本文關(guān)鍵詞：用于光催化水處理的平板微流控系統(tǒng)研究　出處：《中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 微流控 光催化 仿生 COMSOL Multiphysics 微納加工 TiO_2 Equation Chapter(Next)Section 1

【摘要】：近年來,以光學(xué)和流體力學(xué)為基礎(chǔ)的微流控技術(shù)得到了迅速發(fā)展,在生物醫(yī)學(xué)、醫(yī)療保健、環(huán)境保護(hù)等方面都有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著工業(yè)生產(chǎn)日益發(fā)達(dá),水污染的問題日益嚴(yán)峻,生產(chǎn)和生活對(duì)純水的需求量越來越大,微流控技術(shù)在水處理應(yīng)用領(lǐng)域也隨之發(fā)展。如何凈化水資源,以及怎樣提高污水的凈化效率是當(dāng)務(wù)之急。光催化反應(yīng)能最大限度的利用自然界中的太陽光能,在節(jié)約能源、提高效率方面比起其他化學(xué)反應(yīng)有更大的優(yōu)勢(shì)。在利用光催化技術(shù)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行凈化處理的反應(yīng)體系中,基于微流控技術(shù)的微反應(yīng)器和基于半導(dǎo)體材料的光催化劑對(duì)反應(yīng)效率起到了舉足輕重的作用。本文從優(yōu)化微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和改良半導(dǎo)體光催化劑入手,希望從這兩方面同時(shí)提高光催化水處理的效率。在微通道反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方面,本課題從自然界中得到靈感,結(jié)合仿生設(shè)計(jì),利用Murray’s law及其推廣公式設(shè)計(jì)了一種平板多級(jí)樹形微通道。這種通道可以使通道切面剪應(yīng)力一致,且能量損失最小。在設(shè)計(jì)出仿生微通道結(jié)構(gòu)后,通過有限元分析軟件COMSOL Multiphysics模擬了流體在微通道中的流動(dòng)性質(zhì),并比較了流體在仿生和非仿生微通道中的流動(dòng)情況,從流速和壓降的變化情況可知,仿生微流控系統(tǒng)均優(yōu)于非仿生微流控系統(tǒng),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。同時(shí),在仿生微流系統(tǒng)和非仿生微流控系統(tǒng)的反應(yīng)區(qū)域建立了一個(gè)理想的光催化反應(yīng)模型,證實(shí)了仿生設(shè)計(jì)可以提高微流控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和光催化效率。此外,我們研究了微通道中的毛細(xì)力現(xiàn)象,并通過仿真分析了毛細(xì)力的一些規(guī)律,再用實(shí)驗(yàn)來證實(shí),仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的很好。在工藝選擇方面,利用微納工中的軟光刻技術(shù),用PDMS制作平板仿生微通道反應(yīng)器,并與非仿生反應(yīng)器的光催化效率進(jìn)行比較,實(shí)驗(yàn)得出仿生反應(yīng)器的催化效率高于非仿生微通道反應(yīng)器,最高時(shí)效率能提高68%,與模擬趨勢(shì)一致,結(jié)果相符。在光催化劑的研究方面,本文利用水熱法制備出了大比表面積的TiO2微球,增大了光催化劑與反應(yīng)物的接觸面積。另一方面,我們利用某些重金屬離子在納米級(jí)別或亞微米級(jí)別會(huì)表現(xiàn)出表面等離子共振的特性,用化學(xué)合成方法將納米級(jí)別的Au顆粒負(fù)載在Ti O2微球表面。負(fù)載在半導(dǎo)體表面的Au表現(xiàn)出非常活潑的性質(zhì),具有很強(qiáng)的得電子能力,并能幫助TiO2吸收更寬譜段的光能,使光催化劑對(duì)太陽光的吸收譜段從~400nm提高到~900nm,使TiO2在可見光波段的吸收率和量子效率大大提高。同時(shí)也通過實(shí)驗(yàn)證明,負(fù)載Au顆粒的Ti O2微球在微通道降解的過程中效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未負(fù)載Au顆粒的TiO2微球,在每一個(gè)時(shí)間段效率都可提高3倍以上。
[Abstract]:In recent years, microfluidic technology based on optics and hydrodynamics has been developed rapidly, and has been widely used in biomedicine, medical care, environmental protection and so on. The problem of water pollution is becoming more and more serious, the demand for pure water is increasing in production and daily life, and the microfluidic technology has been developed in the field of water treatment. How to purify water resources. And how to improve the efficiency of sewage purification is an urgent matter. Photocatalytic reaction can maximize the use of solar energy in nature, in energy conservation. Higher efficiency than other chemical reactions in the use of photocatalytic technology to purify the water in the reaction system. Microreactors based on microfluidic technology and photocatalysts based on semiconductor materials play an important role in the reaction efficiency. This paper starts with optimizing the structure of microreactors and improving semiconductor photocatalysts. It is hoped that the efficiency of photocatalytic water treatment can be improved from these two aspects. In the design of microchannel reactor, this subject is inspired by nature and combined with bionic design. Using Murray's law and its extended formula, a multilevel tree-shaped microchannel is designed, which can make the shear stress of the channel plane consistent. After designing the bionic microchannel structure, the fluid flow in the microchannel was simulated by the finite element analysis software COMSOL Multiphysics. The fluid flow in bionic and non-bionic microchannels is compared. From the variation of velocity and pressure drop, the bionic microfluidic system is superior to the non-bionic microfluidic system, which verifies the correctness of the design. An ideal photocatalytic reaction model is established in the reaction region of bionic microfluidic system and non-bionic microfluidic system. It is proved that bionic design can improve the stability and photocatalytic efficiency of the microfluidic system. We studied the capillary force phenomenon in the microchannel, and analyzed some laws of capillary force by simulation, and proved by experiment that the combination of simulation and experiment is very good. The plate bionic microchannel reactor was fabricated by using the soft lithography technology of micronanotechnology and PDMS, and the photocatalytic efficiency of the bionic reactor was compared with that of the non-bionic reactor. The results show that the catalytic efficiency of bionic reactor is higher than that of non-bionic microchannel reactor, and the maximum efficiency can be increased by 68%, which is consistent with the simulation trend. In this paper, TiO2 microspheres with large specific surface area were prepared by hydrothermal method, which increased the contact area between photocatalyst and reactant. We use some heavy metal ions to exhibit surface plasmon resonance at nanometer or submicron level. Au nanoparticles were loaded on the surface of TIO 2 microspheres by chemical synthesis. Au loaded on semiconductor surface showed very active properties and had strong electronic ability. It can also help TiO2 absorb the light energy in a wider spectrum and increase the absorption spectrum of photocatalyst from 400nm to 900nm. The absorptivity and quantum efficiency of TiO2 in visible wavelength are greatly improved. The efficiency of TiO2 microspheres loaded with au particles was much higher than that of TiO2 microspheres without au particles in the process of microchannel degradation, and the efficiency could be increased by more than three times in every time period.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：X703;O643.36

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本文編號(hào)：1406743