微生物燃料电池内Cu2+浓度在线测量的LPFG传感器研究

摘要

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）是一种新型的废水处理及产能装置，不仅能够实现污水处理，同时也可以产生能源，不会对环境造成危害。但是微生物燃料电池在实际运行过程中，它的产电功率会受多种因素影响。目前学者从电池电极材料、阴阳极溶液、电池温度及启动条件等方面进行研究，发现微生物燃料电池的产电功率会受温度、阴极室铜离子含量等因素的影响。　　如何对微生物燃料电池内的铜离子浓度进行有效测量，对于提高微生物的产电功率具有重要意义。由于常规测量方法会破坏微生物燃料电池的运行环境，对微生物活性有一定的破坏性，本文采用长周期光纤光栅和布拉格光纤光栅来实现对微生物燃料电池内的温度和铜离子浓度进行有效测量。本文从以下几个方面展开了研究：　　（1）对组合式光栅的传感原理进行分析，研究了LPFG中心波长与铜离子浓度大小之间的关系；设计一种FBG与LPFG并联形式的组合光栅铜离子传感器，并对组合光栅的传感原理进行分析，探究LPFG中心波长与铜离子浓度之间的关系；设计并启动了MFC，将组合光栅安装在MFC中，对MFC阴极室的铜离子浓度进行检测，并对MFC的输出电压进行监测。　　（2）采用共价键结合法在光纤表面固定铜离子敏感膜。本文对光纤表面羟基化、硅烷化及CMC固定等步骤进行了对比实验，运用红外光谱仪对实验结果进行分析，验证光纤表面物质的成分，以此证明光纤表面敏感膜固定的效果；并且也运用扫描电镜与体视显微镜对光纤表面敏感膜的形貌进行观察，得到优化以后的光纤表面的铜离子敏感膜的固定方法。　　（3）设计了组合式光栅铜离子传感器，将FBG与LPFG进行级联，并且设计成两个光栅并联的形式，使得两个光栅能够测量的区域更加相同。实验结果表明，本文设计的组合光栅在仅有温度变化时，FBG和LPFG的中心波长都向长波长方向偏移，它们的中心波长偏移量与温度之间呈一定的线性关系， FBG的温度灵敏度为0.0085nm/℃，LPFG的温度灵敏度为0.0747nm/℃；当仅有浓度变化时，LPFG的折射率灵敏度为-32.42nm/RIU，中心波长向短波长方向偏移，FBG的中心波长没有发生偏移。　　（4）将设计完成的组合光栅铜离子传感器置于硫酸铜溶液中进行测量，对不同浓度的硫酸铜溶液进行测量。基于LPFG的铜离子传感器可以通过监测中心波长偏移情况来测量铜离子浓度大小，测量曲线的拟合的拟合系数R2=0.94335；将制作完成的组合光栅应用于MFC中，对阴极室内的铜离子浓度进行有效测量，探究了铜离子浓度与MFC输出电压之间的关系。　　（5）进行了塑料光纤的铜离子浓度的测量实验，对塑料光纤传感器的测量原理、塑料光纤中的光路传输进行了研究，分析得出最佳的镀膜条件及测量方法来制作测量效果最佳的铜离子传感器，通过监测输出光强变化情况来测量铜离子浓度大小。实验结果表明，测量曲线的拟合相关系数R2=0.94939，传感器的测量结果具有较高的准确性，实现了铜离子浓度的测量。　　本文设计了基于组合光栅的铜离子传感器和基于塑料光纤的铜离子传感器，两种方案都取得了一定的实验效果。基于组合光栅的传感器有利于微型化的实现，在MFC中的应用较为便于实现；基于塑料光纤的铜离子传感器更利于实现低廉化，在MFC中应用具有一定的局限性，但是相比于组合光栅铜离子传感器更加便捷、低廉。本文的实验结果对于铜离子光纤倏逝波传感器的工程设计具有一定的指导意义。

目录

声明

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外相关研究现状

1.3 研究的目的、内容、方法及创新点

2 传感器检测原理

2.1 光纤传感理论分析

2.2 光吸收理论分析

2.3 吸附动力学理论分析

2.4 LPFG中心波长与溶液浓度关系

3 光纤表面铜离子敏感膜制备研究

3.1 实验仪器与试剂

3.2 分析方法与制备结果

3.3 本章小结

4 基于LPFG对铜离子浓度检测研究

4.1 实验平台搭建

4.2 分析方法与实验结果

4.3 本章小结

5 基于塑料光纤对铜离子浓度检测研究

5.1 实验平台搭建

5.2 分析方法与实验结果

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 研究结论

6.2 研究展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果