基于光纤倏逝波传感器的微生物燃料电池内pH研究
发布时间:2017-10-20 07:25
本文关键词:基于光纤倏逝波传感器的微生物燃料电池内pH研究
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【摘要】:随着现代工业的高速发展以及新兴技术的迅速膨胀,人们同时也意识到了能源消耗与环境污染带来的重大问题。微生物燃料电池(MFC)作为一种新型清洁能源,在产电的同时还能处理环境中的污水,正是由于MFC的这种特性,使其有可能在污水处理及产电产能中发挥巨大的作用。目前,国内外涌现出大量关于MFC的研究,其中如何提高MFC的产电性能成为了关注的焦点。大量的研究表明,影响微生物产电性能的因素主要有一下几个方面:微生物的种类、电池外形构造、基质种类及浓度、温度和溶液的pH值等。由于微生物在产电周期中发生的是一系列的生化反应,所以溶液的pH值对MFC产电性能的影响尤其重要。因此实时监测MFC中溶液的pH值变化,可以更好的了解电池内微生物在发生生化反应过程中所处的环境,对MFC产电性能的提高具有非常重要的研究意义。光纤化学传感器因其体积小、抗腐蚀、精度高、实时性好等独特优点,在生化反应领域中得到大量应用。光纤化学传感器有以下独特优点:首先,传感器的灵敏度很高,比传统的物理传感器要高;其次,它具有非常短的响应时间;再次,光信号在进行信息转换的时候,具有非常好的抗电磁和抗干扰的能力,而且还有很好的耐腐蚀性以及超高电绝缘性;由于光纤本身的柔韧性很好,体积也很小,重量又非常轻,所以它可以被加工成各种各样的形状。因此,远距离的测量对于光纤化学传感器来说也是很有可能实现的,在一些人类去不了的地方也可以很轻松的完成对某些参数的测量。经过众多学者们的努力研究,光纤化学传感器已经形成了一门独立具有很强特色的专一系统,其中,光纤化学传感器凭借着它们极高的灵敏度和高度的选择性,已经成为了大量科学家们测量各种信息的首选工具。光纤传感技术有机融合了众多学科知识,诸如物理、化学、光学等,它的敏感区可以个性识别单一的被测物质,光纤中传输的光经过敏感区域,受到被测物质对敏感区域的化学作用,从而会引起光纤内传输的光波光学特性发生相应的改变。因此,本文采用一种新型的光纤倏逝波pH值传感器对MFC内溶液pH值进行实时测量。首先深入研究MFC的制作过程和产电原理,在此基础上,结合光纤倏逝波化学传感器的工作原理,设计出能实时测量MFC内溶液pH值变化的新型光纤pH传感器,最后将制作好的光纤pH传感器封装埋入工作中的MFC阳极室,通过搭建测量系统来实时测量MFC内阳极室在整个产电周期中溶液的pH值变化情况。本次课题的主要内容包括以下几点:(1)深入研究MFC的构造及工作原理,制作并运行了 MFC的反应装置,便于后续测量实验的开展。(2)深入研究基于倏逝波的光纤pH传感器的工作原理以及设计方法,选择合适的材料作为pH值敏感指示剂,并且采用溶胶凝胶法将敏感指示剂涂覆于去包层的光纤纤芯表面,制作成较宽量程的光纤pH传感器,同时通过标定实验建立光纤倏逝波吸收光功率与溶液pH值之间的变化关系,完成对制作好的光纤pH传感器的标定。(3)将制作好的光纤pH传感器包埋于MFC的阳极室中,搭建测量系统,实时测量MFC在整个产电周期中电压的变化情况、阳极室溶液pH值的变化情况以及两者之间的关系。(4)分析实验数据,建立MFC的输出电压与溶液pH值的关系曲线,为通过调控MFC阳极室内溶液pH值来提高MFC的产电性能提供有力的实验支持。
【关键词】:MFC pH值 溶胶凝胶 光纤化学传感器 倏逝波
【学位授予单位】:重庆理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM911.45;TP212
【目录】:
- 摘要4-6
- ABSTRACT6-11
- 1 绪论11-15
- 1.1 课题的背景及意义11-13
- 1.2 光纤传感技术在MFC中的应用13-15
- 2 光纤倏逝波传感理论分析15-23
- 2.1 光纤的基本介绍15-16
- 2.2 光波在光纤中的传输16-18
- 2.3 光纤中的倏逝波效应18
- 2.4 光纤倏逝波传感器基本原理18-19
- 2.5 光纤倏逝波传感器的分类19-21
- 2.5.1 基于倏逝场激发的荧光标记型光纤生物传感器20
- 2.5.2 基于光纤倏逝场的表面等离子体共振传感器20-21
- 2.5.3 基于倏逝波吸收的光纤生物传感器21
- 2.6 传感器灵敏度理论分析21-23
- 2.6.1 模式匹配原理22
- 2.6.2 倏逝波的透射深度22-23
- 3 MFC技术原理23-27
- 3.1 MFC技术简要介绍23
- 3.2 MFC的发展历程23-24
- 3.3 MFC的工作原理24-27
- 4 光纤pH传感器的制作及其性能测试27-35
- 4.1 光纤的腐蚀实验27-29
- 4.2 溶胶凝胶法介绍29
- 4.3 光纤pH传感器的制备29-31
- 4.4 光纤pH传感器的性能测试31-35
- 4.4.1 光纤pH传感器的响应范围31-32
- 4.4.2 光纤pH传感器的重复性及可逆性32-33
- 4.4.3 光纤pH传感器的响应时间33
- 4.4.4 光纤pH传感器的精度分析33-34
- 4.4.5 光纤pH传感器性能指标的影响因素34-35
- 5 MFC内pH值实时测量系统的搭建及运行35-47
- 5.1 光纤倏逝波传感系统设计35-37
- 5.1.1 光源35-36
- 5.1.2 传导光纤36
- 5.1.3 光纤腐蚀槽36-37
- 5.1.4 光纤倏逝波传感系统设计原理图37
- 5.2 微生物种类及产电机制介绍37-39
- 5.3 MFC的构建及运行39-41
- 5.3.1 MFC的材料分析39-40
- 5.3.2 MFC的结构分析40
- 5.3.3 MFC的运行40-41
- 5.4 测量系统的搭建及运行41
- 5.5 数据的采集与分析41-47
- 6 结论与建议47-49
- 6.1 主要结论47-48
- 6.2 下一步工作建议48-49
- 致谢49-51
- 参考文献51-55
- 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果55
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前5条
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,本文编号:1066016
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