Đặc trưng nhiệt động học, động học quá trình tổng hợp nano Silic từ trấu

 lên. Điều này được giải thích là do nhiệt độ 
tăng làm tốc độ hòa tan các tạp chất kim loại có trong trấu tăng, dẫn tới quá trình xử lý tạp 
chất kim loại nhanh đạt cân bằng hơn. Tuy nhiên, ở 100oC hơi nước bay hơi mạnh kéo 
theo hơi mạnh HCl. Do đó, chúng tôi chọn nhiệt độ xử lý axit là ở 90oC. 
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của chế độ nung 
- Ảnh hưởng của nhiệt độ nung 
Trấu sau khi xử lí axit được cho vào cốc nung và tiến hành nung trong lò nung ở các 
nhiệt độ nung khác nhau trong thời gian 3 giờ, tốc độ gia nhiệt 5oC/phút. Ảnh hưởng của 
nhiệt độ nung trấu sau khi xử lý axit được trình bày trong bảng 3. 
Bảng 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hàm lượng SiO2. 
Nhiệt độ nung, oC Hàm lượng SiO2, % 
550 94,28 
600 96,76 
650 97,08 
700 97,12 
750 97,15 
Từ số liệu bảng 3, ta thấy khi nhiệt độ nung dưới 600oC, hàm lượng SiO2 trong tro 
thấp, các chất khác vẫn chưa cháy hết hoàn toàn nên tro có màu hơi xám đen. Ở nhiệt độ 
từ 600oC trở lên, các chất khác đã gần như cháy hết, tro đã chuyển sang màu trắng, hàm 
lượng SiO2 cũng tăng lên. Khi nhiệt độ đạt 650
oC, hàm lượng SiO2 trong tro đạt trên 97%. 
Khi tăng nhiệt độ nung lên 700oC, hàm lượng SiO2 tăng lên không đáng kể. Vì vậy, chúng 
tôi chọn nhiệt độ nung trấu là 650oC. 
- Ảnh hưởng của thời gian nung 
Ảnh hưởng của thời gian nung trấu sau khi xử lý axit được trình bày trong bảng 4. Nếu 
thời gian nung ngắn, quá trình nung xảy ra không hoàn toàn, thời gian nung quá lâu lại 
không cần thiết, gây lãng phí năng lượng và thời gian. 
Bảng 4. Ảnh hưởng của thời gian nung đến hàm lượng SiO2. 
Thời gian nung, giờ Hàm lượng SiO2, % 
2,0 96,72 
2,5 97,85 
3,0 98,78 
4,0 98,86 
Nhìn vào số liệu bảng 4, ta thấy khi thời gian nung trấu từ 2,0 đến 3,0 giờ thì hàm 
lượng SiO2 tăng lên và đối với mẫu nung 2,0 giờ và 2,5 giờ, bề mặt trên của tro thu được 
đã có màu trắng, tuy nhiên, các lớp tro bên dưới vẫn còn màu nâu sẫm do cacbon vẫn chưa 
cháy hoàn toàn. Nhưng khi tăng thời gian nung lên 4,0 giờ, hàm lượng SiO2 trong tro trấu 
tăng lên không đáng kể so với mẫu nung 3,0 giờ. Vì vậy, thời gian nung 3 giờ là thích hợp. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CBES2, 04 - 2018 111
- Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt tới quá trình nung trấu 
Trấu sau khi được xử lý axit cho vào cốc nung, sau đó tiến hành nung ở nhiệt độ 650oC 
với các tốc độ gia nhiệt khác nhau (3; 6; 9; 12; 15oC/phút). Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt 
trong quá trình nung trấu được thể hiện qua các ảnh SEM sau đây: 
Hình 2. Ảnh SEM các mẫu tro trấu sau khi nung ở nhiệt độ 650oC với các tốc độ gia nhiệt 
tương ứng 3 (A), 6 (B), 9 (C), 12 (D), 15 (E) (oC/phút). 
Kết quả thu được từ hình 2, cho thấy ở nhiệt độ nung 650oC, tốc độ gia nhiệt 3oC/phút 
cho thấy kích thước của hạt nanosilica nhỏ đều, có cấu trúc xốp hơn các tốc độ gia nhiệt 
khác. Lý do khi tốc độ gia nhiệt lớn, trấu cháy nhanh hơn nên kích thước hạt to hơn. Khi 
tốc độ gia nhiệt nhỏ, trấu cháy hoàn toàn, các chất hữu cơ có trong trấu được loại bỏ một 
cách triệt để nên trấu có màu trắng và kích thước hạt nhỏ hơn. 
Như vậy, điều kiện thích hợp được lựa chọn cho quá trình chế tạo tro trấu từ trấu là 
nồng độ axit xử lý là axit HCl 10%, xử lý axit ở nhiệt độ 90oC, thời gian xử lý 2 giờ, tỉ lệ 
trấu/axit 40g/600ml. Sau đó, trấu được nung ở 650oC trong 3 giờ với tốc độ gia nhiệt là 
3oC/phút. 
3.1.3. Nhiệt động học của quá trình tổng hợp nano silica từ trấu 
Hình 3. Các đường cong DSC của trấu tương 
 ứng với các tốc độ gia nhiệt 3, 6, 9, 12, 15 oC/phút. 
A B C 
D E 
Hóa học & Môi trường 
 N. V. Thắng, N. M. Tường, N. T. Hùng, “Đặc trưng nhiệt động học,  nano silic từ trấu.” 112 
Trấu được xử lý với dung dịch axit HCl 10% ở 90oC. Sau 2 giờ xử lý, trấu được rửa 
nhiều lần bằng nước đến môi trường trung tính. Mẫu trấu sau khi xử lý axit được nung 
trong không khí ở 650oC trong 3 giờ với các tốc độ gia nhiệt khác nhau. Sản phẩm thu 
được là nano silica. Giản đồ phân tích nhiệt DSC của quá trình nung trấu được thể hiện 
trong hình 3. 
Từ giản đồ phân tích nhiệt DSC, ta xác định được các thông số động học cơ bản theo mô 
hình F-W-O và mô hình Kissinger trong quá trình nung trấu, được trình bày trong bảng 5: 
Bảng 5. Các thông số động học theo mô hình FWO và mô hình Kissinger 
trong quá trình nung trấu. 
β 
(K/phút) 
∆H (J) 
Tp (K) 1/Tp10
-3 (K-1) 
F-W-O, 
lgβ 
Kissinger, 
ln (β/Tp
2) 
3 -368,6 586,5 1,71 0,48 -11,65 
6 -341,4 604,6 1,65 0,79 -11,02 
9 -229,5 611,1 1,64 0,95 -10,63 
12 -233,3 620,2 1,61 1,10 -10,38 
15 -201,1 622,7 1,60 1,18 -10,16 
Hình 4. Sự phụ thuộc lg(βi) theo 1/Tpi trong 
quá trình nung trấu theo mô hình FWO. 
Hình 5. Sự phụ thuộc ln(β/Tp
2) theo 1/Tp 
trong quá trình nung trấu 
 theo mô hình Kissinger. 
Theo mô hình FWO, lập sự phụ thuộc lg(β) theo 1/Tp theo hình 4, chúng ta sẽ được một 
đường thẳng. Từ hệ số góc α, theo phương trình (3) cho phép xác định năng lượng hoạt 
hóa E của quá trình nung trấu là, E* = 126,14 (kJ/mol). 
Mặt khác, theo mô hình Kissinger, lập sự phụ thuộc ln(β/Tpi
2) theo 1/Tp theo hình 5, 
chúng ta sẽ được một đường thẳng. Từ đồ thị, dựa vào phương trình (2) xác định năng 
lượng hoạt hóa E* = 122,6 (kJ/mol) và thừa số trước hàm mũ trong phương trình Arenius 
là A = 23,06. 
3.2. Tổng hợp nano silic từ nano silica 
Trộn hỗn hợp SiO2 và Mg (theo tỉ lệ mol tương ứng 1,0 : 2,5), cho vào lò nung tĩnh có 
thổi khí argon, nung hỗn hợp trong 2 giờ ở nhiệt độ 650oC, để nguội hỗn hợp, vẫn tiếp tục 
thổi khí argon. Khi nhiệt độ trong lò nung tương đương nhiệt độ phòng, lấy hỗn hợp sản 
phẩm ra khỏi lò nung và lần lượt rửa bằng dung dịch gồm HCl 5% và HF 3% để loại bỏ 
các tạp chất, sau đó rửa hỗn hợp bằng nước cất về môi trường trung tính, li tâm và gạn lấy 
phần chất rắn. Phần chất rắn thu được sấy chân không và thu được bột nano silic. 
Cấu trúc hạt nano silic được xác định bằng phương pháp SEM và XRD. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CBES2, 04 - 2018 113
L
in
 (
C
p
s
)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
2-Theta - Scale
10 20 30 40 50 60 70
d
=
3
.1
3
3
d
=
2
.0
8
6
4
d
=
1
.9
1
8
0
d
=
1
.6
3
5
8
d
=
1
.3
5
6
3
Hình 6. Ảnh SEM của hạt nano silic. Hình 7. Phổ XRD của hạt nano silic. 
Từ ảnh SEM, ta thấy bề mặt hạt silic phân bố đồng đều, kích thước hạt nano silic từ 
khoảng 30 – 50 nm. Từ kết quả đo XRD trên, ta đã thu được silic tồn tại dưới dạng tinh 
thể, xuất hiện ở 3 peak đặc trưng 28,5o (111); 47,3o (220) và 56,2o (311). 
4. KẾT LUẬN 
Nghiên cứu đã xác định điều kiện thích hợp cho quá trình chế tạo tro trấu từ vỏ trấu: sử 
dụng dung dịch axit HCl 10%, nhiệt độ xử lý 90oC, thời gian xử lý 2 giờ, tỉ lệ trấu /axit 
40g/600ml. Sau đó, trấu được nung ở 650oC trong 3 giờ với tốc độ gia nhiệt là 3oC/phút. 
Theo mô hình F-W-O, năng lượng hoạt hóa của quá trình nung trấu là E* = 126,14 
(kJ/mol). Theo mô hình Kissinger, E* = 122,6 (kJ/mol) và thừa số trước hàm mũ trong 
phương trình Arenius là A = 23,06. Các giá trị này cho thấy quá trình phân tích DSC đã 
đánh giá được đặc trưng nhiệt động của quá trình nhiệt phân vỏ trấu. Mô hình này có thể 
được áp dụng cho quá trình nhiệt phân các loại vật liệu khác. 
Thêm vào đó, nghiên cứu đã tổng hợp hạt nano silic có cấu trúc tinh thể với kích thước 
từ 30 – 50 nm từ quá trình phản ứng với bột Mg. Sản phẩm này cho thấy có tổng hợp bột 
nano Si cho các ứng dụng khác từ vật liệu vỏ trấu rẻ tiền. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Dung Nguyễn, “Việt Nam lọt top 10 quốc gia sản xuất lúa gạo lớn nhất thế giới”, Tạp 
chí Doanh nghiệp Việt Nam (2018).  
[2]. Huỳnh Quyền, Trương Hoài Chính, “Nghiên cứu quy trình thu hồi silica từ tro trấu, 
ứng dụng tổng hợp phụ gia cho xi măng mác cao”, Phần 1, Tạp chí khoa học và công 
nghệ - Đại học Đà Nẵng, Vol. 8 (57) (2012), tr. 8 -14. 
[3]. Nian Liu, Kaifu Huo, Matthew T. McDowell, Jie Zhao & Yi Cui, “Rice husks as a 
sustainable source of nanostructured silicon for high performance Li-ion battery 
anodes”, (2013). www.nature.com/scientificreports 
[4]. Bao, Z. et al, “Chemical reduction of three-dimensional silica micro-assemblies into 
microporous silicon replicas”, Nature 446 (2007), p.p 172–175. 
[5]. Rogers R. N., Smith L. C., “Application of scanning calorimetry to the study of 
chemical kinetics”, Thermochimica Acta, Vol. 1 (1970), pp. 1-9. 
[6]. Kaiserberger E., Opfermann J., “Model-free methods of kinetic analysis and 
simulations”, NETZSCH-Geratebau GmbH, Germany (2003). 
[7]. H. E. Kissinger, Journal of Research of the National Bureau of Standards, Vol. 57, 
No. 4 (1956), pp. 217-22. 
Hóa học & Môi trường 
 N. V. Thắng, N. M. Tường, N. T. Hùng, “Đặc trưng nhiệt động học,  nano silic từ trấu.” 114 
[8]. F. X. Chen, C. R. Zhou and G. P. Li, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 
Vol. 109, No. 3 (2012), pp. 1457-1462. 
ABSTRACT 
CHARACTERISTIC OF THERMODYNAMICS, KINETICS OF THE PROCESS 
SILICON NANOPARTICLE SYNTHESIS FROM RICE HUSK 
 The study was conducted to determine the thermodynamic and kinetic 
parameters of rice husk burning by using DSC at different heating rates (3, 6, 9, 12, 
15oC/min). Kinetic parameters such as activation energy E*, constant A in the 
Arenius equation are determined by Flynn-Wall-Ozawa and Kissinger models. In 
addition, we also determined the conditions for preparing silica nanoparticles from 
rice husk. Silicon nanoparticles obtained from the rice husk process are 
morphologically determined by structural analyzers such as scanning electron 
microscopy (SEM), XRD (XRD) 
Keywords: Theoretical and physical chemistry; Thermodynamics and kinetics; Silicon nanoparticle. 
Nhận bài ngày 23 tháng 02 năm 2018 
Hoàn thiện ngày 19 tháng 03 năm 2018 
Chấp nhận đăng ngày 02 tháng 04 năm 2018 
Địa chỉ: 1Viện Hóa học – Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. 
 *Email: nguyentranhung28@gmail.com.