基于激光诱导微泡的全光纤杂质收集器

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利用混合在液体中的微泡作为载体粘附液体中的悬浮污染物的方法称为气浮法,这种方法是使液体中产生微泡,用以形成液体、气体以及杂质的混合体,在界面张力的作用下,促使杂质粘附在微泡上。由于气浮法处理效率高、引入杂质少和二次污染低等优点,被广泛的应用在生活和工业污水处理行业。但是利用气浮法对微液体环境中的杂质进行处理的相关研究却很少,主要原因是很难在微液体环境中产生微泡作为载体粘附污染物。光镊作为一种新兴的操纵粒子的手段,使用时方便、灵活,可以实现微米量级的高精度操作,可以用作微液体环境下微泡的产生和操作。目前基于光纤光镊产生微泡的研究,都需要对光纤探针端面进行复杂的预处理,例如金属涂层或碳材料掺杂,限制了这些方法在实际生活中的应用。本文提出并构建了一种基于激光诱导微泡的全光纤杂质收集器,光纤探针在没有任何特殊预处理的情况下,所提出的杂质收集器在污水液滴中生成微泡,完成污水杂质的收集和提取。杂质收集器最佳入射激光功率为11 mW,此时杂质收集效果最好,微泡可达到的最大直径为140 μm。此装置制作工艺简单,操作方便、灵活,处理效果环保高效,同时拓展了基于光纤光镊技术在污水处理领域的潜在应用。本文详细表述如下:第一,介绍了气浮法的发展和工艺类型。同时介绍了常见产生微泡的方法,描述了微泡在不同领域中的应用。然后详细的介绍了光镊的发展和应用,展示了基于光纤光镊技术产生微泡的方法和应用。第二,阐述了工作原理,分析物理过程,完成功能设计。详细的介绍了热传递基本原理、气浮法基本原理和流体动力学基本原理,为实验提供理论基础。利用Comsol Multiphysics软件对物理过程进行了建模仿真,验证实验方案的可行性。第三,根据实验要求,选择合适参数的实验器材,配置不同浓度的实验溶液,确定激光光源的选取标准,选择合适波长的激光器。完成实验系统的搭建,包括光纤探针的制备、光路耦合的参数调制和装置的优化。第四,介绍了基于单模光纤光镊的杂质收集器并进行污水处理实验。然后详细论述了基于中空双悬挂芯光纤的杂质收集器,开展了微泡生成实验,验证影响微泡生长、杂质收集效果的因素。最后成功在机油溶液中生成微泡,完成污水处理。
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