船舶压载水电解处理与微流控检测关键技术研究

【摘要】：船舶压载水是确保船舶航行安全的保证,但压载水异地排放是引起外来生物入侵性传播的主要途径。外来生物入侵性传播已经被全球环境基金组织(GEF)确认为危害海洋的四大污染源之一。本论文在分析防治海洋外来生物入侵性传播和保护海域生态安全的国际重大需求基础上,针对船舶压载水处理和检测两方面存在的瓶颈问题,建立了离子膜电解处理系统和微流控芯片检测系统。在压载水处理方面,设计并建立了一种新型的离子膜电解系统来处理船舶压载水,研究了电解系统处理压载水的效果,进一步提出了优化处理的新方法。同时,在压载水检测方面,本文提出并建立了基于微流控芯片和叶绿素荧光的压载水藻类活性检测方法及系统。本文主要研究工作如下：1、设计并建立了离子膜电解系统,通过实验确定了电解系统的最佳工作参数。在电解系统的设计方面,系统采用具有高选择透过性及低膜电阻特性的全氟羧酸离子交换膜,有效提高了电解效率；在理论研究方面,建立了离子膜电解系统电流密度与槽电压的数学模型。通过实验系统地研究了电流密度对槽电压、电流效率、电解效能等关键参数的影响规律。通过电解系统的效能影响实验,在最大电流效率和最低电解电耗条件下,得出了本电解系统电压、电流等最佳工作参数。在该工作参数下,对压载水进行处理实验。2、研究了离子膜电解系统处理压载水的性能,并提出了优化处理压载水的新方法,通过实验确定了优化处理压载水的最优参数。利用该系统对亚心形扁藻、盐生杜氏藻、新月菱形藻等七种微藻进行灭活研究,结果表明：电解产物的浓度和作用时间会直接影响藻类的杀灭效果,电解产物的有效氯浓度为5mg/L,作用时间24h可以全部致死亚心形扁藻、盐生杜氏藻、新月菱形藻、普通小球藻和米氏凯伦藻,作用时间48h可以全部致死球等鞭金藻,作用时间72h可以全部致死海洋原甲藻。在验证离子膜电解系统处理压载水有效性的基础上,提出了采用多次小剂量注入电解产物处理压载水的优化方法。通过实验系统地研究了电解产物注入次数、时间间隔、电解产物剂量对处理压载水性能的影响。结果表明,电解产物注入三次,每次注入电解产物的有效氯浓度1mg/L(共使用有效氯浓度3mg/L),时间间隔为5h为最优实验参数,作用时间11h可以将所有藻类全部致死,并无再生现象。与常规实验结果对比,该优化方法可有效减少约40%电解产物使用量以及缩短约84.7%的作用时间。3、模拟海洋环境因素,研究了温度、光照、藻细胞密度及海水有机物等因素对处理压载水中藻类的影响。结果表明：随温度的升高,藻类致死率增加,当温度达到30℃时,致死率会降低；光照对处理后的藻类有一定的修复作用,只有在高浓度的有效氯作用下,藻细胞致死效果明显；随藻细胞密度和海水有机物含量的增加,藻类致死率降低。4、提出并建立了基于微流控芯片和叶绿素荧光的藻类活性检测方法及系统,研究了叶绿素荧光强度和藻细胞的生命状态之间的相关性。结果表明：该检测系统不但可以实现对活体藻细胞的计数,而且可以定量评估单个藻细胞的活性,并且通过检测极限实验表明该系统可以检测到直径3gm的普通小球藻。利用该系统可以实现在一张微流控芯片上快速有效地检测藻类的活性,且不需要标记,该系统具有成本度、体积小、检测快速、操作简单等优点,对于压载水的在线快速检测具有极大的潜力。 【关键词】：船舶压载水 离子膜电解 微流控检测 叶绿素荧光 微藻
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U664.92
【目录】：

• 创新点摘要5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第1章 绪论13-30
• 1.1 研究背景13-17
• 1.1.1 船舶压载水对海洋环境产生的危害13-15
• 1.1.2 IMO对船舶压载水的相关管理规则15-17
• 1.2 国内外压载水处理的主要方法17-23
• 1.2.1 船舶压载水的主要处理方法17-21
• 1.2.2 离子膜电解技术的特点及应用21-23
• 1.3 船舶压载水的主要检测方法23-27
• 1.3.1 主要的藻类检测方法23-25
• 1.3.2 微流控芯片的微藻检测技术25-27
• 1.4 本论文主要研究内容及技术路线27-30
• 1.4.1 主要内容27-28
• 1.4.2 技术路线28-30
• 第2章 离子膜电解机理及系统设计30-43
• 2.1 离子膜电解机理研究30-36
• 2.1.1 离子膜电解法的原理30-32
• 2.1.2 离子膜电解系统的化学过程32-33
• 2.1.3 离子膜电解系统槽电压模型的建立33-36
• 2.2 离子膜电解系统设计36-41
• 2.2.1 实验系统的组成36-39
• 2.2.2 离子膜电解槽39-40
• 2.2.3 离子交换膜40
• 2.2.4 电解电极的设计40-41
• 2.2.5 电解系统调试41
• 2.3 本章小结41-43
• 第3章 离子膜电解系统处理压载水的性能研究43-78
• 3.1 离子膜电解系统的性能研究43-53
• 3.1.1 标准条件下电解系统的性能研究44-45
• 3.1.2 模拟船舶工况条件下电解系统的性能研究45-48
• 3.1.3 离子膜电解系统能效影响实验48-53
• 3.2 离子膜电解系统处理压载水的性能研究53-66
• 3.2.1 离子膜电解系统处理压载水的常规实验54-57
• 3.2.2 离子膜电解系统处理压载水的优化实验57-66
• 3.3 模拟海洋环境因素对灭活压载水中藻类的影响66-76
• 3.3.1 温度对灭活压载水中藻类的影响66-69
• 3.3.2 光照对灭活压载水中藻类的影响69-71
• 3.3.3 藻类密度对灭活压载水中藻类的影响71-73
• 3.3.4 海水有机物对灭活压载水中藻类的影响73-76
• 3.4 本章小结76-78
• 第4章 利用微流控技术检测压载水中藻细胞活性的研究78-96
• 4.1 叶绿素荧光原理78-81
• 4.1.1 叶绿素荧光概述78-79
• 4.1.2 叶绿素荧光产生原理79-81
• 4.2 微流控芯片检测技术81-84
• 4.2.1 荧光检测系统82-83
• 4.2.2 微流控芯片的设计和制备83-84
• 4.3 实验材料与方法84-87
• 4.3.1 藻类培养84-86
• 4.3.2 实验藻类86
• 4.3.3 藻类处理86-87
• 4.4 实验结果与讨论87-95
• 4.4.1 活体与死体单微藻细胞的叶绿素荧光87-90
• 4.4.2 不同种类活死藻类细胞的叶绿素荧光90-93
• 4.4.3 叶绿素荧光与细胞活性关系93-94
• 4.4.4 系统检测极限94-95
• 4.5 本章小结95-96
• 第5章 结论与展望96-98
• 5.1 结论96-97
• 5.2 展望97-98
• 参考文献98-113
• 攻读学位期间公开发表论文113-115
• 致谢115-116
• 作者简介116

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