【摘要】：隨著工業(yè)生產(chǎn)帶來的有機染料對水體污染的加劇,廢水中有機染料的降解已經(jīng)成為亟待解決的問題。在眾多降解方法中,電化學(xué)降解因設(shè)備簡單、操作容易、無二次污染等優(yōu)點被認(rèn)為是降解有機染料的最有效方法之一。然而,傳統(tǒng)的電化學(xué)降解過程需要消耗大量的化石能源,這在增加能源負(fù)擔(dān)的同時帶來了更多的環(huán)境污染。近年來,摩擦納米發(fā)電機這一技術(shù)被提出,而后得到了迅猛的發(fā)展,因其能夠有效的將各類機械能轉(zhuǎn)化為電能,被視為新一代的綠色能源技術(shù)。與傳統(tǒng)的供電方式相比,摩擦納米發(fā)電機具有低成本、可持續(xù)、無污染等優(yōu)點。因此,使用摩擦納米發(fā)電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的供電技術(shù),來實現(xiàn)有機染料的電化學(xué)降解,具有非常廣闊的發(fā)展前景。然而,傳統(tǒng)的摩擦納米發(fā)電機由于具有巨大的內(nèi)部阻抗,限制了其在有機染料降解方面的效率。因此,為了有效提高摩擦納米發(fā)電機對有機染料的降解效率,亟需開發(fā)一種能量管理的方法,以降低摩擦納米發(fā)電機的內(nèi)部阻抗。引入開關(guān)已經(jīng)被證明是降低摩擦納米發(fā)電機內(nèi)部阻抗的有效手段和方法之一,基于開關(guān)設(shè)計的管理電路可以實現(xiàn)摩擦納米發(fā)電機輸出能量的有效存儲和轉(zhuǎn)化。但是,目前已報道的開關(guān)大多為機械開關(guān)或電子開關(guān),這兩類開關(guān)都有著自身的缺陷:機械開關(guān)的開啟和閉合需要借助外部機械力來觸發(fā),因此機械開關(guān)必須與摩擦納米發(fā)電機的運動模式相匹配,在此情況下,必須對開關(guān)的結(jié)構(gòu)進行精心設(shè)計,這增加了摩擦納米發(fā)電機的制作成本和難度;電子開關(guān)的觸發(fā)模式為電路觸發(fā),因此在電路設(shè)計過程中,必須與摩擦納米發(fā)電機的電學(xué)輸出進行匹配,并且,電子開關(guān)的使用會帶來額外的功率損耗。上述兩種開關(guān)均不是管理摩擦納米發(fā)電機輸出能量的最優(yōu)選擇。本論文設(shè)計了一種無需外部觸發(fā)的靜電振動開關(guān),并基于該開關(guān)設(shè)計了以變壓器為主的管理電路。通過此管理電路,實現(xiàn)了摩擦納米發(fā)電機輸出能量的有效存儲和交流到直流的有效轉(zhuǎn)換,并且,摩擦納米發(fā)電機與管理電路的結(jié)合有效提高了有機染料的降解效率。本論文的研究內(nèi)容主要包括以下兩個部分:(1)設(shè)計了一種靜電振動開關(guān)式摩擦納米發(fā)電機,并對其輸出性能進行了研究。研究表明,靜電振動開關(guān)的引入大大優(yōu)化了摩擦納米發(fā)電機的輸出性能,并有效解決了傳統(tǒng)摩擦納米發(fā)電機的輸出能量無法在小電阻下有效輸出的問題。例如:負(fù)載電阻為0.1M?時,與傳統(tǒng)的摩擦納米發(fā)電機相比,靜電振動開關(guān)式摩擦納米發(fā)電機的輸出功率和輸出能量分別提高了大約1.4×10~6和1.4×10~3倍。此外,通過探究靜電振動開關(guān)中彈性振子的振動頻率與摩擦納米發(fā)電機運動頻率的匹配關(guān)系,實現(xiàn)了靜電振動開關(guān)式摩擦納米發(fā)電機的最優(yōu)輸出。在匹配的條件下,靜電振動開關(guān)式摩擦納米發(fā)電機在一個周期內(nèi)的輸出能量達到了132.5μJ,這為之后作為能量源進行電化學(xué)降解有機染料奠定了良好的基礎(chǔ)。(2)基于第一部分中研究的靜電振動開關(guān),設(shè)計了用于存儲摩擦納米發(fā)電機輸出能量的儲能電路,及用于轉(zhuǎn)化摩擦納米發(fā)電機輸出信號的供能電路。研究表明,使用儲能電路,實現(xiàn)了摩擦納米發(fā)電機輸出能量的有效存儲,與摩擦納米發(fā)電機直接充電相比,使用儲能電路可以將儲存的能量提高約21.1倍。使用供能電路,可以將摩擦納米發(fā)電機輸出的不穩(wěn)定的交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電。通過研究供能電路中變壓器的變壓比例對供電能力的影響,大大提高了供電能力。當(dāng)變壓器的變壓比例為1/22時,摩擦納米發(fā)電機經(jīng)過供能電路的管理,為負(fù)載電阻提供的直流電壓和直流功率分別達到了10.8 V和0.12 mW。并且,運用供能電路管理的摩擦納米發(fā)電機來驅(qū)動甲基紅染料的電化學(xué)降解,其降解效率得到了大幅提升。本論文設(shè)計了一種對不同模式的摩擦納米發(fā)電機具有普遍適用性的靜電振動開關(guān),為制作低成本、高效率的開關(guān)式摩擦納米發(fā)電機提供了新的思路。基于靜電振動開關(guān)分別設(shè)計了儲能電路和供能電路,通過以上兩種電路管理的方法,實現(xiàn)了摩擦納米發(fā)電機輸出能量的有效存儲和交、直流轉(zhuǎn)換。經(jīng)過供能電路的管理,摩擦納米發(fā)電機對甲基紅染料的降解效率得到了大幅提高,以上研究為水中有機染料的電化學(xué)降解提供了新的方法。
【圖文】：

而逐漸累積[47]。因此，摩擦層表面的電荷密度 σc(t)隨接觸次數(shù)的增加而逐漸增加，直到達到飽和狀態(tài)。而由摩擦電荷建立起來的靜電場可以驅(qū)動電子流過外部負(fù)載，從而導(dǎo)致自由電子在電極層累積，電子在電極中的密度是摩擦層之間距離 z(t)的函數(shù)，用 σⅠ(z, t)表示。通過以上過程，，TENG 將機械能轉(zhuǎn)化為了電能。(Ⅰ ) (Ⅱ ) (Ⅲ )

則 C、VOC、QSC之間存在如下關(guān)系[26]：( ) ( ) ( )SC OCQ x = C x V x-10)可知，TENG 所產(chǎn)生的電壓包括摩擦因此，可以通過一個電容和一個理想電壓元件用來表示 TENG 的內(nèi)部電容，理想 的等效電路模型如圖 1-2 所示。
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.1;X703;TM31

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 劉元臣;閆侃;薛珊;;印染廢水處理綜述[J];染整技術(shù);2014年07期

2 朱宏飛;李定龍;朱傳為;;印染廢水的危害及源頭治理舉措[J];環(huán)境科學(xué)與管理;2007年11期

本文編號：2699272