Lời nói đầu - tapchikhcn.udn.vntapchikhcn.udn.vn/OrtherFile/2017_12_13_14_51_283so 9(118).2017-q1... · Thiết kế bộ điều khiển trượt cho tuabin gió độc lập

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 9(118).2017, Quyển 1

KHOA HỌC KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

Nghiên cứu, chế tạo máy kéo nén dạng nhỏ để xác định cơ tính của vật liệu

Research and manufacture of a miniature tensile machine for mechanical properties evaluation

Tào Quang Bảng, Lưu Đức Bình 1

Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả làm mát sơ bộ không khí giải nhiệt máy điều hòa không khí bằng phương pháp bay hơi nước

Study, and assessment of efficiency in evaporative air-precooling for air conditioners

Nguyễn Thế Bảo, Nguyễn Duy Tuệ, Đào Huy Tuấn 5

Điều khiển điện áp của hệ thống pin mặt trời tích hợp vào lưới phân phối

Voltage control of PV systems in the distribution network

Lê Thị Minh Châu, Lê Đức Tùng, Nguyễn Thùy Linh 9

Xây dựng bản đồ mưa ngày lớn nhất cho khu vực miền Trung và Tây Nguyên

Building maps of extreme daily rainfall for Central and Highland Region in Viet Nam

Nguyễn Chi Công, Nguyễn Vĩnh Long 14

Kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao: công cụ quan trọng trong nghiên cứu vật liệu kích thước nano

High resolution transmission electron microscopy: an important tool for nano-scaled materials research

Lê Thành Cương, Nguyễn Đức Dũng, Tạ Quốc Tuấn, Ngô Ngọc Hà, Phạm Thành Huy 19

Nghiên cứu khả năng tái sử dụng bông vụn thải để trồng nấm ăn và sản xuất phân hữu cơ

Research on reusing cotton waste for edible mushroom cultivation and organic fertilizer production

Lê Phước Cường 25

Bài toán tối ưu công tác vận hành các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện miền Nam Việt Nam, có xét đến tổn thất đường dây truyền tải

Optimizing the operation of hydroelectric fatories in the Southern Vietnam electric system, adding the energy loss

in transmission

Ngô Văn Dũng, Vũ Hữu Hải, Ngô Tuấn Kiệt 29

Thiết kế bộ điều khiển trượt cho tuabin gió độc lập sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Design of sliding mode controller for permanent magnet synchronous generator-based standalone wind turbines

Nguyễn Minh Hòa, Huỳnh Minh Toàn 34

Xác định lượng phát CH4 từ hệ thống xử lý nước thải tại một số nhà máy chế biến tinh bột sắn ở Việt Nam

Inventorying the amount of methane from waste water treatment system of some cassava plants in Viet Nam

Phạm Đình Long, Phan Như Thúc, Đặng Thị Đoan, Phạm Thị Ngọc Lan 39

Nghiên cứu xác định các thông số quá trình sinh hóa hiếu khí xử lý chất hữu cơ trong nước thải chế biến thủy sản

Researching to determine parameters of aerobic process to treat organic pollution in waste water from

seafood processing

Trần Văn Quang, Phan Thị Kim Thủy 44

Nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô phỏng quá trình truyền nhiệt- truyền chất trong khai thác than sử dụng phương pháp khí hóa than ngầm

Applied research on simulation software of heat and mass transfer in the process of underground coal gasfication

Nguyễn Lê Hồng Sơn, Nguyễn Hoàng Anh 50

Ảnh hưởng của lượng không khí cấp vào đến nồng độ CO trong quá trình hóa khí mùn cưa

Impact of air feed on the CO concentration in sawdust gasification process

Trần Thanh Sơn 55

Tổng hợp hydrogel từ α-cyclodextrin kết hợp với axit folic và poly(ethylene glycol) methyl ether, ứng dụng làm chất mang thuốc điều trị ung thư

Synthesis of hydrogel based on α-cyclodextrin conjugated with folic acid and poly(ethylene glycol) methyl

ether applied as drug carrier for cancer treatment

Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Thanh Hội 58

Nghiên cứu ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài đến đặc tính khởi động của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp

Studying effects of magnetic saturation and skin effect on start characteristics of line start permanent magnet

synchronous motors

Lê Anh Tuấn, Bùi Đức Hùng, Phùng Anh Tuấn 63

Nghiên cứu thiết kế lò đốt rác mini hộ gia đình nông thôn

Research on designing a mini waste incinerator model for households

Trần Văn Vang, Trần Thanh Sơn 68

Phân tích giá điện nút và giải quyết tắc nghẽn truyền tải cho thị trường điện bán buôn cạnh tranh

Locational marginal pricing analysis and transmission congestion management of competitive wholesale

power market

Đinh Thành Việt, Nguyễn Hùng, Nguyễn Tấn Hưng, Nguyễn Thị Phương Dung 73

KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Thiết kế và thực thi mô hình gateway cho các thiết bị IoTs

Designing and implementing a gateway model for IoTs devices

Phan Văn Ca 79

Sử dụng tính toán DFT kết hợp với số liệu thực nghiệm để xác định các đặc tính của natri benzoat

Using DFT calculations combined with experimental data to determine the characteristics of natri benzoate

Bùi Văn Đạt, Nguyễn Quốc Cường, Trần Thị Yến, Nguyễn Đức Thiện 84

Ảnh hưởng của thuốc diệt cỏ đến số lượng vi khuẩn và thành phần hoá học của đất

Effects of hercicides on bacteria number and chemical components of soil

Hà Danh Đức, Nguyễn Thị Kim Khánh, Bùi Minh Triết 89

Một số tính chất cơ bản của đạo hàm Newton hàm một biến

Some basic properties of Newton derivatives of one variable functions

Dương Xuân Hiệp, Phạm Quý Mười, Phan Đức Tuấn 94

Định liều chiếu trong đối với 131I từ mẫu không khí và lịch sử phơi chiếu

Assessment of internal dose for I-131 using air sample and exposure pattern

Trần Xuân Hồi, Huỳnh Trúc Phương, Nguyễn Văn Hùng 99

Môt sô nghiên cưu vê thanh phân hoa hoc cua tinh dầu vối và dịch chiết n-hexane của lá và nụ cây vối thu hai ơ tinh Quảng Nam, Viêt Nam

Primary study on chemical compounds of the essential oil and n-hexane extract of cleistocalyx operculatus

from Quangnam Vietnam

Giang Thị Kim Liên, Đào Hùng Cường 104

Xác định khối lượng phân tử của một số thành phần trong nọc rắn cạp nong Bungarus fasciatus bằng phương pháp khối phổ phân giải cao

Determination of molecular weight of some components in Bungarus fasciatus snake venom by high resolution

mass spectrometry

Trần Vũ Thiên, Hoàng Ngọc Anh, Nguyễn Văn Minh Khôi, Lê Ngọc Hùng, Phùng Văn Trung, Lê Minh Hà 109

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 1

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MÁY KÉO NÉN DẠNG NHỎ

ĐỂ XÁC ĐỊNH CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU

RESEARCH AND MANUFACTURE OF A MINIATURE TENSILE MACHINE

FOR MECHANICAL PROPERTIES EVALUATION

Tào Quang Bảng, Lưu Đức Bình

Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; [email protected], [email protected]

Tóm tắt - Xác định các thông số cơ tính của vật liệu đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế, tính toán mô phỏng phần tử hữu hạn cũng như dự đoán tin cậy cho các phương trình đường cong ứng suất - biến dạng. Bên cạnh đó, ngày nay, những yêu cầu về chế tạo các sản phẩm cơ khí, điện tử có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ, tuổi thọ cao ngày càng tăng, nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả và năng suất sử dụng. Vì thế, để xác định chính xác các thông số cơ tính của những vật liệu này, cần phải thí nghiệm những chi tiết có kích thước nhỏ tương đương và sử dụng máy thí nghiệm phù hợp với độ chính xác cao. Bài báo này đã nghiên cứu chế tạo thành công máy thí nghiệm kéo nén dạng nhỏ cũng như cách chế tạo chi tiết thí nghiệm phù hợp. Kết quả thí nghiệm của một chi tiết cụ thể được thực hiện đã chứng tỏ rằng máy thí nghiệm chế tạo đáp ứng tốt yêu cầu đề ra. Từ kết quả đó, các thông số cơ tính của vật liệu được xác định.

Abstract - Identification of the mechanical properties of the materials plays an important role in the finite element design and simulation as well as reliable prediction for stress-strain relation. In addition, up to date, with increasing requirements for manufacture of mechanical and electronic products which are smaller, less expensive, have longer life expectancy but still maintain their efficiency and productivity. Indeed, in order to determine the mechanical parameters of these materials, it is necessary to experiment on specimens with small size and high accurate testing machines. In this paper, the authors have researched and successfully manufactured miniature tensile machines to fabricate suitable specimens. The results have proved that our design miniature machine meets the requirements. From the results, all material parameters are determined.

Từ khóa - cơ tính vật liệu; máy thí nghiệm kéo nén dạng nhỏ; vật liệu hàn; vật liệu mới; phần tử hữu hạn

Key words - material properties; miniature tensile machine; solder materials; advantaged materials; finite element analysis

1. Mở đầu

Xác định các đặc tính cơ học của vật liệu là một chủ đề

được quan tâm của những nhà nghiên cứu trong suốt thời

gian dài cho những vật liệu khác nhau. Xác định chính xác

các thông số cơ tính của vật liệu góp phần quan trọng vào

việc thiết kế, tính toán mô phỏng phần tử hữu hạn và đưa ra

sự dự đoán tin cậy cho các phương trình đường cong ứng

suất - biến dạng. Trong thiết kế và phân tích kỹ thuật,

phương pháp kiểm tra đặc tính cơ học của vật liệu bao gồm

thí nghiệm kéo-nén, uốn, va đập, đo độ cứng,… Trong các

thí nghiệm đó, thí nghiệm kéo (tensile test) biểu diễn mối

quan hệ của ứng suất - biến dạng kéo (tensile stress-strain),

là phương pháp thí nghiệm đơn giản và được sử dụng nhiều

nhất vì từ các mối quan hệ đó, hầu hết các đặc tính cơ học

của vật liệu, ví dụ như giới hạn bền kéo (UTS), giới hạn chảy

(Yield Stress yσ ), mô-đun đàn hồi (Young’s Modulus E), hệ

số Poisson (Poisson’s ratio ), … được xác định. Hình 1

biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng và cách

xác định các thông số cơ tính của vật liệu dựa vào thí nghiệm

kéo [1]. Tuy nhiên, để tiến hành một thử nghiệm xác định

các thông số cơ học của vật liệu, điều đầu tiên thực sự cần

thiết xem xét là thiết bị thử nghiệm và chi tiết thử nghiệm.

Hình 1. Mối quan hệ của ứng suất - biến dạng

Hiện nay, máy thí nghiệm kéo nén vạn năng là công cụ

rất cần thiết và phổ biến, được sử dụng trong các phòng thí

nghiệm cơ học, trung tâm kiểm định, trường đại học, nhà

máy sản xuất. Nó cho phép thực hiện các loại thí nghiệm

kéo, nén, uốn để xác định các thông số cơ học của vật liệu

như thép, bê tông, gỗ, chất dẻo hay cấu kiện cần thí nghiệm

áp dụng trong các lĩnh vực cơ khí chế tạo và xây dựng.

Ngoài ra, sự phát triển của những kỹ thuật công nghệ

chế tạo mới giúp tạo ra các sản phẩm ngày càng được thu

nhỏ về kích thước và khối lượng nhưng vẫn đảm bảo hiệu

quả và năng suất sử dụng, ví dụ như hệ vi cơ điện tử (Micro

Electro Mechanical Systems – MEMS), công nghệ nano

(Nano Electro Mechanical Systems - NEMS),… Vì thế,

việc xác định chính xác cơ tính của những vật liệu này rất

khó khăn. Đối với những chi tiết nhỏ này, việc sử dụng

phương pháp thử nghiệm truyền thống bằng những máy cổ

điển có các hạn chế sau:

- Độ chính xác của phương pháp đo không cao.

- Phù hợp với những chi tiết thử nghiệm có kích thước

lớn và dày.

- Sử dụng dụng cụ đo biến dạng (extensometer) tiếp

xúc. Thiết bị này được gắn trực tiếp tiếp xúc lên bề

mặt của chi tiết cần đo nên sẽ gây ra hư hại cho chi

tiết và phát sinh ứng suất tiếp xúc, dẫn đến kết quả đo

không chính xác.

- Thiết bị đo tiếp xúc rất dễ bị hư hỏng, đặc biệt khi thí

nghiệm đến khi chi tiết đứt hẳn.

- Nặng và giá thành đắt.

Vì vậy, từ những hạn chế trên, để kiểm tra xác định cơ

tính của vật liệu dùng để chế tạo những chi tiết nhỏ dạng

micro và nano, cần phải sử dụng chi tiết thử nghiệm với

kích thước nhỏ tương ứng để cho ra kết quả đáng tin cậy

mailto:[email protected]


2 Tào Quang Bảng, Lưu Đức Bình

và sát với thực tế. Để thử nghiệm được chi tiết nhỏ và mỏng

như thế đòi hỏi phải thử nghiệm trên máy có kích thước

nhỏ phù hợp và có độ chính xác cao, đồng thời sử dụng

phương pháp đo không tiếp xúc (non-contact method) để

loại bỏ sai số tiếp xúc.

Bên cạnh đó, hiện nay, trên thế giới nhiều máy thí

nghiệm dạng micro đã được chế tạo dùng để thử nghiệm

những chi tiết dạng nhỏ [2-8]. Tuy nhiên, hiện nay ở Việt

Nam, việc nghiên cứu và chế tạo máy thí nghiệm kéo nén

dạng nhỏ này còn nhiều hạn chế, chỉ có vài nghiên cứu thiết

kế, chế tạo máy thí nghiệm kéo nén sử dụng để xác định

các thông số cơ tính của vật liệu cho những chi tiết có kích

thước lớn [9].

Nhận thức được tầm quan trọng của thử nghiệm cơ tính

vật liệu cho những chi tiết có kích thước nhỏ với độ chính

xác cao nhằm phục vụ công tác đào tạo, nghiên cứu khoa

học và ứng dụng thực tế, bài báo này sẽ trình bày cụ thể về

nghiên cứu, chế tạo máy thí nghiệm kéo nén dạng nhỏ để

xác định cơ tính của vật liệu. Bên cạnh đó, quy trình chế

tạo chi tiết thí nghiệm với kích thước nhỏ cũng được mô tả

trong nghiên cứu này, từ đó, một vài kết quả thí nghiệm

được thực nghiệm trên máy chế tạo cũng được thể hiện

trong bài báo này.

2. Nội dung

2.1. Nghiên cứu, chế tạo máy thí nghiệm kéo nén dạng nhỏ

2.1.1. Đặc tính máy thí nghiệm kéo nén dạng nhỏ

Mục đích thiết kế máy thí nghiệm kéo nén dạng nhỏ

nhằm thực hiện các thí nghiệm xác định cơ tính vật liệu của

các chi tiết có kích thước nhỏ và các mối liên kết hàn. Sơ đồ

tổng quan của máy chế tạo được thể hiện trong Hình 1. Máy

thí nghiệm kéo nén dạng nhỏ này được thiết kế, chế tạo để

thử nghiệm những chi tiết nhỏ với các chế độ thử nghiệm

khác nhau, đặc tính của máy chế tạo như sau:

- Lực kéo nén tối đa: 2 kN;

- Tốc độ kéo nén có thể thay đổi được (nhỏ nhất

0,0625 mm/s);

- Hành trình tối đa: 25mm;

- Thử nghiệm lặp đi lặp lại.

Một thí nghiệm được thực hiện khi chi tiết thí nghiệm

được kéo một đầu, trong khi đầu còn lại được gắn với cảm

biến đo lực (load cell) để đo lực kéo. Để kéo chi tiết với độ

chính xác cao thì một vít me với bước rất nhỏ được dùng

để chuyển đổi chuyển động quay của động cơ bước thành

chuyển động tịnh tiến của bàn máy. Động cơ bước có số

bước là 200, được điều khiển bởi driver với độ chính xác

lên đến 1/16 bước để tạo ra độ dịch chuyển rất nhỏ của bàn

máy. Ngoài ra, một thiết bị cảm biến đo chuyển vị với độ

phân giải cao cũng được sử dụng để đo chuyển vị của thí

nghiệm. Cảm biến chuyển vị này không tiếp xúc trực tiếp

với chi tiết thí nghiệm nên loại bỏ được sai số.

Hình 2 thể hiện bộ phận kẹp giữ hai đầu chi tiết thí nghiệm

được chế tạo bằng thép không rỉ inox nhằm đảm bảo cho chi

tiết thí nghiệm được gá đặt vào đúng vị trí, đồng thời không bị

trượt khi có lực tác dụng. Để đo chuyển vị, một cảm biến

chuyển vị với độ phi tuyến: ±0,2%, hành trình đầu đo: 25 mm

được lắp đặt trên máy chế tạo. Ngoài ra, để xác định lực kéo

(nén) khi thử nghiệm, một cảm biến đo lực (loadcell) với dải

đo đến 2 KN, độ không tuyến tính: ≤ 0,1%𝑅. 𝑂, điện áp đầu

ra: 2 mV/V, quá tải cho phép là 150% R.C và giới hạn quá tải

là 300% R.C. Để đảm bảo độ chính xác của tín hiệu nhận được

từ 2 cảm biến là lực và chuyển vị, 2 cảm biến này được định

cỡ (calibration) trước khi lắp đặt vào máy. Hình 3(a) và 3(b)

thể hiện cảm biến đo lực và đo chuyển vị sử dụng trong nghiên

cứu này.

Hình 2. Sơ đồ tổng quan máy kéo nén dạng nhỏ

a) b)

Hình 3. Cảm biến lực (a); cảm biến chuyển vị (b)

2.1.2. Thiết kế điều khiển và giao diện

Arduino micro-controller–Uno R3 được chọn sử dụng

để lập trình điều khiển động cơ và các cảm biến của máy

thí nghiệm kéo nén dạng nhỏ chế tạo. Arduino đã và đang

được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới, và ngày càng chứng

tỏ được sức mạnh của chúng thông qua vô số ứng dụng độc

đáo của người dùng trong cộng đồng nguồn mở (open-

source). Arduino board có rất nhiều phiên bản với hiệu

năng và mục đích sử dụng khác nhau như: Arduino Mega,

Arduino LilyPad…. Trong số đó, Arduino Uno R3 là một

trong những phiên bản được sử dụng rộng rãi nhất bởi chi

phí và tính linh động của nó.

Hình 4. Arduino Uno R3

Hình 4 thể hiện cấu trúc của mạch Arduino micro-

controller-Uno R3 được sử dụng cho nghiên cứu này. Các

thông số kỹ thuật của mạch Arduino Uno R3 như sau:

- Chip điều khiển chính: ATmega328;

- Chip nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2;


- Nguồn nuôi mạch: 5 VDC;

- Số chân Digital: 14;

- Số chân Analog: 6;

- Dòng ra tối đa trên GPIO: 40 mA;

- Flash memory: 32 KB;

- Tốc độ: 16 MHz;

- Chiều dài: 68,6 mm; rộng: 53,4 m.

* Lập trình cho Arduino:

Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch

Arduino, Arduino Integrated Development Environment

(IDE) được sử dụng. Hình 5 là ví dụ một đoạn lập trình sử

dụng Arduino IDE để điều khiển động cơ bước sử dụng

trong nghiên cứu này.

Hình 5. Lập trình điều khiển động cơ bước

Cuối cùng, giao diện của hệ thống được viết trên phần

mềm Matlab (Hình 6). Từ Hình 6, có hai chế độ thử nghiệm

được thiết lập: thử nghiệm kéo (chạy tới) và nén (chạy lui),

nút bắt đầu (Start) và lưu dữ liệu (Save) thành file excel

hoặc file txt. Ngoài ra, mối liên hệ giữa biến dạng và lực

tác dụng được thể hiện bằng đồ thị (xem Hình 6).

Hình 6. Giao diện của máy thí nghiệm kéo nén dạng nhỏ

2.2. Vật liệu nghiên cứu và quy trình chế tạo chi tiết thí

nghiệm

2.2.1. Vật liệu nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, một vật liệu hàn mới được lựa

chọn để nghiên cứu cơ tính của nó. Vật liệu hàn này có tên

là InnoLot, được sử dụng để hàn các chi tiết, cấu kiện điện

tử, vi mạch,… của ôtô. Thành phần hóa học của vật liệu

hàn này được thể hiện trong Bảng 1.

Bảng 1. Thành phần hóa học của vật liệu

Vật liệu Sn Ag Sb Cu Bi Fe Al As Ni tnc tng

InnoLot 90,8 3,8 1,54 0,7 3,0 0,003 <0,001 0,005 0,15 218°C 206°C

Đây là vật liệu hàn mới đã được đưa vào sử dụng trong

những năm gần đây với rất nhiều đặc điểm ưu việt so với

vật liệu hàn chì trước đây. Vật liệu hàn mới này không chứa

nguyên tố chì (Pb) nên không gây ảnh hưởng tới sức khỏe

của con người cũng như môi trường.

2.2.2. Chế tạo chi tiết thí nghiệm

Như đã thảo luận ở trên, để xác định chính xác các

thông số cơ học của vật liệu thì yêu cầu chi tiết thí nghiệm

phải có kích thước tương đương hoặc bằng với kích thước

chi tiết sử dụng thực tế. Các chi tiết hàn sử dụng trong ôtô

đều có kích thước rất nhỏ, từ vài trăm micromet tới milimet

(mm), vì thế tác giả đã lựa chọn chế tạo chi tiết thí nghiệm

với kích thước tối đa tới mm. Phương pháp đúc được lựa

chọn để chế tạo mẫu thí nghiệm và quy trình chế tạo được

thể hiện trên Hình 6, theo các bước sau:

i) Đầu tiên, vật liệu hàn được nung chảy trong lò với

nhiệt độ lớn hơn 100°C, so với nhiệt độ nóng chảy của vật

liệu trong 1 cái ly được chế tạo từ vật liệu graphite;

ii) Sau khi vật liệu hàn đã nấu chảy loãng, sẽ được rót

nhanh chóng vào khuôn kim loại, khuôn kim loại này được

chế tạo từ vật liệu 304-Inox với kích thước 80x18x16 mm.

Bên cạnh đó, khuôn được đặt trong nước với nhiệt độ của

nước được giữ ở khoảng 25-35°C.

iii) Sau khoảng 3-5 phút, vật đúc nguội và được lấy ra

dễ dàng từ khuôn;

iv) Vật đúc được đem đi cắt thành nhiều chi tiết nhỏ,

mỏng bằng phương pháp cắt dây EDM. Chi tiết sau khi cắt

có kích thước 20x5x1 mm với bán kính góc lượn 17 mm

để giảm tập trung ứng suất;

v) Cuối cùng, trước khi thí nghiệm, chi tiết được Ram

ở nhiệt độ 100°C trong 2 giờ để loại bỏ hoàn toàn ứng suất

dư trong quá trình cắt EDM.

Hình 6. Quy trình chế tạo chi tiết thí nghiệm

3. Kết quả và thảo luận

Sau khi lắp ráp các bộ phận của máy chế tạo, mô hình

của máy kéo nén dạng nhỏ được chế tạo hoàn chỉnh như

Hình 7.

Sau khi chế tạo chi tiết thí nghiệm xong, chi tiết sẽ được

gá đặt vào máy kéo nén dạng nhỏ để thực hiện thí nghiệm

kéo. Tốc độ kéo được tính toán dựa vào kích thước của chi

tiết thí nghiệm, và trong bài báo này, tốc độ được chọn để

thí nghiệm là 2,0 x 10-4 1/s trong điều kiện nhiệt độ phòng.

Kết quả thí nghiệm được lấy từ ít nhất 3 thí nghiệm trong

cùng 1 điều kiện thí nghiệm để loại bỏ sai số.

4 Tào Quang Bảng, Lưu Đức Bình

Hình 7. Mô hình máy kéo nén dạng nhỏ

Hình 8. Đường cong biến dạng - ứng suất

Hình 8 thể hiện mối quan hệ đường cong biến dạng và

ứng suất trong điều kiện thí nghiệm 2,0 x 10-4 1/s và nhiệt

độ phòng. Có thể nhận xét từ mối quan hệ này rằng, máy

thí nghiệm kéo nén dạng nhỏ được chế tạo trong nghiên

cứu này đã hoạt động tốt và cho ra kết quả với độ tin cậy

cao. Bên cạnh đó, từ mối quan hệ này, các thông số cơ học

của vật liệu được tìm ra, ví dụ: mô-đun đàn hồi E, giới hạn

chảy c , giới hạn bền kéo UTS,…

4. Kết luận

Bài báo này đã hoàn thành việc nghiên cứu chế tạo

thành công máy thí nghiệm kéo nén dạng nhỏ sử dụng để

xác định cơ tính của vật liệu với độ chính xác cao và phù

hợp cho những chi tiết có kích thước nhỏ. Bên cạnh đó, quá

trình chế tạo chi tiết thí nghiệm cũng được trình bày cụ thể

trong nghiên cứu này. Vật liệu được sử dụng nghiên cứu là

vật liệu hàn mới, được sử dụng trong các chi tiết thiết bị

điện tử của ôtô.

Những thí nghiệm kéo được thực hiện trên máy chế tạo và

đường cong biểu thị mối quan hệ biến dạng và ứng suất được

thiết lập. Từ đó, các thông số cơ tính của vật liệu được xác định.

Nghiên cứu này đã góp phần khẳng định khả năng chế

tạo thiết bị thí nghiệm kéo nén dạng nhỏ với giá thành cạnh

tranh, sử dụng trong nghiên cứu cũng như trong sản xuất.

Trong những nghiên cứu sắp tới, nhóm nghiên cứu sẽ

tiếp tục hoàn thiện và phát triển thêm các mô-đun mới cho

máy chế tạo, ví dụ như sử dụng phương pháp Digital Image

Correlation (DIC) để xác định biến dạng toàn bộ chi tiết

bằng cách so sánh sự khác nhau giữa hình ảnh thu được từ

CCD camera trước và sau khi biến dạng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Stress%E2%80%93strain_curve

[2] Partheepan, G., “Design and usage of a simple miniature specimen test

setup for the evaluation of mechanical properties”, International Journal of Microstructure and Materials Properties, 1, 2005, pp. 38-50.

[3] Panayotou N. F., “Design and use of Nonstandard Tensile Specimens

for Irradiated Materials Testing”, SPT- 888, 2001, pp. 201-219.

[4] Rosinski S. T., “Application of Sub-size specimens in Nuclear Plant

Life Extension”, ASTM STP 1204, 2010, pp. 405-416.

[5] Yuanchao X., “Application of the miniature specimen technique to material

irradiation tests and surveillance for reactor components”, International

Journal of Pressure Vessels and Piping, 77, 2000, pp. 715- 721.

[6] Yutaka K., “Specimen size effects on the tensile properties of JPCA

and JFMS”, Journal of Nuclear Materials, 283-287, 2000, pp. 1014-

1017.

[7] Jung P., “Recommendation of miniaturized techniques for

mechanical testing of fusion materials in an intense neutron source”, Journal of Nuclear Materials, 232, 1996, pp. 186-205.

[8] Klueh, R. L., “Miniature Tensile Test Specimens for Fusion Reactor

Irradiation Studies”, Nuclear Engineering and Design Fusion, 2,

1985, pp. 407-416.

[9] Nguyễn Văn Hưng, Thiết kế chế tạo máy kéo nén vạn năng cấp tải

300 kN, Kỷ yếu Hội nghị Khoa học và Công nghệ Toàn quốc về Cơ

khí – Lần thứ IV, 2015.

(BBT nhận bài 10/08/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 22/08/2017)

https://en.wikipedia.org/wiki/Stress%E2%80%93strain_curve


NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ LÀM MÁT SƠ BỘ KHÔNG KHÍ GIẢI

NHIỆT MÁY ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP BAY HƠI NƯỚC

STUDY, AND ASSESSMENT OF EFFICIENCY IN EVAPORATIVE AIR-PRECOOLING FOR

AIR CONDITIONERS

Nguyễn Thế Bảo1, Nguyễn Duy Tuệ2, Đào Huy Tuấn3 1Viện Phát triển Năng lượng Bền vững (ISED); [email protected]

2Trường Đại học Văn Lang; [email protected] 3Trường Đại học Tôn Đức Thắng; [email protected]

Tóm tắt - Máy điều hòa không khí giải nhiệt bằng gió được sử dụng khá phổ biến tại Việt Nam, tuy nhiên, hệ số làm lạnh giảm khá nhiều trong những ngày nắng nóng làm tăng lượng điện năng tiêu thụ. Ngoài ra, việc sử dụng một số lượng khá lớn và tập trung các máy điều hòa không khí gây nên những đảo nhiệt, càng làm gia tăng năng lượng tiêu thụ và giảm tuổi thọ của hệ thống. Bài báo đưa ra giải pháp làm mát sơ bộ không khí bằng phương pháp bay hơi để làm giảm việc tiêu thụ năng lượng trong những ngày nắng nóng, cũng như tránh hình thành các đảo nhiệt. Kết quả cho thấy rằng, có thể tiết kiệm được điện năng tiêu thụ cho máy điều hòa không khí khoảng 15 - 30% và lượng nước tiêu thụ cho làm mát trong khoảng 4 - 6 lít/h.HP. Như vậy, ta có thể thu gom nước ngưng từ dàn lạnh để sử dụng, với thông số thực nghiệm 1-3 lít/h hoặc lắp đặt đường ống nước cấp để sử dụng.

Abstract - Air cool air conditioners are very popular in Viet Nam; nevertheless, their Cooling of Performance (COP) is severely reduced in hot weather, resulting in increasing electrical consumption. Moreover, dense and large numbers of air conditioners could cause urban heat island, which increases energy consumption as well as air conditioners’ life-time reduction. This paper presents a measure by using evaporative air-precool in order to cut down power consumption in hot days along with urban heat island. The experimental result shows that electrical consumption could be saved about 15 - 30% in conjunction with air-precooling’s water demand approximately 4 - 6 l/h. Hence, we can utilize condensing water from evaporator with experimental flowrate from 1-3 lit/h or install the separate hydraulic system for air-precooling.

Từ khóa - làm lạnh bay hơi; làm mát phun sương; làm mát sơ bộ không khí; nước ngưng giàn lạnh; điều hòa không khí

Key words - evaporative cooling; water spraying system; evaporative air-precooling; condensing water collection from evaporator; air conditioner

1. Đặt vấn đề

Máy điều hòa không khí giải nhiệt bằng không khí có

ưu điểm là sử dụng không khí xung quanh để làm mát,

không phải tiêu tốn nước giải nhiệt, dễ lắp đặt, dễ vận

hành khi sử dụng. Tuy nhiên, ở những nước khí hậu nóng

như nước ta, trong những ngày nắng nóng làm tăng áp

suất ngưng tụ, tăng công nén và làm giảm hệ số làm lạnh

COP. Nhiệt độ ngưng tụ tăng 1°C sẽ làm giảm COP

khoảng từ 2-4%. Ngoài ra, vận hành máy trong điều kiện

áp suất ngưng tụ cao dễ làm hỏng và giảm tuổi thọ của

máy nén. Trong những tòa nhà, căn hộ, việc tập trung

nhiều máy điều hòa không khí sẽ làm gia tăng nhiệt độ

không khí xung quanh, càng làm gia tăng nhiệt độ ngưng

tụ và tăng điện năng tiêu thụ. Do đó, làm giảm nhiệt độ

ngưng tụ sẽ giúp giảm điện năng tiêu thụ. Một phương

pháp khá đơn giản được sử dụng khá nhiều tại các nước

có khí hậu nóng là làm mát bay hơi, [1] không khí sau khi

được phun ẩm đoạn nhiệt sẽ có nhiệt độ bằng nhiệt độ

nhiệt kế ướt. Tuy nhiên, trên thực tế không khí sau khi

phun ẩm ít khi đạt được nhiệt độ trên.

Có 2 cách làm mát thiết bị ngưng tụ bằng cách phun

ẩm, đó là dùng vòi tán sương làm mát không khí trước dàn

ngưng tụ hoặc nước được tưới trên các tấm tổ ong đặt trước

đầu hút của dàn nóng, rồi được làm mát và đi vào giải nhiệt

thiết bị. Như vậy, cách thứ nhất khá đơn giản, rẻ, dễ lắp đặt

và cột áp của quạt giải nhiệt không cần phải lớn. Tuy nhiên,

cần phải bảo trì các mũi phun sương thường xuyên để tránh

bị tắc nghẽn.

Trên thế giới, làm mát sơ bộ không khí cho dàn ngưng

tụ được thực hiện khá nhiều, Goswami đã thực hiện phun

ẩm làm mát cho máy điều hòa không khí 2,5 ton lạnh bằng

cách cho nước tưới lên tấm tổ ong để trao đổi nhiệt hiện

và nhiệt ẩn với dòng không khí đi vào. Kết quả cho thấy,

hệ thống tiết kiệm được 20% khi nhiệt độ ngoài trời đạt

34°C [2].

Như vậy, bài báo sẽ thí nghiệm các chế độ phun sương

với một số lưu lượng nước làm mát khác nhau để chọn lựa

lưu lượng nước vừa đủ và mang lại hiệu quả năng lượng

cho máy điều hòa không khí.

2. Thiết bị thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu

2.1. Mô hình thí nghiệm

Thiết bị gồm có:

- Máy điều hòa không khí loại âm trần Casset, năng suất

lạnh 24.000 Btu/h, môi chất R22.

- Bơm phun sương công suất 25 W, điện áp 24 V, lưu

lượng nước lớn nhất 1,8 l/p và các vòi phun sương.

- Dimmer điều chỉnh lưu lượng bơm.

- Các cảm biến áp suất để đo áp suất nén và áp suất hút.

- Các cảm biến nhiệt độ lắp đặt tại: cửa gió vào và ra

dàn lạnh, đầu vào và ra của thiết bị ngưng tụ, đường ống ra

của thiết bị ngưng tụ.

- Cảm biến độ ẩm được lắp tại đầu vào và ra của dàn lạnh.

- Ampe kẹp để đo cường độ dòng điện máy nén.

6 Nguyễn Thế Bảo, Nguyễn Duy Tuệ, Đào Huy Tuấn

Hình 1. Mô hình máy điều hòa không khí và bộ phun sương

2.2. Phương pháp nghiên cứu

Các vòi phun sương được lắp đặt tại ngõ vào của thiết

bị ngưng tụ, nước được phun ra với các lưu lượng khác

nhau và làm mát không khi đi vào, bài báo sẽ đánh giá hiệu

quả của lưu lượng nước phun và việc tiết kiệm năng lượng

theo từng chế độ vận hành. Các thông số được đo đạc dùng

để đánh giá năng suất lạnh, COP, nhiệt độ gió ra khỏi thiết

bị ngưng tụ theo từng chế độ phun sương. Theo [1], khi đã

có lưu lượng khối lượng không khí qua dàn lạnh GkkDL

(kg/s), entanpi vào, ra IvDL, IrDL (kJ/s), lưu lượng quạt dàn

lạnh trong mô hình tính được là 16 m3/p.

Qo = GkkDL.(IvDL – IrDN) (1)

Công suất máy nén N (W) dựa trên điện áp U (Volt) và

cường độ dòng điện đo được I (A), cùng với hệ số công

suất 0,85.

N = U.I.0,85 (2)

Ngoài ra, để đánh giá hiệu suất quá trình phun ẩm, ta sử

dụng hệ số tạo ẩm với nhiệt độ không khí ban đầu cần làm mát

t1 (°C), nhiệt độ bầu ướt ứng với trạng thái không khí ban đầu

tư (°C), nhiệt độ đạt được sau khi được phun ẩm t2 (°C).

𝜂 =𝑡1−𝑡2

𝑡1−𝑡ư (3)

Lưu lượng nước phun vào W (kg/s) được tính toán dựa

trên lưu lượng không khí GkkDN (kg/s), độ chứa hơi của

không khí vào d1 (kgh/kgkkk) và không khí sau khi được

phun ẩm d2 (kgh/kgkkk).

W = GkkDN.(d2-d1), (4)

Như vậy, ta có lưu lượng nước tiêu thụ trong khoảng 4-

6 l/giờ.HP.


Bài báo khảo sát một số chế độ vận hành hệ thống với

lưu lượng nước khác nhau để đánh giá sự ảnh hưởng và tìm

ra được lưu lượng nước thích hợp. Ngoài ra, thí nghiệm

được tiến hành vào buổi trưa để có thể đưa ra đánh giá hợp

lý cho phương pháp làm mát này.

3.1. Đánh giá sự thay đổi áp suất ngưng tụ khi sử dụng

hệ thống làm mát bay hơi

Hình 2. Sự thay đổi áp suất ngưng tụ theo

lưu lượng nước phun (lít/h)

Khi chưa sử dụng chế độ phun sương, áp suất ngưng

tụ trong khoảng 19-19,8 bar, áp suất bay hơi trong khoảng

5,5-5,6 bar, sau khi phun sương áp suất ngưng tụ giảm

dần theo lưu lượng nước phun vào (l/h). Trong vận hành,

áp suất bay hơi cũng suy giảm gần như tương ứng với áp

suất ngưng tụ. Theo Hình 2, áp suất ngưng tụ giảm với

lưu lượng từ 8,2 (l/h) trở lên và nhiều nhất tại lưu lượng

13 (l/h), do lúc này không khí đầu vào được làm mát khá

đáng kể.

3.2. Đánh giá độ quá lạnh của hệ thống

Thông số độ quá lạnh khi vận hành trong khoảng 14 K,

và tăng lên khi không khí đi vào thiết bị ngưng tụ được gia

ẩm. Lưu lượng nước phun càng tăng, độ quá lạnh càng tăng

do hiệu suất hiệu suất phun ẩm tăng lên. Độ quá lạnh tăng

từ 21% đến 36% và tăng nhanh khi lưu lượng từ 10,5 lít/h

trở lên.

Hình 3. Sự gia tăng độ quá lạnh (%)

ứng với lưu lượng nước phun (l/giờ)

3.3. Đánh giá năng suất lạnh Qo

Độ quá lạnh của hệ thống tăng lên theo lưu lượng nước

phun vào. Do đó, năng suất lạnh của máy điều hòa cũng


tăng lên như hình sau:

Hình 4. Sự thay đổi năng suất lạnh theo lưu lượng nước phun

Năng suất lạnh ở chế độ phun sương tăng từ 11,17% đến

21%, nhưng gia tăng nhanh nhất khi lưu lượng từ 8,2 lít/h

trở lên. Với lưu lượng từ 8,2 lít/h đến 13 lít/h, năng suất lạnh

tăng không đáng kể (từ 20% đến 21%). Mặc dù có sự gia

tăng độ quá lạnh khá lớn, nhưng khi áp suất ngưng tụ giảm

thì áp suất bay hơi cũng giảm gần như tương ứng, nên năng

suất lạnh tăng chậm hơn so với sự gia tăng độ quá lạnh.

3.4. Đánh giá hiệu suất phun ẩm của thiết bị

Mối quan hệ giữa hiệu suất phun ẩm và lưu lượng nước

phun vào được thể hiện ơHình 5.

Hình 5. Mối quan hệ giữa hiệu suất phun ẩm

và lưu lượng nước phun

Do máy điều hòa không khí đang sử dụng có công suất

2,5 Hp, phun nước với lưu lượng 5,4 l/h nên hiệu suất phun

ẩm thấp, vì vậy, phun ẩm từ lưu lượng 8,2 l/h trở lên thì

hiệu suất phun ẩm tăng cao. Ngoài ra, do các đầu phun

sương tán nhuyễn nước nên điều này giúp hiệu suất phun

ẩm tăng và không khí được làm mát rất đáng kể, làm giảm

áp suất ngưng tụ, tăng độ quá lạnh, nhiệt độ không khí ra

khỏi thiết bị ngưng tụ cũng được giảm theo mối quan hệ

dưới Hình 6.

3.5. Sự suy giảm nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị

ngưng tụ (TBNT)

Hình 6. Sự ảnh hưởng của lưu lượng nước phun và nhiệt độ

không khí ra khỏi TBNT

Khi chưa được phun sương, nhiệt độ gió ra khỏi thiết

bị ngưng tụ là 47,7°C, với nhiệt độ ngoài trời 30,7°C.

Nhiệt độ này giảm dần ứng với sự gia tăng lưu lượng nước

phun vào. Với lưu lượng nước từ 8,2-9,5 l/h thì độ chênh

lệch nhiệt độ giữa không khí thổi ra khỏi thiết bị ngưng

tụ và không khí ngoài trời khoảng 9,1-9,3 K, và với lưu

lượng từ 10,5 l/h trở lên thì độ chênh lệch nhiệt độ này

còn 6,8-7,6 K. Khi nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị

ngưng tụ giảm sẽ làm không khí xung quanh khu vực đặt

dàn nóng giảm theo và tránh hình thành các vùng không

khí nóng cục bộ.

3.6. Đánh giá công nén của hệ thống

Hình 7. Sự ảnh hưởng của lưu lượng nước phun và công nén

Công nén giảm dần khi sử dụng chế độ phun sương

làm mát không khí đi vào dàn ngưng tụ. Ở chế độ phun

thấp nhất (5,4 lít/h) thì công nén giảm 8,6%; với lưu

lượng nước từ 6,1 lít/h đến 9,5 lít/h thì công nén giảm từ

13,4% đến 13,8%. Công nén giảm nhanh khi phun ở chế

độ 10,5 lít/h đến 13 lít/h, lúc này công nén giảm từ

15,4% đến 19%.

Như vậy, cùng với việc gia tăng năng suất lạnh và giảm

công suất tiêu thụ của máy nén, ta có biểu đồ đánh giá hệ

số làm lạnh COP như Hình 8.

8 Nguyễn Thế Bảo, Nguyễn Duy Tuệ, Đào Huy Tuấn

3.7. Đánh giá hệ thống COP khi làm mát không khí vào

thiết bị ngưng tụ

Hình 8. Sự phụ thuộc của COP vào lưu lượng nước phun

Khi phun ở chế độ từ 5,4 lít/h đến 6,1 lít/h thì COP tăng

từ 24% đến 36%, năng lượng tiết kiệm được khoảng 19,4%

đến 26,5%. Khi phun ở chế độ từ 8,2 lít/h đến 13 lít/h thì

COP tăng khoảng 40% đến 43%. Đây là hệ số COP của

máy điều hòa không khí, chưa tính đến công suất tiêu thụ

của bơm làm mát. Do đó, ta sẽ phân tích, đánh giá hiệu quả

kinh tế dưới đây.

3.8. Đánh giá hiệu quả kinh tế

Theo Hình 7, khi phun ẩm với lưu lượng từ 8,2 lít/h đến

13 lít/h thì công nén giảm khoảng 15-19%, năng suất lạnh

cũng tăng lên do áp suất ngưng tụ giảm và độ quá lạnh tăng,

vì vậy COP tăng từ 40-43% (Hình 8), năng lượng tiết kiệm

khoảng 28,5% đến 30%. Như vậy, trong hệ thống này,

trung bình 1 giờ ta tiết kiệm được 660 W -700 W.

Ngoài ra, khi đo đạc thực nghiệm thì năng lượng tiêu

thụ của máy bơm trong khoảng từ 4 - 15 W, chiếm khoảng

từ 2 - 5% năng lượng của hệ thống. Do đó, nếu trung bình

1 ngày ta vận hành 4 giờ, thì trong 1 tháng, điện năng sẽ

tiết kiệm được khoảng 78-82 kWh, tương ứng với

180.000VNĐ-200.000VNĐ/tháng.

Tổng chi phí bơm, đường ống, vòi phun, dimmer chỉnh

lưu lượng... cho hệ thống này khoảng 1,5 triệu VNĐ. Như

vậy, thời gian hoàn vốn khoảng 8 tháng.

4. Kết luận

a. Để mang lại hiệu quả năng lượng, ta nên phun với

lưu lượng nước từ 8,2 lít/h đến 13 lít/h, tương ứng với 4 -

6 lít/h.HP, khi đó, áp suất ngưng tụ giảm từ 5-9%, COP

tăng từ 40-43%, năng lượng tiết kiệm được khoảng 28,5%

đến 30%.

b. Khi vận hành hệ thống làm mát, công nén giảm

xuống làm tăng tuổi thọ máy nén. Ngoài ra, nhiệt độ không

khí xung quanh cũng được giảm theo vì nhiệt độ không khí

ra khỏi dàn ngưng tụ chỉ khoảng 37-41°C. Điều này tránh

hình thành các đảo nhiệt ảnh hưởng đến sức khỏe và các hệ

thống lạnh xung quanh.

c. Trên cơ sở phân tích ở phần trên, bài báo đề xuất 2

phương án sử dụng hệ thống làm lạnh bay hơi để làm mát

thiết bị ngưng tụ như sau:

Phương án 1: Sử dụng phun ẩm trong khoảng 4 tiếng

nắng 1 ngày, nước dùng phun ẩm lấy từ nước ngưng tụ ở

dàn lạnh với lưu lượng thực nghiệm đo được khoảng 1

lít/h.HP để giảm việc lắp đặt đường ống cấp nước lạnh.

Như vậy, ta sẽ tiết kiệm được khoảng 15% điện năng tiêu

thụ trong 1 ngày.

Phương án 2: Đối với các khu resort, khu văn phòng có

mức độ tập trung máy điều hòa không khí nhiều, ta sẽ phun

sương làm mát liên tục trong ngày. Năng lượng sẽ tiết kiệm

được khoảng 30% so với khi chưa sử dụng.

Với kích thước máy bơm nước nhỏ gọn, nhẹ nhàng nên

dễ tìm vị trí lắp đặt, và do bơm sử dụng điện 1 chiều 24 V,

nên ta có thể sử dụng bình ắc quy hoặc tấm pin năng lượng

mặt trời để giảm bớt chi phí lắp đặt đường dây điện. Ngoài

ra, để tránh cho các vòi phun sương bị nghẹt, ta nên lắp đặt

thêm các phin lọc nước, lọc các cặn bẩn gây nghẹt vòi phun.


[1] Lê Chí Hiệp, Kỹ thuật điều hòa không khí, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2007.

[2] D.Y. Goswami, G.D. Mathur, S.M. Kulkarni, “Experimental

investigation of performance of a residential air conditioning system

with an evaporatively cooled condenser”, Journal of Solar Energy

Engineering, 115, 1993, pp. 206-211.

[3] E. Hajidavalloo, Increasing COP of window air conditioner in very

hot weather of Khoozestan, Research Project Report to Management and Programming Organization, 2001.

[4] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Kỹ thuật lạnh cơ sở, NXB Giáo

dục, 2009.

[5] Nguyễn Đức Lợi, Sửa chữa máy lạnh và điều hòa không khí, NXB

Khoa học Kỹ thuật, 2008.

(BBT nhận bài: 24/07/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 29/08/2017)


ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP CỦA HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI

TÍCH HỢP VÀO LƯỚI PHÂN PHỐI

VOLTAGE CONTROL OF PV SYSTEMS IN THE DISTRIBUTION NETWORK

Lê Thị Minh Châu1, Lê Đức Tùng1, Nguyễn Thùy Linh2 1Trường Đại học Bách khoa Hà Nội;[email protected], [email protected]

2Trường Đại học Phạm Văn Đồng, Quảng Ngãi; [email protected]

Tóm tắt - Khi kết nối hệ thống điện mặt trời (PV) vào lưới phân phối có thể gây ra sự thay đổi đáng kể của điện áp tại điểm kết nối. Nếu không có bộ điều khiển để giữ điện áp tại điểm kết nối hệ thống PV trong giới hạn cho phép, có thể gây ra sự ngắt kết nối của hệ thống PV ra khỏi lưới. Vì vậy, bài báo này tập trung nghiên cứu thuật toán điều khiển điện áp cục bộ được dựa trên việc tự động điều chỉnh điện áp của hệ thống PV. Việc điều chỉnh này sử dụng thông tin cục bộ nên cho phép hệ thống PV kết nối dễ dàng hơn và giảm chi phí kết nối, giúp tăng cường sự thâm nhập nhiều năng lượng mặt trời vào hệ thống điện. Bộ điều chỉnh điện áp này không chỉ điều khiển điện áp tại điểm kết nối mà có thể áp dụng cho mọi điểm trên lưới điện. Kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng Matlab-Simulink đã khẳng định hiệu quả đối với lưới điện phân phối có tính đến sự kết nối của các hệ thống PV khác nhau.

Abstract - There are interactions between photovoltaic installations (PV) and power network. PV system can have a significant impact on the operation of the electrical system or may cause malfunctions. The connection of PV systems on a distribution network causes important variations of voltage at the connection point. This variation can cause a tripping of the PV systems without a regulator to maintain the voltage of the PV within the acceptable limits. Thus, this paper presents a development of a local voltage control based on auto-adaptive voltage control of PV systems which makes the connection easier, reduces its cost and increases the penetration of solar energy into the electrical system. The regulator can control voltage not only at the connection point but also everywhere on the grid. The proposed solution is applied for a distribution network with presence of different types of PVs. The models and simulations are developed in Matlab-Simulink and the obtained results show the effectiveness of the proposed method.

Từ khóa - hệ thống điện mặt trời; tự động điều chỉnh điện áp; lưới phân phối; điều khiển P/Q; điều kiển P/V.

Key words - PV systems; auto-adaptative voltage control; distribution network; P/Q control; P/V control.


Nguồn năng lượng trong tương lai đang đứng trước một

thách thức lớn. Mức tiêu thụ năng lượng của thế giới ngày

càng tăng cao (khoảng 2% mỗi năm) và hầu hết sản lượng

năng lượng trên toàn thế giới được đảm bảo bởi các nguồn

hóa thạch, do đó, năng lượng sẽ trở nên quý hiếm và đắt

tiền. Bên cạnh đó, việc tiêu thụ các nguồn năng lượng hóa

thạch sẽ dẫn đến sự thay đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính do

phát thải khí CO2, ô nhiễm môi trường, v.v...

Trong bối cảnh đó, năng lượng tái tạo ngày càng khẳng

định được vị thế và tầm quan trọng so với các nguồn năng

lượng truyền thống như than đá, khí đốt, dầu mỏ và hạt

nhân. Sự phát triển không ngừng của thị trường năng lượng

tái tạo đã làm bừng lên hy vọng vào sự ra đời của một kỷ

nguyên mới – kỷ nguyên năng lượng tái tạo.

Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng

quang điện mặt trời là một nguồn đầy hứa hẹn. Trong bối

cảnh kinh tế hiện nay, rất thuận lợi cho sự phát triển của hệ

thống quang điện mặt trời (khoa học công nghệ phát triển,

chính sách trợ giá, ưu đãi thuế, trợ cấp vốn, hỗ trợ kỹ

thuật,...), số lượng yêu cầu kết nối các hệ thống PV đang

tăng theo cấp số mũ trên thế giới, đặc biệt cho các mô hình

điện mặt trời lắp mái.

Việc kết nối một hệ thống điện mặt trời (PV) sẽ gây ra

những thay đổi về điện áp trên lưới do sự thay đổi dòng

công suất tác dụng và phản kháng trong lưới. Một cách tổng

quát, điện áp sẽ tăng lên tại điểm kết nối và các điểm lộ

đường dây ra, điều này kéo theo sẽ có những thay đổi về

điện áp tại các điểm khác trên lưới. Tùy thuộc vào mức độ

và sự dao động (không liên tục) đóng góp năng lượng của

các hệ thống PV vào mạng lưới phân phối có thể gây ra sự

thay đổi đáng kể của điện áp tại điểm kết nối [4, 5]. Đặc

biệt dẫn đến hiện tượng quá điện áp tại điểm kết nối trong

trường hợp non tải mà mức độ thâm nhập của điện mặt trời

nhiều. Nếu không có bộ điều chỉnh để duy trì điện áp của

hệ thống PV trong giới hạn cho phép thì có thể gây ra sự

ngắt kết nối ra khỏi lưới.

Bài báo này trình bày việc xây dựng bộ điều khiển điện

áp cục bộ dựa trên việc tự động điều chỉnh thích nghi điện

áp của hệ thống điện mặt trời. Xây dựng bộ điều chỉnh điện

áp này nhằm mục đích tăng cường mức độ thâm nhập năng

lượng mặt trời vào hệ thống điện, tăng hiệu suất và tính linh

hoạt của việc kết nối hệ thống PV vào lưới điện.

2. Xây dựng bộ điều khiển điện áp cho hệ thống điện

mặt trời

Bộ biến tần của hệ thống điện mặt trời có thể hoạt động

với các thuật toán điều khiển khác nhau tùy thuộc vào chế

độ hoạt động của nó [2, 6, 7, 8, 9]. Một trong ba loại sơ đồ

điều chỉnh công suất phản kháng có thể được áp dụng cho

biến tần kết nối lưới: hoặc là điều khiển công suất tác dụng

và công suất phản kháng (điều khiển P/Q), hoặc là điều

khiển hệ số công suất (điều khiển P/PF), hoặc là điều khiển

công suất tác dụng và điện áp (điều khiển P/V). Mô hình

điều khiển điện áp/tần số (điều khiển V/F) thường được sử

dụng cho các bộ biến tần kết nối lưới.

Với sơ đồ điều khiển P/Q, thuật toán điều khiển là điều

chỉnh dòng công suất bơm vào, bởi nguồn phân tán, tại điểm

kết nối. Mục đích của bộ điều khiển là giữ công suất tác dụng

và công suất phản kháng bơm vào tại điểm kết nối không đổi

và bằng giá trị đặt Pref và Qref. Thực tế, công suất tác dụng

Pref được xác định bởi thuật toán MPPT và công suất phản

kháng Qref bằng 0. Tương tự, đối với sơ đồ điều khiển hệ số

công suất (điều khiển P/PF), công suất tác dụng và hệ số


10 Lê Thị Minh Châu, Lê Đức Tùng, Nguyễn Thùy Linh

công suất được giữ ở giá trị đặt, bằng cách thay đổi công suất

phản kháng thì hệ số công suất được giữ không đổi.

Đối với mô hình điều khiển điện áp/tần số (điều khiển

V/f), điện áp và tần số được giữ ở giá trị đặt Vref và fref.

Công suất tác dụng và công suất phản kháng được điều

khiển để giữ tần số và điện áp không đổi. Thay đổi công

suất tác dụng để điều chỉnh tần số và thay đổi công suất

phản kháng để điều khiển điện áp.

Sơ đồ điều khiển P/Q

Hệ thống PV được mô phỏng bằng một nguồn dòng và

hoạt động ở chế độ điều khiển P/Q. Đối với sơ đồ này, công

suất tác dụng và phản kháng đầu ra của hệ thống PV được

giữ bằng giá trị đặt Pref (phụ thuộc cường độ bức xạ và nhiệt

độ mặt trời) và Qref (bằng 0). Bộ biến tần được hòa đồng bộ

với lưới điện bằng khối PLL.

Hinh 1. Sơ đồ điều khiển công suất P/Q

Nguyên lý hoạt động của sơ đồ này được mô tả như

Hình 1, từ dòng điện và điện áp đo được tại điểm kết nối,

ta xác định được công suất (Pmes và Qmes) và điện áp tương

ứng. Các công suất này sẽ được điều chỉnh bởi hai bộ điều

khiển tỷ lệ-tích phân (PI). Sự sai lệch giữa công suất đặt

Pref và Qref và công suất đo Pref và Qref sẽ được xử lý bởi bộ

tỷ lệ (Kp) và bộ tích phân (Ki/p). Sau khi qua bộ PI, từ công

suất đầu ra, ta có thể tính được dòng điện bơm vào nhờ

phép biến đổi Park:

Hình 2. Sơ đồ điều khiển tự động thích nghi điện áp

Hình 22 giới thiệu sơ đồ điều khiển tự động thích nghi

điện áp. Mô hình hệ thống PV được xây dựng cho 3 pha và

1 pha. Mô hình này bao gồm 2 chế độ điều khiển P/Q và

điều khiển P/V. Với chế độ điều khiển P/V, điện áp đặt

(setpoint) được thay đổi một cách tự động thích nghi, bằng

cách sử dụng mô-đun mờ (fuzzy logic). Sự thay đổi các giá

trị của điện áp đặt được thiết lập tương ứng với sự hoạt

động và vị trí kết nối của hệ thống PV và phụ thuộc công

suất phản kháng giới hạn của mỗi hệ thống PV.

Nguyên lý hoạt động của thuật toán điều chỉnh điện áp

tương ứng với 3 chế độ điều khiển sau (Hình 3):

- Chế độ bình thường: Khi điện áp tại điểm kết nối nằm

trong khoảng điện áp “mong muốn” (Vmin_desired ≤ V ≤

Vmax_desired). Trong chế độ này, hệ thống PV sẽ hoạt động

theo chế độ điều khiển công suất (P/Q) (hoặc điều khiển

điện áp PF/VAR).

- Chế độ bị nhiễu loạn: xảy ra khi điện áp nằm tại điểm

kết nối nằm ngoài các giới hạn điện áp mong muốn

(V> Vmax_desired hoặc V <Vmin_desired). Nguyên lý của việc điều

khiển thích nghi là duy trì điện áp (trong giới hạn của hệ

thống) nằm trong dải các giá trị cố định này. Do đó, trong

trạng thái bị nhiễu loạn, hệ thống PV chuyển sang hoạt động

trong chế độ điều khiển điện áp (điều khiển P/V). Ở đây chỉ

có công suất phản kháng được sử dung để điều chỉnh điện

áp tại điểm kết nối hệ thống PV. Điện áp đặt Vmin_desired hoặc

Vmax_desired được xác định phụ thuộc theo cấu hình điện áp của

lưới điện quá thấp hay quá cao. Nếu công suất phản kháng

của hệ thống PV đạt giới hạn cho phép (Q = Qmin hoặc

Q = Qmax) thì nó không thể đảm bảo việc điều chỉnh được điện

áp mong muốn nữa. Điện áp đặt chuyển sang chế độ nguy

hiểm khi điện áp tại điểm kết nối vượt qua giới hạn cho phép.

- Chế độ nguy hiểm: xảy ra khi điện áp tại điểm kết nối

vượt qua giới hạn cho phép (V> Vmax_admissible hoặc

V< Vmin_admissible, đối với lưới Việt Nam Vmax_admissible = 1,1

pu, Vmin_admissible= 0,9 pu) và như giải thích ở trên, hệ thống

điện mặt trời không thể điều chỉnh điện áp bằng công suất

phản kháng nữa. Vậy, trong trạng thái nguy hiểm thì điều

khiển công suất tác dụng trở nên cần thiết. Vậy hệ thống

PV chuyển sang chế độ điều khiển công suất tác dụng, có

nghĩa là, hệ thống PV thay đổi công suất tác dụng phát ra

để đưa điện áp về trong giới hạn cho phép.

Việc chuyển đổi các chế độ hoạt động của hệ thống

năng lượng mặt trời được thực hiện một cách tự động và tự

thích nghi.

Hình 3. Nguyên lý hoạt động của thuật toán điều chỉnh điện áp

Vmes

Calculation

Pref

Qref

IDref

IQref

Calculation

P

Q

IDmes

IQmes

Vmes

PI

PI

psT1

1

qsT1

1

Vmes

CalculationsT1

1

Dynamic

Vmes

Calculation

Pref

Qref

IDref

IQref

Calculation

P

Q

IDmes

IQmes

Vmes

PI

PI

psT1

1

qsT1

1

Vmes

CalculationsT1

1

Dynamic

Id, Iq

calculation

dq

3~

Id

Iq

Ib

Ic

Ia

PI Reg.Psetpoint

PI Reg.

Qsetpoint

dq

3~

Vd

Vq

P & Q

Calculation

Ia,b,c mesured

Va,b,c mesured

P

QQmesured

Pmesured

PLL

Vmax

Vmin

Adaptive module

Fuzzy logic or droop

P/Q control or P/V control?

++


Dải điện áp mong muốn

Bộ điều khiển thay đổi một cách thích nghi đưa ra các

giá trị điện áp mong muốn (tương ứng với các trạng thái)

bằng cách điều chỉnh công suất phản kháng trong giới hạn

cho phép của mỗi hệ thống PV. Bên cạnh đó, phụ thuộc

vào giá trị điện áp trên xuất tuyến nó kết nối và lượng công

suất phát ra hay tiêu thụ, các giá trị điện áp Vmin_desired và

Vmax_desired sẽ thay đổi. Nếu điện áp đo được tại điểm kết

càng gần 1 pu thì dải điện áp mong muốn của bộ điều khiển

càng được thu hẹp. Dải điện áp này di chuyển theo lượng

công suất phản kháng phát ra hoặc hấp thụ so với các giới

hạn vật lý của hệ thống PV được xem xét. Sự đóng góp của

công suất phản kháng càng quan trọng thì dải điện áp càng

mở rộng và tuân theo quy luật Vmin_admissible ≤ Vmin_desired ≤

Vmax_desired ≤ Vmax_admissible.

Sự thích nghi điện áp này được thực hiện bằng việc sử

dụng một mô-đun thích nghi dựa trên thuật toán điều khiển

logic mờ [fuzzy logic]. Logic mờ được lựa chọn vì tính năng

nội suy của nó. Thực tế, logic này chính xác hơn logic

Boolean để điều chỉnh dải điện áp mong muốn theo từng

điện áp và công suất phản kháng đo được tại điểm kết nối.

3. Áp dụng

Để kiểm nghiệm hiệu quả của thuật toán điều khiển

chỉnh điện áp tại điểm kết nối hệ thống PV vào lưới, một

lưới điện như Hình 4 được nghiên cứu.

Hình 4. Sơ đồ lưới điện phân phối

Lưới phân phối được cấp nguồn từ trạm biến áp 22/0,4

kV, 160 kVA, bao gồm 14 nút, 10 nút tải và 5 hệ thống

điện mặt trời. Tải ở nút 3 là tải 3 pha còn tải các nút khác

là tải 1 pha.

Lưới phân phối hạ áp có kết nối hệ thống điện mặt trời

được mô phỏng bằng Matlab-Simulink.

Hai kiểu hệ thống điện mặt trời được sử dụng:

- Hệ thống PV 3 pha được kết nối tại nút N03 (30kW).

- Hệ thống PV 1 pha được kết nối tại nút N05, N06,

N11, N12 (3kW).

Hai thuật toán điều khiển của bộ biến tần PV được sử dụng:

- Điều khiển cổ điển (điều khiển P/Q).

- Điều khiển thích nghi điện áp.

Hình 5. Đồ thị phụ tải thay đổi trong một ngày đêm

Hình 6. Cường độ bức xạ mặt trời trong 24 tiếng

Hình 5 biểu diễn sự biến đổi của tải 3 pha tại nút 3 trong

1 ngày đêm. Hình 6 giới thiệu cường độ bức xạ mặt trời

trong 24 tiếng được sử dụng trong mô phỏng.

Đối với thuật toán điều khiển P/Q

Trong trường hợp này, chúng ta giả sử rằng tất cả hệ

thống PV đều hoạt động theo thuật toán điều khiển công

suất P/Q.

Hình 7 thể hiện công suất của hệ thống PV kết nối tại

nút N03 (3 pha, 30 kW). Công suất đầu ra của hệ thống PV

thay đổi theo cường độ bức xạ mặt trời tương ứng với Hình

6. Công suất phản kháng trong trường hợp này được giữ

bằng 0.

Hình 7. Công suất của hệ thống PV kết nối tại nút 3

(3 pha, 30 kW)

12 Lê Thị Minh Châu, Lê Đức Tùng, Nguyễn Thùy Linh

Sau khi kết nối các hệ thống PV vào lưới phân phối hạ

áp, ta có đồ thị điện áp tại các nút trên lưới như Hình 8.

Hình 9 là điện áp 3 pha tại nút N05 khi có hệ thống PV (1

pha, 3 kW) kết nối vào pha c.

Hình 8. Điện áp tại các nút trên lưới điện khi có kết nối

các hệ thống điện mặt trời

Hình 9. Điện áp tại nút N05 khi có hệ thống PV (3 kW)

kết nối vào pha c

Dựa vào kết quả mô phỏng, ta thấy rằng:

- Với thuật toán điều khiển công suất P/Q cổ điển

(Q=0), có hiện tượng quá áp tại nút N05 (V> 1,1 pu, Hình

8), tại thời điểm cường độ của mặt trời chiếu mạnh.

- Đối với hệ thống PV 1 pha khi kết nối lưới, có sự mất

cân bằng giữa các pha và quá áp khi hệ thống PV được kết

nối (Ví dụ: quá áp trên pha c tại nút N05).

Đối với thuật toán điều khiển thích nghi điện áp

Trong trường hợp này, các thông số của lưới điện và

các kịch bản tương tự với trường hợp trước, nhưng ở đây

tất cả các hệ thống PV đều có khả năng tự điều chỉnh thích

nghi điện áp. Hình 10 giới thiệu điện áp tại các nút trên lưới

điện khi hệ thống PV có điều chỉnh thích nghi điện áp. Hiệu

quả của việc áp dụng thuật toán điều khiển được thể hiện

rõ hơn trong Hình 11.

Cũng như trường hợp trước, công suất đầu ra của hệ

thống PV biến đổi theo cường độ bức xạ mặt trời. Nhưng đối

với trường hợp này, công suất phản kháng lại biến đổi. Để

giảm hiện tượng quá điện áp do hệ thống PV bơm công suất

tác dụng, công suất phản kháng được hấp thụ (phát công suất

- Q). Hình 12 biểu thị công suất đầu ra của hệ thống PV được

kết nối tại nút N05 (pha c, 3 kW).

Hình 10. Điện áp tại các nút trên lưới điện khi hệ thống PV có

điều chỉnh thích nghi điện áp

Hình 11. Điện áp tại điểm kết nối hệ thống PV khi

không có/có điều chỉnh thích nghi điện áp

Hình 12. Công suất đầu ra của hệ thống PV được kết nối tại

nút N05 (pha c, 3 kW)

Mức độ hấp thụ công suất phản kháng phụ thuộc vào

các yếu tố khác nhau như vị trí kết nối, khả năng cung cấp

công suất phản kháng của các hệ thống PV, điện áp lưới và

các thông số của lưới điện... Với thuật toán điều chỉnh thích

nghi điện áp (Hình 10), ta nhận thấy rằng tất cả điện áp nút

được giữ trong giới hạn cho phép (0,9 pu – 1,1 pu) và đồng

thời giảm được sự mất cân bằng pha điện áp.

4. Kết luận

Bài báo giới thiệu thuật toán điều chỉnh thích nghi điện


áp tại điểm kết nối lưới phân phối của hệ thống năng lượng

mặt trời. Thuật toán này có nhiều ưu điểm:

- Có khả năng giữ điện áp trong giới hạn cho phép (0,9

pu – 1,1 pu).

- Không cần bất kỳ hệ thống thông tin liên lạc.

- Một giải pháp tốt để giảm sự mất cân bằng điện áp

trong mạng lưới phân phối hạ áp.

- Hấp thụ công suất phản kháng chỉ khi cần thiết và do

đó hạn chế tổn thất điện năng trong đường dây.

- Hoạt động tự động.

- Tăng cường mức độ thâm nhập năng lượng mặt trời

vào hệ thống điện, tăng hiệu suất và tính linh hoạt của việc

kết nối hệ thống PV vào lưới điện.

- Không chỉ để điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối mà

còn áp dụng cho mọi điểm trên lưới điện.

Thuật toán điều khiển điện áp này thích hợp cho các hệ

thống năng lượng mặt trời kết nối vào lưới phân phối hạ áp.

Hướng phát triển:

- Thử nghiệm khả năng hoạt động ổn định và giới hạn

của thuật toán với nhiều hệ thống PV 1 pha và kết nối ngẫu

nhiên trên các pha.

- Thử nghiệm khả năng điều chỉnh công suất tác dụng

của hệ thống năng lượng mặt trời.

- Thử nghiệm với thiết bị mô phỏng thời gian thực.

Lời cảm ơn

Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Bách

khoa Hà Nội vì đã cấp kinh phí cho nghiên cứu này, theo

đề tài mã số T2016 –PC-090.


[1] Muralekrishnen. R, Sivakumar. P, Improving the power quality performance for distributed power generation, 2012 International

Conference on Computing, Electronics and Electrical Technologies

(ICCEET), 2012, pp. 203 - 211.

[2] E. Rezapour, Md. T. Bina, A. Hajizadeh, “Active and reactive power

controller for single phase connected photovoltaic systems”, International Journal of Emerging Science and Engineering, Vol. 2,

Issue. 5, March 2014, pp. 22-24.

[3] Mahmud. M.A, Hossain. M.J, Pota. H.R, “Voltage Variation on

Distribution Networks With Distributed Generation: Worst Case

Scenario”, Systems Journal, IEEE, Vol. 8, No. 4, 2014, pp. 1096 - 1103.

[4] Aramizu. J, Vieira. J.C.M, Analysis of PV generation impacts on

voltage imbalance and on voltage regulation in distribution networks, IEEE on Power and Energy Society General Meeting

(PES), 2013, pp. 1-5.

[5] Achim Woyte, Vu Van Thong, Ronnie Belmans, and Johan Nijs,

“Voltage Fluctuations on Distribution Level Introduced by

Photovoltaic Systems”, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 21, No. 1, March 2006, pp. 202-209.

[6] T. Tran-Quoc, G. Rami, A. Almeida, N. Hadjsaid, J. C. Kieny,

J.C.Sabonadiere, Méthode et dispositif de régulation pour un dispositif

de production décentralisée d’énergie, et installation comportant au

moins deux dispositifs de production dotes dudit dispositif de régulation, Brevet d’Invention International, Nov. 2005.

[7] T. Tran-Quoc, C. Andrieu, N. Hadjsaid, Technical impacts of small

distributed generation units on LV networks, IEEE General Meeting

2003, Canada, June 2003.

[8] Minh. Q. Duong, K. H. Le, T. S. Dinh, M. Mussetta, G. N. Sava,

Effects of Bypass Diode Configurations on Solar Photovoltaic

Modules Suffering from Shading Phenomenon, IEEE-The 10th

International Symposium on Advanced topics in Electrical

Engineering, 2017.

[9] Minh. Q. Duong, H. H. Nguyen, S. Leva, M. Mussetta, G. N. Sava,

S. Costinas, Performance Analysis of a 310Wp Photovoltaic Module

based on Single and Double Diode Model, IEEE- 2016 International Symposium on Fundamentals of Electrical Engineering, 2016.


14 Nguyễn Chi Công, Nguyễn Vĩnh Long

XÂY DỰNG BẢN ĐỒ MƯA NGÀY LỚN NHẤT CHO

KHU VỰC MIỀN TRUNG VÀ TÂY NGUYÊN

BUILDING MAPS OF EXTREME DAILY RAINFALL FOR

CENTRAL AND HIGHLAND REGION IN VIET NAM

Nguyễn Chi Công1, Nguyễn Vĩnh Long2 1Trương Đai hoc Bach khoa - Đại học Đà Nẵng; [email protected]

2Chi cuc Phong chông thiên tai khu vưc miên Trung va Tây Nguyên

Tóm tắt - Tần suất thiết kế và thời đoạn tính toán lượng mưa là rất quan trọng trong thiết kế công trình thủy. Nghiên cứu này sử dụng suy luận Bayesian và thuật toán Markov Chain Monte Carlo để phân tích tần suất mưa ngày lớn nhất. Hai phương pháp thường dùng trong phân tích tần suất gồm: (i) Phương pháp địa phương và (ii) Phương pháp vùng, được sử dụng để phân tích tần suất mưa ngày lớn nhất cho 75 trạm đo trên khu vực miền Trung và Tây Nguyên (MT-TN). Kết quả phân tích tần suất của hai cách tiếp cận này là cơ sở cho việc xây dựng bản đồ mưa ngày lớn nhất cho toàn vùng. Các kết quả sẽ được so sánh và kiểm chứng sự phù hợp về phân bố mưa theo không gian và thời gian lặp lại T=100 năm. Ngoài ra, kết quả này có thể giúp người thiết kế ước tính được lượng mưa ngày lớn nhất ứng với tần suất thiết kế tại những vùng không có trạm đo và làm cơ sở khoanh vùng cấp độ rủi ro thiên tai do mưa lớn.

Abstract - The design frequency and timing of precipitation calculation are very important in hydraulic construction design. The study uses Bayesian inference and Monte Carlo Chain Markov algorithms to analyze the extreme daily rainfall. The two methods commonly used in frequency analysis include: (i) Local method and (ii) Regional method and are used to analyze the highest daily rainfall for 75 stations in the Central and Highland Region. The results of the analysis of the frequency of these approaches are the basis for the creation of the largest daily rainfall map for the whole region. This result will be compared and verified for relevance for spatial rainfall distribution and repeat time T of 100 years. In addition, this result can help the designer estimate the maximum daily precipitation corresponding to design frequencies in areas without stations and zone the level of natural disaster risk due to heavy rain according to regulations.

Từ khóa - mưa ngày lớn nhất; Bayesian MCMC; phương pháp vùng; phương pháp địa phương; miền Trung và Tây Nguyên.

Key words - extreme daily rainfall; Bayesian MCMC; regional method; local method; Central and Highland region.


Là quốc gia nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa,

hàng năm Việt Nam ghi nhận tổng lượng mưa rất lớn và

phân bố không đều so với nhiều nơi trên thế giới. Trong đó,

khu vực miền Trung và Tây Nguyên là khu vực có sự phân

biệt lớn về lượng và phân bố không gian, vì nơi đây có những

dãy núi cao đón gió mùa Đông Bắc hoặc áp thấp nhiệt đới từ

Biển Đông. Chính lý do này mà Việt Nam nói chung và các

tỉnh khu vực miền Trung và Tây Nguyên nói riêng được

nhận định có nguy cơ rủi ro thiên tai do mưa lớn là rất cao.

Bản đồ phân bố không gian lượng mưa, đặc biệt là mưa

cực hạn rất cần thiết trong quá trình quản lý nguồn nước, phân

tích đặc tính thuỷ văn, đánh giá hệ sinh thái và đặc biệt quan

trọng trong công tác lập quy hoạch, kế hoạch và phương án

phòng chống các loại hình thiên tai gắn liền với diễn biến mưa

như lũ, lũ quét, lũ ống, sạt lở đất và ngập lũ. Bên cạnh đó,

mạng lưới quan trắc mưa còn thưa và phân bố không đồng

đều, số liệu mưa ngày nhiều trạm không liên tục, khó đáp ứng

cho việc ước tính tần suất đạt độ tin cậy cao và việc ước tính

lượng mưa một ngày lớn nhất ứng với các tần suất lũ thiết kế,

lũ kiểm tra cho các công trình giao thông, thủy lợi thường

được lấy theo trạm gần nhất. Việc nghiên cứu phương pháp

xây dựng bản đồ mưa cực hạn là rất cần thiết. Nghiên cứu

này sử dụng phần mềm ArcGis để xây dựng bản đồ mưa cực

hạn dựa trên số liệu của hai phương pháp phân tích tần suất:

phương pháp vùng và phương pháp địa phương.

2. Phương pháp nghiên cứu và dữ liệu

2.1. Vùng nghiên cứu

Vùng nghiên cứu bao gồm 6 tỉnh thuộc khu vực

MT-TN gồm: Thừa Thiên Huế, Đà Nẵng, Quảng Nam,

Quảng Ngãi, Kon Tum và Gia Lai (Hình 1). Đây là các tỉnh

có địa hình khá phức tạp do dãy Trường Sơn chia cắt khu

vực miền Trung và Tây Nguyên theo hướng Đông Nam.

Bên cạnh đó, còn có các dãy núi cao chia cắt ranh giới các

tỉnh theo hướng Đông Bắc như: dãy Bạch Mã, dãy Ngọc

Linh. Hàng năm, các hoạt động gió Đông Bắc từ tháng 11

đến tháng 1, áp thấp nhiệt đới ở Biển Đông từ tháng 9 đến

tháng 12 và gió Tây Nam từ tháng 5 đến tháng 9, kết hợp

với yếu tố địa hình đã tạo nên những trận mưa lớn gây lũ

lụt, sạt lở đất, gây nhiều thiệt hại về người và tài sản.

2.2. Dữ liệu

Vùng nghiên cứu có số liệu đo rất đa dạng về nguồn

gốc số liệu cũng như sự phân bố các trạm đo khá không

đồng đều: Vùng đồng bằng có mật độ trạm dày còn vùng

núi có mật độ trạm thưa, đặc biệt, vùng tiếp giáp với 2 nước

Lào và Campuchia đều không có trạm đo, vùng giáp Biển

Đông chỉ có duy nhất 1 trạm tại đảo Lý Sơn.

Với mục đích xây dựng bản đồ mưa ngày lớn nhất, yêu

cầu về dữ liệu đo cần thỏa mãn về mặt không gian, cần thu

thập thêm các trạm đo mưa tiếp giáp để làm căn cứ nội suy

bản đồ. Qua phân tích và đánh giá, nghiên cứu đã lựa chọn

được 75 trạm thỏa mãn điều kiện dữ liệu đo mưa ngày liên

tục trên 15 năm và có độ tin cậy. Số liệu thống kê mưa được

lấy từ các trạm khí tượng thủy văn, trạm đo mưa tại các hồ

thủy lợi. Các trạm đo mưa tự động do thời gian đo liên tục

ngắn và độ tin cậy chưa cao nên không sử dụng trong

nghiên cứu này. Thông tin cơ bản của các trạm bao gồm:

vĩ độ, kinh độ và cao độ trạm. Nghiên cứu này chỉ xét thời

đoạn mưa tính toán là 1 ngày lớn nhất (1NLN).



Hình 1. Địa hình và mạng lưới trạm đo mưa

3. Phương pháp

3.1. Phương pháp phân tích tần suất vùng

Có thể tóm lược phương pháp phân tích tần suất mưa

vùng thành 04 bước: (i) Sàng lọc số liệu; (ii) Xác định vùng

đồng nhất; (iii) Chọn hàm phân phối xác suất cho vùng

đồng nhất; (iv) Ước lượng giá trị phân phối xác suất cho

mỗi trạm thông qua chỉ số mưa vùng.

Hình 2. Bản đồ phân vùng đồng nhất mưa 1NLN

Nghiên cứu này tiếp tục phát triển từ kết quả của nghiên

cứu trước đây của chính tác giả 3, theo đó, thời đoạn mưa

1NLN của khu vực nghiên cứu được sàng lọc và phân thành

03 vùng thoả mãn chỉ số test Hosking-Wallis (Bảng 1) và

bản đồ phân vùng như Hình 2. Trong nghiên cứu này, tác

giả tiếp tục triển khai các bước (iii) và (iv) và sử dụng

phương pháp nội suy IDW để xây dựng bản đồ mưa 1NLN

ứng với thời gian lặp lại T=100 năm.

Bảng 1. Chỉ số (Hn) kiểm tra tính đồng nhất của mẫu dữ liệu 1NLN

Hn Vùng 1

(N= 30 trạm)

Vùng 2’

(N= 19 trạm)

Vùng 2”

(N= 26 trạm)

H1 -0,113 1,828 -0,262

H2 -0,046 0,780 1,009

H3 -0,159 0,106 1,404

Kết luận Đồng nhất Đồng nhất Đồng nhất

3.1.1. Lựa chọn phân phối thống kê

Trong phân tích tần suất vùng, hàm phân phối (F) được

chọn dựa trên tỷ lệ L-moment và giá trị ZDist. Với mỗi dạng

phân phối, ZDist được tính toán như sau:

𝑍𝐷𝑖𝑠𝑡 =𝑡4

𝑅 − 𝜏4𝐷𝑖𝑠𝑡

𝜎4

Trong đó, 𝜏4𝑅 là giá trị trung bình L-kurtosis tính từ dữ

liệu vùng, 𝜏4𝐷𝑖𝑠𝑡 là giá trị L-kurtosis lý thuyết tính từ mô

phỏng cho một dạng phân phối, 𝜎4 là giá trị độ lệch chuẩn

của L-kurtosis nhận được từ mô phỏng dữ liệu. Những phân

phối được chọn phải có giá trị |ZDist| ≤ 1,64. Trường hợp

tồn tại nhiều hàm phân phối đều thoả mãn thì hàm phân phối

nào cho |ZDist| gần bằng 0 nhất sẽ phù hợp nhất 4.

3.1.2. Phương pháp chỉ số mưa vùng

Phương pháp này dựa trên nguyên lý được đề xuất bởi

Dalrymple (1960). Giá trị xác suất lũy tích F tại trạm thứ i

có thể được viết:

𝑋𝑖(𝐹) = 𝜇𝑖𝑥(𝐹)

Trong đó, 𝑥(𝐹) là giá trị xác suất lũy tích F của vùng,

𝜇𝑖 là chỉ số lũ và được tính bằng giá trị trung bình của mẫu

dữ liệu đo tại trạm thứ i.

Sau khi phân tích tần suất vùng sẽ ước tính được �� và

thông qua chỉ số mưa vùng ước tính �� thì lượng mưa ước

tính cho tường trạm trong vùng sẽ là �� =��

�� .

3.1.3. Thuật toán Bayesian Markov chain Monte Carlo

Thủ tục Bayesian MCMC hiện nay được sử dụng rộng

rãi cho các ứng dụng thủy văn 5, 6, 7. Nghiên cứu này

sẽ giới thiệu ngắn gọn thủ tục Bayesian MCMC. Chi tiết

của thuật toán được sử dụng có trong thư viện nsRFA của

phần mềm R (miễn phí). Theo thuyết của Bayes, likelihood

của mẫu cho bởi các tham số của mô hình xác suất 𝐿(𝑫|𝜃)

có mối quan hệ với likelihood hoặc hàm mật độ của xác

suất các tham số cho mẫu 𝑝(𝜃|𝑫):

𝑝(𝜃|𝑫) =𝐿(𝑫|𝜃)𝑝(𝜃)

𝑝(𝑫)

Trong đó: 𝑝(𝜃) là phân phối cho trước của tham số 𝜃,

𝑝(𝑫) là xác xuất của mẫu D hay còn gọi là hằng số chuẩn

hóa. Likelihood của mẫu quan sát D được tính như sau:


𝐿(𝑫|𝜃) = ∏ [∏ 𝑓𝜃 (𝑥𝑖𝑗

𝜇𝑖

)

𝑛𝑖

𝑗=1

]

𝑠

𝑖=1

Trong đó, 𝑓𝜃 là hàm mật độ xác suất của phân phối

thống kê đã lựa chọn cho đường cong tần suất vùng, và 𝜃

là véc-tơ các tham số của phân phối lựa chọn để ước tính.

3.2. Phương pháp phân tích tần suất địa phương

Khác với phương pháp vùng, phương pháp địa phương

chỉ xét cho mẫu dữ liệu đo của từng trạm. Likelihood của

mẫu quan sát D được tính như sau:

𝐿(𝑫|𝜃) = ∏ 𝑓𝜃(𝑥𝑖)𝑠

𝑖=1

Trong đó, 𝑓𝜃 là hàm mật độ xác suất của phân phối

thống kê đã lựa chọn, và 𝜃 là véc-tơ các tham số của phân

phối lựa chọn để ước tính. xi là giá trị đo, với i= 1,.., s.

Tóm lại, cả hai phương pháp (vùng và địa phương) đều

sử dụng thuật toán Bayesian MCMC để ước tính tần suất

và tất cả các thủ tục giới thiệu ở trên được sử dụng thư viện

trong ngôn ngữ thống kê R, đó là nsRFA.

3.3. Phương pháp nội suy theo khoảng cách ngược (IDW)

Các nghiên cứu trước đây 1, 2 đã chỉ ra rằng phương

pháp IDW trong nội suy mưa là phù hợp nhất và cho kết

quả tốt hơn so với các phương pháp nội suy khác. Trong

nghiên cứu này, bản đồ phân bố lượng mưa được thành lập

dựa trên nguyên tắc nội suy biến đổi trung bình với trọng

số tính theo khoảng cách ngược. Phương pháp này có thể

được biểu diễn bằng công thức toán học sau:

n

1i

i

n

1i

ii

p

W

WZ

Z

Trong đó: Zp là giá trị được nội suy; Zi là giá trị đo được

tại vị trí (xi, yi); n là điểm lấy mẫu; Wi hàm trọng số:

i

1W

kd

Với: d là khoảng cách từ trạm có giá trị đã biết đến điểm

cần nội suy; k là hệ số mũ của trọng số.

4. Kết quả và bàn luận

4.1. Lựa chọn hàm phân phối

Kết quả (Bảng 2) tính giá trị ZDist tương ứng với 5 dạng

phân phối được xem là có khả năng phù hợp (GLO, GEV,

LN3, PE3 và GPA) cho mẫu dữ liệu của mỗi vùng cho thấy,

với mô hình mưa 1NLN của vùng 1 có 2 hàm (GEV và

GNO) phù hợp, tương tự vùng 2’ có 2 hàm (GLO và GEV),

riêng vùng 2’’ chỉ cho kết quả hàm phân phối GLO là thoả

mãn. Theo nguyên tắc chọn hàm phân phối thống kê, tác

giả chọn hàm GEV cho dữ liệu vùng 1; GLO cho vùng 2’

và vùng 2’’.

Bảng 2. Lựa chọn hàm phân phối ZDIST≤1,64

|ZDIST| Vùng 1 Vùng 2’ Vùng 2’’

GLO 2,114 0,445 0,419

GEV -0,485 -1,107 -1,831

GNO -1,094 -1,711 -2,367

PE3 -2,368 -2,826 -3,482

GPA -6,429 -4,850 -6,983

Chọn PP GEV GLO GLO

4.2. Ước tính giá trị mưa cực hạn ứng với thời đoạn 1NLN

Để xây dựng bản đồ, tác giả trích xuất giá trị mưa thời

đoạn 1NLN ứng với T=100 năm như Bảng 3 để xây dựng

bản đồ mưa 1NLN.

Bảng 3. Kết quả ước tính lượng mưa 1NLN tại các trạm ứng với

T=100 năm, theo phương pháp vùng, ��100𝑅 (đơn vị: mm)

ID Tên trạm x100R ID Tên trạm x100

R

1 Thạch Hãn 600 38 Mộ Đức 588

2 Phú Ốc 678 39 Sơn Tây 657

3 Cổ Bi 607 40 An Chỉ 655

4 Kim Long 627 41 Minh Long 937

5 Huế 702 42 Đức Phổ 633

6 Bình Điền 635 43 Ba Tơ 820

7 Tà Lương 801 44 Sa Huỳnh 563

8 Dương Hòa 657 45 Giá Vực 815

9 A Lưới 688 46 An Hoà 623

10 Nam Đông 879 47 Hoài Nhơn 507

11 Thượng Nhật 742 48 Vĩnh Sơn 501

12 Cẩm Lệ 520 49 Bình Tường 490

13 Bà Nà 494 50 Bình Quang 420

14 Hiên 482 51 Vĩnh Kim 524

15 Ái Nghĩa 554 52 Vân Canh 580

16 Hội An 528 53 Đèo Cù

Mông 641

17 Câu Lâu 495 54 Củng Sơn 607

18 Giao Thủy 544 55 Đăk Glei 379

19 Hội Khách 506 56 Sa Thầy 383

20 Thành Mỹ 506 57 Đắk Tô 313

21 Thăng Bình 475 58 ComPlông 246

22 Nông Sơn 582 59 Kon Tum 260

23 Hiệp Đức 667 60 Ia Ly 290

24 Tam Kỳ 592 61 Kbang 249

25 Tiên Phước 663 62 Biển Hồ 239

26 Trà My 729 63 Ia Hrung 274

27 Phước Sơn 623 64 PomoreTV 290

28 Thạch Bàn 542 65 Thôn 4 281

29 Vĩnh Trinh 541 66 Đăk Đoa 259

30 Lý Sơn 633 67 Pleiku 259

31 Châu Ổ 705 68 An Khê 264

32 Trà Bồng 711 69 Chư Sê 272

33 Trà Khúc 656 70 Chư Prông 270

34 Quảng Ngăi 671 71 Ayun Hạ 177

35 Sông Vệ 648 72 Ayun Pa 275

36 Sơn Giang 925 73 Krông Pa 322

37 Sơn Hà 812 74 Buôn Hồ 247


Bảng 4. Kết quả ước tính lượng mưa 1NLN tại các trạm ứng với

T=100 năm, theo phương pháp địa phương, ��100𝐿 (đơn vị: mm)

ID Tên trạm x100L ID Tên trạm x100

L

1 Thạch Hãn 513 38 Mộ Đức 613

2 Phú Ốc 799 39 Sơn Tây 550

3 Cổ Bi 877 40 An Chỉ 690

4 Kim Long 675 41 Minh Long 1507

5 Huế 1028 42 Đức Phổ 624

6 Bình Điền 642 43 Ba Tơ 923

7 Tà Lương 683 44 Sa Huỳnh 508

8 Dương Hòa 687 45 Giá Vực 961

9 A Lưới 789 46 An Hoà 420

10 Nam Đông 798 47 Hoài Nhơn 397

11 Thượng Nhật 665 48 Vĩnh Sơn 508

12 Cẩm Lệ 590 49 Bình Tường 331

13 Bà Nà 395 50 Bình Quang 328

14 Hiên 643 51 Vĩnh Kim 401

15 Aí Nghĩa 569 52 Vân Canh 462

16 Hội An 565 53 Đèo Cù

Mông 747

17 Câu Lâu 462 54 Củng Sơn 921

18 Giao Thuỷ 770 55 Đăk Glei 391

19 Hội Khách 513 56 Sa Thầy 345

20 Thành Mỹ 689 57 Đắk Tô 657

21 Thăng Bình 363 58 ComPlông 604

22 Nông Sơn 512 59 Kon Tum 181

23 Hiệp Đức 713 60 Ia Ly 145

24 Tam Kỳ 414 61 Kbang 271

25 Tiên Phước 557 62 Biển Hồ 243

26 Trà My 567 63 Ia Hrung 278

27 Phước Sơn 660 64 PomoreTV 330

28 Thạch Bàn 442 65 Thôn 4 229

29 Vĩnh Trinh 453 66 Đăk Đoa 329

30 Lý Sơn 763 67 Pleiku 208

31 Châu Ổ 476 68 An Khê 290

32 Trà Bồng 656 69 Chư Sê 216

33 Trà Khúc 753 70 Chư Prông 290

34 Quảng Ngăi 769 71 Ayun Hạ 973

35 Sông Vệ 705 72 Ayun Pa 421

36 Sơn Giang 1163 73 Krông Pa 265

37 Sơn Hà 862 74 Buôn Hồ 604

4.3. Xây dựng bản đồ mưa 1NLN

Bản đồ kết quả nội suy sẽ ở dạng raster với kích

thước pixel được lấy là 50 m x 50 m; sau đó sẽ cắt bỏ

những phần ngoài khu vực nghiên cứu được các bản đồ

phân bố lượng mưa 1NLN ứng với T=100 năm. Hình 3

và Hình 4 thể hiện bản đồ phân bố không gian về mưa

cực hạn theo phương pháp phân tích tần suất vùng và

phương pháp địa phương.

Hình 3. Bản đồ mưa 1NLN (T=100 năm)

theo phương pháp phân tích vùng

Hình 4. Bản đồ mưa 1NLN (T=100 năm)

theo phương pháp địa phương

Hình 3 cho thấy lượng mưa 1NLN ứng với T=100 năm

khá phù hợp với thực tế quan trắc của các trạm đo, cụ thể


như: Lượng mưa 1NLN xét trên toàn vùng chủ yếu tập

trung tại vùng duyên hải miền Trung và cục bộ lớn nhất tại

các điểm trạm như: Tà Lương (ID=7), Nam Đông (10), Trà

My (26), Sơn Giang (36), Minh Long (41). Trong khi đó,

phương pháp địa phương (Hình 4) cho kết quả không phù

hợp với thực tế, đặc biệt tại điểm trạm Huế (5) và Krông

Pa (73). Nguyên nhân là do phương pháp địa phương sử

dụng mẫu số liệu ngắn của mỗi trạm đo để suy luận giá trị

mưa với thời gian lặp lại cao (T=100 năm).

5. Kết luận

Nghiên cứu đã sử dụng cơ sở dữ liệu mưa 1NLN của

75 trạm trên khu vực miền Trung và Tây Nguyên. Áp dụng

hai phương pháp phân tích tần suất (vùng và địa phương) để

ước tính giá trị mưa ứng với T=100 năm và dùng phương

pháp nội suy IDW trong ArcGis để xây dựng bản đồ mưa

thời đoạn 1 NLN. Các kết quả cho thấy hàm phân phối thống

kê cho ba vùng là GEV, GLO và GLO cho các vùng 1, vùng

2’ và vùng 2’’. Bản đồ mưa thời đoạn 1NLN được tiến hành

đồng thời cho 2 phương pháp phân tích tần suất và kết quả

cho thấy, khi sử dụng kết quả của phương pháp phân tích tần

suất vùng, bản đồ mưa thời đoạn 1NLN cho kết quả phù hợp

với thực tế hơn phương pháp địa phương.

Đây là cơ sở khoa học để số hóa dữ liệu mưa cực hạn trong

WebGis phục vụ công tác thiết kế, vận hành và phòng chống

thiên tai trên địa bàn các tỉnh miền Trung và Tây Nguyên.


[1] Xihua. Y, Xiaojin. X, De.L. L, Fei.J, Lin.W., “Spatial interpolation

of daily rainfall data for local climate impact assessment over

Greater Sydney region”, Advances in Meteorology, 2015.

[2] Chen. F. W, Liu.C.W., “Estimation of the spatial rainfall distribution

using inverse distance weighting (IDW) in the middle of Taiwan”,

Paddy Water Environ, 10, 2012, pp. 209-222.

[3] Nguyễn Chí Công, “Phương pháp phân vùng đồng nhất trong phân

tích tần suất mưa vùng, áp dụng cho khu vực miền Trung và Tây Nguyên”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, ISSN

1859-1531, Vol:5(114), 2017, trang 22-26.

[4] Hosking, J. and J. Wallis, Regional frequency analysis: An approach

Based on L-Moments, Cambridge University Press, London, U, 1997.

[5] Ngogondo CS, C-Y. Xu, L. M. Tallaksen, B. Alemaw and T.

Chirwa, “Regional frequency analysis of rainfall extremes in

Southern Malawi using the index rainfall and L-moments

approaches”. Stoch. Env. Res. Risk A, 25, 2011, pp. 939-955.

[6] Nguyễn Chí Công, “Xây dựng bản đồ mưa ngày lớn nhất cho tỉnh

Quảng Nam dựa trên phân tích tần suất mưa vùng và suy luận Bayesian”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường, ISSN

1859-3941, Vol: 56, 2017, trang 65-71.

[7] Nguyễn Chí Công, “Phân tích tần suất mưa cực hạn cho tỉnh Gia Lai

dựa trên cách tiếp cận vùng”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và

Môi trường, ISSN 1859-3941, Vol: 57, 2017, trang 11-18.



KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA PHÂN GIẢI CAO: CÔNG CỤ

QUAN TRỌNG TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU KÍCH THƯỚC NANO

HIGH RESOLUTION TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY: AN IMPORTANT

TOOL FOR NANO-SCALED MATERIALS RESEARCH

Lê Thành Cương1, Nguyễn Đức Dũng1, Tạ Quốc Tuấn1, Ngô Ngọc Hà2, Phạm Thành Huy1 1Viện Tiên tiến về Khoa học và Công nghệ (AIST) - Trương Đại học Bách khoa Hà Nội; [email protected]

2Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS) - Trương Đại học Bách khoa Hà Nội; [email protected]

Tóm tắt - Ngày nay, vật liệu tiên tiến, đặc biệt là vật liệu có kích thước nano đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của khoa học và công nghệ. Việc ứng dụng thực tế của các vật liệu này luôn đòi hỏi sự thấu hiểu về hình thái, thành phần và cấu trúc vật liệu ở cấp độ nguyên tử. Hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM) là một thiết bị có khả năng đem lại những thông tin đó. Bài viết này trình bày về HR-TEM với khả năng phân tích hình thái, thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể của các vật liệu kích thước nano. Bên cạnh đó, chúng tôi cũng báo cáo một số kết quả của việc ứng dụng HR-TEM nghiên cứu các quá trình chuyển pha, kết tinh do tác dụng trực tiếp của chùm điện tử năng lượng cao trong HR-TEM như: Quá trình hình thành tinh thể Diamond, quá trình chuyển pha của tinh thể Fe7C3, quá trình kết tinh dây nano 3C-SiC. Các kết quả nghiên cứu được thực hiện tại Viện Tiên tiến về Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Abstract - Advanced materials, especially at nanoscale, play important roles in the development of science and modern technology. To deploy applications, comprehensive understanding of morphologies, compositions and structures of these materials is a must. High resolution transmission electron microscope (HR-TEM) is a powerful tool for the requirement. This article presents HR-TEM with the ability to analyze the morphology, chemical composition, and crystal structure of nanostructures. In addition, we report some results of the application of HR-TEM to studying the phase transitions and crystallization processes due to the direct effect of high energy electron beams in HR-TEM such as: Diamond crystal formation, Fe7C3 phase transition, 3C-SiC nanowire crystallization. The study was conducted at the Advanced Institute of Science and Technology, Hanoi University of Technology.

Từ khóa - hiển vi điện tử truyền qua; HR-TEM; vật liệu nano; phân tích cấu trúc; cấu trúc tinh thể.

Key words - transmission electron microscope; HR-TEM; nano-material; structure analysis; crystal structure.


Kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao, tên tiếng

Anh là “High resolution transmission electron

microscope”, được viết tắt là HR-TEM, là một thiết bị

nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn có độ phóng đại lên tới hàng

triệu lần từ ảnh của chùm điện tử có năng lượng cao cỡ

hàng trăm kilo electron Volts (keV) chiếu xuyên qua các

vật mẫu [1, 2]. Trên cơ sở phát minh của Ernst August

Friedrich Ruska và Max Knoll, những năm đầu thập niên

30 thế kỉ 20, các kính hiển vi hiện đại ngày nay cho phép

con người có thể quan sát được các vật thể ở kích thước

nhỏ hơn nguyên tử [3].

Nguyên lý hoạt động của HR-TEM gần như tương tự

với nguyên lý của kính hiển vi quang học. Thay vì những

thấu kính quang học, các thấu kính của HR-TEM là các

thấu kính điện từ. Cấu tạo của một HR-TEM cơ bản được

trình bày trong Hình 1a. Chùm điện tử được tạo ra bởi các

súng điện tử, thường sử dụng sợi đốt vật liệu vonfram hoặc

tinh thể LaB6 [4]. Các điện tử này được gia tốc trong cột

chân cao (10-3 Pa hoặc cao hơn) nhờ điện thế U cao, cỡ

hàng trăm kV. Năng lượng điện tử E được gia tốc với điện

thế U có giá trị được tính theo công thức:

𝐸 =𝑚𝑣2

2=

𝑝2

2𝑚= 𝑒𝑈 (1)

với e là điện tích của một điện tử, m là khối lượng điện tử.

Theo De Broglie, các điện tử chuyển động được coi như

một sóng, có bước sóng liên hệ với xung lượng p của điện

tử theo hệ thức [5]: 𝜆 =ℎ

𝑝 (2)

Trong đó, h là hằng số Planck. Do đó, 𝜆 =ℎ

√2𝑚𝑒𝑈 (3)

Theo nguyên lý này, nếu ta có một chùm điện tử được

gia tốc, ví dụ U = 200 kV, thì ta sẽ có một sóng có bước

sóng λ = 0,00251 nm, nhỏ hơn rất nhiều so với sóng ánh

sáng khả kiến và tia X. Trong khi khoảng cách giữa các mặt

tinh thể trong vật rắn cỡ 0,1 nm.

Vì thế bước sóng λ này đủ ngắn để cho phép sóng điện

từ tán xạ trên nguyên tử cho phép chụp ảnh nguyên tử.

Hình 1. (a) Sơ đồ cấu tạo của hệ HR-TEM, (b) sơ đồ nguyên lý

của hệ hiển vi điện tử HR-TEM, (c) hệ HR-TEM Tecnai G2F20

tại Viện AIST – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [6]

Ảnh hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM)

được tạo ra theo cơ chế tương phản pha, tạo ảnh pha của

từng điểm ảnh, cho phép quan sát các lớp tinh thể của chất

rắn. Detector ghi nhận các chùm tia bị lệch đi dưới các góc

(nhỏ) khác nhau sau khi truyền qua mẫu, gọi là ảnh trường

sáng và ảnh trường tối. Ảnh trường sáng (bright-field

imaging) là chế độ ghi ảnh mà khẩu độ vật kính sẽ được

điều chỉnh để hứng chùm tia thẳng góc. Ảnh trường

tối (dark-field imaging) là chế độ ghi ảnh mà khẩu độ vật

kính sẽ điều chỉnh để hứng chùm tia bị lệch một góc nhỏ.

20 Lê Thành Cương, Nguyễn Đức Dũng, Tạ Quốc Tuấn, Ngô Ngọc Hà, Phạm Thành Huy

Ảnh trường tối cho hiển thị sắc nét các hạt đơn tinh thể.

Mặc dù bước sóng λ của điện tử rất nhỏ, nhưng do các

thấu kính từ luôn có quang sai, do đó độ phân giải của HR-

TEM bị giới hạn.

1.1. Phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy-dispersive X-

ray spectroscopy - EDX)

HR-TEM còn có gắn kèm thiết bị đo phổ tán sắc năng

lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy - EDX)

cho phép phân tích thành phần hóa học nhờ việc ghi lại phổ

tán sắc năng lượng tia X [7]. Nguyên tắc hoạt động của

phép đo EDX như sau: Khi chùm điện tử có năng lượng

cao chiếu vào mẫu sẽ tương tác với các lớp điện tử bên

trong của nguyên tử. Tương tác này sẽ tạo ra các tia X

có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với số hiệu nguyên tử (Z)

của nguyên tử theo định luật Moseley [5]:

𝑓 =𝑚𝑒4

8ℎ3ԑ02 (

3

4)(𝑍 − 1)2 (4)

Với ԑ0 là hằng số điện môi.

Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông

tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu và cho biết

các thông tin về tỉ phần các nguyên tố đó.

1.2. Phổ tổn hao năng lượng điện tử (Electron Energy

Loss Spectroscopy - EELS)

Nguyên lý của EELS là phân tích năng lượng của điện

tử truyền qua [8]. Khi chùm điện tử năng lượng cao truyền

qua mẫu, chúng sẽ tương tác với các nguyên tử của vật rắn

trong mẫu, các điện tử có thể bị tán xạ không đàn hồi, năng

lượng sẽ bị suy giảm. Nhờ phổ kế phân tích năng lượng đặt

sau mẫu mà có thể ghi nhận lượng năng lượng bị tổn hao

và cho các thông tin của mẫu như: Thành phần nguyên tử,

liên kết hóa học, tính chất điện tử vùng hóa trị và vùng dẫn,

tính chất bề mặt, liên kết hóa học.

1.3. Phương pháp quét ảnh hiển vi truyền qua (Scanning

Transmission Electron Microscopy - STEM)

STEM là một phương pháp thu hình ảnh bằng phương

pháp quét ảnh hiển vi điện tử truyền qua (ảnh STEM) tích

hợp trên HR-TEM. Hệ thu nhận tín hiệu trong STEM bao

gồm ba bộ cảm biến bán dẫn, do đó, hình ảnh thu được gồm

có STEM trường sáng, STEM trường tối và hình ảnh

STEM pha trộn các tín hiệu [9].

1.4. Phương pháp nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng

(Selected area Electron diffraction - SAED)

SAED là một phương pháp ghi ảnh trong HR-TEM sử

dụng một chùm điện tử song song chiếu vuông góc qua

một vùng vật liệu được lựa chọn. Phổ nhiễu xạ thu được

là tập hợp các điểm sáng phân bố trên các đường tròn

đồng tâm, các điểm sáng trên đường tròn gần tâm nhất

thuộc vân nhiễu xạ bậc 0 tạo ra trên mặt phẳng tiêu của

vật kính. Với phương pháp này, người dùng có thể dễ

dàng lựa chọn một vùng trên mẫu và chiếu chùm điện tử

đi xuyên qua nhờ khẩu độ lựa chọn vùng (selected area

aperture). Phương pháp này thực hiện đơn giản trong kính

hiển vi điện tử truyền qua, nhưng vì khó tạo ra chùm điện

tử hẹp song song nên muốn phân tích cấu trúc từng hạt

tinh thể nhỏ là khó thực hiện. Ảnh nhiễu xạ sẽ là hệ thống

các vân tròn đồng tâm nếu mẫu là đa tinh thể, hoặc các

vết nhiễu xạ phân bố rời rạc trên các đường tròn đồng tâm

nếu mẫu là đơn tinh thể, hoặc là các vòng tròn nhòe nếu

mẫu không có cấu trúc tinh thể (vô định

hình) [9].

Khi chùm điện tử chiếu vào tinh thể vật rắn, các điện tử

bị nhiễu xạ với cường độ và hướng khác nhau. Mối liên hệ

bước sóng điện tử với khoảng cách giữa các mặt tinh thể

theo định luật Bragg được thể hiện ở Hình 2.

𝜆 = 2𝑑ℎ𝑘𝑙𝑠𝑖𝑛𝜃ℎ𝑘𝑙 (5)

với góc 𝜃ℎ𝑘𝑙 rất nhỏ:

𝜆 = 2𝑑ℎ𝑘𝑙𝜃ℎ𝑘𝑙;

2𝜃ℎ𝑘𝑙 = 𝑟

𝐿;

L: chiều dài camera

r: bán kính véc-tơ vị trí vết nhiễu xạ.

Khoảng cách giữa các mặt tinh thể:

𝑑ℎ𝑘𝑙 = 𝐿𝜆1

𝑟 (6)

Hình 2. Sự nhiễu xạ điện tử trong HR-TEM

1.5. Ảnh biến đổi nhanh Fourier (ảnh Fast Fourier

transform - FFT)

Ảnh FFT là hình ảnh mạng tinh thể trong không gian

mạng đảo chứa đựng thông tin tương tự như trong ảnh nhiễu

xạ điện tử. Sự khác nhau giữa ảnh nhiễu xạ điện tử SAED là

sự nhiễu xạ trực tiếp của điện tử trên mạng tinh thể và cho

hình ảnh các vết nhiễu xạ, còn ảnh FFT được thực hiện dựa

trên thuật toán thu thập và phân tích các dữ liệu trên ảnh HR-

TEM để cho ra ảnh nhiễu xạ (FFT). Sự khác nhau về phương

pháp tạo ra hình ảnh nhiễu xạ, tuy nhiên, điều đó không quan

trọng bởi các vị trí vết nhiễu xạ, góc phản xạ và khoảng cách

từ tâm đến vị trí các vết nhiễu xạ của cùng một cấu trúc tinh

thể trên SAED và FFT là như nhau.

Biến đổi nhanh Fourier (FFT) là một thuật toán tính

toán đặc biệt cho DFT (Discrete Fourier Transform), một

phép tính gần đúng Fourier rời rạc. Với chuỗi rời rạc theo

thời gian, x [n], n = 0, 1,..., N-1, phép gần đúng Fourier rời

rạc DFT phân tích chuỗi thành các phần có tần số khác

nhau, được cho bởi:

𝑋[𝑘] = 𝐷𝐹𝑇{𝑥[𝑛]} = ∑ 𝑥[𝑛]. 𝑒−𝑖(2𝜋𝑘𝑛/𝑁)𝑁−1𝑛=0 (7)

k=0, 1,…N-1

Phép biến đổi ngược DFT:

𝑥[𝑛] = 𝐼𝐷𝐹𝑇{𝑋[𝑘]} =1

𝑁∑ 𝑋𝑁−1

𝑛=0 [𝑘]. 𝑒𝑖(2𝜋𝑘𝑛/𝑁) (8)

k=0, 1,…N-1

Tính trực tiếp từ định nghĩa trên đòi hỏi O(N2) phép

tính: có N số Xk cần tính, để tính mỗi số cần tính một

tổng N số hạng. FFT là một phương pháp tính cùng kết quả

https://www.google.com.vn/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwidtID8iNfQAhUDNJQKHYDQB9cQFggkMAE&url=https%3A%2F%2Fen.wikipedia.org%2Fwiki%2FFast_Fourier_transform&usg=AFQjCNHl599QT1lHPGIJcbMXu7pKhBxElA

https://www.google.com.vn/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwidtID8iNfQAhUDNJQKHYDQB9cQFggkMAE&url=https%3A%2F%2Fen.wikipedia.org%2Fwiki%2FFast_Fourier_transform&usg=AFQjCNHl599QT1lHPGIJcbMXu7pKhBxElA


đó trong O(NlogN) phép tính. Có nhiều thuật toán FFT để

tính DFT, nhưng phổ biến nhất là thuật toán FFT Cooley-

Tukey [10].

Ảnh HR-TEM là một ma trận các điểm ảnh chứa đựng

thông tin cấu trúc, qua phép biến đổi FFT sẽ tạo ra một ma

trận điểm ảnh biểu diễn theo tần số, gọi là ảnh FFT. Từ ảnh

FFT, thực hiện thuật toán Inverse FFT (IFFT) sẽ trả lại ảnh

HR-TEM.

Hình 3. (a) Ảnh HR-TEM, (b) Ảnh FFT của vùng lựa chọn (1)

trên Hình (a), (c) Ảnh FFT của vùng lựa chọn (2) trên Hình (a),

(d) Ảnh thuật toán inverse FFT (IFFT) sau khi giữ lại các vết

nhiễu xạ, cho hình ảnh tinh thể ở vùng (2)

Ảnh FFT khả năng cho nhiều phép phân tích chi tiết

hơn so với kỹ thuật SAED. Ảnh FFT dễ dàng lựa chọn phân

tích cho một khu vực tinh thể trên ảnh HR-TEM, và có thể

thực hiện thuật toán Inverse FFT trả về ảnh HR-TEM sau

khi chỉ giữ lại các vết nhiễu xạ chính của tinh thể trên ảnh

FFT làm cho hình ảnh tinh thể rõ nét hơn.

1.6. Hệ HR-TEM của Viện AIST – Trường Đại học Bách

khoa Hà Nội

Phòng thí nghiệm hiển vi điện tử và vi phân tích

BKEMMA, Viện Tiên tiến về Khoa học và Công nghệ

(AIST), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội trang bị hệ HR-

TEM Tecnai GF20 của hãng FEI - Mỹ (Hình 1c) với điện

thế tăng tốc tối đa lên đến 200 kV, độ phân giải điểm 0,2 nm

đi kèm với thiết bị đo phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)

của hãng EDAX - Mỹ. Phép đo ảnh hiển vi phân giải cao

(HR-TEM) cho phép ảnh SAED của vật liệu trong vùng

không gian nhỏ tới vài chục nm mỗi chiều [6]. Chương trình

phân tích và xử lý số liệu Gatan Digital Micrograph của hãng

Gatan - Mỹ được sử dụng để phân tích cấu trúc tinh thể thông

qua các phép phân tích Fast Furrier Tranformation (FFT).

Ảnh FFT thu được tương tự như ảnh nhiễu xạ điện tử.

2. Phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể bằng

HR-TEM

Phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể dựa trên ảnh

nhiễu xạ trong HR-TEM được áp dụng cho ảnh nhiễu xạ

điện tử lựa chọn vùng và ảnh nhiễu xạ dựa trên phép

chuyển nhanh Fourier từ ảnh HR-TEM (ảnh FFT).

(1) Đo bán kính véc-tơ r xác định vị trí của các vết nhiễu

xạ (gốc tại tâm ảnh) trên ảnh FFT: r1, r2, r3, r4…

(2) Đo góc tạo bởi bán kính vec-tơ r xác định vị trí của

các vết nhiễu xạ: θ12, θ13, θ14, θ23, θ24…

(3) Tính toán các tỷ lệ: 𝑟2

𝑟1,

𝑟3

𝑟1,

𝑟4

𝑟1,

𝑟5

𝑟2…

(4) Giả định đó là một cấu trúc tinh thể cụ thể, tiến hành

tính tỷ số khoảng cách giữa các mặt tinh thể của cấu trúc

đó: 𝑑2

𝑑1,

𝑑3

𝑑1,

𝑑4

𝑑1,

𝑑5

𝑑2…

(5) So sánh các tỷ số 𝑟𝑖

𝑟𝑗 với

𝑑𝑖

𝑑𝑗 và góc θij tạo bởi các bán

kính vec-tơ ri, rj.

𝑟1

𝑟2=

1/𝑑1

1/𝑑2=

|𝑔1|

|𝑔2| (9)

𝐶𝑜𝑠𝜃12=𝑔1.𝑔2

|𝑔1||𝑔2|=

ℎ1ℎ2+𝑘1𝑘2+𝑙1𝑙2

√ℎ12+𝑘1

2+𝑙12√ℎ2

2+𝑘22+𝑙2

2 (10)

Giả sử với mạng lập phương: 1

𝑑2 =ℎ2+𝑘2+𝑙2

𝑎2 (11)

Do đó: |𝑔1|

|𝑔2|=

√ℎ12+𝑘1

2+𝑙12

√ℎ22+𝑘2

2+𝑙22 (12)

Hình 4. Các tính toán xác định vị trí các vết nhiễu xạ trên ảnh

nhiễu xạ và tính toán các chỉ số Miller cho các vết nhiễu xạ

(6) Xác định phương tinh thể:

𝑍 = [𝑢𝑣𝑤] = 𝑔1 × 𝑔2 (13)

(7) Tính toán xác nhận rằng, phương tinh thể [uvw]

vuông góc với các bán kính véc-tơ r(hkl) trong không gian

mạng đảo.

(8) Phân tích ảnh hưởng của thừa số cấu trúc:

Vị trí và kích thước của nguyên tử trong ô cơ sở có ảnh

hưởng đến biên độ của sóng tán xạ, giả sử với hai nguyên

tử A và B trong ô cơ sở, A(0,0,0); B(u,v,w), độ lệch pha

sóng tán xạ giữa hai nguyên tử đối với phản xạ (hkl) là:

𝜑 = 2𝜋(ℎ𝑢 + 𝑘𝑣 + 𝑙𝑤) (14)

Biên độ sóng tán xạ được biểu diễn bởi hàm mũ phức:

𝐴𝑒𝑖𝜑 = 𝑓𝑒2𝜋𝑖(ℎ𝑢+𝑘𝑣+𝑙𝑤) (15)

Biên độ của sóng tán xạ bởi ô cơ sở là:

𝐹ℎ𝑘𝑙 = ∑ 𝑓𝑖exp [2𝜋𝑖(ℎ𝑢𝑗 + 𝑘𝑣𝑗 + 𝑙𝑤𝑗)]𝑁𝑗=1 (16)

Trong đó, Fhkl là thừa số cấu trúc, phụ thuộc chủ yếu

vào kích thước và tọa độ (uj vj wj) các nguyên tử trong ô cơ sở.

Cường độ nhiễu xạ bởi các nguyên tử trong ô cơ sở 𝐼~|𝐹ℎ𝑘𝑙|2.

Trong một số trường hợp, vị trí của các vết nhiễu xạ của hai

cấu trúc gần như trùng nhau nhưng tỷ lệ cường độ các vết

nhiễu xạ trên ảnh nhiễu xạ của hai cấu trúc là khác nhau.

Hình 5. Ảnh nhiễu xạ của cấu trúc: (a) Fe7C3 hexagonal hướng

[001] và (b) Fe7C3 orhthorhombic [100], vị trí các vết nhiễu xạ

trên hai hình gần như trùng nhau, tuy nhiên cường độ các vết

nhiễu xạ trên mỗi cấu trúc khác nhau, làm cơ sở để phân biệt

hai cấu trúc

Trong mỗi cấu trúc mạng tinh thể, một số mặt (hkl) làm

https://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Thu%E1%BA%ADt_to%C3%A1n_Cooley-Tukey&action=edit&redlink=1

https://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Thu%E1%BA%ADt_to%C3%A1n_Cooley-Tukey&action=edit&redlink=1


cho 𝐹ℎ𝑘𝑙 = 0 và cường độ I=0 vết nhiễu xạ không hiện lên

(quy tắc lọc lựa). Do đó, cần phải kết hợp với thừa số cấu

trúc F trong phân tích cấu trúc tinh thể làm cơ sở để phân

biệt hai cấu trúc này.

3. Kết quả nghiên cứu

Trên cơ sở hệ HR-TEM tại BKEMMA, kết quả nghiên

cứu cấu trúc nano tinh thể của một số vật liệu điển hình

được trình bày dưới đây:

3.1. Nghiên cứu carbon và hợp chất vô cơ của carbon

[11, 12]

Ảnh HR-TEM quan sát biến đổi hình thái cấu trúc theo

thời gian của cấu trúc carbon onions biến đổi dưới sự tác

dụng của chùm điện tử năng lượng cao, được trình bày trên

Hình 6. Các thời điểm quan sát được nghi nhận tại t = 0,

17, 36 và 52 phút. Từ cấu trúc ban đầu là carbon onions

bọc một tinh thể Fe3C trong lõi, dưới tác dụng của chùm

điện tử năng lượng cao, hình thái cấu trúc của mẫu biến đổi

liên tục đã được quan sát.

Trên Hình 6a đến 6e là ảnh HR-TEM mô tả quá trình

biến đổi của cấu trúc dưới tác dụng của chùm điện tử theo

thời gian. Kết quả cho thấy độ phân giải của thiết bị là rất

cao, đồng thời với chế độ quan sát liên tục.

Hình 6. Cấu trúc carbon onions biến đổi dưới tác dụng của chùm điện tử được quan sát trong thời gian 52 phút:

(a) Cấu trúc carbon onions bao bọc hai tinh thể bên trong, (b) Thời điểm 17 phút, các lớp graphite dần mất trật tự và tinh thể

Diamond chuyển thành cấu trúc vô định hình, (c) Thời điểm 36 phút, các lớp graphite bên ngoài đã biến mất hoàn toàn đồng thời

hình thành nên các cấu trúc tinh thể mới, (d) và (e) Các cấu trúc tinh thể biến đổi theo thời gian dưới tác dụng của chùm điện tử

tại các thời điểm 38 phút và 52 phút

Tại thời điểm 38 phút, cấu trúc được quan sát và lựa chọn

một tinh thể phân tích chi tiết, thể hiện trên Hình 7.

Hình 7. Tinh thể được lựa chọn phân tích cấu trúc: (a) Ảnh HR-

TEM, (b) Ảnh FFT thể hiện các vết nhiễu xạ cho thấy đây là tinh

thể Diamond [1 1 1], (c) Ảnh biến đổi ngược IFFT thể hiện rõ

nét tinh thể Diamond

3.2. Nghiên cứu vật liệu từ tính [13]

Vật liệu có từ tính thông thường sẽ làm thay đổi độ phân

giải cũng như chất lượng ảnh HR-TEM. Tuy nhiên, với kỹ

thuật đo của chúng tôi tại BKEMMA, sự chuyển pha của

vật liệu từ tính Fe7C3 được quan sát và phân tích chi tiết với

độ phân giải cao. Dưới tác dụng của chùm điện tử, cấu trúc

Fe7C3 có sự chuyển pha từ orthorhombic sang hexagonal,

được phân tích trong Hình 8 và Hình 9. Thời điểm t=0, cấu

trúc được quan sát và phân tích hình ảnh nhiễu xạ FFT trên

Hình 8 cho thấy đây là cấu trúc Fe7C3 orthorhombic hướng

[010]. Thời điểm 92 phút, ảnh HR-TEM và ảnh FFT trên

Hình 9, kết quả phân tích cho thấy đây là cấu trúc tinh thể

Fe7C3 hexagonal [001].

Như vậy, dưới tác dụng của chùm điện tử năng lượng

cao, vật liệu từ tính Fe7C3 có sự biến đổi hình thái cấu trúc

và chuyển pha.

Hình 8. Phân tích cấu trúc tinh thể tại thời điểm t=0, trên hình

là ảnh HR-TEM và ảnh FFT tinh thể Fe7C3 orthorhombic [010]

Hình 9. Phân tích cấu trúc tinh thể tại thời điểm t=92 phút, trên

hình là ảnh HR-TEM và ảnh FFT tinh thể Fe7C3 hexagonal [001]


3.3. Nghiên cứu hợp kim silicon carbide 3C – SiC [14]

Sử dụng HR-TEM quan sát và phân tích một mẫu C chế

tạo bằng phương pháp nghiền bi hành tinh từ nguyên liệu

graphite tinh khiết. Mẫu sau khi chế tạo đã được phân tích

thành phần nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu, cho thấy

trong mẫu chủ yếu là nguyên tố C và trong mẫu còn tìm

thấy nguyên tố Si, được cho là thành phần tạp chất đi vào

mẫu trong quá trình chế tạo.

Hình 10 trình bày quá trình hình thành và phát triển của

một dây nano dưới tác dụng của chùm tia điện tử theo thời

gian từ lúc bắt đầu chiếu chùm điện tử đến 110 phút. Tại

thời điểm ban đầu t = 0 phút, quan sát thấy một dây ngắn,

có sẵn, mọc ra từ một đám nguyên tử không có cấu trúc

tinh thể (vô định hình). Gốc của dây tại t = 8 phút được chỉ

ra tiếp theo (Hình 10b), đây là ảnh TEM phân giải cao, có

thể thấy phần gốc dây bắt đầu có sự kết tinh thành tinh thể.

Quan sát và phân tích cho thấy, tinh thể dưới tác dụng của

chùm điện tử liên tục được phát triển dọc theo trục dây

(Hình 10b-10f).

Đến thời điểm t = 100 phút, ảnh TEM cho thấy phần gốc

của dây bắt đầu bị thắt lại, sau đó vài phút thì gốc dây bị đứt

ra khỏi đám nguyên tử vô định hình ban đầu (Hình 10h).

Hình 10. Ảnh TEM quá trình phát triển và kết tinh dây nano theo thời gian

(vùng kết tinh được đánh dấu bởi mũi tên 2 chiều màu trắng)

Hình 11. (a) Ảnh HR-TEM dây nano 3C - SiC đang kết tinh,

với ba vùng trên dây: (I) vùng tinh thể đã được hình thành, (II)

vùng tinh thể đang được hình thành và (III) vùng vô định hình;

(b) Hình ảnh phóng to của ô vuông tại vùng (I) với các khoảng

cách giữa các mặt tinh thể và các góc giữa các mặt tinh thể;

(c) Ảnh FFT của vùng (III) cho thâý cấu trúc là vô định hình; và

(d) Ảnh FFT vùng (1) cho thấy các vết nhiễu xạ ứng với các mặt

tinh thể 3C – SiC hướng [011]

Phân tích cấu trúc dây tại thời điểm 85 phút cho thấy,

trên dây tồn tại 3 vùng chính, vùng tinh thể đã được hình

thành (I), vùng tinh thể đang được hình thành (II) và vùng

vô định hình (III) (Hình 11a). Ảnh chi tiết phóng to tại vùng

I được thể hiện trên Hình 11b với các khoảng cách giữa các

mặt tinh thể và các góc giữa các mặt tinh thể. Hình 11c là

ảnh FFT của vùng (III) không thể hiện các vết nhiễu xạ, cho

thấy đây là vùng vô định hình. Cuối cùng, Hình 11d là ảnh

FFT của vùng (I) chỉ ra các vết nhiễu xạ tương ứng với các

mặt tinh thể chỉ ra trên hình 11b, đó là tinh thể 3C - SiC

hướng [011].

Như vậy, có thể thấy rằng, do chùm điện tử có năng

lượng lớn tác động vào khối nền chứa C vô định hình và một

hàm lượng nhỏ Si, vùng nền này khá lớn và hấp thụ các năng

lượng cho các electron trong chùm điện tử tác động. Năng

lượng này làm trạng thái vô định hình vốn đã có sự ổn định

kém, càng trở thành trạng thái bị kích thích cao, các nguyên

tử rất linh hoạt. Khi này, bản thân các nguyên tử trong khối

nền có xu hướng bị đẩy ra phía ngoài vỏ của vùng nền. Một

dây nano ban đầu mới được hình thành, khi nhận năng lượng

và một “dòng” vật chất bị đẩy từ trong lõi khối nền ra vỏ rất

dễ dàng tiếp tục mọc lên, và nếu tồn tại khả năng một pha

tinh thể nào đó có sự bền vững ổn định hơn thì pha tinh thể

này sẽ được hình thành, ở đây chính là pha 3C-SiC.

3.4. Phân tích hình thái cấu trúc của chất hấp thụ lõi xốp

Ce0.8Zr0.2O2

Trên Hình 12a trình bày ảnh STEM trường sáng của

chất hấp thụ Ce0.8Zr0.2O2, cho một hình ảnh sinh động và

mô tả rõ ràng về cấu trúc lõi xốp. Bên cạnh việc phân tích

hình thái học thì ảnh nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng SAED

cho biết cấu trúc tinh thể, được trình bày trên Hình 12b.

Các vòng tròn nhiễu xạ của các mặt tinh thể Ce0.8Zr0.2O2

chỉ ra đây là cấu trúc xốp đa tinh thể.

Hình 12. (a) Ảnh STEM trường sáng của cấu trúc xốp

Ce0.8Zr0.2O2; (b) Ảnh SAED cho thấy các họ mặt tinh thể

đặc trưng của cấu trúc xốp Ce0.8Zr0.2O2


3.5. Nghiên cứu hạt xúc tác trên các cấu trúc nano

Sử dụng hình ảnh STEM nghiên cứu các cấu trúc nano

xúc tác trên các vật liệu nền. Hình 13a là một ví dụ mô tả

rõ ràng một hạt Ni trên dây nano SnO2, bằng sự kết hợp với

ảnh EDX mapping, phương pháp này cho ra một kết quả

phân tích rõ ràng thành phần các nguyên tố hóa học dựa

vào sự tương phản màu sắc trên ảnh EDX mapping.

Trên Hình 13a, 13b là ảnh STEM trường sáng các hạt

Ni hình thành trên dây nano SnO2, Hình 13c đến 13f là ảnh

EDX mapping cho bản đồ các nguyên tố hóa học phân bố

trong Hình 13b, dựa trên sự tương phản về màu sắc.

Hình 13. (a) Ảnh STEM trường sáng các hạt Ni hình thành trên

dây nano SnO2; (b) Ảnh phóng to của vùng bao quanh bởi

đường viền mảu đỏ ở Hình (a), (c đến f) là ảnh EDX mapping

cho bản đồ các nguyên tố hóa học phân bố trong Hình (b) dựa

vào sự tương phản màu sắc

4. Kết luận

Kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao HR-TEM

là công cụ hiện đại, mạnh mẽ trong nghiên cứu cấu trúc vật

rắn, với khả năng thu ảnh truyền qua ở cấp độ nguyên tử,

giúp cho việc phân tích hình thái học, thành phần nguyên

tố hóa học, cũng như cấu trúc tinh thể của các cấu trúc nano

bằng phương pháp nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng, hoặc sử

dụng các chương trình phân tích cấu trúc tinh thể như

Gatan Digital Micrograph.

Bên cạnh đó HR-TEM còn có thể quan sát trực tiếp và

phân tích các quá trình chuyển pha tinh thể do sự tác dụng

trực tiếp của chùm điện tử năng lượng cao trong HRTEM

như: Quá trình kết tinh thành tinh thể Diamond từ C vô

định hình, quá trình chuyển pha của Fe7C3 từ orthorhombic

sang hexagonal, quá trình mọc dây nano và kết tinh thành

tinh thể 3C-SiC từ đám nguyên tử C và Si vô định hình.

Với các tính năng trên HR-TEM có khả năng cho nhiều

phép phân tích hữu ích đem lại nhiều thông tin cho vật liệu

nghiên cứu. HR-TEM ngày nay là công cụ không thể thiếu

trong nghiên cứu các vật liệu kích thước nm.


[1] Spence, C. H. John, Experimental high-resolution electron

microscopy, Oxford University Press, 1988.

[2] Spence, C. H. John et al., "Imaging dislocation cores – The way

forward", Philos. Mag., 86, 2006, pp. 4781-4796.

[3] E. Ruska, "The development of the Electron microscope and of

Electron microscopy", Rev. Mod. Phys., 59, 1987, pp. 627-637.

[4] H. Zhang, et al., "An ultrabright and monochromatic electron point

source made of a LaB6 nanowire", Nat. Nanotechnol, 11, 2015, pp.

1-8.

[5] H. O. J. Moseley, et al., "The High-Frequency Spectra of the

Elements", Phil. Mag., 26, 1913, pp. 1024-1034.

[6] www.bkemma.edu.vn.

[7] J. Goldstein, Scanning Electron Microscopy and X-Ray

Microanalysis, Springer, 2003.

[8] Egerton, Ray F, "Applications of energy-loss spectroscopy",

Electron energy-loss spectroscopy in the electron microscope,

Springer US, 1996.

[9] Williams, David B., C. Barry Carter, and P. Veyssiere, Transmission

electron microscopy: A textbook for materials science, Springer US, 1998.

[10] James W. Cooley, John W. Tukey, "An algorithm for the machine

calculation of complex Fourier series", Math. Comput., 19, 1965,

pp. 297-301.

[11] Le Thanh Cuong, Nguyen Duc Dung, Ta Quoc Tuan, Nguyen Huu

Dung, Pham The Kien, Pham Thanh Huy and Ngo Ngoc Ha, Phase

transformation of carbon-rich iron carbide nanocrystals under high-energy electron beam, Bach khoa Publishing House, 2016.

[12] Lê Thành Cương, Nguyễn Đức Dũng, Phạm Thành Huy, Ngô Ngọc

Hà, Nghiên cứu quá trình biến đổi pha của tinh thể nano Carbon dưới

tác dụng của chùm tia điện tử, Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội, 2017.

[13] Lê Thành Cương, Nguyễn Đức Dũng, Tạ Quốc Tuấn, Phạm Thành

Huy, “Sự tự nén của carbon onions dưới tác dụng của chùm điện tử”,

Tạp chí Phân tích Hóa Lý và Sinh học, Tập 22 (số 1), 2017, trang

25-32.

[14] Lê Thành Cương, Nguyễn Đức Dũng, Nguyễn Thị Khôi, Tạ Quốc

Tuấn, Phạm Thành Huy, Quan sát trực tiếp sự hình thành dây nano

tinh thể 3C-SiC bằng Hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao HRTEM, Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội, 2015.


https://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=John_W._Tukey&action=edit&redlink=1


NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TÁI SỬ DỤNG BÔNG VỤN THẢI

ĐỂ TRỒNG NẤM ĂN VÀ SẢN XUẤT PHÂN HỮU CƠ

RESEARCH ON REUSING COTTON WASTE FOR EDIBLE MUSHROOM

CULTIVATION AND ORGANIC FERTILIZER PRODUCTION

Lê Phước Cường

Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; [email protected]

Tóm tắt - Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu quy trình công nghệ nuôi trồng nấm ăn và sản xuất phân hữu cơ vi sinh từ nguyên liệu bông vụn thải của Nhà máy Dệt may Hoà Thọ, TP. Đà Nẵng. Việc áp dụng quy trình nghiên cứu vào thực tiễn giúp giải quyết triệt để nguồn bông vụn thải từ nhà máy sau quá trình tái sử dụng 2 bậc và tạo ra các nguồn lợi kinh tế. Mặt khác, kỹ thuật trồng nấm trên bông vụn khá đơn giản, nguồn nguyên liệu bông vụn có sẵn và tương đối dồi dào nên đầu vào khá ổn định, tiết kiệm được chi phí trồng nấm. Kết quả phân tích chất lượng nấm bào ngư trắng thành phẩm đạt chuẩn đầu ra, cụ thể protein (3,66%), độ ẩm (88,67%), âm tính với aflatoxin (B1, B2, G1, G2). Nghiên cứu không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Abstract - This study presents the results of research on the technology of edible mushrooms cultivation and microorganic fertilizers from waste cotton of Hoa Tho textile factory, Danang city. Applying the research technology in practice has completely solved the problem of waste cotton from garment factories after two steps of reusing and generating economic resources. Moreover, the technique of growing mushrooms on cotton is quite simple; the cotton source is available and relatively abundant, so inputs are relatively stable, saving the cost of mushroom cultivation. Results of quality analysis of the white abalone mushroom reach the quality criteria: protein (3.66%), moisture (88.67%), negative for Aflatoxin (B1, B2, G1, G2). The research not only brings economic efficiency but also contributes to environmental protection and sustainable development.

Từ khóa - bông thải; nấm ăn; phân hữu cơ; nhà máy dệt may; hiệu quả kinh tế; phát triển bền vững

Key words - cotton waste; edible mushrooms; organic fertilizers; textile factory; economic efficiency; sustainable development

1. Giới thiệu

Xu thế của thế giới hiện nay là tái chế - tái sử dụng và

xử lý hiệu quả chất thải. Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều

nghiên cứu về công nghệ trồng nấm ăn từ bã thải nông

nghiệp và xử lý rác hữu cơ từ bã thải nấm [1-9], tuy nhiên,

vẫn chưa có các nghiên cứu cụ thể và chuyên sâu về việc

ứng dụng các phế phẩm công nghiệp nhẹ trong sản xuất

nấm ăn đạt chuẩn giá trị dinh dưỡng. Đây là hướng tiếp cận

mới đảm bảo các yếu tố về môi trường định hướng phát

triển bền vững và phát triển mô hình khởi nghiệp cho sinh

viên. Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đã và đang

diễn ra ngày càng mạnh mẽ với sự xuất hiện của nhiều nhà

máy sản xuất, công nghiệp dịch vụ. Song song với đó là sự

gia tăng của các loại rác thải công nghiệp, đặc biệt là chất

thải rắn. Hiện nay, các nhà khoa học trong nước đã có rất

nhiều hướng nghiên cứu xử lý chất thải rắn nông nghiệp,

công nghiệp theo hướng ứng dụng và phát triển bền vững

[10-14].

Theo khảo sát điển hình tại Nhà máy Dệt của Tổng

Công ty Cổ phần Dệt may Hòa Thọ, thuộc quận Cẩm Lệ,

TP. Đà Nẵng, nhóm tác giả nhận thấy, bông vụn đã thải ra

với khối lượng rất lớn nhưng không có hướng tái sử dụng

và bị thải bỏ, gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường.

Trong khi đó, nhu cầu tiêu thụ các thực phẩm nói chung

cũng như nấm ăn nói riêng là rất cao, tuy nhiên, các loại

thực phẩm bẩn, không rõ nguồn gốc, giá trị dinh dưỡng

không được đảm bảo đang tràn lan là nỗi lo của người dân.

Mặc dù đã xuất hiện các loại hình trồng nấm từ quy mô hộ

gia đình nhưng vẫn chưa có minh chứng cụ thể nào về giá

trị của các loại nấm này. Do đó, xuất phát từ mong muốn

hạn chế số lượng nguồn bông vụn thải ra, nhằm giảm thiểu

tác động tiêu cực đến môi trường xung quanh, cũng như

giảm chi phí xử lý, bài báo “Nghiên cứu khả năng tái sử

dụng bông vụn thải để trồng nấm ăn và sản xuất phân vi

sinh” thật sự là cần thiết để giải quyết những vấn đề nói

trên. Kết quả nghiên cứu là cơ sở để phát triển mô hình

trồng nấm ở quy mô hộ gia đình với nguyên liệu đầu vào

là bông vụn thải, đầu ra là nấm, nhằm cung cấp nguồn thực

phẩm giàu dinh dưỡng cho người tiêu dùng và giải quyết

bài toán về môi trường.

Hình 1. Bông thải công nghiệp tại nhà máy dệt

2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

2.1. Vật liệu nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn bông vải được thải ra từ

hoạt động sản xuất của các nhà máy dệt may để làm giá thể

trồng nấm. Đây là nguồn bông vụn sau khi cắt tỉa sản phẩm

vải dệt nên đảm bảo an toàn và vệ sinh hơn so với các loại

bụi bông thải ra từ quá trình xử lý bụi của nhà máy dệt.

Giống nấm: Bào ngư trắng.


Trong quá trình khảo sát, nhóm tác giả tiến hành điều

26 Lê Phước Cường

tra nghiên cứu tại Công ty Dệt may Hoà Thọ. Trung bình

mỗi ngày nhà máy này thải ra khoảng 500 kg bông thải.

Đây là nguồn nguyên liệu ổn định để có thể thực hiện

nghiên cứu và phát triển mô hình.

+ Bố trí thí nghiệm: Thí nghiệm được bố trí theo kiểu

hoàn toàn ngẫu nhiên (Hình 2).

Hình 2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm

+ Quy mô thí nghiệm: Thí nghiệm có 20 ô, mỗi ô 6 bịch

nấm, tổng số bịch nấm trong toàn khu thí nghiệm là 120

bịch, diện tích nhà trồng là 20 m2. Mô hình pilot đặt tại hộ

gia đình ở phường Hoà Hiệp Nam, quận Liên Chiểu, TP.

Đà Nẵng. Mô hình không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố gây

ô nhiễm sản phẩm như mùi, khói, bụi, chất thải, hoá chất

độc hại từ hoạt động giao thông vận tải, công nghiệp, tiểu

thủ công nghiệp và làng nghề, sinh hoạt khu dân cư, bệnh

viện, khu chăn nuôi, cơ sở giết mổ, nghĩa trang.

+ Các chỉ tiêu theo dõi:

- Thời gian tơ nấm phủ kín bịch các nghiệm thức

(ngày): Tính từ khi cấy giống cho đến khi tơ nấm phủ trắng

tất cả các bịch phôi thí nghiệm.

- Thời gian hình thành quả thể (ngày): Tính từ lúc rạch

bịch đến khi quả thể đầu tiên nhú ra khỏi bịch phôi.

- Thời gian thu hoạch từng đợt (ngày): Tính từ lúc ra

quả thể đến khi thu hoạch quả thể.

- Số quả thể trên mỗi bịch.

- Trọng lượng trung bình của quả thể: Trọng lượng nấm

trung bình của các bịch sau thu hoạch.

- Tỉ lệ phôi nhiễm bệnh (%): Đếm số bịch phôi nhiễm

bệnh trên tổng số bịch.

- Năng suất thực thu (kg/100 bịch) = (Năng suất

nghiệm thức/Tổng số bịch phôi) x 100

+ Các chỉ tiêu phân tích: Đối với giá thể (đường,

xenlulozơ, photpho, nitơ, canxi, pH); đối với quả thể nấm

thành phẩm (protein, độ ẩm, aflatoxin).


3.1. Thành phần dinh dưỡng của giá thể và nấm thành

phẩm

Qua kết quả phân tích thành phần chính, tính chất của

bông thải ở Bảng 1 cho thấy, hàm lượng xenlulozơ trong

giá thể bông vụn là nguồn dinh dưỡng chính cho sự phát

triển của các quả thể, tính giữ ẩm và giữ nhiệt cao, pH 7,05

là giá trị phù hợp để nuôi trồng nấm bào ngư trắng.

Hình 3. Bố trí mô hình nghiên cứu

Khử trùng

Ủ đống

Đóng bịch

Chăm sóc bịch nấm

Thu hoạch

Nấm Bã thải

Ủ hiếu khí

Phân vi sinh

Nước vôi

2%

48 giờ

30-40 ngày

15 ngày

Bông thải


Bảng 1. Thành phần dinh dưỡng của giá thể

STT Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả

1 Ðường % 0

2 Xenlulozơ % 71,62

3 N % 0,04

4 Ca % 1,78

5 pH - 7,05

6 Ðộ ẩm % 52,25

Kết quả phân tích thành phần nấm thành phẩm sau khi

thu hoạch cho thấy chất lượng sản phẩm đảm bảo các yêu

cầu về vệ sinh an toàn thực phẩm. Không phát hiện các độc

tố thường gặp như aflatoxin, clostridium perfringens,

coliform, E.Coli trong nấm (Bảng 2). Quan sát quá trình

sinh trưởng và phát triển của nấm bào ngư trắng trên giá

thể bông vụn thải có thể thấy các tơ nấm phát triển nhanh,

nấm lên trắng, sáng, phát triển đều xung quanh giá thể

(Hình 4).

Bảng 2. Kết quả phân tích nấm thành phẩm

STT Chỉ tiêu Phương pháp thử Đơn vị Kết

quả

1 Protein tổng NMKL No.6, 4th ed.,

2003 (#) (+) % 3,66

2 Độ ẩm NMKL No.23, 3rd ed.,

1991 (+) (#) % 88,67

3 Aflatoxin (B1) 3.5/CL2.PP.3.10 HPLC,

LOD = 1,0μg/kg (#) (+) μg/kg KPH

4 Aflatoxin (B2) 3.5/CL2.PP.3.10 HPLC,


5 Aflatoxin (G1) 3.5/CL2.PP.3.10 HPLC,


6 Aflatoxin (G2) 3.5/CL2.PP.3.10 HPLC,


7 Coliforms TCVN 4882:2007 (ISO

4831:2006) (#) (+) MPN/g KPH

8 Clostridium

perfringens

TCVN 4991:2005 (ISO

7937:2004) (#) (+) CFU/g KPH

9 Escherichia

Coli

TCVN 6846:2007 (ISO

7251:2005) (#) (+) MPN/g KPH

3.2. Khả năng sinh trưởng của nấm bào ngư trắng trên

giá thể

Sau khoảng 21 ngày kể từ ngày cấy giống, các bịch nấm

cơ bản đã hình thành sợi nấm bao quanh gần hết bề mặt

bịch nấm, các sợi nấm ăn khá sâu vào trong giá thể. Tuy

nhiên, tuỳ thuộc vào tính chất thời tiết (mưa hay nắng nóng)

mà có sự chênh lệch về thời gian sợi nấm phủ kín bịch nấm,

thường dao động từ 21-22 ngày.

Từ khi ra quả thể, đa số các gốc nấm đều phát triển rất

nhanh, chỉ sau 2-3 ngày, các cây nấm trên mỗi gốc nấm đều

có thể thu hoạch được.

Bảng 3. Chỉ tiêu sinh trưởng và năng suất của nấm bào ngư trắng

STT Chỉ tiêu Đơn vị tính

trung bình Kết quả

1 Thời gian sợi nấm phủ kín bịch ngày 21,68±0,16

2 Thời gian hình thành quả thể ngày 12,35±0,14

3 Thời gian thu hoạch ngày 2,5±0,12

4 Số quả thể trên mỗi bịch quả thể 12,47±0,13

5 Trọng lượng mỗi quả thể gram 8,89±0,18

6 Trọng lượng mỗi bịch thí nghiệm gram 118,06±0,15

7 Tổng trọng lượng quả thể kg 0,86±0,04

Hình 4. Sản phẩm nấm bào ngư trắng

3.3. Phân hữu cơ vi sinh từ bã thải trồng nấm

Bã trồng nấm sau khi hết cơ chất được ủ hiếu khí trong

thời gian 15 ngày (trong quá trình ủ không cho thêm chế

phẩm sinh học) cho ra sản phẩm phân hữu cơ, nhằm tái sử

dụng một cách triệt để bông vụn thải từ nhà máy dệt, góp

phần hạn chế tối đa ảnh hưởng của chất thải rắn đến môi

trường sống. Sản phẩm phân hữu cơ có độ mịn đều, được

đóng gói để bảo quản và sử dụng (Hình 5).

Hình 5. Sản phẩm phân bón hữu cơ từ bã thải trồng nấm

Cây trồng thích nghi nhanh và rất tươi tốt khi được bón

phân hữu cơ từ bã thải trồng nấm, chất lượng quả, hạt cho

năng suất tương đối cao, khi bón phân xuất hiện nhiều sùng

đất, là sinh vật chỉ thị thể hiện chất lượng môi trường đất.

Hình 6. Sản phẩm nuôi trồng từ phân hữu cơ

Quy trình trồng nấm ăn và sản xuất phân vi sinh từ bông

vụn thải của nhà máy dệt may tương đối đơn giản và khả

thi trong việc triển khai cho các hộ gia đình trồng nấm. Áp

dụng quy trình này sẽ giải quyết được triệt để nguồn bông

thải từ nhà máy dệt may sau khi thực hiện tái sử dụng 2 bậc

và tạo nguồn lợi kinh tế. Nghiên cứu thể hiện được tính

28 Lê Phước Cường

cộng đồng và thân thiện với môi trường. Cụ thể là, góp

phần giải quyết bài toán về nguồn thực phẩm không rõ

nguồn gốc đang tràn lan trên thị trường tiêu thụ hiện nay;

đáp ứng nhu cầu chuyển đổi ngành nghề trong thời kỳ công

nghiệp hoá và góp phần giải quyết công ăn việc làm cho

người lao động; giảm áp lực gia tăng chất thải rắn ra môi

trường sống.

4. Kết luận

Ngành dệt may hiện nay ở nước ta nói riêng và một số

ngành tiểu thủ công nghiệp nói chung đang ngày càng phát

triển đã gây áp lực về chất thải rắn cho môi trường sống.

Nghiên cứu được thực hiện có thể làm giảm đáng kể lượng

chất thải rắn bông vụn, tiết kiệm chi phí xử lý, tạo ra nấm

ăn – loại thực phẩm giàu dinh dưỡng và phân bón hữu cơ

cho cây trồng. Mặt khác, kỹ thuật trồng nấm trên bông vụn

khá đơn giản, nguồn nguyên liệu bông vụn này có sẵn và

dồi dào nên đầu vào tương đối ổn định, tiết kiệm được chi

phí trồng nấm. Chính vì vậy, nghiên cứu không những

mang lại hiệu quả kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi

trường và phát triển bền vững, thông qua việc lan toả ý thức

cộng đồng trong việc giảm thiểu và tái sử dụng các nguồn

thải, đồng thời tạo ra nguồn thực phẩm có xuất xứ rõ ràng

và được kiểm định chặt chẽ. Mô hình này có thể được

chuyển giao công nghệ, nhân rộng quy mô và phát triển

khởi nghiệp cho sinh viên các chuyên ngành hoá thực phẩm

và công nghệ môi trường.


[1] Abdallah, M.M.F., Emara, M.F.Z. and T.F, Mohammady, Open field

interplanting of oyster mushroom with cabbage and its effect on the

subsequent eggplant crop, Annals of Agricultural Science Cairo, 45(1), 2000, pp. 281-293.

[2] Batista, J.G., Batista, E.R.B. and F.F. Mateus, Effectiveness of two

biodegradation methods on the physical characteristics of compost for horticulture proposes, Acta Horticulturae, 517, 2000, pp. 293-302.

[3] Chiu, S.W., Ching, M.L., Fong, K.L. and Moore, D., Spent oyster

mushroom substrate performs better than many mushrooms mycelia

in removing the biocide pentachlorophenol, Mycological Research,

102(12), 1998, pp. 1553-1562.

[4] Eggen, T., Application of Fungal Substrate from Commercial

Mushroom Production Pleurotus ostreatus for Bioremediation of Creosote Contaminated Soil, International Biodeterioration and

Biodegradation, 44(2-3), 1999, pp. 117-126.

[5] FAO Plant production and protection, Utilization of spent mushroom

compost.

[6] Hibbett, D.S. and Thorn, R.G., Nematode‐trapping in Pleurotus

tuber-regium, Mycologia, 86(5), 1994, pp. 696-699.

[7] Kakkar, V. K. and Dhanda, S., Comparative evaluation of wheat and

paddy straws for mushroom production and feeding residual straws to ruminants, Bioresource Technology, 66 (2), 1998, pp. 175-177.

[8] Kim, H.K., Lee, H.D., Kim, Y.G., Han, G.H., Moon, C.S. and Kim,

H.G., Studies on the development of casing materials using sawdust

bottle culture in cultivated mushroom, Agaricus bisporus, The

Korean Journal of Mycology, 26(1), 1998, pp. 51-55.

[9] Martiriani, L. P., Giardina, L., Marzullo, L. and Sannia, G.,

Reduction of phenol content and toxicity in olive oil mill waste waters with the ligninolytic fungus Pleurotus ostreatus, Water

Research, 30, 1998, pp. 1914-1918

[10] Bộ Tài nguyên và Môi trường, Báo cáo hiện trạng môi trường quốc

gia 2013 về chất thải, Hà Nội, 2013.

[11] Bộ Tài nguyên và Môi trường, Báo cáo môi trường quốc gia 2011 -

chất thải rắn, Hà Nội, 2011.

[12] Nguyễn Lân Dũng, Công nghệ nuôi trồng nấm, NXB Nông nghiệp,

Hà Nội, 2004.

[13] Viện Môi trường Nông nghiệp, Báo cáo kết quả nhiệm vụ xây

dựng mô hình thu gom, xử lý phế phụ phẩm trồng trọt góp phần giảm thải khí nhà kính nông thôn ở vùng đồng bằng sông Hồng, Bộ Nông

nghiệp và Phát triển nông thôn, Hà Nội, 2012.

[14] Spin, Tổng kết hoạt động định kỳ Dự án Đổi mới sản

phẩm bền vững, Hà Nội, 2011.



BÀI TOÁN TỐI ƯU CÔNG TÁC VẬN HÀNH CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN NAM VIỆT NAM, CÓ XÉT ĐẾN

TỔN THẤT ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI

OPTIMIZING THE OPERATION OF HYDROELECTRIC FATORIES IN THE SOUTHERN

VIETNAM ELECTRIC SYSTEM, ADDING THE ENERGY LOSS IN TRANSMISSION

Ngô Văn Dũng1, Vũ Hữu Hải2, Ngô Tuấn Kiệt3 1Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; [email protected]

2Trường Đại học Xây dựng; [email protected] 3Viện Khoa học Năng lượng - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; [email protected]

Tóm tắt - Sau ngày thống nhất đất nước năm 1975, hệ thống điện (HTĐ) miền Nam có tổng công suất nguồn 800 MW với sản lượng điện gần 1,3 tỷ KW/h.Các nhà máy điện chủ yếu là nhiệt điện dầu như: Nhà máy điện Thủ Đức, nhà máy điện Chợ Quán, các cụm diesel cung cấp điện chủ yếu cho Sài Gòn và các vùng phụ cận. Hơn 40 năm qua, ngành điện miền Nam đã phát triển nhanh chóng, nguồn điện đã có tổng công suất Nlm tới 15.455 MW [1], sản lượng điện 54,7 tỷ KW/h, hệ thống truyền tải và phân phối điện ngày càng được đầu tư và hoàn thiện. Tuy nhiên, do nguồn lực và nhu cầu phát triển kinh tế và các nguồn nhiên liệu sơ cấp trải dài nhiều khu vực hai miền nên gặp rất nhiều khó khăn trong công tác đầu tư, vận hành. Trong cơ cấu nguồn điện,thủy điện chiếm một tỷ trọng lớn 31,3%, đây là nguồn năng lượng sạch, giá thành rẻ, rất thuận lợi trong công tác điều độ HTĐ. Bài báo này nhằm giới thiệu mô hình vận hành tối ưu cho các nhà máy thủy điện trong HTĐ miền Nam từ 2015 tới 2030.

Abstract - Since the country reunification in 1975, the southern power system has a total power output of 800 MW with power capacity of nearly 1.3 billion kWh. Most factories such as: Thu Duc factory (HCMC), Cho Quan factory mainly used electric thermal diezen. Diesel groups have supplied electricity to Ho Chi Minh city and surrounding zones. For over the past forty years, the Southern electric industry has developed rapidly and has a total power of 15,455 MW and power capacity of 54.7 billion kWh. The supply and transfer system has been invested and developed. However, due to the demand of economic development and spread of basic input material source in many zones, the operation has still got some difficulties. In operation and supply systems, hydropower occupies a proportion of 31% in total. It is also the clear energy with lower cost, and convenience in operation system. This article aims to introduce an optimal operation model for hydroelectric factories in the Southern Vietnam from 2015 to 2030.

Từ khóa - vận hành tối ưu; tối ưu các trạm thủy điện; mô hình tối ưu HTĐ; bài toán tối ưu HTĐ; tối ưu thủy điện.

Key words - optimal operation; optimize hydropower stations; optimal electric system model; the optimal problem of electric system; hydropower optimization.


Miền Nam Việt Nam bao gồm khu vực miền Đông Nam Bộ, miền Tây Nam Bộ & Thành phố Hồ Chí Minh. Hệ thống điện (HTĐ) miền Nam do Tổng công ty Điện lực miền Nam và Tổng công ty Điện lực Thành phố Hồ Chí Minh quản lý, dưới sự điều hành của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) bao gồm 21 tỉnh và thành phố.

HTĐ của khu vực miền Nam bao gồm: Hệ thống các nguồn điện, các đường dây truyền tải, các trạm biến áp, có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc liên kết điện giữa các vùng miền, kết nối các nhà máy điện và các đơn vị sử dụng điện, phục vụ cho sản xuất, sinh hoạt… để phát triển kinh tế, xã hội cho khu vực phía Nam.

Về nguồn điện, với ưu thế có nguồn năng lượng đa dạng phong phú, đồng thời là nơi tiêu thụ điện năng lớn nhất Việt Nam, từ năm 1975 đến nay, khu vực miền Nam đã xây dựng nhiều công trình điện như: Thủy điện, nhiệt điện, khí, than… đảm bảo cung cấp điện năng cho việc phát triển kinh tế khu vực.

Hai lưu vực sông lớn là lưu vực sông Đồng Nai và hạ lưu sông Mê Kông có tiềm năng lớn về thủy điện. Trong thời gian qua, nhiều công trình thủy điện đã được xây dựng ở lưu vực sông Đồng Nai nhằm đáp ứng nhu cầu phụ tải ngày càng tăng của khu vực và đóng góp quan trọng trong chiến lược phát triển kinh tế - xã hội (KT-XH) của miền Đông Nam Bộ nói riêng và khu vực phía Nam nói chung. Lưu vực sông Đồng Nai hiện có 25 thuỷ điện lớn trên sông chính và phụ lưu với tổng công suất lắp máy là 4.837 MW

[1] (2016).

Nhu cầu sử dụng điện trong những năm qua của khu

vực được thống kê như sau:

Hình 1. Nhu cầu điện năng của HTĐ miền Nam và cả nước

Bảng 1. Nhu cầu phụ tải và công suất cực đại của HTĐ

miền Nam và cả nước (Quy hoạch 7 có điều chỉnh PA cơ sở)

Năm 2017 2020 2025 2030

Điện sản xuất

toàn quốc 244,335 329,412 489,621 695,147

Miền Nam 124,670 170,649 255,835 360,804

Điện TP TQ 214,135 289,882 430,867 615,205

Pmax TQ 38,680 52,040 77,084 110,215

Miền Nam 19,496 26,686 40,007 56,421

50,073 53,665 59,194 64,462 69,63676,809

98,108106,652

118,170130,060

140,500156,500

2010 2011 2012 2013 2014 2015

Nhu cầu điện năng của miền Nam & cả nước từ năm 2010 - 2015 (tỷ KWh)

Miền Nam Cả nước


30 Ngô Văn Dũng, Vũ Hữu Hải, Ngô Tuấn Kiệt

Như vậy, điện năng khu vực miền Nam có nhu cầu trên

50% tổng phụ tải cả nước.

Từ thực tế lợi thế về nguồn điện, điều kiện tự nhiên và

xã hội của khu vực, cũng như phân bố các nhà máy thủy

điện chiếm tỉ trọng lớn trong hệ thống, vấn đề yêu cầu đặt

ra là vận hành các nhà máy thủy điện trong hệ thống như

thế nào để đạt hiệu quả tối ưu.

Để xây dựng các kịch bản cho công tác vận hành các

trạm thủy điện (TTĐ) trong HTĐ miền Nam, chúng tôi tiến

hành mô hình hóa HTĐ miền Nam dạng nhiều nút.

Đặt vấn đề HTĐ nhiều nút với quan niệm “vùng

miền”.

Xem khu vực miền Nam sẽ được hợp thành trên cơ sở

nhiều vùng, mỗi vùng bao gồm một nhóm tỉnh thành. Như

vậy, trong phạm vi nghiên cứu sẽ có N vùng được gán

tương đương với N nút khi chọn mô hình hóa bài toán tối

ưu HTĐ.

Mỗi vùng đều phải có các đặc điểm chính sau đây:

- Một vùng cần được xác lập để có một tập hợp dân cư

cạnh nhau về địa lý, đảm bảo tính thống nhất của nội

bộ vùng, xác định khoảng cách tương đương trong

vận tải điện năng giữa các vùng.

- Cùng nằm trong một quy hoạch phát triển kinh tế xã

hội vùng lãnh thổ, ngành, lĩnh vực.

- Thuận lợi trong việc thu thập số liệu về nguồn năng

lượng, cơ sở hạ tầng vận tải năng lượng, nhu cầu

năng lượng.

- Cơ sở hạ tầng đường dây tải điện: Có sự tập trung

thành đầu mối vận chuyển trong vùng.

Do vậy, việc phân vùng để nghiên cứu bài toán cân

bằng cung cầu điện năng cần thực hiện phù hợp thực tiễn

và đúng với quy hoạch phát triển kinh tế xã hội, ngành và

lĩnh vực trong cả nước, giữa các vùng, tỉnh, thành phố, tạo

sự liên kết trực tiếp về sản xuất, thương mại, đầu tư, giúp

đỡ về kỹ thuật, nguồn nhân lực, nâng cao trình độ dân trí,

gắn chặt phát triển KT-XH với bảo vệ, cải thiện môi trường

và an ninh quốc phòng. Chúng tôi sử dụng mô hình 2, 3, ...

N nút.

Cách chia vùng khu vực HTĐ của miền Nam như sau:

Mô hình 2 nút: Xem khu vực miền Nam chia làm 2

vùng:

Vùng 1: Đông Nam Bộ gồm 5 tỉnh và 1 thành phố: Bình

Phước, Tây Ninh, Bình Dương, Đồng Nai, Bà Rịa Vũng

Tàu và TP. Hồ Chí Minh.

Vùng 2: Tây Nam Bộ gồm 12 tỉnh và TP. Cần Thơ:

Long An, Đồng Tháp, Tiền Giang, Bến Tre, … Cà Mau và

TP. Cần Thơ.

Mô hình 3 nút: Xem khu vực miền Nam chia làm 3

vùng tương đương với 3 trung tâm phụ tải:

Vùng 1: Đông Nam Bộ gồm 5 tỉnh: Bình Phước, Tây

Ninh, Bình Dương, Đồng Nai, Bà Rịa Vũng Tàu.

Vùng 2: Tây Nam Bộ gồm 12 tỉnh và 1 thành phố:

Long An, Đồng Tháp, Tiền Giang, Bến Tre, … Cà Mau và

TP. Cần Thơ.

Vùng 3: Khu vực Thành phố Hồ Chí Minh.

Tương tự cho Mô hình N nút …

Tóm lại:

- Mô hình hóa thành một mạng lưới nhiều nút kết nối

với nhau để phân phối điện năng cho các nhu cầu điện

tạo nên các trung tâm phụ tải được xem là các nút của

hệ thống điện.

- Hệ thống liên kết với nhau bằng các nút và lưới -

khoảng cách giữa các nút là khoảng cách truyền tải kết

nối logic với nhau tạo thành mô hình. Giữa chúng là

hệ thống các quan hệ và ràng buộc như công suất, điện

năng phát, phụ tải, tổn thất, phát tải, và hạn chế suất

tiêu hao nhiên liệu…

- Trên cơ sở mô hình được thiết lập, thực hiện các

phương pháp giải để chọn được một tổ hợp các kết quả

tối ưu phù hợp với điều kiện vận hành tối ưu (VHTƯ)

các TTĐ trong HTĐ khu vực.

2. Mô hình tổng quát về tối ưu phát triển HTĐ.

2.1. Bài toán vận hành tối ưu HTĐ tổng quát: Giải bằng

quy hoạch tuyến tính được mô hình hóa như sau:

- Hàm mục tiêu mô tả trạng thái vận hành HTĐ 24 giờ

trong 1 ngày điển hình của tháng, tính toán theo tiêu

chí cực tiểu chi phí tính toán toàn hệ thống.

- Hệ số hàm mục tiêu là tổng chi phí sản xuất, truyền tải

điện năng từ các nguồn đến các nơi tiêu thụ.

Hàm mục tiêu được mô tả như sau:

Chỉ tiêu tối ưu của bài toán là tối thiểu hóa tổng chi phí

hệ thống có dạng sau:

Trong đó:

N = n : Số nút của hệ thống mô hình;

mi : Số nhà máy điện ở nút i;

l : Số nhà máy điện ở nút j;

K : Số bậc phụ tải nút đang xét i;

m; l : Tỷ lệ điện tự dùng của nhà máy m; l

tmK : Thời gian làm việc của nhà máy m tại bậc công

suất K;

tlK : Thời gian làm việc của nhà máy l tại bậc công

suất K;

∆PimK : Giá trị CS gia tăng của nhà máy m, tại nút i, bậc K;

∆PjlK : Giá trị công suất gia tăng của nhà máy liên

vùng l chuyển từ nút j đến nút i, bậc K;

dd : Tỷ lệ tổn thất khi truyền tải trên đường dây;

: Suất chi phí tính toán của nhà máy m đặt tại nút

i, cung cấp điện cho bậc phụ tải K của chính nút i;

: Suất chi phí tính toán của nhà máy liên vùng l

đặt tại nút j, cung cấp điện cho bậc phụ tải K của nút i.

Các ràng buộc

Có 6 nhóm ràng buộc tuyến tính gồm:

- Cân bằng công suất các nút HTĐ;

N

i m

K

KlKldd

ji

jlK

N

j l

K

K

ij

jlKmKm

ii

imK

ii

imK

m lZ

i j

tPCtPC1 1 1

1

1 1 1

min .1...1..

Cii

imK

Cji

jlK


- Cân bằng năng lượng các nút HTĐ;

- Giới hạn công suất của các nhà máy điện;

- Giới hạn năng lượng của các nhà máy điện;

- Giới hạn công suất truyền tải trên các đường dây;

- Giới hạn khả năng phát Pmax/Pmin của nhiệt điện.

2.2. Phương pháp giải bài toán vận hành tối ưu

Giải bài toán vận hành tối ưu (BTVHTƯ) các trạm thủy

điện trong HTĐ là xác định giá trị của một tập hợp các biến

tối ưu để đạt cực trị giá trị hàm mục tiêu, đồng thời phải

thoả mãn tất cả các ràng buộc liên quan. Rất nhiều các

phương pháp đã được xây dựng nhằm mục đích giải các

BTVHTƯ. Với bài toán HTĐ, phạm vi của BTVHTƯ có

thể lên đến hàng trăm nghìn các biến tối ưu cùng các ràng

buộc. Hệ thống này đòi hỏi phải thực hiện một số lần tính

toán rất lớn, phải chọn phương pháp thích hợp để giải, phụ

thuộc vào dạng hàm mục tiêu, ràng buộc, số lượng các biến

tối ưu, vào đặc điểm của BTVHTƯ.

Sơ đồ thuật toán:

2.3. Phương pháp giải Bài toán vận hành tối ưu

Giải BTVHTƯ các trạm thủy điện trong HTĐ có thể

phân tích như sau:

Cơ cấu nguồn điện HTĐ miền Nam bao gồm thủy điện,

nhiệt điện khí, nhiệt điện dầu, nhiệt điện than, ... Tuy nhiên,

nguồn điện chiếm tỷ trọng lớn tính từ thời điểm hiện tại đến

năm 2030 đó là nhiệt điện than, thủy điện, nhiệt điện khí, nhiệt

điện dầu, … xuất phát từ đặc điểm đó chúng ta nhận thấy:

Đối với thủy điện: Phải thể hiện được tính ưu việt và

hiệu quả cao về khả năng phủ công suất cực đại của đồ thị

phụ tải khi cho trước lượng điện năng và công suất phát

của thuỷ điện trong các chế độ thuỷ văn khác nhau, như:

• Ảnh hưởng của việc phát năng lượng không đồng đều,

quá chênh lệch giữa mùa khô và mùa mưa trong năm của

thủy điện đến cấu trúc HTĐ.

• Ảnh hưởng của sự sai khác quá lớn về khả năng phát

điện giữa năm trung bình nước và năm ít nước của thuỷ điện

đến việc xây dựng thêm các loại nguồn nhiệt điện dự trữ.

• Ảnh hưởng của biến thiên công suất khả dụng (Pkd) các

tháng trong năm đến cấu trúc công suất nguồn của HTĐ.

Đối với nhiệt điện: Phải thể hiện được khả năng sử dụng

tính ưu việt của mô hình khi xử lý tính chất phi tuyến giữa

suất tiêu hao nhiên liệu và thời gian, cũng như vị trí làm

việc của các nguồn nhiệt điện trong HTĐ.

• Để mô hình lột tả được các đặc trưng trên, không thể

sử dụng phương pháp mô tả ngắn gọn HTĐ bằng một mô

hình cân bằng công suất và năng lượng điển hình năm, mà

rõ ràng ở đây cần phải xây dựng một mô hình đặc biệt, cho

phép mô tả chi tiết hơn chế độ cân bằng công suất và năng

lượng, cũng như khả năng truyền tải giữa các miền phụ tải,

dựa theo sự biến động của đồ thị phụ tải điển hình ngày

đêm, đặc trưng cho tháng, hoặc cho từng mùa (khô và mưa)

trong năm của các miền trong cả nước.

• Nhiệm vụ đặt ra là phải chứng minh được rằng mô

hình tuyến tính mới xây dựng có đầy đủ khả năng mô hình

hóa chi tiết và hoàn toàn thỏa mãn các yêu cầu đặc thù nêu

trên của HTĐ. Chỉ khi đó chúng ta mới có cơ sở sử dụng

mô hình để đánh giá đầy đủ mọi góc cạnh hoạt động bền

vững và kinh tế của các nguồn điện trong cả hiện tại và

trong tương lai. Đồng thời, kết quả của mô hình sẽ còn làm

sáng tỏ thêm khả năng tiêu thụ nhiên liệu của nhà máy nhiệt

điện và phương thức huy động khác nhau của chúng theo

các tháng trong năm. Khi đó, các lời giải của mô hình sẽ

tạo điều kiện định hướng cho việc xây dựng chiến lược phát

triển ổn định và hiệu quả cao đối với các ngành khai thác

như thủy điện, than, dầu và khí phục vụ phát triển KT-XH.

Đối với hệ thống truyền tải: Phải thể hiện trong việc

nâng cao và kiểm soát hiệu quả của việc truyền tải công

suất và điện năng theo các mùa trong năm bằng các đường

dây 500 kV, 220 kV.

Xuất phát từ thực tế đó chúng ta có thể mô tả HTĐ với

cách sau:

Mô tả phụ tải

Phụ tải HTĐ được mô tả theo các nút. Mỗi nút mô tả

đại diện cho một vùng lãnh thổ có các thông tin để xây

dựng đồ thị phụ tải ngày điển hình. Như vậy, HTĐ sẽ được

mô tả thông qua các giá trị phụ tải tại N nút của HTĐ, phù

hợp với điều kiện tự nhiên, khí hậu của vùng.

Mô tả về nguồn điện

Mỗi nguồn điện trong hệ thống sẽ tham gia phủ biểu đồ

Bắt đầu (1)

CSDL (2)

Xây dựng Hàm mục tiêu và

các ràng buộc (8)

Phủ đỉnh đồ thị phụ tải

nút (7)

Giải bài toán quy hoạch

tuyến tính (9)

Xử lý kết quả (10)

Ghi kết quả (11)

Kết thúc (14)

Lựa chọn tính toán (3)

Xây dựng Dữ liệu tính toán (6)

N=0; N (4)

n=n+1 (5)

n =N (12)

sai

đúng

Xem/in kết quả (13)

32 Ngô Văn Dũng, Vũ Hữu Hải, Ngô Tuấn Kiệt

phụ tải cho tất cả các nút HT. Ở mỗi nút xây dựng biểu đồ

phụ tải ngày đêm 24 giờ, các nhà máy điện sẽ được mô tả

với n thành phần tương ứng cung cấp với N nút, được cung

cấp từ nhiều nguồn của hệ thống.

Mô tả về lưới điện truyền tải

Hệ thống truyền tải được giả thiết có cùng chi phí đơn

vị và khi đó chỉ cần mô tả khoảng cách và tổng năng lực

vận tải của các đường dây giữa các nút. Việc mô tả các

thành phần truyền tải điện đã được thực hiện trong phần

mô tả nguồn điện.

Chúng ta sử dụng đồ thị phụ tải nút của hệ thống

chuyển sang đồ thị phụ tải tích phân, bằng cách sắp xếp

đồ thị phụ tải từ lớn đến nhỏ trong 24h của biểu đồ phụ

tải điển hình. Từ đó có khả năng cho phép việc mô hình

hoá bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính, thực hiện

đầy đủ và đúng đắn mọi điều kiện của BTVHTƯ HTĐ.

Giải pháp này sẽ rất thuận lợi và tỏ ra có khả năng mô tả

sát thực các yêu cầu đề ra của phương pháp luận tối ưu

vận hành, đó là: HTĐ đã được hợp nhất bằng đường dây

500 kV, 220 kV, có nguồn thuỷ điện lớn chiếm tỷ trọng

lớn trong HTĐ, và có tính đến cả chế độ làm việc của

nhiệt điện. Để làm việc đó, chúng ta sẽ diễn giải chi tiết

sự thay đổi cách viết hàm mục tiêu, cách đặt lại các biến

số và các điều kiện liên quan ràng buộc của mô hình quy

hoạch tuyến tính khi chuyển bài toán về phủ đồ thị phụ

tải tích phân. Như vậy, giải pháp mô hình hoá bài toán

bằng quy hoạch tuyến tính được trình bày hoàn toàn có

khả năng mô tả được mọi yêu cầu khắt khe của thực tế.

3. Kết quả giải bài toán tối ưu vận hành các nhà máy

thủy điện trong HTĐ miền Nam, Việt Nam

Sử dụng ngôn ngữ lập trình C++ và lập trình hướng đối

tượng. Xây dựng phần mềm tính toán tối ưu các TTĐ trong

HTĐ với các kiểu giao diện. Ví dụ, áp dụng tính toán cho

phương án 3 nút như sau:

Hình 3. Giao diện chính

Hình 4. Kết quả phủ đỉnh đồ thị phụ tải nút

(vùng Đông Nam Bộ)

Hình 5. Kết quả phủ đỉnh biểu đồ phụ tải nút TP. Hồ chí Minh

Hình 6. Kết quả phủ biểu đồ phụ tải nút TP. Hồ chí Minh

Hình 7. Kết quả phủ biểu đồ phụ tải HTĐ miền Nam

Hình 8. Biểu đồ cơ cấu nguồn điện vùng Tây Nam Bộ và

TP. Hồ Chí Minh

Kết quả bằng số

Hình 8a. Kết quả bằng số phủ biểu đồ phụ tải HTĐ miền Nam


Hình 8b. Kết quả bằng số phủ biểu đồ phụ tải HTĐ miền Nam (tiếp)

Hình 8c. Kết quả bằng số tổng công suất điện cấp cho TP.HCM

Kết quả tính toán lưu trữ được quản lý theo các file như sau:

Hình 9. Kết quả lưu trữ theo các thư mục

4. Kết luận và kiến nghị

Bài toán đã giải quyết được các vấn đề sau:

1. Đã mô hình hóa tổng thể HTĐ khu vực miền Nam

Việt Nam, tạo thành một mô hình toán học 2, 3 hoặc N nút

với hàm mục tiêu và hệ thống ràng buộc tuyến tính, giải

quyết được nhiều kịch bản theo từng điều kiện vận hành tối

ưu của tất cả các nhà máy thủy điện khu vực.

2. Bài toán đã giải quyết và đưa ra được phương án

vận hành các nhà máy thủy điện, đưa ra được công suất nhà

máy cung cấp cho mỗi vùng theo chế độ ngày điển hình

(24/24h) và công suất truyền tải giữa các vùng trong hệ

thống, từ năm 2015 đến 2030.

3. Qua kết quả tính toán các giá trị công suất, điện năng,

tổn thất… đã kiểm tra được sự chính xác của mô hình từ kết

quả kiểm tra cân bằng (P, E, Nlm) với sai số không đáng kể

qua kiểm tra < 1% giá trị, hoàn toàn phù hợp với thực tế.

4. Bài toán cũng đã chỉ ra cơ cấu các nguồn phục vụ cho

các vùng miền, cơ cấu cung cấp điện từ mỗi nguồn cho HTĐ

của khu vực Đông Nam Bộ và đồng bằng Sông Cửu Long.

5. Bài toán có thể áp dụng cho công tác vận hành trung

tâm điều độ A2, các sở điện lực, các tổng công ty điện lực

miền Nam và TP. Hồ Chí Minh, giúp cho công tác quy

hoạch, xây dựng kế hoạch phát triển kinh tế và dự báo cung

như phát triển nguồn điện, lưới điện của HTĐ.


[1] Báo cáo Tổng quan ngành điện 2014, Báo cáo Tổng quan ngành điện

2015 của EVN, Báo cáo ngành điện 2016 Phòng NC và PT- VCBS.

[2] Nguyễn Hữu Hải, Ngô Tuấn Kiệt, Nâng cao hiệu quả khai thác và

sử dụng nguồn năng lượng thủy năng trong hệ thống năng lượng

Việt Nam, Đề tài cấp Bộ 2005-2006.

[3] Quyết định Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 -

2020 có xét đến năm 2030, Số 1208/QĐ-TTg, Hà Nội, ngày 21 tháng 07 năm 2011.

[4] Quyết định phê duyệt Đề án Điều chỉnh quy hoạch phát triển điện

lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030 (gọi tắt là

QH điện VII Điều chỉnh), Số: 428/QĐ-TTg, Hà Nội, ngày 18 /03/2016.


34 Nguyễn Minh Hòa, Huỳnh Minh Toàn

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO TUABIN GIÓ ĐỘC LẬP

SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

DESIGN OF SLIDING MODE CONTROLLER FOR PERMANENT MAGNET

SYNCHRONOUS GENERATOR-BASED STANDALONE WIND TURBINES

Nguyễn Minh Hòa1, Huỳnh Minh Toàn2 1Trường Đại học Trà Vinh; [email protected]

2Trường Cao đẳng Nghề Tiền Giang; [email protected]

Tóm tắt - Một trong những mục tiêu điều khiển quan trọng nhất cho các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió độc lập (SWECS) là tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng từ gió. Mục tiêu này thường được thực hiện bằng các thuật toán bám điểm công suất cực đại (MPPT). Tuy nhiên, các thuật toán này đơn giản và kém hiệu quả khi đáp ứng các yêu cầu điều khiển phức tạp. Ngoài ra, giải thuật điều khiển vi tích phân (PID) có thể được sử dụng để chuyển đổi tối đa năng lượng gió. Tuy nhiên, bộ điều khiển PID hoạt động kém hiệu quả khi áp dụng vào các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió có bản chất phi tuyến cao và thay đổi theo thời gian, thường hoạt động trong điều kiện tốc độ gió luôn thay đổi một cách ngẫu nhiên. Để khắc phục những hạn chế của các giải thuật điều khiển MPPT và PID, bài báo này đề xuất giải thuật điều khiển trượt (SMC) cho SWECS. Bộ điều khiển trượt này được thiết kế và kiểm chứng hiệu quả thông qua mô phỏng hệ thống SWECS trên Matlab và Simulink.

Abstract - One of the most important control objectives for Standalone Wind Energy Conversion Systems (SWECS) is to optimize the power conversion from wind. This goal is normally achieved by Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithms. However, such algorithms are simple and ineffective in response to additional complex control requirements. Alternatively, the Proportional Integral Derivative (PID) technique can be applied for the optimal power conversion of SWECS. However, the PID control normally provides low performance for highly nonlinear, time-varying nature of SWECS and stochastic change of wind. To overcome the MPPT and PID control performance limitations, this paper presents a sliding mode control (SMC) design for standalone SWECS. The proposed sliding mode controller has been designed and validated by computer simulations in Matlab and Simulink.

Từ khóa - điều khiển trượt; năng lượng gió; hệ thống chuyển đổi năng lượng gió độc lập; chuyển đổi năng lượng tối ưu; máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.

Key words - sliding mode control; wind energy; standalone wind energy conversion systems; optimal power conversion; permanent magnet synchronous generator.


Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng

tái tạo quan trọng hiện nay. Do tính chất sạch và vô tận của

nó, năng lượng gió gần đây trở thành trọng tâm cho việc

nghiên cứu và phát triển thương mại. Hiện nay, năng lượng

gió đóng góp đáng kể cho nguồn điện của thế giới [1, 2, 3].

Mặc dù điện có thể được cung cấp qua mạng lưới điện trung

tâm nhưng vẫn còn những khu vực xa xôi, nơi lưới điện

không thể truyền tới. Những nơi này đang phải đối mặt với

tình trạng thiếu điện. Một giải pháp bền vững đầy hứa hẹn

là sử dụng các hệ thống chuyển đổi gió độc lập hay còn gọi

là các tuabin gió độc lập được kết nối với tải cục bộ.

Thiết kế điều khiển cho các tuabin gió độc lập đã và

đang thu hút nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học trên

thế giới, các nghiên cứu này đều hướng đến tối ưu hóa

công suất chuyển đổi từ gió sang điện. Một trong các

nghiên cứu phổ biến là sử dụng thuật toán bám điểm công

suất cực đại (MPPT) cho tuabin gió [4, 5]. Bài báo [4]

nghiên cứu so sánh các chiến lược tối đa hóa năng lượng

chuyển đổi trong các hệ thống tuabin gió sử dụng máy

phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG). Bài báo

này đã dùng thuật toán MPPT bằng cách thay đổi tốc độ

máy phát để bám điểm công suất cực đại. Tuy nhiên, đáp

ứng của hệ thống tương đối chậm. Ngoài ra, nghiên cứu

bám điểm công suất cực đại của hệ thống chuyển đổi năng

lượng gió dựa trên chế độ trượt sử dụng máy phát điện

cảm ứng kép (DFIG) cũng được trình bày trong bài báo

[5], kết quả nghiên cứu cho thấy, điều khiển MPPT có thể

hoạt động với vận tốc gió ổn định và thay đổi ngẫu nhiên.

Tuy nhiên, các nghiên cứu sử dụng thuật toán MPPT chỉ

áp dụng cho hệ thống đơn giản, không đáp ứng được yêu

cầu điều khiển phức tạp. Để đáp ứng nhu cầu điều khiển

ngày càng cao của các tuabin gió, phương pháp điều khiển

hồi tiếp tuyến tính hóa đã được nghiên cứu đề xuất trong

công trình [6]. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu cho thấy hệ

thống điều khiển khá nhạy cảm với sai số mô hình hóa

của hệ thống. Do đó, phương pháp hồi tiếp tuyến hóa

không cho chất lượng điều khiển tốt khi có nhiễu hoặc sai

số mô hình. Bên cạnh đó, các phương pháp điều khiển

thích nghi cho tuabin gió cũng đã được đề xuất trong các

bài báo [7, 8, 9]. Các bộ điều khiển thích nghi cho chất

lượng điều khiển tốt khi thông số của hệ thống thay đổi

hoặc có sai số mô hình. Tuy nhiên, các giải thuật điều

khiển thích nghi có tốc độ hội tụ phụ thuộc vào số lượng

biến trạng thái. Số lượng biến trạng thái càng nhiều thì

tốc độ hội tụ càng chậm, làm ảnh hưởng đến chất lượng

điều khiển của hệ thống, nên khó áp dụng với các hệ thống

có số lượng biến trạng thái lớn. Ngoài ra, phương pháp

điều khiển trượt cho tuabin gió cũng đã được nghiên cứu

áp dụng trong các bài báo [6, 10, 11]. Điển hình là bài báo

[6] đã nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển trượt cho hệ

thống SWECS sử dụng DFIG. Tuy nhiên, hệ thống

SWECS được đề xuất trong bài báo [6] đơn giản và bộ

điều khiển trượt tạo ra hiện tượng dao động (chattering)

trong hệ thống. Tiếp theo, Wang và cộng sự trong bài báo

số [10] đã nghiên cứu một bộ điều khiển khuếch đại H∞

để tối đa hóa công suất chuyển đổi năng lượng của các hệ

thống năng lượng gió độc lập sử dụng máy phát điện

PMSG. Bài báo [11] đề xuất một phương pháp kiểm soát

chế độ điều khiển trượt cho các tuabin gió có tốc độ thay

đổi. Phương pháp này đã được thiết kế dựa vào lý thuyết

ổn định Lyapunov và kiểm chứng trên mô phỏng. Kết quả

mô phỏng cho thấy, tuabin gió sử dụng máy phát điện


DFIG chỉ có thể hoạt động với hiệu suất chuyển đổi năng

lượng tối ưu trên một phạm vi thay đổi tốc độ gió hẹp.

Đã và đang có nhiều tác giả trong nước nghiên cứu về

kỹ thuật điều khiển trượt, nhưng các nghiên cứu về điều

khiển trượt cho tuabin gió sử dụng PMSG thì rất ít. Điển

hình như nghiên cứu mô hình tuabin gió sử dụng máy phát

điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nối lưới [12], kết quả

nghiên cứu cho thấy, mô hình đáp ứng được các điều kiện

hòa máy phát điện với lưới điện. Ngoài ra, còn có nghiên

cứu ứng dụng thuật toán trượt thích nghi điều khiển DFIG

trong máy điện gió có công suất lớn 13. Bài báo này

thiết kế bộ điều khiển nhằm đảm bảo nối lưới ổn định cho

máy phát điện gió có tốc độ thay đổi. Các kết quả mô

phỏng cho thấy hệ thống đáp ứng được các chỉ tiêu chất

lượng điện.

Mặc dù nhiều cải tiến đã được thực hiện nhằm nâng

cao công suất chuyển đổi của các tuabin gió bằng các bộ

điều khiển từ cơ bản đến phức tạp, nhưng rất ít bài báo

trình bày nghiên cứu tối ưu công suất chuyển đổi của

tuabin gió độc lập sử dụng PMSG. Bài báo này đề xuất

phương pháp điều khiển trượt cho tuabin gió sử dụng

PMSG. Để chứng minh tính ưu việt của phương pháp điều

khiển trượt trong bài báo này, các kết quả mô phỏng của

bộ điều khiển trượt được so sánh với bộ điều khiển PID

truyền thống.

2. Kết quả nghiên cứu và khảo sát

2.1. Mô hình tuabin gió độc lập sử dụng máy phát điện

đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Mô hình tuabin gió độc lập sử dụng máy phát điện đồng

bộ nam châm vĩnh cửu được thể hiện trong Hình 1.

Hình 1. Mô hình tuabin gió độc lập sử dụng máy phát điện

đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Công thức khí động học mô tả sức gió được chuyển đổi

thành mô-men xoắn của tuabin như sau:

3 2r Q

1T R V C ( )

2 (1)

Trong đó, Tr là mô-men xoắn của tuabin, ρ là mật độ

không khí, R là bán kính của cánh quạt gió, V là tốc độ gió,

CQ(λ) là hệ số mô-men xoắn, một hàm của tỉ số tốc độ rìa

λ (Tip Speed Ratio) được xác định như sau:

rR

V

(2)

Trong đó, ωr là tốc độ quay của tuabin. Hệ số mô-men

xoắn CQ(λ) trong (1) là một hàm phi tuyến cao có thể được

xấp xỉ bởi hàm đa thức bậc sáu của λ như sau: 6 5 4 3 2

Q 6 5 4 3 2 1 0C ( ) a a a a a a a (3)

Công suất chuyển đổi năng lượng gió sẽ đạt cực đại khi

hệ số công suất chuyển đổi CP(λ) đạt cực đại. Hệ số này tỷ

lệ thuận với hệ số mô-men xoắn và được tính như sau:

CP(λ) = λCQ(λ). Hệ số công suất đạt cực đại tại duy nhất

một giá trị tỷ số tốc độ rìa tối ưu λ*, được minh họa trong

Hình 2. Do đó, sự chuyển đổi năng lượng cực đại chỉ đạt

được nếu hệ thống tuabin được vận hành ở tỉ số tốc độ rìa

tối ưu.

Hình 2. Hệ số công suất so với tỉ số tốc độ rìa

Bộ truyền động là một bộ truyền tải cơ có thể được xác

định như sau:

g

g r

h h

TT

iJ J

(4)

Trong đó, Jh là mô-men quán tính của máy phát điện, η

và i lần lượt là hiệu suất và tỷ số của hộp số, Tr là mô-men

xoắn tuabin, và Tg là mô-men điện từ của máy phát điện.

Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được nối

với tải điện trở tương đương được thể hiện trong Hình 1.

Phương trình dòng và áp trên hệ tọa độ d, q được xác định

như sau:

q ld S lq gd

d l d l

p(L L )di R Ri i

L L L Ldt

(5)

q q lS l mq g gd

q q ql l l

pdi p(L L )R R i iL L L L L Ldt

(6)

g m qT p i (7)

Trong đó, id và iq là các thành phần d và q của dòng điện

stator; Ld và Lq là các thành phần d và q của điện cảm stator;

Rs là điện trở stator; Rl là điện trở tải tương đương được coi

như tín hiệu điều khiển; Ll là điện cảm tải tương đương; p

là số cặp cực; Φm là từ thông; ωg là tốc độ máy phát; và Tg

là mô-men điện từ của máy phát điện.

Mô hình phi tuyến hoàn chỉnh của tuabin gió độc lập sử

dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu có được

bằng cách kết hợp các phương trình (1), (3) và (4) - (7).

2.2. Sơ lược về điều khiển trượt

Xét đối tượng phi tuyến bậc n mô tả bởi phương trình

trạng thái:

x f (x) g(x)u (8)

y h(x) (9)

Trong đó: n1 2 n

TRx x x ....x là véc-tơ trạng

thái của hệ thống; u R là tín hiệu vào; y R là tín hiệu ra;

nRf (x) ;

ng(x) R là các véc-tơ hàm trơn mô tả động

học của hệ thống; h(x) R là hàm trơn mô tả quan hệ giữa

biến trạng thái và tín hiệu ra.


Bài toán đặt ra là điều khiển tín hiệu ra y(t) bám theo

tín hiệu đặt yd(t).

Nếu đối tượng có bậc tương đối bằng n, bằng cách lấy

đạo hàm của phương trình (9) n lần, có thể biểu diễn quan

hệ vào ra của đối tượng dưới dạng:

(n)y a(x) b(x)u (10)

Trong đó: n

fa(x) L h(x) (11)

n 1g fb(x) L L h(x) 0 (12)

Với:

k 1

k f

f

L h(x)L h(x) f (x)

x

(13)

k

k fg

f

L h(x)L L h(x) g(x)

x

(14)

Sai số e(t) = yd(t) - y(t) (15)

Đặt (n 1) (n 2)

1 n 2 n 1e k e ... k e k e

(16)

Chọn k1 sao cho:

(n 1) (n 2)

1 n 2 n 1(s) s k s ... k s k

(17)

∆(s) là đa thức Hurwitz; vị trí nghiệm của ∆(s) =0 quyết

định đặc tính quá độ e(t) →0 khi σ = 0 gọi là mặt trượt.

Biểu thức mặt trượt:

(n) (n 1)

1 n 2d

n 1

a(x) y k e ... k e1u

b(x) k e Ksign( )

(18)

Trong đó K>0, K càng lớn σ →0 càng nhanh.

2.3. Thiết kế bộ điều khiển trượt

Từ phương trình toán (4), (5), (6) của mô hình tuabin

gió độc lập sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh

cửu, ta đặt các biến trạng thái, đầu vào và đầu ra như sau:

Các biến trạng thái và đầu vào:

1 dx i ; q2

x i ; g3x ω ;

lu R (19)

Thế các biến vào phương trình (4), (5), (6) ta được:

q lS1 1 2 3 1

d l d l d l

p(L L )R ux x x x x

L L L L L L

(20)

q l S m2 1 3 2 3

q l q l q l

p(L L ) R px x x x x

L L L L L L

2q l

ux

L L

(21)

m3 r 2

h h

px T x

iJ J

(22)

Biến đầu ra:

3y x ωg

(23)

Lấy đạo hàm đầu ra ta được:

m

3 r 2h h

py x T x

iJ J

(24)

m3 r 2

h h

py x T x

iJ J

(25)

Ta có : 3 2r Q

1T R V C ( )

2 (26)

đặt 3r

1C R

2 (27)

Thế (27) vào (26), ta được 2

r r QT C V C ( ) (28)

Lấy đạo hàm rT ta có:

2 2rr r Q r Q

dT d dT C (V )C ( ) C V C ( )

dt dt dt (29)

Ta đặt r 1 2T T T (30)

2r r1 Q Q

dT C (V )C ( ) 2C VVC ( )

dt (31)

2 2r r2 Q Q

d d dT C V C ( ) C V C ( )

dt d dt

(32)

2 2r rQ Q

dMà : C V C ( ) C V C ( )

d

(33)

rRiRd d d g

dt dt V dt V

3 3 32

Rix x V Vxd dRi

dt dt V V

(34)

Thế phương trình (33), (34) vào phương trình (32) ta

được: 2 3 3r Q 22

x V VxT C V RiC

V

r Q 3 32T C RiC x V Vx

grQ 32 r

h h

T VT VT C RiC Vx

iJ J

(35)

Thế phương trình (31), (35) vào phương trình (30) ta được:

grr r Q r Q 3

h h

T VT VT 2C VVC ( ) C RiC Vx

iJ J

(36)

Thế phương trình (36) vào phương trình (25) ta được: 2 2

m d l m S1 3 2

h q l h q l

2 2m

r3 Q)h q l h

g mrr Q 3 2

h h h h q l

p (L L ) p Ry x x x

J (L L ) J (L L )

px 2C VVC ( )

J (L L iJ

T V pT VC RiC Vx x u

iJ iJ J J (L L )

(37)

Với:

2 2 2 2m d l m s

1 3 2 3h q l h q l h q l

grr Q 3 r Q

h h h h

p (L L ) p R p ma(x) x x x xJ (L L ) J (L L ) J (L L )

T VT VC RiC Vx 2C VVC ( )

iJ iJ J iJ

(38)

m2

h q l

pb(x) x

J (L L )

(39)


Biểu thức mặt trượt 1

e k e với e = yd - y (40)

Đa thức đặc trưng của mặt trượt: s + k1 = 0 (41)

Với k1 là hằng số dương được chọn có giá trị lớn.

Biểu thức bộ điều khiển trượt:

d 1

1u a(x) y k e Ksign( )

b(x)

(42)

K là hằng số dương được chọn có giá trị nhỏ.

2.4. Kết quả mô phỏng

Để kiểm chứng hiệu quả của bộ điều khiển SMC, bài

báo này sử dụng Matlab và Simulink để mô phỏng hệ thống

SWES với bộ điều khiển SMC. Ngoài ra, bộ điều khiển

SMC cũng được so sánh với bộ điều khiển PID truyền

thống. Sơ đồ điều khiển SMC và PID được minh họa trong

Hình 3 và Hình 4.

Hình 3. Sơ đồ điều khiển dùng SMC

Hình 4. Sơ đồ điều khiển dùng PID

2.4.1. Xây dựng mô hình trên phần mềm Matlab và

Simulink

Mô hình của tuabin gió độc lập sử dụng máy phát điện

đồng bộ nam châm vĩnh cửu và bộ điều khiển trượt đã được

thực hiện và mô phỏng trên phần mềm Matlab và Simulink.

Mô hình sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh

cửu có công suất 3 KW. Các thông số mô phỏng như sau:

ρ = 1,25 kg/m3; R = 2,5 m; i = 7; η = 1; Jh = 0,0552 kg.m2;

Ld = Lq = 0,04156 H; p = 3; Rs= 3,3 Ω; m = 0,4382 Wb;

a0 = 0,0061; a1 =0,0013; a2 =0,0081; a3 =-9,7477x10-4;

a4 = -6,5416x10-5; a5 = 1,3027×10-5; a6 = -4,54x10-7; λ* = 7.

Tín hiệu điều khiển được đặt 0 <u ≤ 100.

Hình 5. Hệ thống mô phỏng trên Simulink

Tốc độ gió thay đổi ngẫu nhiên và được giả lập mô

phỏng như trong Hình 6.

Hình 6. Mô phỏng tốc độ gió ngẫu nhiên

2.4.2. Mô phỏng hệ thống với thông số không thay đổi

Hình 7. Tốc độ quay tham chiếu của tuabin

Hình 8. So sánh tín hiệu điều khiển SMC và PID

Hình 9. So sánh tỉ số tốc độ rìa SMC và PID

Hình 10. So sánh hệ số công suất SMC và PID

Hình 11. So sánh sai số bám SMC và PID


2.4.3. Mô phỏng hệ thống với thông số thay đổi

Để kiểm tra tính bền vững của bộ điều khiển trượt đối

với sự thay đổi thông số của hệ thống, tại thời điểm giây

thứ 20 trong mô phỏng, thông số điện cảm của máy phát

được điều chỉnh thay đổi 10% so với giá trị ban đầu.

Hình 12. So sánh tốc độ tham chiếu của tuabin

với SMC và PID tại 20s

Hình 13. So sánh sai số bám giữa SMC và PID tại 20s

3. Bàn luận

3.1. Hệ thống không thay đổi thông số

Kết quả mô phỏng trên Matlab và Simulink cho thấy bộ

điều khiển trượt đáp ứng tốt đối với các yêu cầu về hệ số

công suất chuyển đổi năng lượng gió, tỉ số tốc độ rìa dao

động bám theo giá trị tối ưu là 7 và sai số bám e = yd – y

tiến về 0 khi hệ thống xác lập. Bên cạnh đó, tín hiệu điều

khiển trượt có hiện tượng dao động (chattering) nhẹ.

3.2. Hệ thống thay đổi thông số

Khi cho thay đổi thông số Ld tăng 10% tại thời gian 20

giây, kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển trượt đáp

ứng tốt, bền vững và quá trình tối ưu công suất chuyển đổi

năng lượng gió không bị ảnh hưởng.

3.3. So sánh bộ điều khiển SMC với PID

Khi so sánh bộ điều khiển SMC với bộ điều khiển PID

thì bộ điều khiển SMC cho kết quả điều khiển tốt hơn, kể

cả khi thay đổi 10% thông số Ld của hệ thống.

Áp dụng tiêu chuẩn tích phân của bình phương sai số

(ISE). Khi so sánh sai số bám giữa bộ điều khiển PID và

bộ điều khiển SMC, kết quả như sau:

JPID = 3,2475; JSMC = 0,7767

Kết quả so sánh ISE cho thấy bộ điều khiển SMC có sai

số nhỏ hơn 4 lần so với bộ điều khiển PID.

4. Kết luận

Bài báo đã trình bày tổng quan các kết quả trong và

ngoài nước liên quan đến việc việc thiết kế bộ điều khiển

cho tuabin gió độc lập sử dụng PMSG, đồng thời cũng thiết

kế thành công bộ điêu khiên trươt cho tuabin gió độc lập

sử dụng PMSG. Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống

đáp ứng tốt các các yêu cầu về tối ưu hóa công suất chuyển

đổi năng lượng gió.

Tuy nhiên, bộ điêu khiên trươt trong bài báo này chưa

hoàn toàn loại bỏ được hiện tượng dao động trong hệ thống.

Vì vậy, hướng nghiên cứu tiếp theo là thiết kế các bộ điều

khiển trượt bậc cao hơn hoặc bộ điều khiển trượt thích nghi

để giảm bớt hiện tượng dao động và thích nghi tốt hơn với

các thay đổi của hệ thống tuabin gió độc lập.


[1] J. Manwell, J. Mc Gowan, A. Rogers, Wind Energy Explained,

Theory, Design, and Application, John Wiley & Sons Ltd, 2002.

[2] H. Wagner, J. Mathur, Introduction to Wind Energy Systems: Basics,

Technology and Operation, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2009.

[3] W. Shepherd, L. Zhang, Electricity Generation Using Wind Power,

World Scientific Publishing Co.Pte.Ltd, Singapore, 2011.

[4] Meisam Shirazi, Abbas Hooshmand Viki and Omid Babayi, A

Comparative Study of Maximum Power Extraction Strategies in

PMSG Wind Turbine System, IEEE Electrical Power & Energy

Conference 2009.

[5] Tinglong Pan, Zhicheng Ji, Zhenhua Jiang, Maximum Power Point

Tracking of Wind Energy Conversion Systems Based on Sliding Mode Extremum Seeking Control, IEEE Energy 2030 Atlanta, GA

USA, 17-18 November, 2008.

[6] Iulian Munteanu, A. Bratcu, N. Cutuluslis, and E. Ceanga, “Optimal

Control of Wind Energy Systems”, Toward a Global Approach,

Springer, 2008, pp. 142-156.

[7] Nguyen, Hoa M., Naidu, D. Subbaram, Direct Fuzzy Adaptive

Control for Standalone Wind Energy Conversion Systems, International Conference on Electrical Engineering and Application,

WCECS 2012, pp. 994-999.

[8] Nguyen, Hoa M., Naidu, D. Subbaram, Fuzzy Adaptive Output

Feedback Control Strategy for Standalone Wind Energy Conversion

Systems, 11th IEEE International Conference on Control & Automation (ICCA), 2014, pp. 1007-1012.

[9] Nguyen, Hoa M., Naidu, D. Subbaram, Adaptive PID control of

standalone wind energy conversion systems, Idaho State University,

Recent Advances in Electrical Engineering, ISBN: 978-960-474-

318-6, pp. 15-20.

[10] W. Wang, D. Wu, Y. Wang, and Z. Ji, H∞ gain scheduling control

of PMSG-based wind power conversion system, in Proc. of the 5th IEEE Conf. on Industrial Electronics and Applications (ICIEA),

June 2010, pp. 712-717.

[11] O. Barambones, J M.Gonzalez Durana, “Sliding mode control

strategy for Variable speed wind turbine”, IEEE Transaction on

Energy Conversion, 2009, pp. 1-5.

[12] Đặng Ngọc Huy, Lê Kim Anh, Nghiên cứu mô hình tuabin gió sử

dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nối lưới, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, 2013.

[13] Đỗ Hoàng Ngân Mi, “Ứng dụng thuật toán trượt thích nghi điều

khiển DFIG trong máy điện gió”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học

Trường Đại học Đông Á, 2015.

[14] Dương Hoài Nghĩa, Điều khiển hệ thống đa biến, NXB Đại học

Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2011, trang 172-174.

[15] Nguyễn Doãn Phước, Báo cáo seminar chuyên môn về “Điều khiển

trượt cơ bản và trượt bậc cao”, Bộ môn Điều khiển tự động, Viện

Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2014.

[16] Nguyễn Phùng Quang, Matlab và Simulink, NXB Khoa học và Kỹ

thuật.



XÁC ĐỊNH LƯỢNG PHÁT CH4 TỪ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI TẠI

MỘT SỐ NHÀ MÁY CHẾ BIẾN TINH BỘT SẮN Ở VIỆT NAM

INVENTORYING THE AMOUNT OF METHANE FROM WASTE WATER TREATMENT

SYSTEM OF SOME CASSAVA PLANTS IN VIET NAM

Phạm Đình Long1, Phan Như Thúc1, Đặng Thị Đoan2, Phạm Thị Ngọc Lan3 1Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; [email protected], [email protected];

2Trung tâm Quan trắc Tài nguyên và Môi trường Đà Nẵng 2; [email protected]; 3Trường Cao đẳng Giao thông Vận tải 2; [email protected]

Tóm tắt - Ngành chế biến tinh bột sắn (TBS) là một trong những ngành sản xuất mang lại nhiều giá trị xuất khẩu và tạo ra một lượng lớn công việc cho người dân địa phương, cũng như góp phần đáng kể vào chính sách xóa đói giảm nghèo ở Việt Nam. Tuy nhiên, để sản xuất ra sản phẩm tinh bột sắn, các nhà máy sản xuất đã sử dụng nhiều nước và thải ra một lượng lớn nước thải giàu chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng. Trong quá trình xử lý lượng nước thải này, hệ thống xử lý nước thải tinh bột sắn đã làm phát sinh một lượng lớn khí nhà kính. Bài báo này tập trung xác định lượng CH4 phát thải từ hoạt động xử lý nước thải tại một số nhà máy chế biến tinh bột sắn tại Việt Nam. Từ quá trình khảo sát, thu thập dữ liệu tại 19 nhà máy chế biến tinh bột sắn có công suất từ 50 - 450 tấn sản phẩm (sp)/ngày và sử dụng phương pháp IPCC 2006 để xác định được tổng lượng phát thải khí nhà kính. Theo đó lượng phát thải khí nhà kính là 93.089 tấn CO2tđ/năm và lượng CH4 thu hồi phục vụ sản xuất là 19.727 tấn CH4/năm.

Abstract - Cassava processing is one of the industries that has created huge value of exports and much employment for local people, and contributed significantly to the poverty elimination in Viet Nam. However, cassava processing consumes huge amount of water supply and discharges a large amount of wastewater containing high organic matters and nutrients. During the process of treating this wastewater, the cassava wastewater treatment system also generates a large number of greenhouse gases. This article concentrates on inventory of the total amount CH4 emitted from the wastewater treatment system of some cassava processing plants in Vietnam. Through a survey conducted at 19 cassava processing plants having the productivity capacity ranging from 50-450 tons of products/day, the data has been collected. The 2006 IPCC Guidelines have been used to inventory the total number of greenhouse gas emissions. Accordingly, the number of greenhouse gas emissions is 93,089 tons CO2e/year and the amount of recovered CH4 for the production is 19,727 tons CH4/year.

Từ khóa - nước thải tinh bột sắn; phát thải CH4; CO2e; thu hồi CH4; hệ số phát thải CH4.

Key words - cassava wastewater; CH4 emission; CO2e; CH4 recovered; CH4 emission factor.


Ngành chế biến tinh bột sắn là ngành công nghiệp mang

lại nhiều giá trị xuất khẩu cho Việt Nam, kim ngạch xuất khẩu

tinh bột sắn năm 2015 đạt khoảng 1,3 tỷ USD và năm 2016

đạt khoảng 1,1 tỷ USD [1]. Theo Hiệp hội Sắn Việt Nam, hiện

cả nước có trên 100 nhà máy chế biến tinh bột sắn quy mô

công nghiệp, sản lượng xuất khẩu tinh bột sắn trong năm 2015

và 2016 khoảng 2,2 triệu tấn tinh bột [1]. Tuy nhiên, trong quá

trình sản xuất, các nhà máy chế biến tinh bột sắn đã thải ra

một lượng lớn nước thải chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy

sinh học và các chất dinh dưỡng như N, P. Tùy theo công

suất chế biến tinh bột sắn mà lượng nước thải phát sinh cũng

khác nhau, thông thường, lưu lượng nước thải tại các nhà

máy chế biến tinh bột sắn quy mô công nghiệp, lượng nước

thải dao động trong khoảng 1.000 - 10.000 m3/ngày.đêm. Để

giải quyết lượng lớn nước thải này, các nhà máy thường

dùng công nghệ hồ kỵ khí có thu hồi biogas kết hợp các hồ

sinh học hiếu khí và tùy tiện để xử lý nước thải tinh bột sắn.

Việc xử lý nước thải bằng hồ kỵ khí và hồ sinh học có thể

dẫn đến phát thải khí nhà kính (KNK) nếu các nhà máy chế

biến tinh bột sắn không có biện pháp quản lý phù hợp. Do

đó, cần có các nghiên cứu đánh giá tổng lượng phát thải

KNK từ hệ thống xử lý nước thải của các nhà máy chế biến

tinh bột sắn, từ đó đề ra các biện phát giảm thiểu lượng phát

thải KNK cũng như xác định lượng CH4 có thể thu hồi phục

vụ sản xuất, hạn chế sử dụng nhiên liệu hóa thạch góp phần

bảo vệ môi trường. Bài báo này tập trung vào việc “Xác định

lượng CH4 từ hệ thống xử lý nước thải của một số nhà máy

chế biến tinh bột sắn ở Việt Nam”.

2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

2.1. Đối tượng nghiên cứu

Để xác định tổng lượng phát thải khí nhà kính từ hệ

thống xử lý nước thải của một số nhà máy chế biến tinh bột

sắn tại Việt Nam, chúng tôi đã tiến hành khảo sát thu thập

số liệu tại các nhà máy chế biến tinh bột sắn có quy mô 50

– 450 tấn sản phẩm/ngày.

Nội dung khảo sát:

+ Đối với nhà máy sản xuất: Công suất chế biến tinh

bột sắn, số ngày hoạt động trong năm;

+ Đối với hệ thống xử lý nước thải: Công nghệ xử lý, lưu

lượng nước thải, giá trị COD vào bể biogas và vào hồ sinh học.


2.2.1. Phương pháp điều tra, khảo sát, lấy mẫu, phân tích

+ Điều tra, khảo sát quy mô sản xuất của các nhà máy

chế biến tinh bột sắn ở Việt Nam.

+ Lấy mẫu, phân tích thành phần, tính chất nước thải.

2.2.2. Phương pháp so sánh

So sánh kết quả khảo sát, tính toán với các tài liệu, bài

báo đã được công bố để xác định mức độ tin cậy của các

nội dung nghiên cứu.

2.2.3. Phương pháp xử lý số liệu.

Sử dụng phần mềm Microsoft Excel tổng hợp số liệu,

tính toán đưa ra kết quả cụ thể nhằm mô tả trực quan các

mối liên hệ giữa các số liệu, làm cơ sở để đánh giá nhận xét

kết quả nghiên cứu.




40 Phạm Đình Long, Phan Như Thúc, Đặng Thị Đoan, Phạm Thị Ngọc Lan

2.2.4. Phương pháp tính toán phát thải KNK của IPCC

Sử dụng các phương pháp tính toán phát thải khí nhà

kính từ hoạt động chế biến tinh bột sắn theo tài liệu hướng

dẫn của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC),

tập 5 năm 2006 [2]. Xác định, lựa chọn các thông số tính

toán phù hợp với điều kiện đối tượng nghiên cứu.

Lượng phát thải CH4 từ bể kỵ khí của hệ thống xử lý

nước thải được xác định theo công thức:

E(CH4) =∑ [(𝑇𝑂𝑊𝑖 − 𝑆𝑖)𝐸𝐹𝑖𝑖− 𝑅𝑖] (1)

Trong đó:

+ E (CH4): Lượng phát thải CH4 từ hệ thống xử lý nước

thải tinh bột sắn [kg CH4/năm];

+ EFi: Hệ số phát thải từ bể biogas và hồ sinh học của

hệ thống xử lý nước thải tinh bột sắn [kg CH4/kg COD];

+ TOWi: Tổng lượng chất hữu cơ phân hủy trong nước

thải của loại hình chế biến tinh bột sắn [kg COD/năm];

+ i: Loại hình sản xuất công nghiệp;

+ Si: thành phần hữu cơ được loại bỏ theo bùn hoạt tính

kỵ khí [kg COD/năm], do việc hút cặn bùn hoạt tính kỵ khí

tại các nhà máy không được kiểm kê và hoạt động hút cặn

bùn không thường xuyên nên chọn Si = 0;

+ Ri: Lượng CH4 thu hồi được kiểm kê trong năm [kg

CH4/năm].

Hệ số phát thải khí mêtan (CH4) từ bể kỵ khí của hệ

thống xử lý nước thải tinh bột sắn được tính theo công thức

sau:

EFi = B0 x MCFi (2)

Trong đó:

+ EFi: hệ số phát thải khí mêtan từ bể kỵ khí của hệ

thống xử lý nước thải tinh bột sắn [kg CH4/kg COD];

+ B0: Năng lực sản sinh ra lượng mêtan tối đa [kg

CH4/kg COD];

+ MCF: Hệ số chuyển đổi mêtan, [%], tra theo Bảng 6.8

của tài liệu hướng dẫn của IPCC, 2006, tập 5, chương 6,

trang 6.21, chọn MCF= 0,8 đối với bể biogas và 0,3 đối với

các hồ sinh học tùy tiện.

TOWi = Pi x Wi x CODi (3)

Trong đó:

TOWi: Tổng lượng chất hữu cơ phân hủy trong nước

thải của loại hình chế biến tinh bột sắn [kg COD/năm];

Pi: Tổng sản phẩm của nhà máy chế biến tinh bột sắn

[tấn/năm];

Wi: Định mức nước thải trên tấn sản phẩm [m3/tấn sp];

CODi: Nhu cầu oxy hóa học [kg COD/m3];

i: Loại hình công nghiệp.


3.1. Kết quả điều tra, khảo sát các nhà máy chế biến tinh

bột sắn

3.1.1. Công nghệ xử lý nước thải tại các nhà máy chế biến

tinh bột sắn

Sau khi tiến hành khảo sát hệ thống xử lý nước thải tại các

nhà máy chế biến tinh bột sắn, chúng tôi nhận thấy công nghệ

xử lý nước thải ở đây có sự tương đồng, hầu hết các nhà máy

này đều sử dụng công nghệ sản xuất từ Thái Lan nên công

nghệ xử lý nước thải cũng khá giống nhau (Hình 1).

Hình 1. Công nghệ xử lý nước thải phổ biến tại các nhà máy

chế biến tinh bột sắn khảo sát

Việc thu hồi và sử dụng khí CH4 thay thế cho than, dầu,

làm nhiên liệu đốt lò tải nhiệt để sấy tinh bột sắn giúp các

nhà máy tiết kiệm chi phí mua nhiên liệu đốt, đồng thời

giảm phát thải ô nhiễm môi trường từ quá trình đốt nhiên

liệu hóa thạch [3].

3.1.2. Quy mô sản xuất tại các nhà máy chế biến tinh bột sắn

Theo Bảng 1, ta thấy công suất chế biến tinh bột sắn tại

các nhà máy dao động từ 50 - 450 tấn sản phẩm/ngày đêm.

Tuy công suất giữa các nhà máy có sự chênh lệch lớn

nhưng thời gian sản xuất trong năm tại các nhà máy này chỉ

dao động trong khoảng 160 - 240 ngày. Thời gian sản xuất

phụ thuộc chủ yếu vào vùng nguyên liệu xung quanh các

nhà máy.

Bảng 1. Công suất các nhà máy chế biến tinh bột sắn

được khảo sát

TT Tên nhà máy Công suất

(tấn sp/ngày)

Thời gian

sx (ngày)

1 Nha may TBS Thưa Thiên Huê 150 160

2 Nha may TBS Quang Tri 100 200

3 Nha may TBS Kon Tum 100 200

4 Công ty (Cty) Cổ phần (CP)

Fococev Quang Nam 150 220

5 Nha may TBS Sơn La 100 240

6 Nha may TBS Quảng Bình 120 220

7 Nha may TBS Phú yên 300 180

8 Nha may TBS Ninh Thuận 120 200

9 Nha may TBS Bình Phước 150 220

10 Nha may TBS Phú Túc - Gia Lai 450 180

11 Nha may TBS IaPa - Gia Lai 300 200

12 Nhà máy TBS Tịnh Phong -

Quảng Ngãi 100 200

13 Nhà máy TBS Sơn Hải - Quảng Ngãi 50 220

14 Nhà máy CP TBS xuất khẩu

Bình Định 60 280

Bio

gas

Nước thải công nghệ Nước thải rửa củ

Bể lắng/bể axit hóa

Bể biogas/ bể Cigar Chuỗi các hồ

sinh học

Bể lắng cát

Nguồn tiếp nhận Xử lý sơ bộ

Lò tải nhiệt

sấy tinh bột Đường nước thải

Đường khí biogas


15 Nhà máy chế biến tinh bột sắn

Đồng Xuân 120 240

16 Nhà chế biến máy tinh bột sắn Sê

Pôn – Quảng Trị 160 200


Như Xuân – Thanh Hóa 150 160

18 Nhà máy sản xuất tinh bột sắn

Yên Thành 80 150


Hà Tĩnh 100 160

3.1.3. Lưu lượng và thành phần nước thải chế biến tinh bột sắn

Theo Bảng 2, ta thấy tùy thuộc vào công suất sản xuất

và công nghệ sản xuất của mỗi nhà máy mà lưu lượng nước

thải tại các nhà máy chế biến tinh bột sắn dao động từ

1.000-9.000 m3/ngày đêm và giá trị COD dao động từ

6.430 - 11.240 mg/l.

Bảng 2. Lưu lượng và giá trị COD trong nước thải tại

các nhà máy chế biến tinh bột sắn

TT Tên nhà máy Lưu lượng

(m3/ngày)

COD(1)

(mg/l)

COD(2)

(mg/l)

1 Nha may TBS Thưa

Thiên - Huê 2.400 8.320 2.057

2 Nha may TBS Quang Tri 2.000 10.737 2.684

3 Nha may TBS Kon Tum 2000 9.269 2.317

4 Cty CP Fococev Quang

Nam 3.000 8.520 2.130

5 Nha may TBS Sơn La 2.000 10.450 2.612

6 Nha may TBS Quảng

Bình 2.400 8.770 2.192

7 Nha may TBS Phú Yên 6.000 9.740 2.435

8 Nha may TBS Ninh

Thuận 2.400 8.520 2.130

9 Nha may TBS Bình Phước 3.000 7.450 1.862

10 Nha may TBS Phú Túc -

Gia Lai 9.000 11.240 2.810

11 Nha may TBS IaPa - Gia

Lai 6.000 8.750 2.187

12 Nhà máy TBS Tịnh

Phong – Quảng Ngãi 2.000 7.520 1.880

13 Nhà máy TBS Sơn Hải –

Quảng Ngãi 1.000 9.125 2.281

14 Nhà máy CP tinh bột sắn

xuất khẩu Bình Định 1.200 6.430 1.607

15 Nhà máy chế biến tinh

bột sắn Đồng Xuân 2.400 6.830 1.707

16 Nhà chế biến máy tinh bột

sắn Sê Pôn – Quảng Trị 3.200 7.750 1.937

17

Nhà máy chế biến tinh

bột sắn Như Xuân –

Thanh Hóa

3.000 6.850 1.712

18 Nhà máy sản xuất tinh

bột sắn Yên Thành 1.600 8.120 2.030

19 Nhà máy chế biến tinh

bột sắn Hà Tĩnh 2.000 8.325 2.081

Ghi chú: (1) Giá trị COD trung bình của nước thải chế biến tinh

bột sắn trước khi vào bể biogas;

(2) Giá trị COD trung bình của nước thải chế biến tinh bột sắn

trước khi vào các hồ sinh học.

3.2. Phát thải CH4 từ các nhà máy chế biến tinh bột sắn

3.2.1. Tổng lượng chất hữu cơ trong nước thải vào bể biogas

Áp dụng công thức 3, Bảng 1 và Bảng 2 ta xác định

được tổng lượng chất hữu cơ trong nước thải vào bể biogas.

Giá trị TOW (kg COD/năm) được thể hiện tại Bảng 3.

Bảng 3. Tổng lượng lượng chất hữu cơ trong

nước thải vào bể biogas

TT Tên nhà máy (m3/

ngày)

COD[1]

(mg/l)

TOW

Kg COD/năm

1 Nha may TBS Thưa Thiên - Huê 2.400 8.320 3.160.320

2 Nha may TBS Quang Tri 2.000 10.737 4.294.800

3 Nha may TBS Kon Tum 2000 9.269 3.707.600

4 Cty CP Fococev Quang Nam 3.000 8.520 5.623.200

5 Nha may TBS Sơn La 2.000 10.450 5.016.000

6 Nha may TBS Quảng Bình 2.400 8.770 4.630.560

7 Nha may TBS Phú Yên 6.000 9.740 10.519.200

8 Nha may TBS Ninh Thuận 2.400 8.520 4.089.600

9 Nha may TBS Bình Phước 3.000 7.450 4.917.000

10 Nha may TBS Phú Túc - Gia

Lai 9.000 11.240 18.208.800

11 Nha may TBS IaPa - Gia Lai 6.000 8.750 10.500.000

12 Nhà máy TBS Tịnh Phong –

Quảng Ngãi 2.000 7.520 3.008.000


Quảng Ngãi 1.000 9.125 2.007.500


xuất khẩu Bình Định 1.200 6.430 2.160.480

15 Nhà máy chế biến tinh bột

sắn Đồng Xuân 2.400 6.830 3.934.080


sắn Sê Pôn – Quảng Trị 3.200 7.750 4.960.000


sắn Như Xuân – Thanh Hóa 3.000 6.850 3.288.000

18 Nhà máy sản xuất tinh bột

sắn Yên Thành 1.600 8.120 1.948.800


sắn Hà Tĩnh 2.000 8.325 2.664.000

Nhận xét: Do đặc thù của ngành chế biến thực phẩm

nên lượng chất hữu trong nước thải là rất cao, đây là nguồn

cơ chất cho quá trình phát sinh CH4, thuận lợi cho việc tạo

ra năng lượng phục vụ sản xuất. Tuy nhiên, lượng chất hữu

cơ trong nước thải cao cũng gây khó khăn cho các nhà máy

trong việc xử lý nước thải sản xuất.

3.2.2. Hệ số phát thải CH4 từ bể bioags và hồ sinh học tùy tiện

Các nghiên cứu trước đây cho thấy lượng CH4 phát sinh

từ quá trình xử lý kỵ khí nước thải tinh bột sắn: 0,21 – 0,23

kg CH4/kg COD [4] và 0,16 – 0,31 kg CH4/kg COD được

loại bỏ [5]. Theo IPCC, 2006, tập 5, chương 6, trang 6.21,

hướng dẫn lựa chọn hệ số thiết lập cho B0, B0 = 0,25 kg

CH4/kg COD, nên trong nghiên cứu của chúng tôi chọn

B0 = 0,25 kg CH4/kg COD để tính toán.

42 Phạm Đình Long, Phan Như Thúc, Đặng Thị Đoan, Phạm Thị Ngọc Lan

Từ công thức 2 ta tính được hệ số phát thải của bể

biogas EFkỵ khí = 0,2 kg CH4/kg COD và hồ sinh học

EFtùy tiện = 0,075 kg CH4/kg COD.

3.2.3. Tổng lượng phát thải khí CH4 từ bể biogas

Áp dụng công thức 1 ta xác định được lượng phát thải

CH4 của bể biogas như sau:

Do lượng CH4 sinh ra từ bể biogas được các nhà máy

thu hồi và tái sử dụng làm nhiên liệu cho lò tải nhiệt để sấy

tinh bột sắn, lượng CH4 thu hồi là bằng lượng khí CH4 sinh

ra nên lượng phát thải khí nhà kính từ việc thu hồi và sử

dụng CH4 làm nhiên liệu được tính theo công thức:

ECO2 tđ = nCH4*(44/16) (kg/năm) (4)

Trong đó:

nCH4: Lượng CH4 thu hồi làm nhiên liệu.

Hình 2. Bể biogas có thu hồi biogas tại

Nhà máy tinh bột sắn Sơn Hải, tỉnh Quảng Ngãi

Bảng 4. Lượng phát thải CO2tđ từ

quá trình thu hồi và sử dụng CH4 làm nhiên liệu

TT Tên nhà máy

ECH4 từ bể

kỵ khí

(kg/năm)

ECO2 tđ

(kg/năm)

1 Nha may TBS Thưa Thiên – Huê 632.064 1.738.176

2 Nha may TBS Quang Tri 858.960 2.362.140

3 Nha may TBS Kon Tum 741,520 2.039.180

4 Cty CP Fococev Quang Nam 1.124.640 3.092.760

5 Nha may TBS Sơn La 1.003.200 2.758.800

6 Nha may TBS Quảng Bình 926.112 2.546.808

7 Nha may TBS Phú Yên 2.103.840 5.785.560

8 Nha may TBS Ninh Thuận 817.920 2.249.280

9 Nha may TBS Bình Phước 983.400 2.704.350

10 Nha May TBS Phú Túc - Gia

Lai 3.641.760 10.014.840

11 Nha may TBS IaPa - Gia Lai 2.100.000 5.775.000

12 Nhà máy TBS Tịnh Phong -

Quảng Ngãi 601.600 1.654.400

13 Nhà máy TBS Sơn Hải -

Quảng Ngãi 401.500 1.104.125

14 Nhà máy CP tinh bột sắn xuất

khẩu Bình Định 432.096 1.188.264


sắn Đồng Xuân 786.816 2.163.744


sắn Sê Pôn - Quảng Trị 992.000 2.728.000


sắn Như Xuân - Thanh Hóa 657.600 1.808.400


sắn Yên Thành 389.760 1.071.840


sắn Hà Tĩnh 532.800 1.465.200

Tổng cộng 19.727.588 54.250.867

Vậy lượng phát thải khí nhà kính từ bể biogas là CO2 tđ

= 54,250,867 kg/năm.

3.2.4. Tổng lượng chất hữu cơ trong nước thải vào hồ sinh học

Áp dụng công thức 3 ta xác định được tổng lượng chất

hữu cơ trong nước thải vào hồ sinh học. Giá trị TOW (kg

COD/năm) được thể hiện tại Bảng 5.

Bảng 5. Tổng lượng chất hữu cơ trong

nước thải vào hồ sinh học

TT Tên nhà máy (m3/

ngày)

COD

(mg/l)

TOW

(KgCOD/năm)

1 Nha may TBS Thưa Thiên - Huê 2.400 2.057 790.080

2 Nha may TBS Quang Tri 2.000 2.684 1.073.700

3 Nha may TBS Kon Tum 2000 2.317 926.900

4 Cty CP Fococev Quang Nam 3.000 2.130 1.405.800

5 Nha may TBS Sơn La 2.000 2.612 1.254.000

6 Nha may TBS Quảng Bình 2.400 2.192 1.157.640

7 Nha may TBS Phú Yên 6.000 2.435 2.629.800

8 Nha may TBS Ninh Thuận 2.400 2.130 1.022.400

9 Nha may TBS Bình Phước 3.000 1.862 1.229.250

10 Nha may TBS Phú TÚC - GIA

Lai 9.000 2.810 4.552.200

11 Nha may TBS IaPa - Gia Lai 6.000 2.187 2.625.000

12 Nhà máy TBS Tịnh Phong –

Quảng Ngãi 2.000 1.880 752.000


Quảng Ngãi 1.000 2.281 501.875


xuất khẩu Bình Định 1.200 1.607 540.120


sắn Đồng Xuân 2.400 1.707 983.520


sắn Sê Pôn – Quảng Trị 3.200 1.937 1.240.000


sắn Như Xuân – Thanh Hóa 3.000 1.712 822.000


sắn Yên Thành 1.600 2.030 487.200


sắn Hà Tĩnh 2.000 2.081 666.000

3.2.5. Tổng lượng phát thải khí CH4 từ các hồ sinh học

Từ công thức 1, lượng phát thải CH4 của hồ sinh học

được tính như sau:

E(CH4) = ∑ [𝑇𝑂𝑊𝑖 ∗ 𝐸𝐹𝑖𝑖]

Do lượng CH4 phát sinh từ hồ sinh học không được thu

hồi nên Ri = 0 và lượng bùn phát sinh không được kiểm kê

nên Si = 0.


Bảng 6. Lượng phát thải CO2tđ từ hồ sinh học

TT Tên nhà máy ECH4

(kg/năm)

ECO2 tđ

(kg/năm)

1 Nha may TBS Thưa Thiên Huê 59.256 1.244.376

2 Nha may TBS Quang Tri 80.528 1.691,078

3 Nha may TBS Kon Tum 69.518 1.459,868

4 Cty CP Fococev Quang Nam 105.435 2.214.135

5 Nha may TBS Sơn La 94.050 1.975.050

6 Nha may TBS Quảng Bình 86.823 1.823.283

7 Nha may TBS Phú Yên 197.235 4.141.935

8 Nha may TBS Ninh Thuận 76.680 1.610.280

9 Nha may TBS Bình Phước 92.194 1.936.069

10 Nha may TBS Phú Túc - Gia Lai 341.415 7.169.715

11 Nha may TBS IaPa - Gia Lai 196.875 4.134.375

12 Nhà máy TBS Tịnh Phong - Quảng Ngãi 56.400 1.184,400

13 Nhà máy TBS Sơn Hải - Quảng Ngãi 37.641 790.453

14 Nhà máy CP tinh bột sắn XK Bình Định 40.509 850.689


Đồng Xuân 73.764 1.549.044

16 Nhà chế biến máy tinh bột sắn Sê

Pôn - Quảng Trị 93.000 1.953.000

17 Nhà máy chế biến tinh bột sắn Như

Xuân - Thanh Hóa 61.650 1.294.650

18 Nhà máy SX tinh bột sắn Yên Thành 36.540 767.340

19 Nhà máy chế biến tinh bột sắn Hà Tĩnh 49.950 1.048.950

Tổng cộng 1.849.461 38.838.689

Vậy lượng phát thải khí nhà kính từ hồ sinh học là

CO2td = 38.838.689 kg/năm.

3.2.6. Lượng phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước

thải các nhà máy tinh bột sắn

Từ Bảng 4 và Bảng 6 ta xác định được tổng lượng phát

thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải của các nhà

máy chế biến tinh bột sắn được khảo sát.

Bảng 7. Lượng phát thải khí nhà kính từ

hệ thống xử lý nước thải tinh bột sắn

TT Tên nhà máy ECO2 tđ

(kg/năm)

1 Nha may TBS Thưa Thiên Huê 2.982.552

2 Nha may TBS Quang Tri 4.053.218

3 Nha may TBS Kon Tum 3.499.048

4 Cty CP Fococev Quang Nam 5.306.895

5 Nha may TBS Sơn La 4.733.850

6 Nha may TBS Quảng Bình 4.370.091

7 Nha may TBS Phú Yên 9.927.495

8 Nha may TBS Ninh Thuận 3.859.560

9 Nha may TBS Bình Phước 4.640.419

10 Nha may TBS Phú Túc - Gia Lai 17.184.555

11 Nha may TBS IaPa - Gia Lai 9.909.375

12 Nhà máy TBS Tịnh Phong - Quảng Ngãi 2.838.800

13 Nhà máy TBS Sơn Hải - Quảng Ngãi 1.894.578

14 Nhà máy CP tinh bột sắn XK Bình Định 2.038.953

15 Nhà máy chế biến tinh bột sắn Đồng Xuân 3.712.788

16 Nhà chế biến máy tinh bột sắn Sê Pôn -

Quảng Trị 4.681.000

17 Nhà máy chế biến tinh bột sắn Như Xuân -

Thanh Hóa 3.103.050

18 Nhà máy SX tinh bột sắn Yên Thành 1.839.180

19 Nhà máy chế biến tinh bột sắn Hà Tĩnh 2.514.150

Tổng cộng 93.089.556

Vậy lượng phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước

thải các nhà máy chế biến tinh bột sắn là CO2td =

93.089.556 kg/năm.

Từ Bảng 2 và Bảng 7 ta xác định được hệ số phát thải

khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải các nhà máy chế

biến tinh bột sắn là EF = 0,202 tấn CO2tđ/tấn sản phẩm,

trong điều kiện có thu hồi CH4 từ bể biogas để phục vụ sấy

tinh bột sắn.

4. Kết luận

Lượng phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước

thải tại các nhà máy chế biến tinh bột sắn được khảo sát tại

khu vực miền Trung là 93.089.556 kg CO2tđ/năm.

Hệ số phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải

các nhà máy chế biến tinh bột sắn khu vực miền Trung là

EF = 0,202 tấn CO2 tđ/tấn sản phẩm, trong điều kiện nhà

máy chế biến tinh bột sắn có thu hồi biogas làm nhiên liệu

thay thế cho lò sấy.

Lượng CH4 sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí các hợp

chất hữu cơ có trong nước thải tinh bột sắn là 19.727 tấn

CH4/năm, đã được các nhà máy chế biến tinh bột sắn thu

hồi để làm nhiên liệu cung cấp cho lò tải nhiệt sấy tinh bột

sắn. Việc thu hồi CH4 làm nhiên liệu sấy tinh bột sắn giúp

các nhà máy chế biến tinh bột sắn giảm thiểu sử dụng nhiên

liệu hóa thạch và giảm phát thải khí nhà kính.


[1] Agro Monitor, Báo cáo thường niên ngành sắn và tinh bột sắn năm

2016 và triển vọng năm 2017, Hà Nội, 2017.

[2] IPCC, IPCC 2006 Guidelines for National Greenhouse Gas

Inventories, Volume 5: Waste, IGES, 2006.

[3] Bộ Công thương, Bộ Giáo dục và Đào tạo, Tài liệu hướng dẫn sản xuất sạch hơn, ngành Sản xuất tinh bột sắn, Hà Nội, 2010.

[4] Phạm Đình Long, Trần Văn Quang, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn

Văn Đông, Nguyễn Thị Thanh Xuân, “Nghiên cứu khả năng sinh khí

biogas từ nước thải chế biến tinh bột sắn bằng quá trình kỵ khí”, Tạp

chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, Tập 3(76), 2014, trang 37-40.

[5] Kamahara hirotsugu, Hasanudin Udin, Atsuta Yoichi, Widiyanto

Anugerah, Tachibana Ryuichi, Goto Naohiro, Daimon Hiroyuki,

Fujie Koichi, “Methane Emission from Anaerobic Pond of tapioca

Starch Extraction Wastewater in Indonesia”, Journal of Ecotechnology Research, Vol15(2), 2010, pp. 79-83.


44 Trần Văn Quang, Phan Thị Kim Thủy

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ QUÁ TRÌNH SINH HÓA HIẾU KHÍ

XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN

RESEARCHING TO DETERMINE PARAMETERS OF AEROBIC PROCESS TO TREAT

ORGANIC POLLUTION IN WASTE WATER FROM SEAFOOD PROCESSING

Trần Văn Quang, Phan Thị Kim Thủy


Tóm tắt - Nước thải từ quá trình chế biến thủy sản, sau giai đoạn tiền xử lý có nồng độ chất hữu cơ và dinh dưỡng cao. Với chế độ thải không ổn định, thay đổi theo lượng nguyên liệu trong ngày, việc duy trì và đảm bảo chất lượng nước sau xử lý đáp ứng yêu cầu xả thải gặp nhiều khó khăn. Nghiên cứu xác định các thông số của quá trình sinh hóa hiếu khí trên mô hình phòng thí nghiệm và kiểm chứng bằng pilot tại thực địa cho kết quả: nồng độ và tỷ lệ (N-NH4, TN)/BOD5 cao là nguyên nhân dẫn đến sự mất ổn định của quá trình. Để đảm bảo chất lượng nước sau xử lý có giá trị COD đáp ứng được cột B, QCVN 11-MT:2015/BTNM, các thông số kiến nghị áp dụng: HRT ≥ 12h; MLVSS:1,8 - 2,6 g/l; F/M:≤ 0,3 gCOD/g.ngđ; cần bổ sung quá trình keo tụ để tăng hiệu quả lắng của bùn hoạt tính và áp dụng các quá trình anoxic hoặc sinh hóa bậc II, kiểm soát lượng chất dinh dưỡng dư, đảm bảo chất lượng nước sau xử lý đạt cột A.

Abstract - After pre-treatment, wastewater from seafood process plants has a high concentration of organic matters and nutrients. With the unstable regime of inffluent changes daily based on amount of raw seafood, it is fairly difficult to maintain the quality of treated water to discharge standards. Researching to determine the parameters for aerobic process by laboratory model, as well as verifying by pilot in the field show that the high concentration and ratio of (N-NH4,TN)/BOD5 are the cause of process’s instability. And to ensure treated water to reach COD value that satisfies column B - QCVN 11-MT:2015/BTNMT, suggested parameters are: HRT≥12h; MLVSS: 1.8 – 2.6 g/l and F/M ≤0,3 gCOD/g.d. Furthermore, to ensure that treated water quality reaches column A value, it is needed to add flocculate sludge and apply anoxic or secondary biological treatment process in order to control leftover nutrients.

Từ khóa - chế biến thủy sản; bùn hoạt tính; nước thải; quá trình sinh hóa hiếu khí; xử lý nước thải

Key words - seafood processing; activated sludge; wastewater; aerobic processes; wastewater treatment


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

vụ, phụ thuộc vào nguyên liệu, sản phẩm chế biến [1].

Các kết quả nghiên cứu về nước thải CBTS thủy sản ở

Việt Nam nói chung và ở Đà Nẵng cho thấy, nước thải phát

sinh từ quá trình chế biến thủy sản có nồng độ chất lơ lửng

lớn và chủ yếu là các chất hữu cơ có nguồn gốc từ cá. Giá

trị BOD5 và COD dao động trong khoảng: 500 - 2.300 mg/l

và 800 - 2.500 mg/l, tổng nitơ (TN) và tổng phốt pho (TP):

50 - 300 mg/l và 10 – 100 mg/l. Trong đó, nước thải từ quá

trình chế biến surimi có nồng độ dầu và mỡ đặc biệt cao từ

250 đến 830 mg/l và TP của nước thải chế tôm đông lạnh

có thể trên 120 mg/l [1, 2].

Với thành phần các chất ô nhiễm chủ yếu là các hợp chất

hữu cơ dễ phân hủy (tỷ lệ BOD/COD dao động trong khoảng

từ 0,6 đến 0,9) và giàu dinh dưỡng, công nghệ xử lý nước

thải (XLNT) đang được áp dụng tại các nhà máy chế biến

thủy sản bao gồm: (i) các nhà máy chế biến sản phẩm hỗn

hợp: xử lý bậc I với các quá trình điều hòa kết hợp với phân

hủy kỵ khí và bậc II với quá trình aeroten – lắng; (ii) các nhà

máy có chế biến sản phẩm surimi và tôm: xử lý bậc I, keo tụ

- lắng hoặc tuyển nổi áp lực/keo tụ - tuyển nổi siêu nông, để

tách triệt để các chất khó phân hủy như dầu và mỡ; xử lý bậc

II: aeroten - lắng tuyển nổi hoặc kết hợp với quá trình anoxic

để khử Nitơ; (iii) xử lý bậc III: keo tụ - lắng hoặc lọc áp lực

và khử trùng, trong trường hợp nguồn tiếp nhận yêu cầu đạt

cột A của QCVN 11:2008/BTNMT [3, 4].

Kết quả khảo sát 19 trạm XLNT có quy mô và công

suất khác nhau thuộc Khu Công nghiệp Dịch vụ Thủy sản

Đà Nẵng cho thấy: sau xử lý bậc I, tất cả các nhà máy đều

áp dụng bể aeroten, trong đó chỉ có Nhà máy Danifood áp

dụng dạng sục khí kéo dài và xả nước theo đợt (SBR), còn

lại là dạng aeroten – lắng truyền thống. Mặc dù công nghệ

xử lý áp dụng là phù hợp, nhưng chỉ có 03 nhà máy có hệ

thống xử lý hoạt động ổn định, đáp ứng được yêu cầu của

Ban Quản lý Khu Công nghiệp (KCN) với giá trị COD

của nước sau xử lý nhỏ hơn 300 mg/l. Các nhà máy còn

lại, hiệu suất xử lý không ổn định, chất lượng nước sau

xử lý vượt mức quy định nhiều lần, ảnh hưởng đáng kể

đến quản lý vận hành trạm xử lý tập trung và đã có một

vài nhà máy không được phép xả nước sau xử lý nhiều

ngày, ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động sản xuất kinh

doanh của nhà máy [2, 5].

Nguyên nhân của sự quá tải là do nước thải sau ổn định

kỵ khí có nồng độ amôni (N-NH4) và TN cao, trong khi đó,

các tính toán thiết kế hệ thống XLNT ban đầu và hướng

dẫn vận hành chỉ quan tâm đến giá trị COD (theo quy định

của ban quản lý KCN) mà không xem xét sự ảnh hưởng

của các yếu tố khác có liên quan, dẫn đến việc vận hành hệ

thống XLNT không có được kết quả như mong đợi [6].

Với mục đích đánh giá hiệu quả xử lý các chất hữu cơ

trong nước thải sau quá trình tiền xử lý và khả năng đáp ứng

các quy định xả thải của quá trình bùn hoạt tính (aeroten -

lắng), nội dung nghiên cứu bao gồm: (i) xác định các thông

số của quá trình sinh hóa hiếu khí bằng các mô hình quy mô

phòng thí nghiệm; (ii) mô phỏng quá trình trong điều kiện

thực tiễn tại nhà máy bằng pilot có công suất 2-3 m3/ngđ.; và

(iii) trên cơ sở các số liệu quan trắc đánh giá hiệu quả xử lý,

làm rõ các nguyên nhân và đề xuất các biện pháp kỹ thuật,

phương án công nghệ xử lý phù hợp, giúp cho người quản lý

vận hành hệ thống ổn định, đáp ứng yêu cầu xả thải của Ban

Quản lý KCN, tiến tới đáp ứng các mức quy định của A,

QCVN về nước thải chế biến thủy sản.




2. Vật liệu và phương pháp

2.1. Vật liệu

Các bể phản ứng xác định các thông số của quá trình

sinh hóa hiếu khí tại phòng thí nghiệm gồm 4 bình bằng vật

liệu polyetylen có dung tích hữu ích 5 lít [7] và pilot mô

phỏng quá trình sinh hóa hiếu khí (aeroten – lắng) có dung

tích: bể sục khí 3 m3, bể lắng đứng với đường kính 0,6 m

và chiều cao vùng lắng là 0,85m. Nước thải từ bể phân hủy

kỵ khí được bơm liên tục vào bể aeroten với lưu lượng cài

đặt theo tải trọng lựa chọn trong quá trình vận hành và

tương tự với dòng bùn hoạt tính hồi lưu từ bể lắng II về bể

aeroten. Nguyên lý quá trình vận hành và hình ảnh pilot lắp

đặt tại Công ty Cổ phần Thủy sản Đà Nẵng, được mô tả chi

tiết ở Hình 1.

Hình 1. Nguyên lý quá trình vận hành các mô hình thực nghiệm và các hình ảnh mô hình phòng thí nghiệm và pilot tại thực địa

Nước thải sử dụng trong các nghiên cứu thực nghiệm

tại phòng thí nghiệm và pilot tại nhà máy được lấy trực tiếp

từ đầu ra của bể điều hòa kết hợp phân hủy kỵ khí của Công

ty Cổ phần Thủy sản Đà Nẵng, Khu Công nghiệp Dịch vụ

Thủy sản Đà Nẵng. Tính chất và thành phần nước thải được

trình bày trong Bảng 1.

Bảng 1. Tính chất và thành phần nước thải

Thông số Giá trị

Khoảng Trung bình

pH 7,2 – 8,0 7,6

Độ kiềm, mg CaCO3/l 820 – 1.310 1.008

TSS, mg/l 328 – 864 596

BOD5 , mg/l 250 – 489 343

COD, mg/l 416 – 807 531

N-NH4 , mg/l 91 – 179 125

Tổng Ni tơ, mg/l 198 – 392,5 271

Tổng Phốt pho. mg/l 14 – 32 23,4

2.2. Phương pháp

Xác định các thông số của quá trình bùn hoạt tính được

thực hiện tại phòng thí nghiệm bằng các bể phản ứng có

dung tích hữu ích 5 lít. Bùn hoạt tính được thích nghi và

lưu trữ có nồng độ khoảng 5 - 8 g/lít. Nước thải và bùn hoạt

tính được cấp vào mô hình sao cho tải trọng khối lượng

(F/M) trong các bể phản ứng lần lượt là 0,25; 0,5; 0,75 và

1,0 gCOD/g.ngđ. Cấp khí và quan trắc sự thay đổi các yếu

tố môi trường (pH, độ kiềm), sự chuyển hóa các chất hữu

cơ (BOD5, COD) và dinh dưỡng (TN, TP) cho đến khi sự

thay đổi là không đáng kể. Xả nước sau lắng, hiệu chỉnh lại

tỷ lệ F/M và lặp lại 3 lần liên tiếp.

Các thông số chất lượng nước quan trắc trong quá trình

vận hành pilot bao gồm: nhiệt độ, pH và DO được xác định

bằng các thiết bị đo nhanh, được lắp đặt đồng bộ tại hiện

trường; TSS, BOD5, COD, N-NH4, TN và TP được lấy mẫu

hàng ngày và phân tích tại phòng thí nghiệm của Trung tâm

Nghiên cứu Bảo vệ Môi trường, Trường Đại học Bách khoa

- Đại học Đà Nẵng theo các phương pháp tiêu chuẩn [8].

Tính toán xác định các thông số của quá trình: thời gian

nước lưu (HRT), hiệu suất xử lý (E) theo tải trọng (F/M).

Đánh giá độ tin cậy của kết quả dựa trên cơ sở so sánh các

thông số xác định được với các giá trị tương ứng trong các

sổ tay kỹ thuật chuyên ngành [6] và kiểm chứng độ tin cậy,

đánh giá khả năng áp dụng vào điều kiện thực tiễn dựa trên

cơ sở kết quả vận hành pilot tại hiện trường trong khoảng

thời gian từ ngày 06/02/2017 đến 09/03/2017.


3.1. Thời gian nước lưu

Các số liệu quan trắc (trung bình của 03 thực nghiệm)

sự thay đổi giá trị pH và độ kiềm theo thời gian trong các

bể phản ứng với các tải trọng khối lượng khác nhau được

trình bày ở Hình 2.

Máy nén khí

(a) (b)

(d) (c)

(a)


Hình 2. Sự thay đổi giá trị pH và độ kiềm theo thời gian trong các bể phản ứng với tải trọng khối lượng khác nhau

Quan trắc sự thay đổi giá trị pH theo thời gian cho thấy:

với nước thải thô (sau xử lý kỵ khí), sau khi hiệu chỉnh theo

tải trọng, giá trị pH ban đầu thay đổi trong khoảng từ 7,1

đến 7,5. Trong 2 giờ đầu, giá trị pH tăng dần với mức tăng

khoảng 0,4 đến 0,5 và sau đó giảm dần. Sau 6h, giá trị pH

trong tất cả các bể phản ứng đều nhỏ hơn 7,0 và sau 12h

xấp xỉ khoảng 6,5. Tương ứng với độ kiềm giảm dần theo

thời gian, trong 6 giờ đầu tiên, tốc độ giảm nhanh và sau

đó tốc độ giảm dần.

Sự tăng giá trị pH trong 1,5 giờ đầu là điều kiện môi

trường và độ kiềm tăng đột ngột do nước thải thô có độ

kiềm cao, sau đó giảm dần trong khoảng thời gian từ 2 đến

6h tiếp theo là do bùn hoạt tính đã thích nghi và chuyển hóa

các chất hữu cơ và dinh dưỡng. Quá trình oxy hóa các chất

hữu cơ và chất dinh dưỡng (amôni) đã giải phóng khí

cacbonic (CO2) và tiêu thụ độ kiềm là nguyên nhân dẫn đến

sự giảm giá trị pH và độ kiềm trong các bể phản ứng. Trong

khoảng thời gian từ 7 đến 12 giờ, sự giảm pH không thay

đổi là do quá trình oxy hóa các chất hữu cơ vẫn duy trì ổn

định, nhưng quá trình oxy hóa các hợp chất amôn (nitrat

hóa) đã giảm, do môi trường đã có tính axit và độ kiềm còn

lại không đủ điều kiện để duy trì cho quá trình.

Theo các tài liệu chuyên ngành [6] và các kết quả

nghiên cứu thực nghiệm trên, cho thấy, với tải trọng đầu

vào thay đổi, khoảng thời gian duy trì ổn định (thời gian

tiếp xúc) quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ bằng quá

trình sinh hóa hiếu khí là khoảng 12h (xem các kết quả ở

Hình 3). Trong đó, quá trình nitrat hóa chỉ có hiệu quả trong

khoảng thời gian là 7h.

3.2. Hiệu suất xử lý theo tải trọng

Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ

Các kết quả quan trắc sự chuyển hóa các chất hữu cơ và

tính toán hiệu suất xử lý theo tải trọng được trình bày ở

Hình 3 và tương tự với các chất dinh dưỡng ở Hình 4.

Hình 3. Sự chuyển hóa các chất hữu cơ theo thời gian và hiệu suất xử lý theo tải trọng khối lượng

Với tải trọng chất hữu cơ theo COD thay đổi từ 0,25

đến 1,0 COD/g.ngđ, sau khoảng thời gian 8h, giá trị COD

ở các tải trọng từ 0,25 đến 0,75, đạt cột B của QCVN 11-

MT:2015/BTNMT và sau 12h, tải trọng 0,25 và 0,5 đạt cột

A, tải trọng 0,75 xấp xỉ cột A và tải trọng 1,0 đạt cột B.

Hiệu suất xử lý giảm dần khi tải trọng tăng. Với tải trọng


0,25, hiệu suất xử lý là 85% và còn lại 69% ở tải trọng 1,0.

Khác với sự chuyển hóa các chất hữu cơ theo COD, sau

12h, giá trị BOD5 ở tải trọng thấp 0,25 đạt được giá trị của

cột B và sau 24h mới đạt được cột A. Với các tải trọng còn

lại, sau gần 24h đạt xấp xỉ cột B. Hiệu suất xử lý đạt 85% ở

tải trọng 0,5 và 0,75 hiệu suất xấp xỉ như nhau, sau đó đạt

khoảng 82% và giảm đột ngột, còn lại 76% ở tải trọng 1,0.

Sự khác biệt trên có thể giải thích là do thành phần chất

hữu cơ trong nước thải thô có tỷ lệ BOD5/COD lớn (dao

động trong khoảng từ 0,57 đến 0,7). Trong khi đó, tỷ lệ

theo QCVN là 50/150 và do nồng độ amôni cao, quá trình

nitrat hóa đã làm cạn kiệt độ kiềm, dẫn đến sự thay đổi thế

oxy hóa – khử của các phản ứng, nên quá trình chuyển hóa

các chất hữu cơ theo BOD5 kéo dài hơn và hiệu suất xử lý

có sự thay đổi đột ngột khi tải trọng tăng.

So sánh đồng thời với sự thay đổi giá trị pH, độ kiềm

và chất hữu cơ theo BOD5 theo thời gian cho thấy, thời gian

nước lưu là 12 được lựa chọn là hợp lý, nếu chọn thời gian

dài hơn thì điều kiện môi trường sẽ không đảm bảo và chất

lượng nước sau xử lý cũng không tốt hơn đáng kể.

Quá trình chuyển hóa amôni và tổng nitơ

Cùng với sự chuyển hóa các chất hữu cơ, các hợp chất

dinh dưỡng có chứa nitơ giảm nhanh trong 12 giờ và sau

đó tốc độ giảm là gần như không đáng kể.

Sau 12h, ở 2 tải trọng 0,25 và 0,5 gCOD/g.ngđ, giá trị

N-NH4 và TN còn lại thấp hơn và xấp xỉ đạt cột B, sau 24h

thấp hơn và xấp xỉ đạt cột A. Tương tự với 2 tải trọng cao

hơn, đạt xấp xỉ cột B với tải trọng 0,75 và cao hơn cột B

gần 1,5 lần ở tải trọng 1,0 gCOD/g.ngđ.

Hiệu suất chuyển hóa N-NH4 và TN giảm dần khi tải

trọng tăng với quy luật giảm đều. Hiệu suất chuyển hóa đạt

giá trị 82% ở tải trọng 0,25 và 61% ở tải trọng 1,0.

Hình 4. (4a) Sự chuyển hóa các chất dinh dưỡng (N-NH4, TN) theo thời gian và hiệu suất xử lý theo tải trọng khối lượng;

(4b )Sự chuyển hóa tổng phốt pho và giá trị TSS còn lại trong nước theo thời gian

Khả năng đáp ứng quy chuẩn xả thải

Xem xét đồng thời các kết quả quan trắc sự thay đổi các

giá trị TSS, TP trong các nước ở các tải trọng khác nhau

(Hình 4b), cho thấy, với giá trị TSS ban đầu thay đổi trong

khoảng 260 mg/l ở tải trọng 0,2 gCOD/g.ngđ đến 325 mg/l

ở tải trọng 1,0 gCOD/g.ngđ. Sau thời gian 12h, ở các tải

trọng nhỏ hơn 0,5, giá trị TSS đạt xấp xỉ cột A và 24h với

các tải trọng lớn hơn.

Tương tự với giá trị tổng phốt pho, sau 6 giờ, giá trị còn

lại đạt xấp xỉ cột B và sau 12 giờ ở các tải trọng thấp đạt

xấp xỉ cột A.

Xem xét đồng thời sự chuyển hóa tất cả các thông số

(a)

(b)


chất lượng theo thời gian và sự thay đổi hiệu suất theo tải

trọng và khả năng đáp ứng các quy chuẩn xả thải, thông số

của quá trình sinh hóa hiếu khí được lựa chọn cho nghiên

cứu triển khai trong điều kiện thực được lựa chọn là: Thời

gian nước lưu: 12h; Tải trọng khối lượng: 0,2 đến 0,3

gCOD/g.ngđ - tương ứng với hiệu suất xử lý mong đợi với

chất hữu cơ theo BOD5 và COD, chất dinh dưỡng theo

amôni và tổng nitơ trên 80%.

3.3. Đánh giá hiệu quả xử lý trong điều kiện thực

Các số liệu quan trắc các thông số chất lượng nước: độ

kiềm, chỉ số bùn (SVI), TSS, các chất hữu cơ (COD &

BOD5), các chất dinh dưỡng (N-NH4, T-N, T-P) trước và

sau xử lý bằng quá trình aeroten – lắng ở tải trọng 0,2 và

0,3 gCOD/g.ngđ trong hơn 1 tháng vận hành pilot trong

điều kiện thực tại nhà máy, được trình bày ở Hình 5.

Hình 5. Chỉ số bùn (SVI), TSS, các chất hữu cơ (COD & BOD5), các chất dinh dưỡng (N-NH4, T-N, T-P)

trước và sau xử lý ở tải trọng 0,2 và 0,3 gCOD/g.ngđ

3.3.1. Chỉ số bùn (SVI) và TSS

Với nồng độ bùn hoạt tính thay đổi trong khoảng từ 1,8

đến 2,6 g/l, chỉ số bùn trong bể aeroten là tương đối cao. Ở

tải trọng 0,2 g, dao động trong khoảng từ 202-268 ml/g

(trung bình 234 ml/g) và tăng nhanh khi vận hành ở tải

trọng 0,3 với SVI dao động trong khoảng 262 đến 380 ml/g

(trung bình 341 ml/g).

TSS trong nước thải trước xử lý dao động trong khoảng

từ 472 đến 757 mg/l (trung bình 599 mg/l), sau xử lý ở tải

trọng 0,2 còn lại là: 110-126 mg/l (trung bình 118 mg/l) và

ở tải trọng 0,3 là: 142 mg/l đến 230 mg/l (194 mg/l). So với

mức quy định cho phép của cột B của QCVN, TSS vượt

khoảng 1,2 lần ở tải trọng 0,2 và gần 2 lần ở tải trọng 0,3.

So với các kết quả vận hành ở điều kiện phòng thí nghiệm,


giá trị TSS trong nước sau xử lý cao hơn và có thể được giải

thích như sau: trong điều kiện phòng thí nghiệm, chế độ vận

hành gián đoạn. Trong khi đó ở điều kiện thực, chế độ vận

hành là liên tục và với chỉ số bùn cao, khả năng lắng của bùn

kém, sự rửa trôi và cuốn theo các bông bùn phân tán nhỏ là

nguyên nhân làm tăng giá trị TSS trong dòng ra.

3.3.2. Hiệu suất xử lý các chất hữu cơ

Nồng độ các chất hữu cơ trong nước thải đầu vào thay

đổi với giá trị BOD5: 306 đến 440 mg/l (373 mg/l) và COD:

490 mg/l đến 644 mg/l (560 mg/l); sau xử lý với: tải trọng

0,2 giá trị còn lại của BOD5: 75-96 mg/l (87 mg/l) và COD:

110-140 mg/l (126mg/l). Nồng độ chất hữu cơ sau xử lý ổn

định với hiệu suất xử lý trung bình đạt 76% theo BOD5 và

COD là 77%. Tương tự với tải trọng 0,3, hiệu suất xử lý

đạt trung bình 69,8% BOD5 và 71% COD.

So sánh với mức quy định trong cột B, giá trị BOD5

vượt mức quy định, trong khi đó, giá trị COD ở tải trọng

0,2 vẫn đáp ứng được mức quy định và xấp xỉ ở tải trọng

0,3. Hiệu suất xử lý giảm và chất lượng nước không đáp

ứng được cột B là do bùn hoạt tính có chỉ số SVI cao.

3.3.3. Hiệu suất xử lý các chất dinh dưỡng

Khác với các thực nghiệm trong điều kiện phòng thí

nghiệm, mặc dù điều kiện môi trường có đủ độ kiềm (giá

trị pH dao động ổn định trong khoảng 7,15 đến 7,6) cho

quá trình nitrat hóa, nhưng hiệu suất xử lý N-NH4 và TN

đạt được là thấp hơn (55% và 50%) so với điều kiện phòng

thí nghiệm giảm từ 25 đến 30% và nồng độ N-NH4 và TN

trong nước sau xử lý cao hơn cột B từ 2 đến 3 lần.

Mặc dù hiệu suất xử lý giảm, nhưng khi xem xét tỷ lệ

(N-NH4 và TN)/BOD5 ở 2 thực nghiệm, cho thấy, trong

điều kiện thực, nồng độ và tỷ lệ này cao hơn, nhưng tổng

lượng chất hữu cơ được chuyển hóa trong cùng một tải

trọng là tương đương. Như vậy, kết quả có được là hợp lý,

vì khi chuyển hóa một lượng chất hữu cơ nhất định, hệ vi

sinh vật trong bùn hoạt tính chỉ tiêu thụ một lượng nhất

định các chất dinh dưỡng, đủ cho quá trình sinh trưởng và

phát triển. Sự dư thừa nitơ trong bể aeroten là nguyên nhân

dẫn đến bùn có chỉ số SVI cao và tồn tại nhiều ở dạng bông

bùn có kích thước bé.

4. Kết luận và kiến nghị

Từ các kết quả xác định các thông số trong điều kiện

phòng thí nghiệm và kiểm định bằng pilot tại thực địa, có

được các kết luận sau:

Với thời gian nước lưu 12h, tải trọng khối lượng nhỏ hơn

0,3 gCOD/g.ngđ. Quá trình aeroten – lắng hoạt động ổn định,

chất lượng nước sau xử lý có giá trị COD đạt cột B, QCVN

11-MT:2015/BTNMT, thỏa mãn yêu cầu của BQL về xả thải

vào hệ thống thu gom nước thải của KCN.

Để duy trì sự ổn định và nâng cao hiệu suất xử lý chất

hữu cơ theo BOD5, đáp ứng được cột B, việc kiểm soát sự

rửa trôi gây mất bùn từ bể lắng II bằng các biện pháp kỹ

thuật bổ sung định kỳ chất keo tụ để giảm chỉ số SVI hoặc

lọc nhanh qua lớp vật liệu cần được bổ sung thêm vào quản

lý vận hành bể lắng.

Với đặc điểm nước thải chế biến thủy sản có nồng độ

N-NH4 và TN cao, việc xử lý đạt quy chuẩn (cột B) với hai

thông số này, bằng quá trình sinh hóa hiếu khí truyền thống

đã và đang áp dụng tại các nhà máy trong KCN Dịch vụ

Thủy sản Đà Nẵng là không thể. Để kiểm soát triệt để sự

phú dưỡng nguồn nước, việc triển khai các nghiên cứu về

những quá trình công nghệ xử lý các hợp chất chứa nitơ

bằng các quá trình anoxic hoặc sinh hóa bậc II, và áp dụng

vào điều kiện thực tiễn của các nhà máy để có thể xả thẳng

vào nguồn tiếp nhận, tiết kiệm chi phí đầu tư là rất cần thiết.

Lời cảm ơn: Nghiên cứu được thực hiện với nguồn

kinh phí ngân sách khoa học công nghệ thành phố Đà Nẵng

thông qua Sở Khoa học và Công nghệ và sự hỗ trợ điều

kiện thực nghiệm của Công ty Cổ phần Thủy sản Đà Nẵng.


[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, 2011.

[2] Trần Văn Quang và cộng tác viên, Báo cáo chuyên đề: Hiện trạng và hiệu quả xử lý của các quá trình công nghệ xử lý nước thải được

áp dụng tại các nhà máy, xí nghiệp và trạm xử lý nước thải tập trung

của Khu Công nghiệp Dịch vụ Thủy sản Đà Nẵng, Báo cáo giai đoạn: Đề tài khoa học cấp công nghệ cấp thành phố Đà Nẵng, Đà Nẵng, 11/2016.

[3] Food and Agriculture Organization (FAO) of the United Nations,

Fisheries technical paper – 355 Wastewatertreatment in the fishery industry, Rome, 1996.

[4] 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.

[5] 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, Đà Nẵng, 2013.

[6] Metcalf & Eddy, Inc., Wastewater Enigineering: Treatment and Reuse, Fourth Edition, Mac.Graw-Hill, Singapore, 2004, pp. 615-616.

[7] Tran Van Quang, A Study on Increasing the Stabilization of the

Wastewater Treatment from Fish and Seafood Processing, Proceeding: Vietnam-Korea Workshop on Environmental Technology in Water prevention, Hanoi, 2004.

[8] Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, Seventheenth Edition, Washington, DC., 2004.

[9] Robert A.Corbitt, Standrd Hanbook of Environmental Engineering, Mac.Graw-Hill, New York, 1990, pp. 6.99-6.105.


50 Nguyễn Lê Hồng Sơn, Nguyễn Hoàng Anh

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH

TRUYỀN NHIỆT - TRUYỀN CHẤT TRONG KHAI THÁC THAN

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP KHÍ HÓA THAN NGẦM

APPLIED RESEARCH ON SIMULATION SOFTWARE OF HEAT AND MASS TRANSFER IN

THE PROCESS OF UNDERGROUND COAL GASFICATION

Nguyễn Lê Hồng Sơn1, Nguyễn Hoàng Anh2 1Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh; [email protected]

2Trường Cao đẳng Nghề Đồng Nai; [email protected]

Tóm tắt - Khí hóa than ngầm là một quá trình chuyển than đá trực tiếp trong vỉa than thành khí đốt hoặc dùng để làm nguyên liệu tổng hợp hoá chất. Nghiên cứu này thực hiện mô phỏng chi tiết quá trình khí hoá than ngầm bên trong vỉa than để sản xuất khí tổng hợp (CO, CO2). Các mô phỏng được tiến hành bằng cách sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics phiên bản 5.2 để mô phỏng quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong quá trình khí hoá than ngầm. Các nghiên cứu về sự truyền nhiệt và mô phỏng hình dạng khoang rỗng ba chiều (chiều dài, chiều rộng và chiều sâu) sau quá trình khí hoá được thể hiện trong các vỉa than ngầm. Cần chú ý nhiệt độ bên trong vỉa than sẽ cao hơn nhiều so với nhiệt độ đầu ra của khí sản phẩm, điều này là do tổn thất nhiệt bởi môi trường xung quanh. Các khoang rỗng có hình giọt nước, và nó có thể được mô phỏng dựa trên chiều rộng, chiều cao, chiều dài phía trước và phía sau của khoang. Điều chỉnh nồng độ O2 cấp vào quá trình khí hoá sẽ ảnh hưởng đến chất lượng khí tổng hợp cũng được nghiên cứu. Tỷ lệ cấp O2 tốt nhất là khoảng 0,15 mol/s.

Abstract - Underground Coal Gasification (UCG) is a process in which coal is converted to clean synthetic gas (syngas) in-situ. This study performs detailed simulations of UCG process inside coal seam to produce syngas (CO, CO2). The simulations are conducted using the Comsol Multiphysics software to simulate the heat and mass transfer during the underground coal gasification. Studies on the heat transfer and the growth of three-dimensional cavity geometries in underground coal gasification are presented in underground coal seam. During the heat transfer, it should be noted that local temperature in the coal seam is higher than the outlet temperature; this might be attributed to gas heat loss by the surrounding environment. The cavity has a tear-drop shape, which could be characterized based on its width, height, forward and backward lenght of the cavity. The effects of oxygen injection rate on syngas quality are also studied. The best oxygen injection rate is about 0.15 mol/s.

Từ khóa - khí hoá than ngầm; UCG; truyền nhiệt và truyền chất UCG; comsol multiphysics; khí tổng hợp

Key words - underground coal gasification; UCG; heat and mass transfer; syngas; oxygen concentration; coal seam; comsol multiphysics


Quá trình khí hóa than ngầm thường diễn ra trong một

thời gian dài, với một khối lượng than lớn gấp nhiều lần so

với mô hình thực nghiệm. Do phải đầu tư một khoản chi phí

lớn cho quá trình xây dựng hệ thống khí hóa, nên phải nghiên

cứu kỹ về các loại than, dự đoán được các trường hợp có thể

xảy ra. Trước yêu cầu đó, mô phỏng quá trình khí hóa than

ngầm được thiết kế và xây dựng gần giống với thực tế nhằm

thử nghiệm trước khi xây dựng một hệ thống lớn hơn, khi

biết chắc chắn điều đó sẽ mang lại lợi nhuận kinh tế cao. Dựa

trên những cơ sở lý thuyết chung của công nghệ khí hóa, mô

hình cho thấy quá trình khí hóa than diễn ra gần giống như

dưới lòng đất với một đường ống dẫn hỗn hợp khí + hơi nước

và một đường ống thu hồi khí tổng hợp. Qua đó, nghiên cứu

sẽ xác định được thành phần lý hoá học, chất lượng khí

thương phẩm từ các khí sản phẩm thu được.

Trong thời đại khoa học công nghệ ngày nay, công nghệ

mô phỏng số ngày càng được sử dụng rộng rãi trong mọi

lĩnh vực khoa học kỹ thuật cũng như hoạt động của con

người. Mô phỏng số mang đến cho con người những lợi ích

to lớn như tiết kiệm thời gian, kinh phí, nguyên vật liệu,

tránh được những rủi ro trong điều kiện thực tế, giảm tác

động xấu tới môi trường. Các mô hình sẽ được xây dựng

trên máy tính và mô phỏng quá trình trước khi mô hình

thực nghiệm được xây dựng.

Ở đây, nhóm tác giả xin giới thiệu phương pháp mô

phỏng quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong khai thác

than sử dụng phương pháp khí hóa than ngầm qua ứng dụng

phần mềm mô phỏng Comsol Multiphysics phiên bản 5.2.

Một mô hình toán học về truyền nhiệt và truyền chất của

quá trình khí hóa than được xây dựng theo các phương

pháp bảo toàn năng lượng và khối lượng của quá trình sản

xuất khí hóa than. Việc nghiên cứu các giá trị mô phỏng kết

hợp với quá trình thực nghiệm khí hóa than sẽ cung cấp

một cơ sở lý thuyết cần thiết cho các nghiên cứu tiếp theo

hay dự đoán các quy luật diễn ra trong quá trình khí hóa

than, như việc xác định các yếu tố làm ảnh hưởng đến hiệu

suất của khí hóa.

2. Cơ sở lý thuyết

Các quá trình cháy và khí hóa dưới lòng đất trong các

lơp than rất phức tạp về mặt vật lý và các phản ứng hóa học,

với các quá trình truyền nhiệt và truyền chất giữa các pha

rắn-khí. Để dễ dàng trong quá trình tính toán, ta có các điều

kiện sau:

2.1. Các phản ứng hóa học trong khí hóa than

Quá trình oxy hóa của than:

C + O2 = CO2+ 399499kJ/mol (1)

Phản ứng Boudouard:

C + CO2 = 2CO + 167023kJ/mol (2)

Quá trình khí hóa của cacbon với hơi nước:

C + H2O = CO + H2 – 125788kJ/mol (3)

Quá trình tạo metan:

C + 2H2 => CH4 (4)



2.2. Phương trình bảo toàn thành phần các chất pha khí

Trong quá trình đốt và khí hoá của một lớp than, nhiều

phản ứng vật lý và hoá học phức tạp xảy ra trong lò khí hoá

với các quá trình truyền nhiệt và truyền chất giữa các pha

rắn-khí. Để dễ dàng trong quá trình tính toán, ta giả định

các điều kiện sau:

1. Kênh khí hóa làm việc ổn định, các thông số vật lý,

nhiệt động như hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số trao

đổi nhiệt không thay đổi theo thời gian.

2. Bỏ qua quá trình khuếch tán nhiệt và áp suất.

3. Bỏ qua trở nhiệt và lực liên kết.

4. Lớp than trong khoang khí hóa là liên tục.

Hình 1. Mô hình tính toán học kênh khí hóa

i

gigigi

ggi

giS

r

C

rD

r

CD

rz

CD

zVC

z

C

1).(

(5)

Trong đó:

Cgi: Nồng độ mol của các thành phần i (mol/m3);

Vg: Vận tốc của dòng khí dọc trục (m/s);

D: Hệ số khuếch tán của dòng khí (trục và bán kính

khuếch tán là như nhau đối với các thành phần chất khí)

(m2/s);

𝜏: Thời gian (s);

Si: Tỷ lệ sản phẩm của thành phần thứ i trong phản ứng

hóa học (mol/m3s).

Nếu chiều dài của kênh khí hóa dài hơn chiều dài bán

kính thì phương trình được viết đơn giản như sau:

.gi gi

gi g i

C CC V D S

r z z

Điều kiện biên:

Z = 0, thì Cgi= Cgi0 0 ≤ 𝑟 ≤ 𝑟1 𝜏 > 0

Cgi0: Nồng độ mol của các thành phần i tại phía đầu

kênh khí hoá (mol/m3).

Z = L, thì 0

z

Cgi 0 ≤ 𝑟 ≤ 𝑟1 𝜏 > 0

L: chiều dài kênh khí hóa (m).

Điều kiện ban đầu trước khi khí hóa:

𝜏 ≤ 0, Cgi= Cgi0, 0 ≤ 𝑟 ≤ 𝑟1 0 ≤ 𝑧 ≤ 𝐿

2.3. Phương trình bảo toàn năng lượng pha khí

Theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng,

phương trình bảo toàn năng lượng cho pha khí:

2

2

( )( )

g g g gi

gi pgi pgi gi g g i i g s g

T V T yC C C C C DT R H A T T Q

r z z

(6)

Tg: Nhiệt độ pha khí (K);

Cg: Tổng nồng độ mol của pha khí (mol/m3);

Cpgi: Nhiệt dung riêng chất khí thứ i (kJ/mol.K);

Ri: Tốc độ phản ứng hóa học (mol/m3.s);

Hi: Nhiệt lượng phản ứng hóa học (kJ/mol);

𝛼: Hệ số trao đổi nhiệt giữa pha rắn và khí (kJ/m2);

A: Diện tích tiếp xúc giữa pha rắn và khí (m2/m3);

Qg: Nhiệt lượng tổn thất ở pha khí (kJ);

ygi: Thành phần phần trăm chất khí thứ i của pha khí.


z = 0, Tg = Tgz0 0 ≤ r ≤ r1 𝜏 > 0

z = L, 𝜕𝑇𝑔

𝜕𝑧 = 0 0 ≤ r ≤ r1 𝜏 > 0

r = r1, Kλg𝜕𝑇𝑔

𝜕𝑟 = h(Ts - Tg), 0 ≤ z ≤ L 𝜏 > 0

r = 0, Tg = Tgr0 0 ≤ z ≤ L 𝜏 > 0

𝜏 = 0, Tg = Tg0 0 ≤ z ≤ L 0 ≤ r ≤ r1

Trong đó:

Tggz0, Tgr0: Nhiệt độ biên của pha khí (K);

Tg0: Nhiệt độ ban đầu của pha khí (K);

Kλg: Hệ số dẫn nhiệt của pha khí (kW/mK);

Ts: Nhiệt độ pha rắn (K);

h: Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (kJ/m2K).

2.4. Phương trình vùng nhiệt độ của lớp than

Theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, xét

quá trình dẫn nhiệt trong lớp than, ta có:

1s s s ss s s s s s s

T T T TC K K K F T

z z r r r r

(7)

Cs: Nhiệt dung riêng pha rắn (kJ/kg.K);

Fs: Nhiệt lượng tổn thất của pha rắn (kJ/kg.s.K);

sK : Hệ số dẫn nhiệt của pha rắn (kW/mK);

s : Khối lượng riêng chất rắn (kg/m3).


r = r0, Ts = Tsr0 0 ≤ z ≤ L 𝜏 > 0

z = L, 𝜕𝑇𝑠

𝜕𝑧= 0 r1 < r < r0 𝜏 > 0

z = 0, Ts = Tsz0 r1 < r < r0 𝜏 > 0

Trong đó:

Tsr0: Nhiệt độ bên ngoài lớp than (tại vị trí r0) là hằng

số. Tại bề mặt giữa pha rắn và khí (r = r1), điều kiện biên là:

𝐾λs∂Ts

∂τ= h(Ts – Tg) -∑ 𝑚𝑖

𝑛𝑖 𝛥𝐻𝑖 (8)

Trong đó:

mi: Lưu lượng thể thích thành phần thứ i (kg/m3);

𝛥𝐻𝑖: Nhiệt phản ứng hóa học của chất thứ i (kJ/mol);

N: tổng số các chất;


Điều kiện ban đầu:

𝜏 = 0, Ts = Ts0 0 ≤ z ≤ L 0 ≤ r ≤ r1

Ts0 : Nhiệt độ ban đầu của pha rắn (K).

2.5. Phương trình dòng chảy của pha khí

Theo định luật bảo toàn động lượng, phương trình dòng

chảy trong kênh khí hóa:

2

2

21g g g gP P P RTr

r r r kz

(9)

Trong đó: g g gP C RT

Pg: Áp suất dòng khí (Pa);

: Hệ số dính kết (Pa.s);

: Hệ số hiệu chỉnh;

R: Hằng số chất khí (J/mol.K);

k: Tỷ lệ rò rỉ chất khí ( m 2).

3. Mô hình mô phỏng

Nhằm thử nghiệm trước khi đầu tư xây dựng một hệ

thống lớn với mức chi phí lớn cho quá trình xây dựng hệ

thống khí hóa, nghiên cứu xây dựng một mô hình mô

phỏng dự đoán các trường hợp có thể xảy ra để chắc chắn

nghiên cứu được ứng dụng trên thực tế và mang lại lợi

nhuận kinh tế cao. Với mô hình này, quá trình khí hóa than

diễn ra gần giống như dưới lòng đất, dựa trên những cơ sở

lý thuyết chung cho công nghệ khí hóa.

3.1. Mục đích

- Mô phỏng quá trình truyền nhiệt trong khí hóa than;

- Mô phỏng hình dạng lỗ rỗng ;

- Xét sự ảnh hưởng hiệu suất của khí hóa phụ thuộc

vào nồng độ O2.

3.2. Xây dựng mô hình

Xét trên một khối than có kích thước 200x100x40 (cm)

xây dựng trên phần mềm Comsol phiên bản 5.2 và được

giả định các điều kiện:

- Kênh khí hóa làm việc ổn định, các thông số vật lý,

nhiệt động như hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số trao

đổi nhiệt không thay đổi theo thời gian.

- Bỏ qua quá trình khuếch tán nhiệt và áp suất.

- Bỏ qua trở nhiệt và lực liên kết.

- Bỏ qua sự thay đổi khối lượng của dòng khí trong phản

ứng hóa học vùng oxy hóa.

- Lớp than trong khoang khí hóa là liên tục.

- Trên khối than được xây dựng hai đường ống: Đường

ống dẫn khí hoặc hơi nước vào khối phản ứng có d = 21 cm

tại vị trí 50x50x20 (cm) trên khối than. Đường ống khí thải

và sản phẩm ra khỏi khối khí hóa có d = 34 cm tại vị trí

150x50x20 (cm) trên khối than.

Để xác định ảnh hưởng của các thông số này đến quá

trình khí hóa, tác giả đã tiến hành mô phỏng theo mô hình

như sau:

Hình 2. Mô hình mô phỏng khí hóa than dạng 2D

3.3. Cài đặt điều kiện và các thông số đầu vào cho mô phỏng

- Nhiệt độ mô phỏng: 750°C;

- Áp suất mô phỏng từ 1 bar;

- Vận tốc cấp O2 ban đầu từ 0,01 m/s.

Bảng 1. Thành phần than

4. Kết quả mô phỏng

4.1. Quá trình truyền nhiệt trong khí hóa than

Nhiên liệu cấp vào lò được mô phỏng là một khối than

tiếp xúc trực tiếp với oxy. Lúc đầu, than phản ứng ngay với

oxy tạo nhiệt độ cao, quá trình cháy diễn ra. Sau đó, nhờ có

nhiệt độ cao và cháy yếm khí mà các phản ứng thu nhiệt

của quá trình khí hóa xảy ra (phản ứng chuyển hóa carbon

thành CO).

Hình 3 mô phỏng véc-tơ vận tốc và quá trình truyền

nhiệt trong khoang khí hóa. Ta có thể thấy rằng, nhiệt độ

tại tâm quá trình khí hóa là cao nhất, giảm dần hướng về lỗ

thu khí. Từ đó, ta có thể dự đoán được nồng độ carbon thay

đổi như thế nào khi nhiệt độ thay đổi tại các vị trí khác nhau

trong vùng khí hóa. Phần mềm Comsol Multiphysics đã thể

hiện được sự hình thành dòng chảy phức tạp thông qua các

véc-tơ vận tốc trong khoang khí hóa và được thể hiện rõ

ràng qua hình, điều này cũng phù hợp với kết quả nghiên

cứu của S. Daggupati [7].


Hình 3. Kết quả mô phỏng quá trình truyền nhiệt lúc tâm

phản ứng đạt 750°C và véc-tơ vận tốc

Hình 4. Phân bố nhiệt độ và véc-tơ vận tốc trong

khoang khí hóa dùng phần mềm CFD

Hình 5. Dạng hình học dự đoán của khoang rỗng khi dùng

phần mềm CFD

4.2. Hình dạng khoang rỗng sau quá trình khí hóa than

Kết quả mô phỏng hình dạng của lỗ rỗng sẽ hình thành

khoang rỗng hình giọt nước. Điều này phù hợp với kết quả

hình dạng khoang [3] và phù hợp với kết quả [5]. Quá trình

mô phỏng này giúp ta có thể dễ dàng hơn trong việc hoàn

thổ sau khi khai thác.

Hình 6. Hình dạng khoang rỗng hình giọt nước được hình thành

Hình 7. Hình dạng của khoang rỗng

4.3. Ảnh hưởng của nồng độ O2 đến thành phần sản

phẩm khí

Khi ta thay đổi nồng độ oxy cấp vào thì nồng độ sản

phẩm khí cũng thay đổi theo [1] và [2]. Theo các điều trên,

thành phần các chất khí CO, CO2 sẽ thay đổi theo nồng độ

O2 như Hình 8-14.

Kết quả từ Hình 8-14 cho thấy, khi thực hiện quá trình khí

hóa, ta tăng nồng độ O2 từ 0,10 - 0,30 mol/s thì nồng độ sản

phẩm khí sinh ra CO2 và CO bắt đầu tăng theo. Tại nồng độ

O2 là 0,15 mol/s (Hình 9) thì nồng độ CO là cao nhất và CO2

là thấp nhất. Khi nồng độ O2 tăng từ 0,45 - 1,0 mol/s thì nồng

độ CO2 bắt đầu tăng cao và CO giảm. Điều này phù hợp khi

ta tăng lượng oxy lên quá cao thì lúc này quá trình cháy diễn

ra và lượng CO2 sinh ra nhiều hơn, lượng CO sẽ giảm đi. Quá

trình này cũng phù hợp với nghiên cứu của Lanhe Yan [6].

Hình 8. Thành phần sản phẩm khí thu được

khi cho nồng độ O2 là 0,10 mol/s














5. Kết luận

Sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics để mô phỏng

quá trình khí hóa than ngầm có thể mô phỏng quá trình

truyền nhiệt, truyền chất. Qua đó, hiểu rõ được quá trình

truyền nhiệt diễn ra trong khoang khí hóa. Từ đó, dự đoán

được sự hình thành của khoang rỗng là hình giọt nước. Quá

trình này giúp ích cho quá trình hoàn thổ sau này.

Phương pháp mô phỏng khí hóa than ngầm cho phép

cài đặt các thông số ban đầu để sản xuất khí than có chứa

các thành phần khí hóa mong muốn, vì vậy, có thể điều

chỉnh các thông số ban đầu để kiểm soát được khí sản phẩm,

rất có lợi khi dùng vào mục đích khí hóa than ngầm trên

thực tế. Thành phần khí than phụ thuộc vào nồng độ O2 cấp

vào. Sản phẩm có giá trị nhiệt lượng cao nhất tại nồng độ

O2 từ khoảng 0,15 - 0,30 mol/s.


[1] Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú, Truyền nhiệt, NXB

Giáo dục, 2004.

[2] Bùi Hải, Trần Thế Sơn, Bài tập Truyền nhiệt – Nhiệt động và Kỹ

thuật lạnh, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2001.

[3] Prabir Basu, Combusion and gasification, Taylor and Francis.

[4] G. X. Wang, Semi industrial tests on enhanced underground coal

gasification at Zhong-Liang-Shan coal mine, Curtin University

Technology, 2009.

[5] M.Wiatowski Kstanczyk, Semi-technical underground coal

gasification (UCG) using the shaft method in Experimental Mine

“Barbara”, Fuel, 2012. [6] Lanhe Yang, Study on the model experiment and numerical

simulation for underground coal gasification, Elsevier, 2003.

[7] Sateesh Daggupati, Laboratory studies on combustion cavity growth

in lignite coal blocks in the context of underground coal gasification,

Elsevier, 2009.



ẢNH HƯỞNG CỦA LƯỢNG KHÔNG KHÍ CẤP VÀO ĐẾN NỒNG ĐỘ CO

TRONG QUÁ TRÌNH HÓA KHÍ MÙN CƯA

IMPACT OF AIR FEED ON THE CO CONCENTRATION IN SAWDUST

GASIFICATION PROCESS

Trần Thanh Sơn

Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; [email protected]

Tóm tắt - Biomass nói chung và mùn cưa nói riêng là một trong những nguồn năng lượng tái tạo rất có tiềm năng ở Việt Nam, đã và đang được nghiên cứu mạnh. Một trong các công nghệ hứa hẹn sử dụng biomass là quá trình hóa khí trong lớp sôi nhằm thay thế các dạng nhiên liệu hóa thạch khác như dầu và khí tự nhiên sử dụng trong công nghiệp. Bài báo này phân tích ảnh hưởng lưu lượng không khí cấp vào đến hàm lượng CO trong khí tạo thành trong quá trình hóa khí mùn cưa tầng sôi. Thiết bị hóa khí được thiết kế với công suất tối đa là 40 kg mùn cưa/h. Trong các thí nghiệm này, lưu lượng mùn cưa cấp vào được giữ cố định ở 40 kg/h và lưu lượng không khí cấp vào thay đổi

từ 16,8 m3/h ( =10%) đến 67,2 m3/h ( =40%). Kết quả thí nghiệm

chỉ ra rằng, khi tăng lượng khí cấp vào từ 10% đến 40% thì nồng độ CO trong khí tạo thành tăng lên từ 12,8% đến 16,5%. Ngoài ra, ngọn lửa tạo thành khi đốt khí tạo thành cũng sáng và xanh hơn.

Abstract - Biomass in general and sawdust in particular is one of types of renewable energy which has potential in Vietnam and has been extensively researched. It is one of the promising technologies that use biomass gasification process in this class to replace fossil fuel such as oil and natural gas used in industry applications. This paper analyzes the influence of air feed on CO concentration in the sawdust gasification process. Gasification equipment is designed with a maximum capacity of 40 kg of sawdust/h. In these experiments, the air feed varies from 16.8 m3/h to 67.2 m3/h. Experimental results indicate that when the air feed changes from 10% to 40%, the CO concentration will change from 12.8% to 16.5%. In addtion, the syngas burned flame is brighter and bluer.

Từ khóa - mùn cưa; biomass; hóa khí; tầng sôi; nồng độ CO. Key words - sawdust; biomass; gasification; fuidized bed; CO concentration.


Nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và việc sử dụng

nhiên liệu hóa thạch là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà

kính và sự ấm lên của toàn cầu. Vì vậy, nhu cầu tìm kiếm và

sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế, đặc biệt là nguồn nhiên

liệu tái tạo như biomass là một nhu cầu vô cùng cấp thiết hiện

nay. Đặc biệt hơn, nước ta là một nước nông nghiệp với diện

tích gần 80% là đồi núi nên rất phù hợp với việc đẩy mạnh sử

dụng nhiên liệu biomass. Trong những năm gần đây, các

nguồn biomass như trấu, mùn cưa, dăm bào, vỏ hạt điều,… đã

được sử dụng làm nhiên liệu đốt trực tiếp cho các lò hơi công

suất nhỏ và trung bình trên khắp cả nước. Tuy nhiên, với công

nghệ đốt trực tiếp như hiện tại thì vấn để kiểm soát phát thải

CO là một khó khăn lớn mà rất nhiều nhà chế tạo lò hơi đang

gặp phải. Một hướng hiệu quả để đẩy nhanh ứng dụng nhiên

liệu biomass trong công nghiệp là sử dụng các lò hóa khí và

dễ dàng trong việc kiểm soát ô nhiễm.

Hơn nữa, trong rất nhiều ngành công nghiệp thì nhu cầu

sử dụng nhiên liệu hóa thạch như khí và dầu lại là yêu cầu

bắt buộc đối với các quá trình sản xuất. Trong khi giá dầu và

khí luôn dao động ở mức cao, làm cho giá thành sản xuất cao

và gây khó khăn cho doanh nghiệp trong việc xác định giá

thành sản phẩm. Một cách đơn giản và hiệu quả để giảm giá

nhiên liệu trong trường hợp này là sử dụng công nghệ hóa

khí để biến nhiên liệu rắn thành nhiên liệu khí.

Biomass nói chung và mùn cưa nói riêng là một trong

những loại năng lượng tái tạo rất có tiềm năng ở Việt Nam,

đã và đang được nghiên cứu mạnh [1, 2, 3, 4, 5]. Một trong

các công nghệ hứa hẹn sử dụng biomass là quá trình hóa khí

trong lớp sôi. Công nghệ đốt biomass tầng sôi đã được ứng

dụng khá nhiều ở Việt Nam, đặc biệt là ở các tỉnh đồng bằng

phía Nam, trong các lò hơi. Tuy nhiên, ảnh hưởng của các

thông số thiết kế, vận hành,… đến hiệu quả của quá trình hóa

khí biomass tầng sôi chưa được nghiên cứu và cũng chưa có

lò hóa khí biomass tầng sôi nào được sử dụng ở Việt Nam.

Hướng nghiên cứu chủ yếu hóa khí biomass tầng sôi là

nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số thiết kế lò, các thông

số vận hành và loại biomass đến thành phần khí ra, nhằm

nâng cao hiệu suất và nhiệt trị của khí ra. Trong bài báo này,

ảnh hưởng của lượng không khí cấp vào đến hàm lượng CO

tạo ra trong khí tạo thành được phân tích, đánh giá ở lưu

lượng khối lượng của mùn cưa cố định là 40 kg/h.

2. Tính toán thiết kế

2.1. Tính tốc độ gió cấp vào

Tốc độ gây sôi tối thiểu ω0 được xác định theo công

thức [6, 7]:

𝜔𝑜 =𝜇

𝑑ℎ . 𝜌𝑘[(𝐶1

2 + 𝐶2𝜌𝑘(𝜌ℎ − 𝜌𝑘)𝑔𝑑ℎ

3

𝜇2)

1/2

− 𝐶1]

Trong đó:

dh1 = 0,001 m, dh2 = 0,004 m lần lượt là đường kính nhỏ

nhất và lớn nhất của hạt mùn cưa;

µ = 0,000016 N.s/m2 là hệ số nhớt động học;

ρk = 1,2 kg/m3 là khối lượng riêng của không khí;

ρh = 250 kg/m3 là khối lượng riêng trung bình của mùn cưa;

C1 = 27,2, C2 = 0,0408 là các hệ số động học;

g = 9,81 m/s2 là gia tốc trọng trường;

Thay số vào công thức trên ta có:

o11 = 0,1 m/s và o12 = 0,5 m/s tương ứng với dh1 và dh2.

Vận tốc gió tối ưu thường lấy bằng (2÷3)o1, trong các

thí nghiệm này, vận tốc gió trong lò hóa khí được duy trì

trong khoảng 0,2 ÷ 1 m/s.

56 Trần Thanh Sơn

2.2. Tính lưu lượng cấp gió

Để tính toán lưu lượng gió cần cấp, trước hết cần xác định

lượng gió cấp vào để đốt cháy hoàn toàn mùn cưa. Dựa vào

thành phần của mùn cưa sử dụng cho các thí nghiệm trong

Bảng 1 và viết các phương trình phản ứng cháy hoàn toàn của

các thành phần cháy trong nhiên liệu, ta có thể xác định được

lượng không khí lý thuyết là 4.197 Nm3/kg mùn cưa.

Theo các nghiên cứu [5, 7, 8, 9, 10], thì lượng không khí

cấp vào lò hóa khí tối ưu nằm trong khoảng (=10%÷40%)

lượng không khí lý thuyết, tương ứng (0,63÷1,68) m3tc/kg

mùn cưa.

Bảng 1. Thành phần của mùn cưa, %

Clv Hlv Olv Nlv Alv Wlv Qtlv, kJ/kg

44,6 5,2 34,4 0,32 0,48 15 25,241

2.3. Xác định kích thước các đáy lò

Để đảm bảo tất cả các cỡ hạt 1÷4 mm đều sôi, buồng

đốt lò hóa khí có cấu trúc hình côn. Dưới đáy côn nhỏ nhất

sẽ xảy ra quá trình sôi hạt mùn cưa lớn và các hạt nhỏ hơn

sẽ sôi ở lớp trên cao hơn. Từ lượng gió cấp vào và tốc độ

gió min o1 tính được ở phần trên và từ phương trình liên

tục: Q = F.v (m3/h).

Trong đó, Q là lưu lượng gió, F là tiết diện mặt cắt lò

hóa khí và v là vận tốc gió tại tiết diện F.

Với công suất tối đa hóa khí của lò đã xác định là 40

kg/h và lưu lượng không khí cấp vào (=10%÷40%) tương

ứng với lượng không khí cấp vào Q = 16,8÷67,2 m3/h, ta

tính được lượng tiết diện F và từ đó xác định được đường

kính đáy và đỉnh côn của lò hóa khí như sau:

Dmax = 400 mm và Dmin = 140 mm

2.4. Nguyên lý vận hành của lò hóa khí

1. Cơ cấu thải xỉ

2. Bộ cấp không khí

3. Buồng hóa khí

4. Đầu gắn cảm biến

nhiệt độ

5. Cơ cấu điều khiển

cấp liệu

6. Phễu chứa liệu

7. Khí ra

8. Bơm hút khí

9. Cyclon lọc bụi

10. Đường hồi

11. Quạt gió

12. Lưu lượng kế

Hình 1. Cấu tạo lò hóa khí thí nghiệm

Lượng mùn cưa được cấp liên tục vào lò hóa khí qua cơ

cấu cấp liệu kiểu vít tải 2 cấp điều chỉnh bằng biến tần. Trong

phạm vi bài báo này, lượng mùn cưa cấp vào được giữ cố

định ở 40 kg/h. Lưu lượng không khí cấp vào lò hóa khí qua

quạt gió 11 cũng được điều khiển bằng biến tần và được xác

định bởi đồng hồ đo lưu lượng 12. Nhiệt độ của lò hóa khí

tại các vị trí đo khác nhau được đo đồng thời bởi các cặp

nhiệt điện qua các đầu gắn cảm biến đặt ở trên thân lò hóa

khí. Trên đường khí ra 7, bố trí một ống đồng d=12 mm, dài

1,5 m để rút khí qua bơm hút 8 để lấy mẫu khí mang đi phân

tích nồng độ CO. Từ các kết quả thí nghiệm đã được trình

bày trong [1] thấy rằng, quá trình hóa khí chỉ diễn ra trong

khoảng không gian hình côn ở dưới và nhiệt độ của khí trong

lò ở trong đoạn hình trụ phía trên gần như không thay đổi

nên trong thiết kế này, đoạn ống hình trụ chỉ còn dài 400 mm

so với 1.500 mm như trong [1].

Để tiến hành nghiên cứu, đầu tiên ta phải khởi động lò

hóa khí. Trước tiên, ta cho một ít củi vào lò và đốt cháy,

khi lửa đã bén vào củi thì cho mùn cưa vào từ từ cùng với

tăng lượng gió cấp vào để đẩy mạnh quá trình cháy hoàn

toàn nhiên liệu, cho đến khi nhiệt độ trong lò hóa khí đạt

khoảng >400°C thì kết thúc quá trình khởi động lò. Lúc

này, ta tiến hành điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp vào cho

đến khi đạt giá trị mong muốn là 40 kg/h. Sau đó, điều

chỉnh lượng không khí cấp vào với các giá trị cần đo. Tại

mỗi giá trị của lưu lượng không khí cấp vào khi lò đã hoạt

động ổn định, ta tiến hành ghi giá trị nhiệt độ, phân bố nhiệt

độ và lấy mẫu khí đi phân tích.

Do sản phẩm của quá trình hóa khí có chứa CO là một

khí độc nên trong quá trình làm thí nghiệm, lò hóa khí được

đặt trong môi trường thông thoáng tốt. Sau khi khởi động

xong lò hóa khí và đưa lò hoạt động ổn định ở một chế độ

vận hành nhất định thì tiến hành ghi nhận các thông số thí

nghiệm và lấy mẫu khí mang đi phân tích. Khí còn lại được

đốt trực tiếp để tránh gây ô nhiễm môi trường.

3. Kết quả nghiên cứu và bàn luận

3.1. Sự phân bố của nhiệt độ lò theo lưu lượng không khí

cấp vào

Hình 2. Phân bố nhiệt độ theo chiều cao lò ứng với lượng

không khí cấp vào khác nhau

Hình 2 thể hiện kết quả thí nghiệm khi thay đổi lượng

không khí cấp vào từ 10% đến 40% so với lượng không

khí lý thuyết. Ta nhận thấy phân bố nhiệt độ đều có dạng

giảm dần theo chiều cao với các khác nhau. Nhiệt độ lớn

nhất trong lò hóa khí đạt được khoảng 500-630°C ở độ cao

h = 300 mm tính từ miệng cấp gió vào, là vùng xảy ra các

phản ứng oxy hóa nhiên liệu. Sau đó, nhiệt độ giảm gần

như tuyến tính theo chiều cao của lò. Trong điều kiện thí

nghiệm này, nhiệt độ và phân bố nhiệt độ trong lò tỉ lệ với

lượng không khí cấp vào. Có nghĩa là nhiệt độ, phân bố

nhiệt độ trong lò đạt cao nhất ứng với lượng không khí cấp

vào là 40% và ngược lại nhiệt độ, phân bố nhiệt độ trong

lò thấp nhất ứng với lượng không khí cấp vào là 10%. Tuy

nhiên, sự thay đổi nhiệt độ, phân bố nhiệt độ là không lớn

trong hai trường hợp với = 10% và =20%. Điều này có

thể giải thích là với hai giá trị trên thì lượng không khí


cấp vào quá bé nên quá trình oxy hóa cũng xảy ra yếu hơn

và nhiệt độ lò thấp. Khi tăng lên 30% thì quá trình oxy

hóa mãnh liệt hơn dẫn đến nhiệt độ lò được nâng lên cao

rõ rệt. Điều tương tự cũng xảy ra với = 40%.

a) b)

c) d)

Hình 3. Hình ảnh ngọn lửa với khác nhau

a (10%), b (20%), c30%) và d (40%)

Hình 3 là hình ảnh ngọn lửa khi đốt cháy trực tiếp khí

thoát ở đầu ra của lò hóa khí. Trong đó, Hình 3a là ngọn lửa

ứng với lượng không khí cấp vào là 10%, Hình 3b là 20%,

Hình 3c là 30% và Hình 3d là 40%. Từ các hình trên có thể

thấy rằng, khi tăng lượng không khí cấp vào lò hóa khí thì

ngọn lửa của khí tạo thành cháy mạnh, lan rộng và sáng hơn.

Điều này có thể giải thích rằng lượng khí cháy sinh ra nhiều

hơn khi tăng lượng không khí cấp vào từ 10% đến 40%.

3.2. Sự ảnh hưởng của lượng không khí cấp vào đến

nồng độ CO tạo thành

Trong các nghiên cứu này, sản phẩm khí tạo ra sau khi

đi qua cyclon sẽ được hút một phân qua bơm 8 và mang đi

phân tích thành phần. Do hạn chế về thiết bị phân tích nên

trong các thí nghiệm này chỉ duy nhất thành phần CO được

phân tích, còn các thành phần khác như H2 và CxHy chưa

phân tích được. Hình 4 thể hiện quan hệ giữa nồng độ CO

trong khí tạo thành với lượng không khí cấp vào lò khí hóa.

Có thể thấy rằng, khi tăng lượng không khí cấp vào từ 10%

đến 20% thì hàm lượng CO tăng không lớn. Tuy nhiên, khi

tăng lượng không khí cấp vào đến 30% thì lượng CO tăng

lên khá nhiều. Khi tăng lượng không khí cấp vào đến 40%,

lượng không khí cần thiết cho quá trình cháy hoàn toàn

nhiên liệu thì lượng CO trong khí tạo thành tăng rất mạnh

và đạt giá trị cao nhất 16,5%. Do ở giá trị không khí cấp

vào 40% này thì tốc độ không khí trong lò đã đã đạt tới tốc

độ lớn nhất cho phép tạo sôi của điều kiện thí nghiệm nên

tác giả không thể tăng hơn nữa. Các kết quả thí nghiệm với

lượng không khí cấp vào lớn hơn 40% sẽ được trình bày

trong các bài báo sau với lượng nhiên liệu giảm xuống thấp

hơn 40 kg/h. Từ kết quả thí nghiệm ở trên, có thể thấy rằng

nồng độ CO trong khí tạo thành tỉ lệ với lượng không khí

cấp vào. Trong điều kiện thí nghiệm cụ thể của bài báo thì

lượng CO đạt giá trị cao nhất 16,5% ứng với lượng không

khí cấp vào bằng 40% lượng không khí cần thiết cho quá

trình oxy hóa hoàn toàn nhiên liệu.

Hình 4. Quan hệ giữa lượng không khí cấp vào

và hàm lượng CO trong khí tạo thành

4. Kết luận

Biomass nói chung và mùn cưa nó riêng là một nguồn

năng lượng tái tạo rất có tiềm năng trên thế giới cũng như Việt

Nam. Một trong các công nghệ có tính ứng dụng cao là hóa

khí trong đó có hóa khí tầng sôi. Từ kết quả nghiên cứu có thể

thấy rằng nhiệt độ, phân bố nhiệt độ trong lò hóa khí tỉ lệ thuận

với lượng không khí cấp vào lò hóa khí. Các kết quả nghiên

cứu ảnh hưởng của lượng không khí cấp vào đến nồng độ CO

trong khí tạo thành chỉ ra rằng lượng khí CO tăng từ 12,8%

đến 16,5% khi lượng không khí cấp vào tăng từ 10% đến 40%.

Nếu chỉ xét riêng thành phần CO thì lượng không khí cấp vào

tốt nhất nên >30%. Quan hệ giữa lượng không khí cấp vào

đến lượng CO trong khí tạo thành khi lượng không khí cấp

vào lớn hơn 40% cũng như quan hệ giữa lượng không khí cấp

vào đến các thành phần cháy khác sẽ được tác giả tiếp tục

nghiên cứu và trình bày trong các bài báo sau.


[1] Trần Thanh Sơn, “Nghiên cứu quá trình hóa khí mùn cưa trong tầng

sôi”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, Số 9(106),

2016, trang 33-35.

[2] X. T. Li, J.R. Grace, C. J. Lim, A. P. Watkinson, H.P. Chen, J. R. Kim, “Biomass gasification in a circulating fluidized bed”, Elsevier

– Biomass and Bioenergy 26 (20014), pp. 71-193.

[3] F. Vidian, H. Basri, A. Surjosatyo, “Experimental on sawdust

gasification using open top downdraft gasifier incorparated with internal combustion engine”, ARPN Journal of Engineering and

Applied Sciences, Vol 12, No. 4, 2017.

[4] A. P. G. Peres, B.H. Lunelli, R.M. Fllho, “Application of Biomass to hydrogen and syngas products”, Chemical Engineering

Transactions, Vol 32, 2013.

[5] F.Y. Shake, Gasification of sawdust in a fluidized bed, Master

Thesis, University of Canterbury, Canada, 1982.

[6] Hoàng Ngọc Đồng, Lý thuyết cháy.

[7] Prabir Basu, Combustion and gasification in fluid beds, Taylor & Francis Group, LLC, 2006.

[8] Christopher Higman, Maanrten Van der Burgt, Gasification, GP

Press, 2007.

[9] Trần Thanh Sơn, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo lò hóa khí phục vụ

nghiên cứu, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, Số 5, 2014, trang 87-90.

[10] Don J. Stevens, Hot gas Conditioning: Recent progress with larger-Scale

Biomass Gasification Systems, Pacific Northwest National Laboratory.


58 Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Thanh Hội

TỔNG HỢP HYDROGEL TỪ α-CYCLODEXTRIN KẾT HỢP VỚI AXIT FOLIC

VÀ POLY(ETHYLENE GLYCOL) METHYL ETHER,

ỨNG DỤNG LÀM CHẤT MANG THUỐC ĐIỀU TRỊ UNG THƯ

SYNTHESIS OF HYDROGEL BASED ON α-CYCLODEXTRIN CONJUGATED WITH FOLIC

ACID AND POLY (ETHYLENE GLYCOL) METHYL ETHER APPLIED AS DRUG CARRIER

FOR CANCER TREATMENT

Trương Lê Bích Trâm1, Nguyễn Thanh Hội2 1Đại học Đà Nẵng; [email protected]

2Trường Cao đẳng Công nghệ - Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt - Trong nghiên cứu này, một loại chất mang thuốc mới được tạo thành bằng cách sử dụng axit folic liên kết đồng hóa trị vào mạng lưới hydrogel siêu phân tử. Trong đó, axit folic được liên kết với α-CD tạo thành α-CD-FA và sau đó tạo hydrogel siêu phân tử với Poly (ethylene glycol) methyl ether trong môi trường nước. Cấu trúc của hydrogel siêu phân tử, động học của gel hóa, độ bền cơ học, tính chất trượt dính mỏng và tính xúc biến đã được khảo sát bằng phương pháp phân tích phổ 1H NMR, phương pháp nhiễu xạ tia X (WAXD) và phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (FT-IR) nhiều hàm lượng khác nhau của MPEG và α-CD-FA. Đồng thời, khả năng sử dụng hydrogel này làm chất mang thuốc trong tiêm chích thông qua kim tiêm cũng được nghiên cứu. Từ việc thử nghiệm in vitro và xét nghiệm khả năng tế bào, nhận thấy rằng vật liệu hydrogel này có tiềm năng rất lớn để hoạt động như một chất mang trong việc đóng gói và giải phóng lâu dài thuốc doxorubicin hydrochloride (Dox) qua đường tiêm chích.

Abstract - In this study, a new drug carrier obtained by using folic acid (FA) covalently incorporated into a supramolecular hydrogel network. For this attempt, FA is first conjugated with α-Cyclodextrin (α-CD) to form α-CD-FA and then used to interact with Poly(ethylene glycol) methyl ether (MPEG) in an aqueous solution. The formation of the supramolecular hydrogel, its gelation kinetics, mechanical strength, shear-thinning behavior and thixotropic response are investigated using nuclear magnetic resonance (1H NMR), wide angle X-ray diffraction (WAXD), Fourier-transform infrared (FT-IR) and rheological measurements with respect to the effects of MPEG and α-CD-FA amounts. Meanwhile, the possibility of using this hydrogel matrix for an injectable drug delivery system is also explored. From in vitro release and cell viability tests, it is found that the resultant hydrogel material has a great potential to act as an injectable matrix for the encapsulation and sustained release of the modelled drug, doxorubicin hydrochloride (Dox).

Từ khóa - hydrogel; chất mang thuốc; α-Cyclodextrin; axit folic; Poly(ethylene glycol) methyl ether

Key words - hydrogel; drug carrier; α-Cyclodextrin; folic acid; Poly(ethylene glycol) methyl ether


Gần đây, nhiều nhà khoa học chú ý đến phương pháp

chế tạo ra các chất dùng để mang thuốc điều trị đưa thuốc

trực tiếp đến tế bào ung thư nhằm giảm bớt ảnh hưởng đến

những tế bào sống khác, giúp bệnh nhân giữ được sức đề

kháng tốt [1-3]. Đây là một hướng nghiên cứu mới ở cả

Việt Nam và thế giới về vấn đề nâng cao hiệu quả trong

điều trị ung thư bằng phương pháp sử dụng chất mang. Các

nghiên cứu này đã đánh giá tính khả thi của vật liệu về vấn

đề an toàn và hiệu quả để áp dụng lâm sàng trong các lĩnh

vực y sinh học và dược phẩm. Trong đó, các vật liệu là

phức của CD kết hợp với polymer như hydrogel,

nano/microparticles và mixen, thường xuyên được nghiên

cứu và ứng dụng trong dược phẩm và y sinh học dựa vào

khả năng giải phóng thuốc kéo dài và đúng mục tiêu của

các chất hoạt tính sinh học.

Trong những năm gần đây, hydrogel siêu phân tử đã thu

hút được sự chú ý đáng kể vì các ứng dụng tiềm năng trong

phân phối thuốc và kĩ thuật mô [4-6]. Việc thiết kế và điều

chế hệ thống hydrogel siêu phân tử dưới dạng tương tác

chủ thể - khách thể đã được nghiên cứu rộng rãi. Trong số

tất cả các loại hydrogel, các hydrogel siêu phân tử được tạo

thành từ phức hợp giữa chủ thể α-CD và các khách thể

polyme khác nhau đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa

học ngày càng tăng trong những năm gần đây, ví dụ như:

Li và cộng sự [7] đã nghiên cứu sử dụng poly (ethylene

oxide) và α-CD để tạo thành các chất hydrogel siêu phân

tử cho các hệ thống dẫn truyền thuốc tiêm; Wang và cộng

sự [8] đã nghiên cứu sử dụng α-CD và block copolymer

poly (ethylene oxide) -b -poly (ε-caprolacton) để tổng hợp

các hydrogel siêu phân tử cho các phân phối cục bộ

erythropoietin tái tổ hợp của người trong cơ tim ổn định;

Ma và cộng sự [9] đã nghiên cứu sử dụng liên hợp MPEG-

heparin và α-CD để chế tạo chất hydrogel siêu phân tử có

hoạt tính sinh học phân phối và kiểm soát thuốc kép;

Zhu và cộng sự [10] đã dùng các hạt nano block copolymer

có chứa cisplatin và α-CD để thu được những chất hydrogel

siêu phân tử với tính chất dẫn truyền từng bước trong điều

trị ung thư.

Mặc dù phức chất của hydrogel siêu phân tử với

cyclodextrin có vai trò như chất mang với nhiều tính chất

hấp dẫn trong việc giải phóng các thuốc điều trị có dược

tính cao, chỉ số điều trị thấp và tính chất hóa lý kém nhưng

không thể được sử dụng cho các loại thuốc có hoạt tính tại

chỗ bởi nó có tác động như nhau đến các khối u cũng như

tế bào lành. Vì vậy, để tạo ra phức của cyclodextrin như hệ

dẫn truyền thuốc đúng mục tiêu, thì siêu phân tử cần có cấu

trúc của oligosaccharide chức hóa với peptide, hormones,

vitamin, các mảnh kháng thể, … Axit folic là một loại

vitamin nhỏ và có thể tương tác riêng với các folate protein

(FBP) nằm trong ống caveolae trên bề mặt tế bào tiếp nhận

[10, 11]. Khi tương tác tiếp nhận, các phức hợp folate axít-

FBP được thu nhận bởi các tế bào và di chuyển qua nhiều

bào quan bao gồm vận chuyển endocytotic cung cấp cho

chất dịch bào tương tích tụ. [12]. Các thụ thể axit folic được

biểu hiện tập trung bởi nhiều loại tế bào ung thư bao gồm


ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 – QUYỂN 1 59

buồng trứng, nội mạc tử cung, đại trực tràng, vú, phổi, thận,

ung thư biểu mô thần kinh nội tiết, và não metastases [13]

Các folate thụ thể qua trung gian endocytosis đã được

nghiên cứu để chủ yếu mở rộng các khả năng điều trị của

thuốc bằng cách tăng dẫn truyền cho các mô mục tiêu cũng

như tỷ lệ mô mục tiêu/không mục tiêu. Khi axit folic (FA)

được gắn vào vị trí carboxyl, các folate vẫn giữ chuẩn liên

kết ái lực với thụ thể và do đó, có thể được tiếp nhận bởi

thụ thể trung gian endocytosis [14]. Nguyên tắc này đã

được áp dụng cho việc phân phối có chọn lọc các tác nhân

tạo ảnh, gen tác nhân trị liệu, mixen của block copolyme,

và phức hợp khác của phân tử có kích thước macro, các tế

bào khối u/ ung thư.

Doxorubicin hydroclorid (Dox) là một loại thuốc được

sử dụng rộng rãi trong việc điều trị bệnh ung thư bằng

phương pháp hóa tri. Tuy nhiên, Dox cũng là một hợp chất

gây độc mạnh cho tế bào (mô) bình thường và tạo ra những

tác hại về sinh lý của bệnh nhân. Để giảm độc tính của Dox,

dẫn truyền mục tiêu thuốc bằng cách sử dụng các hydrogel

siêu phân tử sẽ là một lựa chọn hiệu quả thay thế trong điều

trị ung thư.

Trong nghiên cứu này, folic acid được gắn vào α-CD

và sau đó được tạo hydrogel siêu phân tử với Poly(ethylene

glycol) methyl ether trong môi trường nước. Phương pháp

này tạo ra hydrogel siêu phân tử có hoạt tính sinh học đa

chức năng. Để hiểu và điều chỉnh quá trình gel hóa này,

động học của gel hóa, độ bền hydrogel, shear thinning

rheological behavior và tính chất thixotropic đã được

nghiên cứu bởi động lực và ổn định lưu biến học dưới nhiều

hàm lượng khác nhau của MPEG và α-CD-FA. Ngoài ra,

thành phẩm hydroge được nghiên cứu đến đặc điểm dẫn

truyền có kiểm soát thuốc Doxorubicin hydrochloride và

hoạt động sinh học của sản phẩm này.

2. Thực nghiệm

2.1. Hóa chất

FA, N-hydroxysuccinimide (NHS), 1-ethyl-3-3(3-

dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC), MPEG có

trọng lượng phân tử là 5000, Bovine serum albumin (BSA),

và Dox được mua của hãng Sigma-Aldrich. α-Cyclodextrin

được mua của hãng Acros. Tất cả các dung môi và thuốc

thử phân tích được mua từ nhà cung cấp thương mại khác.

2.2. Phương pháp

2.2.1. Tạo liên hợp của FA và α-CD (α-CD-FA)

NHS (1 mg, 0,009 mmol) và EDC (1,7 mg, 0,009 mmol)

được cho vào dung dịch FA (4 mg, 0,009 mmol) hòa tan trong

20 ml nước. Hỗn hợp được khuấy trong bóng tối ở nhiệt độ

phòng trong 12 giờ và sau đó dung dịch được ly tâm và đem

kết tủa thu được cho vào dung dịch α-CD 10 mg trong 10 ml

nước. Hỗn hợp được khuấy ở nhiệt độ phòng trong bóng tối

trong ít nhất 12 giờ để có được một dung dịch màu vàng-cam

rõ rệt. Dung dịch sản phẩm này sau đó đã được lọc, sấy để

thu được sản phẩm tinh khiết. Cấu trúc của nó được khảo sát

đặc trưng bởi các phép đo phổ hồng ngoại FTIR.

2.2.2. Tổng hợp hydrogel siêu phân tử từ phức hợp của

MPEG với α-CD-FA

Hydrogel siêu phân tử đã được tổng hợp bởi phức hợp

của MPEG với α-CD-FA trong dung dịch nước. Trong các

thí nghiệm triển khai, dung dịch MPEG (1, 2 hoặc 3% trọng

lượng) được hòa tan trong dung dịch nước và sau đó cho

vào dung dịch α-CD-FA 7% trọng lượng ở nhiệt độ phòng.

Hỗn hợp này được khuấy mạnh, sau một thời gian, hỗn hợp

đặc lại dần và hình thành một hydrogel giữa MPEG và

α-CD-FA. Để xác định cấu trúc hydrogel từ các phức hợp

của MPEG và α-CD-FA, các phép đo phương pháp nhiễu

xạ tia X (WAXD) và phổ hồng ngoại FT-IR đã được thực

hiện.

Máy đo phổ hồng ngoại FT-IR được đo bằng quang phổ

kế Nicolet iS10 FT-IR, phần mềm OMNICTM 9.2.9. Các

quang phổ được ghi nhận tại 300C với 64 lần quét (đặt tại

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng).

Máy nhiễu xạ tia X (XRD) được thực hiện bằng hệ

thống phân tích nhiễu xạ tia X SmartLab X-Ray

Diffractometer của hãng Rigaku, sử dụng phần mềm đo

SmartLab Guidance v 2.1.0.0 và phần mềm phân tích

PDXL 2 v. 2.4.2.0 (đặt tại Trường Đại học Bách khoa –

Đại học Đà Nẵng).

Để nghiên cứu động học gel hóa của MPEG/α-CD-FA

trong nước, các phân tích đã được thực hiện bởi một máy

đo điện kế MCR (seri MCR 102, Anton Paar Co.) hoạt

động ở chế độ dao động hình học của đĩa song song

(50 Mm, khoảng cách 1.0mm) ở 250C (đặt tại Trường Đại

học Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ Quốc gia Đài Loan).

2.2.3. Sử dụng hydrogel làm chất mang Dox và khảo sát

khả năng giải phóng thuốc trong vitro

0,2% Dox được hòa tan trong dung dịch α-CD-FA 7%

sau đó dùng dung dịch này để tạo ra gel siêu phân tử với

MPLG có các hàm lượng khác nhau (1, 2 và 3%) ở nhiệt

độ phòng. Để nghiên cứu khả năng giải phóng thuốc in

vitro, 1,0 ml dung dịch hỗn hợp trên được cho vào một ống

10 ml và sau đó đặt qua đêm để hình thành hydrogel. Dung

dịch muối photphat (PBS, 4 ml, 0,01 mol /l, pH 7,4) được

thêm vào mỗi ống như môi trường phóng thích. Các ống

này sau đó được đặt trong một máy lắc với tốc độ 60

lần/phút ở 37oC trong suốt quá trình thử. Tại mỗi thời điểm

khảo sát, trích ra 2,0 ml từ mỗi ống, sau đó đã được thay

thế bằng cùng một lượng thể tích PBS với nồng độ như

trên. Thời gian lấy mẫu được xác định là 30 giây. Máy đo

quang phổ UV-Vis JASCO V-670 được sử dụng để đo hàm

lượng Dox ở 482nm, phần trăm tích lũy của Dox đã được

tính toán bằng cách sử dụng đường chuẩn. Tất cả các thí

nghiệm được thực hiện lặp lại ba lần.


3.1. Cấu trúc của hydrogel siêu phân tử tổng hợp được

từ phức hợp của MPEG với α-CD-FA

Kết quả khảo sát phổ hồng ngoại của α-CD; FA và

α-CD-FA thể hiện trong Hình 1. Ta thấy, những vạch mới

(peak) là rất rõ nét trong phổ hồng ngoại của α-CD-FA đặc

biệt là trong vùng 1000-1700 cm-1. Peak có đỉnh tại

1702 cm-1 trong phổ FT-IR của sản phẩm cuối cùng

α-CD-FA là của nhóm không đối xứng của C = O, với đỉnh

tại 1642 cm-1 được gán cho nhóm O-H. Trong khi đó, nhóm

carboxylic C = O của FA chỉ xuất hiện tại đỉnh 1693 cm-1.

Bên cạnh đó, các nhóm O-H của α-CD có sự dịch chuyển

lên một tần số cao hơn 14 cm-1, sau khi chức hóa. Hơn nữa,


tất cả phổ của nhóm C = C của α-CD-FA chuyển sang một

tần số thấp hơn khi so sánh với FA ban đầu. Kết quả này

cho rằng FA đã liên hợp thành công với α-CD bởi sự hình

thành của liên kết este khi tạo thành α-CD-FA.

Hình 1. Phổ hồng ngoại FTIR của α-CD; FA và α-CD-FA

Từ phổ XRD thể hiện trong Hình 2, ta thấy mẫu

hydrogel có hai đỉnh nhiễu xạ đặc trưng tại 2θ = 19,8 °

(d = 4,44 Å) và 22,6 ° (d = 3,94 Å), 2 đỉnh này không tìm

thấy trong các phổ XRD của MPEG và α-CD-FA. Hai đỉnh

này là đại diện cho cấu trúc channel của MPEG/α-CD-FA

[15]. Đây có thể được gán cho sự phản xạ {210} và {300}

từ các mạng tinh thể hình lục giác với a = 13,6 Å. Đỉnh đặc

trưng cho phản xạ mạnh {210} được hiển thị cho các phức

hợp polyme với α-CD. Những kết quả này chứng minh sự

tồn tại của phức hợp MPE/α-CD-FA, phức hợp đóng vai

trò như các điểm hoặc cụm liên kết vật lý và sau đó kết nối

với mạng hydrogel siêu phân tử trải rộng toàn bộ mẫu.

Hình 2. Phổ nhiễu xạ tia X của MPEG, α-CD-FA và hydrogel

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

1113 cm-1

MPEG

Hydrogel

Wave number (cm-1

)

CD-FA

Hinh 3. Phổ hồng ngoại của MPEG, α-CD-FA và hydrogel

Ngoài ra, quan sát phổ hồng ngoại ta thấy cả hai đỉnh

peak của α-CD-FA và MPEG trong phổ FT-IR của

hydrogel dịch chuyển thay đổi đáng kể như trong Hình 3.

Cụ thể, phổ của O-H đã dịch chuyển sang một tần số thấp

hơn khoảng 35 cm-1 so với α-CD-FA. Một sự thay đổi tần

số thấp như vậy có thể là do liên kết hydro giữa các phân

tử trong phức. Tương tự, các liên kết C-O-C (1113 cm-1)

của MPEG đã chuyển sang một tần số thấp hơn khoảng

8 cm-1, được giải thích là do các chuỗi MPEG đã nằm bên

trong khoang α-CD.

3.2. Động học của hydrogel siêu phân tử

0 10 20 30 40 50 600.0

2.0x104

4.0x104

6.0x104

8.0x104

1.0x105

1.2x105

1.4x105

19.4 min

1 wt% MPEG,

7 wt% CD-FA

Time (min)G

', G

'' (

Pa

)

G'

G''

0 10 20 30 40

0.0

5.0x104

1.0x105

1.5x105

2.0x105

7.8 min

Time (min)

G', G

'' (

Pa

)

2 wt% MPEG,

7 wt% CD-FA

G'

G''

0 10 20 30 400.0

5.0x104

1.0x105

1.5x105

2.0x105

2.5x105

3.0x105

Time (min)

G', G

'' (

Pa

)

3 wt% MPEG,

7 wt% CD-FA

G'

G''

4.5 min

Hình 4. Ảnh hưởng của hàm lượng MPEG lên động học xúc tác

gel hóa siêu phân tử cho các hệ thống MPEG/α-CD-FA.

Điều kiện thí nghiệm: tần số: 1,0 rad/s; độ biến dạng: 0,05%

Để hiểu được động học gel hóa của MPEG/α-CD-FA

trong dung dịch nước, nghiên cứu đã tiến hành đo thời gian

gel hóa của các mẫu MPEG/α-CD-FA có hàm lượng khác

nhau, trong đó các mô đun lưu trữ (G′) và mô đun tổn hao

(G′′) được theo dõi như là một biến số theo thời gian. Hình

4 cho thấy sự phụ thuộc thời gian của G′ và G′′ đối với các

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 – QUYỂN 1 61

mẫu MPEG/α-CD-FA khác nhau. Trong mỗi trường hợp,

quan sát điểm giao nhau giữa G′ và G′′, là điểm thể hiện sự

chuyển tiếp sol-gel. Sau điểm giao nhau, giá trị G′ trở nên

lớn hơn giá trị G′′, chứng tỏ hệ thống gel đã trở nên đàn hồi

hơn. Thời gian tương ứng của điểm giao nhau được coi là

thời gian gel hóa. Từ Hình 4 có thể thấy rằng thời gian gel

hóa giảm khi hàm lượng MPEG tăng. Các kết quả này chỉ

ra rằng nồng độ của MPEG cao sẽ thuận lợi cho sự gel hóa

của hydrogel siêu phân tử, có thể là do sự tăng cường tạo

phức chất giữa MPEG và α-CD-FA.

Tính chất trượt dính mỏng và tính xúc biến (tính sol-gel

thuận nghịch) là những thuộc tính quan trọng cần khảo sát

để một chất có thể ứng dụng làm chất mang thuốc. Để tìm

hiểu khả năng sử dụng hydrogel siêu phân tử như một loại

chất mang thuốc, đề tài đã tiến hành khảo sát tốc độ ổn định

của các mẫu hydrogel. Hình 5 biểu diễn độ nhớt trượt cân

bằng như là một hàm số của tốc độ trượt đối với hydrogel

siêu phân tử được hình thành tại chỗ với các hàm lượng

MPEG khác nhau.

0 5 10 15 20 25

1

10

100Fixed: 7 wt% -CD

Shear rate (1/s)

Sh

ea

r v

isc

os

ity

(P

a.s

) 1 wt% MPEG

2 wt% MPEG

3 wt% MPEG

Hình 5. Sự thay đổi độ nhớt trượt cân bằng của các hydrogel siêu phân

tử với các hàm lượng MPEG (độ biến dạng: 0.05%; 25o C)

Kết quả khảo sát trên Hình 5 cho thấy rằng, tất cả các

mẫu hydrogel đều thể hiện tính trượt dính mỏng, bất kể

hàm lượng MPEG hoặc α-CD-FA thay đổi. Nói cách khác,

độ nhớt của mẫu hydrogel giảm đáng kể khi bị trượt, không

phụ thuộc vào hàm lượng MPEG hoặc α-CD-FA. Đặc tính

lưu biến này cho thấy hydrogel siêu phân tử có thể dùng

trong tiêm chích thông qua kim tiêm. Nghiên cứu sâu hơn

đã được tiến hành đối với các tính chất xúc biến của các

mẫu hydrogel ở 250 C. Với mục đích này, các đường cong

dòng chảy được đo trong khi tăng tốc độ trượt từ tối thiểu

là 0,8 s-1 đến tối đa là 50 s-1 và sau đó giảm tỷ lệ trượt tại

các bước bằng nhau. Thời gian trượt tại mỗi bước là

60 giây. Phương pháp này cũng tương tự như phương pháp

của Saunders [16] đã nghiên cứu tính chất xúc biến của nhũ

dịch polystyrene. Nếu hydrogel siêu phân tử khảo sát thể

hiện tính xúc biến, có thể thu được một vòng lặp trễ từ các

đường cong "trở lên" và "trở xuống" được tạo ra trong quá

trình thuận nghịch tốc độ ứng suất trượt.

Hình 6 cho thấy các tính xúc biến của hydrogel siêu

phân tử được hình thành dưới nhiều hàm lượng MPEG

khác nhau trong dung dịch nước. Kêt quả thí nghiệm cho

thấy tính xúc biến của hydrogel siêu phân tử tạo thành sẽ

tăng lên khi hàm lượng MPEG tăng lên. Tính xúc biến của

một vật liệu có thể được định lượng bởi khả năng lấy lại

cấu trúc gel của nó sau khi được phép đứng yên trong một

khoảng thời gian sau khi đạt được giai đoạn sol. Do đó, có

thể thấy rằng trong nghiên cứu này, cấu trúc của hydrogel

siêu phân tử được hình thành từ sol đến gel, đặc biệt là

trong trường hợp hàm lượng MPEG cao.

0 10 20 30 40 50

0

5

10

15

20

Fixed: 7 wt% -CD

1 wt% MPEG

2 wt% MPEG

3 wt% MPEG

Sh

ea

r s

tre

ss

(P

a)

Shear rate (1/s)

Hình 6. Tính xúc biến của hydrogel siêu phân tử với các hàm lượng

MPEG khác nhau (độ biến dạng: 0,05%; 250 C)

3.3. Quá trình giải phóng Dox từ hydrogel siêu phân tử

đã tổng hợp trong vitro

Nghiên cứu đã khảo sát tiềm năng của hydrogel siêu

phân tử MPEG/α-CD-FA sử dụng làm chất mang trong hệ

thống phân phối thuốc và giải phóng thuốc kéo dài. Với

mục đích này, Dox đã được sử dụng làm thuốc mô hình và

được đóng gói trong hydrogel trong quá trình chuẩn bị.

Trong mỗi trường hợp, nồng độ ban đầu của Dox là như

nhau. Hình 7 cho thấy các quá trình giải phóng thuốc in

vitro đối với Dox được giải phóng từ hydrogel siêu phân tử

MPEG/α-CD-FA ở pH 7,4 PBS ở 37oC. Tùy thuộc vào

lượng MPEG được sử dụng cho sự hình thành hydrogel, tỷ

lệ giải phóng khác nhau đã được tìm thấy cho Dox. Tốc độ

giải phóng Dox giảm khi tăng hàm lượng MPEG.

0 5 10 15 20 25 30

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Fixed: 7 wt% -CD

Time (day)

Cu

mu

lati

ve

Re

lea

se

(%

)

1 wt% MPEG

2 wt% MPEG

3 wt% MPEG

Hình 7. Sự giải phóng thuốc Dox từ hydrogel siêu phân tử

MPEG/α-CD-FA với hàm lượng khác nhau của MPEG trong vitro

4. Kết luận

Hydrogel siêu phân tử từ polymer sinh học với đặc tính

đa chức năng được tạo ra bởi sự liên hợp của FA với α-CD

và sự tương tác với MPEG trong dung dịch nước. Quá trình

gel hóa này được thực hiện trong điều kiện thường, không


đòi hỏi nhiệt độ cao hoặc sử dụng chất nhũ hoá học hoặc

chất liên kết chéo. Sự hình thành hydrogel là do sự tạo phức

giữa MPEG và α-CD-FA. Các tính chất động học của

hydrogel đã tổng hợp thể hiện khả năng dễ dàng ứng dụng

làm chất mang thuốc bằng cách tiêm chích. Hơn nữa, Dox

đóng gói trong hydrogel thể hiện hành vi giải phóng được

kiểm soát và kéo dài. Nghiên cứu này cung cấp một loại

chất dẫn thuốc mới, là vật liệu đầy hứa hẹn để làm chất

mang thuốc điều trị ung thư đến đúng mục tiêu và trực tiếp

đến từng tế bào.


[1] Zhao, S.; Lee, J.; Xu, W. Carbohydr. Res. 2009, 344, 2201.

[2] Joung, Y.-K.; Ooya, T.; Yamaguchi, M.; Yui, N. Adv. Mater. 2007,

19, 396.

[3] Chuang, C.; Li, C.; Prasannan, A.; Truong-Le, BT.; Hong, P. Polym

Res (2015) 22: 206.

[4] Yan, J.; Yang, L.; Wang, G.; Xiao, Y.; Zhang, B.; Qi, N. J.Biomater

Appl 2010, 24, 625

[5] Wang, P.; Chow, H.; Tsai, W.; Fang, H. J Biomater Appl 2009, 23,

347.

[6] Harada, A.; Hashidzume, A.; Takashima, Y. Adv Polym Sci 2006, 1.

[7] Grinstaff, M. Biomaterials 2007, 28, 5205.

[8] Wang, T.; Jiang, X. J.; Lin, T.; Ren, S.; Li, X. Y.; Zhang, X. Z.;

Tang, Q. Z. Biomaterials 2009, 30, 4161.

[9] Ma, D.; Tu, K.; Zhang, L. M. Biomacromolecules 2010, 11, 2204.

[10] Zhu, W.; Li, Y.; Liu, L.; Chen, Y.; Wang, C.; Xi, F.

Biomacromolecules 2010, 11, 3086.

[11] Turek, J. J.; Leamon, C. P.; Low, P. S. J. Cell. Sci. 1993, 106, 423.

[12] Garin-Chesa, P.; Campbell, I.; Saigo, P. E.; Lewis, J. L. Jr.; Old, L.

J.; Rettig, W. J. Am. J. Pathol. 1993, 142, 557.

[13] Lee, RJ; Low, PS. J. Biol Chem. 1994, 269, 3198.

[14] Yang, Y.; Jiang, JS.; Du, B.; Gan, ZF.; Qian, M.; Zhang, P. J Mater

Sci: Mater Med. 2009, 20, 301.

[15] Zhao, S. P.; Zhang, L. M.; Ma, D. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 122.

[16] Saunders, F. L. J. Colloid Interface Sci. 1967, 23, 230.



NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BÃO HÒA MẠCH TỪ VÀ HIỆU ỨNG

MẶT NGOÀI ĐẾN ĐẶC TÍNH KHỞI ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

NAM CHÂM VĨNH CỬU KHỞI ĐỘNG TRỰC TIẾP

STUDYING EFFECTS OF MAGNETIC SATURATION AND SKIN EFFECT ON START

CHARACTERISTICS OF LINE START PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTORS

Lê Anh Tuấn, Bùi Đức Hùng, Phùng Anh Tuấn

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội;

[email protected]; [email protected]; [email protected]

Tóm tắt - Hiện nay, nghiên cứu đặc tính khởi động đang được quan tâm và mang tính thời sự bởi nó quyết định đến sự phổ biến của LSPMSM. Mô hình toán của LSPMSM viết theo hệ tọa độ d, q thường được sử dụng để mô phỏng các đặc tính của động cơ, tuy nhiên, trong quá trình khởi động xuất hiện hiện tượng bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài nhưng các yếu tố này lại chưa được xét tổng hợp hoặc chỉ được xét một cách riêng rẽ trong mô hình khi nghiên cứu LSPMSM. Vì vậy, bài báo đề xuất nghiên cứu mô hình LSPMSM có xét ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài, trong đó, các thông số của động cơ được hiệu chỉnh là các đại lượng phi tuyến. Để đánh giá sự chính xác của mô hình đề xuất, bên cạnh so sánh kết quả với phần mềm ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH), bài báo cũng tiến hành thực nghiệm một LSPMSM 3 pha, 2,2 kW thực tế, các kết quả kiểm nghiệm đều khẳng định sự chính xác của mô hình đưa ra.

Abstract - Now, the LSPMSM’s start characteristics, which play an important role in LSPMSM popularity, are still under consideration. A LSPMSM’s model in the d-q reference frame is often used to simulate LSPMSM’s start characteristics. During run-up period, the phenomena of saturation and skin effect occur but these have not been taken into account for the model. Hence, a LSPMSM’s modified model considering saturation and skin effect is proposed in this paper. Here, LSPMSM’s parameters are nonlinear. For evaluating the accuracy of the proposed model, LSPMSM’s start characteristics simulated by the model will be compared with the results of finite element analysis and a 3 phase 2.2 kW prototype LSPMSM. All results are in good agreement.

Từ khóa - động cơ; động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp; nam châm vĩnh cửu; bão hòa mạch từ; hiệu ứng mặt ngoài.

Key words - motors; permanent magnet synchronous motors; line start; permanent magnet; magnetic saturation; skin effect.


Honsinger [1] nghiên cứu mô hình toán động cơ điện

đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp

(LSPMSM) được viết theo hệ tọa độ d, q với các tham số

đầu vào là điện áp, điện cảm, điện trở stato và rôto, từ thông

do nam châm vĩnh cửu (NCVC) sinh ra, … Do công nghệ

tính toán thời điểm này chưa phát triển nên Honsinger

không trực tiếp mô phỏng đặc tính LSPMSM mà thông qua

mô hình toán, Honsinger xây dựng các phương trình mô-

men không đồng bộ (mô-men lồng sóc) và mô-men cản

dưới dạng giải tích.

Hiện nay, mô hình toán LSPMSM được viết theo hệ tọa

độ d, q do Honsinger đề xuất vẫn được ứng dụng phổ biến

để mô phỏng các đặc tính của động cơ [2], [3], [4]… Trong

đó, các thông số động cơ thường được xét ở dạng hằng số.

Trong quá trình khởi động, dòng khởi động lớn dẫn đến

hiện tượng bão hòa trong mạch từ [5], bên cạnh đó còn xuất

hiện hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài [6] đối với các động

cơ có rôto lồng sóc (LSPMSM có cấu trúc này), nhưng các

yếu tố trên lại chưa được xét tổng hợp hoặc chỉ được xét

một cách riêng rẽ khi nghiên cứu LSPMSM [6].

Đối với ảnh hưởng của bão hòa mạch từ: Trong quá

trình khởi động, do bão hòa mạch từ, các thông số Lmd, Lmq

phải được xét là các đại lượng phi tuyến [5]. Do ảnh hưởng

của bão hòa mạch từ trong quá trình khởi động, tương tự

SCIM, thông số điện kháng tản stato, rôto x1, x’2 cũng bị

tác động và cũng phải được xét là đại lượng phi tuyến [7].

Đối với ảnh hưởng của hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài:

LSPMSM kết cấu rôto lồng sóc, trong quá trình khởi động

phải xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài, vì vậy

các thông số điện trở và điện kháng tản rôto phải được xét

là các đại lượng phi tuyến và là hàm của hệ số trượt s [6].

Để tổng hợp các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình

khởi động, bài báo đề xuất nghiên cứu LSPMSM với mô

hình toán được hiệu chỉnh. Trong đó, các thông số trong

mô hình được xét là các đại lượng phi tuyến và là hàm của

các biến phụ thuộc trạng thái bão hòa mạch từ, hiệu ứng

mặt ngoài, nhằm đảm bảo chính xác kết quả mô phỏng.

Trong nghiên cứu, bài báo thử nghiệm với LSPMSM 3

pha, 2,2 kW, tốc độ 1.500 vòng/phút, được cải tạo từ SCIM

(SCIM chủng loại 3K112-S4 của Công ty Cổ phần Chế tạo

Điện cơ Hà Nội) với cấu trúc stato giữ nguyên, rôto được

hiệu chỉnh bằng cách gắn các khối NCVC NdFeB-N35

trong lõi thép. Kết quả mô phỏng đặc tính khởi động của

LSPMSM từ mô hình toán hiệu chỉnh sẽ được so sánh với

kết quả mô phỏng từ phần mềm Ansys/Maxwell 2D ứng

dụng phương pháp PTHH và với kết quả đo lường thực tế

LSPMSM mẫu thử để kiểm nghiệm mô hình đề xuất.

2. Kết quả nghiên cứu và khảo sát

2.1. Mô hình toán của LSPMSM do Honsinger đề xuất

Mô hình LSPMSM do Honsinger đề xuất viết theo hệ

tọa độ d, q như sau [1]:

Phương trình điện từ:

64 Lê Anh Tuấn, Bùi Đức Hùng, Phùng Anh Tuấn

' '

1

' ' '

1

' ' '

' ' '

.i .( .i .i ) .(L .i L .i )

. .( . . ) .(L .i L .i )

. .( . .i ) 0

. ( . .i ) 0

ds

qs

ds ds ds md dr r qs qs mq qr

qs qs qs mq qr r ds ds md dr m

dr dr dr dr dr md ds

qr qr qr qr qr mq qs

u r p L L

u r i p L i L i

u r i p L i L

u r i p L i L

(1)

Phương trình điện cơ:

' ' '

e

3. . . . . . . ( ). .

2 2

. ( . )2.

e md dr qs mq qr ds m qs md mq ds qs

r c r

pM L i i L i i i L L i i

Pp M M F

J

(2)

Sơ đồ mạch điện thay thế dọc trục và ngang trục của

LSPMSM thỏa mãn các phương trình điện áp và từ thông

trong mô hình toán (1)÷(2) được thể hiện ở Hình 1và Hình

2, trong đó, để mô hình hóa, thay thế ’m = Lrc.i’m, Lrc là

điện kháng giả tưởng NCVC [9], i’m là dòng từ hóa tương

đương quy đổi sang stato của NCVC:

r1

ids

Llsr.qs

Lmd

Llr’ rdr’

idr’

im’uds

Lrc

udr’=0

Hình 1. Sơ đồ mạch điện thay thế trục d (nguồn [9])

r1

iqs

Llsr.ds

Lmq

Llr’

iqr’

uqs

rqr’

uqr’=0

Hình 2. Sơ đồ mạch điện thay thế trục q (nguồn [9])

2.2. Ảnh hưởng của bão hòa mạch từ đến điện cảm từ

hóa đồng bộ dọc trục, ngang trục Lmd, Lmq

2.2.1. Ảnh hưởng của bão hòa mạch từ đến điện cảm từ

hóa đồng bộ ngang trục Lmq

Trong quá trình khởi động, dòng khởi động lớn dẫn đến

bão hòa mạch từ trong lõi thép của LSPMSM. Do ảnh

hưởng của bão hòa mạch từ, điện kháng đồng bộ ngang trục

phải được xét là đại lượng phi tuyến phụ thuộc vào trạng

thái bão hòa của động cơ và là hàm của dòng ngang trục

iqs, Lmq=f(iqs) [5].

Hình 3. Cấu tạo LSPMSM 3 pha, 2,2 kW

Đối với LSPMSM 3 pha, 2,2 kW thử nghiệm tại Hình

3, đặc tính Lmq=f(iqs) được xác định bằng phần mềm

Ansys/Maxwell 2D ứng dụng phương pháp PTHH như

Hình 4 [5]:

Hình 4. Đặc tính Lmq=f(iqs) tính toán với phương pháp PTHH

Bảng 1. Kết quả tính toán đặc tính Lmq=f(iqs) với

phương pháp PTHH

Dòng iqs (A) Lmq (H)

1 0,2414

3 0,2167

7 0,1264

15 0,0723

30 0,0416

40 0,0328

50 0,0272

2.2.2. Ảnh hưởng của bão hòa mạch từ đến điện cảm từ

hóa đồng bộ dọc trục Lmq

Tương tự điện cảm đồng bộ ngang trục, trong quá trình

khởi động, điện cảm đồng bộ dọc trục cũng phải xét là đại

lượng phi tuyến và là hàm của dòng ids, Lmd=f(ids). Sử dụng

Ansys/Maxwell 2D, xác định đặc tính Lmd=f(ids) của

LSPMSM 3 pha, 2,2 kW thử nghiệm như Hình 5.

Hình 5. Đặc tính Lmd=f(ids) tính toán với phương pháp PTHH

Bảng 2. Kết quả tính toán đặc tính Lmd=f(ids) với

phương pháp PTHH

Dòng ids (A) Lmd (H)

1 0,10493

3 0,07534

7 0,06344

15 0,05266

30 0,03851

40 0,03136

50 0,02646

2.3. Ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài đến điện trở và

điện kháng tản rôto, r’2, x’2

LSPMSM là động cơ có rôto lồng sóc, vì thế, quá trình

khởi động phải xét đến ảnh hưởng của hiện tượng hiệu ứng

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Dßng ®iÖn iqs (A)

Lm

q (

H)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0.11

Dßng ®iÖn ids (A)

Lm

d (

H)


mặt ngoài. Khi đó điện cảm và điện trở rôto được xác định

là hàm của độ trượt s [6].

Điện kháng tản rôto được xác định theo hàm:

x’2 = x’r0 + x’r2.kL(s) (3)

Điện trở rôto được xác định theo hàm:

' ' '

2 . (s)rv rtd Rr r r k (4)

Trong đó, kL(s), kR(s) lần lượt là hệ số hiệu ứng mặt

ngoài điện kháng tản và hệ số hiệu ứng mặt ngoài điện trở

phụ thuộc độ trượt s.

2.4. Ảnh hưởng bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài

đến điện kháng tản stato, rôto x1, x’2

Trong quá trình khởi động, tương tự SCIM giả thiết:

Thông số điện kháng tản stato và rôto x1, x’2 do bão hòa mạch

từ gây ra giảm tỷ lệ bậc nhất với dòng điện khởi động [7].

Như vậy, xét ảnh hưởng của bão hòa mạch từ, điện cảm

tản stato được xác định như sau:

1 10 ® 1

( ).s s m bhx

x x I I k (5)

Trong đó, x10 là thành phần điện kháng tản hằng số

không phụ thuộc vào trạng thái bão hòa mạch từ; Is, Isđm

tương ứng là thành phần dòng stato tức thời và định mức

stato; kbhx1 là hệ số bão hòa đặc tính điện kháng tản stato.

Đối với điện cảm tản rôto, trong quá trình khởi động,

ngoài ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài (3) còn chịu ảnh

hưởng của bão hòa mạch từ [7]. Như vậy, điện kháng tản

rôto được xác định:

2 0 2 ® 2 20' ' ' . (s) ( ). '

r r L s s m bhx bhx x x k I I k x

(6)

Trong đó, x’r0 là thành phần điện kháng hằng số rôto

quy đổi không chịu ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài,

x’r2 là thành phần điện kháng tản rãnh rôto quy đổi, kbhx2 là

hệ số bão hòa đặc tính điện kháng tản rôto, x’20bh là đại

lượng điện kháng hằng số.

2.5. Mô hình toán của LSPMSM khi xét bão hòa mạch

từ và hiệu ứng mặt ngoài

Khi xét ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và hiệu ứng

mặt ngoài, các thông số của LSPMSM trong quá trình khởi

động được xác định:

- Điện cảm từ hóa dọc trục, ngang trục Lmd, Lmq: Như

Bảng 1, 2.

- Điện trở rôto:

' ' '

2 . (s)rv rtd Rr r r k

- Điện kháng tản rôto:

2 0 2 ® 2 20' ' ' . (s) ( ). '

r r L s s m bhx bhx x x k I I k x

- Điện kháng tản stato:

1 10 ® 1

( ).s s m bhx

x x I I k

Áp dụng kết quả tính toán cho LSPMSM thử nghiệm 3

pha, 2,2 kW, các thông số được xác định cụ thể ở Bảng 3.

Bảng 3. Thông số LSPMSM 3 pha, 2,2 kW

xét hiệu ứng mặt ngoài và bão hòa mạch từ

Thông số Giá trị Đơn vị

Điện trở stato r1=3,6

Điện trở lồng sóc

rôto quy đổi '

2 ' ' 0,72 1,39. (s)qr dr Rr r r k

Điện cảm tản stato 13,25 0,0426.ls sL I mH

Điện cảm tản lồng

sóc rôto quy đổi

lr L sL' 6,604 5,11.k (s) 0,112.I mH

Điện cảm từ hóa

đồng bộ dọc trục Tra bảng 1Lmd = f(ids) mH

Điện cảm từ hóa

đồng bộ ngang trục Tra bảng 2Lmq = f(iqs) mH

Sức điện động cảm

ứng NCVC E0=118 V

Vậy, mô hình toán LSPSM khi xét ảnh hưởng của bão

hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài được hiệu chỉnh:

Phương trình điện từ: ' '

1 s ds ds

'

s qs qs

'

1 s qs qs

' '

s ds ds

'

2

.i .[( (I ) (i )) (i ). ]

.[( (I ) (i )) (i ). ]

. .([ (I ) (i )] (i ). )

.[( (I ) (i )) (i ). ]

(s)

ds

qr

qs qr

ds ls md ds md dr m

r ls mq qs mq

qs ls mq qs mq

r ls md ds md dr m

dr

u r p L L i L i

L L i L i

u r i p L L i L i

L L i L i

u r

'

ds'

' ' '

s

' ' ' ' '

s ds

(i ).( ). . 0

(I ,s).

(s). . (I ,s). (i ).( ) 0

dr

qr

md ds

dr

lr dr m

qr r qr lr qr mq qs

L i ii p

L i

u r i p L i L i i

(7)

Phương trình điện cơ:

' '

'

e

(i ). . (i ). .3. .

2 2 . ( (i ) (i )). .

. ( . )2.

md ds dr qs mq qs qr ds

e

m qs md ds mq qs ds qs

r c r

L i i L i ipM

i L L i i

Pp M M F

J

(8)

Sơ đồ mạch điện thay thế dọc trục, ngang trục khi xét

ảnh hưởng bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài:

r1

ids

Llsr.qs

Lmd

Llr’

rdr’

idr’

im’uds

Lrc

udr’=0

Hình 6. Sơ đồ mạch điện thay thế trục d hiệu chỉnh

r1

iqs

Llsr.ds

Lmq

Llr’

iqr’uqs

rqr’

uqr’=0

Hình 7. Sơ đồ mạch điện thay thế trục q hiệu chỉnh

2.6. Kết quả mô phỏng LSPMSM khi xét đến ảnh hưởng

hiệu ứng mặt ngoài

Sử dụng MATLAB/Simulink mô phỏng mô hình toán

hiệu chỉnh (7), (8) của LSPMSM, trong đó có xét đến bão

66 Lê Anh Tuấn, Bùi Đức Hùng, Phùng Anh Tuấn

hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài. Kết quả mô phỏng sẽ

được so sánh với:

- Kết quả mô phỏng từ phần mềm Ansys/Maxwell 2D

ứng dụng phương pháp PTHH.

- Kết quả đo lường từ LSPMSM thử nghiệm.

Trong đó, LSPMSM thí nghiệm 3 pha, 2,2 kW có cấu

tạo như Hình 3, các thông số được xác định tại Bảng 3.

2.6.1. Kết quả mô phỏng từ mô hình và với phần mềm

Ansys/Maxwell 2D

Mô phỏng LSPMSM ở các điều kiện, J=JR, mô-men tải

đặt vào trục động cơ bằng mô-men định mức, MC=14 N.m.

Kết quả mô phỏng như sau:

Hình 8. Đặc tính tốc độ khởi động từ mô phỏng mô hình với

Matlab và Maxwell 2D

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

Matlab

Maxwell

Thời gian (s)

Mô

men

(N

.m)

Hình 9. Đặc tính mô-men khởi động từ mô phỏng mô hình với

Matlab và Maxwell 2D

Các đặc tính khởi động thu được từ phương pháp mô

phỏng mô hình toán hiệu chỉnh với Matlab và phương pháp

PTHH với Ansys/Maxwell 2D là tương đồng nhau, cả 2

phương pháp có cho đường đặc tính tốc độ sẽ mất 0,5s để

đi vào đồng bộ, để đạt đến tốc độ đồng bộ

(1.500 vòng/phút) lần đầu LSPMSM trải qua 5 lần giảm tốc.

2.6.2. Kết quả mô phỏng từ mô hình với Matlab và thực nghiệm

Bài báo tiến hành đo lường kiểm nghiệm trên mô hình

LSPMSM thí nghiệm 2,2 kW thực tế. LSPMSM được khảo

sát ở chế độ không tải. Kết quả mô phỏng như Hình 10-13.

Kết quả đặc tính tốc độ, dòng khởi động của LSPMSM

2,2 kW thu được từ mô phỏng mô hình và đo lường thực tế

tại chế độ không tải của động cơ là tương đồng nhau, sự sai

khác ở đây có thể do một số nguyên nhân như phương pháp

đo, thiết bị đo, công nghệ chế tạo, nạp từ nam châm vĩnh

cửu, quá trình cân chỉnh trong lắp đặt, tuy nhiên, các sai số

này là trong giới hạn cho phép và chấp nhận được. Với kết

quả thực nghiệm trên, khẳng định mô hình toán LSPMSM

hiệu chỉnh là phù hợp với thực tế vận hành của động cơ.

LSPMSM

Gối đỡ

Encoder

Hình 10. LSPMSM 3 pha, 2,2 kW thí nghiệm

Hình 11. Đo lường LSPSM 2,2 kW thí nghiệm

Hình 12. Đặc tính dòng điện khởi động mô phỏng mô hình với

Matlab và đo lường

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Mô phỏng

Đo lường

Thời gian (s)

Tốc

độ

(vò

ng/

ph

út)

Hình 13. Đặc tính mô-men khởi động mô phỏng mô hình với

Matlab và đo lường

3. Kết luận

Quá trình khởi động của LPSMSM chịu ảnh hưởng lớn

nhất là bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài. Các nghiên

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Thêi gian (s)

Tè

c ®

é (

Vß

ng

/ph

ót)

Matlab

Maxwell

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

Thêi gian (s)

Dß

ng

®iÖ

n (

A)

M« pháng

§o lêng


cứu trước đây thường xét các ảnh hưởng trên một cách độc

lập, như nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài [6].

Kết quả thu được từ các nghiên cứu đã từng bước làm cho

kết quả đặc tính khởi động thu được từ mô phỏng mô hình

toán LSPMSM chính xác với thực tế hơn, phần nào giúp

người thiết kế điều chỉnh để cải thiện đặc tính khởi động.

Tuy nhiên, để có đặc tính LSPMSM chính xác nhất, phản

ánh đúng quá trình khởi động đòi hỏi phải xét tổng hợp của

các ảnh hưởng bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài. Bài

báo đã đề xuất mô hình toán LSPMSM hiệu chỉnh có xét

đến đến bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài, trong đó,

các thông số là các đại lượng phi tuyến và là hàm của các

biến trạng thái vận hành của động cơ.

Kết quả mô phỏng từ mô hình toán hiệu chỉnh được so

sánh với kết quả thu được từ phần mềm Ansys/Maxwell 2D

và đo lường thực tế ở chế độ đầy tải và không tải tương

ứng. Sự tương đồng trong các đặc tính khởi động thu được

khẳng định sự chính xác của mô hình hiệu chỉnh đề xuất.

Kết quả mô hình toán và mô phỏng từ bài báo sẽ giúp

ích rất nhiều cho các nhà thiết kế trong đánh giá đặc tính

khởi động của LSPMSM, đồng thời có thể đưa ra các quyết

định điều chỉnh phù hợp trước khi chế tạo.


[1] V.B. Honsinger, “Permanent Magnet Machines: Asychronous

Operation”, IEEE Transaction on Power Appratus ans Systems, Vol.

PAS-99, No. 4, 1980.

[2] V. Elistratova, M. Hecquet, P. Brochet, D. Vizireanu, M. Dessoude,

Analytical Approach for Optimal Design of a Line-Start Internal

Permanent Magnet Synchronous Motor, 15th European Conference

on Power Electronics and Applications (EPE), 2013, pp. 1-7.

[3] A. Takahashi, S. Kikuchi, K. Miyata, S. Wakui, H. Mikami, K. Ide,

A. Binder, Transient-Torque Analysis for Line-Starting Permanent-

Magnet Synchronous Motors, IEEE 18 th International Conference

on Electrical Machines, 2008, pp. 1-6.

[4] M. H. Soreshjani, A. Sadoughi, “Conceptual Comparison of Line-

Start Permanent Magnet Synchronous and Induction Machines for Line-Fed of Different Conditions”, Journal of World’s Electrical

Engineering and Technology, Issn: 2322-5114, 2014.

[5] Le Anh Tuan, Bui Duc Hung, Phung Anh Tuan, Saturable q-axis

magnetizing inductance calculation of Line Start-Permanent Magnet Synchronous Motors using Lumped Parameter Model, IEEE

International Conference on Sustainable Energy Technologies

(ICSET), 2016, pp. 906 - 911.

[6] Lê Anh Tuấn, Bùi Đức Hùng, Phùng Anh Tuấn, Bùi Minh Định,

“Nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài và giải pháp nâng cao chất lượng khởi động của động cơ đồng bộ nam châm

vĩnh cửu khởi động trực tiếp”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại

học Đà Nẵng, số 1-2017, 2017, trang 70-74.

[7] Bùi Đức Hùng, Luận án nghiên cứu quá trình động khởi động động

cơ không đồng bộ rôto lồng sóc, 1998, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

[8] D. Stoia, M. Cernat, A. A. Jimoh, D. V. Nicolae, Analytical Design

and Analysis of Line Starting Permanent Magnet Synchronous

Motors, IEEE Africon’09, 2009, pp.1-7.

[9] Chee-Mun Ong, Dynamic Simulation of Electric Machinery using

MATLAB/Simulink, Prentice Hall PTR, 1998, pp. 1-7.


http://ieeexplore.ieee.org/xpl/mostRecentIssue.jsp?punumber=6611296



68 Trần Văn Vang, Trần Thanh Sơn

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ LÒ ĐỐT RÁC MINI HỘ GIA ĐÌNH NÔNG THÔN

RESEARCH ON DESIGNING A MINI WASTE INCINERATOR MODEL FOR HOUSEHOLDS

Trần Văn Vang, Trần Thanh Sơn


Tóm tắt - Ô nhiễm rác thải sinh hoạt ở khu vực nông thôn và miền núi đang ngày càng nghiêm trọng, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe và đời sống của người dân. Việc nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo một mô hình lò đốt rác quy mô hộ gia đình là cấp thiết để giải quyết một phần vấn đề ô nhiễm rác thải ở vùng nông thôn. Bài báo đã phân tích đánh giá hiện trạng ô nhiễm rác thải ở nông thôn, các phương pháp xử lý hiện nay. Từ các cơ sở lý thuyết, tác giả đề xuất một mô hình lò đốt rác gồm buồng đốt và buồng sấy nhằm sấy rác trước khi đốt trong lò. Để đánh giá khả năng làm việc của mô hình đề xuất, các tác giả đã tính toán, thiết kế và xây dựng một mô hình lò đốt rác với công suất 15 kg/h. Từ mô hình thực nghiệm, các tác giả đã tiến hành đánh giá các kết quả thực nghiệm. Các kết quả ban đầu thu được là rất khả quan với nhiệt độ buồng đốt có thể đạt 840°C; độ ẩm của rác sau khi sấy 30 phút giảm từ 32% xuống còn 24%.

Abstract - Contamination of domestic waste in rural and mountainous areas of Vietnam is increasingly serious, affecting the health and well-being of people. It is imperative to study the design and calculation of an incinerator model for households in order to solve problems of waste pollution in rural areas. The aim of this paper is to propose an incinerator model for households in rural area with low costs, easy operation and implementation. The novel model has a waste drying chamber that helps to reduce the humidity of the waste. To assess the viability of the proposed model, the authors have calculated, designed and constructed a model of incinerator with a capacity of 15 kg/h. The experimental results show that the temperature of combustion chamber can reach 824°C; the moisture content of the garbage can be reduced from from 32% to 24% after 30 minutes of drying in the chamber.

Từ khóa - rác thải sinh hoạt; lò đốt rác; buồng đốt; xử lý rác; hộ gia đình.

Key words - domestic waste; incinerator; chamber; waste treatment; household.


Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa nông nghiệp

nông thôn ở nước ta hiện nay đã và đang trở thành một xu

thế phát triển tất yếu. Tuy nhiên, quá trình này cũng đã tạo

ra những mặt trái, đó là tình trạng ô nhiễm môi trường do

rác thải sinh hoạt, công và nông nghiệp ngày càng nghiêm

trọng. Ở các thành phố lớn, rác thải sinh hoạt được thu gom

và xử lý liên tục, nên vấn đề ô nhiễm do rác thải được giải

quyết khá tốt. Tuy nhiên, ở các vùng nông thôn thì việc quy

hoạch, quản lý và xử lý rác thải còn rất nhiều vấn đề bất

cập cần được nghiên cứu giải quyết.

Rác thải ở các vùng nông thôn chủ yếu là rác thải sinh

hoạt và rác thải nông nghiệp. Theo báo cáo hiện trạng môi

trường quốc gia giai đoạn 2011-2015 của Bộ Tài nguyên

và Môi trường, khu vực nông thôn ở nước ta phát sinh

khoảng 31.000 tấn rác thải sinh hoạt mỗi ngày. Cùng với

đó, mỗi năm có khoảng 14.000 tấn rác thải nông nghiệp

nguy hại (bao bì, chai, lọ của thuốc bảo vệ thực vật, phân

bón) [1]. Vì lượng rác thải phát sinh ngày càng lớn nhưng

lại không được thu gom và xử lý tập trung. Thêm vào đó,

do ý thức tham gia bảo vệ môi trường của người nông dân

chưa cao nên rác thải thường được đổ tự do ra rìa đường,

đồng ruộng, mương rãnh hoặc sông, suối gây mất mỹ quan

và ô nhiễm môi trường nước, đất và không khí ngày càng

trầm trọng, gây ảnh hưởng xấu đến đời sống sức khỏe của

cộng đồng dân cư.

Để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do rác thải ở

các vùng nông thôn, đã có nhiều giải pháp được đưa ra, từ

việc quản lý, quy hoạch đến đề xuất công nghệ xử lý rác thải.

Hiện nay, theo quy định của Nhà nước, chi phí để xử lý 1 tấn

rác ở vùng nông thôn là 8.000 đồng, thấp hơn rất nhiều so

với 27.200 đồng để xử lý rác theo công nghệ tiêu chuẩn [2].

Chính vì thế, việc xử lý rác thải sinh hoạt ở vùng nông thôn

hiện nay chủ yếu vẫn được thực hiện dưới 2 hình thức, đó là

chôn lấp hoặc dùng lò đốt thủ công với chi phí đầu tư thấp.

Tuy nhiên, ở nhiều nơi, giải pháp chôn lấp không còn đáp

ứng, thậm chí còn gây ô nhiễm trầm trọng hơn.

Hình 1. Rác thải ngập đường làng nông thôn

Do chi phí đầu tư hợp lý và vận hành khá đơn giản nên

gần đây một số địa phương đã đầu tư và lắp đặt các lò đốt

có công suất vừa và nhỏ, phục vụ xử lý chất thải rắn cho

khu vực nông thôn ở quy mô liên xã. Theo ước tính, cả

nước hiện có khoảng 100 lò đốt rác thải sinh hoạt, đa số là

các lò đốt cỡ nhỏ, công suất dưới 500 kg/giờ [2]. Các thông

số chi tiết về tính năng kỹ thuật khác của lò đốt chưa được

thống kê đầy đủ [2]. Tỉnh Ninh Bình đã nghiên cứu và đưa

vào sử dụng lò đốt rác Losiho 500 với công suất đốt

500 kg/h để phục vụ xử lý rác cho 3 xã trong tỉnh [3].

Tương tự, tỉnh Bắc Giang cũng đã đầu tư lắp đặt lò đốt rác

NFI Nhật Bản, công suất 400 kg/h để xử lý rác cho 4 xã

trong tỉnh [4]. Hầu hết các lò đốt rác được đầu tư cho quy

mô liên xã và đã bước đầu giải quyết được một phần rác

thải ở một số khu vực nông thôn. Tuy nhiên, nhược điểm

của việc sử dụng các loại lò này là chi phí đầu tư ban đầu

khá cao (khoảng 2 – 4 tỉ đồng), cần có mặt bằng lớn để lắp

đặt và xây bãi rác tập trung. Thêm vào đó, chi phí vận hành

cũng rất lớn, do cần phải có nguồn lực để thu gom, phân

loại rác thải và vận hành lò đốt. Do đó, rất khó để ứng dụng

rộng rãi các mô hình lò đốt rác này. Chính vì thế, trong bài

báo này, tác giả đề xuất nghiên cứu thiết kế lò đốt rác mini

quy mô hộ gia đình với chi phí rẻ hơn, dễ vận hành, có khả




năng ứng dụng rộng rãi và phù hợp với đặc tính sinh hoạt

của người nông dân Việt Nam.

2. Phân tích lựa chọn mô hình lò đốt rác mini

2.1. Thực trạng sử dụng lò đốt rác mini ở Việt Nam

Trong chương trình mục tiêu quốc gia về xây dựng nông

thôn mới, vệ sinh môi trường thôn xóm thực sự là một tiêu

chí rất khó để đạt được. Để giải quyết vấn đề rác thải sinh

hoạt ở vùng nông thôn, một số địa phương đã triển khai xây

dựng một số mô hình lò đốt rác nhỏ quy mô nhỏ cho hộ gia

đình. Một số ví dụ điển hình là mô hình lò đốt rác tự chế

(Hình 2 và Hình 3) ở tỉnh Bắc Giang, Lào Cai, Vĩnh Long,

v.v. Ưu điểm chung của các loại lò đốt rác tự chế này là chi

phí đầu tư rất thấp, khoảng 2-3 triệu đồng, dễ dàng chế tạo

và vận hành, không tốn diện tích đất xây dựng. Tuy nhiên,

nhược điểm của các loại lò tự chế này đó là: thiết kế chế tạo

chưa đúng kỹ thuật dẫn đến hiệu suất cháy không tốt; chưa

giải quyết được các loại chất thải có độ ẩm lớn; dễ phát sinh

ô nhiễm thứ cấp do phát sinh các loại khí dioxin, furan và

NOx. Do đó, việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo một mô hình

lò đốt rác quy mô hộ gia đình là cấp thiết.

Hình 2. Mô hình lò đốt rác tự chế ở Bắc Giang [5]

Hình 3. Mô hình lò đốt rác ở Lào Cai

2.2. Yêu cầu khi thiết kế mô hình lò đốt rác mini

Bài toán thiết kế và chế tạo lò đốt rác thải sinh hoạt ở

nông thôn thực sự là một bài toán rất khó, vì nếu thiết kế,

chế tạo và vận hành các lò đốt không đúng tiêu chuẩn và

quy cách kỹ thuật có thể gây ra gây ô nhiễm môi trường

thứ cấp do phát sinh khí thải độc hại như: đi-ô-xin, furan….

Chính vì thế, khi thiết kế và chế tạo lò đốt rác, việc tính

toán buồng đốt của lò và tổ chức quá trình cháy của nhiên

liệu rác trong lò đóng vai trò then chốt. Để đảm bảo quá

trình cháy hoàn toàn của nhiên liệu và giảm tối thiểu lượng

khí thải thứ cấp (NOx, đi-ô-xin và furan) ra môi trường thì

nhiệt độ buồng đốt của lò phải nằm trong khoảng 950 –

1.100°C. Đối với các lò đốt rác thải, nhiệt độ của buồng

đốt thường khoảng 800°C. Để đạt được khoảng nhiệt độ

trên thường phải có thêm buồng đốt thứ cấp đốt bổ sung

dầu DO hoặc FO. Đối với quy mô hộ gia đình, việc chế tạo

thêm buồng đốt thứ cấp sẽ làm cho chi phí đầu tư và vận

hành tăng cao, làm giảm khả năng triển khai ứng dụng rộng

rãi cho người nông dân. Do đó, trong bài báo này, các tác

giả chỉ thiết kế mô hình lò đốt rác một buồng đốt sơ cấp để

bước đầu đánh giá khả năng làm việc của mô hình lò đốt

rác được đề xuất này.

Đặc điểm của rác thải sinh hoạt ở các vùng nông thôn

là không được phân loại ngay tại nguồn, thành phần của rác

thải rất đa dạng, độ ẩm rác thải rất cao. Để giải quyết bài

toán thành phần rác thì trước khi đốt, người nông dân cần

phân loại rác thải. Đối với rác thải hữu cơ thì có thể chôn

lấp hợp vệ sinh hoặc sản xuất phân compost. Các loại rác

thải vô cơ khó phân hủy trong tự nhiên sẽ được nhiệt phân

trong lò đốt. Do độ ẩm của rác thải thường rất cao (~40%)

nên khi thiết kế, chế tạo lò đốt rác quy mô hộ gia đình cần

phải có thêm hệ thống sấy các loại rác thải có độ ẩm cao

trước khi đốt. Một yêu cầu quan trọng khác của lò đốt rác

này đó là tổ chức cung cấp không khí vào lò. Lượng không

khí cấp vào lò phải đảm bảo cho quá trình cháy kiệt rác

trong lò, đồng thời không được quá lớn, tránh làm giảm

nhiệt độ buồng đốt.

2.3. Lựa chọn mẫu lò đốt rác mini

Từ những đánh giá và phân tích yêu cầu của mô hình lò

đốt rác, đặc điểm rác thải sinh hoạt ở các vùng nông thôn,

tác giả đã nghiên cứu và đề xuất một mô hình lò đốt rác

mới ứng dụng ở quy mô hộ gia đình, như Hình 4. Lò đốt

rác này gồm 2 phần chính là buồng đốt nằm phía dưới và

buồng sấy rác tích hợp vào lò nằm trên buồng đốt. Nhiệt

lượng cấp cho quá trình sấy rác chính là nhiệt lượng từ khói

thải của quá trình cháy rác khô trong buồng đốt.

Hình 4. Mô hình mới lò đốt rác mini

1-Vỏ thép; 2-Vách buồng đốt; 3-Ghi lò; 4-Cửa thoát khói; 5-Ghi

sấy; 6-Cửa cấp rác ẩm vào buồng sấy; 9-Cửa đẩy liệu từ buồng

sấy xuống buồng đốt; 10-Cửa cấp rác khô vào buồng đốt; 11-

Cửa cào tro; 13-Đáy lò (thiếu chú thích 7-8)

Nguyên lý làm việc: Quá trình cháy rác thải sinh hoạt

trong buồng đốt sinh ra nhiệt. Nhiệt lượng này được sử

dụng để duy trì quá trình đốt cháy nhiên liệu trong lò. Chất

liệu đốt là các loại rác thải rắn sinh hoạt được hô gia đinh

tập kết lại, phân loại và đưa vào lò đốt rác để thiêu hủy. Khi

lò hoạt động ổn định, lượng rác thải có độ ẩm cao trên ghi

sấy (5), nằm trong buồng sấy nhận nhiệt từ ghi sấy, bức xạ

của khói từ buồng đốt lên buồng sấy qua lỗ đẩy liệu (14)

và bức xạ từ (2) dẫn khói (15). Trong quá trình sấy, ẩm


lỏng trong rác nhận nhiệt hoá hơi theo khói lò ra ngoài môi

trường, độ ẩm của rác giảm đến giá trị yêu cầu thì đẩy rác

xuống buồng đốt, đồng thời cấp rác tiếp vào buồng sấy. Tại

buồng đốt ở nhiệt độ cao khoảng 800-850°C, rác tự bốc

cháy và khói sinh ra đi theo 2 đường: qua lỗ thoát khói (4)

theo vách dẫn khói (15) lên ống khói ra ngoài; khói từ

buồng đốt qua lỗ đẩy liệu (14) lên buồng sấy theo ống khói

ra ngoài môi trường. Nhiên liệu sau khi cháy kiệt thành tro

sẽ rơi xuống buồng thải tro qua ghi đốt (3) và được cào ra

ngoài qua cửa cào tro (11).

3. Cơ sở lý thuyết và các bước tính toán thiết kế

❖ Tính toán quá trình cháy của nhiên liệu

Bản chất của bước tính toán này chính là tính lượng gió

cần cấp để đảm bảo cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu rác và

lượng khói thải sinh ra. Đối với quá trình cháy rác thải sinh

hoạt, do độ ẩm và thành phần nhiên liệu thay đổi liên tục, nên

cần giả thuyết là thành phần nhiên liệu rác không thay đổi.

❖ Tính cân bằng nhiệt cho lò đốt

Phương trình cân bằng nhiệt cho mô hình lò đốt rác:

∑ 𝑄𝑐ấ𝑝 = ∑ 𝑄𝑐ℎ𝑖

Trong đó:

∑ 𝑄𝑐ấ𝑝 = Brác.𝑄𝑙𝑣𝑡 – nhiệt lượng cấp vào lò

∑ 𝑄𝑐ℎ𝑖 = Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Qsấy rác

Q2 – tổn thất nhiệt do khói thải;

Q3 – tổn thất cháy không hoàn toàn về hóa học;

Q4 – tổn thất cháy không hoàn toàn về cơ học;

Q5 – tổn thất do tỏa nhiệt ra môi trường;

Qsấy rác – nhiệt lượng dùng để sấy rác trong buồng sấy

đặt trên buồng đốt.

❖ Tính toán buồng đốt

Tính toán buồng đốt rác bao gồm tính thiết kế các kích

thước cơ bản như chiều dài, chiều rộng và chiều cao của buồng

đốt, tính kích thước ghi lò, v.v, tính toán trao đổi nhiệt trong

buồng đốt. Như đã phân tích ở trên, do rác là nhiên liệu rất xấu

với nhiều loại thành phần khác nhau, nên việc thiết kế buồng

đốt đóng vai trò quan trọng nhất. Khi thiết kế chế tạo buồng

đốt rác cho quy mô hộ gia đình thì yêu cầu chính là đảm bảo

nhiệt độ cháy của ngọn lửa càng cao càng tốt (> 650°C). Để

làm được điều này cần giảm tối thiểu các tổn thất nhiệt qua

tường lò, tăng cường khả năng bức xạ nhiệt từ tường lò và sản

phẩm cháy đến vùng cháy của rác.

Ngoài ra, việc tổ chức cung cấp khí vào lò cần được

tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo quá trình cháy hoàn toàn

nhiên liệu. Do kiểu lò lựa chọn là loại lò tự hút không dùng

quạt cấp gió nên cần tính toán lực tự hút của ống khói phù

hợp. Để đảm bảo lực tự hút khí vào lò, chiều cao của ống

khói (H) được tính toán theo công thức sau [6]:

2 2 2

02 01 02 2

1

2

02

( )1,3 . .

2 2,

1. . .

2

K K

o oKtt

o

KKK Ko o o K

o oKK

K o tb

T Th

T TH m

T T Tg

T T T d

Trong đó: ,KK K

o o lần lượt là khối lượng riêng của

không khí và khói ở điều kiện tiêu chuẩn, kg/m3.

01 02 0, , tương ứng với tốc độ của khói tại chân,

đỉnh và tốc độ trung bình của khói ở điều kiện tiêu chuẩn, m/s.

T là nhiệt độ trung bình khói trong ống khói xung, Ko.

µ là hệ số ma sát.

❖ Tính thiết kế buồng sấy rác

Buồng sấy rác của mô hình được đặt trên buồng đốt của

lò. Rác có độ ẩm cao (khoảng 35-40%) sẽ được đưa vào

buồng sấy, tại đây rác sẽ được sấy khô đến độ ẩm trung

bình khoảng 15-20% nhờ nhận nhiệt từ khói thải của quá

trình cháy rác khô trong buồng đốt. Công suất của buồng

sấy sẽ được thiết kế để đảm bảo cung cấp khoảng 70 - 80%

công suất của lò đốt. Lượng rác thiếu hụt sẽ được bổ sung

bằng rác khô. Toàn bộ cơ sở lý thuyết về quá trình sấy rác

bằng tác nhân khói tham khảo theo tài liệu [8].

4. Kết quả chế tạo và nghiên cứu thực nghiệm

4.1. Thông số thiết kế mô hình thực nghiệm

Có thể nói rằng thành phần nhiên liệu chất thải rắn sinh

hoạt từ các hộ gia đình thay đổi theo ngày và theo mùa.

Chính vì thế, rất khó để có thể đưa ra một số liệu chính xác

về thành phần nhiên liệu rác để có thể tính toán thiết kế lò

đốt rác. Thành phần nhiên liệu rác được xác định dựa trên

các thành phần rác thải sinh hoạt đã được công bố [9], khảo

sát thực tế các loại rác và tỉ lệ của chúng ở các hộ dân tại

xã Hòa Nhơn, huyện Hòa Vang, TP. Đà Nẵng.

Tóm lại, tác giả sẽ thiết kế, chế tạo một mô hình lò đốt

rác có công suất 15 kg/h (đảm bảo đốt rác cho cụm dân cư

khoảng 5-7 hộ dân), công suất buồng sấy 12 kg/h với thành

phần nhiên liệu rác đốt như sau:

Thành

phần C H O N S A W

% 51,7 3,7 13,4 0,9 0,1 10,2 20

4.2. Kết quả tính toán thiết kế và chế tạo mô hình thực

nghiệm

Sau khi tính toán thiết kế, kích thước mô hình được thể

hiện trên Hình 5.

Hình 5. Kết quả tính toán buồng đốt

Hình 6 và Hình 7 thể hiện quá trình chế tạo mô hình

thực nghiệm lò đốt rác công suất 15 kg/h, đặt tại phòng thí

nghiệm Khoa Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh, Trường Đại

học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng.


Hình 6. Chế tạo các thiết bị của lò đốt rác

Hình 7. Mô hình hoàn thiện của lò đốt rác công suất 15kg/h

4.3. Kết quả vận hành thử nghiệm mô hình lò đốt rác

Để đánh giá hiệu quả làm việc của mô hình thực nghiệm

lò đốt rác, các tác giả đã tiến hành đốt thực nghiệm rác thải

sinh hoạt của các hộ nông dân ở xóm Phước Thuận, xã Hòa

Nhơn, huyện Hòa Vang, TP. Đà Nẵng. Rác thải được thu

gom và phân loại trước khi đốt. Những loại rác có độ ẩm

thấp sẽ được đốt trước, còn các loại rác có độ ẩm cao hơn

sẽ được đưa vào buồng sấy trước khi đưa vào đốt.

4.3.1. Qui trình vận hành lò đốt rác

Giai đoạn đầu khi lò chưa hoạt động, ta mồi lửa bằng

cách cho rác khô vào buồng đốt qua cửa (10) và tiến hành

châm đốt. Khi quá trình cháy diễn ra ở buồng đốt, ta cũng

cấp rác có độ ẩm cao vào buồng sấy qua cửa cấp liệu (6).

Sau một khoảng thời gian nhất định, rác trên ghi sấy sẽ

được sấy khô đến khoảng 15 – 20% thì đẩy rác xuống

buồng đốt qua lỗ đẩy liệu (14) nhờ mở cửa (6) và (9). Rác

sau khi đẩy xuống buồng đốt sẽ tự bốc cháy do gặp nhiệt

độ buồng đốt cao, khoảng 800-850°C. Sau đó, rác ẩm tiếp

tục được cấp vào buồng sấy.

4.3.2. Kết quả đốt thử nghiệm

Trước khi thu thập số liệu, các tác giả đã tiến hành đốt

thử nhiều lần, hiệu chỉnh các thông số của lò đốt rác. Sau

khi xác định được các điều kiện vận hành để lò hoạt động

ổn định thì bắt đầu thí nghiệm và ghi số liệu.

Hình 8. Hình ảnh đốt thực nghiệm mô hình lò đốt rác 15 kg/h

Đốt thử nghiệm 15 kg rác có độ ẩm trung bình khoảng

32-35%. Rác khô được đưa vào buồng đốt còn rác ẩm hơn

đưa vào buồng sấy. Tiến hành đo đạc các thông số như:

nhiệt độ buồng đốt, buồng sấy và khói thải; tốc độ khói thải

và độ ẩm của rác trong buồng sấy theo thời gian. Độ ẩm

của rác được xác định bằng cách lấy các mẫu rác ngẫu

nhiên, sau đó đưa vào thiết bị sấy ở phòng thí nghiệm Kỹ

thuật sấy, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng,

tiến hành quá trình sấy ở 70°C cho đến khi khối lượng rác

không đổi. So sánh khối lượng rác trước khi sấy và sau khi

sấy, xác định được độ ẩm của rác.

a. Đánh giá nhiệt độ buồng đốt và buồng sấy

Nhiệt độ buồng đốt và buồng sấy rác của mô hình lò đốt

rác được thể hiện ở Hình 9. Qua thí nghiệm thấy rằng, thời

gian để cháy kiệt 15 kg rác trong buồng đốt là 68 phút. Như

vậy, công suất lò bị giảm xuống chỉ còn khoảng 90% so

với thiết kế. Nguyên nhân giảm công suất lò so với thiết kế

là do nhiên liệu rác mang vào có độ ẩm cao hơn và thành

phần nhiên liệu rác thấp hơn so với thiết kế. Nhiệt độ buồng

lửa cao nhất có thể đạt là 824°C. Nhiệt độ buồng sấy có thể

đạt là 320°C. Tại thời điểm 30 phút và 50 phút vận hành,

nhiệt độ buồng lửa và buồng sấy giảm xuống là do mở cửa

để đẩy rác khô xuống buồng đốt và cho rác ẩm mới vào.

Hình 9. Đánh giá nhiệt độ của buồn đốt rác

b. Đánh giá nhiệt độ và tốc độ khói thải

Hình 10 thể hiện sự thay đổi nhiệt độ của khói thải ra

khỏi mô hình thực nghiệm lò đốt rác. Nhiệt độ trung bình

của khói thải khoảng 300°C. Như vậy, một ưu điểm nữa

của mô hình so với các mô hình lò đốt tự chế khác đó là

giảm nhiệt độ khói thải do sử dụng buồng sấy đặt trong lò.

Hình 10. Đánh giá nhiệt độ khói thải của mô hình

Tốc độ khói thải thoát khỏi lò cũng được tiến hành đo

đạc và kiểm nghiệm để kiểm tra lực tự hút của lò. Hình 11

thể hiện sự thay đổi của tốc độ khói thải theo thời gian. Có

thể thấy rằng, nhiệt độ trung bình khói thải khoảng 2,1 m/s.

Giá trị này là hợp lý so với thiết kế và tính chọn ban đầu.

828

550

1200

200


Hình 11. Đánh giá tốc độ khói thải thoát khỏi lò

c. Đánh giá độ ẩm của rác theo thời gian

Để đánh giá khả năng làm việc của buồng sấy rác, các

tác giả cũng đã tiến hành xác định độ ẩm của rác thải theo

thời gian (Hình 12). Từ Hình 12, ta thấy rằng độ ẩm của

rác có thể giảm từ 32% xuống còn khoảng 24% trong

khoảng 30 phút. Tại thời điểm này, rác được đẩy xuống

buồng đốt để thực hiện quá trình đốt. Giá trị độ ẩm sau khi

sấy của rác là chấp nhận được cho quá trình cháy trong lò,

mặc dù nó có gây ra giảm công suất và nhiệt độ buồng đốt.

Hình 12. Độ ẩm của rác thải ở buồng sấy theo thời gian

5. Kết luận

Bài báo đã phân tích các thực trạng rác thải và xử lý rác

thải ở các khu vực nông thôn miền núi. Từ thực trạng đó,

bài báo đã phân tích lựa chọn mô hình lò đốt rác quy mô

hộ gia đình với những ưu điểm vượt trội hơn so với các lò

đốt tự chế hiện tại. Thêm vào đó, một mô hình thực nghiệm

lò đốt rác công suất 15 kg/h đã được thiết kế và chế tạo.

Qua quá trình đốt thực nghiệm trên mô hình, có thể thấy

rằng, lò đốt rác đáp ứng các yêu cầu thiết kế đề ra như:

nhiệt độ buồng lửa, lực hút của lò đốt, độ ẩm của rác thải

sau khi sấy. Cụ thể, nếu rác thải mang vào đốt có độ ẩm

trung bình 32% thì nhiệt độ buồng đốt có thể đạt 824°C.

Độ ẩm của rác thải có thể giảm xuống từ 32% xuống còn

24% trong vòng 30 phút.

Với nhiệt độ buồng đốt 824°C, mô hình lò đốt rác

không thể khử các loại khí độc thứ cấp như đi-ô-xin hay

furan. Đây chính là nhược điểm của loại lò này. Tuy

nhiên, nếu cân nhắc với các lò tự chế thì lò này có ưu điểm

vượt trội.

Trong các thí nghiệm sắp tới, các tác giả sẽ tiến hành

cho các loại rác thải với các độ ẩm khác nhau và đánh giá

hàm lượng khí thải độc hại ra môi trường, đánh giá chi phí

đầu tư và vận hành của mô hình.

Lời cảm ơn

Các tác giả thừa nhận sự đóng góp tích cực của các sinh

viên nghiên cứu khoa học: Nguyễn Hữu Nghị, Từ Đức

Tiến, Phan Thanh Viên, Lớp 12N, Khoa Công nghệ Nhiệt

– Điện lạnh, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

trong việc chế tạo và chạy thực nghiệm mô hình.


[1] Vũ Duy và Hiếu Hiển, Giải bài toán rác thải nông thôn, Báo Quân

đội Nhân dân, 2016.

[2] Nguyễn Văn Lâm, Tình hình quản lý chất thải rắn tại Việt Nam,

Đề xuất các giải pháp tăng cường hiệu quả công tác quản lý chất thải rắn, Kỷ yếu Hội nghị Môi trường toàn quốc lần thứ IV, 2015.

[3] Hồng Điển, “Ninh Bình sử dụng lò đốt rác Losiho góp phần giải

quyết bài toán xử lý rác thải nông thôn”, Tạp chí Môi trường.

[4] Trần Phượng, Lò đốt rác thải mini khắc phục ô nhiễm môi trường

nông thôn, Sở Khoa học và Công nghệ Bắc Giang.

[5] Lâm Dũng, Tăng hiệu quả lò đốt rác tự chế, Sở Khoa học và Công

nghệ Bắc Giang, http://bacgiang.gov.vn

[6] Hoàng Kim Cơ, Tính toán kỹ thuật lò công nghiệp, Nhà xuất bản

Giáo dục.

[7] Bộ Tài Nguyên và Môi trường, Quy chuẩn Quốc gia về lò đốt rác

thải rắn y tế, QCVN 02:2012/BTNMT.

[8] Trần Văn Phú, Tính toán và thiết kế hệ thống sấy, Nhà xuất bản

Giáo dục.



PHÂN TÍCH GIÁ ĐIỆN NÚT VÀ GIẢI QUYẾT TẮC NGHẼN TRUYỀN TẢI

CHO THỊ TRƯỜNG ĐIỆN BÁN BUÔN CẠNH TRANH

LOCATIONAL MARGINAL PRICING ANALYSIS AND TRANSMISSION CONGESTION

MANAGEMENT OF COMPETITIVE WHOLESALE POWER MARKET

Đinh Thành Việt1, Nguyễn Hùng2, Nguyễn Tấn Hưng3, Nguyễn Thị Phương Dung4 1Đại học Đà Nẵng; [email protected]

2Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh; [email protected] 3Tổng Công ty Điện lực TP. Hồ Chí Minh; [email protected]

4Trường Trung cấp nghề Cần Giuộc, Long An; [email protected]

Tóm tắt - Bài báo này nghiên cứu mô hình giá điện và phương pháp giải quyết tắc nghẽn truyền tải cho thị trường điện bán buôn cạnh tranh. Phương pháp giá điện nút được lựa chọn như là mô hình hiệu quả, minh bạch, kích thích cạnh tranh trong thị trường điện bán buôn. Hai phương pháp giải quyết tắc nghẽn truyền tải dựa trên tái điều độ các nguồn phát, dựa trên cực tiểu tổng chi phí trong vận hành và lắp đặt đường dây mới trong quy hoạch dài hạn cho thấy sự hiệu quả về kinh tế lẫn kỹ thuật. Áp dụng mô phỏng cho thị trường điện giá nút cho lưới điện mẫu IEEE 14 nút trên phần mềm Power World Simulator V.17. Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của mô hình giá điện nút phản ảnh đúng trạng thái khi vận hành thị trường, và phương pháp giải quyết tắc nghẽn đảm bảo thị trường điện vận hành ổn định, có thể sử dụng cho thị trường điện bán buôn cạnh tranh Việt Nam trong tương lai gần.

Abstract - This paper studies pricing modeling and transmision congestion management method. Locational Marginal Price (LMP) is chosen as the efficient, transparent, stimulating competition model in the wholesale power market. Two transmision congestion management methods of the competitive wholesale electricity market based on generation redispatch with minimum cost total and new transmision line installation in long term planning shows both economic and technical efficiency. Applying the nodal price method for the IEEE-14 bus power market on Power World Simulator V.17, the simulation results show that the efficiency of the Locational Marginal Price and transmission congestion management method reflects the market operation states, ensures a stable electricity market and can be used for the Vietnam Wholesale Electricity Market (VWEM) in the near future.

Từ khóa - trào lưu công suất (PF); trào lưu công suất tối ưu (OPF); quy hoạch tuyến tính (LP); giá điện nút (LMP); quản lý tắc nghẽn truyền tải (TCM); thị trường điện bán buôn cạnh tranh Việt Nam (VWEM); đơn vị vận hành hệ thống điện và thị trường điện (SMO).

Key words - power flow (PF); optimal power flow (OPF); linear programming (LP); locational marginal price (LMP); transmission congestion management (TCM); Vietnam wholesale electricity market (VWEM); system and market operator (SMO).

1. Giới thiệu

Thị trường điện cạnh tranh đã và đang phát triển rộng rãi

trên thế giới, nó không chỉ dừng lại ở phạm vi lãnh thổ của

một quốc gia mà hình thành những thị trường điện liên quốc

gia, trao đổi mua bán điện giữa các nước trong một khu vực.

Hiện nay, có rất nhiều thị trường điện vận hành thành công

tại Mỹ, châu Âu, châu Á,… Các nước trong khu vực

ASEAN như Singapore, Philipines, Thái Lan, Malaysia... đã

có những bước đi tích cực trong việc xây dựng thị trường

cạnh tranh của mỗi nước, tiến tới việc hình thành thị trường

điện khu vực ASEAN trong tương lai [1-3].

Trong thị trường điện cạnh tranh, giá điện là thông tin

quan trọng tác động trực tiếp đến các hành vi, chiến lược

kinh doanh của các bên tham gia, những người mua luôn

mong muốn giá điện thấp trong khi những người bán muốn

giá điện cao để mang lại lợi nhuận cao. Do vậy, muốn có

thị trường điện mang lại lợi ích toàn cục cho xã hội, hoạt

động sản xuất kinh doanh hiệu quả, thu hút đầu tư thì cần

có mô hình giá điện và cơ chế vận hành thị trường điện hợp

lý [2-3].

Trong bối cảnh Việt Nam đang trong giai đoạn xây

dựng thí điểm thị trường điện bán buôn cạnh tranh VWEM

[4-5] thì các vấn đề như xây dựng cấu trúc mô hình, cơ chế

vận hành thị trường điện giao ngay, phương thức chào giá

và phương thức vận hành thị trường đang được nghiên cứu

để thị trường đi vào vận hành ổn định, hiệu quả, đạt được

mục tiêu đề ra.

Hình 1. Lộ trình phát triển thị trường điện Việt Nam

Trong thị trường điện bán buôn cạnh tranh nói chung,

câu hỏi lớn đặt ra là phương pháp tính giá điện truyền tải

như thế nào cho phù hợp với thị trường mỗi nước, chẳng

hạn như Việt Nam đang trong giai đoạn xây dựng thí điểm

mô hình thị trường điện bán buôn cạnh tranh Việt Nam

(VWEM) và hoàn chỉnh đi vào vận hành chính thức sau

năm 2022 như trên Hình 1. Trong [6-7], các tác giả đã đề

cập đến các phương pháp tính giá điện truyền thống như

phương pháp tem thư, MW-km, trào lưu công suất, chi phí

biến đổi, tuy nhiên, các phương pháp này không cho thấy

sự hiệu quả vận hành và tính minh bạch nên không thích

hợp với thị trường điện cạnh tranh nói chung. Trong [8-9],

các tác giả đề cập đến mô hình giá cận biên LMP, cho thấy

sự phù hợp trong mô hình thị trường điện thông qua chào

74 Đinh Thành Việt, Nguyễn Hùng, Nguyễn Tấn Hưng, Nguyễn Thị Phương Dung

giá, tuy nhiên, tác giả chưa xem xét đưa yếu tố tắc nghẽn

vào mô hình giá điện nút.

Hơn nữa, vấn đề tắc nghẽn truyền tải xảy ra thường

xuyên hơn do hoạt động mua bán cạnh tranh thông qua

chào giá, nhất là trong vận hành thị trường ngắn hạn trước

một giờ, trước một ngày, trước một tuần [1-3, 10-11], vì

tắc nghẽn truyền tải sẽ ảnh hưởng rất lớn đến giá điện nút

nên cần tìm ra phương pháp hiệu quả để giải quyết tắc

nghẽn truyền tải là bài toán cốt lõi. Trong [12-13], phương

pháp giải quyết tắc nghẽn bằng thiết bị FACTS được sử

dụng, tuy nhiên, theo phương pháp này thì giá thành đầu tư

quá cao, làm tăng chi phí toàn cục.

Bài báo này nghiên cứu mô hình giá điện nút tối ưu cho

thị trường điện cạnh tranh trên cơ sở cấu thành 3 thành phần

chính là: giá năng lượng, giá tổn thất và giá tắc nghẽn

truyền tải. Phân tích ảnh hưởng lớn của việc tắc nghẽn

truyền tải đến giá điện nút. Đưa ra phương pháp giải quyết

tắc nghẽn bằng cách tái điều độ tối ưu cực tiểu chi phí dựa

trên phương pháp quy hoạch tuyến tính (LP) cho các máy

phát trong thị trường điện, hoặc lắp đặt đường dây mới,

nhưng đồng thời cải thiện hiệu quả giá điện nút, đảm bảo

ổn định điện áp nút. Kết quả mô phỏng được kiểm chứng

trên thị trường điện mẫu IEEE-14 nút, cho thấy hiệu quả

của phương pháp sử dụng và khả năng ứng dụng của chúng

trong thực tế.

2. Mô hình giá điện nút

2.1. Bài toán tối ưu

Bài toán tối ưu (OPF) là cực tiểu hàm chi phí các máy

phát điện trong thị trường điện với các ràng buộc đẳng thức

và bất đẳng thức.

● Hàm mục tiêu:

2

1

N

i gi i gi i

i

f a P b P c

(1)

● Phương trình cân bằng công suất tác dụng của hệ thống:

1 1

.P . 0N N

i gi i i L

i i

DF DF D P

(2)

● Giới hạn trên và giới hạn dưới công suất ra của máy phát:

Pgimin ≤ Pgi ≤ Pgimax, i= 1, 2,….., N (3)

● Giới hạn công suất truyền tải trên đường dây k bất kỳ:

1

.(P )N

k i i i k

i

GSF D P

, k = 1,2,…., M (4)

f: hàm tổng chi phí các máy phát trong thị trường điện;

ai, bi, ci: các hệ số chi phí của máy phát thứ i;

N: tổng số nút trong thị trường điện;

M: tổng số đường dây truyền tải;

Pgi: công suất tác dụng của máy phát thứ i trong thị

trường điện;

Di: công suất tải tại nút i;

DFi: hệ số phân bố tổn thất của công suất tại nút i;

GSFk-i: hệ số phân bố công suất đến đường dây k do

thay đổi công suất tại nút i;

Pk: giới hạn truyền tải đường dây k;

PL: tổng tổn thất của hệ thống.

2.2. Giá điện nút

Hàm Lagrangian cho bài toán tối ưu có thể viết như sau:

2

1

( )N

i gi i gi i

i

L a P b P c

1 1

.P .N N

i gi i i L

i i

DF DF D P

1 1

.(P )M N

k k i i i k

k i

GSF D P

(5)

với λ là nhân tử ràng buộc đẳng thức và cũng chính là giá

năng lượng tại nút chuẩn;

ρ là nhân tử ràng buộc bất đẳng thức đường dây và cũng

chính là độ nhạy truyền tải.

Giá biên nút (LMP) tại một nút i bất kỳ có thể được tính

như sau:

1

1

. .

. 1

M

i i k k i

ki

M

k k i i

k

LLMP DF GSF

D

GSF DF

(6)

Vậy giá biên nút gồm có 3 thành phần:

ref cong loss

i i i iLMP LMP LMP LMP (7)

Trong đó:

ref

iLMP : Giá cận biên của máy phát chính là chi

phí để cung cấp MW tiếp theo;

1

.M

cong

i k i k

k

LMP GSF

: Giá biên tắc nghẽn truyền tải;

( 1)loss

i iLMP DF : Giá biên tổn thất;

iLMP : Giá biên tại nút i.

2.3. Giới thiệu phần mềm Power World

Phần mềm Power World V.17 được dùng để mô phỏng

lưới điện, phân tích tắc nghẽn, giá điện nút cho thị trường

điện, là công cụ hỗ trợ phân tích tối ưu trong bài toán OPF

[14]. Đây là phiên bản mới được cập nhật, giao diện thân

thiện với người sử dụng với nhiều tính năng như PF,

OPF,…. Phương pháp quy hoạch tuyến tính (LP) được

dùng để giải bài toán OPF. Trong đó, các đường cong chi

phí được tuyến tính hóa thành các đường thẳng. Bài toán

tối ưu với các ràng buộc đẳng thức và bất đẳng thức chuyển

thành bài toán tối ưu không ràng buộc. Do đó, việc giải bài

toán OPF trở nên thuận lợi hơn. Các bước giải quyết tắc

nghẽn và phân tích giá nút như sau:

Bước 1: Nhập các thông số đầu vào của lưới điện.

Bước 2: Nhập các bảng chào giá của nguồn và tải.

Bước 3: Tính toán trào lưu công suất, xác định tắc nghẽn.

Bước 4: Điều độ công suất tối ưu để giải quyết tắc

nghẽn cực tiểu chi phí (2.1) và tính toán giá điện nút (2.2).

Bước 5: Kết thúc và hiển thị kết quả.


3. Phân tích kết quả mô phỏng cho thị trường điện mẫu

IEEE - 14 nút

Mô hình thị trường điện được nghiên cứu dựa trên hệ

lưới điện mẫu IEEE - 14 nút như Hình 2. Thị trường gồm

5 nguồn phát lắp tại các nút 1, 2, 3, 6, 8 và các phụ tải lắp

tại các nút 2, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11, 12, 13, 14 như ở Bảng 1.

Các thông số đường dây biểu diễn trong hệ đơn vị tương

đối (pu) được cho trong Bảng 2.

Đặc tính chào giá của các nguồn phát điện được biểu

diễn theo hàm fp = ap2 + bp + c. Các hệ số chi phí a, b, c

được cho trong Bảng 3.

Kết quả mô phỏng bài toán trào lưu công suất cho thị

trường điện mẫu IEEE-14 nút dựa trên kế hoạch ban đầu của

các bên tham gia thị trường được thể hiện trên Hình 3. Kết

quả chạy bài toán trào lưu công suất cho thấy các đường dây

truyền tải xảy ra tắc nghẽn là 1-5, 1-2, 4-5, 2-3, 7-9.

Hình 2. Thị trường điện mẫu IEEE - 14 nút

Bảng 1. Thông số nút của thị trường điện mẫu IEEE -14 nút

STT Nút V (p.u) PL

(MW)

QL

(MVAr)

Qmin

(MVAr)

Qmax

(MVAr)

1 1 1,060 0,0 0,0 - -

2 2 1,045 21,7 12,7 -40 50

3 3 1,010 94,2 19,0 0 40

4 4 1,019 47,8 -3,9 0 0

5 5 1,020 7,6 1,6 0 0

6 6 1,070 11,2 7,5 -6 24

7 7 1,062 0,0 0,0 0 0

8 8 1,090 0,0 0,0 -6 24

9 9 1,056 29,5 16,6 0 0

10 10 1,051 9,0 5,8 0 0

11 11 1,057 3,5 1,8 0 0

12 12 1,055 6,1 1,6 0 0

13 13 1,050 13,5 5,8 0 0

14 14 1,036 14,9 5,0 0 0

Để giải quyết tắc nghẽn, đơn vị vận hành thị trường điện

độc lập (ISO) sẽ thực hiện việc tái điều độ công suất các

nguồn phát điện trên cơ sở cực tiểu chi phí toàn cục và các

ràng buộc của hệ thống.

Kết quả mô phỏng thị trường điện mẫu IEEE - 14 nút

sau khi chạy OPF như Hình 4. Kết quả chạy mô phỏng OPF

cho thấy thị trường vận hành ổn định điện áp, không có

đường dây nào bị tắc nghẽn, xác định được giá điện ở các

nút là khác nhau và không có chênh lệch lớn, nằm trong

khoảng từ 10-13,5 $/MWh. Và giá truyền tải được tính là

giá chênh lệch giữa các nút [1-3, 8-9].

Hình 3. Trào lưu công suất thị trường điện mẫu IEEE -14 nút

slack

Bus 1

Bus 2 Bus 3

Bus 4

Bus 5

Bus 6 Bus 7Bus 8

Bus 9

Bus 10

Bus 11

Bus 12

Bus 13

Bus 14

233 MW

-8 Mvar

40 MW

50 Mvar 0 MW

32 Mvar

0 MW

24 Mvar

0 MW

18 Mvar

22 MW 13 Mvar

94 MW

19 Mvar

48 MW -4 Mvar 8 MW

2 Mvar

11 MW

8 Mvar

29 MW

17 Mvar

9 MW 6 Mvar

4 MW

2 Mvar 6 MW 2 Mvar

14 MW

6 Mvar

15 MW

5 Mvar

124%A

Amps

110%A

Amps

197%A

Amps

83%A

Amps 80%

A

Amps

37%A

Amps

138%A

Amps

52%A

Amps

53%A

Amps

96%A

Amps

43%A

Amps

59%A

Amps

71%A

Amps

113%A

Amps

23%A

Amps

33%A

Amps

31%A

Amps

47%A

Amps

25%A

Amps

15%A

Amps

1,06 pu

0,00 Deg

Not Valid $/MWh

1,04 pu

-4,97 Deg

Not Valid $/MWh

1,01 pu

-12,81 Deg

Not Valid $/MWh

1,01 pu

-10,24 Deg

Not Valid $/MWh

1,01 pu

-8,71 Deg

Not Valid $/MWh

1,00 pu

-14,86 Deg

Not Valid $/MWh 1,01 pu

-13,64 DegNot Valid $/MWh

1,05 pu-13,64 Deg

Not Valid $/MWh 0,99 pu-15,48 Deg

Not Valid $/MWh

0,98 pu-15,69 DegNot Valid $/MWh

0,99 pu

-15,43 Deg

Not Valid $/MWh

0,98 pu

-15,82 Deg

Not Valid $/MWh

0,98 pu

-15,90 Deg

Not Valid $/MWh

0,96 pu

-16,81 Deg

Not Valid $/MWh


Hình 4. Thị trường điện mẫu IEEE -14 nút sau khi chạy OPF

Bảng 2. Thông số đường dây của thị trường điện mẫu

IEEE -14 nút

STT Từ

nút

Đến

nút R (p.u) X (p.u) B (p.u)

Dung

lượng

(MVA)

1 1 2 0,01938 0,05917 0,02640 120

2 1 5 0,05403 0,22304 0,2190 65

3 2 3 0,04699 0,19797 0,01870 36

4 2 4 0,05811 0,17632 0,02460 65

5 2 5 0,05695 0,17388 0,01700 50

6 3 4 0,06701 0,17103 0,01730 65

7 4 5 0,01335 0,04211 0,00640 45

8 4 7 0 0,20912 0 55

9 4 9 0 0,55618 0 32

10 5 6 0 0,25202 0 45

11 6 11 0,09498 0,1989 0 18

12 6 12 0,12291 0,25581 0 32

13 6 13 0,06615 0,13027 0 32

14 7 8 0 0,17615 0 32

15 7 9 0 0,11001 0 32

16 9 10 0,03181 0,0845 0 32

17 9 14 0,12711 0,27038 0 32

18 10 11 0.08205 0,19027 0 12

19 12 13 0,22092 0,19988 0 12

20 13 14 0,17093 0,34802 0 12

Bảng 3. Hệ số chi phí nguồn phát điện trong thị trường điện

mẫu IEEE - 14 nút

Máy

phát

Pmin

(MW)

Pmax

(MW) a b c

G1 10 10 0,005 2,450 105,000

G2 20 80 0,005 3,510 44,100

G3 20 50 0,005 3,890 40,600

Tuy nhiên khi tăng tải ở nút 9 từ 29,5 MW lên 38 MW

thì thị trường điện mẫu IEEE -14 nút bị tắc nghẽn truyền

tải, kết quả mô phỏng thị trường được thể hiện trong Hình

5. Khi đó xuất hiện tắc nghẽn trên đường dây nút 10 – nút

11 (công suất vượt giới hạn 102%) và đường dây nút 7 –

nút 9 (công suất đạt ngưỡng 100%). Theo đó, giá điện nút

tại các nút cũng có sự biến động lớn. Chẳng hạn, ở nút 9

(giá tăng từ 13,28 $/MWh lên 28,17$/MWh), nút 10 (tăng

từ 13,09 $/MWh lên 29,61$/MWh), nút 14 (tăng từ

12,87 $/MWh lên 22,63$/MWh). Nguyên nhân giá điện nút

tăng cao là do các nút này có đường dây nối trực tiếp với

nút 9 đã xảy ra tắc nghẽn.

Để giải quyết tắc nghẽn trong dài hạn, khi mà phương

pháp vận hành dựa trên tái điều độ sẽ không thể giải quyết

hiệu quả, trong trường hợp này thì cần lắp thêm đường dây

mới song song từ nút 10 tới nút 11, kết quả mô phỏng thị

trường điện mẫu IEEE - 14 nút được thể hiện ở Hình 6.

Ta thấy, sau khi lắp thêm đường dây từ nút 10 đến nút

11 thì hệ thống hoạt động ổn định trở lại, không còn đường

dây truyền tải nào bị tắc nghẽn và giá điện nút tại các nút

trở lại mức gần như bình thường lúc đầu, không còn biến

động lớn về giá nữa. Giá điện nút và biên độ điện áp trong

các chế độ vận hành của thị trường điện bao gồm trạng thái

bình thường, trạng thái bị tắc nghẽn, trạng thái được giải

quyết tắc nghẽn, thể hiện trong Bảng 4.

Khi xảy ra tắc nghẽn, giá điện tại các nút 9, 10 và 14 tăng

lên rất cao. Nhưng sau khi giải quyết tắc nghẽn thì giá điện

nút trở lại bình thường, gần như lúc đầu, điều này cho thấy

hiệu quả của phương pháp giải quyết tắc nghẽn đưa ra.

4. Thảo luận

Trong thị trường điện cạnh tranh, giá điện do cung và

cầu quyết định. Giá điện là cơ sở để vận hành thị trường,

kích thích cạnh tranh và thu hút đầu tư. Vì vậy, cần có mô

hình giá điện hợp lý phù hợp với từng thị trường điện của

các quốc gia khác nhau.

slack

Bus 1

Bus 2 Bus 3

Bus 4

Bus 5

Bus 6 Bus 7Bus 8

Bus 9

Bus 10

Bus 11

Bus 12

Bus 13

Bus 14

23 MW

37 Mvar

40 MW

10 Mvar 193 MW

0 Mvar

-14 MW

24 Mvar

22 MW

11 Mvar

22 MW 13 Mvar

94 MW

19 Mvar

48 MW -4 Mvar 8 MW

2 Mvar

11 MW

8 Mvar

29 MW

17 Mvar

9 MW 6 Mvar

4 MW

2 Mvar 6 MW 2 Mvar

15 MW

5 Mvar

19%A

Amps

35%A

Amps

95%A

Amps

43%A

Amps 51%

A

Amps

96%A

Amps

32%A

Amps

65%A

Amps

57%A

Amps

63%A

Amps

60%A

Amps

64%A

Amps

83%A

Amps

99%A

Amps

19%A

Amps

28%A

Amps

59%A

Amps

65%A

Amps

27%A

Amps

17%A

Amps

1,06 pu

0,00 Deg

12,45 $/MWh

1,04 pu

0,18 Deg

12,68 $/MWh

1,04 pu

4,02 Deg

3,89 $/MWh

1,02 pu

-2,24 Deg

11,17 $/MWh

1,02 pu

-2,05 Deg

11,63 $/MWh

1,00 pu

-5,90 Deg

12,00 $/MWh 1,01 pu

-6,44 Deg 10,07 $/MWh

1,05 pu -7,80 Deg

10,00 $/MWh 0,99 pu -7,80 Deg

13,28 $/MWh

0,98 pu -7,80 Deg 13,09 $/MWh

0,99 pu

-7,01 Deg

12,56 $/MWh

0,98 pu

-6,96 Deg

12,07 $/MWh

0,98 pu

-7,13 Deg

12,20 $/MWh

0,96 pu

-8,67 Deg

12,87 $/MWh


Bảng 4. Giá điện nút, biên độ điện áp trong các chế độ

vận hành thị trường điện: trạng thái bình thường, trạng thái

bị tắc nghẽn, trạng thái được giải quyết tắc nghẽn

STT Nút

Giá điện nút

($/MWh) Biên độ điện áp (pu)

Khi thị

trường

điện

bình

thường

Khi thị

trường

điện bị

tắc nghẽn

Khi thị

trường

điện được

giải quyết

tắc nghẽn

Khi thị

trường

điện bình

thường

Khi thị

trường

điện bị

tắc

nghẽn

Khi thị

trường điện

được giải

quyết tắc

nghẽn

1 1 12,45 12,45 12,45 1,06 1,06 1,06

2 2 12,68 11,96 12,67 1,04 1,05 1,04

3 3 3,89 3,89 3,89 1,04 1,04 1,04

4 4 11,17 14,93 11,18 1,02 1,01 1,01

5 5 11,63 13,92 11,65 1,02 1,02 1,02

6 6 12,00 12,00 12,00 1,00 1,00 1,00

7 7 10,07 10,73 10,10 1,01 1,00 1,01

8 8 10,00 10,00 10,00 1,05 1,04 1,05

9 9 13,28 28,17 13,21 0,99 0,98 0,98

10 10 13,09 29,61 12,97 0,98 0,97 0,98

11 11 12,56 8,67 12,65 0,99 0,98 0,98

12 12 12,07 13,07 12,06 0,98 0,98 0,98

13 13 12,20 14,42 12,18 0,98 0,98 0,98

14 14 12,87 22,63 12,82 0,96 0,96 0,96

Hình 5. Thị trường điện IEEE -14 nút xảy ra tắc nghẽn dài hạn khi tăng tải ở nút 9

Hình 6. Kết quả mô phỏng thị trường điện mẫu IEEE -14 nút sau khi giải quyết tắc nghẽn

slack

Tăng tải bus 9 từ 29,5 MW lên 38 MW

Bus 1

Bus 2 Bus 3

Bus 4Bus 5

Bus 6

Bus 7

Bus 8

Bus 9

Bus 10

Bus 11

Bus 12

Bus 13

Bus 14

24 MW

37 Mvar

40 MW

13 Mvar 218 MW

0 Mvar

-20 MW

24 Mvar

37 MW

11 Mvar

22 MW 13 Mvar

120 MW

19 Mvar

48 MW -4 Mvar

8 MW 2 Mvar

11 MW

8 Mvar

38 MW

17 Mvar

9 MW 6 Mvar

4 MW

2 Mvar 6 MW 2 Mvar

14 MW

6 Mvar

15 MW

5 Mvar

19%A

Amps

36%A

Amps

93%A

Amps

45%A

Amps

51%A

Amps 96%

A

Amps

44%A

Amps

74%A

Amps

63%A

Amps

50%A

Amps

88%A

Amps

72%A

Amps

94%A

Amps

100%A

Amps

23%A

Amps

22%A

Amps

102%A

Amps

93%A

Amps

28%A

Amps

23%A

Amps

1,06 pu

0,00 Deg

12,45 $/MWh

1,05 pu

0,14 Deg

11,96 $/MWh

1,04 pu

3,93 Deg

3,89 $/MWh

1,01 pu

-2,34 Deg

14,93 $/MWh

1,02 pu

-2,03 Deg

13,92 $/MWh

1,00 pu

-5,05 Deg

12,00 $/MWh

1,00 pu -7,14 Deg

10,73 $/MWh

1,04 pu -9,08 Deg

10,00 $/MWh 0,98 pu -8,45 Deg

28,17 $/MWh

0,97 pu -8,18 Deg 29,61 $/MWh

0,98 pu

-6,77 Deg

8,67 $/MWh

0,98 pu

-6,21 Deg

13,07 $/MWh

0,98 pu

-6,48 Deg

14,42 $/MWh

0,96 pu

-8,76 Deg

22,63 $/MWh

slack

Tăng tải bus 9 từ 29,5 MW lên 38 MWLắp đường dây song song từ bus 10 tới bus11

Bus 1

Bus 2 Bus 3

Bus 4Bus 5

Bus 6

Bus 7

Bus 8

Bus 9

Bus 10

Bus 11

Bus 12

Bus 13

Bus 14

23 MW

38 Mvar

40 MW

12 Mvar 219 MW

0 Mvar

-18 MW

24 Mvar

36 MW

11 Mvar

22 MW 13 Mvar

120 MW

19 Mvar

48 MW -4 Mvar

8 MW 2 Mvar

11 MW

8 Mvar

38 MW

17 Mvar

9 MW 6 Mvar

4 MW

2 Mvar 6 MW 2 Mvar

14 MW

6 Mvar

15 MW

5 Mvar

19%A

Amps

35%A

Amps

95%A

Amps

44%A

Amps

50%A

Amps 96%

A

Amps

40%A

Amps

70%A

Amps

61%A

Amps

53%A

Amps

95%A

Amps

70%A

Amps

90%A

Amps

99%A

Amps

25%A

Amps

23%A

Amps

56%A

Amps

85%A

Amps

28%A

Amps

21%A

Amps

1,06 pu

0,00 Deg

12,45 $/MWh

1,04 pu

0,19 Deg

12,67 $/MWh

1,04 pu

4,02 Deg

3,89 $/MWh

1,01 pu

-2,25 Deg

11,18 $/MWh

1,02 pu

-1,98 Deg

11,65 $/MWh

1,00 pu

-5,16 Deg

12,00 $/MWh

1,01 pu -6,83 Deg

10,10 $/MWh

1,05 pu -8,57 Deg

10,00 $/MWh 0,98 pu -8,15 Deg

13,21 $/MWh

0,98 pu -7,81 Deg

12,97 $/MWh

0,98 pu

-7,04 Deg

12,65 $/MWh

0,98 pu

-6,29 Deg

12,06 $/MWh

0,98 pu

-6,54 Deg

12,18 $/MWh

0,96 pu

-8,61 Deg

12,82 $/MWh

97%A

Amps


Có nhiều phương pháp tính giá điện khác nhau [6-9],

tuy nhiên, phương pháp giá điện nút cho thấy sự phù hợp

với thị trường điện cạnh tranh do xét đến yếu tố giá chào

dựa trên cơ sở chi phí sản xuất của các nhà máy điện, chi

phí tổn thất và tắc nghẽn truyền tải do các giao dịch khác

nhau tạo ra trong thị trường mua bán điện qua Pool hay có

các giao dịch song phương, vì nó phản ảnh chính xác, minh

bạch chi phí.

Khi vận hành thị trường điện bán buôn cạnh tranh, vấn

đề tắc nghẽn truyền tải sẽ xảy ra thường xuyên, do hoạt

động chào giá dựa vào chiến lược kinh doanh khác nhau sẽ

làm biến động lớn về giá điện. Vì vậy, phương pháp giải

quyết tắc nghẽn truyền tải là chức năng chính của cơ quan

vận hành thị trường điện. Có nhiều phương pháp giải quyết

tắc nghẽn khác nhau như sa thải phụ tải, lắp đặt thiết bị

FACTS [12-13], tái điều độ nguồn phát, quy hoạch mở

rộng mạng truyền tải,… Tuy nhiên, trong nghiên cứu này,

các tác giả đã đưa ra phương pháp giải quyết dựa trên tái

điều độ nguồn phát và lắp đặt đường dây mới áp dụng cho

thị trường điện mẫu IEEE-14 nút, cho thấy hiệu quả kinh

tế, ổn định giá điện và mang lại lợi ích cho khách hàng.

Khi Việt Nam đang trong giai đoạn thí điểm thị trường

điện bán buôn cạnh tranh VWEM [4-5, 15-16] mà vẫn đang

sử dụng mô hình giá điện truyền tải dựa trên quy định của

Bộ Công thương thì sẽ khó kích thích cạnh tranh lành mạnh

ở thị trường điện nguồn cũng như thu hút đầu tư vào mạng

lưới truyền tải.

Hơn nữa, kinh nghiệm quốc tế cho thấy, để thị trường

điện phát triển cạnh tranh lành mạnh thì cần có cơ quan vận

hành thị trường điện độc lập. Hiện tại, ở Việt Nam đã thành

lập đơn vị vận hành hệ thống điện và thị trường điện (SMO),

vì vậy, nhiệm vụ của Cục Điều tiết Điện lực Việt Nam

(EARV) là cần phải đưa ra mô hình giá điện truyền tải hợp

lý, cũng như cơ chế vận hành thị trường để kích thích cạnh

tranh và nâng cao hiệu quả vận hành thị trường điện, là vấn

đề rất cần thiết và vẫn đang cần được tiếp tục nghiên cứu.

5. Kết luận

Bài báo này nghiên cứu mô hình giá điện nút và các

phương pháp giải quyết tắc nghẽn truyền tải cho thị trường

điện bán buôn cạnh tranh. Tác giả đã đưa ra phương pháp

kết hợp tái điều độ tối ưu các nguồn phát trên cơ sở cực tiểu

chi phí toàn cục và lắp đặt đường dây truyền tải mới cho

thị trường điện mẫu IEEE-14 nút đảm bảo thị trường vận

hành theo mô hình giá điện nút và giải quyết hiện tượng tắc

nghẽn truyền tải trong dài hạn, đảm bảo ổn định điện áp tại

các nút. Mô hình giá nút cho thấy sự minh bạch, chính xác

và hiệu quả trong thị trường điện mua bán cạnh tranh thông

qua chào giá. Kết quả mô phỏng cho thấy, có thể áp dụng

mô hình giá điện nút tối ưu này vào thị trường điện bán

buôn cạnh tranh Việt Nam (VWEM), sẽ được chính thức

vận hành trong vài năm tới. Hướng nghiên cứu phát triển

của bài báo là nghiên cứu mô hình giá điện cho các dịch vụ

phụ trợ, tích hợp các thiết bị FACTS để giải quyết tắc

nghẽn truyền tải cho thị trường điện thực tế của Việt Nam.


[1] F. P. Sioshansi, “Competitive Electricity Markets”, Elsevier Science,

2008.

[2] Loi Le Lai, “Power System Restructuring and Deregulation:

Trading, Performance and Information Deregulation”, John Wiley & Sons, 2001.

[3] M. Shahidehpour and M. Alomoush, “Restructured Electrical Power

Systems: Operation, Trading, and Volatility”, Marcel Dekker, Inc, 2001.

[4] Thủ tướng Chính phủ, Quy định về lộ trình, các điều kiện và cơ cấu

ngành điện để hình thành và phát triển các cấp độ thị trường điện lực

tại Việt Nam, Thủ tướng Chính phủ, 63/2013/QĐ-TTG, Hà Nội 2013.

[5] Bộ Công thương, Phê duyệt thiết kế tổng thể thị trường bán buôn điện

cạnh tranh Việt Nam, Bộ Công thương, 6463/QĐ-BCT, Hà Nội, 2014.

[6] M. Murali, M. S. Kumari and M. Syduru, “An Overview of

Transmission Pricing Methods in A Pool Based Power Market”,

International Journal of Advances in Science Engineering and Technology, Vol. 1, No. 2, October 2013.

[7] W. W. Hogan, Competitive Electricity Market Design: A wholesale

Primer, John F. Kennedy School of Government, Harvard

University, 1998.

[8] Basanta Kumar Panigrahi, “Locational Marginal Pricing (LMP) in

Deregulated Electricity Market”, International Journal of

Electronics Signals and Systems (IJESS), ISSN No. 2231-5969, Volume-1, Issue-2, 2012, pp. 101-105.

[9] Hoàng Công Đức, Nghiên cứu và xây dựng mô hình giá điện nút cho

thị trường điện cạnh tranh, Hutech, 2013.

[10] Lê Minh Trân, Nghiên cứu giá điện và thị trường các dịch vụ phụ

trợ trong thị trường điện, Hutech, 2015.

[11] Pham Ngoc Hiêp, Nghiên cứu bài toán cực tiểu chi phí tái điều độ

khi giải quyết tắc nghẽn trong thị trường điện, Hutech, 2016.

[12] S. A. Taher and H. Besharat, “Transmission Congestion

Management by Determining Optimal Location of FACTS Devices

in Deregulated Power Systems”, American Journal of Applied

Sciences, Vol. 5, No.3, 2008, pp. 242-247.

[13] A. Yousefi, T.T. Nguyen, H. Zareipour, O.P. Malik, “Congestion

Management using Demand Response and FACTS devices”, International Journal of Electrical Power and Energy Systems, Vol.

37, No.1, May 2012, pp.75-85.

[14] www.powerworld.com

[15] www.erav.vn

[16] www.nldc.evn.vn


http://www.powerworld.com/

http://www.erav.vn/

http://www.nldc.evn.vn/


THIẾT KẾ VÀ THỰC THI MÔ HÌNH GATEWAY CHO CÁC THIẾT BỊ IoTs

DESIGNING AND IMPLEMENTING A GATEWAY MODEL FOR IoTs DEVICES

Phan Văn Ca

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh; [email protected]

Tóm tắt - Trong mạng lưới vạn vật kết nối IoTs (Internet of Things), các thiết bị phải thực hiện kết nối và truyền thông theo các phương thức như M2M (Machine-to-Machine) hay D2D (Device-to-Device). Thông thường, các thiết bị này là thiết bị nhúng có phần cứng không đồng nhất và sử dụng các chuẩn truyền thông khác nhau. Vì vậy, chúng không thể tự thiết lập kết nối và giao tiếp với nhau. Bài báo này đề xuất một mô hình Gateway được thiết kế với lớp đệm trung gian có chức năng chuyển đổi qua lại giữa các chuẩn truyền thông khác nhau qua một chuẩn trung gian, giúp cho chúng có thể dễ dàng kết nối với nhau và kết nối tới Internet. Mô hình thực thi được thiết kế hỗ trợ ba công nghệ truyền thông phổ biến bao gồm Zigbee, Bluetooth và Wifi, giao tiếp với nhau qua chuẩn trung gian Ethernet.

Abstract - In the internet of things environment, most devices have ability to connect and communicate with others to transfer data in a Machine-to-Machine (M2M) or Device-to-Device (D2D) manner. In general, most of them are heterogeneous embedded devices that may be implemented by different communication protocols or technologies. Therefore, they cannot connect and communicate to each other directly. This paper proposes an IoTs Gateway model with intermediate layer that abstracts different communication protocols or standards from IoTs devices into an intermediate standard. The proposed Gateway can connect with different input and output wireless technology interfaces including Zigbee, Bluetooth and Wifi via Ethernet interface serving as intermediate layer.

Từ khóa - vạn vật kết nối; giao thức truyền thông không dây; truyền thông máy – máy; mô hình cổng nối; kết nối thiết bị IoTs.

Key words - Internet of things; wireless communication protocol; M2M communication; Gateway model; connecting IoTs devices.

1. Giới thiệu

Hiện nay, các thiết bị thông minh xuất hiện trong hầu

hết mọi lĩnh vực, từ điện tử tiêu dùng cho đến sản xuất công

nghiệp. Các mô hình ứng dụng IoTs (Internet of Things)

đang được nghiên cứu và triển khai ngày càng nhiều. IoTs

là một hệ thống được cấu thành từ các thiết bị nhúng thông

minh có thể thu thập dữ liệu từ môi trường thế giới thực,

kết hợp xử lý dữ liệu từ 2 thế giới thực và ảo nhằm cung

cấp các thông tin hữu ích, cũng như đưa ra các quyết định

trong điều khiển từ xa qua mạng Internet và khả năng tự

vận hành hệ thống của hệ thống trong phạm vi cục bộ hoặc

qua điện toán đám mây [1], [2].

Thiết bị trong mạng lưới IoTs là những thiết bị thông

minh với khả năng cảm nhận môi trường xung quanh, thu

thập dữ liệu, tương tác với thế giới thực qua các cảm biến và

cơ cấu chấp hành, đồng thời giao tiếp với các đối tượng khác

nhau thông qua các chuẩn truyền thông [3]. Bên cạnh các

thiết bị thông minh được điều khiển bởi con người qua mạng

internet, còn có các thiết bị tự hành, có thể giao tiếp với nhau

và tự đưa ra các quyết định mà không cần sự can thiệp của

con người [4]. Trong bài báo [5], các tác giả đã thiết kế một

mạng cảm biến IoTs với các cảm biến siêu âm để thiết lập

một hàng rào điện tử bằng sóng siêu âm, hoạt động dựa trên

hiệu ứng Doppler để tự động phát hiện đối tượng di chuyển

trong một phạm vi rộng lớn. Một tính chất quan trọng của hệ

thống IoTs chính là khả năng hoạt động độc lập, tiêu thụ

năng lượng thấp. Trong bài báo [6], các tác giả đã đề xuất

một phương pháp mới cho phép truyền đa kênh và định

tuyến cho mạng hỗn hợp, với mỗi thiết bị là một nút mạng

được trang bị các cảm biến hình ảnh để phát hiện các sự kiện

theo thời gian thực. Các thiết bị đầu cuối sử dụng nguồn pin

và có thể thiết lập kết nối không dây diện rộng. Ngoài ra, các

tác giả cũng đề xuất giao thức định tuyến và chọn kênh tối

ưu nhằm giảm thiểu điện năng tiêu thụ.

Tuy nhiên, các mô hình thiết kế IoTs hiện nay chưa

được thiết kế theo một chuẩn thống nhất, đặc biệt là chuẩn

truyền thông để kết nối các thiết bị với nhau và kết nối tới

Internet [7]. Cụ thể, các giao thức truyền thông không dây

trong các hệ thống IoTs hiện nay sử dụng các công nghệ

sẵn có như Zigbee, Bluetooth hay Wifi. Việc này sẽ làm

cho các hệ thống không thể tự giao tiếp để truyền nhận dữ

liệu với nhau. Giải pháp cho vấn đề này là thiết kế một cổng

nối Gateway để giúp cho các thiết bị có các chuẩn truyền

thông khác nhau có thể kết nối với nhau và kết nối tới

Internet qua một lớp đệm trung gian. Gateway này đóng

vai trò như một thiết bị chuyển đổi chuẩn dữ liệu, đồng thời

là một cổng kết nối tới mạng Internet, nhằm khai thác các

ứng dụng và lưu trữ của điện toán đám mây. Thiết kế này

sẽ giúp hệ thống IoTs với các chuẩn truyền thông khác

nhau có thể dễ dàng kết nối với nhau và kết nối đến mạng

Internet với số lượng phần tử và khả năng lưu trữ không

giới hạn.

Bài báo này đề xuất một kiến trúc Gateway đóng vai trò

như một thiết bị cầu nối giúp cho các thiết bị IoTs được

thiết kế với các chuẩn truyền không khác nhau có thể giao

tiếp với nhau một cách dễ dàng. Bên cạnh đó, bài báo còn

đề xuất một lớp chuyển đổi trung gian giúp cho việc mở

rộng các tiêu chuẩn được hỗ trợ bởi Gateway một cách

nhanh chóng, mà không cần thay đổi các lớp phía trên.

Ngoài ra, bài báo còn đề xuất một mô hình quản lý các

mạng IoTs với Gateway kết nối tới Internet thông qua các

server đám mây, giúp cho các hệ thống IoTs có thể được

truy xuất từ các server khác nhau. Thiết kế này cho phép

các thiết bị bên dưới có thể thực hiện việc truyền nhận dữ

liệu ngang hàng với nhau và kết nối tới nhiều server khác

nhau trên mạng Internet.

2. Mô hình Gateway IoTs

Một vài mô hình Gateway IoTs đã được công bố trong

thời gian gần đây [8]-[10]. Mô hình Gateway trong bài báo

[8] dựa trên các giao thức Zigbee và GPRS cho các ứng

dụng IoTs điển hình kết nối giữa mạng cảm biến không dây

Zigbee và mạng thông tin di động. Bài báo [9] giới thiệu

mô hình Gateway cho các mạng công suất thấp. Mô hình

80 Phan Văn Ca

Gateway trong bài báo [10] được phát triển để kết nối giữa

các thiết bị thông minh với các thiết bị thông thường qua

giao thức modbus. Tuy nhiên, các mô hình Gateway này là

những mô hình Gateway đơn giao thức và thực hiện chuyển

đổi dữ liệu ở các lớp cao, như mô tả ở Hình 1. Bài báo [11]

đề xuất mô hình Gateway có chức năng thu thập dữ liệu từ

các thiết bị cảm biến kết nối qua các công nghệ truyền

thông GPRS, WiFi, RF, Bluetooth hoặc LAN qua một máy

tính kết nối tới Internet. Các tác giả trong [12] đã đề xuất

một mô hình Gateway thông minh, có chức năng xử lý dữ

liệu trước khi gửi lên đám mây cho ứng dụng tích hợp giữa

IoT và điện toán đám mây, được gọi là CoT (Cloud of

Things).

Hinh 1. Mô hình Gateway Ethernet ở lớp ứng dụng

Mô hình đề xuất trong bài báo thực hiện chuyển đổi ở các

lớp thấp để giảm độ trễ cũng như cải thiện tốc độ xử lý của

Gateway. Trong đó, lớp phía trên truy xuất dữ liệu ở lớp thấp

hơn thông qua một lớp đệm được xây dựng từ các API tương

ứng với các phần cứng giao tiếp khác nhau. Mô hình kiến trúc

trên được thực thi dựa trên 4 công nghệ thường gặp là Zigbee,

Bluetooth, Wifi, Ethernet với các phần cứng tương ứng cho

Gateway là Xbee, HC-05, ESP8266 và ENC28J60.

2.1. Giao thức Zigbee

Giao thức Zigbee là một giao thức được sử dụng rộng

rãi ở các hệ thống IoTs bởi khả năng quản lý các thiết bị và

độ ổn định của hệ thống. Để có thể giao tiếp được với một

thiết bị Zigbee thông qua Gateway, cần phải phát triển một

API với phần cứng tương ứng. Từ đó xây dựng một lớp

đệm để truy xuất thông tin thông qua API và tái cấu trúc tại

lớp bên trên, như mô tả ở Hình 2.

Hinh 2. Lớp đệm Zigbee

Thiết kế này cho phép truy xuất thông tin cũng như sử

dụng tài nguyên mạng Zigbee cho các thiết bị khác.

2.2. Giao thức Bluetooth

Đối với các ứng dụng IoTs với các phần tử là các thiết

bị di động thì Bluetooth đóng vai trò quan trọng bởi khả

năng thiết lập kết nối và tốc độ ổn định. Đối với giao thức

này, việc chuyển đổi dữ liệu phía trên lớp RFCOMM như

mô tả trong Hình 3.

Hinh 3. Lớp đệm Bluetooth

Thông thường, trong các hệ thống IoTs, độ ưu tiên của

hệ thống không phải là tốc độ truyền tải mà là độ ổn định

và đáp ứng thời gian thực, việc truy xuất trên lớp

RFCOMM cho tốc độ đáp ứng và độ ổn định cao hơn.

2.3. Giao thức Wifi và Ethernet

Trong các ứng dụng ngôi nhà thông minh, đa số các hệ

thống IoTs được phát triển dựa trên các hạ tầng mạng sẵn có

như Wifi hay Ethernet. Lớp chuyển đổi được thực hiện trên

các giao thức truyền vận TCP/UDP, như mô tả trong Hình

4. Từ đây, ta có thể thực hiện các truy vấn mà TCP/IP cho

phép, cũng như các phương thức trong giao thức HTTP như

GET, POST trên các server Internet. Mô hình này cho phép

việc tải lên/xuống dữ liệu từ đám mây một cách dễ dàng.

Hinh 4. Lớp đệm WIFI/Ethernet

3. Kiến trúc tổng thể Gateway đa giao thức

Hinh 5. Kiến trúc tổng thể Gateway

Kiến trúc tổng thể của Gateway đa giao thức được mô


tả như trong Hình 5. Kiến trúc này kết hợp các mô hình

gateway đơn giao thức dựa trên lớp đệm đã đề xuất.

Gateway trích xuất gói tin từ các mạng IoTs với các chuẩn

kết nối khác nhau, thực hiện chuyển đổi và sau đó định

tuyến gói tin liên mạng tới một mạng IoTs khác. Ngoài ra,

Gateway còn thực hiện quản lý và giám sát các thiết bị hỗn

tạp trong mạng.

Mô hình Gateway được thực hiện gồm 3 phần cứng hỗ

trợ 3 công nghệ truyền thông khác nhau, bao gồm: Zigbee,

Bluetooth và Wifi. Lớp chuyển đổi được xây dựng từ các

API phần cứng tương ứng để thực hiện việc chuyển đổi

chuẩn dữ liệu từ một mạng IoTs nguồn sang chuẩn trung

gian sử dụng công nghệ Ethernet. Tiếp theo, dữ liệu theo

chuẩn trung gian sẽ được chuyển sang chuẩn dữ liệu phù

hợp với mạng IoTs đích trong kết nối liên mạng hoặc

truyền trực tiếp lên mạng Internet.

3.1. Khối đóng gói dữ liệu

Khối đóng gói dữ liệu của Gateway đóng vai trò tách

các thông tin cần thiết thông qua API, sau đó thực hiện

đóng gói theo chuẩn mới để chuẩn bị định tuyến dữ liệu

trong lớp tiếp theo. Quá trình trích xuất và đóng gói dữ liệu

được mô tả như trong Hình 6.

Hinh 6. Sơ đồ đóng gói dữ liệu

3.2. Khối định tuyến

Ở lớp này, thực hiện trích xuất địa chỉ từ lớp bên trên để

đưa vào phần cứng phù hợp và đóng gói phù hợp với API

tương ứng để có thể thực hiện truyền dữ liệu. Mỗi tiêu chuẩn

có cách thức đóng gói và header khác nhau. Sau đó, các gói

tin sẽ được chuyển về định dạng phù hợp với mạng IoTs đích

và thực hiện việc truyền dữ liệu đến lớp vật lý để gửi đi.

Hinh 7. Mô hình đinh tuyến dữ liệu

Ngoài việc định tuyến dữ liệu giữa các tiêu chuẩn với

nhau còn thực hiện nhiệm vụ như một cổng kết nối với

mạng WAN, Internet thông qua cổng Ethernet.

3.3. Kết nối WAN và cơ sở dữ liệu

Mặc dù chuẩn Wifi cũng có thể làm nhiệm vụ này thay

cho chuẩn Ethernet, tuy nhiên, vì các hệ thống IoTs dựa

trên Wifi thường được thiết kế tối giản và có thời gian đáp

ứng chậm, đồng thời thiếu độ ổn định khi truyền nhận các

gói tin trong mạng. Kết nối Ethernet này giúp Gateway có

thể kết nối với mạng WAN hay Internet để đưa dữ liệu của

toàn bộ hệ thống lên các server hoặc ngược lại. Các server

được thiết kế có thể được chia sẻ cho nhiều Gateway, đồng

thời cũng cho phép các server liên kết với nhau thành một

mạng lưới server trên mạng Internet.

Hinh 8. Kết nối mạng WAN, Internet và cơ sở dữ liệu

3.4. Lập trình API

Thông qua các hàm API, các Client của hệ thống IoTs có

thể truy xuất tới các phần tử khác trong mạng theo các chuẩn

khác nhau và cho phép các phần tử trong mạng có thể đưa

dữ liệu lên trên cơ sở dữ liệu, hay thực hiện các giao thức

thông qua cổng Ethernet bằng các phương thức trong HTTP

như GET/POST dữ liệu tới một Server bất kỳ trên mạng.

Hinh 9. Các API cơ bản của Gateway

3.5. Mô hình server

Mô hình thử nghiệm này sử dụng MySQL chạy trên

Server Linux vì tính phổ biến và khả năng hỗ trợ của nó.

Mô hình thử nghiệm này sử dụng các thông số cơ bản liên

quan đến dữ liệu. Tuy nhiên, trong thực tế, hệ thống cần có

nhiều thông số khác như trạm Gateway, thông số Port, tài

khoản truy cập và các thông số bảo mật.

Phía Server được cài đặt một lớp đệm trung gian cho

phép việc chuyển đổi truy vấn các phương thức GET/POST

để có thể kết nối và cập nhật cơ sở dữ liệu. Tuy nhiên, lớp

này chạy trên môi trường Apache, PHP và MySQL. Ngoài

ra, còn có một giao diện người dùng để truy xuất và hiển

thị các thông tin từ Server. Từ đây các thông tin về địa chỉ

IP của Gateway, giao thức truyền thông của mang IoTs

82 Phan Văn Ca

nguồn, địa chỉ mạng cục bộ của thiết bị có thể là địa chỉ IP

hay địa chỉ MAC tùy theo tính chất của ứng dụng cần xây

dựng, có thể được tham chiếu và hiển thị dễ dàng. Dữ liệu

trên server có thể được truy xuất từ bất kì thiết bị nào hỗ

trợ giao thức HTTP, hoặc các giao thức liên kết trực tiếp

tới database của server. Từ đó, ta có thể xây dựng một hệ

thống IoTs với số phần tử và khoảng cách giữa chúng gần

như không giới hạn.

Hinh 10. Sơ đồ kết nối Gateway - Server

4. Kết quả

Mô hình phần cứng của Gateway đã được thi công,

đồng thời thực hiện các kiểm tra và đánh giá các thông số

cũng như đặc tính kỹ thuật. Đối với từng giao thức ,tốc độ

toàn cục của Gateway phụ thuộc vào cả tốc độ phần cứng

xử lý giao thức và tốc độ xử lý của CPU trên Gateway. Tốc

độ phần cứng thiết bị và CPU với các công nghệ khác nhau

được liệt kê trong Bảng 1.

Bang 1. Tốc độ xử lý của mô-đun phần cứng truyền thông và tốc

độ của CPU trên Gateway

Công nghệ Mô-đun truyền

thông

Tốc độ tối đa mô-đun

truyền thông

Tốc độ tối đa của

CPU trên Gateway

Bluetooth HC-05 115.200 bps 921.600 bps

Wifi ESP8266 230.400 bps 921.600 bps

Zigbee Xbee 115.200 bps 921.600 bps

Ethernet ENC28J60 10 Mbps 2 Mbps

Mô hình Gateway thực hiện truyền thành công giữa các

tiêu chuẩn với nhau ,đồng thời thực hiện các truy vấn cơ sở

dữ liệu và truy xuất mạng WAN với khả năng đáp ứng tốt,

với tỷ lệ nhận gói tin thành công được mô tả trong Bảng 2.

Bang 2. Đánh giá độ tin cậy của mô hình Gateway

Nguồn Đích Số gói tin

truyền

Số gói tin

nhận

Tỷ lệ thành

công (%)

Wifi Zigbee 100 92 92

Zigbee Wifi 100 99 99

Wifi Bluetooth 100 100 100

Bluetooth Wifi 100 100 100

Zigbee Bluetooth 100 95 95

Bluetooth Zigbee 100 92 92

Đối với việc truyền từ thiết bị Wifi (mô-đun ESP) sang

thiết bị Zigbee (mô-đun XBEE), nếu thời gian giữa 2 gói tin

nhỏ hơn 50 ms thì sẽ xảy ra hiện tượng mất gói tin vì phần

cứng của mô-đun ESP không đủ khả năng đáp ứng, cũng như

việc tràn bộ đệm nhận dữ liệu trong lúc CPU của Gateway

đang thực hiện, như mô tả trong Hình 11. Đối với việc truyền

từ thiết bị Zigbee sang thiết bị Wifi, khi thời gian truyền giữa

2 gói tin nhỏ hơn 80 ms, sẽ xảy ra hiện tượng mất gói tin vì

thời gian đóng gói gói tin theo giao thức TCP của phần cứng

mô-đun ESP không thực hiện hoàn tất trước khi nhận được

gói tin mới, CPU phụ trách việc giải mã lệnh API của thiết bị

Zigbee tiêu tốn tài nguyên và mất nhiều thời gian xử lý. Không

như truyền giữa thiết bị Zigbee và Wifi, việc truyền giữa thiết

bị Bluetooth và thiết bị Wifi có độ tin cậy cao hơn với chiều

dài gói tin sau đóng gói ngắn hơn và đạt tốc độ cao hơn, như

mô tả trong Hình 12. Bộ đệm của mô-đun Bluetooth lớn và

tích hợp bộ lưu trữ dữ liệu ngay cả khi mất kết nối giữa chừng.

Việc truyền giữa thiết bị Zigbee và Bluetooth một lần

nữa cho thấy khả năng đáp ứng của CPU dành cho việc giải

mã API khá hạn chế, dẫn đến việc xử lý dữ liệu tại CPU trên

phần cứng thiết bị Zigbee bị nghẽn và gây tràn dữ liệu. Điều

này dẫn đến việc mất gói tin khi thời gian đáp ứng nhỏ hơn

150 ms. Lý do chính là các thiết bị Zigbee là những thiết bị

công suất thấp, được thiết kế dành cho các ứng dụng yêu cầu

tốc độ truyền thấp và không đòi hỏi hiệu năng xử lý cao.

Tuy nhiên, đối với các ứng dụng IoTs hiện nay, điểm

cần quan tâm chính là khả năng hoạt động ổn định và tiêu

tốn năng lượng thấp, thì Gateway IoTs được xây dựng với

phần cứng trên vẫn đáp ứng tốt nhu cầu sử dụng trong các

hệ thống IoTs. Việc đáp ứng được nhu cầu của mạng cảm

biến, thu thập thông tin, cũng như giám sát và điều khiển

đối với các ứng dụng không đòi hỏi nghiêm ngặt về tính

thời gian thực khi hoạt động.

Hinh 11. Tỷ lệ mất gói tin khi kết nối giữa thiết bị Zigbee và Wifi

Đối với việc định tuyến dữ liệu cho luồng từ thiết bị

Bluetooth sang thiết bị Zigbee, có thêm một yếu tố nữa để

tăng khả năng mất gói tin giữa 2 chuẩn này, chính là việc

phần cứng thiết bị Zigbee được thiết kế bên Gateway đóng

vai trò là điều phối viên (coordinator), nên thời gian công

tác của phần cứng còn bao gồm cả việc định tuyến dữ liệu

trong các phần tử bên trong mạng thiết bị Zigbee nói riêng.

Điều này dẫn đến việc định tuyến dữ liệu bị trễ và gây

nghẽn cổ chai tại đây, làm mất goi tin giữa những lần

truyền dữ liêu. Tuy nhiên, thiết bị Zigbee cũng có bộ sửa

sai và tự động truyền lại, nhưng với việc bộ đệm có giới

hạn và dữ liệu luôn được đưa vào thì việc mất gói tin là

không thể tránh khỏi. Vì khả năng đáp ứng của phần cứng

thiết bị Bluetooth HC-05 có độ trễ thấp hơn, nên gói tin chỉ

bị ảnh hưởng bởi khả năng xử lý của CPU cũng như giới

hạn tối đa của thiết bị thiết bị Zigbee. Ở đây, điểm nghẽn

là do thiết bị Zigbee ở Gateway đóng vai trò coordinator

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300

Tỷ l

ệ m

ất g

ói

tin (

%)

Tốc độ truyền gói tin (ms/gói)


nên không dành toàn thời gian để tiếp nhận dữ liệu, mà còn

dùng để quét tìm kiếm các phần tử mới, cấp phát và quản

lý địa chỉ.

Hinh 11. Biểu đồ Packet Loss của Xbee và Bluetooth

Ở đây, ta thấy có các vị trí biến thiên không đều do không

đồng bộ trong chu kì quét nhận dữ liệu, cũng như quản lý các

thiết bị con của từng tiêu chuẩn khác nhau, làm cho hệ số mất

gói tin tăng cao và không tuyến tính ở một số khoảng thời gian.

Ở một số khe thời gian cho phép việc truyền với tỉ số lỗi thấp

và không đồng đều. Xác suất giảm về 0 khi khoảng cách giữa

2 dữ liệu lớn hơn 300 ms.

5. Kết luận

Bài báo trình bày về kiến trúc và mô hình thực thi cho

một Gateway IoTs, cho phép các thiết bị IoTs có thể truy

xuất ngang hàng và chia sẻ tài nguyên của bản thân cho toàn

bộ hệ thống, đồng thời đề xuất các lớp tiêu chuẩn để có thể

mở rộng hệ thống IoTs. Ngoài ra, mô hình Gateway còn

đóng vai trò như một cổng kết nối Internet cho phép các

mạng IoTs giao tiếp với nhau thông qua mạng toàn cầu. Bài

báo đưa ra các đánh giá tương quan giữa tốc độ xử lý và tốc

độ phần cứng, cho phép xây dựng một mô hình Gateway

thực tế với các điều kiện lựa chọn thông số một cách chính

xác hơn. Mở rộng hệ thống với các tiêu chuẩn khác dễ dàng

với việc chỉ cần thiết lập một lớp chuyển đổi dữ liệu theo

chuẩn để xuất và ghép với phần còn lại của Gateway. Với sự

phát triển của trí thông minh nhân tạo và các hệ thống M2M,

hiện nay đã có đủ khả năng xử lý thông tin, và với một lượng

thông tin đủ lớn thì hệ thống IoTs sẽ vận hành mà không cần

bất kì sự can thiệp nào của con người. Hệ thống sẽ tự động

cập nhật và hiệu chỉnh các thông số để có thể đáp ứng nhu

cầu ngày càng cao của con người.


[1] C. Perera, A. Zaslavsky, P. Christen and D. Georgakopoulos,

“Context Aware Computing for The Internet of Things: A Survey”,

IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 16, No. 1, First Quarter 2014, pp. 414-454.

[2] A. Al-Fuqaha, M. Guizani, M. Mohammadi, M. Aledhari and M.

Ayyash, “Internet of Things: A Survey on Enabling Technologies,

Protocols, and Applications”, IEEE Communications Surveys &

Tutorials, Vol. 17, No. 4, FourthQuarter 2015, pp. 2347-2376.

[3] G. Kortuem, F. Kawsar, V. Sundramoorthy and D. Fitton, “Smart

objects as building blocks for the Internet of things”, IEEE Internet Computing, Vol. 14, No. 1, Jan-Feb 2010, pp. 44-51.

[4] M. A. Razzaque, M. Milojevic-Jevric, A. Palade and S. Clarke,

“Middleware for Internet of Things: A Survey”, IEEE Internet of

Things Journal, Vol. 3, No. 1, Feb. 2016, pp. 70-95.

[5] H. T. Chan, T. A. Rahman and A. Arsad, “Performance study of virtual

fence unit using Wireless Sensor Network in IoT environment”, 2014

20th IEEE International Conference on Parallel and Distributed Systems (ICPADS), Hsinchu, 2014, pp. 873-875.

[6] HyungWon Kim, “Low power routing and channel allocation

method of wireless video sensor networks for Internet of Things

(IoTs)”, 2014 IEEE World Forum on Internet of Things (WF-IoT),

Seoul, 2014, pp.446-451.

[7] Z. Sheng, S. Yang, Y. Yu, A. V. Vasilakos, J. A. Mccann and K. K.

Leung, “A survey on the ietf protocol suite for the internet of things: Standards, challenges, and opportunities”, IEEE Wireless

Communications, Vol. 20, No. 6, December 2013, pp. 91-98.

[8] Q. Zhu, R. Wang, Q. Chen, Y. Liu and W. Qin, “IOT Gateway:

Bridging Wireless Sensor Networks into Internet of Things”, 2010

IEEE/IFIP International Conference on Embedded and Ubiquitous Computing, Hong Kong, 2010, pp. 347-352.

[9] T. Kadıoğlu, N. Yıldız and E. Cesur, “Low power Internet of Things

Gateway”, 2016 24th Signal Processing and Communication

Application Conference (SIU), Zonguldak, 2016, pp. 1613-1616.

[10] Datta S.K, “An IoTs Gateway centric architecture to provide novel

M2M services”, Internet of Things (WF-IoTs), 2014 IEEE World Forum, 6-8 March 2014, pp. 514 - 519.

[11] K. Rajaram and G. Susanth, “Emulation of IoT gateway for

connecting sensor nodes in heterogenous networks”, 2017

International Conference on Computer, Communication and Signal

Processing (ICCCSP), Chennai, 2017, pp. 1-5.

[12] M. Aazam, P. P. Hung and E. N. Huh, “Smart gateway based

communication for cloud of things”, 2014 IEEE Ninth International Conference on Intelligent Sensors, Sensor Networks and

Information Processing (ISSNIP), Singapore, 2014, pp. 1-6.


0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Tỷ

lệ

mấ

t g

ói

tin

(%

)

Tốc độ truyền gói tin (ms/gói)

84 Bùi Văn Đạt, Nguyễn Quốc Cường, Trần Thị Yến, Nguyễn Đức Thiện

SỬ DỤNG TÍNH TOÁN DFT KẾT HỢP VỚI SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM ĐỂ

XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TÍNH CỦA NATRI BENZOAT

USING DFT CALCULATIONS COMBINED WITH EXPERIMENTAL DATA

TO DETERMINE THE CHARACTERISTICS OF NATRI BENZOATE

Bùi Văn Đạt, Nguyễn Quốc Cường, Trần Thị Yến, Nguyễn Đức Thiện*

Trường Đại học Dược Hà Nội;*[email protected]

Tóm tắt - NaBz (natri benzoat) có hai dạng đa hình (monoclinic và triclinic), được sử dụng rất phổ biến trong bảo quản thực phẩm và trong y học. Các đặc trưng về hình thái phân tử, sự phân bố điện tích, phổ IR và Raman, các đặc tính nhiệt động của NaBz và FMO (orbital biên phân tử) của anion benzoat được phân tích bằng thực nghiệm và tính toán lượng tử (DFT/B3LYP/6-311G++(d,p)). Từ những phân tích đó, chúng tôi đã giải thích được tại sao chiều dài liên kết ion O-Na bị kéo dài ra trong pha rắn của NaBz; giải thích được tại sao NaBz được sử dụng để làm chất bảo quản thay cho acid benzoic và làm tá dược trơn; gán được các kiểu dao động cho những đỉnh phổ thực nghiệm đặc trưng; giải thích cơ chế phản ứng của nó với glycin trong việc điều trị rối loạn chu kỳ urê ở người.

Abstract - NaBz (natri benzoate) which has two polymorphisms (monoclinic and triclinic), is widely used in food preservation and in medicine. The NaBz’s characteristics about molecule geometry, charge distribution, IR and Raman spectroscopy, thermodynamical properties and anion benzoate’s FMO (Frotier Molecular Orbitals) are analyzed by experiment and quantum computing (DFT/B3LYP/6-311G++(d,p)). From these analyses, we explain why O-Na bonding is extended in solid phase of NaBz, why NaBz is used in preserving food and in medicine more than acid benzoic and is widely used as a lubricant excipient. We also assign vibrational modes to experimental featured peaks in IR and Raman spectrum and explain operating mechanism of NaBz with glycine in treating urea cycle disorders in humans.

Từ khóa - DFT; đa hình; NaBz; phổ IR; phổ Raman Key words - DFT; polymorphism; NaBz; IR spectroscopy; Raman spectroscopy


Natri benzoat (NaBz), công thức hoá học là

C6H5COO-Na+, là muối natri của acid benzoic. Hai dạng

đa hình của NaBz là NaBzI (monoclinic, kết tinh ở

Tc=420°C) và NaBzII (triclinic, Tc=350°C). Trong công

nghiệp dược phẩm và thực phẩm, NaBz đóng một vai trò

rất quan trọng. NaBz tiêu diệt nấm, vi khuẩn, làm giảm

95% lên men yếm khí của glucose thông qua enzym

phosphofructokinase [1]. Trong ngành y dược, NaBz

được sử dụng trong điều trị các rối loạn chu kỳ urê, ngăn

chặn sự tiến triển của bệnh Parkinson ở loài chuột, điều

trị thêm cho bệnh tâm thần phân liệt (1 gam/ngày), dùng

làm tá dược trơn và siro ho ([2]–[4]). Tuy nhiên, không

có nhiều nghiên cứu về cấu trúc, phân tích phổ dao động

và lý giải sâu sắc các tính chất của NaBz. Vì những lý do

đó, bài viết này chúng tôi sử dụng lý thuyết phiếm hàm

mật độ (DFT) để nghiên cứu chi tiết hơn về cấu trúc, phổ

dao động, hoàn chỉnh và phân tích các dao động đáng tin

cậy thông qua đo thực nghiệm phổ hồng ngoại (IR), phổ

Raman. Ngoài ra, chúng tôi sử dụng tính toán Orbital biên

phân tử (FMO) cho anion benzoat để giải thích hoạt tính

sinh học của NaBz (do trong dung dịch NaBz tồn tại dưới

dạng anion benzoat).

2. Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

a. Nguyên liệu

NaBz (Guangdong Guanghua Chemical Factory Co.,

Ltd, Trung Quốc), số lô 20080703, độ tinh khiết ≥ 99,5%

được sử dụng trực tiếp để đo phổ Raman, hồng ngoại mà

không qua xử lý.

b. Phương pháp nghiên cứu

Cấu trúc hai dạng tinh thể thực nghiệm được cung cấp

bởi Trung tâm Dữ liệu Tinh thể Cambridge (CCDC) và mô

phỏng bằng phần mềm Mercury 3.6. Hình thái, cấu trúc

điện tử, tính chất nhiệt động, tần số dao động IR, Raman

của NaBz và orbital phân tử (MO) của anion benzoat

được tối ưu hóa và tính toán bằng phương pháp DFT, sử

dụng ba thông số trao đổi hàm loại Beckes (B3) kết hợp

với phép tương quan hàm số Lee-Yang-Parr (LYP) và cài

đặt cơ sở 6-311G++(d,p), trên một máy tính sử dụng phần

mềm Gaussian 09W và Gaussview 5.0 [5], [6]. Kết quả

đo thực nghiệm của NaBz: phổ IR đo bằng SHIMADRU

(số sóng: 400÷4000 cm-1), phổ Raman đo bằng NANO

RAM (bước sóng kích thích: 785 nm; dịch chuyển Raman:

176÷2000 cm-1).


Hình thái phân tử

Chúng tôi chỉ tối ưu hóa một phân tử NaBz trong pha

khí, các nguyên tử được đánh số như Hình 1.

Hình 1. Cấu trúc phân tử NaBz tối ưu hóa

Hình 2 mô tả một phần của tiểu đơn vị trong ô mạng

tinh thể NaBzI và NaBzII. Số liệu tính toán về độ dài các

liên kết trong phân tử được so sánh với kết quả thực nghiệm

(Bảng 1).

https://en.wikipedia.org/wiki/Urea_cycle_disorder


Hình 2. Một phần của tiểu đơn vị trong ô mạng tinh thể:

a) NaBzI và b) NaBzII

Bảng 1. Độ dài các liên kết tính toán và thực nghiệm của phân

tử NaBz. Trong đó, đối với NaBzI, số liệu thực nghiệm là của

phân tử chứa Na1, O1 và O2 trong tiểu đơn vị. Tương tự với

NaBzII là Na1, O11 và O12

Liên kết C1-C2 C2-C3 C3-C4 C4-C5 C5-C6

DFT (Å) 1,40 1,40 1,40 1,40 1,40

NaBzI (Å) 1,35 1,38 1,36 1,38 1,37

NaBzII (Å) 1,40 1,39 1,40 1,41 1,39

Liên kết C12-O14 C1-H7 C2-H8 C3-H9 C5-H10

DFT (Å) 1,30 1,08 1,08 1,08 1,08

NaBzI (Å) 1,27 0,93 0,93 0,93 0,93

NaBzII (Å) 1,26 1,09 1,11 1,10 1,09

Liên kết C4-C12 C12-O13 C6-H11 O13-Na15 O14-Na15

DFT (Å) 1,49 1,30 1,08 2,21 2,21

NaBzI (Å) 1,53 1,25 0,93 2,55 2,49

NaBzII (Å) 1,53 1,27 1,09 2,50 2,42

Hình 3 mô tả hình thái NaBzI (cấu trúc được lấy từ CSD

entry: VOBFAV, CCDC) và NaBzII (CSD entry:

VOBFAV01, CCDC).

Hình 3. a) Hình thái NaBzI và b) Hình thái NaBzII

Phân tích Mulliken

Kết quả phân tích điện tích Mulliken được cho ở

Bảng 2.

Bảng 2. Điện tích Mulliken các nguyên tử trong phân tử NaBz

Nguyên tử C1 C2 C3 C4 C5

Điện tích (e) -0,123 -0,176 -0,077 -0,157 -0,080

Nguyên tử C6 H7 H8 H9 H10

Điện tích (e) -0,176 0,145 0,145 0,178 0,178

Nguyên tử H11 C12 O13 O14 Na15

Điện tích (e) 0,145 0,423 -0,596 -0,596 0,764

Phổ IR, Raman và gán dao động

Phổ IR, Raman theo DFT và thực nghiệm ở Hình 4 và 5.

Hình 4. Phổ IR của NaBz theo: a) DFT; b) thực nghiệm

Hình 5. Phổ Raman của NaBz theo: a) DFT; b) thực nghiệm

Một số đỉnh phổ thực nghiệm đặc trưng trong phân tử

NaBz được gán với các kiểu dao động của các nhóm chức

được trình bày ở Bảng 3.

Orbital biên phân tử (FMO)

Theo tính toán, anion benzoat có 233 MO, trong đó

MO1→35 là các orbital liên kết, MO36→233 là các orbital

phản liên kết. MO35 là HOMO (có năng lượng -0,016 au)

và MO36 là LUMO (0,003 au), khoảng cách HOMO-

LUMO bằng 0,019 au (Hình 6).

Hình 6. a) LUMO; b) HOMO của anion benzoat

Tính chất nhiệt động học

Kết quả tính toán một vài thông số nhiệt động của NaBz

tại T = 298,15 K, P = 1,00 atm là: tổng năng lượng nhiệt

(70,83 kcal/mol), năng lượng dao động (69,052 kcal/mol),

năng lượng dao động điểm zero (65,508 kcal/mol), nhiệt

dung mol đẳng tích Cv (30,795 cal/mol.K) và entropy S

(92,282 cal/mol.K).


Bảng 3. Gán dao động phổ IR, Raman theo tính toán DFT và thực nghiệm. Trong đó, các dao động: ν (dao động hóa trị);

νs (dao động hóa trị đối xứng); νas (dao động hóa trị không đối xứng); β (bẻ cong); τ (xoắn); ω (vẫy); δ (biến dạng); ρ (lắc lư).

Thứ tự

Thực nghiệm DFT/6-311G++(d,p)

Gán dao động IR

(cm-1)

Raman

(cm-1)

Tần số

(cm-1)

IR

(a.u)

Raman

(a.u)

1 - - 69,60 362,28 21,36 ω(Na-O2)

2 - - 76,78 0,00 0,83 τ(C-O2)

3 - - 137,19 161,65 0,01 νas(Na-O2)

4 - - 188,22 120,95 24,53 ω(Na-O2)

5 - - 273,33 224,05 43,28 νs(Na-O2) + ν(C-C thơm)

6 - - 303,95 87,06 0,00 νas(Na-O2) + τ(C-H)

7 - - 427,87 0,00 0,02 ω(C(2,3,5,6)-H)

8 - - 451,54 504,29 0,58 νs(Na-O2) + vòng co bóp

9 - - 460,73 0,15 0,03 γ(thơm)

10 522,71(m) - 517,13 50,40 0,41 νas(Na-O2) + β(C4-C12)

11 - - 650,71 0,02 63,22 β(thơm)

12 680,87 (s) 679,95 (m) 704,10 244,13 29,32 δ(C-O2) + vòng co bóp

13 - - 707,96 151,36 0,53 ω(C-O2) + β(thơm)

14 715,59 (s) - 728,12 897,29 14,94 ω(C-H)

15 819,75 (m) - 821,66 116,01 0,70 β(C4-C12) + ω(C(1,2,6)-H)

16 846,75 (vs) 844,00 (s) 834,00 54,32 384,76 νs(C-O2+C2-C1-C6)

17 - - 888,48 0,00 16,27 ω(C(2,3,5,6)-H)

18 - - 982,27 36,03 0,89 ω(C(1,3,5)-H)

19 - - 1.021,27 0,00 0,01 ω(C(2,3,5,6)-H)

20 1.028,06 (s) 1.004,00 (vs) 1.026,24 18,08 468,11 vòng co bóp

21 - - 1.036,79 0,66 0,47 ω(C(1,2,3,5,6)-H)

22 1.066,64 (vs) - 1.054,68 121,55 0,21 β(thơm)

23 - - 1.099,65 134,79 0,03 δ(HC2-C3H+HC5-C6H)+β(C1-H)

24 - 1.156,00 (m) 1.145,46 86,23 32,71 νs(C-O2) + vòng co bóp

25 - - 1.207,31 0,22 63,06 ω(C-H)

26 - - 1.211,90 163,80 51,06 δ(HC2-C3H+HC5-C6H)

27 - - 1.341,85 127,24 11,92 ν(C-C thơm)

28 - - 1.364,41 0,04 0,16 ρ(C-H)

29 1.390,68 (m) 1.435,97 (s) 1.394,26 3.727,66 576,99 vs(C-O2) + ν(C4-C12)

30 1.523,76 (m) - 1.459,15 2.029,37 81,72 νas(C-O2) + ρ(C(1,2,6)-H)

31 1.637,56 (m) - 1.507,97 1.414,09 9,31 νas(C-O2) + ρ(C(1,2,6)-H)

32 - 1.570,00 (m) 1.536,24 0,15 30,95 ν(C4-C12) + ρ(C(1,2,6)-H)

33 - 1.625,24 5,56 11,38 ν(C-C thơm)

34 - 1604,00 (vs) 1.642,28 76,17 759,23 ν(C-C thơm)+δ(HC2-C3H+HC5-C6H)

35 - - 3.156,22 0,25 622,35 ν(C(1,2,6)-H)

36 - - 3.169,52 29,46 1.178,67 ν(C(2,3,5,6)-H)

37 - - 3.184,84 414,88 1.429,12 ν(C-H)

38 - - 3.205,66 13,88 66,88 ν(C(2,3,5,6)-H)

39 - - 3.208,65 61,60 1.925,15 ν(C-H)

4. Bàn luận

Theo các nghiên cứu gần đây, ở pha rắn, các phân tử

NaBz liên kết ion với nhau tạo thành các tiểu đơn vị (hình

que) trong ô mạng tinh thể cơ sở. Đối với NaBzI, số phân


tử NaBz trong mỗi tiểu đơn vị là 10 (Hình 2a), dạng tinh

thể monoclinic, nhóm không gian P21/n, a=15,113 Å,

b=6,4048 Å, c=34,476 Å, α=90,00°, β=100,18°, γ=90,00°,

thể tích ô mạng cơ sở V=3284,5 Å3, 1 nguyên tử Na tạo

liên kết ion với 6 nguyên tử O [7]. Còn với NaBzII, số phân

tử là 12 (Hình 2b), dạng tinh thể triclinic, nhóm không gian

P1, a= 15,3053 Å, b=6,43668 Å, c=19,5164 Å, α=87,279°,

β=95,598°, γ=98,725°, V=1890,3 Å3, 1 nguyên tử Na tạo

liên kết ion với 6 nguyên tử O [8]. Về chiều dài liên kết

(Bảng 1) cho số liệu tính toán và thực nghiệm khá tương

đồng nhau, trừ 2 liên kết Na-O bị ngắn đi (2,21 Å) so với

thực nghiệm (2,42÷2,55 (Å)), do bị 4 liên kết Na-O còn lại

của nguyên tử Na đó kéo dãn ra.

Phân tích Mulliken giúp thể hiện sự phân bố điện tích

của mỗi nguyên tử (Z) [9]. Kết quả tính toán (Bảng 2) cho

thấy nguyên tử C12 có điện tích lớn nhất (0,423 e) trong

các nguyên tử C, hai nguyên tử O13 và O14 đều mang điện

tích -0,596 e. Các nguyên tử C còn lại trong vòng thơm đều

mang điện tích âm tương đối đồng đều. Còn trong các

nguyên tử H trong phân tử NaBz thì H9 và H10 có

ZH9 = ZH10 = 0,178 e có điện tích dương lớn nhất. ZNa15=

0,764 e lớn dẫn tới việc hình thành liên kết ion mạnh giữa

nguyên tử Na với hai nguyên tử O, tạo nên những vùng ưa

nước xen kẽ với vùng kỵ nước chứa vòng benzen (Hình 3a

và 3b). Cho kết quả trên là do NaBz tan được trong nước

mạnh hơn so với dạng acid của nó. Đây là lý do vì sao NaBz

được sử dụng nhiều hơn so với acid benzoic trong việc bảo

quản thực phẩm (mặc dù acid benzoic có tính bảo quản

thực phẩm tốt hơn NaBz) và được dùng để làm tá dược trơn

(mặc dù nó là chất bôi trơn kém).

Chúng tôi nhận thấy phổ Raman tính toán và thực

nghiệm có nhiều điểm tương đồng Hình 5). Các dao động

Raman mạnh nếu như liên kết là hóa trị (C-C, C-O), có đỉnh

cường độ lớn trong phổ Raman đặc trưng [10]. Các liên kết

hóa trị (C-C trong NaBz) chịu ảnh hưởng không đáng kể

bởi các lực tương tác liên phân tử trong pha rắn thực

nghiệm, do đó phổ Raman thực nghiệm và DFT tương

đồng nhau.

Còn phổ IR, tuy cũng có những sự tương đồng, song

còn nhiều khác biệt Hình 4). Các dao động IR mạnh nếu

liên kết là ion (O-Na) và các liên kết mà khi dao động làm

thay đổi nhiều mô-men lưỡng cực phân tử (C-H) [10]. Các

dao động IR chịu tác động mạnh trong pha rắn thực nghiệm

do liên kết O-Na bị ảnh hưởng (1 nguyên tử Na tạo liên kết

ion với 6 nguyên tử O). Do đó, phổ IR của NaBz có sự khác

nhau giữa thực nghiệm và DFT.

Có tất cả 39 kiểu dao động thu được từ tính toán DFT.

Mỗi đỉnh tính toán tương ứng với một kiểu dao động thu

được từ phần kết quả trong Gaussview 5.0.

Bảng 3 cho thấy dao động của các nhóm tương ứng với

các đỉnh đặc trưng trong phổ IR và Raman. Quan sát các

dao động ở Gaussview 5.0 cho thấy, trong khoảng

0÷500 cm-1 thì chỉ thấy dao động đáng kể của nhóm O-Na.

Phổ Raman thực nghiệm cho thấy NaBz có bốn đỉnh phổ

đặc trưng: 844,00 cm-1- νs(C-O2); 1.004,00 cm-1- vòng co

bóp; 1.435,97 cm-1-νs(C-O2) và 1.604,00 cm-1- ν(C-C

thơm). Phổ IR thực nghiệm của NaBz có thể kể đến các

đỉnh đặc trưng sau: 680,87 cm-1- δ(C-O2); 819,75 cm-1-

β(C4-C12); 846,75 cm-1- νs(C-O2); 1.028,06 cm-1 - vòng co

bóp; 1.066,64 cm-1- β(thơm); 1.390,68 cm-1- vs(C-

O2);1.523,76 cm-1- νas(C-O2); 1.637,56 cm-1- νas(C-O2)).

FMO là một phần của orbital phân tử (MO), bao gồm

orbital phân tử đầy cao nhất (HOMO) và orbital phân tử

trống thấp nhất (LUMO) [11]. Theo tính toán DFT, phân

tử glycin có 145 MO, MO20 là HOMO (-0,235 au) và

MO21 là LUMO (-0,017 au). Dựa trên thuyết Fukui về

FMO [12], nguyên tử N (nơi có mật độ cao nhất của

HOMO trong phân tử glycin, nơi cho e) tương tác được với

nguyên tử C12 (nơi có mật độ cao nhất của LUMO trong

anion benzoat, nơi nhận e) tạo ra phản ứng thế ai nhân

(Hình 7). Trong thực tế, dưới điều kiện đun nóng, phản ứng

này xảy ra và tạo hippurat. Tuy nhiên, trong chu trình urê

ở gan người, để phản ứng xảy ra dễ dàng hơn thì anion

benzoat phải kết hợp với CoA trước (nhờ có ATP) để tạo

benzoyl-CoA. Sau đó, chất này mới phản ứng với glycin

tạo hippurat và được đào thải ra ngoài theo nước tiểu. Đây

cũng chính là cơ chế điều trị rối loạn trong chu kỳ urê trong

cơ thể người có sử dụng NaBz.

Hình 7. a) LUMO của anion benzoat; b) HOMO của glycin

theo tính toán DFT

Entropy của một hệ càng thấp thì mức độ trật tự của hệ

càng cao. Tại T=298,15 K, P=1,00 atm, trạng thái khí:

NaBz có entropy tính toán là 92,282 cal/mol.K, trong khi

anion benzoat có entropy tính toán là 86,593 cal/mol.K.

Như vậy, phân tử NaBz có mức độ trật tự thấp hơn so với

anion benzoat ở trạng thái khí.

5. Kết luận

Việc sử dụng phương pháp tính toán lượng tử DFT kết

hợp với thực nghiệm cho NaBz đã giúp chúng tôi giải thích

được sự hình thành liên kết ion O-Na và tại sao chiều dài

liên kết này trong phân tử bị kéo dài ra trong pha rắn; đồng

thời cũng giải thích được tại sao NaBz được sử dụng để

làm chất bảo quản thay cho acid benzoic và làm tá dược

trơn; gán được các kiểu dao động cho những đỉnh phổ thực

nghiệm đặc trưng. Không những thế, việc phân tích FMO

của anion benzoat còn giúp chúng ta hiểu hơn về cơ chế

phản ứng của nó với glycin trong việc điều trị rối loạn chu

kỳ urê ở người.


[1] B. S. Lennerz, S. B. Vafai, N. F. Delaney, C. B. Clish, A. A. Deik, K. A. Pierce, D. S. Ludwig, and V. K. Mootha, “Effects of sodium benzoate, a

widely used food preservative, on glucose homeostasis and metabolic

profiles in humans”, Mol. Genet. Metab., 2014, pp. 1-7.

[2] J. Häberle, N. Boddaert, A. Burlina, A. Chakrapani, M. Dixon, M.

Huemer, D. Karall, D. Martinelli, P. S. Crespo, R. Santer, A. Servais,

and V. Valayannopoulos, “Suggested guidelines for the diagnosis and management of urea cycle disorders”, Orphanet J. Rare Dis.,

2012, pp. 1-30.

[3] S. Khasnavis and K. Pahan, “Cinnamon Treatment Upregulates Neuroprotective Proteins Parkin and DJ-1 and Protects

Dopaminergic Neurons in a Mouse Model of Parkinson ’ s Disease”,

J Neuroimmune Pharmacol, 2014.


[4] H.-Y. Lane, C.-H. Lin, M. F. Green, G. Hellemann, C.-C. Huang,

P.-W. Chen, R. Tun, Y.-C. Chang, and G. E. Tsai, “Add-on Treatment of Benzoate for Schizophrenia A Randomized, Double-

blind, Placebo-Controlled Trial of”, JAMA Psychiatry, Vol. 70, No.

12, 2015, pp. 1267-1275.

[5] R. Anitha, M. Gunasekaran, S. S. Kumar, S. Athimoolam, and B.

Sridhar, “Single crystal XRD, vibrational and quantum chemical

calculation of pharmaceutical drug paracetamol: A new synthesis form”, Spectrochim. Acta - Part A Mol. Biomol. Spectrosc., Vol.

150, 2015, pp. 488-498.

[6] R. Dennington, T. Keith, and J. Millam, “GaussView, Version 5. J. Semichem Inc., Shawnee Mission”, 2009.

[7] J. Breu, W. Milius, C. Butterhof, and T. Martin, “Microphase Separation with Small Amphiphilic Molecules: Crystal Structure of

Preservatives Sodium Benzoate (E 211) and Potassium Benzoate (E

212)”, Zeitschrift für Anorg. und Allg. Chemie, No. August 2016, 2013, pp. 2816-2821.

[8] T. W. Martin, T. E. Gorelik, D. Greim, C. Butterhof, U. Kolb, J.

Senker, and J. Breu, “Microphase separation upon crystallization of small amphiphilic molecules: ‘low’ temperature form II of sodium

benzoate (E 211)”, CrystEngComm, 2016.

[9] I. Sidir, Y. G. Sidir, M. Kumalar, and E. Tasal, “Ab initio Hartree-Fock and density functional theory investigations on the

conformational stability, molecular structure and vibrational spectra

of 7-acetoxy-6-(2,3-dibromopropyl)-4,8-dimethylcoumarin molecule”, J. Mol. Struct., Vol. 964, No. 1–3, 2010, pp. 134-151.

[10] J. R. Ferraro, K. Nakamoto, and C. W. Brown, Introductory Raman

Spectroscopy, Second editon, Elsevier, 2003.

[11] P. S. Kumar, K. Vasudevan, A. Prakasam, M. Geetha, and P. M.

Anbarasan, “Quantum chemistry calculations of 3-Phenoxyphthalonitrile dye sensitizer for solar cells”, Spectrochim.

Acta Part A Mol. Biomol. Spectrosc., Vol. 77, 2010, pp. 45-50.

[12] K. Fukui, The role of frontier orbitals, 1981.


ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017-Quyển 1 89

ẢNH HƯỞNG CỦA THUỐC DIỆT CỎ ĐẾN SỐ LƯỢNG VI KHUẨN

VÀ THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA ĐẤT

EFFECTS OF HERCICIDES ON BACTERIA NUMBER

AND CHEMICAL COMPONENTS OF SOIL

Hà Danh Đức*, Nguyễn Thị Kim Khánh, Bùi Minh Triết

Trường Đại học Đồng Tháp; [email protected]

Tóm tắt - Các loại thuốc diệt cỏ đều có thể ảnh hưởng đến hệ sinh thái, hệ vi sinh vật và thành phần hóa học của đất. Khảo sát 3 loại thuốc diệt cỏ Mizin 80WP (chứa hoạt chất atrazine), Dosate 480SC (chứa hoạt chất glyphosate) và nimaxon 20sl (chứa hoạt chất paraquat) cho thấy chúng làm giảm vi khuẩn trong đất ở tất cả các nồng độ thuốc trừ cỏ gồm 0,5X, 1,0X, 1,5X và 2,0X. Nồng độ cao (2,0X) làm giảm số vi khuẩn trong đất nhiều hơn so với các nồng độ thấp hơn. Dosate 480SC và Nimaxon 20SL làm giảm lượng vi khuẩn cho đến 20 ngày, sau đó số lượng vi khuẩn phục hồi dần ở các nồng độ 0,5X, và 1,0X, trong khi đó Mizin 80WP làm giảm vi khuẩn kéo dài đến 25 ngày. Nồng độ 1,5X và 2,0X có ảnh hưởng lâu dài hơn đến vi khuẩn so với các nồng độ còn lại. Tuy nhiên, các chất diệt cỏ này hầu như không ảnh hưởng lớn đến thành phần hóa học các chất chủ chốt như cacbon hữu cơ, nitơ tổng số, photpho tổng số và kali tổng số trong đất.

Abstract - Herbicides have harmful effects on ecosystems, microorganisms and chemical compositions of soils. The investigation of three hebicides, including Mizin 80WP (containing Atrazine), Dosate 480SC (containing Glyphosate) and Nimaxon20SL (containing Paraquat) shows that they cause a reduction in bacteria numbers in soil after treatments with the doses of 0.5X, 1.0X, 1.0X and 2.0X. The treatments with concentration of 2.0X result in the lowest number of bacteria in soil. Using concentrations of 0.5X and 1.0X of Dosate 480SC and Nimaxon 20SL causes a reduction in bacteria till the 20th day after treatment, and Mizin 80WP reduces bacteria until 25 days. Using herbicide concentrations of 1.5X and 2.0X results in longer inhibitions of bacteria. However, all surveyed herbicides do not significantly affect organic Carbon, total of Nitrogen, Phosphor and Potassium in soil.

Từ khóa - Mizin 80WP; atrazine; Dosate 480SC; glyphosate; Nimaxon 20SL; paraquat.

Key words - Mizin 80WP; atrazine; Dosate 480SC; glyphosate; Nimaxon 20SL; paraquat.


Việt Nam là nước sản xuất nông nghiệp, người dân

thường xuyên sử dụng hóa chất - thuốc bảo vệ thực vật để

phòng trừ sâu hại, bệnh cây trồng và diệt cỏ. Tuy nhiên,

các loại hóa chất bảo vệ thực vật, trong đó có thuốc diệt cỏ,

là các chất hoá học có độc tính cao nên chúng không những

độc hại với sức khoẻ con người mà còn có nguy cơ cao gây

ô nhiễm môi trường sinh thái.

Thành phần hóa học của đất quyết định năng suất, phẩm

chất cũng như khả năng phát triển của cây trồng. Hệ vi sinh

vật (VSV) đất là yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng tới khả

năng chuyển hóa và cung cấp dinh dưỡng cho cây, đồng

thời thực hiện chức năng duy trì sự sống trong đất. Sự thay

đổi trong hệ VSV đất có thể làm thay đổi thành phần trong

đất. Vấn đề ô nhiễm đất đã ảnh hưởng không nhỏ đến khu

hệ VSV, làm thay đổi theo chiều hướng tiêu cực đối với

chúng cũng như với chất lượng đất.

Dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trong đất và nước vốn

được quan tâm từ lâu. Hầu hết người nông dân đều sử dụng

thuốc trừ cỏ ở nhiều loại cây trồng. Đồng Tháp là một tỉnh

có diện tích trồng ớt cao. Bên cạnh đó, nhiều địa phương

trong khu vực cũng đã chuyển từ trồng lúa kém hiệu quả

sang trồng ớt.

Thuốc diệt cỏ không chỉ ảnh hưởng đến con người mà

còn ảnh hưởng lớn đến môi trường sống cũng như cả hệ

sinh thái. Trước đây, Nguyễn Cách Tuyến đã nghiên cứu

về ảnh hưởng của thuốc trừ sâu và một số chất kích thích

sinh trưởng đến sự biến đổi của VSV trong đất trồng chè

[6]. Khảo sát ảnh hưởng của thuốc diệt cỏ đến hệ VSV đất

phần nào thể hiện tác động của chúng đến môi trường đất

cũng như hệ sinh thái. Để đánh giá một cách chi tiết hơn,

nhóm tác giả đã khảo sát ảnh hưởng của một số loại thuốc

diệt cỏ đến hệ vi khuẩn đất cũng như thành phần hóa học

chủ chốt trong đất bao gồm cacbon, nitơ, photpho và kali.

2. Phương tiện và phương pháp nghiên cứu

2.1. Chuẩn bị đất thí nghiệm

Phương pháp lấy đất được thực hiện theo Nguyễn Cách

Tuyến [6] và Zain [10]. Đất được lấy từ độ sâu 0 – 30 cm bằng

xẻng rồi đem về Trường Đại học Đồng Tháp. Đất này dùng

để trồng ớt, thuộc giống ớt Sừng Trâu và Chỉ Thiên. Đất được

nghiền và dùng rây có đường kính 0,5 cm sàng lọc đất, loại bỏ

các loại đá, cát, mảnh vụn lá cây,… Đất được bón thêm urê,

phân lân và phân kali theo khuyến cáo của đất trồng ớt, gồm

200 kg N/ha, 170 kg P2O5/ha, 170 kg K2O/ha. Các loại phân

được hòa tan trong nước rồi phun vào đất bằng bình xịt cầm

tay. Sau đó đất được cho vào chậu nhựa hình trụ có đường

kính phía trên 24 cm, phía dưới 19 cm và chiều cao 20 cm.

Mỗi chậu chứa 5 kg đất, được đặt trong vườn sinh học Trường

Đại học Đồng Tháp. Vì các loại cây trồng đều có thể ảnh

hưởng đến thành phần vi khuẩn trong đất cũng như thành phần

hoá học của đất, nhóm tác giả không trồng bất kỳ loại cây nào

khác trong chậu đất trong quá trình thí nghiệm.

2.2. Xác định thành phần hóa học của đất

Hàm lượng các chất cacbon, nitơ, photpho, kali được

xác định theo tiêu chuẩn Việt Nam bao gồm: cacbon hữu

cơ (TCVN 6644), nitơ tổng số (TCVN 6645), photpho tổng

số (TCVN 8661) và kali tổng số (TCVN 8662).

2.3. Xác định độ ẩm của đất

Mẫu đất được cân rồi sấy ở 100°C bằng tủ sấy trong vòng

30 phút, sau đó cân lại. Độ ẩm được được xác định như sau:

90 Hà Danh Đức, Nguyễn Thị Kim Khánh, Bùi Minh Triết

Trong quá trình thí nghiệm, đất thường xuyên được tưới

nước đã khử trùng bằng bình xịt cầm tay để độ ẩm của đất

duy trì như ban đầu.

2.4. Phương pháp phun thuốc trừ cỏ

Trong các thí nghiệm, các loại thuốc diệt cỏ Mizin

80WP (chứa hoạt chất atrazine), Dosate 480SC (chứa

hoạt chất glyphosate) và Nimaxon 20SL (chứa hoạt chất

paraquat) được sử dụng. Sở dĩ các loại thuốc diệt cỏ này

được nhóm tác giả lựa chọn vì chúng thường được nông

dân tỉnh Đồng Tháp sử dụng trên đất trồng ớt cũng như

nhiều loại cây trồng khác. Các loại thuốc trừ cỏ được sử

dụng với các liều lượng theo khuyến cáo, bao gồm 2,0

kg/ha Mizin 80WP, 3,0 l/ha Dosate 480SC và 3,5 l/ha

Nimaxon 20SL. Thuốc được pha loãng với nước khử

trùng rồi phun vào đất, trộn đều rồi cho vào chậu nhựa.

Nồng độ tương ứng gồm 0,5X, 1,0X, 1,5X và 2,0X (X là

nồng độ theo khuyến cáo) [10].

2.5. Phương pháp lấy mẫu đất và đếm vi khuẩn trong đất

Đất ở độ sâu 10 cm được lấy ra bằng thìa đã khử trùng

(mỗi mẫu 1,0 g) rồi được đưa vào phòng thí nghiệm phân

tích. Các mẫu đất được lấy sau 2 giờ, 5 ngày, 10 ngày,

15 ngày, 20 ngày, 25 ngày và 30 ngày kể từ khi phun thuốc.

Tất cả các nghiệm thức đều được thực hiện 3 lần lặp lại.

Mẫu đối chứng không được phun thuốc (0,0X). Mỗi chậu

đất, đất được lấy và phân tích 2 mẫu. Các thí nghiệm này

thực hiện trong tháng 3 và 4 năm 2017, nhiệt độ môi trường

từ 28,3 – 32,6°C, độ ẩm không khí từ 71,1% đến 84,4% (đo

bằng nhiệt kế và độ ẩm kế). Trời không mưa và có gió nhẹ

trong suốt thời gian thí nghiệm.

Phương pháp đếm số lượng vi khuẩn trong đất được thực

hiện thông qua sự xuất hiện các khuẩn lạc trên thạch agar.

Môi trường nuôi cấy vi khuẩn bao gồm tripton (5 g/l), dịch

chiết từ thịt (3 g/l), agar (16 g/l) [6]. Môi trường được khử

trùng ở nhiệt độ 121°C trong 15 phút trước khi thí nghiệm.

3. Kết quả và bình luận

3.1. Thành phần hóa học của đất thí nghiệm

Sau khi đất đã được rây sàng và bón các loại phân urê,

lân và kali, thành phần hóa học cũng như một số tính chất

của đất được xác định ở Bảng 1.

Bảng 1. Thành phần hóa học và tính chất của đất thí nghiệm

Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị

Dung trọng g/cm3 1,33 ± 0,14

Độ ẩm % 24,7 ± 0,70

Độ pH 5,04 ± 0,35

Cacbon hữu cơ % 3,421 ± 0,179

Nitơ tổng số % 0,255 ± 0,019

Kali tổng số % 1,370 ± 0,121

Photpho tổng số % 0,158 ± 0,008

Dung trọng của mẫu trung bình là 1,33 g/cm3, theo

Bondarev (1995) thì đất này được coi là thích hợp với đại

bộ phận cây trồng [9]. Giá trị pH trung bình là 5,04 phù

hợp với đặc tính sinh trưởng của các loài cây trồng. Hàm

lượng C hữu cơ, N, P và K tổng số trong đất nghiên cứu ở

mức giàu dinh dưỡng theo thang đánh giá của Hội Khoa

học Đất Việt Nam (2000).

3.2. Ảnh hưởng của thuốc diệt cỏ đến số lượng vi khuẩn

trong đất

Vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái đất.

Sự thay đổi số lượng và thành phần VSV đất có thể làm

ảnh hưởng đến nhiều quá trình trong đất. Trong thí nghiệm

này, tất cả các loại thuốc trừ cỏ đều ảnh hưởng đến số lượng

vi khuẩn đất. Ở nồng độ 0,5X và 1,0X, sự thay đổi số lượng

vi khuẩn là không nhiều so với đối chứng (Hình 1). Số

lượng vi khuẩn giảm nhiều hơn ở nồng độ 1,5X và giảm

nhiều nhất ở nồng độ 2,0X.

So sánh sự ảnh hưởng các loại thuốc diệt cỏ khác nhau

cho thấy, không có sự khác biệt nhiều về mức độ giảm vi

khuẩn do tác động của Mizin 80WP, Dosate 480SC và

Nimaxon 20SL. Sau khi xịt thuốc 2 giờ, nhóm tác giả lấy

mẫu phân tích ngay để xác định sự gây chết cấp tính của

chúng đối với vi khuẩn. Mizin 80WP (chứa hoạt chất

atrazine) và Nimaxon 20SL (chứa hoạt chất paraquat) gây

chết vi khuẩn ngay tức khắc, trong khi đó Dosate 480SC

(chứa hoạt chất glyphosate) gây chết ít hơn sau 2 giờ (Hình

1), nhưng sau 5 ngày thì số vi khuẩn giảm đi đáng kể ở

nghiệm thức 1,5X và 2,0X. Dosate 480SC và Nimaxon

20SL làm giảm lượng vi khuẩn cho đến 20 ngày, nhất là

nghiệm thức 1,0X đến 2,0X. Sau đó, số lượng vi khuẩn trong

đất phục hồi dần ở các nồng độ thấp. Trong khi đó, ở nghiệm

thức phun Mizin 80WP, số vi khuẩn bắt đầu phục hồi từ ngày

thứ 25. Lượng vi khuẩn tăng lên sau một khoảng thời gian

có thể là vì nồng độ thuốc diệt cỏ trong đất giảm xuống, do

các quá trình phân hủy trong đất làm giảm độc tính của

thuốc. Ở các nghiệm thức 2,0X, lượng vi khuẩn trong đất

giảm nhiều hơn so với các nghiệm thức có nồng độ thấp hơn.

Nghiệm thức 2,0X có nồng độ cao nên độc tính cao hơn và

sự phân hủy tự nhiên có thể chậm hơn.

Các nghiên cứu khác trên thế giới cũng đã mô tả ảnh

hưởng của thuốc diệt cỏ đến VSV. Nghiên của Zain (2013)

thấy rằng, một số chất diệt cỏ như paraquat và glyphosate

ức chế và làm chết vi khuẩn nhiều hơn khi nồng độ tăng

dần từ 0,5X, 1,0X đến 2,0X [10]. Baboo (2013) cho thấy,

sử dụng chất diệt cỏ bao gồm butachlor, pyrazosulfuron,

paraquat và glyphosate đều dẫn đến giảm số lượng vi khuẩn

[1]. Các loại thuốc trừ cỏ khác như Atrylone 80WP (chứa

atrazine), primextra (chứa atrazine và metolachlor),

Glysate (chứa glyphosate) và Gramoxone (chứa paraquat)

đều làm giảm lượng VSV trong đất [7].

3.3. Ảnh hưởng của thuốc diệt cỏ đến thành phần hóa

học của đất

Như đã mô tả ở trên, các loại thuốc diệt cỏ đều đẫn đến

sự thay đổi vi khuẩn đất. Hoạt động của vi khuẩn đất luôn

tác động đến thành phần hoá học của đất, nhất là các

nguyên tố thiết yếu trong thành phần dinh dưỡng của đất

như C, N, P, K. Trong điều kiện đất trồng trong phòng thí

nghiệm, các loài động vật và thực vật đều bị loại bỏ nên sự

thay đổi các thành phần này chỉ ảnh hưởng đến VSV đất.

Thuốc trừ cỏ ở các nồng độ 0,5X, 1,0X, 1,5X và 2,0X trong

thí nghiệm này hầu như không ảnh hưởng gì đến hàm lượng

cacbon hữu cơ, nitơ tổng số và photpho tổng số trong đất

(Bảng 2, 3 và 4).

Lượng nitơ tổng số có giảm xuống so với ban đầu (Bảng

2), có thể là do quá trình biến đổi thành NH3 bốc hơi ra không


khí, hoặc quá trình khoáng hóa nitơ, hay quá trình khử nitơ

hợp chất thành N2 chứ không phải do ảnh hưởng của thuốc

trừ cỏ vì lượng nitơ giảm này tương đương với nghiệm thức

đối chứng không sử dụng thuốc diệt cỏ. Nghiên cứu trước

đây cũng cho thấy, glyphosate không ảnh hưởng xấu đến các

quá trình ammonia hóa, nitrite hóa và khử trong đất rừng [8].

Một nghiên cứu khác cho thấy, không có sự độc hại nào đáng

kể của glyphosate đến quá trình nitơ trong đất, cho dù chúng

có ảnh hưởng đến quá trình cố định nitơ từ nitơ không khí,

nitrite hóa và khử nitrite [3].

Đối với cacbon hữu cơ tổng số, từ ban đầu đến sau 1

tháng, hàm lượng này xoay quanh 3,4% cho dù có sự thay

đổi về số lượng vi khuẩn khi xử lý thuốc trừ cỏ (Bảng 3).

Nghiên cứu trước đây cho thấy, tổng số cacbon và nitơ

giảm xuống trong 8 tuần đầu tiên sử dụng một số thuốc diệt

cỏ (trong đó có glyphosate), nhưng sau đó nồng độ lại tăng

lên [2]. Một nghiên cứu khác cho thấy, quá trình khoáng

hóa các hợp chất cacbon tùy thuộc vào loại thuốc trừ cỏ

[5]. Sebiom (2011) khảo sát ảnh hưởng của thuốc diệt cỏ

bao gồm atrazine, primeextra, paraquat và glyphosate đến

các hợp chất hữu cơ thấy rằng, tất cả các chất trừ cỏ đó đều

làm giảm các thành phần hữu cơ trong đất [7]. Baboo

(2013) cho thấy sử dụng một số chất diệt cỏ bao gồm

Butachlor, Pyrazosulfuron, Paraquat và Glyphosate dẫn

đến sự tăng hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất [1]. Có thể

tính chất khác nhau của đất và điều kiện thí nghiệm khác

nhau đã dẫn đến các kết quả khác nhau như vậy.

Đối với photpho tổng số, trong vòng 1 tháng, không

thấy sự thay đổi nào đáng kể trong đất khi xử lý bằng các

loại thuốc diệt cỏ (Bảng 4). Ngoài ra, nhóm tác giả cũng

tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các loại thuốc diệt cỏ trên

đối với sự thay đổi nồng độ kali. Cũng như cacbon và

photpho, các loại thuốc diệt cỏ ảnh hưởng không đáng kể

đến sự thay đổi kali tổng số trong đất.

Hình 1. Ảnh hưởng của nồng độ các loại thuốc diệt cỏ Mizin 80WP, Dosate 480SC, Nimaxon 20SL

đến số lượng vi khuẩn trong đất trước và sau khi phun thuốc

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

Trước khi

phun

2 giờ 5 ngày 10 ngày 15 ngày 20 ngày 25 ngày 30 ngày

Số

lư

ợn

g v

i k

hu

ẩn

tro

ng

đấ

t

((C

FU

/g)x

10

6)

Thời gian trước và sau khi phun thuốc

Mizin 80WP

Đối chứng

0,5x

1,0x

1,5x

2,0x

0

2

4

6

8

10

Trước khi

phun


Số

lư

ợn

g v

i k

hu

ẩn

tro

ng

đấ

t

((C

FU

/g)x

10

6)


Dosate 480SC

0,5x

1,0x

1,5x

2,0x

0

2

4

6

8

10

Trước khi

phun


Số

lư

ợn

g v

i k

hu

ẩn

tro

ng

đấ

t

((C

FU

/g)x

10

6)


Nimaxon 20SL

0,5x

1,0x

1,5x

2,0x

92 Hà Danh Đức, Nguyễn Thị Kim Khánh, Bùi Minh Triết

Bảng 2. Hàm lượng nitơ trong đất trước và sau khi phun thuốc trừ cỏ Mizin 80WP, Dosate 480SC,

Nimaxon 20SL với các nồng độ khác nhau

Nghiệm

thức

Hàm lượng nitơ trong đất (%)

Trước khi

phun

Hàm lượng sau khi phun thuốc


Mizin 80WP

0,0X 0,26 ± 0,02 0,25 ± 0,01 0,23 ± 0,02 0,22 ± 0,01 0,22 ± 0,01 0,21 ± 0,01 0,20 ± 0,01 0,20 ± 0,01

0,5X 0,25 ± 0,02 0,25 ± 0,01 0,22 ± 0,02 0,21 ± 0,01 0,22 ± 0,01 0,21 ± 0,01 0,20 ± 0,02 0,21 ± 0,01

1,0X 0,25 ± 0,02 0,25 ± 0,01 0,23 ± 0,01 0,22 ± 0,02 0,21 ± 0,02 0,20 ± 0,01 0,20 ± 0,01 0,20 ± 0,01

1,5X 0,26 ± 0,03 0,23 ± 0,02 0,23 ± 0,02 0,21 ± 0,02 0,21 ± 0,02 0,20 ± 0,03 0,19 ± 0,02 0,19 ± 0,02

2,0X 0,26 ± 0,02 0,26 ± 0,01 0,24 ± 0,02 0,24 ± 0,01 0,22 ± 0,01 0,21 ± 0,01 0,21 ± 0,02 0,20 ± 0,02

Dosate 480SC

0,5X 0,26 ± 0,01 0,26 ± 0,01 0,24 ± 0,01 0,23 ± 0,01 0,22 ± 0,02 0,21 ± 0,02 0,19 ± 0,02 0,20 ± 0,01

1,0X 0,25 ± 0,01 0,26 ± 0,01 0,23 ± 0,01 0,22 ± 0,01 0,21 ± 0,01 0,20 ± 0,02 0,19 ± 0,02 0,19 ± 0,02

1,5X 0,26 ± 0,03 0,26 ± 0,02 0,24 ± 0,03 0,22 ± 0,03 0,21 ± 0,03 0,21 ± 0,03 0,20 ± 0,02 0,20 ± 0,03

2,0X 0,26 ± 0,01 0,26 ± 0,01 0,25 ± 0,01 0,23 ± 0,02 0,22 ± 0,02 0,21 ± 0,01 0,21 ± 0,01 0,21 ± 0,02

Mimaxon 20SL

0,5X 0,25 ± 0,01 0,25 ± 0,02 0,23 ± 0,01 0,22 ± 0,01 0,21 ± 0,01 0,22 ± 0,01 0,21 ± 0,01 0,20 ± 0,01

1,0X 0,26 ± 0,02 0,27 ± 0,00 0,23 ± 0,01 0,23 ± 0,01 0,21 ± 0,02 0,21 ± 0,02 0,21 ± 0,01 0,21 ± 0,02

1,5X 0,27 ± 0,02 0,26 ± 0,02 0,22 ± 0,02 0,21 ± 0,02 0,21 ± 0,02 0,21 ± 0,02 0,21 ± 0,02 0,21 ± 0,03

2,0X 0,26 ± 0,01 0,26 ± 0,01 0,23 ± 0,00 0,23 ± 0,01 0,23 ± 0,01 0,22 ± 0,01 0,22 ± 0,01 0,22 ± 0,02

Bảng 3. Hàm lượng cacbon trong đất trước và sau khi phun thuốc trừ cỏ Mizin 80WP, Dosate 480SC,

Nimaxon 20SL với các nồng độ khác nhau

Nghiệm

thức

Hàm lượng cacbon trong đất (%)

Trước khi

phun



Mizin 80WP

0,0X 3,59 ± 0,24 3,56 ± 0,23 3,51 ± 0,25 3,66 ± 0,09 3,55 ± 0,12 3,58 ± 0,14 3,60 ± 0,14 3,41 ± 0,16

0,5X 3,38 ± 0,09 3,27 ± 0,15 3,27 ± 0,22 3,19 ± 0,15 3,16 ± 0,25 3,20 ± 0,13 3,19 ± 0,13 3,36 ± 0,18

1,0X 3,33± 0,12 3,34 ± 0,20 3,29 ± 0,19 3,37 ± 0,33 3,34 ± 0,20 3,33 ± 0,21 3,31 ± 0,21 3,55 ± 0,29

1,5X 3,35 ± 0,03 3,60 ± 0,12 3,40 ± 0,12 3,50 ± 0,11 3,55 ± 0,12 3,48 ± 0,12 3,46 ± 0,12 3,50 ± 0,11

2,0X 3,39 ± 0,27 3,32 ± 0,17 3,38 ± 0,16 3,49 ± 0,23 3,45 ± 0,19 3,44 ± 0,24 3,41 ± 0,29 3,39 ± 0,17

Dosate 480SC

0,5X 3,59 ± 0,08 3,64 ± 0,09 3,68 ± 0,07 3,63 ± 0,11 3,45 ± 0,11 3,38 ± 0,13 3,28 ± 0,15 3,15 ± 0,12

1,0X 3,63± 0,13 3,53 ± 0,13 3,53 ± 0,10 3,48 ± 0,11 3,64 ± 0,10 3,70 ± 0,10 3,66 ± 0,11 3,40 ± 0,21

1,5X 3,50 ± 0,32 3,50 ± 0,35 3,40 ± 0,24 3,50 ± 0,26 3,50 ± 0,30 3,45 ± 0,26 3,40 ± 0,32 3,40 ± 0,35

2,0X 3,52 ± 0,30 3,26 ± 0,01 3,39 ± 0,05 3,20 ± 0,07 3,22 ± 0,01 3,14 ± 0,11 3,34 ± 0,16 3,46 ± 0,14

Nimaxon 20SL

0,5X 3,52 ± 0,26 3,53 ± 0,32 3,53 ± 0,29 3,41 ± 0,22 3,40 ± 0,18 3,37 ± 0,11 3,45 ± 0,14 3,29 ± 0,15

1,0X 3,43± 0,20 3,46 ± 0,20 3,39 ± 0,19 3,53 ± 0,23 3,54 ± 0,20 3,53 ± 0,12 3,57 ± 0,14 3,56 ± 0,19

1,5X 3,30 ± 0,31 3,40 ± 0,32 3,35 ± 0,34 3,50 ± 0,35 3,40 ± 0,25 3,45 ± 0,21 3,35 ± 0,29 3,40 ± 0,21

2,0X 3,34 ± 0,29 3,34 ± 0,20 3,30 ± 0,23 3,15 ± 0,10 3,19 ± 0,21 3,26 ± 0,17 3,26 ± 0,05 3,48 ± 0,24


Bảng 4. Hàm lượng photpho trong đất trước và sau khi phun thuốc trừ cỏ Mizin 80WP, Dosate 480SC, Nimaxon20SL

với các nồng độ khác nhau

Nghiệm

thức

Hàm lượng photpho trong đất (%)

Trước khi

phun



Mizin 80WP

0,0X 0,16 ± 0,02 0,16 ± 0,01 0,17 ± 0,02 0,18 ± 0,01 0,17 ± 0,01 0,17 ± 0,01 0,18 ± 0,01 0,17 ± 0,01

0,5X 0,16 ± 0,01 0,15 ± 0,00 0,15 ± 0,02 0,15 ± 0,01 0,17 ± 0,02 0,16 ± 0,00 0,15 ± 0,02 0,15 ± 0,01

1,0X 0,16 ± 0,01 0,16 ± 0,00 0,16 ± 0,02 0,14 ± 0,01 0,15 ± 0,01 0,15 ± 0,01 0,15 ± 0,01 0,15 ± 0,01

1,5X 0,16 ± 0,02 0,15 ± 0,03 0,16 ± 0,03 0,15 ± 0,02 0,16 ± 0,03 0,15 ± 0,03 0,16 ± 0,02 0,15 ± 0,02

2,0X 0,16 ± 0,01 0,16 ± 0,02 0,15 ± 0,01 0,17 ± 0,01 0,17 ± 0,01 0,15 ± 0,01 0,16 ± 0,01 0,15 ± 0,00

Dosate 480SC

0,5X 0,16 ± 0,02 0,16 ± 0,01 0,16 ± 0,01 0,16 ± 0,01 0,16 ± 0,01 0,16 ± 0,01 0,15 ± 0,01 0,15 ± 0,01

1,0X 0,16 ± 0,01 0,16 ± 0,01 0,17 ± 0,01 0,17 ± 0,00 0,17 ± 0,02 0,17 ± 0,01 0,16 ± 0,01 0,16 ± 0,01

1,5X 0,17 ± 0,02 0,17 ± 0,02 0,17± 0,02 0,16 ± 0,01 0,16 ± 0,01 0,15 ± 0,02 0,15 ± 0,02 0,15 ± 0,02

2,0X 0,17 ± 0,02 0,17 ± 0,02 0,15± 0,01 0,15 ± 0,01 0,16 ± 0,01 0,15 ± 0,01 0,14 ± 0,01 0,15 ± 0,01

Nimaxon 20SL

0,5X 0,16 ± 0,01 0,16 ± 0,01 0,16 ± 0,01 0,16 ± 0,01 0,16 ± 0,01 0,16 ± 0,01 0,18 ± 0,01 0,16 ± 0,01

1,0X 0,16 ± 0,01 0,16 ± 0,00 0,17 ± 0,02 0,17 ± 0,01 0,17 ± 0,02 0,17 ± 0,00 0,16 ± 0,02 0,17 ± 0,01

1,5X 0,17 ± 0,03 0,16 ± 0,02 0,17± 0,02 0,16 ± 0,01 0,15 ± 0,01 0,15 ± 0,01 0,15 ± 0,01 0,15 ± 0,01

2,0X 0,16 ± 0,02 0,16 ± 0,02 0,15± 0,01 0,15 ± 0,02 0,16 ± 0,00 0,16 ± 0,00 0,16 ± 0,02 0,15 ± 0,02

Ngoài khảo sát các thành phần đã mô tả trên đây, các yếu

tố khác như độ ẩm đất và pH luôn được xác định. Nước được

bổ sung khi độ ẩm giảm xuống. Nhóm tác giả nhận thấy độ

pH của đất dao động không đáng kể tại các thời điểm so với

ban đầu. Điều này cho thấy, ngoài thuốc bảo vệ thực vật ra,

các yếu tố môi trường khác hầu như không tác động đáng kể

đến lượng vi khuẩn cũng như thành phần hoá học của đất.

4. Kết luận và khuyến nghị

Khảo sát 3 loại thuốc diệt cỏ Mizin 80WP, Dosate

480SC và Nimaxon 20SL cho thấy chúng làm giảm số

lượng vi khuẩn trong đất, nhất là nồng độ từ 1,5X trở đi, số

lượng này giảm đi một cách rõ rệt. Tuy nhiên, các chất diệt

cỏ này không ảnh hưởng đáng kể đến cacbon hữu cơ, nitơ,

photpho và kali tổng số trong đất. Khảo sát này góp phần

đưa ra một cái nhìn tổng quan hơn đối với những ảnh

hưởng của thuốc diệt cỏ đến hệ sinh thái. Sự giảm số lượng

vi khuẩn trong đất thể hiện độc tính của chúng và phải lâu

dài đất mới phục hồi được (thể hiện bằng sự phục hồi vi

khuẩn trong đất). Do đó, không nên quá lạm dụng thuốc

diệt cỏ mà chỉ sử dụng đúng liều lượng theo khuyến cáo

của nhà sản xuất.


[1] Baboo M., Pasayat M, Samal A, Kujur M, JMaharana.K., Patel A.K., “Effect of four herbicides on soil organic carbon, microbial biomass-

C, enzyme activity and microbial populations in agricultural soil”,

International Journal of Research in Environmental Science and

Technology, 3(4), 2013, pp. 100-112.

[2] Bai H.S., Xu Z., Blumfield T.J., Wild C.H., Chen C., “Soil carbon

and nitrogen dynamics in the first year following herbicide and scalping in a revegetation trial in south-east Queensland, Australia”,

Environ Sci Pollut Res, 21, 2014, pp. 5167-5176.

[3] Carlisle S.M., Trevors J.T., “Effect of the herbicide glyphosate on

nitrification, denitrification, and acetylene reduction in soil”, Water,

Air, and Soil Pollution, 29(2), 1983, pp. 189-203.

[4] Hội Khoa học Đất Việt Nam, Đất Việt Nam, NXB Nông nghiệp, Hà

Nội, 2000.

[5] Kizildağ N., Sağliker H., Cenkseven S., Darici H.C., Koçak B., “Effects

of imazamox on soil carbon and nitrogen mineralization under Mediterranean climate”, Turk J Agric For, 38, 2014, pp. 334-339.

[6] Nguyễn Cách Tuyến, Ảnh hưởng của hóa chất bảo vệ thực vật đến

vi sinh vật đất trồng chè, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Khoa

học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2012.

[7] Sebiomo A., Ogundero V.W., Bankole S.A., “Effect of four

herbicides on microbial population, soil organic matter and

dehydrogenase activity”, African Journal of Biotechnology, 10(5), 2011, pp. 770-778.

[8] Stratton G.A., Stewart K.E., “Effects of the herbicide glyphosate on

nitrogen cycling in an acid forest soil”, Water, Air, and Soil

Pollution, 60(3), 1991, pp. 231-247.

[9] Trần Kông Tấu, Vật lý thổ nhưỡng môi trường, Nhà xuất bản Đại

học Quốc gia Hà Nội, 2005.

[10] Zain N.M.M. and Rosli B.M., “Effects of selected herbicides on soil

microbial populations in oil palm plantation of Malaysia: A

microcosm experiment”, African Journal of Microbiology Research, 7, 2013, pp. 367-374.


94 Dương Xuân Hiệp, Phạm Quý Mười, Phan Đức Tuấn

MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ĐẠO HÀM NEWTON HÀM MỘT BIẾN

SOME BASIC PROPERTIES OF NEWTON DERIVATIVES OF

ONE VARIABLE FUNCTIONS

Dương Xuân Hiệp, Phạm Quý Mười, Phan Đức Tuấn

Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng;

[email protected], [email protected], [email protected]

Tóm tắt - Phương pháp Newton nửa trơn đang được quan tâm nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học trên thế giới. Phương pháp này có tốc độ hội tụ nhanh (bậc hai) và có thể áp dụng cho các phương trình không trơn. Cơ sở của phương pháp dựa trên khái niệm đạo hàm Newton, một sự mở rộng của khái niệm đạo hàm cổ điển. Trong bài báo này, nhóm tác giả xét tính khả vi Newton của một số hàm thường

gặp như hàm | |,x hàm max{0, ( )}f x hoặc tổng quát hơn là hàm

max{ ( ), ( )}.f x g x Đây là các hàm số thường xuất hiện trong nhiều

ứng dụng khác nhau. Tính khả vi Newton của hàm max{ ( ), ( )}f x g x

là kết quả quan trọng nhất trong bài báo. Sau đó, nhóm tác giả trình bày các tính chất cơ bản của đạo hàm Newton. Nhóm tác giả chỉ ra rằng, đạo hàm Newton có một số tính chất tương tự như đạo hàm cổ điển như đạo hàm Newton của một tổng, hiệu, tích, thương.

Abstract - The Semi-smooth Newton method is being widely considered by a number of researchers in the world. This method converges very fast (second-order convergence) and also can be applied to non-smooth equations. It bases on the notion of “Newton derivative”, an extend notion of the Fréchet derivative. In this paper, we

study Newton differential of common functions including | |x function,

max{0, ( )}f x function or general function like max{ ( ), ( )}f x g x that

are presented in many applications. The Newton differential of

max{ ( ), ( )}f x g x function is the significant result of this paper. In

addition, The authors state propositions on basic properties of Newton derivative. They indicate that Newton derivative contains similar propositions with Fréchet ones such as Newton derivatives of the sum, subtraction, multiplication and division.

Từ khóa - đạo hàm Newton; khả vi Newton; đạo hàm Newton của

tổng, hiệu, tích, thương; khả vi Newton của hàm max{0, ( )};f x khả

vi Newton của hàm max{ ( ), ( )}.f x g x

Key words - Newton Derivative; Newton differential; Newton derivatives of sum, subtraction, multiplication, division; Newton

derivative of max{0, ( )};f x Newton derivative of max{ ( ), ( )}.f x g x


Khi mô hình toán các vấn đề trong khoa học kỹ thuật,

y học, vật lý,... chúng ta thường dẫn đến việc tìm nghiệm

của phương trình hoặc hệ phương trình, trong đó có sự xuất

hiện các hàm số không khả vi, chẳng hạn như hàm dấu

sgn( ),x hàm trị tuyệt đối | |,x hàm min 0, ,x hàm

max 0, ,x và các hàm hợp của của chúng [1-4]. Những

phương trình và hệ phương trình như thế được gọi là các

phương trình không trơn. Gần đây, các nhà nghiên cứu đã

đề xuất một số phương pháp để giải các phương trình

không trơn, trong đó, phương pháp Newton nửa trơn đã và

đang được nghiên cứu và ứng dụng phổ biến trong nhiều

ứng dụng khác nhau [5-9]. Phương pháp này dựa trên khái

niệm "đạo hàm Newton", một khái niệm mở rộng của đạo

hàm cổ điển.

Với vai trò và tầm quan trọng của khái niệm đạo hàm

Newton đối với các giải thuật cho phương trình không

trơn, trong bài báo này, nhóm tác giả nghiên cứu tính khả

vi Newton của một số hàm cơ bản, thường xuất hiện trong

các phương trình không trơn [3, 5, 6, 7, 9] và nghiên cứu

một số tính chất cơ bản của các hàm khả vi Newton. Để

cho người đọc dễ nắm bắt được khái niệm đạo hàm

Newton cũng như các tính chất cơ bản của đạo hàm

Newton, nhóm tác giả chỉ xét cho lớp hàm một biến. Tuy

nhiên các kết quả trong bài báo này dễ dàng được mở rộng

cho các hàm nhiều biến.

2. Đạo hàm Newton

Định nghĩa 2.1. Cho D là một tập con khác rỗng của . Ánh xạ :f D được gọi là khả vi Newton tại

x D nếu tồn tại một lân cận mở U D của x và tồn tại

ánh xạ : ( , )F U D sao cho

0

| ( ) ( ) ( ) |lim 0,

| |h

f x h f x F x h h

h

trong đó ( , )D là tập các phiếm hàm tuyến tính liên tục

từ D vào .

Khi đó F được gọi là một đạo hàm Newton của f tại .x

Định nghĩa 2.2. ChoU là một tập con mở của .D

Ánh xạ :f D được gọi là khả vi Newton trên U nếu

tồn tại ánh xạ : ( , )F U D sao cho với mỗi ,x U

0

| ( ) ( ) ( ) |lim 0.

| |h

f x h f x F x h h

h

Khi đó, hàm số f được gọi là hàm Newton nửa trơn trên

U và F được gọi là một đạo hàm Newton của f trên .U

Chú ý 2.1. Nếu hàm số f có đạo hàm cổ điển f liên

tục trên tập mở U thì f là hàm nửa trơn trên U và đạo

hàm Newton của f là .f

Thật vậy, với mọi ,x U ta có:

| ( ) ( ) ( ) |0

| |

| ( ) ( ) ( ) || ( ) ( ) | 0 khi 0.

| |

f x h f x f x h h

h

f x h f x f x hf x f x h h

h

Vậy f là hàm nửa trơn trên U và có một đạo hàm Newton

là .F f

3. Đạo hàm Newton của các hàm số thường gặp

Trong phần này, nhóm tác giả nghiên cứu tính khả vi




Newton của một số hàm cơ bản, thường xuất hiện trong các

bài toán tối ưu không trơn. Kết quả chính của phần này và

cũng là kết quả cơ bản nhất trong bài báo là tính khả vi

Newton của hàm max{ ( ), ( )}.f x g x

Mệnh đề 3.1. Hàm số ( ) | |f x x có đạo hàm Newton

trên và phiếm hàm ( )(·)F x xác định bởi

1 nÕu 0,

( ) nÕu 0,

1 nÕu 0,

x

F x x

x

với là đạo hàm Newton của f trên .

Chứng minh

Thật vậy, ta có:

nÕu 0,

nÕu 0,

nÕu 0,

h x

F x h h x

h x

là một phiếm hàm tuyến tính với mỗi x và

0

1 nÕu 0,| ( ) |( ) sup

| | nÕu 0.| |h

xF x hF x

xh

Suy ra ( )(·)F x là phiếm hàm tuyến tính bị chặn.

Với 0x và h đủ nhỏ, ta có 0x h và

0

| ( ) ( ) ( ) |lim 0.

| |h

f x h f x F x h h

h

Với 0,x ta có:

| (0 ) (0) (0 ) | 0,f h f F h h

với 0h hoặc 0.h Do đó

0

| (0 ) (0) (0 ) |lim 0.

| |h

f h f F h h

h

Với 0,x tương tự trường hợp 0x ta thu được:

0

| ( ) ( ) ( ) |lim 0.

| |h

f x h f x F x h h

h

Vậy phiếm hàm tuyến tính liên tục ( )(·)F x là đạo hàm

Newton của hàm số ( ) | | .f x x

Mệnh đề 3.2. Hàm số ( ) 0,f x max x có đạo hàm

Newton trên và phiếm hàm tuyến tính ( )(·)F x xác định bởi

0 nÕu 0,

( ) nÕu 0,

1 nÕu 0,

x

F x x

x

(0.1)

với là đạo hàm Newton của f trên .

Chứng minh

Thật vậy, phiếm hàm ( )(·)F x xác định bởi (0.1)là một

phiếm hàm tuyến tính với mỗi .x Hơn nữa

0

0 nÕu 0,| ( ) |

( ) sup | | nÕu 0,| |

1 nÕu 0.h

xF x h

F x xh

x

Suy ra ( )F x là phiếm hàm tuyến tính bị chặn. Tương tự

như trong Mệnh đề 3.1, xét các trường hợp 0, 0x x và

0,x ta cũng chứng minh được

0

| ( ) ( ) ( ) |lim 0.

| |h

f x h f x F x h h

h

Vậy phiếm hàm tuyến tính liên tục ( )F x là đạo hàm

Newton của hàm số ( ) 0,f x max x trên .

Mệnh đề 3.3. Cho hàm số ( ) 0, ( )g x max f x với

1( )f C và thỏa mãn ( ) 0f x tại hữu hạn điểm

1 2 .nx x x Khi đó, hàm số g có đạo hàm Newton

trên và đạo hàm Newton của ( )g x là phiếm hàm tuyến

tính ( )(·)G x xác định bởi

( ) nÕu ,

( ) nÕu ,

0 nÕu ,

i i

f x x P

G x x x O

x N

(0.2)

trong đó { | ( ) 0}, { | ( ) 0},P x f x O x f x

{ | ( ) 0}N x f x và ( 1,2,..., ).i i n

Chứng minh

Thật vậy, ta có là phiếm hàm ( )(·)G x xác định bởi (0.2)

là một phiếm hàm tuyến tính với mỗi .x Hơn nữa

0

( ) nÕu ,| ( ) |

( ) sup nÕu ,| |

0 nÕu .

i ih

f x x PG x h

G x x x Oh

x N

Suy ra ( )(·)G x là phiếm hàm tuyến tính bị chặn.

+ Với x P và với h đủ nhỏ, ta có x h P (do P là

một tập mở) và

| ( ) ( ) ( ) |

| |

| ( ) ( ) ( ) |

| |

| ( ) ( ) ( ) |

| |

| ( ) ( ) |.

| |

g x h g x G x h h

h

f x h f x f x h h

h

f x h f x f x h

h

f x h f x h h

h

Vì 1( )f C nên

0

| ( ) ( ) ( ) |lim 0,

| |h

f x h f x f x h

h

và 0 0

| ( ) ( ) |lim lim | ( ) ( ) | 0.

| |h h

f x h f x h hf x f x h

h


Do đó 0

| ( ) ( ) ( ) |lim 0.

| |h

g x h g x G x h h

h

+ Với x N và với h đủ nhỏ, ta có x h N (do N là

một tập mở) và

0 0

| ( ) ( ) ( ) |lim lim 0 0.

| |h h

g x h g x G x h h

h

+ Với , 1,2,...,i ix x n và với 0h đủ bé, ta có:

0

0

| ( ) ( ) ( ) |lim

| |

| ( ) ( ) ( ) |lim nÕu ,

| |

0 nÕu .

h

ih

i

i i i

i i i

g x h g x G x h h

h

f x h f x f x h hx h P

h

x h N

Do đó 0

| ( ) ( ) ( ) |lim 0.

| |h

i i ig x h g x G x h h

h

Tương tự như trên, ta có:

0

0

| ( ) ( ) ( ) |lim

| |

| ( ) ( ) ( ) |lim 0.

| |

i

h

i

i

i i

h

ig x h g x G x h h

h

f x h f x f x h h

h

Suy ra 1 1 1

0

| ( ) ( ) ( ) |lim 0.

| |h

g x h g x G x h h

h

Vậy phiếm hàm tuyến tính ( )(·)G x là đạo hàm Newton của

hàm số ( ) 0, ( )g x max f x trên .

Trong Mệnh đề 3.3, hàm số ( ) max{0, ( )}g x f x được

chứng minh là khả vi Newton nếu hàm f có hữu hạn

không điểm. Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ xét trường

hợp tổng quát hơn, khi mà hàm số f có thể có hữu hạn

hoặc vô hạn không điểm. Để đưa ra được một đạo hàm

Newton cho hàm số g trong trường hợp tổng quát này, ta

cần kết quả trong bổ đề sau:

Bổ đề 3.1. Cho hàm số f xác định trên

D P O và 0x P O . Nếu với mọi dãy

{ } ,{ }n nx P y O với 0nx x , 0ny x ta có

lim ( ) và lim ( ) ,n nn n

f x a f y a

thì 0

lim ( ) .x x

f x a

Chứng minh

Ta xét một dãy { }nx với 0nx x tùy ý và đặt

1 1 2{ | } { , , }.nI n x P n n

2 1 2{ | } { , , }.nI n x O k k

Suy ra { } ,{ }i jn kx P x O . Ta xét các trường hợp sau:

+ Trường hợp 1: 1I hữu hạn và 2I vô hạn. Khi đó, tồn tại

*n sao cho *, nn n x O . Từ giả thiết của bổ đề, ta có:

lim ( ) .nn

f x a

+ Trường hợp 2: 1I vô hạn, 2I hữu hạn. Tương tự, ta cũng

chỉ ra được lim ( )nn

f x a

.

+ Trường hợp 3: Cả 1 2,I I vô hạn. Khi đó,

• Với 0 tùy ý, ta có:

* *1 1lim ( ) :| ( ) | , .

i in ni

f x a i f x a i i

* *1 1lim ( ) :| ( ) | , .

j jk kj

f x a j f x a j j

Chọn * *1 1

* { , }i j

n max n k . Khi đó, vì 1 2I I nên với

mỗi *n n , tồn tại

*1i i hoặc tồn tại

*1j j để cho in n

hoặc .jn k Do đó, trong cả hai trường hợp ta đều có:

| ( ) | | ( ) | .in nf x a f x a

Vậy 0

lim ( ) .x x

f x a

Sử dụng bổ đề này, chúng ta chứng minh được kết quả sau:

Mệnh đề 3.4. Cho hàm số ( ) max{0, ( )}g x f x với

1( ).f C Khi đó, phiếm hàm tuyến tính ( )(·)G x xác

định bởi

( ) , ( )

0 ,

f x x PG x

x Q

với { | ( ) 0}P x f x và { | ( ) 0}Q x f x là một

đạo hàm Newton của g trên .

Chứng minh

Chúng ta dễ dàng kiểm tra được với mỗi x phiếm

hàm ( )(·)G x với

( ) , ( )

0 , .

f x h x PG x h

x Q

là một toán tử tuyến tính và bị chặn.

Đặt { | ( ) 0},O x f x { | ( ) 0},P x f x

{ | ( ) 0}Q x f x , ta có P Q .

Với x P và với 0h đủ bé, ta có x h P (do P

là một tập mở). Do đó

| ( ) ( ) ( ) | | ( ) ( ) ( ) |

| | | |

| ( ) ( ) ( ) | | ( ) ( ) |.

| | | |

g x h g x G x h h f x h f x f x h h

h h

f x h f x f x h f x h f x h h

h h

Vì 1( )f C nên

0

| ( ) ( ) ( ) |lim 0

| |h

f x h f x f x h

h

và

0 0

| ( ) ( ) |lim lim | ( ) ( ) | 0.

| |h h

f x h f x h hf x f x h

h


Do đó 0

| ( ) ( ) ( ) |lim 0.

| |h

g x h g x G x h h

h

Với x Q và x P thì x là điểm trong của R P Q

. Do đó, với h đủ bé thì x h O và x h P , suy ra

0 0

| ( ) ( ) ( ) |lim lim 0 0.

| |h h

g x h g x G x h h

h

Với x P Q thì x O . Với mọi dãy { }nx P mà

n nx x h với 0nh và với mọi dãy { }ny Q mà

n ny x k với 0nk , ta có

0

0

| ( ) ( ) ( ) |lim 0,

| |

| ( ) ( ) ( ) |lim 0.

| |

n

n

n n n

hn

n n n

kn

g x g x G x h

h

g y g x G y k

k

Theo Bổ đề 3.1, ta có

0

| ( ) ( ) ( ) |lim 0.

| |h

g x h g x G x h h

h

Vậy phiếm hàm tuyến tính ( )(·)G x là đạo hàm Newton

của hàm số ( )g x trên .

Định lý 3.1. Cho hàm số ( ) { ( ), ( )}h x max f x g x với

1, ( )f g C và ( ) ( )f x g x tại hữu hạn điểm rời rạc

1 2 nx x x . Khi đó, đạo hàm Newton của hàm số

( )h x là phiếm hàm tuyến tính ( )(·)H x xác định bởi

( ) ,

( ) ( ) ,

, .i i

f x x P

H x g x x N

x x O

Ở đây

{ | ( ) ( )},

{ | ( ) ( )},

{ | ( ) ( )}

P x f x g x

N x f x g x

O x f x g x

.

Chứng minh tương tự như trong Mệnh đề 3.3.

Định lý 3.2. Cho hàm số ( ) { ( ), ( )}h x max f x g x với

1, ( )f g C . Khi đó, đạo hàm Newton của hàm số ( )h x

là phiếm hàm tuyến tính H xác định bởi

( ) , ( )

( ) , .

f x x PH x

g x x Q

trong đó { | ( ) ( )}, { | ( ) ( )}P x f x g x Q x f x g x .

Chứng minh tương tự như trong Mệnh đề 3.4.

4. Một số tính chất của đạo hàm Newton

Trong phần này, nhóm tác giả trình bày một số kết quả

liên quan đến tính khả vi Newton của tổng, hiệu, tích,

thương, hàm hợp của hai hàm khả vi Newton và chỉ ra rằng,

tổng, hiệu, tích, thương của hai hàm khả vi Newton là hàm

khả vi Newton. Đối với hàm hợp, để có kết quả tương tự

như khả vi cổ điển chúng ta cần điều kiện mạnh hơn, tức là

hợp của một hàm khả vi Newton và một hàm khả vi cổ

điển. Chi tiết các kết quả này sẽ được trình bày lần lượt

thông qua các định lý dưới đây.

Định lý 4.1. Cho f và g xác định trên D , là các

hàm nửa trơn trên tập mở U D với một đạo hàm

Newton tương ứng là F và G . Khi đó hàm số f g và

f g cũng là các hàm nửa trơn trên U và có một đạo

hàm Newton lần lượt là F G và F G .

Chứng minh

Vì F và G là Newton đạo hàm của f và g trên U

nên với mọi x U , ta có:

0

| ( ) ( ) ( ) |lim 0

| |h

f x h f x F x h h

h

0

| ( ) ( ) ( ) |lim 0.

| |h

g x h g x G x h h

h

Do đó với mọi x U , ta có:

0

0

0

| ( )( ) ( )( ) ( )( ) |0 lim

| |

| ( ) ( ) ( ) |lim

| |

| ( ) ( ) ( ) |lim 0.

| |

h

h

h

f g x h f g x F G x h h

h

f x h f x F x h h

h

g x h g x G x h h

h

Vậy hàm số f g là hàm nửa trơn trên U và có một đạo

hàm Newton là F G . Chứng minh tương tự cho hàm .f g

Định lý 4.2. Cho hàm số f xác định trên D là

hàm nửa trơn trên U D với một đạo hàm Newton là F

. Khi đó, với mọi , hàm số f cũng là hàm nửa trơn

trên U và có một đạo hàm Newton là F .

Chứng minh

Vì F là đạo hàm Newton của f trên U nên với mọi

x U , ta có:

0

| ( ) ( ) ( ) |lim 0.

| |h

f x h f x F x h h

h

Do đó

0

| ( )( ) ( )( ) ( )( ) |lim 0, .

| |h

f x h f x F x h h

h

Vậy hàm số f là hàm nửa trơn trên U và có một đạo

hàm Newton là F .

Định lý 4.3. Cho f và g xác định trên D , g

liên tục trên D và ( ) 0 ( )g x x D , là các hàm nửa

trơn trên tập mở U D với một đạo hàm Newton tương

ứng là F và G . Khi đó, hàm số .h f g và f

kg

cũng là

các hàm nửa trơn trên U và có một đạo hàm Newton lần

lượt là . .H F g f G và 2

. .F g f GK

g

.


Chứng minh

Vì F và G là đạo hàm Newton của f và g trên U nên

với mọi x U , ta có:

0

0

| ( ) ( ) ( ) |lim 0

| |

( ) ( ) ( ) ( ),

| ( ) ( ) ( ) |lim 0

| |

( ) ( ) ( ) ( ).

h

h

f x h f x F x h h

h

f x h f x F x h h o h

g x h g x G x h h

h

g x h g x G x h h o h

Thế biểu thức ( )f x h và ( )g x h ở trên và khai triển,

ta có:

.

[

]

h x h h x f x h g x h f x g x

g x F x h f x G x h h o h

g x h G x h h o h G x h

f x h F x h h o h G x h h o h

g x h F x h f x h G x h h o h

H x h h o h

Do đó 0

| ( ) ( ) ( ) |lim 0.

| |h

h x h h x H x h h

h

Vậy . .H F g f G là một đạo hàm Newton của hàm

số .h f g trên U .

Tương tự ta chứng minh tính khả vi Newton cho k . Ta có:

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )

1( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )( )

f x h f xk x h k x

g x h g x

f x h g x f x g x hg x h g x

1( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

1( )( ( ) ( ) ( ))

( ) ( )

( ( ) ( ) ( )) ( ) ( )

1[ ( ) ( ) ( ). ( )

( ) ( )

( ( ) ( )) ( )] ( )

1

( ) ( )

[( ) ]

{[

] }

{

}

F x h g x f x G x h h o hg x h g x

F x h g x h F x h h o hg x h g x

f x h F x h h o h G x h h o h

g x h F x h f x h G x hg x h g x

F x h G x h o h h o h

g x h g x

2

( ( ) ( ) ( ). ( ))

( ( ) ( )) ( ) ( )

1( ( ) ( ) ( ).. ( )) ( )

( ) ( )

{

}

[ ]

g x h F x h f x h G x h h

F x h G x h o h o h

F x h g x h f x h G x h h o hg x h g x

Do đó: 0

| ( ) ( ) |lim 0,

| |h

k x h k x A

h

với ( ) ( ) ( ) ( )

.( ) ( )

F x h g x h f x h G x hA h

g x h g x

Để ý rằng g liên tục trên D nên cũng liên tục trên U

và0

lim ( ) ( ).h

g x h g x

Suy ra 0

| ( ) ( ) |lim 0,

| |h

k x h k x B

h

với 2

( ) ( ) ( ) ( ).

( )

F x h g x h f x h G x hB h

g x

hay 0

| ( ) ( ) ( ) |lim 0.

| |h

k x h k x K x h h

h

Vậy 2

. .F g f GK

g

là một đạo hàm Newton của hàm

sốf

kg

.

5. Kết luận

Kết quả chủ yếu của bài báo này là đưa ra được các điều

kiện đủ cho tính khả vi Newton của hàm max{ ( ), ( )}f x g x

và một số trường hợp đặc biệt của nó. Bài báo cũng đã phát

biểu và chứng minh tính chất khả vi Newton của tổng, hiệu,

tích và thương của hai hàm khả vi Newton. Đây là các kết

quả cơ bản và cần thiết khi nghiên cứu đạo hàm Newton,

Phương pháp Newton nửa trơn và ứng dụng của phương

pháp vào giải các bài toán cụ thể.


[1] Frank H. Clarke, Optimization and Nonsmooth Analysis, The Society for Industrial and Appplied Mathematics, Philadelphia, 1990.

[2] Ivar Ekeland and Roger Témam, Convex Analysis and Variational

Problems, The Society for Industrial and Appplied Mathematics,

Philadelphia,1999.

[3] Liqun Qi and Defeng Sun, “A survey of some nonsmooth equations

and smoothing Newton methods”, Progress in optimization, 30,

1999, pp. 121-146.

[4] R. Tyrrell Rockafellar, Convex Analysis, Princeton University

Press, 1970.

[5] Pham Quy Muoi, Dinh Nho Hao, Peter Maass, and Michael Pidcock,

“Semismooth Newton and Quasi-Newton methods in weighted l 1 –regularization”, Journal of Inverse and Ill-Posed Problems, 21(5),

2013, pp. 665-693.

[6] Pham Quy Muoi, Dinh Nho Hao, Peter Maass, and Michael Pidcock,

“Descent gradient methods for nonsmooth minimization problems

in ill-posed problems”, Journal of Computational and Applied Mathematics, 298, 2016, pp. 105-122.

[7] Xiaojun Chen, Zuhair Nashed, and Liqun Qi, “Smoothing methods

and Semismooth methods for nondifferentiable operator equations”,

SIAM Journal Numerical Analysis, 38(5), 2000, pp. 1200-1216.

[8] M. HinterMuller, K. Ito, and K. Kunish, “The primal-dual active set

strategy as a semismooth Newton method”, SIAM Journal on Optimization, 13(3), 2003, pp. 865-888.

[9] M. HinterMuller, Semismooth Newton Method and Applications,

Oberwolfach-Seminar on Mathematics of PDE-Constrained

Optimization, November 2010.



ĐỊNH LIỀU CHIẾU TRONG ĐỐI VỚI 131I TỪ MẪU KHÔNG KHÍ

VÀ LỊCH SỬ PHƠI CHIẾU

ASSESSMENT OF INTERNAL DOSE FOR I-131 USING AIR SAMPLE AND

EXPOSURE PATTERN

Trần Xuân Hồi1*, Huỳnh Trúc Phương2, Nguyễn Văn Hùng3 1Trường Đại học Phú Yên; [email protected]

2Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh 3Trung tâm Đào tạo - Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt

Tóm tắt - Nghiên cứu này hướng đến việc đánh giá liều chiếu trong bằng phép lấy mẫu không khí đối với hơi 131I cho từng cá nhân tham gia sản xuất đồng vị 131I tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt. Thiết bị chính được sử dụng trong nghiên cứu này gồm máy lấy mẫu khí xách tay, hệ phổ kế gamma phông thấp và điện thoại thông minh. Kết quả cho thấy liều chiếu trong là khá thấp và khác nhau đáng kể giữa các nhân viên. Hơn nữa, bài báo cũng cho thấy rằng kết quả định liều từ mẫu không khí và từ phân tích nước tiểu có mối tương quan không cao, đặc biệt đối với các trường hợp có liều lớn hơn 1 mSv. Tuy nhiên, phương pháp định liều từ mẫu không khí này chỉ hạn chế với số lượng đối tượng ít và phạm vi nghiên cứu là trong nhà.

Abstract - This paper focuses on the assessment of individual internal dose of 131I using air sampling for workers involved in radioisotope production at Dalat Nuclear Research Institute. The main devices used in this research include the portable air sampler, low-background gamma spectrometry and the smart phone. The results show that all the dose has been classified at no or low risk and there is a wide range of internal dose among the workers. Moreover, the paper indicates that the doses estimated from air sample have had no-high correlation with those from urine analysis, especially for doses lower than 1 mSv. However, this air method can be done as an individual monitoring for a small group in indoor areas.

Từ khóa - liều chiếu trong; I-131; mẫu không khí; phân tích nước tiểu; phơi chiếu.

Key words - internal dose; I-131; air sample; urine analysis; exposure.

1. Mở đầu

Trong số các đồng vị được sử dụng trong y học thì 131I là

một đồng vị phóng xạ được dùng nhiều trong chẩn đoán và

điều trị các bệnh về tuyến giáp [2]. Đồng vị này thường được

sản xuất bằng phương pháp chưng cất khô sản phẩm telua

điôxit được chiếu xạ nơtron từ lò phản ứng hạt nhân [1].

Khi tiến hành sản xuất thì một lượng đáng kể 131I dạng

hơi phát tán ra không khí xung quanh và gây ra phơi nhiễm

trong cho nhân viên bức xạ (NVBX) [1]. Do đó, các nhân

viên thao tác trên các đồng vị phóng xạ với hoạt độ lớn phải

được đánh giá liều [6, 10].

Tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân (NCHN) Đà Lạt, hàng

chục Ci sản lượng đồng vị 131I được sản xuất hàng tháng để

cung cấp cho các cơ sở y học hạt nhân trên toàn quốc [4].

Theo các báo cáo về an toàn bức xạ của Viện thì nồng độ 131I trong không khí ở khu vực này là khá cao so với mức

cho phép của Tiêu chuẩn Việt Nam. Tuy nhiên, chỉ có phép

phân tích nước tiểu được áp dụng tại đây để đánh giá liều

chiếu trong (LCT) cho các nhân viên [15]. Trong khi đó,

theo Ủy ban Quốc tế về Bảo vệ Phóng xạ (ICRP) thì đánh

giá liều từ mẫu không khí là một trong số các phương pháp

được khuyên dùng [12].

Có nhiều bài báo đã công bố về định LCT cá nhân từ

mẫu không khí. Trong đó, dữ liệu về thời gian phơi chiếu

hầu hết được lấy từ việc ghi nhật ký, sử dụng hệ thống định

vị toàn cầu hoặc thông qua phỏng vấn. Các nghiên cứu này

quan tâm đến phạm vi di chuyển rộng của các đối tượng.

Đối với phạm di chuyển vi hẹp như trong các tòa nhà thì

các nghiên cứu đã công bố thường quan tâm đến liều tập

thể hoặc liều cho một số nhóm đối tượng mà không chỉ ra

liều tính riêng cho cá nhân đối tượng nào.

Do đó, nghiên cứu này hướng đến việc định LCT cá nhân

do hít phải không khí có chứa 131I. Đối tượng là các NVBX

làm việc tại Trung tâm Nghiên cứu và Điều chế đồng vị

phóng xạ, Viện NCHN Đà Lạt. Phạm vi lấy mẫu để đánh giá

phơi chiếu 131I giới hạn trong các phòng sản xuất đồng vị.

Thiết bị sử dụng bao gồm điện thoại, máy lấy mẫu khí và hệ

phổ kế gamma HPGe. Kết quả định liều được so sánh với

kết quả từ phép phân tích nước tiểu cùng thời điểm và đối

tượng.

2. Phương pháp và thiết bị

2.1. Thiết bị

Thiết bị sử dụng để hút không khí qua phin lọc trong

nghiên cứu này là một máy lấy mẫu khí loại xách tay

RAS-1 do hãng Thermo Fisher Scientific Inc. sản xuất.

Phin lọc được sử dụng là loại phin lọc chuyên dụng TC-12

cho bắt giữ i-ốt, do hãng HI-Q sản xuất. Hệ phổ kế gamma

phông thấp tại Trung tâm An toàn bức xạ, Viện NCHN Đà

Lạt được sử dụng để đo đếm hoạt độ của các mẫu trong

nghiên cứu này. Hệ phổ kế này sử dụng đầu dò HPGe

Oxford CPVDS30-30185 với hiệu suất tương đối là 33,4%,

buồng chì Canberra 747E và phần mềm phân tích xung PC

Multiport 16K.

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. Ứng dụng này chạy trên hệ điều hành Symbian

với kích thước sau cài đặt là 76 kB.

2.2. Bố trí thực nghiệm

2.2.1. Lấy mẫu không khí

Khu vực sản xuất 131I của Viện NCHN Đà Lạt gồm có

3 phòng liên tiếp và thông với nhau. Chức năng của Phòng

1 là chưng cất, Phòng 2 là phân liều và Phòng 3 là hủy mẫu.

Đặc điểm chung của các phòng này là không có cửa sổ, hệ

thống thông gió hoạt động liên tục trong quá trình diễn ra


100 Trần Xuân Hồi, Huỳnh Trúc Phương, Nguyễn Văn Hùng

sản xuất. Các phòng được khép kín với hành lang và không

bị ảnh hưởng bởi gió từ bên ngoài. Kích thước mỗi phòng

là dài 6m rộng 6m cao 4m.

Trên cơ sở các khuyến cáo của Cơ quan Năng lượng

Nguyên tử Quốc tế (IAEA) [7] và dựa vào đặc điểm thiết

bị hiện có thì thông số lấy mẫu khí được tính toán và lựa

chọn gồm: Độ cao phin lọc là 1,5m; lưu tốc hút 70 L/phút;

thời gian hút 10 phút/mẫu; hai mẫu liên tiếp lấy cách nhau

khoảng 2,5 giờ.

2.2.2. Thu nhận lịch sử vị trí-thời gian

Ứng dụng Motion Recorder sau khi cài đặt trên điện

thoại, nó sử dụng camera của điện thoại làm bộ phận ghi

nhận chuyển động. 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. Các điện thoại được

gắn tại các cửa ra vào của các phòng quan tâm và chúng

hoạt động “ngầm” khi hoạt động. Tập tin thu được sau đó

được xử lý trên máy tính.

2.3. Các công thức tính toán

Lượng thâm nhập tính cho từng cá nhân định từ mẫu

không khí trong nghiên cứu này được tính từ lượng phơi

chiếu hàng ngày của riêng cá nhân đó trong một năm tại

các tiểu môi trường riêng biệt mà đối tượng đã từng chiếm

cứ. Từ đó, LCT cho từng cá nhân được tính từ lượng thâm

nhập của chính cá nhân đó trong thời gian tương ứng. Các

công thức từ (1) đến (3) được sử dụng để

tính toán liều trong bài báo này [13, 14].

( )i inh i

e g ID (1)

i iI R E (2)

1 1

i

J K

jk ijk

j k

E C t

(3)

Trong đó, Di (Sv) là LCT của đối tượng i. e(g)inh là hệ

số chuyển đổi liều được chọn theo số liệu của IAEA [7] và

ấn bản số 78 của Ủy ban Quốc tế về Bảo vệ Phóng xạ

(ICRP-78) [11] đối với hơi 131I thâm nhập theo đường hô

hấp (2,0×10-8 Sv/Bq). Ii (Bq) là lượng thâm nhập của 131I

qua đường hít thở. R là lưu tốc hít thở chuẩn của nhân viên

(1,2 m3/h) [11]. Ei (Bq.h/m3) là lượng phơi chiếu của đối

tượng i. Cjk (Bq/m3) là nồng độ của 131I trong không khí tại

phòng j vào thời điểm k và tijk là thời gian đối tượng i phơi

chiếu tại phòng j vào thời điểm k.

Nồng độ tại mỗi phòng được đánh giá thông qua các

mẫu không khí được lấy ngẫu nhiên tại các phòng và rải

khắp quá trình diễn ra sản xuất 131I. Tần suất lấy mẫu không

khí trung bình trong bài báo này là 1,59 và 1,73 h/mẫu lần

lượt tại Phòng 1 và Phòng 2. Mẫu tại Phòng 3 được lấy thưa

hơn, với tần suất là 4 hoặc 5 mẫu/ngày.


3.1. Định lượng phơi chiếu

Lượng phơi chiếu được xây dựng từ công thức

(3). Vị trí của các đối tượng theo thời gian và

nồng độ 131I theo thời gian tương ứng được khớp với nhau

cho từng vị trí quan tâm. Cả hai dữ liệu là nồng độ và thời

gian được khảo sát đồng thời. Hình 1 là kết quả khảo sát

lịch sử phơi chiếu của 1 trong số 9 nhân viên đã trải qua

trong năm 2015 tại khu vực quan tâm.

Lượng thâm nhập của 131I theo đường hô hấp được tính

từ lượng phơi chiếu nhân với lưu tốc hít thở của nhân viên

theo công thức (2). Trong đó, lưu tốc hít thở của các nhân

viên được lấy theo mặc định của ICRP là 1,2 m3/h .

Hình 1. Lịch sử phơi chiếu của nhân viên W6 tại 3 tiểu môi trường trong năm 2015

3.2. Định liều 131I từ mẫu không khí

LCT của 9 cá nhân đối với 131I theo từng tháng và cả năm

2015 được tính từ lượng thâm nhập của từng đối tượng tương

ứng nhân với hệ số chuyển đổi liều bằng cách sử dụng công

thức (1), được thể hiện trên Hình 2. Trong đó, hệ số chuyển

đổi liều được lấy theo số liệu đưa ra bởi IAEA [7] và ICRP-

78 [11] đối với hơi 131I thâm nhập theo đường hít thở.

Liều 131I hiệu dụng tích lũy năm 2015 thể hiện trên Hình

2 là tổng liều từ các tháng trong năm đó của mỗi đối tượng

tương ứng. Trong năm 2015, có 12 đợt sản xuất 131I từ việc

chưng cất khô tại Viện. Tuy nhiên, tháng 11 không thể lấy

được mẫu và do đó liều trong năm 2015 thể hiện trên Hình

2 sẽ không bao gồm đóng góp liều của tháng 11.


Hình 2. LCT hàng tháng và năm 2015 được tính từ mẫu không khí

3.3. Thảo luận

3.3.1. Giá trị liều phụ thuộc vào nhóm công việc

Các đối tượng nhận một LCT của 131I hàng tháng nằm

trong một dải liều rộng. Các giá trị này chênh lệch hàng

chục lần giữa các tháng trên cùng một đối tượng. Từ Hình

2 có thể tính được rằng 54,8% liều hàng tháng của 9 đối

tượng là nằm trong khoảng từ 0,01 mSv đến 0,1 mSv.

Trong tháng 8, 8 trong số 9 đối tượng (ngoại trừ đối

tượng W2) nhận được liều cao nhất so với các tháng trong

năm. Lý do là nồng độ 131I tại các phòng nghiên cứu đều

cao bất thường. Chẳng hạn, tại Phòng 1, có một số mẫu đạt

nồng độ trên 40 kBq/m3, thể hiện trên Hình 1. Số liệu đáng

ngờ này tác giả cũng đã điều tra lại nhưng chưa phát hiện

ra sự bất thường nào. Do đó, không có cơ sở để loại bỏ số

liệu cao một cách bất thường này.

Nhân viên W8 không tham gia sản xuất 131I vào tháng

1 và từ tháng 8 – 12/2015, tương tự đối với nhân viên W2

vào tháng 12. LCT hiệu dụng tích lũy năm 2015 của các

đối tượng này là bằng 0 đối với các khoảng thời gian trên.

Đối tượng nhận liều 131I cao nhất là W1 với liều tổng

cộng trong năm 2015 là 3,57 mSv. Nhân viên này đảm nhận

công việc vận hành chưng cất 131I trực tiếp trên dây chuyền

sản xuất, được diễn ra chủ yếu tại Phòng 1 và một ít tại

Phòng 3. Nếu xét về thời gian phơi chiếu, 84,7% thời gian

phơi chiếu của nhân viên này là tại Phòng 1. Hơn nữa, theo

kết quả thu được thì nồng độ 131I trong không khí tại Phòng

1 là cao nhất, với giá trị trung bình lớn hơn 1,55 lần so với

Phòng 2. Đây là các lý do rõ ràng nhất làm cho nhân viên

W1 bị nhiễm liều cao nhất so với các đối tượng khác.

3.3.2. Mức độ nguy hại của liều nhận được đều thấp

Mức độ nguy hại do liều 131I gây ra trên các đối tượng

được phân thành hai mức, đó là mức không nguy hại và

mức nguy hại thấp. Mức không nguy hại bao gồm các đối

tượng có số LCT hàng năm nhận được trong khoảng

0,1 – 1 mSv, và mức nguy hại thấp là trong khoảng

1 – 6 mSv [5]. Nếu xét về cấp độ an toàn bức xạ của công

việc hoặc cấp độ tác vụ mà các nhân viên đảm nhiệm thì

hai mức độ nguy hại trên tương ứng với hai cấp độ là cấp

1 và cấp 2 [3], thể hiện trên Bảng 1.

Các đối tượng là NVBX nhận một liều hiệu dụng tích lũy

hàng năm được định từ lượng thâm nhập của các đồng vị

phóng xạ trong khoảng 0,1 – 1 mSv, thì không cần phải sử

dụng một phép định liều phức tạp [3, 5]. Các thông số sử dụng

trong phép định liều đối với các đối tượng này được khuyến

cáo lấy từ số liệu của ICRP. Theo kết quả ở Bảng 1, có 4 đối

tượng thuộc nhóm liều này gồm W2, W5, W8 và W9.

Các nhân viên còn lại bao gồm W1, W3, W4, W6 và

W7 thuộc nhóm cần phải được khảo sát chi tiết thêm trong

phép định liều cá nhân bởi LCT năm 2015 của mỗi cá nhân

đều vượt quá 1 mSv [3, 5, 6]. Đối với phép định liều từ lấy

mẫu không khí thì các khảo sát bổ sung được khuyến cáo

gồm khảo sát kích thước hạt son khí và xác định rõ thời

điểm phơi chiếu.

Đối với kích thước và loại hạt son khí, trong trường

hợp không có khảo sát riêng hoặc không có thông tin gì

liên quan thì phải lấy AMAD bằng 5 µm [6 - 9, 11]. Trong

trường hợp của nghiên cứu này, khảo sát diễn ra tại khu

vực dây chuyền chưng cất 131I. Các đối tượng nghiên cứu

ở đây chính là các NVBX vận hành và thao tác trực tiếp

102 Trần Xuân Hồi, Huỳnh Trúc Phương, Nguyễn Văn Hùng

trên dây chuyền này. Do đó, đồng vị 131I tồn tại trong

không khí vùng hít thở được xem là ở dạng hơi là có cơ

sở và không cần thiết phải khảo sát thêm tính chất vật lý

của đồng vị này.

Trong trường hợp định liều từ phân tích nước tiểu hoặc đo

trực tiếp tuyến giáp, việc xác định lại một cách chính xác thời

điểm phơi chiếu mà các đối tượng đã trải qua trước đó cũng là

một đề nghị trong trường hợp LCT vượt quá 1 mSv [3]. Trong

trường hợp của nghiên cứu này, gian phơi chiếu đã xác định

rõ nhờ sự hỗ trợ của điện thoại. Ngoài ra, việc sử dụng thêm

một phép định liều song song khác trong trường hợp LCT

vượt ngưỡng cần khảo sát là nên được xem xét [11].

Bảng 1. LCT hiệu dụng tích lũy năm 2015 do hít 131I

Mã nhân viên Nhiệm vụ trong kíp sản xuất 131I LCT định từ mẫu

không khí (mSv)

Phân loại cấp độ

công việc Phân loại mức độ nguy hại

W1 Vận hành dây chuyền chưng cất 3,565 ±0,648 Cấp 2 Nguy hại thấp

W2 Kiểm tra, giám sát 0,299±0,055 Cấp 1 Không nguy hại

W3 Phân liều 1,664±0,196 Cấp 2 Nguy hại thấp

W4 Phân liều 2,13±0,558 Cấp 2 Nguy hại thấp

W5 Nhiệm vụ khác 0,589±0,104 Cấp 1 Không nguy hại

W6 Hỗ trợ vận hành chưng cất 1,829±0,482 Cấp 2 Nguy hại thấp

W7 Đóng gói 2,109±0,273 Cấp 2 Nguy hại thấp

W8 Phân liều 0,316±0,108 Cấp 1 Không nguy hại

W9 Nhiệm vụ khác 0,209±0,058 Cấp 1 Không nguy hại

3.4. So sánh từ một phép định liều độc lập khác

Một kết quả đo LCT phụ thuộc vào nhiều yếu tố nên có

thể cho kết quả nằm trong một dải rộng, tùy thuộc vào kỹ

năng và kinh nghiệm của định liều viên cũng như thiết bị

và phần mềm được sử dụng [3]. Phép định LCT từ phép lấy

mẫu không khí có nhược điểm là không thể lặp lại được

phép đo [6]. Cách duy nhất để khẳng định độ tin cậy của

kết quả đo là sử dụng một kết quả đo khác [11].

Sau mỗi đợt sản xuất 131I, các NVBX trong nhóm sản xuất

đồng vị tại Viện NCHN Đà Lạt đều phải cho mẫu nước tiểu

để định LCT một cách thường qui. Các lọ polyethylene có

dung tích 500 mL được rửa bằng nước cất và dung dịch HNO3

trước khi dùng để thu mẫu nước tiểu [15]. Các mẫu nước tiểu

được lấy trong vòng 24 giờ sau khi 131I thâm nhập và sau đó

được đo trên hệ phổ kế gamma. Hầu hết các mẫu này có hoạt

độ đủ lớn để đo trực tiếp mà không cần phải làm giàu. Từ kết

quả đo hoạt độ 131I trong các mẫu nước tiểu, lượng thâm nhập

và LCT được tính toán với sự hỗ trợ của ứng dụng MONDAL 3.01.

Kết quả định LCT của các đối tượng từ hai phép định

liều độc lập được đưa ra ở Bảng 2. Hai phép đo này được

thực hiện cùng thời điểm, trên cùng đối tượng. Các đối

tượng được chọn để thể hiện trên Bảng 2 là các NVBX có

LCT định từ phép lấy mẫu không khí vượt quá 1 mSv trong

năm 2015 (Bảng 1).

Có 5 trong tổng số 9 đối tượng được định liều có LCT

năm 2015 định từ mẫu không khí vượt quá 1 mSv cùng với

liều định từ phép phân tích nước tiểu trong thời gian tương

ứng, được thể hiện trên Bảng 1. Số lượng tháng được định

LCT trong năm 2015 của các đối tượng này hầu hết là không

đầy đủ vì không thể lấy được mẫu. Do đó, liều tổng cộng

năm 2015 là không có đóng góp từ các tháng này. Từ Bảng

2 cho thấy rằng, 5 đối tượng gồm W1, W3, W4, W6 và W7

đều có LCT định từ phép phân tích nước tiểu không vượt

quá 6 mSv. Như vậy, giá trị LCT của các đối tượng này được

ghi nhận và quá trình định liều được kết thúc mà không cần

phải khảo sát thêm các thông số khác [3].

Bảng 2. LCT định từ mẫu nước tiểu (mSv) được sử dụng để so sánh và khẳng định

các đối tượng có mức liều thuộc nhóm nguy hại thấp

Tháng W1 W3 W4 W6 W7

DA DU DA DU DA DU DA DU DA DU

1 0,057 -

0,046 0,015

0,049 0,068

0,048 0,009

0,053 0,011

2 0,086 0,025

0,025 0,009

0,043 0,051

0,051 0,002

0,052 0,009

3 0,307 -

0,089 0,032

0,091 0,081

0,155 0,031

0,135 -

4 0,184 0,008

0,108 0,021

0,104 0,130

0,088 0,009

0,124 0,040

5 0,086 0,054

0,083 0,063

0,076 -

0,059 0,000

0,098 0,280

6 0,203 0,034

0,201 0,016

0,200 0,112

0,153 0,009

0,154 0,035

7 0,100 0,253

0,051 0,023

0,053 0,348

0,058 0,013

0,047 0,079

8 1,980 0,070

0,669 -

1,133 0,004

0,730 0,006

1,022 0,007

9 0,197 -

0,046 0,037

0,063 0,010

0,129 0,040

0,092 0,049

10 0,283 -

0,237 0,150

0,223 0,392

0,303 0,051

0,227 -

11 - -

- 0,268

- 0,043

- 0,278

- 0,232

12 0,082 -

0,107 0,700

0,095 0,225

0,057 0,082

0,106 -

Tổng 3,565 0,444

1,664 1,334

2,130 1,464

1,829 0,530

2,109 0,742

(SL)* (11) (6) (11) (11) (11) (11) (11) (12) (11) (9)

* Tổng số tháng được định liều trong năm 2015, các tháng còn lại là không thể lấy được mẫu;

DA-Liều định từ mẫu không khí; DU-Liều định từ phân tích nước tiểu.


Hình 3. LCT định từ không khí và định từ nước tiểu có mức tương quan không cao

Tuy nhiên, mức độ tương quan giữa hai kết quả định

liều độc lập này trên cùng một đối tượng là không cao. Đối

với các trường hợp liều thấp thì giữa hai phương pháp cho

kết quả không quá chênh lệch (Hình 3).

Ngược lại, các đối tượng có liều cao thì liều định từ

không khí lại lớn hơn, từ 3,219 đến 7,259 lần, so với liều

từ nước tiểu, chủ yếu rơi vào trường hợp của 2 đối tượng

W1 và W6. Có một nguyên nhân rõ hơn cả có thể dẫn đến

sự khác biệt này, đó là, sau khi đối chiếu với lịch sử phơi

chiếu thu nhận được trong nghiên cứu này thì 2 đối tượng

W1 và W6 có thời gian chiếm giữ chủ yếu tại phòng chưng

cất (Phòng 1) - là nơi có nồng độ 131I cao hơn các vị trí

khác. Thêm vào đó, 2 nhân viên này rất thường xuyên di

chuyển khi làm việc (Hình 1) nên dẫn đến lượng thâm nhập

của I-131 thực tế sẽ nhỏ hơn so với lượng thâm nhập ước

lượng trong nghiên cứu này.

Kết quả đo của một phép định LCT phụ thuộc vào khá

nhiều yếu tố, nên phép định liều sử dụng 2 phương pháp song

song trên cùng một đối tượng sẽ cho kết quả tương đối khác

nhau [3]. Các nghiên cứu có liên quan đã công bố gần đây

cũng cho kết quả rất khác biệt khi so sánh giữa 2 phép định

liều song song. Chẳng hạn, bằng 2 phương pháp là đo tuyến

giáp và phân tích nước tiểu trong định LCT của 131I, một

nghiên cứu đã công bố cho thấy, liều hiệu dụng định từ phép

đo tuyến giáp lớn hơn từ phép phân tích nước tiểu từ 2 đến

6 lần. Cũng một nghiên cứu tương tự nhưng một nhóm

nghiên cứu khác đã cho kết quả hoàn toàn ngược lại. Cụ thể,

liều định từ nước tiểu lớn hơn liều định từ tuyến giáp đến 35

lần đối với các liều thấp, và là 8 lần đối với liều cao hơn [2].

4. Kết luận

Bài báo đã thể hiện phép định lượng phơi chiếu cho

nhóm đối tượng gồm 9 NVBX thường xuyên làm việc tại

khu vực sản xuất 131I trong cả năm 2015, bằng phương pháp

lấy mẫu không khí nơi làm việc. Bằng việc kết hợp nồng

độ 131I trong không khí với lịch sử phơi chiếu cá nhân của

từng nhân viên, LCT năm 2015 của 131I được định lượng

một cách chi tiết. LCT định từ mẫu không khí sau đó được

đánh giá trên cơ sở các tiêu chuẩn hiện hành. Sau khi phân

loại mức độ nguy hại của liều nhận được cho đối tượng, kết

quả cho thấy, 5 đối tượng thuộc nhóm có mức nguy hại

thấp. 4 đối tượng còn lại thuộc nhóm không nguy hại.

Đối với các đối tượng thuộc nhóm nguy hại thấp, kết quả

định liều từ phép phân tích nước tiểu đã được đưa ra để so

sánh và khẳng định kết luận cuối cùng về LCT mà các đối

tượng nhận được trong năm 2015. Nghiên cứu này cũng chỉ

ra rằng, kết quả định liều từ mẫu không khí so với phép phân

tích nước tiểu có mối tương quan không cao. Qua so sánh cho

thấy, có sự sai lệch nhiều trong trường hợp liều cao hơn 1 mSv.


[1] Arino H., Gemmill W., and Kramer H., Production of high purity iodine-131 radioisotope, Google Patents, 1973.

[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, pp. 370-375.

[3] Doerfel H., Andrasi A., Bailey M., Blanchardon E., Cruz-Suarez R.,

Berkovski V., Castellani C.-M., Hurtgen C., LeGuen B., and Malatova I., “General guidelines for the assessment of internal dose

from monitoring data: Progress of the IDEAS project”, Radiation

protection dosimetry, 125, 2007, pp. 19-22.

[4] Duong Van Dong, Pham Ngoc Dien, Bui Van Cuong, Mai Phuoc

Tho, Nguyen Thi Thu, and Vo Thi Cam Hoa, “Production of Radioisotopes and Radiopharmaceuticals at the Dalat Nuclear

Research Reactor”, Nuclear Science and Technology, 4, 2014, pp.

46-56.

[5] Henrichs K., “Concepts of ISO for the monitoring of workers for internal exposure and the present approach for the dose assessment”,

Radiation Protection Dosimetry, 124, 2007, pp. 266-273.

[6] IAEA, Assessment of Occupational Exposure Due to Intakes of

Radionuclides, IAEA Safety Standards Series No. RS-G-1.2,

Vienna, Austria, 1999.

[7] IAEA, Indirect Methods for Assessing Intakes of Radionuclides Causing

Occupational Exposure, Safety Reports Series No. 18, Vienna, 2000.

[8] IAEA, Methods for Assessing Occupational Radiation Doses due to

Intakes of Radionuclides, Safety Reports Series No. 37, Vienna, Austria, 2004.

[9] ICRP, Limits for intakes of radionuclides by workers, ICRP

Publication 30 (Supplement to Part 1), Ann. ICRP 3 (1-4), 1979.

[10] ICRP, 1990 Recommendations of the International Commission on

Radiological Protection, ICRP Publication 60, Pergamon, Oxford, 1991.

[11] ICRP, Individual Monitoring for Internal Exposure of Workers (Part

1), ICRP Publication 78, Ann. ICRP 27, 1997.

[12] ICRP, Occupational Intakes of Radionuclides: Part 1, ICRP

Publication 130, Ann. ICRP 44(2), 2015.

[13] Klepeis N.E., “Modeling human exposure to air pollution”, Human

exposure analysis, 2006, pp. 445-470.

[14] Ott W.R., “Concepts of human exposure to air pollution”,

Environment International, 7, 1982, pp. 179-196.

[15] Nguyễn Văn Hùng, Nghiên cứu định liều chiếu trong trên cơ sở

phương pháp đo toàn thân và phân tích nước tiểu người, Luận án

Tiến sĩ, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam, Hà Nội, 2003.


104 Giang Thị Kim Liên, Đào Hùng Cường

MÔT SÔ NGHIÊN CƯU VÊ THANH PHÂN HOA HOC CUA TINH DẦU VỐI

VÀ DỊCH CHIẾT N-HEXANE CỦA LÁ VÀ NỤ CÂY VỐI

THU HAI Ơ TINH QUẢNG NAM, VIÊT NAM

PRIMARY STUDY ON CHEMICAL COMPOUNDS OF THE ESSENTIAL OIL

AND N-HEXANE EXTRACT OF CLEISTOCALYX OPERCULATUS

FROM QUANGNAM VIETNAM

Giang Thị Kim Liên1, Đào Hùng Cường2 1Đại học Đà Nẵng; [email protected] 2Trương Đai hoc Sư pham - Đai hoc Đa Năng

Tóm tắt - Tinh dâu lá vối thu đươc băng phương phap chưng cât lôi cuôn hơi nươc, thanh phân cua tinh dâu đươc xac đinh băng phương phap GC-MS, cac câu tư chinh gôm: junipene (58,32%), sau đó đến α-humulene (11,07%), α-amorphene (7,47%). Dịch chiết n-hexane của lá và nụ vối thể hiện hoạt tính kháng sinh tốt. Thanh phân hoa hoc cua dich chiết n-hexane đươc phân tich sơ bô bằng phương phap GC-MS, đa đinh danh đươc 14 câu tư. Đông thơi, tư 1 phân đoan cua dịch chiết này đa phân lâp đươc câu tư H2 tinh sach. Băng viêc phôi hơp cac phương pháp phổ: phổ cộng hưởng từ hạt nhân môt chiêu (1H-NMR), (13C-NMR), hai chiêu HMBC, HSQC va so sanh vơi tai liêu tham khao, cấu trúc cua H2 đa đươc xac đinh la 2’, 4’ - dihydroxy - 6’ - methoxy - 3’, 5’ - dimethyl chalcone. Theo tra cưu tai liêu tham khao, chất này lần đầu tiên được phân lập từ cây vối Việt Nam.

Abstract - The essential oil of the Cleistocalyx operculatus (Roxb). Merr.et Perry., obtained by the steam distillation method contains these main components: junipene (58.32%), α-humulene (11.07%) and α-amorphene (7.47%), and other components that have been identified or not. The n-hexane extract from Cleistocalyx operculatus has been shown to have high antibacterial activity. The constituents of this extract have been investigated using GC/MS. 14 components have been identified and some other components have not been identified. Also, from this extract the compound H2 (2’, 4’ - dihydroxy - 6’ - methoxy - 3’, 5’ - dimethyl chalcone) has been isolated and its structure has also been determined using spectroscopic methods (1D and 2D-HMBC, HSQC-NMR) and compared with reported data. According to references, it is the first time this compound has been isolated from Cleistocalyx operculatus (Roxb). Merr.et Perry.

Từ khóa - cây vối; 2’, 4’ - dihydroxy - 6’ - methoxy - 3’, 5’ - dimethyl chalcone; tinh dầu vối; junipene; α-humulene

Key words - Cleistocalyx operculatus; 2’, 4’ - dihydroxy - 6’ - methoxy - 3’, 5’ - dimethyl chalcone; essential oil; junipene; α-humulene

1. Đăt vân đê

Cây vối có tên khoa học Cleistocalyx operculatus

(Roxb). Merr.et Perry., thuộc họ Sim, Myrtaceae. Cây vối

được trồng rộng ở các tỉnh của Việt Nam để lấy lá và nụ

vối nấu nước uống, sắc lấy nước chữa các bệnh ngoài da

như chốc đầu, ghẻ lỡ. Dịch nước vối còn có tác dụng lên vi

khuẩn đường ruột, E.coli, các vi khuẩn Gram (+) gây bệnh

viêm da [7, 10]. Theo các tài liệu đã được công bố, dịch

chiết nước của nụ vối có tác dụng trợ tim, bảo vệ sự lipid

hoá của tế bào gan [1, 2]. Gần đây, một số nhà nghiêm cứu

của Việt Nam đã chỉ ra rằng, dịch của nụ vối có khả năng

điều trị tiểu đường thông qua con đường ức chế enzyme α-

glucosidase, giảm lượng đường huyết trên chuột [3, 4, 5].

Môt sô hơp chât flavonoid từ la vôi đa đươc công bô co tác

dụng ức chế virus gây bệnh cúm heo H1N1 mới [7]. Chât

DMC phân lâp tư nu vôi Trung Quôc đã thê hiên kha năng

bảo vệ các tế bào MIN6 chống lại quá trình tự chết thông

qua tác dụng bảo vệ cao đối với ty thể [15].

Trong lá vối có tanin, một số chất khoáng, vitamin và có

khoảng 4% tinh dầu với mùi thơm dễ chịu,.. Lá vối tươi hay

khô sắc đặc được coi là một thuốc sát khuẩn dùng chữa nhiều

bệnh ngoài da như ghẻ lở, mụn nhọt. Trong thực tế, nhân dân

ta thường lấy lá vối để tươi vò nát, nấu với nước sôi lấy nước

đặc gội đầu chữa chốc lở rất hiệu nghiệm [5].

Các công trình công bố về cây vối của Việt Nam đã có,

tuy nhiên chưa phong phu [14]. Bài báo này bổ sung thêm

các thông tin về thành phần hoá học của tinh dầu vối và

dịch chiết n-hexane của lá và nụ vối thu hái ở tỉnh Quảng

Nam, Việt Nam.

2. Thưc nghiêm

2.1. Nguyên liêu, hoa chât va thiêt bi

2.2. Nguyên liêu

Lá va nu cây vối được thu hoạch ở Đông Giang, tỉnh Quảng

Nam. Chọn hái những lá va nu tươi, không bị héo, không bị hư,

có kích thước đồng đều nhau, sau khi rửa sạch làm khô tự nhiên

ở nhiệt độ phòng, môt phân tươi dung đê cât tinh dâu, phân khô

xay nhỏ thành bột đê chiêt tach va phân lâp.

2.3. Hóa chất và thiết bị

Các dung môi: n-hexane, ethyl acetate (EtOAc),

ethanol (EtOH)…

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 (SKC) sử dụng silical

gel cỡ hạt 0,04-0,063 m của hãng Merck.

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR: AVANCE 500

MHz của hãng Bruker, Cộng hòa Liên bang (CHLB) Đức

với TMS làm nội chuẩn cho 1H và tín hiệu dung môi làm

chuẩn cho 13C-NMR tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa

học và Công nghệ Việt Nam (số 18 Hoàng Quốc Việt, Hà

Nội).

Thiêt bi săc ky khi ghep nôi khôi phô GC-MS Agilent

technology, Mỹ. Cột tách mao quản HP - 5MS (5% Phenyl

Methyl Silox): 30 m x 250 μm x 0,25 μm, nhiệt độ bắt đầu

từ 70°C, tăng 20°C/phút đến 160°C, sau đó tăng 1°C/phút

đến 180°C, tiếp tục tăng 30°C/phút đến 250°C, cuối cùng

tăng 3°C/phút đến 290°C kết thúc quá trình. Nhiệt độ

injector 300°C; nhiệt độ detector 280°C, khí mang He


https://en.wikipedia.org/wiki/Antibacterial

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Tanin&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/wiki/Vitamin

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Gh%E1%BA%BB_l%E1%BB%9F&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=M%E1%BB%A5n_nh%E1%BB%8Dt&action=edit&redlink=1


(20 ml/phút sau 2 phút); áp suất: 8,1225 psi; thể tích bơm

mẫu 1 µl, tỷ lệ chia dòng 10:1, tốc độ dòng chia 9,4248

ml/phút. Các thông số vận hành khối phổ (MS) là điện thế

ion hóa 70 eV; nhiệt độ nguồn ion 230°C, khoảng khối

lượng m/z 30 - 600. Thành phần dịch chiết từ nụ vối được

xác định bằng cách so sánh các dữ kiện phổ MS của chúng

với phổ chuẩn đã được công bố có trong thư viện NIST -

Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng II (quatest

II) (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 v.v.

2.4. Các nghiên cứu thực nghiệm

2.4.1. Chưng cât va xac đinh thanh phân hoa hoc cua tinh

dâu vôi

Tinh dâu vôi đươc chưng cât tư nguyên liêu tươi băng

phương phap chưng cât lôi cuôn hơi nươc, có màu vàng

nhạt, mùi thơm, nhẹ hơn nước, không tan trong nước.

2.4.2. Thư hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định cua môt sô

dich chiêt

Bôt nguyên liêu khô được ngâm chiết lần lượt với các

dung môi n-hexane và ethanol. Cac dich chiêt nay đươc thư

hoat tinh kháng vi sinh vật kiểm định theo phương pháp

pha loãng nồng độ của Hadacek F. và Greger H [9].

Các chủng vi sinh vật được chọn để thử gồm các vi

khuẩn [Gram(–)] là Salmonella enterica, Escherichia coli

và Pseudomonas aeruginosa.

Các chủng vi sinh vật [Gram(+)] bao gồm: Bacillus

subtilis, Staphylococcus aureusvà Lactobacillus enterica.

2.4.3. Khao sat thanh phân hoa hoc cua dich chiêt n-hexane

Kêt qua thư hoat tinh khang vi sinh vât cho thây dich

chiêt n-hexane thê hiên hoat tinh tôt hơn. Chung tôi lưa chon

dich chiêt nay đê khao sat thanh phân hoa hoc cua no. 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. Phân con lai cô quay khô thu đươc cao

chiêt n-hexane, cao chiêt nay đươc phân tach trên côt săc ky

đê phân lâp va xac đinh câu truc cac hơp chât hoa hoc.

Tiến hành SKC với hệ dung môi: n - hexan: ethyl acetate

với các tỷ lệ thay đổi từ 9 : 1 đến 8 : 2 thu được 6 phân đoạn,

ký hiệu nH1 – nH6. Từ phân đoạn nH3 thu được 18 mg chất

rắn kết tinh H2, cho vệt sắc ký tròn màu vàng, với Rf = 0,6.

3. Kêt qua va thao luân

3.1. Kết quả xac đinh thành phần hóa học trong tinh dầu vối

Các cấu tử của tinh dầu vôi được xác định thành phần

%, định danh và xác định công thức cấu tạo (CTCT) bằng

phương pháp sắc ký khí – khối phổ GC-MS.

Kết quả định danh thành phần hoá học của tinh dầu vối

bằng phương pháp GC-MS được trình bày trên Bảng 1.

Bảng 1. Kết quả định danh thành phần tinh dầu vôi

STT Tên hợp chất Thời gian

lưu

Diện

tích

peak %

Công thức

phân tử

(CTPT)

1 γ-terpinene 5,699 0,09 C10H16

2 Trans-pinocarveol 7,140 0,04 C10H16O

3 β-cyclocitral 7,829 0,54 C10H16O

4 ð-elemene 9,583 0,03 C15H24

5 α-cedrol 9,752 0,32 C10H16O

6 Isoterpinolene 9,894 1,16 C10H16

7 α-copaene 10,057 0,15 C15H24

8 Bicyclogermacrene 10,113 1,49 C15H24

9 Cadinene 10,568 0,06 C15H24

10 Junipene 10,771 58,32 C15H24

11 Alloaromadendrene 10,966 2,59 C15H24

12 α-humulene 11,165 11,07 C15H24

13 α-amorphene 11,425 7,47 C15H24

14 α-selinene 11,668 2,81 C15H24

15 α-gurjunene 11,790 0,64 C15H24

16 ð-cadinene 11,987 4,13 C15H24

17 γ-gurjunene 12,231 0,39 C15H24

18 Caryophyllene oxide 12,365 0,19 C15H24O

19 (-)-β-pinene 12,558 0,08 C10H16

20 Veridiflorol 12,863 0,48 C15H26O

21 Cis-α-bisabolene 12,932 0,06 C15H24

22 β-ionone 12,985 0,73 C13H20O

23 Torreyol 13,106 0,19 C15H26O

24 (+)-aromadendrene 13,239 4,73 C15H24

25 Carotol 13,319 0,26 C15H26O

26 ð-cadinol 13,406 0,19 C15H26O

27 β-guaiene 13,464 0,12 C15H24

28 α-cadinol 13,574 1,28 C15H26O

29 Retinene 13,923 0,04 C20H28O

30 Spathulenol 14,319 0,01 C15H24O

31 Clovene 14,369 0,02 C15H24

32 Cembrene 14,659 0,01 C20H32

33 Elemol 15,227 0,06 C15H26O

34 Widdrene 15,336 0,02 C15H24

35 β-bisabolene 15,903 0,01 C15H24

36 Trans-caryophyllene 16,731 0,07 C15H24

37 α-patchoulene 16,913 0,04 C15H24

38 Patchulane 17,590 0,03 C15H24

39 Cholestane, 4,5-

epoxy-, (4.α,5.α.)

18,428 0,02 C27H48

40 Isopulegol 21,435 0,01 C10H18O

41 Urs-12-en-28-al 22,918 0,03 C30H48O

42 Canophyllal 24,304 0,01 C30H48O

Bảng 1 cho thấy có 42 cấu tử được định danh. Trong

đó, có 10 chất có hàm lượng lớn trên 1% với công thức cấu

tạo được trình bày ở Bảng 2.

Kết quả nghiên cưu thanh phân tinh dâu vôi cua Nepal

đinh danh đươc 15 câu tư chinh, trong đo cac câu tư co ham

lương lơn la myrecene (69,7%), (E)--ocimene (12,24%),

(Z)--ocimene (4,79%) va linalool (4,08%). Tư sư so sanh

trên cho thây co sư khac biêt ro rêt vê thanh phân tinh dâu


vôi cua Viêt Nam va Nepal [13].

Bảng 2. Các hợp chất có hàm lượng lớn nhất trong tinh dầu vối

STT Tên

hợp chất

Thơi gian

lưu % peak CTCT

1 Junipene 10,771 58,32

2 α-humulene 11,165 11,07

3 α-amorphene 11,425 7,47

4

(+)-

aromadendre

ne

13,239 4,73

5 ð-cadinene 11,987 4,13

6 α-selinene 11,668 2,81

7 Alloaromade

ndrene 10,996 2,59

8 Bicyclogerm

acrene 10,113 1,49

9 α-cadinol 13,574 1,28

10 Isoterpinolene 9,894 1,16

3.2. Kết quả thử hoạt tính kháng sinh cua cac dich chiêt

Kết quả thử hoạt tính kháng sinh của các dịch chiết

n–hexane và ethanol được trình bày trong Bảng 3.

Bảng 3. Kết quả thử hoạt tính kháng sinh cua dịch chiết

n–hexane và ethanol

Vi sinh vật kiểm định IC50 (μg/ml)

N-hexan ethanol

Gram

(+)

Staphylococcus aureus 2,42 76,44

Bacillus subtilis 87,55 >128

Lactobacillus enterica >128 >128

Gram

(-)

Salmonella enterica >128 >128

Escherichia coli >128 >128

Pseudomonas aeruginosa >128 >128

Kết quả từ Bảng 3 cho thấy, dịch chiết n–hexane từ lá

và nụ vối có thể hiện hoạt tính ức chế sự phát triển của

chủng cầu khuẩn gram (+) staphylococcus aureus (một loại

cầu khuẩn gây mủ các vết thương, vết bỏng, gây viêm

họng, nhiễm trùng có mủ trên da và các cơ quan nội tạng)

với IC50 = 2,42 μg/ml và bacillus subtilis (sinh bào tử,

thường không gây bệnh) với IC50 = 87,55 μg/ml. Không thể

hiện hoạt tính đối với vi sinh vật còn lại với IC50 < 128

μg/ml.

Dịch chiết ethanol từ lá và nụ vối có thể hiện hoạt tính

ức chế sự phát triển của chủng cầu khuẩn gram (+)

staphylococcus aureus với IC50 = 76,44 μg/ml. Không thể

hiện hoạt tính đối với vi sinh vật còn lại với IC50 < 128 μg/ml.

Từ kêt qua thư hoat tinh nay chúng tôi lựa chọn dịch chiết

n-hexane để khảo sát thành phần hoá học và phân lập các chất.

3.3. Thanh phân hoa hoc dich chiêt n-hexane

Thành phần hóa học của dịch chiết n-hexane được khảo

sát sơ bộ bằng phương pháp GC – MS, so sánh với thư viện

phổ chuẩn. Có 14 cấu tử trong dịch chiết này đã được định

danh được trình bày trong Bảng 4, còn lại là các cấu tử chưa

được định danh.

Bảng 4. Thành phần định danh cua dịch chiết n-hexane

STT Thời gian

lưu (phút)

Diện tích

peak (%) Tên hơp chât

1 4,705 0,44 Benzaldehyde

2 6,202 0,60 Acetophenone

3 7,693 0,49 Benzoic acid

4 8,302 0,22 Bicyclo [3.1.1] hept-3-en-2-

one,4,6,6-trimethyl-, (1s)

5 10,310 0,37 3 - buten - 2 - one, 4 - phenyl -, (E)

6 11,237 0,30 Trans - cinnamic acid

7 11,875 0,46

Naphthalene, 1, 2, 3, 4, 4a, 5, 6,

8a -octahydro - 7 - methyl - 4 -

methylene - 1 - (1 - methylethyl) -

8 12,350 0,40

Naphthalene, 1, 2, 4a, 5, 6, 8a

- hexahydro - 4, 7 - dimethyl -

1 - (1 - methylethyl) -

9 14,241 0,74 Naphthalene, 1, 6 - dimethyl -

4 - (1 - methylethyl) -

10 16,869 0,46 Hexadecanoic acid, methyl ester

11 17,421 6,88 N - hexadecanoic acid

12 19,695 9,74 Cis - 7 - dodecen - 1 - yl acetate

13 36,892 0,83 Gama - tocopherol

14 42,068 7,77 Gama - sitosterol


Dựa vào Bảng 4 nhận thấy, với dung môi n - hexan đã

định danh được 14 cấu tử. Cấu tử có hàm lượng lớn hơn

5% n - hexadecanoic acid (6,88%); gama - sitosterol (7,77

%); cis - 7 - dodecen - 1 - yl axetat (9,74%). Cấu tử có hàm

lượng nhỏ hơn 5% lớn hơn 0,5% Gama - Tocopherol

(0,83%); naphthalene, 1,6 - dimethyl - 4 - (1- methylethyl)

- (0,74%). Các cấu tử còn lại đều có hàm lượng thấp và các

hợp chất khác chưa đươc đinh danh đươc băng phương

phap GC-MS. Đê lam ro hơn thanh phân cac câu tư chưa

đinh danh, phân cao chiêt con lai đươc phân tach băng SKC

đê phân lâp.

Chât H2 la chât răn kêt tinh co mau vang, ESI-MS cho

kêt qua [M+H]+ = 299,3, tư đo M = 298,3.

Phổ 1H-NMR (δ ppm, 500 MHz) của chất H2 cho thấy

có tín hiệu của 18 proton. Phổ 13C-NMR cho thấy xuất hiện

tín hiệu của 18 carbon (trong đó có hai carbon có cùng độ

dịch chuyển). Dữ liệu phổ 13C-DEPT cho thấy H2 có 2

nhóm –CH3, 1 nhóm –OCH3, 7 carbon bậc 4 (nhóm >C=),

7 nhóm =CH-, 1 nhóm >C=O. Các nhóm này được thể hiện

cụ thể hơn ở Bảng 5.

Bảng 5. Dữ liệu phổ 13C – NMR của chất H2

13C (ppm) Nhom chưc

7,57 –CH3

8,25 –CH3

62,35 –OCH3

106,61 >C=

108,91 >C=

109,08 >C=

126,76 =CH–

128,42 =CH–

128,94 =CH–

130,20 =CH–

135,41 >C=

142,89 =CH–

158,89 >C=

159,28 >C=

162,08 >C=

193,39 >C=O

Phân tích các số liệu phô ESI-MS va NMR, cac đăc

trưng nhom chưc trên cho phép dự đoán chất H2 là một

flavonoid có CTCT là 2’, 4’ - dihydroxy - 6’ - methoxy -

3’, 5’ - dimethyl chalcone, CTPT là C18H18O4, M = 298,3.

Công thức cấu tạo của chất H2 được khẳng định thêm

nhờ việc phân tích các tín hiệu phổ 1H – NMR (δ ppm, 500

MHz) của chất H2 cho thấy có tín hiệu của 18 proton.

Các tín hiệu ở δ = 2,13 (s) xuất hiện tín hiệu 3 proton

và 2,15 (s) xuất hiện tín hiệu 3 proton, chứng tỏ đây là các

proton của nhóm –CH3.

Tin hiêu ở δ = 3,66 (s), chuyển dịch về phía trường thấp

so vơi tin hiêu cua nhom –CH3 la tương ưng vơi 3 proton

cua nhóm –OCH3

Tại δ = 7,40 (m) thấy xuất hiện tín hiệu 3 proton đặc

trưng cho 3 nhóm –CH của vòng thơm, dẫn đến trên phổ 13C – NMR có hai carbon cung đô chuyên dich hoa hoc.

Tại δ = 7,64 (d) thấy xuất hiện 2 tín hiệu proton, đây

cũng là 2 nhóm –CH của vòng thơm, chứng tỏ carbon số 2

và số 6 sẽ trùng nhau. Tin hiêu tai δ = 13,59 (s) ưng vơi

proton của nhóm –OH.

Cấu trúc của chất H2 được khẳng định thêm dựa vào

các tương tác giữa H và C thể hiện trên phổ HMBC:

H2 → C4, Cβ, H3 → C1, C3, C5, H4 → C2, C6, H5 → C1, C3,

C5, H6 → C4, Cβ, Hα → C1, Cβ, CC=O, Hβ → Cα, C2, C6,

CC=O. Tin hiêu cua cac nguyên tư C2’; C4’ va C6’ chuyên

dich vê phia trương thâp thê hiên liên kêt cua nguyên tư C

vơi nguyên tô co đô âm điên cao la O, cho phep nhân biêt

vi tri cac nhom thê –OH va –OCH3 trên vong benzen. Đông

thơi trên phô HMBC cung thê hiên ro cac tương tac xa giưa

3 proton cua nhom –CH3 nôi vơi C ơ vi tri 5’ vơi C5’;

3 proton H cua cac –CH3 nôi vơi C ơ vi tri 3’ vơi C3’;

3 proton H cua nhom methoxy –OCH3 nôi vơi C ơ vi tri 6’

vơi C6’; 1 proton cua nhom –OH nôi vơi C ơ vi tri 2’ vơi

C2’ va 1 proton cua nhom –OH nôi vơi C ơ vi tri 4’ vơi C’

môt lân nưa đa khăng đinh cac vi tri nhom thê trên vong

benzen cua chât H2 phu hơp vơi chât DMC.

Các tương tác trực tiếp C-H trong câu truc DMC thể hiện

rõ ràng trên phổ HSQC: giữa C và H trong 2 nhóm methyl –

CH3 ở vị trí 3’, 5’và trong nhóm methoxy –OCH3 ở vị trí 6’;

giữa C-H trong nhóm methine –CH ở vị trí carbon số 2, 3, 4,

5, 6, α, β. Tại vị trí C1 không xảy ra sự tương tác.

Phổ 13C - NMR, 1H – NMR của chất H2 được so sánh

với tài liệu tham khảo (TLTK) [12], được thể hiện ở Bảng 6.

Bảng 6. Sô liêu phổ 13C-NMR, 1H – NMR của chất H2

và chât so sanh

Vị

trí

13C-NMR

Chât H2

13C-NMR

TLTK [12]

1H – NMR

Chât H2

1H – NMR

TLTK [12]

1 135,41 134,9

2 128,42 127,9 7,64 (d) 7,65 (d; 7,2)

3 128,94 128,4 7,40 (m) 7,41(m)

4 130,20 129,7 7,40 (m) 7,41 (m)

5 128,94 128,4 7,40 (m) 7,41 (m)

6 128,42 127,9 7,64 (d) 7,65 (d; 7,2)

1’ 109,08 108,6

2’ 162,08 161,6

3’ 106,61 106,1

4’ 159,28 158,7

5’ 108,91 108,4

6’ 158,89 158,4

2’ 13,59 (s) 13,60 (s)

3’ 7,57 7,1 2,13 (s) 2,14 (s)

5’ 8,25 7,7 2,15 (s) 2,16 (s)

6’ 62,35 61,9 3,66 (s) 3,66 (s)

α 126,76 126,2 7,98 (d, 15,5) 7,99 (d; 15,7)

β 142,89 142,4 7,84 (d, 15,5) 7,84 (d; 15,7)

CO 193,39 192,9

Qua việc phân tích phổ 13C - NMR, 1H - NMR, phổ

DEPT, phổ HMBC, HSQC và so sánh với TLTK [12] đã

khẳng định được chất H2 là 2’, 4’ - dihydroxy - 6’ -

methoxy - 3’, 5’ - dimethyl chalcone (DMC), có công thức

cấu tạo như trên Hinh 1.


CH3

HO

H3C

OH

O

CH3

O

1

2

3

4

5

61'

2'

3'

4'5'

6'

Hinh 1. Câu truc cua chât DMC

Hơp chất 2',4'-dihydroxy-6'-methoxy-3',

5'-dimethylchalcone (DMC) đã được phân lập từ loài

Psorothamnus polydenius [12] và công bố có tác dụng ức chế

tế bào ung thư [5]. Chât nay cung đươc phân lập được từ nụ

của cây vôi Cleistocalyx operculatus thu hai tai Trung Quôc

va đươc công bô thê hiên tác dụng chống tự chết tế bào, trên

tế bào MIN6 bị gây tổn hại bởi H2O2. Những kết quả nghiên

cứu đã chứng minh rõ ràng DMC đã bảo vệ các tế bào MIN6

chống lại quá trình tự chết thông qua tác dụng bảo vệ cao đối

với ty thể, và do đó DMC có tiềm năng lớn như là một loại

thuốc được dùng trong chăm sóc bệnh tiểu đường [15]. Theo

các tra cứu tài liệu đã công bố, chất DMC lần đầu tiên được

phân lập từ dich chiêt n-hexane cua nu va la vối Việt Nam.

4. Kết luận

Đã định danh được 42 chất có mặt trong tinh dầu vối,

các cấu tử chủ yếu thuộc các nhóm monoterpene,

secquiterpene, diterpene bao gồm dẫn xuất của phenol,

ancol, xeton..., trong đó các cấu tử chiếm hàm lượng lớn

nhất là junipene (58,32%), sau đó đến α-humulene

(11,07%), α-amorphene (7,47%), ð-cadinene (4,13%), (+)-

aomadendrene (4,73%) và các cấu tử khác, ngoài ra còn

một số cấu tử chưa được định danh.

Dịch chiết n–hexane từ nụ và lá vối có thể hiện hoạt

tính ức chế sự phát triển của chủng cầu khuẩn gram (+)

staphylococcus aureus với IC50 = 2,42 μg/ml và bacillus

subtilis với IC50 = 87,55μg/ml.

Khảo sát bằng GC-MS đã định danh được 14 cấu tử từ

dịch chiết n–hexane từ nụ và lá vối. Cũng từ dịch chiết này

đã phân lập được chất 2’, 4’ - dihydroxy - 6’ - methoxy -

3’, 5’ - dimethyl chalcone.

Lời cảm ơn: Công trình được hoàn thành với sự tài trợ

về kinh phí của đề tài khoa học công nghệ của Bộ Giáo dục

và Đào tạo, mã số KYTH-58.


[1] Byung – Sun Min, Cao Van Thu, Nguyen Tien Dat, Nguyen Hai Dang, Han – Su Jang, Tran Manh Hung, “Antioxidative Flavonoids from

Cleistocalys Bubs”, Publication collection, 2008, pp. 1725-1728.

[2] Byung – Sun Min, To Dao Cuong, Joon Seok Lee, Mi Hee Woo,

Tran Manh Hung, “Cholinesterase inhibitors from Cleistocalyx

operculatus buds”, Arch Pharm Res, 33 (10), 2010, pp. 1665-1670.

[3] Bộ môn Dược liệu, Phương pháp nghiên cứu dược liệu, Trường Đại

học Y Dược Thành phố Hồ Chí Minh, 2012.

[4] Võ Văn Chi, Từ điển cây thuốc Việt Nam, Nhà xuất bản Y học, 2012,

trang 1186-1188.

[5] Chun – Lin Ye, Jian – Wen liu, Dong – Zhi Wei, Yan – Hua Lu, Feng

Qian, “In vitro antitumor activity by 2’, 4’ – dihydroxy – 6’ – methoxy – 3’, 5’ – dimethylchalconein a solid human carcinoma xenograft

model”, Cancer chemother pharmacol, 55, 2005, pp. 447-452.

[6] To Dao Cuong, Tran Binh Tung, Phương Thien Thuong, Yoo SS,

Kim EH, Kim SK, Oh WK, “C-Methylated flavonoids from

Cleistocalyx operculatus and their inhibitory effects on novel ìnluenza A (H1N1)”, J Nat Prod, 73 (10), 2010, 1636-1642.

[7] Nguyen Thi Dung, Jung Min Kim, Sun Chul Kang, “Chemical

composition, antimicrobial and antioxidant activities of the

essentialoil and the ethanol extract of Cleistocalyx operculatus

(Roxb.) Merr and Perrybuds”, Food and chemical Toxicology, 46, 2008, pp. 3632-3639.

[8] Nguyen Thi Dung, Vivek. K. Bajpai, Jung In Yoon, Sun Chul Kang,

“Anti – inflammatory effects of essential oil isolated from the bubs

of Cleistocalyx operculatus (Roxb) Merr and perry”, Food and

chemical toxicology, 47, 2009, pp. 449-453.

[9] Franz Hadacek, Harald Greger, “Testing of Antifungal Natural

Products: Methodologies, Comparability of Results and Assay Choice”, Phytochemical analysis, 2000, pp. 137-147.

[10] Hoàng Văn Lựu, Nghiên cứu thành phần hóa học một số cây thuộc

họ sim (Myrtaceae) ở Nghệ An, Luận án phó tiến sỹ Khoa học Hóa

học – Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Sư phạm, 1996.

[11] Truong Tuyet Mai, Nguyen Van Chuyen, “Anti – hyperglycemic

activity of an aqueous extract from flower bubs of Cleistocalyx

operculatus (roxb.) Merr and Perry”, Biosci, Biotechnol. Biochem, 71 (1), 2007, pp. 69-76.

[12] Manar M. Salem and Karl A. Werbovetz, “Antiprotozal Compounds

from Psorothamnus polydenius”, J. Nat. Prod, 68, 2005, pp. 108-111.

[13] Noura S. Dosoky, Suraj K. Pokharel, William N. Setzer, “Leaf

essential oil composition, antimicrobial and cytotoxic activities of

Cleistocalyx operculatus from Hetaudau, Nepal”, American Journal of Essential oils and Natural Product, 3 (1), 2015, pp. 34-37.

[14] Đỗ Thị Thanh, Nghiên cứu cây vối Việt Nam, Khóa luận tốt nghiệp

Đại học Quốc gia Hà Nội, 2006.

[15] Yingdi Luo, Yanhua Lu, “2’, 4’ - dihydroxy - 6’ - methoxy - 3’, 5’ - dimethyl

chalcone inhibits apoptosis of MIN6 cells via improving

mitochondrial function”, Original Articles, Pharmazie, 67, 2012, pp.

798-803.


http://www.essencejournal.com/pdf/2015/vol3issue1/PartA/2-4-14-322.pdf

http://www.essencejournal.com/pdf/2015/vol3issue1/PartA/2-4-14-322.pdf


XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG PHÂN TỬ CỦA MỘT SỐ THÀNH PHẦN TRONG

NỌC RẮN CẠP NONG BUNGARUS FASCIATUS BẰNG

PHƯƠNG PHÁP KHỐI PHỔ PHÂN GIẢI CAO

DETERMINATION OF MOLECULAR WEIGHT OF SOME COMPONENTS IN

BUNGARUS FASCIATUS SNAKE VENOM BY HIGH RESOLUTION

MASS SPECTROMETRY

Trần Vũ Thiên1,2, Hoàng Ngọc Anh1, Nguyễn Văn Minh Khôi3, Lê Ngọc Hùng3,

Phùng Văn Trung4, Lê Minh Hà5* 1Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng; 2Học viện Khoa học và Công nghệ;

3Trung tâm Nghiên cứu và Chuyển giao công nghệ; 4Viện Công nghệ Hóa học; 5Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; [email protected]

Tóm tắt - Nọc rắn gồm sự kết hợp của nhiều thành phần khác nhau như protein, peptide, enzyme và các độc tố. Ở Việt Nam, nọc rắn B. fasciatus chứa phospholipase A2 là thành phần chính (71%), sau đó là oxidase của L-amino acids (8%), acetylcholinesterase (5%), metalloproteinase (4%) và độc tố ba ngón tay (1%). Trong nghiên cứu này, từ nọc độc của loài rắn B. fasciatus, nhóm tác giả đã tiến hành phân tách thành 5 phân đoạn bằng phương pháp sắc ký cột trên Superdex HR 75. Khối lượng phân tử của protein của 3 phân đoạn (3, 4 và 5) được xác định bằng phương pháp phổ khối lượng phân giải cao (HRMS). Kết quả cho thấy, khối lượng phân tử của phân đoạn 3 (BF3) chủ yếu ở vùng 13 kDa (13 007, 13 155, 13 241), phân đoạn 4 (BF4) trong khoảng 6,8 - 7,4 kDa (6812, 6998, 7048, 7271, 7470) và 13 kDa, phân đoạn 5 (BF5) trong vùng 6,6 - 6,8 kDa (6668, 6796, 6859), 7,4 - 7,6 kDa (7445, 7655) và 13 kDa. Đây là các phân đoạn có chứa các toxin quan trọng có hoạt tính chống đông máu trong nọc rắn cạp nong.

Abstract - Snake venoms are cocktails comprising combinations of different proteins, peptides, enzymes and toxins. B. fasciatus venom in Vietnam shows that phospholipase A2 is the main component (71%), followed by oxidase of L-amino acids (8%), acetylcholinesterase (5%), metalloproteinases (4%) and three finger toxins (1%). In this study, we separate the crude venom of Vietnam Bungarus fasciatus, into five fractions by column chromatography on Superdex HR 75. The molecular mass of three fractions (3, 4 and 5) is identified by High Resolution Mass Spectrometry (HRMS). Molecular mass of fraction 3 (BF3) is mainly in the region of 13 kDa (13 007, 13 155, 13 241), fraction 4 (BF4) is in the region of 6.8 – 7.4 kDa (6812, 6998, 7048, 7271, 7470) and 13 kDa, while fraction 5 (BF5) is in the region of 6.6 – 6.8 kDa (6668, 6796, 6859), 7.4 – 7.6 kDa (7445, 7655) and 13 kDa. These fractions contain the important toxin that has anti-coagulant activity in the snake venoms.

Từ khóa - nọc rắn; Bungarus fasciatus; sắc ký; phổ khối phân giải cao; khối lượng phân tử.

Key words - snake venom; Bungarus fasciatus; protein; High Resolution Mass Spectrometry (HRMS); molecular mass.


Rắn cạp nong có tên khoa học Bungarus fasciatus, là

loại rắn độc thuộc họ Elapidae. Loài rắn này thường phân

bố ở vùng Đông Dương, các bán đảo và quần đảo của

Malaysia và miền Nam, Trung Quốc [1]. Tại Việt Nam, rắn

cạp nong Bungarus fasciatus phổ biến khắp nơi, từ đồng

bằng, trung du đến miền núi.

Nọc rắn cạp nong có độc tính đối với hệ thần kinh và

hiệu lực của nó cao hơn nhiều lần so với nọc rắn hổ mang

[2]. Nọc của chúng thường gây ra tình trạng suy hô hấp đối

với nạn nhân và dẫn đến tử vong. Từ nọc rắn cạp nong,

người ta đã phân lập các neurotoxin khác nhau trong đó có

các alfa-neurotoxin như alfa-bungarotoxin, cũng như k-

bungarotoxin và beta-bungarotoxin [3]. Hai loại toxin đầu

thuộc họ toxin ba ngón tay, còn loại cuối thuộc họ

heterodimer phospholipaza A2. Một số toxin tách ra có tính

kháng viêm giảm đau [4]. Ngoài ra người ta còn tách ra

một loạt protein có những hoạt tính enzyme khác nhau.

Tiếp theo những nghiên cứu về nọc rắn cạp nong

B. fasciatus, trong bài báo này nhóm tác giả trình bày việc

khảo sát và xác định khối lượng phân tử (KLPT) của một

số phân đoạn protein tách ra từ nọc rắn cạp nong phân bố

ở miền Nam (Đồng Tâm, Tiền Giang), dựa trên phương

pháp khối phổ phân giải cao.

2. Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

2.1. Nguyên liệu

Nọc rắn cạp nong (B. fasciatus) được thu từ trại rắn Đồng

Tâm, Tiền Giang, Việt Nam. Nọc rắn được lấy bằng cách để

rắn cắn vào đĩa petri, dùng tay xoa bóp nhẹ vào hai tuyến nọc

ở sau tai, nọc sẽ chảy vào đĩa. Sau đó, nọc được đem đông khô

và giữ ở -20°C cho đến khi tiến hành nghiên cứu.

2.2. Phương pháp tách các phân đoạn của nọc rắn cạp

nong bằng sắc ký trên cột Superdex HR75

Nọc rắn cạp nong (B. fasciatus) được phân tách bằng

phương pháp lọc gel trên máy HPLC 1050, đầu dò UV ở

nhiệt độ phòng với cột Superdex HR75 (1 x 50 cm). Cột đã

được cân bằng trước trong đệm amonium axetat 0,1 M

(pH 6,2). Lượng nọc chạy mỗi lần 30 mg, tốc độ rửa cột

0,5 ml/phút. Sự có mặt của protein trong các phân đoạn

được xác định bằng mật độ quang tại bước sóng 280 nm.

2.3. Khảo sát khối lượng phân tử các phân đoạn của

nọc rắn cạp nong bằng phương pháp khối phổ phân

giải cao

Các protein được nhận diện bằng phương pháp khối

phổ phân giải cao với mảnh ion khối phổ đo được cao nhất

là m/z 3.000 bởi hệ thống Q Exactive Focus Orbitrap MS

(Thermo Scientific), sử dụng nguồn ion hóa H-ESI (heated

http://tapchikhcn.udn.vn/Manager/GuimailThongbao.aspx?ID=6674&key=&Loai=1

110 Trần Vũ Thiên,, Hoàng Ngọc Anh, Nguyễn Văn Minh Khôi, Lê Ngọc Hùng, Phùng Văn Trung, Lê Minh Hà

electrospray ionization), phương pháp quét FS-ddMS2

(Full Scan + Data-dependent MS/MS), độ phân giải FS:

70.000 FWHM, dãy quét m/z 650 tới 3.000. Kết hợp xử lý

số liệu với phần mềm MestReNova 11.0.

3. Kết quả nghiên cứu và bình luận

3.1. Tách các phân đoạn của nọc rắn bằng phương pháp

sắc ký trên cột Superdex HR75

Nọc rắn toàn phần được tiến hành phân tách bằng sắc

ký lọc gel trên cột Superdex HR75. Kết quả cho thấy, nọc

toàn phần được tách ra làm 5 phân đoạn rất rõ ràng và riêng

biệt từ BF1 (peak 1) đến BF5 (peak 5) (Hình 1). Các phân

đoạn này được thu lại, đông khô và dùng để khảo sát tác

động giảm đau, kháng viêm của chúng lên chuột. Kết quả

phân tách cũng cho thấy việc lựa chọn cột và các điều kiện

phân tích của nhóm tác giả là hoàn toàn phù hợp.

Hình 1. Sắc ký nọc rắn cạp nong Tiền Giang

trên cột lọc gel Superdex HR75 (BF1 đến BF5)

3.2. Khối lượng phân tử của các phân đoạn tách ra dựa

trên khối phổ phân giải cao

Sau khi xử lý dữ liệu phổ đồ với phần mềm MestReNova,

kết quả cho thấy, khối lượng phân tử các protein tập trung chủ

yếu trong phân đoạn BF3, BF4, BF5. Kết quả được trình bày

trong Bảng 1 và Hình 2, 3, 4, 5 dưới đây:

Bảng 1. Khối lượng phân tử của các phân đoạn BF3, BF4, BF5

MW (Da)

BF3 BF4 BF5

13241,3334

13218,3273

13155,8075

13153,9353

13150,5956

13109,5553

13103,3581

13100,7398 13100,8075

13079,7553

13078,1768

13075,1530

13068,7749

13045,7376

13034,6175

13032,8996

13026,4622

13007,5069

10318,7966

10082,0160

9080,2425

8320,2454

7945,6841

7655,6557

7642,0074

7470,8554

7445,2107

7271,3482

7271,0146

7253,9354

7249,8503

7048,5882

7032,9683

7025,0892

6998,6610

6965,3176

6859,4760

6814,1336

6812,4484

6796,6756

6767,9150

6748,7103

6668,0479

Hình 2. Khối phổ (Orbitrap MS) phân đoạn BF3

Hình 3. Khối phổ phân giải cao phân đoạn BF3

min20 40 60 80 100

mAU

0

200

400

600

800

1000

DAD1 D, Sig=280,20 Ref =550,100 (THIEN\BF000022.D)

Full Scan (BF3):

(m/z 2603 - 2621)




Kết quả phân tích theo Bảng 1 cho thấy: Phân đoạn 3

(BF3) chứa chủ yếu là các protein có khối lượng phân tử

nằm trong vùng 13 kDa. Các protein có khối lượng phân tử

tương đương với khối lượng phân tử của phospholipase A2

(PLA2) 13-14 kDa. Phân đoạn 4 (BF4) và 5 (BF5) ngoài

các phospholipase A2 còn chứa các neurotoxin nọc rắn (cấu

trúc dạng ba ngón tay) (khoảng từ 6,6 kDa đến 10,0 kDa).

So sánh kết quả của nhóm tác giả với kết quả nghiên cứu

nọc B. fasciatus của các tác giả khác đã công bố, thì đến

nay tại Việt Nam chỉ có nhóm tác giả Hoàng Ngọc Anh, từ

B. fasciatus đã tách được 17 neurotoxin có khối lượng phân

tử nằm trong khoảng 7 – 8 kDa [5]. Các neurotoxin này

tương tác mạnh với thụ thể nicotinic acetylcholine loại cơ

và 2 trong số đó còn tương tác với thụ thể nicotinic

acetylcholine loại alfa7. Ngoài ra, từ nọc rắn cạp nong này

người ta cũng đã tách và xác định trình tự acid amin của 2

toxin đó là: BF-IV-8 có KLPT 13,127 Da, và BF-V-4 có

KLPT 6,957 Da, cả 2 toxin này có hoạt tính chống đông

máu, cụ thể, bằng phương pháp MALDI-TOF-MS thì BF-

IV-8 và BF-V-4 chứa lần lượt là 118 và 65 acid amin, trình

tự acid amin là NLYQFKNMIE CAGTRTWLAY

VKYGCYCGPG GTGTPLDELD RCCQTHDHCY

DNAKKFGNCI PYLKTYVYTC NKPDITCTGA

KGSCGRNVCD CDRAAAICFA

AAPYNLANFG IDKEKHCQ (BF-IV-8) và KNRPTFCNLL

PETGRCNALI PAFYYNSHLH KCQKFNYGGC

GGNANNFKTI DECQRTCAAK YGRSS (BF-V-4) [6].

Những kết quả thu được này sẽ giúp nhóm tác giả định

hướng trong việc tách những toxin mới có hoạt tính giảm

đau từ nọc B. fasciatus.

4. Kết luận

Nọc rắn cạp nong Bungarus fasciatus được tách ra làm 5

phân đoạn bằng phương pháp sắc ký cột với Superdex HR 75.

Nhóm tác giả đã áp dụng thành công phương pháp khối

phổ phân giải cao (với mảnh ion khối phổ đo được cao nhất

là m/z 3.000 thường được cung cấp tại nước ta để nghiên cứu

các hợp chất có phân tử lượng thấp) để xác định khối lượng

phân tử của các protein trong nọc rắn cạp nong Bungarus

fasciatus. Kết quả cho thấy, khối lượng phân tử của các

protein trong phân đoạn 3 chủ yếu nằm trong khoảng 13kDa.

Các protein của phân đoạn 4 nằm chủ yếu trong khoảng

7kDa và 13kDa. Các protein của phân đoạn 5 nằm chủ yếu

trong khoảng 6,6 kDa, 7 kDa và 13 kDa. Đây là các phân

đoạn có chứa các toxin quan trọng có hoạt tính chống đông

máu trong nọc rắn cạp nong. Kết quả này giúp định hướng

cho việc phân tách có hiệu quả các toxin mới từ loài rắn cạp

nong B. fasciatus của Việt Nam.

Lời cảm ơn: Cảm ơn Dự án Đầu tư xây dựng phòng thí

nghiệm chuyên ngành Hóa dược đã tài trợ kinh phí để thực

hiện bài báo này.


[1] Smith Malcolm A, The fauna of British India, Ceylon and Burma including the whole of the Indo-Chinese Sub-region”, Reptiles and

Amphibian, Vol. III-Serpents, Taylor and Francis, London, 1943, pp.

411-413.

[2] Wei J.F., Yang H.W., Wei X.L., Qiao L.Y., Wang W.Y., He S.H.

“Purification, characterization and biological activities of the L-amino acid oxidase from Bungarus fasciatus snake venom”,

Toxicon, 54, 2009, pp. 262-271.

[3] Rusmili M.R., Yee T.T, Mustafa M.R., Hodgson W.C., Othman I,

“Proteomic characterizetion and comparison of Malaysian Bungarus

candidus and Bungarus fasciatus venom”, J. Proteomics, Vol. 110C, 2014, pp. 129-144.

[4] Wang Y., Zhang Z., Chen L., Guang H., Li Z., Yang H., Li J., You

D., Yu H., Lai R., “Cathelicidin–BF, a snake cathelicidin-derived

antimicrobial peptide, could be an excellent therepeuctic agent for

acne vulgaris”, J.Pone, Vol. 6, 2011, pp. e22120.

[5] Hoàng Ngọc Anh, Phạm Nguyên Đông Yên, Lưu Huỳnh Ngọc Dũng, Pavel Zemsky, Yuri Utkin, “Nghiên cứu thành phần toxin của

nọc rắn cạp nong Việt Nam (Bungarus fasciatus)”, Tạp chí Khoa học

và Công nghệ, 51 (1B), 2013, trang 345-352.

[6] Yu. N. Utkin, E. A. Gantsova, T. V. Andreeva, V. G.Starkov, R. H.

Ziganshin, Hoang Ngoc Anh, Nguyen Thi Thanh Thao, Nguyen Cuu Khoa, and Corresponding Member of the RAS V.I.Tsetlin, “Venoms

of Kraits Bungarus multicinctus and Bungarus fasciatus

Contain Anticoagulant Proteins”, Doklady Biochemistry and Biophysics, Vol. 460, 2015, pp. 53-58.


Documents

Lời nói đầu - tapchikhcn.udn.vntapchikhcn.udn.vn/OrtherFile/2017_12_13_14_51_283so 9(118).2017-q1... · Thiết kế bộ điều khiển trượt cho tuabin gió độc lập