紫外光催化氧化水质检测消解预处理芯片系统研究

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本论文针对水环境监测中总磷等重要指标的快速、在线监测的需求,研究一种基于紫外光催化氧化方法的水质检测消解预处理芯片系统。该芯片系统采用二氧化钛材料作为光催化载体,采用微加工技术制备了微流控芯片单元和紫外LED阵列芯片单元。主要研究内容如下:  分别采用纳米颗粒旋涂法、电喷-溶胶凝胶法和磁控溅射法制备紫外光催化剂二氧化钛薄膜,对薄膜进行了XPS、XRD、SEM、AFM表征,对薄膜的催化活性进行了测定。实验结果表明,纳米颗粒旋涂法制备的TiO2薄膜具有最高的催化活性;电喷-溶胶凝胶法在硅片表面制备出了多孔二氧化钛纳米球,此种方法具有操作简单、成本低、沉积速率快等优点,适用于大面积薄膜制备;磁控溅射法制备的薄膜表面较为致密,颗粒较小,且此方法与MEMS工艺相兼容。  将紫外光催化氧化方法应用于总磷的消解,并对消解过程进行了动力学分析。采用添加过氧化氢和加热两种方法来提高紫外光催化氧化消解过程的消解效率,研究了H2O2浓度和温度对消解过程的影响。实验结果表明,加入适量的H2O2和采用加热的方法都可以提高紫外催化氧化的效率,比较而言,热对紫外催化氧化过程的增强作用更为显著。采用热辅助紫外光催化氧化方法消解实际水样,与国标法相比,取得了较好的相关性。  设计并采用微加工技术制备了紫外光催化氧化水质检测消解预处理芯片系统。该芯片基于紫外光催化氧化方法,采用MEMS技术加工形成具有微型通道和微型消解池的微流控芯片,并把具有高密度紫外LED阵列的芯片集成于该微流控芯片,实现高能量密度紫外光对微量水样的消解。对制备完成的紫外消解芯片进行了功能测定,并将其应用于总磷的消解。实验结果表明,消解芯片可以在常压下实现微量水样的消解,无需氧化试剂。芯片具有较低的功耗,小于2W。紫外消解芯片的成功研制对于实现微小型化水质总磷参数的在线检测系统有着重要的意义。
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