基于蒸发诱导产电电池的无线盐度传感系统
阅读说明：本技术 基于蒸发诱导产电电池的无线盐度传感系统 (Wireless salinity sensing system based on evaporation induction power generation battery ) 是由 刘宪华 李璟玉 康宁 于 2021-06-21 设计创作，主要内容包括：本发明构建了一种基于蒸发诱导产电电池的无线盐度传感系统。本发明利用高带电材料科和定性滤纸制备了性能稳定的蒸发诱导产电电池,同时本发明首次利用蒸发诱导产电电池的产电电压与盐度的线性关系,构建了基于蒸发诱导产电电池的无线盐度传感系统,并首次利用Arduino的Analog Read功能,读取产其产生的变化电压,利用Arduino编写盐度预警程序,在该系统中当盐度超过3mol/L时蜂鸣器发出警报,当盐度在1-2mol/L时LED灯被点亮。该系统的搭建拓宽了蒸发产电电池的应用领域,为蒸发产电电池的发展提供了新的发展方向。(The invention constructs a wireless salinity sensing system based on an evaporation induction power generation battery. The invention utilizes the high-charged material department and qualitative filter paper to prepare an evaporation-induced power generation battery with stable performance, simultaneously utilizes the linear relation between the power generation voltage and the salinity of the evaporation-induced power generation battery for the first time to construct a wireless salinity sensing system based on the evaporation-induced power generation battery, utilizes the Analog Read function of Arduino for the first time to Read the variable voltage generated by the evaporation-induced power generation battery, utilizes the Arduino to write a salinity early warning program, in the system, a buzzer sends out an alarm when the salinity exceeds 3mol/L, and an LED lamp is lightened when the salinity is 1-2 mol/L. The construction of the system widens the application field of the evaporation power generation battery, and provides a new development direction for the development of the evaporation power generation battery.)
技术领域
本发明涉及一种基于蒸发诱导产电电池的无线盐度传感系统设计。
背景技术
由于能源问题的日益严峻。对可持续绿色能源的利用探索显得尤为迫切，而蒸发诱导产电电池是近年来新兴的研究方向，由于水分子通过具有带电表面的材料形成的狭窄毛细管通道时，在毛细作用力和水蒸发的驱动下，毛细管通道内双电层(EDL)中带相反电荷的抗衡离子与水分子一起共同移动，从而导致电位差及产生电流。但其输出功率较低的，且能量转化效率也不高，目前单个蒸发驱动产电电池的输出功率一般为10-8W至10-3W，其远低于传统电源所获得的电，因此其作为独立电源的应用在一定程度上受到了限制。
但根据其产电机理，不同的诱导环境会产生不同程度的电信号，因此部分研究将蒸发诱导产电电池用于传感器应用。目前被报道的有邻近感测、湿度传感、触觉感测、汗水监测、环境监测等。根据现有研究，我们发现当产电模块浸入不同梯度的诱导液时，可输出不同的电压，因此，我们推测其可用于盐度梯度传感。
依托以上研究分析，我们设计了一种基于蒸发诱导产电电池的无线盐度传感系统，最终实现了盐度的原位检测及数据的远程实时传输。
发明内容
本发明的目的在于利用在不同浓度的诱导液下，蒸发诱导产电电池会产生不同的电信号，并且输出信号与诱导液浓度呈线性关系，利用上述机理，我们设计了一种盐度传感系统，将其用于盐浓度的传感。在该系统中我们还添加了无线传输模块和Arduino控制模块，实现了盐度的原位检测及数据的远程实时传输，为蒸发诱导产电电池的应用提供了新的思路。
本发明采用以下技术方案：
一种基于蒸发诱导产电电池的无线盐度传感系统的构建，包括如下步骤：
蒸发诱导发电模块的制备及搭建：(步骤(1)-(4))及无线传输模块及Arduino控制模块的搭建：(步骤(1)-(4))。
(1)将定性滤纸(FP)进行预处理。将滤纸剪至所需要的形状，将其置于70℃的去离子水中，2h后取出让其自然风干；
(2)阴离子型科琴黑(KB)聚苯胺(PAN)滤纸(FP)即[email protected]的制备。用阴离子型表面活性剂和KB，PAN配置一定浓度的[email protected]悬浊液，将步骤(1)预处理过的定性滤纸分两次浸泡在阴离子型[email protected]悬浊液中，一定时间后将其取出并在80℃的烘箱下干燥固定30min；
(3)用银丝固定[email protected]发电模块，即电池正负极为银丝。
(4)选用上下口锥形三角烧杯作为容器，将(3)组建的发电功能区搭建在三角烧杯中，用小型水泵控制进水水质及进水速率。
(5)编写Arduino控制板程序，使得进水盐度为3M时触动蜂鸣器并报警。1-3M时点亮LED灯。
(6)连接无线传输模块及Arduino控制模块，将蒸发发电电功能区产生的电压数据实时传输至手机端，实现数据的在线实时监测。
步骤(1)中将直径为90mm厚度为0.1mm的FP剪为50mm×10mm×0.1mm的长方形样式，用70℃的去离子水浸没过FP。
步骤(2)中所用的阴离子型表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠(SDBS)。
步骤(2)中阴离子型[email protected]悬浊液制备，取SDBS(0.8g)，KB(0.4g)，PAN(0.2g)，H2O(40ml)，25℃下超声30min。
步骤(2)中浸泡方式为将步骤(1)处理过的PF浸泡在阴离子[email protected]悬浊液中5min，取出并在8烘箱中干燥后，继续置于阴离子[email protected]悬浊液中24h，取出后在80℃的烘箱下干燥30min。
步骤(3)中银丝固定在蒸发产电电池片边缘2.5mm处。
步骤(4)中上下口锥形三角烧杯容量为50mL。
本发明具有以下优势：
(1)本发明首次将蒸发产电电池用于盐度传感系统的构建，拓宽了蒸发产电电池的应用领域，为蒸发产电电池的发展提供了新的发展方向。
(2)本发明中选用定性滤纸作为发电功能区的载体，定性滤纸中致密的孔道很大程度上增加了毛细作用在产电中的贡献。
(3)本发明中电池发电功能区的制备工艺简单，所用原料简便易得，对设备的要求较低，结构受限少，在工业化应用中具有广泛的前景。
(4)本发明实现了盐度的远程在线监测及预警，且检测过程绿色无污。
附图说明
图1传感电压与盐度的线性关系图；
图2梯度浓度连续进水下传感电压变化图；
图3蒸发诱导产电主系统示意图；
图4控制装置连接示意图；
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行进一步的阐述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
本发明涉及的蒸发产电功能区的组成如图所示，主要包括定性滤纸载体、银丝电极、碳材料层。上述产电功能区通过蒸发诱导产电时，将其置于一定浓度的NaCl溶液中，产电功能区的一端始终浸入NaCl溶液中，另一端暴露在溶液表面之外的环境中；由于产电功能区的毛细作用和H2O的蒸发，导致Na+离子会不断沿着产电功能区从浸入端向另一端移动，在两个电极之间形成电势差，从而实现蒸发产电。不同浓度的NaCl溶液在产电功能区上会产生不同的电势差，基于此现象，本发明利用Arduino的Analog Read读取产电功能区产生的变化电压，通过Arduino编写盐度预警程序，当盐度超过3mol/L时蜂鸣器报警，当盐度在1-2mol/L时LED灯被点亮。以下结合实施例进一步阐述本发明提供系统的具体操作方法。
实施例1 传感电压与盐度梯度关系实验，具体过程如下：
首先配置梯度物质的量的NaCl溶液(0.5mol/L，1mol/L，2mol/L，3mol/L)，将组建好的发电功能区固定在50mL的上下口锥形三角烧杯中，将发电功能区干端的银丝与电化学工作站工作电极相连接，发电功能区湿端的银丝与电化学工作站参比电极相连接。通过蠕动泵将不同浓度的NaCl溶液依次通入上述构建的蒸发诱导产电主系统中，通过电化学工作站记录电压与进水NaCl溶液浓度关系(取20s处瞬时电压做为盐度传感电压，因为其数值与连续通入不同浓度的NaCl时的传感电压保持高度一致)。图1描述了0.5mol/L，1mol/L，2mol/L，3mol/L的NaCl溶液产生的蒸发传感电压变化情况。
实施例2 盐度传感系统具体操作过程如下：
首先将发电功能区干端的银丝与Arduino的A0端口相连接，湿端的银丝与Arduino的GND端口相连接，将0.5mol/L的NaCl溶液通过蠕动泵注入50mL的上下口锥形三角烧杯中，待电池产电稳定后即电压达到0.2634V时，通入1mol/L的NaCl溶液，120s后系统中水的盐度发生更替，电压会发生变化(1mol/L NaCl溶液对应电压为0.2727V，2mol/L NaCl溶液对应电压为0.2951V)，当系统中水的浓度为1-2mol/L时LED灯点亮，当系统中水的浓度大于3mol/L时即电压为0.3296V时，蜂鸣器响起，同时电压信号会通过蓝牙串口时实传输在手机端。图2为0.5mol/L，2mol/L，3mol/L下浓度连续进水下传感电压变化图。