基于微流控芯片的恶臭气体在线检测理论方法和实验研究

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1、分类号：TH83密级：公开UDC：编号：201211201012基于微流控芯片的恶臭气体在线检测理论方法和实验研究论文作者：张旭学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：机械工程指导教师：刘丽冰职称：教授资助基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项“恶臭自动在线监测预警仪器开发及应用示范”（项目编号：2012YQ060165）。DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheDoctorDegreeofMechanicalEngineeringODORGASONLINEDETECTIONTHEORYANDEXPERIMENTSRE

2、SEARCHBASEDONMICROFLUIDICCHIPbyZhangXuSupervisor:Prof.LiuLibingMarch2015ThisworksupportedbytheNationalKeyScientificInstrumentandEquipmentDevelopmentProjectsofChina.No.2012YQ060165.原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出

3、贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：2015年6月1日关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：2015年6月1日导师签名：日期：2015年6月1日摘要随着我国经济建设快速发展

4、和城市化水平的不断提高，环境污染中的恶臭污染事件日益增多，在环境投诉中位居第二，已经严重地影响了人们的正常生活。因此，我国《国民经济和社会发展“十二五”规划纲要》中明确提出要“加强恶臭污染物治理”。而研究恶臭气体检测的理论和方法，开发恶臭气体在线检测仪器是恶臭治理中亟需解决的问题。因此，开展这项研究工作一方面可以为我国恶臭在线检测仪器的开发提供理论方法和经验积累，同时也可以为环境管理部门提供一种高效、实时的恶臭检测仪器。气相色谱技术因其具有分离效率高、检测速度快、选择性高、分析精度高等优良特性被广泛于应用于气体检测之中。随着微机电系统、微流控芯片、微制造技术等新兴技术不断成熟，如何将微气体

5、分离器件、微检测器以及微控制器应用到气相色谱仪中，已经成为气相色谱仪器向着小型化、便携化、在线检测方向发展的研究热点和发展趋势。本论文首先就气相色谱技术研究领域发展状况，详细归纳总结了国内外气相色谱仪器及其所涉及的气体分离器、检测器等一些关键技术的研究历史、最新进展和发展趋势，随后，开展了基于微流控芯片的气相色谱检测理论、方法与仿真研究，并依据这一研究基础确立了恶臭气体检测方案，开发出了基于微流控芯片的恶臭气组分在线检测实验系统，利用这一实验系统进行了恶臭气体组分检测实验。本研究课题得到了国家重大科学仪器设备开发专项支持，旨在完成“恶臭自动在线监测预警仪器开发及应用示范”(NO.2012Y

6、Q060165)。本课题主要开展的工作和取得的研究成果如下：以气相色谱基础理论—色谱柱塔板理论为出发点开展了色谱柱的速率理论研究，建立了气体经过色谱柱分离后流出时的浓度模型，并利用COMSOL仿真软件对浓度流出模型进行了仿真实验，针对实验系统中需要开发的微流控芯片色谱柱各项参数进行了仿真实验研究，结合仿真结果分析和研究了影响微流控芯片色谱柱分离效果的参数。根据仿真结果提出了采用微流控芯片作为气相色谱气体分离器这一方法。对恶臭气体在线检测系统中的关键技术—气体分离器进行了深入研究，从微流控芯片色谱柱需要的材料、制造方法、沟道的设计到芯片内固定相材料选取、涂覆液几个方面都作深入研究。最后，分别

7、开发设计了两类微流控芯片色谱柱：第一种为微流控芯片填充柱，第二种为微流控芯片毛细柱。对恶臭气体在线检测系统中的关键器件--光离子化检测器进行了开发研究。针对恶臭气体的特点和系统在线检测的要求，选择了光离子化检测器作为气相色谱检测单元，开发完成了光离子化检测器紫外灯的高压、射频电源和气体离子化浓度检测信号的滤波、放大等调理电路以及光离子化气室。在理论方法研究和关键技术的研究基础上，确定了恶臭气体在线检测方案，开发完成了用于