سنتز و بررسی عملکرد نانولوله های کربنی ایجاد کننده احتراق

نانولوله ها به علت دارا بودن ساختار ویژه و خواص منحصر به فرد همچنین مقاومت و استحکام کششی بالا، هدایت بالا و ...کاربردهای متعددی پیدا کرده اند. تحقیقات گسترده ای در زمینه سنتز نانولوله های کربنی انجام شده و یکی از مهمترین اهداف، یافتن روشی برای تولید آن ها بوده که علاوه بر ایجاد محصولی با کیفیت بالا، قابلیت تولید در مقیاس انبوه را داشته و از لحاظ اقتصادی به صرفه باشد. در این پایان نامه از روش شناورسازی بخار کاتالیست که از روش های رسوب دهی بخارشیمیایی است و قابلیت تولید انبوه را دارد، استفاده شد. زایلن به عنوان خوراک کربنی، فروسن به عنوان کاتالیست و هیدروژن گاز حامل و ایجاد کننده محیطی کاهنده انتخاب گردید. به منظور هدفمند کردن آزمایشات و بهینه سازی شرایط عملیاتی از نرم افزار آماری طراحی آزمایش7design expert و روش رویه پاسخ مرکب مرکزی استفاده شد. با توجه به ثابت بودن قطر لوله راکتور مورد استفاده در طول آزمایشات، غلظت کاتالیست در محدوده 6- 1 درصد جرمی ، دما c? 1200-800 و جریان گاز حامل cc/min280-160انتخاب شدند. طراحی آزمایش در پنج سطح و با توجه به محدوده های تعریف شده برای هر یک از پارامترها صورت گرفت. نتایج بدست آمده از آنالیز رامان نمونه های سنتز شده، نشان دادند که تاثیر افزایش دما، غلظت و دبی هیدروژن بر کیفیت نانولوله های سنتز شده بصورت افزایشی-کاهشی بوده و بنابراین شرایط عملیات بهینه در ناحیه ای مابین محدوده های تعریف شده است. مدل ریاضی کیفیت نانولوله های کربنی به صورت رابطه درجه دومی از 3 فاکتور اشاره شده، بدست آمد. نتایج حاصل از مقایسه مدل و داده های تجربی حاکی از آن است که مدل با دقت خوبی رفتار سیستم را پیش بینی می کند و تنها ترم های برهمکنش بین پارامترها اثر مهمی بر کیفیت نانولوله های ستز شده ندارند. با استفاده از مدل تعریف شده و نرم افزار آماری نقطه بهینه بصورت غلظت کاتالیست wt%79/3، دما c?976 و جریان هیدروژن cc/min 184 بدست آمد که با مشاهدات تجربی تطابق کامل را داشت. به منظور کاستن احتمال توده ای شدن هسته های رشد، در مرحله سنتز نانولوله در شرایط بهینه ای که مدل تعیین کرد از تیوفن استفاده شد که به سبب ایجاد ممانعت فضایی مابین هسته های رشد احتمال چسبیدن آن ها تا حد زیادی کاهش یافت. اما از آنجا که استفاده از غلظت های بالای گوگرد باعث مسمومیت کاتالیست می گردد، در شرایط بهینه دما،غلظت و جریان، چندین آزمایش با غلظت های متفاوت از تیوفن انجام شده و از طریق آنالیز جرمی حرارتی درصد جرمی 5/2به عنوان غلظت مناسب تیوفن گزارش شد. در بخش دوم این پایان نامه به بررسی میزان حساسیت نانولوله های تک دیواره خالص سازی نشده در برابر نور متمرکز پرداخته شد. در این قسمت نیز برای بررسی دقیق تر رفتار نانولوله ها، از نرم افزار 7design expert و روش رویه پاسخ مرکب مرکزی استفاده شد. پارامترهای مستقل این آزمایش درصد ناخالصی آهن موجود در نانولوله کربنی در محدوده wt%50-10 و فرکانس نور ساطع شده hz 5-1 انتخاب و آزمایشات در سه سطح طراحی شدند. با توجه به نتایج بدست آمده مشاهده شد که نانولوله ها در حالتی که مقدار ناخالصی آهن بیشتری داشته و همچنین در معرض نور با فرکانس پایین تری قرار می گیرد به میزان بیشتر از خود واکنش نشان داده و اکسید یا محترق می شوند. مدل ریاضی غلظت دی اکسید کربن تولید شده در اثر احتراق نانولوله ها به صورت رابطه درجه دومی حاصل شد. نتایج حاصل از مقایسه مدل و داده های تجربی حاکی از آن است که مدل با دقت خوبی رفتار سیستم را پیش بینی می کند و بهترین شرایط احتراق را برای نانولوله ها با درصد ناخالصی 50 و در برابر فرکانس نزدیک به 2 بدست آورد که منطبق بر داده تجربی حاصل از آزمایش بود.