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文档简介
1、人工“鳃“设想姓名:王加鑫 学院:船舶海洋与建筑工程学院课程:走进纳米科学 指导老师:程先华目 录CONTENT01 | 立项依据02 | 可行性分析03 | 其他方面应用04 | 引用文献0 1PA R T O N E4现在,水下潜水一般是靠潜水装置自身携带氧液态或高压气态或能产生氧的氧化剂来供给人所呼吸的氧。传统潜水方式所携带氧气瓶的在实际应用中受到很多限制,潜水员水下活动的停留时间取决于氧气瓶的容量,由于氧气瓶的容量有限,潜水时间一长,就需要经常更换气瓶,而往氧气瓶里输入压缩氧气既昂贵又危险,而且潜水位置不能离基点太远。5O2O2O2O2O2O2O2O2O2减轻负重,提高安全性,轻便灵活
2、从水中直接获取氧6滤氧膜结构海水暂存氧气人吸气O2做功人呼气废气1231. 氧气在从水的本体中传输到水-膜界面2. 氧气从膜的一侧传输到另一侧3. 氧气从膜的另一侧界面传递到与人体直接接触的环境中7上世纪60年代起,明尼苏达大学的Cussler就提出了用聚二甲基硅氧烷这样的膜材料实现从水中分离溶解氧的想法1。他甚至还做出了一个样机,能供一只小狗呼吸。但远远达不到供人呼吸的程度。上世纪90年代,日本的富士系统公司使用新一代的非对称聚二甲基硅氧烷制做过一个人造鳃,其体积有一个多冰箱那么大,在演示时需要推着在水里不断前进来获取足够的氧气,并且只维持潜水员正常呼吸了18分钟。2003到2005年,早稻
3、田大学Kiyotaka Sakai组发过几篇文章2,用疏水的中空纤维膜作为人造鳃,膜外与外界水体接触,膜内用泵驱动可富氧的液体通过,再从另一侧通过加热或光照的方式将富氧液体中的氧气释放出来。但是,无论怎样优化,都无法将维持这套系统提供一个人足够正常呼吸(仅仅是静息时)的氧气的能量降低到150W一下。虽然氧气的来源理论上是解决了,但电源又成了问题。存在缺陷和问题81. 氧气收集效率不高运用纳米技术制备高效的多孔中空纤维膜,或者制备血红蛋白进行滤氧 首先氧气的收集仍然使用膜分离技术,所谓膜分离技术,即利用天然或人工合成的薄膜,以外界能量或化学位差为推动力,对两组分或多组分体系进行分离、分级、提纯或
4、富集的过程3。氧气的物理性质包括分子大小、形状、分子量和粘度等、膜厚度和膜的孔隙率是影响氧气膜通量的主要因素4。 氧气在收集过程中效率不高,一方面是因为其在进入膜时受到阻碍。这是由于膜结构在孔隙率、孔隙大小、膜厚度上存在问题。所以设想合成制备使用更高效的多孔中空纤维膜。9也可以尝试血红蛋白分离技术,在过滤装置中加入大量通过纳米技术改性5后的血红蛋白。当海水进入这种装满血红蛋白的装置时,溶解氧就可以从水中分离出来。102. 氧气在海水本体中的运输效率不高使用纳米发电机提供能源支持 氧气收集效率不高还有一个原因是氧气在海水中传输速度慢。这个过程之所以很慢,是由水的理化性质决定的。水分子之间有很强的
5、氢键,所以水是黏度非常大的液体,氧气在水中扩散很慢。可以通过对流的方式促进氧气的传质效率。所以为了产生足够的对流,就必须用泵驱动水从不断流经膜的表面。于是问题的关键就是需要合适的电源。 我设想使用压电纳米发电机来作为电源,为该过程供电。0 2PA R T T W O12中空纤维膜分离技术是一种新型的净化分离技术,其分离过程在常温下进行,无相变, 不产生二次污染,是高效节能型分离净化技术,广泛用于化工过程的分离与精制6。优点:孔隙率高,孔隙合适,膜通量好13血红蛋白分离技术就是基于氧气分离载体能提供的大量低氧饱和度血红蛋白,而这些蛋白具有较强的氧分子结合能力。当水流通过浸有大量这种血红蛋白的载体
6、时,由于这些蛋白较强亲氧结合作用,就能使溶解氧从水中分离出来,并以游离态和化合态的方式储存在血红蛋白载体内,再利用其他的物理、化学或生物的方法将载体内的氧逆向解析出来,供人体呼吸或其他的用途。优点:血红蛋白工作效率非常高缺点:血红蛋白与氧分子的释放速率远小于与氧分子的结合速率,这使得氧气的重新释放过程缓慢,影响了产氧效率。配置的血红蛋白不够稳定,成本也过高。14压电纳米发电机是通过纳米级的压电材料将收集的外界机械能转换为电能的装置。 当发电机所 处的环境中存在机械能,如微风、声波、 噪声和机械振动,这些机械能使压电材料发生形变,由于压电效应的存在,在材料表面产生了压电势,因此实现了机械能向电能
7、的转变。优点:微型便携,适合在水下运作,可以靠水压、人游动时肌肉的活动、水流的流动等来发电15目前的技术无法实现膜分离过程中的能源问题。鱼类是冷血动物,相比起它们,人类消耗的氧更多,所以需要耗费更多的电能,对电源提出的要求就很高。从成本上来看,目前传统携氧潜水更为划算。并且,替代品也在不断产生,如CCR全封闭循环呼吸器等。0 3P A R T T H R E E17便携式手机充电机通过在鞋底安装压电纳米发电机,可以实现一边走路,一边为手机等设备供电。医疗型纳米机器人专用电源将这种发电机装置在纳米机器人上,当纳米机器人进入人体之后,可以利用人体环境为机器人供电。比如可以依靠体内体液的流动产生的机
8、械能转化为电能。0 4PA R T F O U R191 Ming-Chien Yang . E.L.Cussler . Artificial gillsJ . Journal of Membrane Science . 1989 . 42:273-284.2 Kenichi Nagase et al . Rearrangement for hollow fibers for enhancing oxygen transfer in an artificial gill using oxygen carrier solutionJ . Journal of Membrane Science . 2005 . 254:207-217.3张秀丽 . 疏水性多孔膜和膜组件气体吸收传质性能及其数学模型的研究D . 北京化工大学 . 博士论文 . 20044 梁杰 .减压释放获取水中溶解氧供给呼吸的实验研究D . 哈尔滨工业大学 . 20
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