摩擦纳米发电机的输出能量管理及其在有机染料降解中的研究

发布时间：2020-06-06 06:09

【摘要】：随着工业生产带来的有机染料对水体污染的加剧,废水中有机染料的降解已经成为亟待解决的问题。在众多降解方法中,电化学降解因设备简单、操作容易、无二次污染等优点被认为是降解有机染料的最有效方法之一。然而,传统的电化学降解过程需要消耗大量的化石能源,这在增加能源负担的同时带来了更多的环境污染。近年来,摩擦纳米发电机这一技术被提出,而后得到了迅猛的发展,因其能够有效的将各类机械能转化为电能,被视为新一代的绿色能源技术。与传统的供电方式相比,摩擦纳米发电机具有低成本、可持续、无污染等优点。因此,使用摩擦纳米发电机代替传统的供电技术,来实现有机染料的电化学降解,具有非常广阔的发展前景。然而,传统的摩擦纳米发电机由于具有巨大的内部阻抗,限制了其在有机染料降解方面的效率。因此,为了有效提高摩擦纳米发电机对有机染料的降解效率,亟需开发一种能量管理的方法,以降低摩擦纳米发电机的内部阻抗。引入开关已经被证明是降低摩擦纳米发电机内部阻抗的有效手段和方法之一,基于开关设计的管理电路可以实现摩擦纳米发电机输出能量的有效存储和转化。但是,目前已报道的开关大多为机械开关或电子开关,这两类开关都有着自身的缺陷:机械开关的开启和闭合需要借助外部机械力来触发,因此机械开关必须与摩擦纳米发电机的运动模式相匹配,在此情况下,必须对开关的结构进行精心设计,这增加了摩擦纳米发电机的制作成本和难度;电子开关的触发模式为电路触发,因此在电路设计过程中,必须与摩擦纳米发电机的电学输出进行匹配,并且,电子开关的使用会带来额外的功率损耗。上述两种开关均不是管理摩擦纳米发电机输出能量的最优选择。本论文设计了一种无需外部触发的静电振动开关,并基于该开关设计了以变压器为主的管理电路。通过此管理电路,实现了摩擦纳米发电机输出能量的有效存储和交流到直流的有效转换,并且,摩擦纳米发电机与管理电路的结合有效提高了有机染料的降解效率。本论文的研究内容主要包括以下两个部分:(1)设计了一种静电振动开关式摩擦纳米发电机,并对其输出性能进行了研究。研究表明,静电振动开关的引入大大优化了摩擦纳米发电机的输出性能,并有效解决了传统摩擦纳米发电机的输出能量无法在小电阻下有效输出的问题。例如:负载电阻为0.1M?时,与传统的摩擦纳米发电机相比,静电振动开关式摩擦纳米发电机的输出功率和输出能量分别提高了大约1.4×10~6和1.4×10~3倍。此外,通过探究静电振动开关中弹性振子的振动频率与摩擦纳米发电机运动频率的匹配关系,实现了静电振动开关式摩擦纳米发电机的最优输出。在匹配的条件下,静电振动开关式摩擦纳米发电机在一个周期内的输出能量达到了132.5μJ,这为之后作为能量源进行电化学降解有机染料奠定了良好的基础。(2)基于第一部分中研究的静电振动开关,设计了用于存储摩擦纳米发电机输出能量的储能电路,及用于转化摩擦纳米发电机输出信号的供能电路。研究表明,使用储能电路,实现了摩擦纳米发电机输出能量的有效存储,与摩擦纳米发电机直接充电相比,使用储能电路可以将储存的能量提高约21.1倍。使用供能电路,可以将摩擦纳米发电机输出的不稳定的交流电转化为稳定的直流电。通过研究供能电路中变压器的变压比例对供电能力的影响,大大提高了供电能力。当变压器的变压比例为1/22时,摩擦纳米发电机经过供能电路的管理,为负载电阻提供的直流电压和直流功率分别达到了10.8 V和0.12 mW。并且,运用供能电路管理的摩擦纳米发电机来驱动甲基红染料的电化学降解,其降解效率得到了大幅提升。本论文设计了一种对不同模式的摩擦纳米发电机具有普遍适用性的静电振动开关,为制作低成本、高效率的开关式摩擦纳米发电机提供了新的思路。基于静电振动开关分别设计了储能电路和供能电路,通过以上两种电路管理的方法,实现了摩擦纳米发电机输出能量的有效存储和交、直流转换。经过供能电路的管理,摩擦纳米发电机对甲基红染料的降解效率得到了大幅提高,以上研究为水中有机染料的电化学降解提供了新的方法。
【图文】：

而逐渐累积[47]。因此，摩擦层表面的电荷密度 σc(t)随接触次数的增加而逐渐增加，直到达到饱和状态。而由摩擦电荷建立起来的静电场可以驱动电子流过外部负载，从而导致自由电子在电极层累积，电子在电极中的密度是摩擦层之间距离 z(t)的函数，用 σⅠ(z, t)表示。通过以上过程，，TENG 将机械能转化为了电能。(Ⅰ ) (Ⅱ ) (Ⅲ )

则 C、VOC、QSC之间存在如下关系[26]：( ) ( ) ( )SC OCQ x = C x V x-10)可知，TENG 所产生的电压包括摩擦因此，可以通过一个电容和一个理想电压元件用来表示 TENG 的内部电容，理想 的等效电路模型如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1;X703;TM31

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 刘元臣;闫侃;薛珊;;印染废水处理综述[J];染整技术;2014年07期

2 朱宏飞;李定龙;朱传为;;印染废水的危害及源头治理举措[J];环境科学与管理;2007年11期

本文编号：2699272