ng28-p

N

NH N

HN

N3N3

N3

N3

N3

N3

N3N3

8.0

00

0

16

.22

2

16

.08

3

8.1

63

0

16

.11

3

16

.20

7

15

.68

9

16

.24

0

12

.05

1

24

.15

7

14

3.9

3

Inte

gra

l

8.7

01

5

8.1

36

4

8.0

28

8

8.0

11

2

7.7

20

8

7.5

72

2

7.5

51

6

7.3

98

1

7.3

80

5

7.3

22

8

7.3

01

3

7.2

40

7

5.6

99

7

2.5

01

2

1.9

09

7

1.4

28

6

(ppm)

0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.0

DENDRIMER C

16

.22

2

16

.08

3

8.1

63

0

16

.11

3

16

.20

7

15

.68

9

Inte

gra

l

8.1

36

4

8.0

28

8

8.0

11

2

7.7

20

8

7.5

72

2

7.5

51

6

7.3

98

1

7.3

80

5

7.3

22

8

7.3

01

3

7.2

40

7

(ppm)

7.27.47.67.88.08.2

N

N N

N

NN

N

N

NN

N

N

N

NN

N

NN

NN

N

NN

N

NN

N N

NN

N

N

NN

N

N

Zn

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 133

mới tương ứng với sự hình thành vòng triazole trong sản

phẩm dendrimer.

4. Kết luận

Đã điều chế được dendrimer có nhân Zn(II)porphyrin

dựa vào phản ứng đóng vòng click giữa Zn(II)porphyrin

có nhóm azide (−N3) và carbazole có nhóm alkyne-1.

Phản ứng được tiến hành trong dung môi THF, chất xúc

tác [Cu(NCCH3)4][PF6] và hiệu suất phản ứng đạt 30%.

Phổ khối MALDI – TOF xuất hiện peak có tỉ số khối

lượng trên điện tích m/z = 1628,632 [M+], đây chính là

khối lượng phân tử của dendrimer sản phẩm. Ngoài ra,

phổ 1H NMR của sản phẩm dendrimer cho thấy sự biến

mất của peak tương ứng với proton của nhóm methylene

(CH2) liên kết với nhóm azide (−N3) trong porphyrin 15

và sự xuất hiện của peak tương ứng với proton của nhóm

methylene (CH2) liên kết với vòng triazole ở sản phẩm

dendrimer tổng hợp được.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] J. H. Chou, H. S. Nalwa, M. E. Kosal, N. A. Rakow, K. S. Suslick, The Porphyrin Handbook (Eds.: K. M. Kadish, K. M. Smith, R.

Guilard), Academic Press, San Diego, 2000, vol. 6, pp. 41-121.

[2] T. Aida, S. Inoue, K. S. Suslick, The Porphyrin Handbook (Eds.: K.

M. Kadish, K. M. Smith, R. Guilard), Academic Press, San Diego,

2000, vol. 6, pp. 133-153.

[3] T. Malinski, The Porphyrin Handbook (Eds.: K. M. Kadish, K. M. Smith,

R. Guilard), Academic Press, San Diego, 2000, vol. 6, pp. 240-250.

[4] R. K. Pandey, G. Zheng, The Porphyrin Handbook (Eds.: K. M.

Kadish, K. M. Smith, R. Guilard), Academic Press, San Diego, 2000, vol. 6, pp. 157-224.

[5] M. G. Walter, A. B. Rudine, C. C. Wamser, “Porphyrins and

phthalocyanines in solar photovoltaic cells”, J. Porphyrins

Phthalocyanines, 14, 2010, 759-792

[6] W. Maes, W. Dehaen, “Synthetic aspects of porphyrin dendrimers”,

Eur. J. Org. Chem, 2009, 4719-4752.

[7] F. Loiseau, S. Campagna, A. Hameurlaine, W. Dehaen, “Dendrimers

made of porphyrin cores and carbazole chromophores as peripheral

units. Absorption spectra, luminescence properties, and oxidation behavior”, J. Am. Chem. Soc, 127, 2005 11352-11363.

[8] A. V. Dijken, K. Brunner, H. Borner, B. M. W. Langeveld, High

Efficient OLEDs with Phosphorescent Materials (Eds.: H. Yersin),

VCH, Weinheim, 2008, pp. 326-322.

[9] H. Zhang, X. Wan, X. Xue, Y. Li, A. Yu, Y. Chen, “Selective tuning

of the HOMO–LUMO gap of carbazole-based donor–acceptor–

donor compounds toward different emission colors”, Eur. J. Org. Chem., 2010, 1681-1687.

[10] G. Bubniene, T. Malinauskas, M. Daskeviciene, V. Jankauskas, V.

Getautis, “Easily functionalizable carbazole based building blocks

with extended conjugated systems for optoelectronic applications”, Tetrahedron, 66, 2010, 3199-3206.

[11] V. V. Rostovtsev, L. G. Green, V. V. Fokin, K. B. Sharpless, “A

stepwise huisgen cycloaddition process: copper(I)-catalyzed

regioselective "ligation" of azides and terminal alkynes”, Angew.

Chem. Int. Ed., 41, 2002, 2596-2599.

[12] Y. Hizume, K. Tashiro, R. Charvet, Y. Yamamoto, A. Saeki, S. Seki,

T. Aida, “Chiroselective assembly of a chiral porphyrin−fullerene dyad: Photoconductive nanofiber with a top-class ambipolar charge-

carrier mobility”, J. Am. Chem. Soc., 132, 2010, 6628-6629

[13] A. Takai, M. Chkounda, A. Eggenspiller, C. P. Gros, M. Lachkar, J. M.

Barbe, S. Fukuzumi, “Efficient photoinduced electron transfer in a

porphyrin tripod−fullerene supramolecular complex via π−π interactions in nonpolar media”, J. Am. Chem. Soc., 132, 2010, 4477-4489.

[14] A. P. Yakubov, M. V. Tsyganov, L. I. Belen’kii, M. M. Krayushkin,

“Formylation and dichloromethylation as alternative directions of

rieche reaction. A novel to the synthesis of sterically hindered

aromatic dialdhydes”, Tetrahedron, 49, 1993, 3397-3404.

[15] V. C. Gibson, S. K. Spitzmesser, A. J. P. White and D. J. Williams,

“Synthesis and reactivity of 1,8-bis(imino)carbazolide complexes of iron, cobalt and manganese”, Dalton Trans., 13, 2003, 2718-2727

[16] Z. Zhu, J. S. More, “Synthesis and characterization of

monodendrons based on 9-phenylcarbazole”, J. Org. Chem., 65,

2000, 116-123.

[17] J. Zhang, Y. Li, W. Yang, S.-W. Lai, C. Zhou, H. Liu, C. -M. Che,

Y. Li, “A smart porphyrin cage for recognizing azide anions”, Chem.

Commun., 48, 2012, 3602-3604.

[18] J. S. Lindsey, R. W. Wagner, “Investigation of the synthesis of ortho-

substituted tetraphenylporphyrins”, J. Org. Chem., 54, 1989, 828-836.

(BBT nhận bài: 31/05/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 07/06/2017)

134 Đậu Bá Thìn, Trịnh Thị Hoa, Hoàng Văn Chính

ĐA DẠNG HỌ GỪNG (ZINGIBERACEAE)

Ở VƯỜN QUỐC GIA BẾN EN, THANH HÓA

DIVERSITY OF PLANTS OF ZINGIBERACEAE

AT BEN EN NATIONAL PARK, THANH HOA PROVINCE

Đậu Bá Thìn1, Trịnh Thị Hoa2, Hoàng Văn Chính1 1Trường Đại học Hồng Đức; daubathin@hdu.edu.vn

2Trường THPT Đào Duy Từ, Thanh Hóa

Tóm tắt - Kết quả nghiên cứu họ Gừng (Zingiberaceae) ở Vườn Quốc gia (VQG) Bến En, Thanh Hóa, mẫu được thu từ năm 2015 đến năm 2017. Bước đầu đã xác định được 31 loài, 7 chi, trong đó 2 chi và 19 loài bổ sung cho danh lục VQG Bến En (2007, 2008, 2013). Các chi đa dạng nhất tại khu vực nghiên cứu là Riềng (Alpinia) -12 loài, Gừng (Zingiber) -7 loài, Sa nhân (Amomum) - 5 loài. Các loài cây thuộc họ Gừng (Zingiberaceae) ở khu vực nghiên cứu có các giá trị sử dụng khác nhau như: cho tinh dầu 31 loài, làm thuốc 27 loài, làm gia vị 8 loài, ăn được và làm cảnh 3 loài. Họ Gừng ở khu vực nghiên cứu có 3 yếu tố địa lý chính: yếu tố nhiệt đới chiếm 64,52% tổng số loài; yếu tố ôn đới chiếm 6,45% và yếu tố đặc hữu chiếm 29,03%.

Abstract - This paper presents some results of research on family Zingiberaceae at Ben En National Park, Thanh Hoa province, from 2015 to 2017. A total of 31 species belonging to 7 genera of Zingiberaceae were collected and identified. There were 2 genera and 19 species found as new records for the plant list of Ben En published in 2007, 2008 and 2013. Alpinia was the richest genus (12 species), then followed by Zingiber (7 species), Amomum (5 species) and other genera (1 to 4 species). The number of useful plant species of the Zingiberaceae is categorized as follows: 31 species supplying essential oil, 27 species as medicinal plants, 8 species for spices, 3 species being edible and 3 species being ornamental. The Zingiberaceae at Ben En National park is mainly comprised of the tropical element (64.52%), temperate element (6.45%) and endemic element (29.03%).

Từ khóa - đa dạng; họ Gừng; Bến En; Vườn Quốc gia; Thanh Hóa. Key words - diversity; Zingiberaceae; Ben En; National Park; Thanh Hoa.

1. Mở đầu

Ở Việt Nam, đến nay họ Gừng đã biết có khoảng 19 chi

với 141 loài và 3 thứ, phân bố ở nhiều vùng trong cả nước

[2]. Trong đó nhiều loài có giá trị rất quan trọng, chủ yếu

làm thuốc chữa bệnh như: Riềng thuốc (Alpinia

officinarum Hance) làm gia vị và làm thuốc; Nghệ

(Curcuma domestica Val.) làm thuốc chữa bệnh đau dạ

dày, bệnh vàng da; Gừng (Zingiber officinale Rosc.) làm

mứt, làm thuốc,... [3].

Vườn Quốc gia (VQG) Bến En nằm cách thành phố

Thanh Hoá khoảng 45 km về phía Tây Nam thuộc địa

phận hai huyện Như Xuân và Như Thanh tỉnh Thanh

Hóa. VQG Bến En được thành lập theo Quyết định số 33-

CT ngày 27/01/1992 của Chủ tịch Hội đồng Bộ trưởng

(nay là Thủ tướng Chính phủ) là một quần thể sinh thái

có hệ thống núi, hồ với tổng diện tích quản lý là

14.734,67 ha, trong đó phân khu bảo vệ nghiêm ngặt là

6.388,30 ha, phân khu phục hồi sinh thái là 6.346,37 ha

và phân khu hành chính dịch vụ là 2.000 ha. VQG Bến

En gồm 16 tiểu khu, hồ sông Mực và khu núi đá Hải Vân.

Hiện nay, đã có một số công trình nghiên cứu về đa dạng

thực vật ở VQG Bến En, tuy nhiên nghiên cứu đầy đủ về

taxon bậc họ thì chưa có nghiên cứu nào. Bài báo này là

kết quả nghiên cứu về họ Gừng (Zingiberaceae) ở

VQG Bến En nhằm cung cấp thêm những dẫn liệu để góp

phần bảo tồn, khai thác và phát triển nguồn tài nguyên

thực vật có hiệu quả.

2. Phương pháp nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là các loài thuộc họ Gừng phân

bố ở VQG Bến En, Thanh Hóa.

- Mẫu vật được thu thập theo phương pháp nghiên cứu

của Nguyễn Nghĩa Thìn [11], R.M. Klein và D.T. Klein [7],

thời gian thực hiện từ tháng 8/2015 đến 03/2017.

- Định loại: Sử dụng phương pháp hình thái so sánh theo

các tài liệu của Phạm Hoàng Hộ [5], Nguyễn Quốc Bình [2],

Thực vật chí Trung Quốc [12].

- Đánh giá về giá trị sử dụng dựa vào phương pháp phỏng

vấn có sự tham gia (PRA) và các tài liệu của Võ Văn Chi

[3], Trần Đình Lý và cộng sự [8], Nguyễn Quốc Bình [2].

- Đánh giá yếu tố địa lý theo Nguyễn Nghĩa Thìn [11].

3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

3.1. Đa dạng về thành phần loài

Qua điều tra, thu mẫu và định loại đã xác định được 31

loài của 07 chi thuộc họ Gừng (Zingiberaceae) ở VQG Bến

En, Thanh Hóa. So với kết quả nghiên cứu của Đỗ Ngọc

Đài và cộng sự [4], Hoang Van Sam và cộng sự [10], danh

lục thực vật trong báo cáo dự án Quy hoạch bảo tồn và phát

triển bền vững rừng đặc dụng VQG Bến En đến năm 2020

của Ban Quản lý VQG Bến En (2013) [1], đã bổ sung được

02 chi và 19 loài (là những loài đánh dấu *) thuộc họ Gừng

ở VQG Bến En, Thanh Hóa.

Kết quả chi tiết được trình bày tại Bảng 1.

Bảng 1. Danh lục các loài họ Gừng (Zingiberaceae) ở Vườn Quốc gia Bến En, Thanh Hóa

TT Tên khoa học Tên Việt Nam Yếu tố địa lý Giá trị sử dụng

1 Alpinia galanga (L.) Willd. Riềng nếp 5.4 E, M, S

2 Alpinia globosa (Lour.) Horan. Sẹ 6.1 E, M

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 135

TT Tên khoa học Tên Việt Nam Yếu tố địa lý Giá trị sử dụng

3 Alpinia kwangsiensis T. L. Wu & S. J. Chen* Riềng quảng tây 4.4 E, Ed, M

4 Alpinia macroura K. Schum.* Riềng đuôi nhọn 4.4 E

5 Alpinia malaccaensis (Burm. f.) Rosc.* Riềng malacca 4 E, M

6 Alpinia menghaiensis S.Q. Tong & Y. M. Xia* Riềng meng hai 6.1 E, Ed, M

7 Alpinia napoensis H. Dong & G. J. Xu Riềng 6.1 E, M

8 Alpinia oblongifolia Hayata* Riềng tàu 4.1 E, M, S

9 Alpinia officinarum Hance* Riềng thuốc 4 E, M, S

10 Alpinia polyantha D. Fang* Riềng nhiều hoa 6.1 E, M

11 Alpinia tonkinensis Gagnep.* Riềng bắc bộ 6.1 E, M

12 Alpinia zerumbet (Pers.) B. L. Burtt. & R. M. Sm. Riềng đẹp 5.4 E, M, Or

13 Amomum gagnepainii T. L. Wu, K. K. Larsen & Turland* Riềng ấm 6.1 E, M, S

14 Amomum maximum Roxb.* Đậu khấu chín cánh 4 E, M

15 Amomum muricarpum Elmer* Sa nhân quả có mỏ 4.1 E, M

16 Amomum villosum Lour. Sa nhân 4.2 E, M, S

17 Amomum xanthoides Wall. ex Baker* Sa nhân ké 4.2 E, M, S

18 Curcuma aromatica Salisb. Nghệ trắng 4.2 E, M

19 Curcuma longa L. Nghệ 2.2 E, M, S

20 Curcuma zedoaria (Berg.) Rosc. Nghệ đen 4 E, Ed, M

21 Distichochlamys benenica Q. B. Nguyen & Škorničk Gừng đen bến en 6 E, M

22 Hedychium gardnerianum Rosc.* Ngải tiên gardner 4.2 E

23 Hedychium villosum Wall.* Ngải tiên lông 4 E

24 Kaempferia galanga L.* Địa liền 3.1 E, M

25 Zingiber eberhardtii Gagnep. Gừng eberhardt 6 E

26 Zingiber gramineum Blume* Gừng lúa 4.1 E, M

27 Zingiber monophyllum Gagnep.* Gừng một lá 6 E, M

28 Zingiber montanum (Koenig) Link ex A. Dietr* Gừng núi 4 E, M

29 Zingiber officinale Rosc. Gừng 4 E, M, S

30 Zingiber rubens Roxb.* Gừng đỏ 4.2 E, M, Or

31 Zingiber zerumbet (L.) Smith Gừng gió 4 E, M, Or

Ghi chú: M (cây làm thuốc); E (cây cho tinh dầu); Or (cây làm cảnh); S (cây làm gia vị); 2.2 (Nhiệt đới châu Á, châu Phi

và Châu Mỹ); 3.1 (Nhiệt đới châu Á và châu Úc); 4 (Nhiệt đới châu Á); 4.1 (Đông Dương – Malêzi); 4.2 (Lục địa châu Á

nhiệt đới); 4.4 (Đông Dương - Nam Trung Quốc); 5.4 (Đông Á); 6 (Đặc hữu Việt Nam); 6.1 (Cận đặc hữu Việt Nam).

3.2. Đa dạng các bậc taxon

Từ bảng danh lục các loài thực vật thuộc họ Gừng

(Zingiberaceae), tiến hành phân tích sự đa dạng loài. Kết

quả được trình bày tại Bảng 2.

Bảng 2. Phân bố số lượng loài trong các chi

của họ Gừng (Zingiberaceae) ở VQG Bến En

TT Chi Loài

Tên Latinh Tên Việt Nam Số lượng Tỷ lệ %

1 Alpinia Riềng 12 38,71

2 Amomum Sa nhân 5 16,13

3 Curcuma Nghệ 3 9,68

4 Distichochlamys Gừng đen 1 3,23

5 Hedychium Ngải tiên 2 6,45

6 Kaempferia Địa liền 1 3,23

7 Zingiber Gừng 7 22,58

Tổng 31 100

Qua Bảng 2 cho thấy, trong số 7 chi thuộc họ Gừng ở

khu vực nghiên cứu, Alpinia là chi giàu loài nhất với

12 loài (chiếm 38,71% tổng số loài), tiếp đến là Zingiber

có 7 loài (chiếm 22,58% tổng số loài), Amomum có 5 loài

(chiếm 16,13% tổng số loài), Curcuma có 3 loài (chiếm

9,68% tổng số loài), 1 chi có 2 loài (chiếm 6,45% tổng số

loài) là Hedychium, 2 chi có 1 loài (chiếm 3,23% tổng số

loài) là Distichochlamys và Kaempferia.

So với kết quả nghiên cứu của Nguyễn Quốc Bình khi

nghiên cứu họ Gừng ở Việt Nam [2], cho thấy mặc dù với

diện tích chỉ chiếm gần bằng 0,05% tổng diện tích của cả

nước, nhưng tại VQG Bến En, Thanh Hóa họ Gừng có 7/19

chi (chiếm 36,84% tổng số chi) và 31/144 loài (chiếm

21,53% tổng số loài) thuộc họ Gừng của Việt Nam. Chứng

tỏ, sự phân bố của họ Gừng ở VQG Bến En, Thanh Hóa

khá đa dạng về bậc chi.

3.3. Đa dạng về giá trị sử dụng

Gia tri sư dung cua cac loai trong ho Gừng ơ VQG Bến

En, Thanh Hóa được xác định dưa vao phương pháp phỏng

vấn có sự tham gia (PRA) và cac tai liêu: “1900 cây có ích

của Việt Nam” Trần Đình Lý và cộng sự [8], “Từ điển cây

thuốc Việt Nam” của Võ Văn Chi [3], “Cây cỏ Việt Nam”

136 Đậu Bá Thìn, Trịnh Thị Hoa, Hoàng Văn Chính

của Phạm Hoàng Hộ [5], “Những cây thuốc và vị thuốc Việt

Nam” của Đỗ Tất Lợi [9], “Lâm sản ngoài gỗ Việt Nam” của

Triệu Văn Hùng [6], … đã xác định được 31 loai chiêm

100% tông sô loai trong họ Gừng đươc sư dung vao cac muc

đích khac nhau như lam thuôc, làm gia vị, lấy tinh dầu, ăn

được, làm cảnh. Trong đo, 1 loai co thê có 1 hoăc nhiêu gia

tri sư dung khac nhau như: 04 loai có 1 gia tri sư dung; 13

loai có 2 gia tri sử dụng; 14 loai cho 3 gia tri sư dung. Gia tri

sư dụng của các loài thực vật thuôc họ Gừng (Zingiberaceae)

ở VQG Bến En, Thanh Hóa được trình bày ở Bảng 3.

Bảng 3. Giá trị sử dụng của các loài

thuộc họ Gừng (Zingiberaceae) ở VQG Bến En, Thanh Hóa

TT Công dụng Ký hiệu Số lượng Tỷ lệ %

1 Nhóm cây cho tinh dầu

(Essential Oil) E 31 100

2 Nhóm cây làm thuốc

(Medicine) M 27 87,10

3 Nhóm cây làm gia vị

(Spices) S 8 25,81

4 Nhóm cây ăn được

(Edible) Ed 3 9,68

5 Nhóm cây làm cảnh

(Ornamental) Or 3 9,68

- Nhóm cây cho tinh dầu: Là nhóm có số lượng loài

đứng thứ nhất với 31 loài chiếm 100% trong tổng số loài

hiện biết, cho thấy nguồn tài nguyên chứa tinh dầu họ Gừng

ở VQG Bến En đa dạng, gồm một số loài điển hình như:

Sẹ (Alpinia globosa (Lour.) Horan.), Riềng quảng tây

(Alpinia kwangsiensis T. L. Wu & S. J. Chen), Riềng đuôi

nhọn (Alpinia macroura K. Schum.), Riềng malacca (Alpinia

malaccaensis (Burm.f.) Rosc.), Riềng bắc bộ (Alpinia

tonkinensis Gagnep.), Đậu khấu chín cánh (Amomum

maximum Roxb.), Sa nhân quả mỏ (Amomum muricarpum

Elmer), Riềng ấm (Amomum gagnepainii T. L. Wu, K. K.

Larsen & Turland), Nghệ (Curcuma longa L.), Gừng

(Zingiber officinale Rosc.), ....

- Nhóm cây làm thuốc: Là nhóm có số lượng loài đứng

thứ hai với 27 loài chiếm 87,10% tổng số loài hiện biết,

một số loài điển hình như: Sẹ (Alpinia globosa (Lour.)

Horan.), Riềng quảng tây (Alpinia kwangsiensis T. L. Wu

& S. J. Chen), Riềng (Alpinia napoensis H. Dong & G. J.

Xu), Riềng thuốc (Alpinia officinarum Hance), Riềng bắc

bộ (Alpinia tonkinensis Gagnep.), Đầu khấu chín cánh

(Amomum maximum Roxb.), Sa nhân quả mỏ (Amomum

muricarpum Elmer), Riềng ấm (Amomum gagnepainii T.

L. Wu, K. K. Larsen & Turland), Nghệ (Curcuma longa

L.), Gừng (Zingiber officinale Rosc.), ....

- Nhóm cây làm gia vị: Nhóm này có 08 loài chiếm

25,81% trong tổng số loài hiện biết, gồm những loài điển

hình như: Riềng nếp (Alpinia galanga (L.) Willd.), Riềng tàu

(Alpinia oblongifolia Hayata), Riềng thuốc (Alpinia

officinarum Hance), Riềng ấm (Amomum gagnepainii T. L.

Wu, K. K. Larsen & Turland), Nghệ (Curcuma longa L.),

Gừng (Zingiber officinale Rosc.), ....

- Nhóm cây ăn được và làm cảnh: Đây là hai nhóm có số

lượng loài ít nhất với 03 loài ở mỗi nhóm (chiếm 9,68% tổng

số loài hiện biết).

Nhóm cây ăn được gồm Riềng quảng tây (Alpinia

kwangsiensis T. L. Wu & S. J. Chen), Riềng meng hai

(Alpinia menghaiensis S.Q. Tong & Y. M. Xia) và Nghệ đen

(Curcuma zedoaria (Berg.) Rosc.).

Nhóm cây làm cảnh vì có hoa đẹp như: Riềng đẹp

(Alpinia zerumbet (Pers.) B. L. Burtt. & R. M. Sm.), Gừng

đỏ (Zingiber rubens Roxb.) và Gừng gió (Zingiber zerumbet

(L.) Smith).

3.4. Đa dạng về yếu tố địa lý

Từ bảng danh mục các loài thực vật thuộc họ Gừng

(Zingiberaceae), áp dụng hệ thống phân loại các yếu tố địa

lý theo Nguyễn Nghĩa Thìn [11], đã xác định được sự phân

bố yếu tố địa lý của 31/31 loài (chiếm 100%) trong họ

Gừng ở VQG Bến En, Thanh Hóa. Kết quả được trình bày

tại Bảng 4.

Bảng 4. Yếu tố địa lý của các loài

trong họ Gừng (Zingiberaceae) ở VQG Bến En, Thanh Hóa

Các yếu tố địa lý (ký hiệu) Số loài Tỷ lệ (%)

Liên nhiệt đới (2.2) 1 3,23

Cổ nhiệt đới (3.1) 1 3,23

Nhiệt đới châu Á (4; 4.1; 4.2; 4.4) 18 58,06

Ôn đới Bắc (5.4) 2 6,45

Đặc hữu Việt Nam (6; 6.1) 9 29,03

Tổng 31 100

Kết quả Bảng 4, cho thấy trong các yếu tố địa lý, yếu tố

nhiệt đới châu Á chiếm tỷ lệ cao nhất với 18 loài (chiếm

58,06%), tiếp đến yếu tố đặc hữu Việt Nam với 09 loài

(chiếm 29,03%), yếu tố ôn đới với 02 loài (chiếm 6,45%),

yếu tố liên nhiệt đới và cổ nhiệt đới mỗi yếu tố 1 loài

(chiếm 3,23%).

Qua đó cho thấy tính độc đáo của các loài thuộc họ Gừng

ở VQG Bến En, Thanh Hóa đặc trưng cho khu hệ thực vật

mang tính nhiệt đới. Trong đó, có 03 loài (chiếm 9,68%) là

đặc hữu Việt Nam, bao gồm: Gừng đen bến en

(Distichochlamys benenica Q. B. Nguyen & Škorničk),

Gừng eberhardt (Zingiber eberhardtii Gagnep.) và Gừng một

lá (Zingiber monophyllum Gagnep.), đặc biệt chi Gừng đen

(Distichochlamys) đặc hữu ở khu vực Bắc Trung Bộ và loài

Gừng đen bến en (Distichochlamys benenica Q. B. Nguyen

& Škorničk) là đặc hữu ở Bến En; 06 loài (chiếm 19,35%)

thuộc loài cận đặc hữu Việt Nam: Sẹ (Alpinia globosa (Lour.)

Horan.), Riềng meng hai (Alpinia menghaiensis S.Q. Tong &

Y. M. Xia), Riềng (Alpinia napoensis H. Dong & G. J. Xu),

Riềng nhiều hoa (Alpinia polyantha D. Fang), Riềng bắc bộ

(Alpinia tonkinensis Gagnep.) và Riềng ấm (Amomum

gagnepainii T. L. Wu, K. K. Larsen & Turland).

4. Kết luận

- Kết quả nghiên cứu đã xác định được 31 loài, 07 chi

của họ Gừng ở VQG Bến En, Thanh Hóa, trong đó có

02 chi và 19 loài lần đầu tiên được tìm thấy tại khu vực này.

- Các chi đa dạng nhất tại khu vực nghiên cứu là Alpinia

(12 loài), Zingiber (7 loài), Amomum (5 loài).

- Các loài cây họ Gừng ở khu vực nghiên cứu có các giá

trị sử dụng khác nhau, 31 loài cho tinh dầu, 27 loài làm thuốc,

8 loài sử dụng làm gia vị, 3 loài ăn được và 3 loài làm cảnh.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 137

- Họ Gừng ở khu vực nghiên cứu thuộc 5 yếu tố địa lý

chính, yếu tố nhiệt đới châu Á chiếm 58,06%, yếu tố đặc hữu

Việt Nam chiếm 29,03%, yếu tố ôn đới chiếm 6,45%, yếu tố

liên nhiệt đới và cổ nhiệt đới mỗi yếu tố chiếm 3,23%.

Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đề tài

Cấp Bộ, Mã số: B2017-HĐT-03.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Ban Quản lý VQG Bến En, Báo cáo dự án Quy hoạch bảo tồn và phát triển bền vững rừng đặc dụng VQG Bến En đến năm 2020,

Thanh Hóa, 2013.

[2] Nguyễn Quốc Bình, Nghiên cứu phân loại họ Gừng (Zingiberaceae)

ở Việt Nam, Luận án Tiến sĩ Sinh học, Viện Sinh thái và Tài nguyên

sinh vật, 2011.

[3] Võ Văn Chi, Từ điển cây thuốc Việt Nam, Tập 2, Nxb Y học, Hà

Nội, 2012.

[4] Đỗ Ngọc Đài và nnk, “Đánh giá tính đa dạng hệ thực vật bậc cao có

mạch trên núi đá vôi VQG Bến En, Thanh Hóa”, Tạp chí Nông

nghiệp và Phát triển Nông thôn, số 19, Nxb Nông nghiệp-Hà Nội, 2017, 6 trang (106-111).

[5] Phạm Hoàng Hộ, Cây cỏ Việt Nam, tập 1, Nxb trẻ, TP HCM, 2000.

[6] Triệu Văn Hùng, Lâm sản ngoài gỗ Việt Nam, Nxb Bản đồ, Hà

Nội, 2007.

[7] Klein R.M., Klein D.T., Phương pháp nghiên cứu thực vật, Tập 2, Nxb

Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1979.

[8] Trần Đình Lý, 1900 loài cây có ích ở Việt Nam, Nxb Thế giới, 1993.

[9] Đỗ Tất Lợi, Những cây thuốc và vị thuốc Việt Nam, Nxb Khoa học

và Kỹ thuật, Hà Nội, 2003.

[10] Hoang Van Sam, Pieter Baas, Paul A. J. Kessler: Plant Biodiversity

in Ben En National Park, Vietnam, Agriculture Publishing House, Hanoi, 2008.

[11] Nguyễn Nghĩa Thìn, Các phương pháp nghiên cứu thực vật. Nxb

Đại học Quốc gia Hà Nội, 2008.

[12] Delin Wu & Kai Larsen, Zingiberaceae in Flora of China, Science

Press, Beijing, and Missouri Botanical Garden Press, St. Louis,

2000.

(BBT nhận bài: 27/04/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 06/06/2017)

138 Nguyễn Phước Triệu, Cao Văn Hùng, Nguyễn Thị Phương Thảo

ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ MẶN ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN

PHÔI CÁ MAO ẾCH (Allenbatrachus grunniens LINNAEUS, 1758)

EFFECT OF TEMPERATURE AND SALINITY ON EMBRYONIC DEVELOPMENT

OF GRUNTING TOADFISH (Allenbatrachus grunniens LINNAEUS, 1758)

Nguyễn Phước Triệu, Cao Văn Hùng, Nguyễn Thị Phương Thảo

Phân Viện Nghiên cứu Hải sản phía Nam; phuoctrieu094@gmail.com

Tóm tắt - Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và độ mặn lên sự phát triển phôi cá mao ếch bao gồm hai nội dung, thí nghiệm 1 được bố trí ở 3 mức nhiệt độ là 28°C, 30°C và 32°C và thí nghiệm 2 được bố trí ở 5 mức độ mặn là 14‰, 17‰, 20‰, 23‰ và 26‰. Kết quả cho thấy thời gian từ khi trứng được thụ tinh đến lúc nở ở nhiệt độ 32°C (319 giờ) ngắn hơn so với ở 28°C và 30°C. Tỷ lệ nở đạt cao nhất ở nhiệt độ 28°C (57,6%), thấp nhất là ở 32°C (44,8%). Tỷ lệ dị hình bắt gặp cao nhất ở nhiệt độ 32°C đạt 9,5%, thấp hơn ở 28°C và 30°C lần lượt là 4,3% và 5,9%. Độ mặn cũng ảnh hưởng đến sự phát triển của phôi cá mao ếch. Thời gian trứng nở nhanh nhất ở độ mặn 26‰ (333 giờ). Tỷ lệ trứng nở ra cao nhất ở độ mặn 20‰ (59,4%), thấp nhất là ở 14‰ (36,6%). Tỷ lệ dị hình đạt cao nhất ở độ mặn 14‰ (4,2%) thấp hơn ở 26‰ (4,1%), 17‰ (3,7%), thấp nhất là 20‰ (3,3%).

Abstract - The study consists of two individual experiments about the effects of temperature and salinity on embryonic development of Grunting Toadfish. The first experiment is conducted at three different temperatures of 28°C, 30°C and 32°C. The second is conducted at five different levels of salinity of 14‰, 17‰, 20‰, 23‰ and 26‰. The results show that the time for the eggs to be fertilized and hatch at temperature level of 32°C is shorter than at 28°C and 30°C. The highest hatching rate is at 28°C (57.6%), the lowest is at 32°C (44.8%). The highest deformity rate is found in treatment of 32°C (9.5%) lower than at 28oC and 30oC respectively of 4.3% and 5.9%. The salinity also affects the embryonic development of Grunting Toadfish. The fastest hatching time is at 26‰, (333h). The highest hatching rate is at 20‰, (59.4%), the lowest is at 14 ‰, (36.6%). The highest deformity rate is at 14‰, (4.2%) lower than at 26‰, (4.1%); 17‰, (3.7%), the lowest is at 20‰, (3.3%).

Từ khóa - Cá mao ếch; Allenbatrachus grunniens; ảnh hưởng của nhiệt độ; ảnh hưởng của độ mặn; quá trính phát triển phôi

Key words - Grunting Toadfish; Allenbatrachus grunniens; effect of temperature; effect of salinity; embryonic development

1. Đặt vấn đề

Cá mao ếch Allenbatrachus grunniens (Linnaeus,

1758) là loài rộng muối, chúng thường sống ở vùng cửa

sông nước lợ, nước mặn, nền đáy khu vực có đá sỏi, gốc

cây, ẩn mình trong hang hốc, dưới lớp bùn cát,… phân bố

ở Tây Thái Bình - Ấn Độ Dương, vịnh Persian và vùng

châu thổ sông Mê Kông (www.fishbase.org). Ở giai đoạn

phát triển phôi các yếu tố môi trường như: nhiệt độ, pH, độ

mặn, oxy hòa tan,… trong đó, nguyên nhân ảnh hưởng trực

tiếp tới sự phát triển và tỷ lệ nở của trứng cá là nhiệt độ và

độ mặn (Alderdice, 1988).

Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phát triển và quá trình trao

đổi chất của phôi, nhiệt độ càng cao thời gian phát triển phôi

càng ngắn và ngược lại, nhưng tỷ lệ dị hình càng cao

(Arenzona et al., 2002; Vũ Văn Sáng và Trần Thế Mưu, 2013;

Vũ Văn Sáng và ctv., 2013); Độ mặn quá thấp hay quá cao thì

quá trình phát triển và nở của phôi bị chậm do phải tiêu tốn

năng lượng cho quá trình điều hòa áp suất thẩm thấu để duy

trì sự cân bằng (Paciencia and Corazon, 1993; Fashina

Bombata and Busari, 2003). Tuy nhiên, cá mao ếch là đối

tượng nghiên cứu mới, các đặc điểm về các giai đoạn phát

triển phôi cũng như ảnh hưởng của nhiệt độ và độ mặn đến

quá trình này là chưa được công bố. Do đó, việc đánh giá ảnh

hưởng của hai yếu tố trên là cần thiết, nhằm xác định nhiệt độ

và độ mặn thích hợp, làm cơ sở cho quy trình sản xuất giống.

2. Phương pháp nghiên cứu

2.1. Thời gian và địa điểm nghiên cứu

Nghiên cứu được tiến hành từ tháng 3 đến tháng 9 năm

2016 tại Phân viện Nghiên cứu Hải sản phía Nam.

2.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm

Thử nghiệm độ hoạt hóa tinh trùng với các độ mặn khác

nhau để xác định độ mặn mà tinh trùng có sự hoạt hoá tốt

nhất gọi là S‰, sau đó tiến hành bố trí thí nghiệm. Các mức

độ mặn thử nghiệm được xác định khi lấy mẫu nước ở nơi

khai thác vào mùa sinh sản.

2.2.1. Thí nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ

Thi nghiệm được bố trí ở các mức nhiệt độ: 28°C; 30°C

và 32°C mỗi nghiệm thức lặp lại 3 lần, trứng được ấp trong

điều kiện độ mặn S‰. Cách bố trí thí nghiệm được trình

bày chi tiết ở Bảng 1.

Bảng 1. Thí nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ

lên sự phát triển phôi cá mao ếch

Nghiệm thức Nhiệt độ (C) Số trứng Số lần lặp

1 28 300 3

2 30 300 3

3 32 300 3

2.2.2. Thí nghiệm ảnh hưởng của độ mặn

Thí nghiệm được bố trí ở các độ mặn: S‰; (S ± 3) ‰;

(S ± 6) ‰ mỗi nghiệm thức được lặp lại 3 lần trong điều

kiện nhiệt độ (30 ± 1) °C. Cách bố trí thí nghiệm được trình

bày chi tiết ở Bảng 2.

Bảng 2. Thí nghiệm ảnh hưởng của độ mặn

lên sự phát triển phôi cá mao ếch

Nghiệm thức Độ mặn S (‰) Số trứng Số lần lặp

1 S - 6 300 3

2 S - 3 300 3

3 S 300 3

4 S + 3 300 3

5 S + 6 300 3

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 139

2.3. Điều kiện thí nghiệm và các chỉ tiêu theo dõi

Trứng được ấp trong điều kiện nước chảy tràn, các yếu tố

môi trường được theo dõi thường xuyên và đảm bảo cho sự

phát triển của phôi; nồng độ pH: 7,5-8,0; DO: (5,0-5,5) mg/l.

Tỷ lệ thụ tinh (TLTT) được xác định bằng cách quan

sát trực tiếp và tính bằng công thức:

𝑇𝐿𝑇𝑇 (%) =𝑆ố 𝑡𝑟ứ𝑛𝑔 𝑡ℎụ 𝑡𝑖𝑛ℎ

𝑇ổ𝑛𝑔 𝑠ố 𝑡𝑟ứ𝑛𝑔× 100

Thời gian nở là thời gian từ khi trứng được thu tinh cho

đến khi trứng nở hoàn toàn;

Tỷ lệ cá nở (TLN) được tính bằng công thức:

𝑇𝐿𝑁 (%) =𝑆ố 𝑐á 𝑛ở

𝑆ố 𝑡𝑟ứ𝑛𝑔 𝑡ℎụ 𝑡𝑖𝑛ℎ× 100

Tổng số cá con dị hình được xác định bằng cách quan

sát và đếm trực tiếp và tỷ lệ dị hình (TLDH) được tính bằng

công thức:

𝑇𝐿𝐷𝐻 (%) =𝑆ố 𝑐á 𝑐𝑜𝑛 𝑑ị ℎì𝑛ℎ

𝑆ố 𝑐á 𝑛ở× 100

2.4. Phương pháp xử lý số liệu

Số liệu được tính toán dưới dạng giá trị phần trăm, giá

trị trung bình và độ lệch chuẩn, phân tích phương sai một

nhân tố. Phần mềm Microsoft Excel 2013 và SPSS for

Window 13.0 được sử dụng để xử lý số liệu.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình phát triển phôi

Trứng cá mao ếch là trứng dính, có đường kính trứng

tương đối lớn từ 5,38 đến 6,01 mm. Qua kết quả nghiên

cứu cho thấy, nhiệt độ có ảnh hưởng đến quá trình phát

triển phôi của cá mao ếch, nhiệt độ càng cao thì quá trình

phát triển phôi càng nhanh và ngược lại. Trong khoảng

nhiệt độ 28-32C thì thời gian từ khi trứng được thụ tinh

đến lúc nở ở 32C (319 giờ) ngắn hơn so với ở 30C và

28C lần lượt là 336 và 367 giờ và giữa nghiệm thức 28C

và 32C khác biệt có ý nghĩa (P < 0,05) (Bảng 3).

Trong thí nghiệm các mức nhiệt độ cao và thấp hơn

không được bố trí nên chưa xác định được các ngưỡng

nhiệt độ thích hợp và ngưỡng chịu đựng phát triển của phôi.

Qua kết quả nghiên cứu cho thấy, trứng cá mao ếch khi

được thụ tinh ở độ mặn tinh trùng có độ hoạt hóa tốt nhất

là 20‰ thì tỷ lệ thụ tinh giữa các nghiệm thức không có sự

khác biệt (P > 0,05). Tỷ lệ nở đạt cao nhất ở nghiệm thức

28C (57,6%); thấp nhất là ở nghiệm thức 32C (44,8%) và

khác biệt có ý nghĩa (P < 0,05). Tương tự, tỷ lệ dị hình cũng

bắt gặp cao nhất ở nghiệm thức 32C đạt 9,5%; thấp hơn ở

nhiệt độ 28C (4,3%) và 30C (5,9%) và khác biệt có ý

nghĩa (P < 0,05) giữa nghiệm thức 28C và 32C (Bảng 3).

Nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình phát triển của

phôi cá cũng như các giai đoạn phân cắt của phôi (Vũ Văn

Sáng và Trần Thế Mưu, 2013; Vũ Văn Sáng và ctv., 2013).

Nhiệt độ thấp sẽ làm chậm quá trình phát triển phôi (Small

and Bates, 2001; Lin et al., 2006); Nhiệt độ cao làm tăng

nhanh quá trình phát triển phôi nhưng gây tỷ lệ chết cao hơn

(Kyeong-Ho Han and Jae-Kwon Cho, 2007) và tỷ lệ cá con

nở ra bị dị hình cũng tăng (Arenzona et al., 2002). Theo kết

quả Gudger (1908) thì thời gian phát triển phôi cá cóc

(Opsanus tau) là 11 ngày và cho rằng cho rằng do có sự khác

biệt về nhiệt độ nước nên có sự khác biệt về thời gian nở, ở

nơi có nhiệt độ cao hơn thì phôi phát triển nhanh hơn.

Bảng 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến

quá trình phát triển phôi cá mao ếch

Chỉ tiêu Nhiệt độ

28C 30C 32C

Tỷ lệ thụ tinh (%) 86,2 ± 2,0a 84,1 ± 2,5ab 81,9 ± 1,7b

Thời gian nở (giờ) 367 ± 2,6a 336 ± 1,0ab 319 ± 1,7b

Tỷ lệ nở (%) 57,6 ± 2,8a 50,9 ± 0,3ab 44,8 ± 2,7b

Tỷ lệ cá con dị hình (%) 4,3 ± 0,7a 5,9 ± 2,5a 9,5 ± 1,0b

Ghi chú: Các chữ cái trong cùng một hàng khác nhau thì khác

biệt có ý nghĩa (P < 0,05)

3.2. Ảnh hưởng của độ mặn đến quá trình phát triển phôi

Độ mặn có ảnh hưởng đến quá trình thụ tinh cũng như

quá trình phát triển phôi của cá mao ếch, tỷ lệ trứng thụ tinh

đạt cao nhất ở độ mặn tinh trùng có độ hoạt hóa tốt nhất là

20‰ và thấp hơn ở các độ mặn 23‰; 26‰; 17‰ và 14‰.

Tương tự, tỷ lệ trứng nở ra cũng cao nhất ở độ mặn 20‰

(59,4%) và giảm dần ở các mức độ mặn 23‰, 26‰, 17‰,

thấp nhất là ở độ mặn 14‰ (36,6%) và khác biệt có ý nghĩa

(P < 0,05) với các nghiệm thức còn lại (Bảng 4).

Độ mặn cũng ảnh hưởng đến thời gian nở của trứng cá

mao ếch và tỷ lệ cá con nở ra dị hình nhưng không đáng kể.

Thời gian nở nhanh nhất ở độ mặn 26‰ (333 giờ) và chậm

dần khi độ mặn giảm từ 23‰ - 14‰. Tỷ lệ dị hình đạt cao

nhất ở độ mặn 14‰ (4,2%) thấp hơn ở 26‰ (4,1%); 17‰

(3,7%); thấp nhất là 20‰ (3,3%) và sự khác biệt không có ý

nghĩa (P > 0,05) giữa các mức độ mặn (Bảng 4).

Qua kết quả trên cho thấy, trứng cá mao ếch có thể phát

triển từ độ mặn 14‰ đến 26‰. Độ mặn ảnh hưởng tới sự

cân bằng áp suất thẩm thấu của tế bào và do đó ảnh hưởng

tới sự chuyển hóa năng lượng trong quá trình phát triển

phôi của cá (Sampaio and Bianchini, 2002), nhưng đối với

những loài trứng có số lượng noãn hoàng cao, kích thước

trứng lớn thì tỷ lệ sống sót của phôi và ấu trùng thường cao

(Palazon-Fernandez et al., 2001).

Bảng 4. Ảnh hưởng của độ mặn đến quá trình ấp nở trứng cá Mao ếch

Chỉ tiêu Độ mặn

14‰ 17‰ 20‰ 23‰ 26‰

Tỷ lệ thụ tinh (%) 65,7 ± 1,7a 73,0 ± 1,5a 84,7 ± 1,5b 82,3 ± 2,7b 80,3 ± 2,5ab

Thời gian nở (giờ) 340 ± 2,6ab 338 ± 1,7a 336 ± 2,0a 335 ± 1,7a 333 ± 1,0ac

Tỷ lệ nở (%) 36,6 ± 2,7c 45,2 ± 1,3a 59,4 ± 6,3b 53,4 ±3,3ab 50,7 ± 1,7ab

Tỷ lệ cá con dị hình (%) 4,2 ± 0,3a 3,7 ± 0,4a 3,3 ± 0,4a 3,5 ± 0,3a 4,1 ± 0,6a

Ghi chú: Các chữ cái trong cùng một hàng khác nhau thì khác biệt có ý nghĩa (P < 0,05)

140 Nguyễn Phước Triệu, Cao Văn Hùng, Nguyễn Thị Phương Thảo

Hình 1. Một số giai đoạn phát triển của cá mao ếch ở điều kiện nhiệt độ 28C, độ mặn 20‰

a) Trứng được thụ tinh; b) Trứng bắt đầu phân cắt - sau 6 giờ; c) 2 tế bào - 15 giờ; d) 4 tế bào - 30 giờ; e) 8 tế bào - 45 giờ;

f) Phôi dâu - 103 giờ; g) Phôi vị - 166 giờ; h) Phôi thần kinh - 217 giờ; i) Phôi hoàn chỉnh - 316 giờ; j) Trứng nở - 367 giờ

4. Kết luận và đề xuất

4.1. Kết luận

Nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình phát triển phôi của cá

mao ếch, nhiệt độ thích hợp cho việc ấp nở cá mao ếch từ

28C đến 30C với tỷ lệ nở đạt trên 50%, tỷ lệ dị hình thấp

từ 4,3% - 5,9%. Độ mặn cũng ảnh hưởng đến quá trình ấp

nở phôi cá mao ếch, độ mặn thích hợp từ 20‰ đến 26‰

với tỷ lệ nở trên 50% và tỷ lệ dị hình từ 3,3% - 4,1%.

4.2. Đề xuất

Cần nghiên cứu sự ảnh hưởng của hệ thống ấp nở và

các yếu tố môi trường khác đến quá trình phát triển phôi cá

mao ếch.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Alderdice D.F. (1988). Osmotic and ionic regulation in teleost eggs

and larvae. In: W.S. Hoar and D.J. Randall (Editors), Fish

Physiology, Vol. 11, Part A. Academic Press, San Diego, CA, pp. 163-251.

[2] Arenzon, A., Lemos, C. A. and Bohrer, M. B. C. 2002. The influence

of temperature on the embryonic development of the Annual fish

Cynopoecilus melanotaenia (Cyprinodontiformes, Rivulidae).

Brazilian Journal of Biology. vol.62, no.4b: 743-747.

[3] Fashina-Bombata H.A. and A.N. Busari. 2003. Influence of salinity

on the developmental stages of African catfish Heterobranchus longifilis (Valenciennes, 1840). Aquaculture, vol 224: 213-222.

[4] Fishbase. Allenbatrachus grunniens (Linnaeus, 1758) Grunting

toadfish. http://www. fishbase.org/summary/ Allenbatrachus-

grunniens.html.

[5] Gudger E. W. 1908. Habits and Life History of the Toadfish (Opsanus

tau). Paper presented before the Fourth International Fishery Congress held at Washington U. S. A., September 22 to 26, 1908. Bulletin of the

Bureau of Fisheries, Vol. XXVIII, Document No. 709: 1071-1109.

[6] Kyeong-Ho Han and Jae-Kwon Cho. 2007. Effect of Water

Temperature on the Embryonic Development of Panther Puffer

Takifugu pardalis. Journal of Aquaculture, Vol. 20(4): 265-269.

[7] Lin Q., Lu J., Gao Y., Shen L., Cai J. and Luo J. 2006. The effect of

temperature on gonad, embryonic development and survival rate of juvenile seahorses, Hippocampus kuda Bleeker. Aquaculture, Vol

254: 701-713.

[8] Paciencia S. Young and Corazon E. Dueiias. 1993. Salinity tolerance

of fertilized eggs and yolksac larvae of the rabbitfish Siganus guttatus

(Bloch). Aquaculture, Vol 112: 363-377.

[9] Palazon-Fernandez, J. L,. Arias, A. M. And Sarasquete, C., 2001.

Aspects of the reproductive biology of toadfish, Hoplobatrachus didactylus (Schneider, 1801) (Pisces: Batrachoididae). Scientia

Marina (Sci. Mar,.) 65(2): 131-138.

[10] Sampaio, L. A. and Bianchini A. 2002. Salinity effects on

osmoregulation and growth of the euryhaline flounder Paralichthys orbignyanus. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology,

Vol 269: 187-196.

[11] Small B.C. and Bates T.D. (2001). Effect of lowtemperature

incubation of channel catfish Ictalurus punctatus eggs on

development, survival, and growth. Journal World Aquaculture Society, Vol 32: 189-194.

[12] Vũ Văn Sáng và Trần Thế Mưu. 2103. Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ

mặn đến sự phát triển phôi của cá song hổ (Epinephelus fuscoguttatus).

Tạp chí Khoa học và Phát triển 2013, tập 11, số 1: 41-45.

[13] Vũ Văn Sáng, Trần Thế Mưu và Vũ Văn In. 2013. Ảnh hưởng của nhiệt độ

và độ mặn đến sự phát triển phôi, tỷ lệ nở của cá song chuột (Cromileptes

altivelis). Tạp chí Khoa học và Phát triển 2013, tập 11, số 5: 648-653.

(BBT nhận bài: 16/05/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 27/07/2017)

a

b

c

d

e

f

g

h

i

j