中国科学院海洋研究所机构知识库

      海洋中拥有丰富的海洋资源，可以被人类利用。开发海洋资源是社会发展的必然选择。海洋油气开发、海底采矿、海洋能开发等产业迅猛发展，这些海洋工业都需要海上基础金属设施的建设。然而海洋对于金属来说是一个十分苛刻的腐蚀环境，金属材料的腐蚀是无法避免的。海洋微生物腐蚀现象不仅造成了巨大的经济损失，还会因金属结构坍塌而对操作人员的人身安全产生了威胁。因此应对海洋环境下的各种金属设施施加防腐措施，不仅保证了海洋工程的正常工作，减少了一些事故的发生，同时还可以促进海洋资源的合理开发。虽然我们采取了各种保护措施，但是因为这些技术手段存在一定的弊端而仍旧存在很多因微生物腐蚀破坏而导致的安全事故。微生物腐蚀的控制在很大程度上是可以通过控制生物膜、抑制细菌生长与繁殖来实现。因此开发和工业化应用新型海洋腐蚀微生物杀灭技术是海洋战略计划中必不可少的一步。

      摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator，TENG）是一种新型的能源采集装置。便携性、脉冲高压等特点使得 TENG 在自驱动杀菌方向上极具潜力。杀菌装置收集风能或波浪能转化为电能从而达到抑制腐蚀微生物繁殖的目的。摩擦纳米发电机与杀菌技术的融合以及提高其杀菌性能是本论文的着重点。本论文通过研究具有高电压输出特点的软接触独立层式摩擦纳米发电机，注重结构设计，进一步提高了摩擦纳米发电机的输出电压，得到了特制独立层式摩擦纳米发电机（Modified freestanding rotary triboelectric nanogenerator，MFR-TENG）。MFRTENG 同尖端击穿放电、紫外杀菌技术结合，实现了自驱动高效的新型灭菌技术。主要的研究结果如下：

（1）针对软接触独立层模式的摩擦纳米发电机进行设计与优化。为形成软接触摩擦纳米发电机的系统化设计指导，并提高其输出性能，首先对其进行了详细而深入的研究，主要包括以下三个部分：①设计合理的能够产生高电压输出的几何结构，最终达到适接触状态。②选择具有较优摩擦性能和力学性能的摩擦介电层，PET 和 FEP 摩擦介质的搭配可以获得相对最优的输出性能。③考虑到应用环境，探究影响因素，测试距离、厚度、转速等因素对 MFR-TENG 的影响。MFR-TENG 的开路电压最高达到了 1000 V，其相对应的开路电压密度提高到了 1.27×105 V m-2，与之前文献相比，提高了 2 倍以上。 （2）基于MFR-TENG 的脉冲高压输出特性以及尖端击穿放电现象，设计了一种自驱动尖端击穿放电杀菌装置。MFR-TENG 输出电极之间的击穿放电现象可以使其输出电压进一步提高了约 3 倍，达到了 6.9 kV。在不存在电离化空气分子的对流与替换，以及单次击穿放电刺激仅作用于水滴的情况下，自驱动尖端击穿放电杀菌装置才能产生明显的杀菌效果。循环杀菌次数为 20 次时，杀菌装置对 H. titanicae 的杀菌效率达到了 99.8%，对 P. aeruginosa 的杀菌效率达到了96.1%。自驱动尖端击穿放电杀菌装置对天然海水也表现出了显著的灭菌性能。自驱动尖端击穿放电杀菌装置主要利用高压电弧放电产生电穿孔现象，以及活性氯与超氧物质的强氧化性作用破坏腐蚀微生物，强化杀菌效果。

（3）结合 MFR-TENG 的高压特性以及短波紫外杀菌（UVC）技术，设计并制作了一种由击穿放电现象激发的自驱动 UVC 管道杀菌装置。击穿放电时，随着 MFR-TENG 输出电压的增加，激发态的 Hg 原子数量逐渐增加，UVC 灯的发光亮度增强，对于典型的腐蚀性细菌（H. titanicae、P. aeruginosa）以及天然海水 产生良好的杀灭效果，抑制了微生物附着现象。击穿放电时，在高电压的影响下 装置对 H. titanicae 的杀菌效率明显高于常规的无击穿放电的情况。杀菌处理10 min 后，击穿放电的情况下，装置对 H. titanicae 的杀菌效率达到了 75%，而常规情况下杀菌效率仅为 44%。玻璃和 Q235 碳钢的抗生物附着实验表明，自驱动 UVC管道杀菌装置能够通过降低细菌数量显著抑制微生物膜的形成，验证了其 商业应用的高可行性。

第1章  绪论... 1

1.1  研究背景与意义... 1

1.2  海洋微生物腐蚀... 1

1.2.1  海洋微生物腐蚀概述... 1

1.2.2  海洋微生物腐蚀机制... 2

1.2.3  海洋微生物腐蚀防护方法... 2

1.2.4  腐蚀微生物的杀灭技术... 3

1.3  摩擦纳米发电机... 8

1.3.1  摩擦纳米发电机概述... 8

1.3.2  摩擦纳米发电机的应用... 10

1.3.3  高电压摩擦纳米发电机的结构设计... 13

1.3.4  基于摩擦纳米发电机的自驱动抑菌技术... 15

1.4  选题依据与研究思路... 17

1.4.1  选题依据... 17

1.4.2  研究思路... 19

第2章  软接触独立层模式的摩擦纳米发电机的设计与优化... 21

2.1  前言... 21

2.2  实验方法与过程... 22

2.2.1  实验方法... 22

2.2.2  设计流程与实验过程... 23

2.2.3  实验数据采集与表征... 27

2.3  结果与讨论... 27

2.3.1  MFR-TENG的工作原理... 27

2.3.2  不同接触状态下MFR-TENG的输出性能... 28

2.3.3  不同叉指电极结构下MFR-TENG的输出性能... 30

2.3.4  介质工作模式对MFR-TENG输出性能的影响... 33

2.3.5  探究其他影响因素... 35

2.4  小结... 43

第3章  自驱动尖端击穿放电杀菌装置的性能研究... 45

3.1  前言... 45

3.2  实验方法与过程... 46

3.2.1  MFR-TENG的设计与制作... 46

3.2.2  尖端击穿放电杀菌装置的设计与制作... 47

3.2.3  细菌的培养... 48

3.2.4  MFR-TENG数据的采集与实验表征设备... 49

3.3  结果与讨论... 49

3.3.1  MFR-TENG的工作原理与输出性能... 49

3.3.2  自驱动尖端击穿放电杀菌装置的杀菌性能... 53

3.3.3  尖端击穿放电杀菌装置的杀菌机制... 63

3.4  小结... 64

第4章  击穿放电激发的自驱动UVC管道杀菌装置的研究... 67

4.1  前言... 67

4.2  实验方法与过程... 68

4.2.1  自驱动UVC管道杀菌装置的结构设计与制作... 68

4.2.2  细菌的培养... 70

4.2.3  抑制微生物附着实验... 70

4.2.4  杀菌效果的表征与测试... 70

4.3  结果与讨论... 71

4.3.1  自驱动UVC管道杀菌装置的工作原理... 71

4.3.2  自驱动UVC管道杀菌装置的杀菌性能... 73

4.3.3  自驱动UVC管道杀菌装置保护下的循环海水体系... 80

4.3.4  自驱动UVC管道杀菌装置的抑制微生物附着测试... 81

4.4  小结... 83

第5章  结论与展望... 85

5.1  结论... 85

5.2  创新点... 86

5.3  展望... 87

参考文献... 89

致  谢... 103

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果... 105