长周期光纤光栅铁离子浓度传感器的制备及其在MFC中的应用研究

摘要

微生物燃料电池(MFC)是微生物将有机物中的化学能转换为电能的装置，也是解决环境污染、开发新型清洁能源的新技术。它在产电的同时还能用于废水处理、去除硫化氢、产氢和地下水修复等。与传统的废水处理工艺相比，MFC产泥量少、无甲烷产生，但产电功率密度低，影响MFC的发展，通常还比氢氧燃料电池少3-4个数量等级。为提高 MFC的产电功率和废水处理及降低成本，本文系统地研究分析了MFC内参与生化反应过程的电极临近区域Fe3+的实时监测技术。　　光纤传感技术是以光纤光栅作为传感单元的新型传感器，本文采用静电层层自组装技术对 LPFG的传感部位自组装高分子聚合物[PDDA/PAA]20敏感膜代替光纤包层，并在敏感膜中加入铁离子指示剂磺基水杨酸，通过分析敏感膜的厚度，指示剂的含量对传输光谱及传输光强的影响。响应测试了 MFC阳极室内的 Fe3+浓度，实验发现：　　(1)用光谱仪测试修饰了敏感膜的光纤传感器的传输光谱，发现光谱传输能力增强，且传感器吸收峰的最大吸光度与光纤表面的镀膜层数呈线性减弱关系，证实了镀膜过程分子是逐层交替沉积的。　　(2)用电镜扫描仪器对镀了[PDDA/PAA]20膜后的光纤表面进行微观观察，发现其外观形貌完整、表面均匀。可以用来作为Fe3+指示剂的载体。　　(3)添加了0.5％的磺基水杨酸指示剂后对不同浓度的铁离子溶液的光强变化基本呈线性关系。即该自组装敏感膜对液相状态下的铁离子具有较好的光学响应能力，能够作为实时监测MFC阳极界面基质不同组分的化合物含量变化的传感器。　　(4)用EDTA测试了光纤传感器的可重复使用性，发现加入脱附铁离子的EDTA后红移了2.54nm的光谱会再蓝移2.5nm回到原来的中心波长，说明光纤传感器与液相状态下的Fe3+反应形成了稳定的水溶性络合物，因此，此传LPFG-FBG感器能够重复多次使用。　　模拟 MFC产电过程发生的生物化学反应使反应室内的温度和离子浓度发生改变，影响产电功率的同时也影响传感器检测的准确性。因此为了消除在测量过程中的温度交叉敏感，本文对消除温度的交叉敏感做了分析，将级联式的LPFG-FBG光纤光栅传感器用于同时测量温度和传感器外部环境介质的折射率。分别对 FBG和LPFG的温度传感特性与外部环境折射率作了理论分析，并针对FBG对环境折射率不敏感的特点，将FBG与LPFG级联，组成对温度具有补偿功能的新型高敏感传感器。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 光纤传感器技术及LPFG在传感领域的应用

1.3 光纤光栅的分类

1.4 微生物燃料电池及长周期光纤光栅的发展现状

2 静电层层自组装膜的制备

2.1 实验试剂及设备

2.2 实验原理

2.3 实验方法

3 制备Fe3+敏感膜的技术路线与研究方法

3.1 实验技术路线

3.2 静电层层自组装成膜

3.3 实验结果与分析

4 LPFG-FBG组合式光纤光栅传感特性

4.1 FBG和LPFG对温度传感特性的对比

4.2 光纤布拉格光栅的传感特性

4.3 长周期光纤光栅的传感特性

4.4 级联型光纤光栅技术与传感特性

5 级联型光纤光栅在微生物燃料电池中的应用

5.1 实验检测装置

5.2 检测结果

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 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