机电一体化的理解篇1
关键词：有机废水处理电化学羟基自由基电Fenton试剂电解氧化半导体光电催化
近年来，浓度高且结构稳定的有机废水不断出现，如何有效地去除这些难降解的有机废水已经成为水处理的热点问题。羟基自由基（·oH）因其有极高的氧化电位（2.8V），其氧化能力极强，与大多数有机污染物都可以发生快速的链式反应，无选择性地把有害物质氧化成Co2、H2o或矿物盐，无二次污染[1]。目前国内外有不少研究者进行利用·oH处理有机废水的研究。产生·oH的途径较多，主要有Fenton法[2]、氧化絮凝法[3]、臭氧法[4]、超声降解法[5]和光催化法[6]。近年来应用电化学法产生·oH处理有机废水获得了较大的进展，在降解和脱色上卓有成效。下面就对电生·oH的途径及其在有机废水处理中应用的最新进展进行评述。
1.电Fenton法
工艺上将Fe2+和H2o2的组合称为Fenton试剂。它能有效地氧化降解废水中的有机污染物，其实质是H2o2在Fe2+的催化下产生具有高反应活性的·oH。目前，Fenton法主要是通过光辐射、催化剂、电化学作用产生·oH。利用光催化或光辐射法产生·oH，存在H2o2及太阳能利用效率低等问题。而电Fenton法是H2o2和Fe2+均通过电化学法持续地产生[7]，它比一般化学Fenton试剂具有H2o2利用率高、费用低及反应速度快等优点。因此，通过电Fenton法产生·oH将成为主要途径之一。
应用电Fenton法产生·oH处理有机废水多数是以平板铁为阳极，多孔碳电极为阴极，在阴极通以氧气或空气。通电时，在阴阳两极上进行相同电化当量的电化学反应，在相同的时间内分别生成相同物质的量的Fe2+和H2o2，从而使得随后生成Fenton试剂的化学反应得以实现[8]。
溶液的pH值对氧阴极还原获得H2o2的反应有很大的影响[9]。研究表明，溶液的pH值不仅对阴极反应电位和槽电压有影响，还将决定着生成H2o2的电流效率，进而影响随后生成·oH的效率及与有机污染物的降解脱色反应。
然而，电解氧化法工业化应用仍存在着一些问题，如电流效率仍然偏低、能耗大、电催化降解反应器的效率较低、电化学催化降解有机污染物的机理还需要进一步探讨等[21]。加强对上述问题的研究，是该法今后发展的方向。
3.半导体电催化法
由于某些半导体材料有良好的光化学特性和活泼的电化学行为，近年来，利用半导体材料制成电极在有机废水中的研究应用已引起众多研究者的重视[22]。
半导体催化材料在电场中有“空穴”效应[23]，即半导体处于一定强度的电场时，其价带电子会越过禁带进入导带，同时在价带上形成电激空穴，空穴有很强的俘获电子的能力，可以夺取半导体颗粒表面的有机物或溶剂中的电子发生氧化还原反应。在水溶液发生的电催化氧化反应中，水分子在半导体表面失去电子生成强氧化性的·oH，同时半导体催化剂和电极产生的H2o2等活性氧化物质也起协同作用，因此，在电催化反应体系中存在多种产生强氧化因子的途径，能有效地提高了催化降解的效率。在半导体电催化反应中，电压和电流强度都要达到一定的值。一般来说，随着外加电压的升高，体系产生·oH的速率增大，有机物的去除效率提高[24]。但也有研究发现，当外加电压达到一定值时，进一步升高电压会抑制自由基的生成，降低了催化效率[25]。
半导体电催化法在有机废水处理中的研究，主要以在掺杂半导体电极和纳米半导体材料电极作为阳极产生·oH处理有机废水。董海等[26]采用掺锑的Sno2粉制成的半导体电极，研究了含酚废水的电催化降解反应，对酚的降解率达90%。
4.半导体光电催化法
在紫外光等照射下，并外加电场的作用下tio2半导体内也会存在“空穴”效应，这种光电组合产生·oH的方法又称光电催化法。tio2光电组合效应不但可以把导带电子的还原过程同价带空穴的氧化过程从空间位置上分开(与半导体微粒相比较)，明显地减少了简单复合，结果大大增加了半导体表面·oH的生成效率且防止了氧化中间产物在阴极上的再还原，而且导带电子能被引到阴极还原水中的H+，因此不需要向系统内鼓入作为电子俘获剂的o2[27]。
由于上述优势，光电催化技术在有机废水的研究工作得到了迅速发展，戴清等[28]利用tio2薄膜电极作为工作电极，建立了电助光催化体系，以含氯苯酚(例如4-氯苯酚和2，4，6-三氯苯酚)废水作为降解对象，进行光电催化研究。Cheng等[29]用三维电极光电催化降解处理亚甲基兰废水，研究表明，其脱色率和CoD的去除率分别为95%和87%。waldne等[30]用tio2半导体光电催化法进行降解4-氯苯酚的研究，取得较好处理效果。
目前，光电化学反应的研究工作还大多局限于实验室阶段，应用纳米tio2半导体电极光电催化法处理大规模工业有机废水的报道还不多，主要是由于tio2半导体重复利用率不高和光电催化反应器光电催化效率降低。因此，把tio2经过改性、修饰制备成高效且能重复使用的电极，如在tio2材料表面上进行贵金属沉积、掺杂金属离子、复合半导体、表面光敏化剂等[31]，已成为以tio2为半导体电极进行光电催化降解有机污染物研究的热点。此外，这项技术的实用化必然涉及到反应器的结构和类型的确定，开发高效重复使用且费用较低的工业化光催化反应器，也将是纳米tio2工业化应用的关键。
5.展望
尽管国内外电化学法处理有机废水技术已有了很大的发展，其中不少已达到工业化应用的水平，但电化学作为一门能在净化环境中有所作为的学科，还在不断发展中。电生·oH在有机废水处理中有其独特的特点，其应用的前景是很乐观的。但仍存在一些问题需要解决：
（1）目前，电Fenton法的研究还不是很成熟，电流效率低，设计合理电解池的结构和寻找新型的电极材料将是今后研究的方向。
（2）通过电解氧化法产生·oH处理有机废水处理，其降解效率受阳极材料和结构、电流密度、电解质及其传质能力等多种因素的影响。目前电解槽的传质问题影响电流效率的提高，如果要应用到实际生产中，还需提高产生·oH的电流效率，降低成本。因此，加强电解催化的机理的研究，研制开发各种高效电解催化反应器和高电化学活性及性能稳定的电极材料等，是今后急需解决的问题。
（3）用纳米半导体光电催化氧化法是目前研究的热点，如何获得并提高半导体材料光电催化活性，开发高效、稳定能重复使用、价格低廉的半导体电极材料和工业光电催化反应器是今后在该领域研究的热点，也是使纳米tio2应用于工业化的关键。
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机电一体化的理解篇2
关键词：多功能降解；装置；铁炭微电解；光Fenton技术；有机废水
中图分类号：X703
文献标识码：a文章编号：16749944（2017）8004204
1引言
现代城市生活及工厂的生产过程中，会产生大量有机废水，如焦化废水、制药废水、石油化工废水等，废水中CoD浓度一般在2000mg/L以上，对环境水体污染大，且难处理[1～3]。如何有效降低环境废水中的CoD浓度，消除水体中的污染，成为社会关注的重大命题。笔者研究了一种既能实现铁炭微电解与光Fenton技术单用，又能实现两者联用的有机废水的多功能降解装置和降解处理方法，来解决现有单独的铁炭微电解技术对污染物的处理速率较慢、对难降解有机污染物的处理效果不好且不能充分利用微电解产生的亚铁离子，以及单独的光Fenton技术原料成本高、操作条件要求也高的缺点[4]，提高废水降解效率和效果。并对铁炭微电解协同光Fenton技术降解有机榨菜废水效果进行了初步实验探究，为应用该装置控制有机废水提供科学依据与技术支持。
2工作原理与结构设计
2.1降解技术原理
2.1.1铁炭微电解技术
铁炭微电解法是基于电化学中的原电池原理对废水进行处理，成本低，操作简便。电解材料一般采用铸铁屑和活性炭或焦炭，铸铁屑和其周围的炭粉形成原电池，铁与炭在水环境中产生电位差[5，6]。这实际上是内部和外部双重电解的过程，或称之为存在微观和宏观的原电池反应，反应式如下[7]。经微电解产生的新生态H活性较高，与有机废水中的污染物发生氧化还原反应，从而达到降解的效果。但该技术对污染物的处理速率较慢，对难降解有机污染物的处理效果不好且不能充分利用微电解产生的亚铁离子。
极：Fe-2e-Fe2+
阴极：2H++2e-2H。
2.1.2高级氧化技术（aops）
aops技术是产生具有强氧化能力的氢氧自由基（・oH），在高温高压、电、声、光、催化剂等反应条件下，使难降解的大分子有机物氧化为低毒或无毒的小分子物质的方法。能将可生化性差、相对分子质量大的物质直接矿化，提高污染物的可生化性，处理难降解有机物。aops技术中应用较多的是一种公认高效降解有机污染物的Fenton技术，其原理是通过Fe2+与H2o2的反应生成・oH，・oH具有强氧化性可实现对有机物的氧化降解。Fenton技术中加入强光激发氧化的技术又称为光Fenton技术，利用光的作用增强体系产生・oH的浓度和速度，从而加快实现有机物的去除[8～10]。反应机理如下[11]，该方法主要适用于酸性条件，由于药剂的使用，造成其原料成本高，操作条件要求高的缺点。
Fe2++H2o2Fe3++oH-+・oH
Fe2++・oHFe3++oH-
Fe3++H2o2Fe2++Ho2・+H+
Ho2・+H2o2o2+H2o+・oH
RH+・oHR・+Fe2+
R・+Fe3+R++Fe2+
R・+o2Roo+……Co2+H2o。
2.2实验装置设计
本实验装置如图1所示，图中箭头表示流体流动方向。
装置包括废水存放池及放出废水的控制开关K1，铁炭微电解箱，铁炭微电解箱下端安装有废水输送泵B1，以控制废水及回流废水向铁炭微电解箱的输送，铁炭微电解箱的空气进气管上安装有空气流量计和空气泵B2，铁炭微电解箱的上下端连接水位平衡管的两端，铁炭微电解箱上有上侧和下侧两个出水管，上侧出水管上安装有出水控制开关K2，下侧出水管上安装有出水泵B3，经过开关控制后的上侧和下侧出水管汇集为单一出水管，单一出水管通过管道连接pH调节箱、过氧化氢加注箱、FeSo4・7H2o加注箱，并设置相应控制开关K3、K4、K5、K6，其中K3用于控制铁炭微电解箱废水的pH值，K4用于控制铁炭微电解箱出水的pH值，单一出水管一部分围绕光Fenton反应器的光源设置，光源发出的光线能够照射到出水管内，（光）Fenton反应器上设置有控制开关K7，经过（光）Fenton反应器的出水管分别通过管道连接后处理装置和铁炭微电解箱，后处理装置前的出水管设有控制开关K8，循环废水的管道上设置有控制开关K9。控制开关K1～K9及泵B1～B3均连接自动控制器控制面板。
光Fenton反应器包括一个整体竖向设置且两端封闭的圆筒形的壳体，壳体内腔体积和铁炭微电解箱内腔体积匹配，反应器的光源上端固定在壳体上端中间位置且下端竖向延伸至壳体内腔靠近底部位置，壳体下端和单一出水管道前端连通，壳体上端连接出水管。
3操作模式
本装置将铁炭微电解与（光）Fenton技术联用，能够实现有机废水的单独铁炭微电解批式处理、单独的铁炭微电解连续处理、单独的Fenton或光Fenton批式处理、单独的Fenton或光Fenton连续处理、铁炭微电解和（光）Fenton技术联用分段批式处理、铁炭微电解和（光）Fenton技术联用连续处理、铁炭微电解和（光）Fenton技术联用循环批式处理等多种废水处理的功能。
3.1单独的铁炭微电解批式处理模式
（1）开启图1中K1、B1直至铁炭微电解箱装满废水，然后关闭K1、B1。
（2）开启K3调节pH值。
（3）关闭K3，开启B2，其余开关和泵关闭，运行一段时间。
（4）关闭B2，打开K8、B3，输出处理后的废水至后处理装置。
@样可以将图1中的装置改为单独的铁炭微电解批式处理装置，实现单独的铁炭微电解批式处理废水的操作。
3.2单独的铁炭微电解连续处理模式
开启图1中K1、K2、K3、K8、K9（部分回流），开启并调节B1、B2控制流速，其余开关和泵关闭，就可以将图1中的装置改为单独的铁炭微电解连续处理装置，实现单独的铁炭微电解连续处理废水的操作。
3.3单独的Fenton或光Fenton批式处理模式
（1）在铁炭微电解箱中不添加铁碳的情况下，开启图1中K1、B1、B3、其余开关和泵关闭，使（光）Fenton反应器出水管中充满待处理废水。
（2）关闭K1、B1、B3，开启K4、K5、K6调节pH值和Fenton试剂用量，运行一段时间，此为Fenton批式处理；若在该步同时开启光源K7，即为光Fenton批式处理。
（3）关闭已打开的K4、K5、K6、K7，开启K8、B3，排出处理后的废水至后处理装置。
这就将图1中的装置改为单独的Fenton或光Fenton批式处理装置，实现单独的Fenton或光Fenton批式处理废水的操作。
3.4单独的Fenton或光Fenton连续处理模式
在铁炭微电解箱中不添加铁碳的情况下，开启K1、K2、K4、K5、K6、K8、K9（部分回流）、B1、B2、（若用光Fenton则同时开启光源K7）、其余开关和泵关闭。就可以将图1中的装置改为单独的Fenton或光Fenton连续处理装置，实现单独的光Fenton连续处理废水的操作。
3.5铁炭微电解和Fenton技术，或铁炭微电解和光Fenton技术联用分段批式处理操作模式
（1）开启图1中K1、K3、B1，其余开关和泵关闭，使废水充满铁炭微电解箱。
（2）关闭K1、K3、B1，打开B2运行一段时间。
（3）关闭B2，打开B3、K8，将铁炭微电解箱中废水输至Fenton反应器中。
（4）关闭B3，开启K4、K5、K6、（若用光Fenton则同时开启光源K7），运行一段时间。
（5）关闭K4、K5、K6、（K7），开启B3，排出处理后的废水至后处理装置。
这样可将图1中的装置改为铁炭微电解和（光）Fenton技术联用分段批式处理装置，实现铁炭微电解和（光）Fenton技术联用分段批式处理废水的操作。
3.6铁炭微电解和Fenton技术，或铁炭微电解和光Fenton技术联用循环批式处理操作模式
（1）开启图1中K1、K2、K3、K5、K6、（K7）、K9、B1，其余开关和泵关闭，使废水充满铁炭微电解箱及整个管道回路。
（2）关闭K1，打开B2运行一段时间。
（3）关闭B2、K2、K3、K5、K6、（K7）、K9、打开K8、B3，排出处理后废水至后处理装置。
这样可将图1中的装置改为铁炭微电解和（光）Fenton技术联用循环批式处理装置，实现铁炭微电解和（光）Fenton技术联用循环批式处理废水的操作。
3.7铁炭微电解和Fenton技术，或铁炭微电解和光Fenton技术联用连续处理模式
开启图1中K1、K2、K3、K5、K6、（K7）、K8、K9（部分回流）、B1、B2，其余开关和泵关闭，就可以将图1中的装置改为铁炭微电解和（光）Fenton技术联用连续处理装置，实现铁炭微电解和（光）Fenton技术联用连续处理废水的操作。
4降解装置的应用
为验证有机废水多功能降解装置对有机废水的降解效果，直接采用对高浓度榨菜废水的处理实验来验证此降解装置和降解技术的优点。以废水中CoD的去除率作为指标来检验此装置对废水的处理效果。
取某榨菜厂的综合性排出废水作为水样，测定pH值、CoD等各项指标后，加入硫酸使水样pH值为2左右，置于4℃下保存。取某机械加工厂的铁屑，用15%氢氧化钠溶液浸泡40min除去铁屑表面的油污，用5%稀盐酸浸泡40min除去铁屑表面的氧化物，再用蒸馏水冲洗干净，烘干待用。炭粒采用圆柱型颗粒活性炭，使用前必须用实验的废水浸泡24h左右，让活性炭的吸附达到饱和，以消除活性炭的吸附作用对铁炭微电解的降解作用的影响。
实验条件：空气流量为100L/h，光强为50000lx；铁炭微电解∶铁炭体积比为1∶1；光Fenton技术反应：pH=3.0，H2o2投加量为3.5mL，亚铁离子浓度为70mmol/L。榨菜废水在进入废水水箱前先用氧化钙（700mg/L）和聚丙烯酰胺pam（0.1%）进行混凝处理。
经过多种模式处理实验，结果表明，单独的铁炭微电解批式处理模式下，90min的降解时间，榨菜废水的CoD的去除率达到38.73%，增加时间，去除率略有升高。单独的光Fenton批式处理模式下，120min的降解时间，CoD去除率达到58.08%，增加处理时间，去除率增加不明显。铁炭微电解和光Fenton技术联用分段批式处理操作模式下，处理时间150min，CoD的去除率达到83.10%，增加光Fenton处理时间，去除优率可达88.15%。铁炭微电解和光Fenton技术联用循环批式处理操作模式下，循环处理时间150min，CoD的去除率达到85.10%，增加处理时间，去除率可达92.25%。
从上述数据可以看出，单纯的混凝、铁炭微电解和光Fenton对榨菜废水的处理都有一定的效果，但是将铁炭微电解和光Fenton技术联用后处理的效果最佳。
5发展与展望
本降解装置在实际操作中，可通过改变操作条件，如改变空气流量、光照强度、铁炭比例、pH值的大小、H2o2投加量、亚铁盐投加量等提高废水的降解率，且此装置中铁炭微电解和光Fenton技术联用对有机废水CoD的去除效果最佳，将来，该联用技术会愈益普遍用于处理有机废水。同时可以看出该处理装置不仅适用于榨菜废水，还适用于一些高浓度有机物的废水，且可对被测废水进行单一或联用模式的处理。
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机电一体化的理解篇3
关键词:光机电一体化;实训装置;理实一体化教学;项目化教学;模块化教学
中图法分类号:tp3文献标识码:a文章编号:1009-3044(2010)01-254-03
applicationoftheopto-mechatronicspracticetrainingequipmentinCourseteachingofmechanicalSpecialty
FanGGui-sheng,SUnping
(ZhejiangwaterConservancyandHydropowerCollege,Hangzhou310018,China)
abstract:thetraditionalteachingequipmentismainlyusedtoverificationexperimentalteaching.itisdeficienttofosterstudentspracticalabilityandcreativity.theopto-mechatronicspracticetrainingequipmentwhichadoptsopenarchitectureandmodularstructure,appliesvarioustechnologies,suchasmechanicaltechnology,electricalcontroltechnology,pLCtechnology,pneumatictechnology,sensingtechnologytotrainstudentscomprehensiveability.inthispaperbasicstructureandmainfunctionsoftheopto-mechatronicspracticetrainingequipmentareintroduced.Somecoursemodulesandcourseprojectsofmechanicalspecialtyaredesignedbasedontheequipment.Finally,bymakinganexampleintheelectricalcontrolandpLCcourseteaching,theteachingmethodcombiningtheorywithpracticeisdescribed.
Keywords:opto-mechatronics;practicetrainingequipment;teachingcombiningtheorywithpractice;projectteaching;modularteaching
1概述
职业教育的核心是提高学生的实践动手能力和分析解决实际问题的能力。传统的职业教育模式是专业理论课和实训课分开进行,其弊端是理论和实践相分离,重理论而轻实践,教师教学缺乏新意,上课枯燥乏味,学生听课不感兴趣,上课昏昏欲睡,这样直接造成的后果就是培养的学生动手能力差,解决实际问题的能力差,课程教学难以达到职业教育培养目标的要求。解决该问题的关键是适当引入实训设备,探索理实一体化教学模式。
理实一体化教学作为职业院校专业教学中探索创新的一种教学模式,它强调充分发挥教师的主导作用,将理论学习和实际训练紧密结合起来,注重培养学生的动手能力,全程构建素质和技能培养框架,丰富课堂教学和实践教学环节,提高教学质量。理实一体化教学要求学校建立专业教室,配备相应的专业设备和计算机辅助教学设施,将有关专业设备和教学设备同置一室,将专业理论课和生产实习等实践性教学环节安排在专业教室中进行教学[1-2]。
高职高专机电类课程教学大多需要实验实训设备的支撑。传统的教学仪器设备主要为了满足某门课程验证性实验的需要,缺乏对学生实践动手能力和创新能力的培养。光机电一体化实训装置融合了机械、电气、pLC、气动、传感等多种技术,采用了开放式和模块式结构,可满足《电气控制与pLC》、《机电一体化设备安装与维护》等多门课程理论实践一体化教学的需要。正是基于以上考虑,我校在省财政的支持下,面向机电一体化、数控技术、电气自动化等专业课程教学的需要,引入了光机电一体化实训装置和模块化生产线等设备,并积极探索理实一体化教学模式,取得了初步成效,显著提高了学生的实践动手能力和社会竞争力。
2光机电一体化实训装置的基本构成
2.1光机电一体化实训装置的总体结构
光机电一体化实训装置由型材导轨式实训台、典型机电一体化设备机械部件、pLC模块、变频器模块、按钮模块、电源模块、低压电器模块、模拟生产设备实训模块(包含上料机构、搬运机械手、皮带输送线、物件分拣等)、接线端子排、各种传感器、警示灯和气动电磁阀等组成。整体结构采用开放式和拆装式设计,学生可以组装、接线、编程和调试由上料机构、搬运机械手机构、皮带输送线和物料分拣组成的光机电一体化设备。装置的总体结构示意图如图1所示。
2.2装置主要模块的基本组成
1)pLC主机:采用了CpU226aC/DC/晶体管(24路数字量输入/16路晶体管输出)、两个RS-485通信口、em222(8路数字量输出),在pLC的每个输入端均有开关,pLC主机的输入/输出接口均已连到面板上,方便用户使用。
2)变频器模块:采用西门子mm420变频器,三相380V供电,输出功率0.75Kw。集成RS-485通讯接口,提供Bop操作面板;集成3路数字量输入/1路继电器输出,1路模拟量输入/1路模拟量输出;具备过电压、欠电压保护,电机过热保护,短路保护等。提供调速电位器,所有接口均采用安全插连接。
3)电机模块:包括三相交流异步电动机,步进电机和步进电机驱动器等。
4)低压电器模块:配备了交流接触器、热继电器、电子式时间继电器、中间继电器、变压器、整流电路、能耗制动电阻、带灯按钮、断路器、熔断器、行程开关、组合开关、转换开关、速度继电器、磁性开关、急停按钮、复位按钮、自锁按钮等低压电器。
5)气动模块:包括了静音气泵、单杆气缸、双杆气缸、气动手爪、单控电磁阀、双控电磁阀、旋转气缸等。
6)传感器模块:具备了电感传感器、漫反射式光电传感器、对射式光电传感器、光纤传感器,可区分金属物料和非金属物料、不同颜色的物料。
7)触摸屏与组态模块:配备了深圳步科eViewmt4200工业触摸屏和eV5000组态编程软件。
2.3装置主要部件的工作原理[3]
1)机械手搬运机构
当存放料台检测光电传感器检测物料到位后,机械手手臂前伸,手臂伸出限位传感器检测到位后,延时0.5秒,手爪气缸下降,手爪下降限位传感器检测到位后,延时0.5秒,气动手爪抓取物料,手爪夹紧限位传感器检测到夹紧信号后;延时0.5秒,手爪气缸上升,手爪提升限位传感器检测到位后,手臂气缸缩回,手臂缩回限位传感器检测到位后;手臂向右旋转,手臂旋转一定角度后,手臂前伸,手臂伸出限位传感器检测到位后,手爪气缸下降,手爪下降限位传感器检测到位后,延时0.5秒,气动手爪放开物料,手爪气缸上升,手爪提升限位传感器检测到位后,手臂气缸缩回,手臂缩回限位传感器检测到位后,手臂向左旋转,等待下一个物料到位,重复上面的动作。在分拣气缸完成分拣后,再将物料放入输送线上。
2)物料分拣机构
当入料口光电传感器检测到物料时,变频器接收启动信号,三相交流异步电机以30HZ的频率正转运行,皮带开始输送工件,当料槽一到位检测传感器检测到金属物料时,推料一气缸动作,将金属物料推入一号料槽,料槽检测传感器检测到有工件经过时,电动机停止;当料槽二检测传感器检测到白色物料时,旋转气缸动作,将白色物料导入二号料槽,料槽检测传感器检测到有工件经过时,旋转气缸转回原位,同时电动机停止;当物料为黑色物料直接导入三号料槽,料槽检测传感器检测到有工件经过时,电动机停止。
3基于实训装置的课程模块与项目设计
光机电一体化实训装置融合了机械、电气、电动机、pLC、气动、传感等多项技术,并面向职业教育发展的需要,采用了开放式和拆装式结构,可根据课程内容需要选用不同的模块组合,满足《电气控制与pLC》、《液压与气动控制》、《变频调速技术》、《检测与传感技术》、《机电一体化设备安装与维护》等多门课程理实一体化教学的需要。表1为利用该实训装置开发的课程模块和教学项目。
4基于实训装置的理实一体化教学
4.1理实一体化教学场地安排
传统的职业教育模式是理论教学和实践教学分开进行,造成理论与实践分离,而且实验实训室功能单一,设备利用率低。为了改变这种现状,突出职业教育的实践性,我校引入了光机电一体化实训装置,并根据现场化教学的需要,将教学环境设计为现场教学模式,建立理论与实践一体化教学的专业教室,融教室、实训、实验、考工于一体,使专业教室具有传统教学、多媒体教学、实物展示、演练实训、考工强化训练和考工等多种功能,营造出良好的职业氛围和环境。整个一体化实训室面积达150m2,室内配备了九台光机电一体化实训装置,一套mpS模块化生产线实训装置,以及46台电脑和投影、音响教学设备,配备了统一的实验桌椅、黑板、仪器柜等,可满足单班课程现场化教学的需要,实现课程教学做于一体,教学场地布置如图2所示。
电脑与操作台区属于基础教学部分,主要用于知识讲解、课程讨论、软件编程、低压电器实训等。实验桌上安装了网孔板,既用于液晶显示器的保护,又可固定常用的低压电器,作电工实训用。光机电一体化实训区属于应用部分,既可用于单门课程的实训需要,也可满足课程综合教学的需要,如pLC实训、变频调速实训、机电设备安装与调试操作等。模块化生产线区属于高级扩展部分,配备了自动传输、立体仓库、三坐标测量、模拟加工等八个模块,模块与模块之间采用了以太网和现场总线进行相互连接,侧重于生产线的总体控制实训等。
4.2《电气控制与pLC》理实一体化教学思路
我校的《电气控制与pLC》课程在2005年被确定为省级精品课程,四年来项目组老师根据我校学生的特点探索了多种现代化教学方法,其中效果最显著的当属基于光机电一体化实训装置的理实一体化教学模式。以下为实施该教学模式而采取的一些有效措施:
1)课前根据实训装置的特点,合理设计教学项目,编写教学讲义,制作多媒体教学课件和仿真动画,以提高课程教学的实用性和针对性,提高学生学习的积极性和趣味性。这部分工作是关键所在,直接关系到理实一体化教学模式能否顺利进行。
2)在课程教学之初,组织学生到校工程训练中心进行参观,增加感性知识,了解普通车床、铣床、钻床的工作原理和控制要求,以及实际的电气控制电路;了解常用低压电器、pLC在数控车床、数控铣床、加工中心、电梯控制系统中的应用等。
3)在讲解电气控制部分时,每个实验桌上放一套常用的低压电器和电工工具,方便学生了解各种低压电器的结构,学习基本控制电路的安装、调试方法等。
4)在讲解pLC基础部分时,每个实验桌上放一个pLC和一套常用的低压电器,方便学生了解pLC的结构、接线方法等;方便学生自己动手设计、调试基于pLC的电机控制电路等。
5)根据学生的特点,实行分类教学,充分发挥学生间的传、帮、带作用。对于平时表现优秀的学生,给与较高的要求,安排较难的设计任务,并要求不光自己学会设计和操作,还需要帮助组内的同学完成设计任务。对于平时表现一般的学生,需要加强引导和督促,适当加以鼓励,激发学生的学习兴趣和求知欲。对于平时表现较差的学生,则需要给予较多的关注,必要时采用强制措施,迫使他们掌握本课程的基础知识和基本技能。
6)加强中间过程考核和期末实践考核,增添答辩环节,提高学生的口头表达能力,强化学生综合技能的培养。对教学过程中的每个项目组织考核,并根据学生的表现进行打分,计入平时成绩。在期末再安排一次实践考核,随机抽取平时训练过的项目任务,并给予评分,计入总评成绩。在实际操作过程中,这一招对平时不太爱学习的学生有很大的促进作用。
5结束语
将光机电一体化实训装置引入课程教学,实现理论与实践一体,不仅提高了学生的学习兴趣和实践动手能力,同时也提高了教师的教学业务能力。整个实训装置包括了机械、电气、pLC、组态设计、气压、传感器等多项知识,不仅要求教师要有过硬的理论知识,更重要是具备综合运用知识和解决问题的能力,随时解决学生在操作中碰到的各种问题。另外新的实训设备引入,也需要教师根据实训装置编写合适的讲义,探索新的教学模式,这样对教师个人能力的培养也有很大的促进作用。
参考文献:
机电一体化的理解篇4
关键词：机电一体化；本科教学；人才培养；项目教学法
作者简介：王昊（1972-），男，安徽泗县人，上海电力学院能源与机械工程学院，副教授；吴懋亮（1970-），男，山东莱芜人，上海电力学院能源与机械工程学院，副教授。（上海200090）
基金项目：本文系2011年上海市教委重点课程机电一体化原理项目（项目编号：20115301）的研究成果。
中图分类号：G642文献标识码：a文章编号：1007-0079（2013）10-0075-02
为了满足电力行业对机械类专门人才的需求，各电力高校均开设了机械设计制造及其自动化本科专业。该专业的主要特色是培养能够适应电力行业的机械类相关岗位的人才。前几年，该专业毕业生的就业形势喜人，但是，由于制造类相关行业广受金融危机的影响，导致近年来毕业生的就业情况不太理想。面对无法预知的金融危机以及制造业界不太乐观的就业形势，作为专业教师，应该思考怎样才能使学生更从容地面对求职择业问题。
机电一体化作为机械、电子和信息等多科内容融合的学科，在拓宽机械类学生知识面和就业面等方面将起到重要作用。加强该课程的学习，能明显提高学生素质，从而增加学生在机电一体化行业内的就业机会。本文认真思考了机电一体化原理在本科教学中的若干问题，以“机电一体化原理”教学为基础，论述该课程对学生的重要性并指出目前存在的问题，提出以拓宽学生的就业面为目的崭新的教学思路，并辅以项目教学法的教学改革方案，以及增设“机电一体化原理”课程设计的设想。
一、引导学生认识“机电一体化原理”的重要性
学生在学习“机电一体化原理”的时候，由于缺乏实际经验，加上该课程牵涉面很广，学习难度较大，因而学习热情不足。因此，在教学过程中，教师要想方设法、千方百计地引导和吸引学生充分认识“机电一体化原理”这门课程的重要性，从而激发学生的学习热情。
首先，应使学生明确，机电一体化是多学科交叉，相互渗透的综合性课程，广泛涉及机械技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、检测传感技术和系统总体技术等方面的内容。机电一体化技术是给传统机械加上“大脑”（计算机信息处理与控制），极大限度地延伸了机械的概念，使机电一体化产品几乎无处不在。例如，“机器人”作为最重要的机电一体化产品之一，已经成为现代工业控制的三大支柱之一。[1]
其次，针对现在机械专业学生机械基础扎实、电子基础薄弱的特点，认真学习“机电一体化原理”这门课程，将显著提高学生在电子方面的素养。通过课程讲解、实验教学、项目教学、课程设计等教学手段，学生深刻体会机电一体化的基本原理和设计方法。
最后，机电一体化的重要性还体现在很多产品，特别是高科技产品，难以将机械和电子部件完全分开。例如，机电设备设计及维护人员既要精通机械方面的知识，又要精通电子方面的知识。因此，掌握机电一体化原理，并将其应用到解决实际工程问题当中，已经成为机械专业的毕业生必须掌握的一项重要技能。
二、增加实验课时、加强实验室建设与整合
“机电一体化原理”理论学习固然重要，实验教学也同样重要。不少学校现有的“机电一体化原理”的教学大纲中，实验教学所占学时明显偏少，而且学生真正能动手完成的实验更是少之又少。因此，现有实验安排起不到锻炼学生的动手和实际操作能力的目的。
此外，很多学校实验室中的设备和科研条件并没有充分发挥出来。应该在现有的设备的基础上，广泛开拓思路，整合、组合、创造出新的机电一体化实验，以实现锻炼学生动手能力的目的。而且，实验室的工作条件和实验场所还需要进一步改善。实验设备也需要对机电一体化实验教学或辅助教学等方面，进行广泛市场调研，根据需要进行采购和扩充。
因此，必须在加强实验室建设的基础上，适当增加机电一体化的实验课时，才能真正使学生通过实验加深对机电一体化理论知识的掌握，体会机电一体化应用的目的。
三、激发学生在机电一体化行业内的就业思路
激发学生产生在机电一体化行业内就业的想法，是教学的重中之重。只有学生真正产生这种想法，才会产生学好“机电一体化原理”的动力。
目前，机械专业毕业生大多将自己的就业方向主观定位在纯机械领域。尽管机械制造业是非常庞大的产业，但就业机会终归有限。由于能力的欠缺，择业的时候，面对机电一体化行业广泛的就业机会，学生更多的是无奈。鉴于此，任课教师必须努力激发学生在机电一体化行业内的就业兴趣。
引导学生领悟，若是自己具备很强的机电一体化技术方面的素养，将会拓宽自己的就业面，从而为自己创造更多的就业契机。就算是学生毕业后选择在机械行业就业，若是在机电一体化方面有比较扎实的基础，也会开拓自己的视野，何况是现在科学技术、工程技术已经发展到机、电完美结合的阶段，完全分开的机械和电子几乎没有。
因此，在教学过程中，应该结合机电一体化行业激发学生的学习动力。具体来说，可以结合机械专业学生在机电一体化行业就业的实例，引导和激发学生的学习热情。另外，在教学过程中，也可以充分结合机电一体化产品的具体设计思路，引导学生如何跨越机械专业的局限，尽可能多地接触机电一体化领域。通过这些方式，学生们将会自然提升对机电一体化领域的兴趣，从而增加在机电一体化行业就业的主观积极性。
四、开展项目教学法、培养学生综合能力
为了使学生加强对机电一体化领域的认识，启发他们在机电一体化行业内就业的热情，“项目教学法”引入到机电一体化的本科教学工作中去。项目教学法在国外的职业教育中应用较多，目前在本科教学中还很少使用。为了让机械专业的学生通过项目直接深入到机电一体化领域，教师提出使用项目教学法。
项目教学法是一种在“做中学”的理论基础上发展起来的一种教和学的模式，这种教学法通过组织学生真实地参加项目设计，履行和管理项目的全过程，在项目实施的过程中完成教学任务，培养学生的实践能力、分析能力及其他关键能力。这种模式突破了传统的“以课堂为中心，以教师为中心，以教材为中心”的教学模式，强调使用的技能和知识创新，有效地交流课堂与社会生活的联系，充分展示现代教育“素质教育”的本色。[2，3]
项目教学法主要特点是与现实生活紧密联系，加强理论联系实际，有助于培养学生的多方面能力，更重要的是展示学生的创造性，培养了学生解决实际问题的能力。项目教学法的整个教学过程可以分为以下几个阶段：
1.拟定题目
学生自主分组或教师分组，查阅资料、主动思考，充分发挥主观能动性，拟定本小组的题目。教师在这个过程必须要干预，要求学生选定的题目具有创新性或实用性，特别是要适合该小组的特长和兴趣。要求项目既要体现学生的创新性、具备挑战性，又要切实可行、经过学生的努力可以完成。
2.可行性分析及方案设计
通过项目可行性分析及方案设计、确定项目进程计划，要求该进程安排基本与课堂教学进度并行，即：按照课堂教学的进度安排项目的实施进度，即首先是机械机构、执行机构，然后是计算机、控制系统和传感器系统等。教师必须认真检查各小组的可行性分析及方案设计。
3.项目实施要求学生按照工作进度实施并做阶段总结
这一阶段，对于学生在项目研究所用到的内容，有可能在课程学习中没有学到，要求教师指导学生进行再学习，以进一步挖掘学生的创造性思维。项目的实施过程中，学生将有大部分工作需要在实验室中完成，因此，在第三部分对实验室进行整合和扩建的过程中就必须要考虑这些问题。
4.项目考评
以小组为单位，认真考核学生完成项目的情况。针对机电一体化项目的各系统的设计、实现方式、功能和项目报告等进行考评。考评中要特别注意学生在完成项目的过程中发现问题和解决问题的能力。
5.项目拓展
建议学生以研究报告、学术论文的形式呈现本小组的研究成果。对于考评成绩优秀的小组可以组织学生以申报专利、参加竞赛的形式进一步拓展项目。
项目教学法可以极大提高学生的兴趣，激发学生的学习热情，挖掘学生的创造性思维，同时使学生以真正项目的方式接触到机电一体化的产品设计和项目管理。这种项目管理的经验，发现问题、解决问题和总结问题的能力和经验对学生而言非常宝贵。项目考评优秀的学生的科研论文和专利申请都将在学生毕业求职时增加不可或缺的砝码，将成为机电一体化行业的敲门砖。
五、增设“机电一体化原理”课程设计环节
现有的教学手段，还不足以提升学生在机电一体化行业的竞争力。作为项目教学法的补充，还可以通过增加机电一体化原理设计环节，从而更大程度上提高学生的机电一体化产品的设计能力。
课程设计时，要求学生认真回顾教师在课堂上所授要点，分析各要点对产品功能的实现及其特性的影响。希望学生在课程设计过程中，进一步理解、吸收和消化课程理论知识以及在项目教学法中所存在的尚未解决的问题。
课程设计课题要尽可能选择具有产业背景的实际课题，学生通过原理方案的设计、结构设计、传动系统的设计、执行机构的设计、控制系统的设计以及总体设计等过程，加深对机电一体化系统的总体认识。在指导过程中，注意培养学生的创新设计能力，充分发挥学生的创新潜能。此外，还要注意课程设计必须与项目教学法互补，对于项目教学法中没有涉及的部分，要适当加强。[4]
课程设计应着重培养学生熟悉机电一体化行业标准，全面掌握机电一体化产品设计规范和过程，并培养学生扎扎实实的工作作风。
六、结论
本文以拓宽机械类学生的就业面为主要目标，针对“机电一体化原理”本科教学的若干问题，进行了深入探讨和思考。以“机电一体化原理”教学为基础，论述该课程对学生的重要性，以及如何引导学生对该课程的重要性进行再认识。通过加强实验室建设，增加学生动手实践的机会，以拓宽学生的就业面为目的，激发学生的学习动力。提出项目教学法的教学改革方案，着重培养学生在机电一体化产品设计中的发现问题和解决问题的能力；该项目教学法与“机电一体化原理”课程设计相辅相成。期待机电一体化课程在提高综合素质、拓宽毕业生就业面等方面有所建树。
参考文献：
[1]张建民.机电一体化系统设计[m].北京：北京理工大学出版社，2006.
[2]曾励.机电一体化系统设计[m].北京：高等教育出版社，2004.
机电一体化的理解篇5
2011版物理课程标准中的“能量”主题部分加强了知识的系统性，知识结构更加合理，三维目标的要求进一步明确了，有利于教师把握教学尺度。
《标准》指出：“能量的转化和守恒定律是自然界的基本和普遍规律。它与很多学科都有关联，和生产、生活息息相关。这部分内容对于学生树立正确的世界观，形成可持续发展的意识以及进一步学习其他科学技术，都是十分重要的。”
这部分内容的特点是：
第一，具有较强的综合性。从物理、化学到地质、生物，大到宇宙天体，小到原子核内部，只要有能量转化，就一定遵循能量守恒定律。它不仅贯串于声现象、热现象、光现象、力现象、电磁现象等物理过程中，而且广泛渗透在各门学科中，与其它学科紧密相联系。在教学中应该注意与物理学其他内容的联系，注意和其他学科的融合。
第二，具有较强的社会性。人类对各种能源，如煤、石油以及水能、风能、核能等的利用，都是通过能量转化来实现的。能的转化与守恒定律是人们认识自然的重要工具。能源关系到人们的衣食住行，关系到国家的兴旺发达。能源的开发和利用，是关系人类生存和发展的一个重大社会问题。在教学中应注意能源、环境与可持续发展的关联。
《标准》把能量纳入课程内容的一级主题，体现了从生活走向物理，从物理走向社会的基本课程理念，体现了“关心科学发展前沿，具有可持续发展的意识，树立正确的科学观，有振兴中华、将科学服务于人类的使命感与责任感。”的课程目标。
2“能量”主题的教学建议
2。1培养用能量的观点分析问题的意识
“能量”是物理学中一个非常重要的概念，它不仅仅是教材某章的知识主线，而是贯穿在整个物理学内容的主线。在教学中，应该以“能量”为主线，培养学生用能量转化与守恒的观点分析问题的能力。可以先让学生认识能量，了解能量的各种形式，知道能量可以转移和转化，从能量转化角度认识燃料的热值、电源和用电器的作用、效率等。在知道能量守恒定律的基础上，再以能量为线索，将各个部分的内容贯穿起来。发展学生用能量观点分析问题的意识，体现了课程标准对情感态度与价值观的要求。
2。2从实例出发进行概念教学
结合实例认识物理概念，这既是从初中学生的年龄特征和认知水平出发，同时也体现了从生活走向物理的理念。2011版课程标准要求：“结合实例理解功的概念”，“用生活中的实例解释机械功和功率的含义。”“结合实例理解电功和电功率。”“结合实例，说出能源与人类生存和社会发展的关系。”……等等。课程标准这种表述本身，就对我们的教学方式提出了要求。“实例”应该是学生生活中常见的事例和现象，可以是常见的生活和社会现象，也可以是一些生动有趣的小实验。实例最好由学生自己列举。
2。3培养可持续发展意识
能量主题的内容与生活、科技和社会的联系十分紧密，通过该主题的学习要使学生关心科学技术的新进展、新思潮、关心科学发展前沿，从物理走向社会。标准中有“知道能量的转化与转移有一定的方向性”的要求，但教学中有许多老师往往忽略了。要通过学习使学生了解能量在转化和转移的过程中虽然守恒，但它有一定的方向性。例如：热水散发的能量不可能全部自动聚集起来。化石燃料燃烧后释放的能量，很难再全部逆向转化回来，很大部分已失去再利用的价值。培养学生节能环保以及可持续发展意识，培养学生将科学知识服务于人类的使命感和责任感。
3标准中“能量”主题内容的变化
2011版物理课标“内容标准”中的“能量”主题共有二级主题6个，三级主题从课标实验稿中的28个改为24个。
具体变化是：
1。把课标实验稿中的“(1)通过观察和实验，初步了解分子运动理论的基本观点，并能用其解释某些热现象”调整到新课标的“运动和相互作用”主题中的2。1。2。其余的5个三级主题合并为3个。
2。删去了“能简单描述温度和内能的关系”。
3。增加了“了解热机的工作原理”。
4。删除了课标实验稿中的“⑷结合实例理解功率的概念，了解功率在实际中的应用”。不笼统提出对功率的要求，而是在机械能、电能中分别提出要求，机械功的功率为“知道”；电功率为“理解”。
5。增加了“知道电压、电流和电阻”，“了解串、并联电路电流和电压的特点”。
6。删去了课标实验稿中的“通过探究，知道在电流一定时，导体消耗的电功率与导体的电阻成正比”。改为“通过实验，探究并了解焦耳定律，能用焦耳定律说明生产生活中的现象”。
7。增加了“理解电功”的内容。
8。增加了有节约用电的意识。
9。增加了“了解提高机械能效率的途径和意义”。
10。机械效率，由“理解”变为“知道”。
11。用电器的额定功率和实际功率由“区分”改为“知道”。
12。机械的使用对社会发展的作用由“认识”变为“知道”。
附录：
标准中“能量”主题的具体目标分类要求
知识性目标
了解和认识
1。能量及其存在的不同形式，能量可以从一个物体转移到另一个物体，不同形式的可以相互转化。各种各样的能量和生活、生产的联系。
2。功的概念。做功的过程就是能量转化或转移的过程。
3。动能、势能和机械能，动能和势能的转化。
4。机械效率及提高机械效率的途径和意义。从能量转化和转移的角度认识效率。
5。机械功和功率。人类使用机械的历史发展过程，机械的使用对社会发展的作用。
6。内能和热量。从能量转化的角度认识燃料的热值。
7。比热容。
8。热机的工作原理，内能的利用在人类社会发展史上的重要意义。
9。电流、电压和电阻。
10。串、并联电路电流和电压的特点。
11。用电器的额定功率和实际功率。从能量转化的角度认识电源和用电器的作用。
12。家庭电路。
13。能量守恒定律。
14。能量的转化与转移有一定的方向性。
15。能源与人类生存和社会发展的关系。
16。可再生能源和不可再生能源。
17。核能的优点和可能带来的问题。
18。我国和世界上其他国家的能源状况。
理解
1。欧姆定律。
2。电功和电功率。
技能性目标
1。测量某种简单机械的效率。
2。会看、会画简单的电路图，能连接简单的电路。
3。会使用电流表和电压表。
体验性目标
1。通过实验，认识能量可以从一个物体转移到另一个物体，不同形式的能量可以互相转化。通过实验，了解动能和势能的相互转化。通过实验，了解比热容。
2。通过实验，探究电流、电压和电阻的关系。
机电一体化的理解篇6
关键词：新型氧化物半导体光电极；合成；浅析
中图分类号：tm914.4
1新型氧化物半导体光电极合成的开发背景
对二氧化碳的排出进行有效的抑制，有效运用可再生能源等在摆脱对化石资源的依赖、构建可持续发展的社会中具有重要的作用和意义。太阳能在可再生能源中具有最为庞大的潜力，但是由于技术条件的限制，太阳能还没有得到充分有效的利用。各种太阳能转换利用技术如图1所示[1]。
1各种太阳能转换利用技术图
在各领域中，“人工光合成”的含义各不相同，依据目的，我们可以将其定义为运用太阳能使低能量的物质向高能量的物质转化，然后储存起化学能的技术，低能量物质如水、氮等，所转化成的高能量物质如氢、氨等。完成这一过程的途径是有机结合金属络合物或粉末光催化剂、传送电子的氧化还原物等，其中金属络合物和叶绿素作用相同，粉末光催化剂包括有机色素、半导体等。运用光电极或氧化物半导体的光催化剂大大减小了制造的难度。此次的半导体光电极是电极化形态，存在于板状或膜状的半导体中，连接物质为导线，其结构为用导线流动光照产生的光电流。
太阳电池可以运用半导体光电极，但是一般情况下，电流产生的途径是光能，化学能由其所发生的氧化还原反应转换而来，然后将其储存起来以备用。1972年，有关学者首次在分解反应的研究中运用了氧化钛单晶半导体，日本研究者称其为“本多效应”，意为是日本开发了在制氢的过程中运用氧化物半导体光电极对水进行分解的太阳能转换技术。同时，他们还对光电极半导体材料进行了分类，将其分为两类，即氧化物体系和非氧化物体系[2]。90年代，科学家在导电性剥离上调制出了单纯的氧化物，所使用的方法是用纳米结构的“多孔半导体薄膜”湿法[3]，此次所运用的材料就是氧化物类材料，成膜之后显著提升了其性能，对其的研究最为迅速的地方是欧洲。由于和光催化剂的分离原理相同，因此每个纳米微粒中的电荷分离原理又被成为“光催化剂电极”。“太阳光制氢技术”将氢和氧从水中直接分解出来所使用的手段是光催化剂和光电极，具有较低的成本，因此在未来氢能社会的构建过程中，可以将其作为基础技术[4]。目前，各地正在对其进行不懈的深入研究。
2新型氧化物半导体光电极合成中的氢气制备
在制氢的过程中对水进行分解时运用氧化物半导体光电极时，从理论上来说，水的分解反应中电解电压为1.23V，但是实际情况是，在过电压的影响下，要想使分解反应正常进行，电解电压必须大于1.6V。但是，在辅助电源电压较低且运用光电极的情况下，低成本制氢是具有极大的发展前景的。此次光电极辅助电压只需要0.7V，随着科技的不断进步，光电极辅助电压可能达到0V。
氧化钛的单晶体或高温烧结体是研究的初级阶段所使用的材料，但是其无法对紫外线进行充分的应用。随后，以欧洲为中心，世界范围内逐渐盛行起杂导电性基板上运用湿法成薄膜将多孔质电极制作出来的研究，在这一过程中对可见光的氧化物半导体材料进行了充分的应用，所使用的材料为氧化物或三氧化二铁。n型是多数氧化物半导体的类型，最适于生成氧的那一侧电极，涂覆后在空气中烧制成膜，有利于大面积制作。但是，太阳能制氢具有较低的转换效率，只有促进单层转换效率的显著提升，才能使其实用化。此次研究的出发点为对电荷进行有效的抑制，然后和增大光吸收有机结合起来，在大幅度提升转换效率的过程中运用三种氧化物半导体薄膜多重叠层等方法。半导体光电极分解水制氢体系如图2所示[5]。
2半导体光电极分解水制氢体系
半导体光电对光进行吸收之后，激发价带电子到导带。这导带的电子送入电极的途径是通过辅助电源的作用，对水进行有效的还原从而将氢制作出来这一全过程在电极上进行。由于导带的电子具有较高的能量，因此即使水的分解电压高于辅助电源太阳电池的电压，电子也能被送入电极。此外，空穴在价带电子被激发走后形成，“正孔”是其中一部分，形成的原因是正电荷带电。由于“正孔”极易氧化，将电子从其他物质中夺取过来，因此在光电极侧氧化水促使氧产生。在这种情况下，和只用点样电池水分解制氢相比，光电极在分解水时位于低电位，性能一旦被提升，将极易实现整个体系的成本化。
3新型氧化物半导体光电极合成的技术前景
光电极制作运用三种半导体层叠的方法，并使水解反应发生在浓度较高的碳酸盐电解液中，能够达到0.85%的太阳能转换效率。进一步层叠这样的二块光电极，将光封闭其中的结构制作出来，同时使水解反应发生在浓度较高的碳酸盐电解液中，能够达到1.35%的太阳能转换效率[6]。氧化物光电极没有添加贵重金属，已经使光电极的最高值翻了一倍。
在对水的分解过程中运用这种层叠氧化物光电极的系统，从电极中产生氢的气泡，从光电极中产生氧的气泡。对现阶段的材料进行有效的利用能够将水分解的电解电压降低至少40%，有利于实现水分解制氢的低成本化。该技术显著提升了光电极的太阳能转换效率，辅助电源电压需要随着光电流的增大而降低。半导体能够对长波长的可见光进行充分的利用，具有更大的导带准位负值和较高的电荷分离效率，这三个特征是其开发变得更有意义。
目前，有关学者正在进行高速筛选试验，试图在较短的时间内，在无数复合材料及各种组合中，对机器人系统进行自动的探寻并将其开发出来，该机器人系统运用最理想的半导体材料，具有最适合的多层组合膜结构。同时，在对材料进行探索的基础上，对光电极的调制方法进行有效的改良，从而促进太阳能转换效率的显著提升。未来在浓度较高的碳酸盐中氧化还原碳酸离子，从而解明水分解的详细机理，最终促进水分解系统效率的显著提升。
参考文献：
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机电一体化的理解篇7
关键词：有机电子学ssh非平衡输运问题
一、引言
近几年对有机纳米结构中的非平衡输运的理论研究已迅速发展起来，特别是将非平衡格林函数（negf）方法同密度泛函理论（dft）相结合的dft+negf方法从物理和化学的角度解释了很多实验现象。但是该方法对负微分电阻和双稳态导电开关效应的解释一直未能令人满意，究其根源来自于dft只能给出系统基态的性质，而这两种实验现象则和系统的激发态相关。基于这一思想，研究负微分电阻和双稳态导电开关效应等新现象可以采用能够很好描述有机体系元激发性质的su-schrieffer-heeger（ssh）模型同negf结合的计算方法（ssh+negf）。计算结果合理地解释了相关的实验现象，并在一定程度上预言了有机自旋电子学可能的新物理现象，主要包括：（1）偏压在有机形成的强电场会使有机体系的价带顶同导带底交叠，从而诱导绝缘态-金属态的相变，使得派尔斯相消失；（2）负微分电阻和双稳态导电开关效应都同非平衡极化子密切相关，前者来自于自掺杂极化子的湮灭，后者则来自于偏压导致的非平衡极化子的产生，负微分电阻效应更可以增强有机自旋阀结构的巨磁阻效应。
二、有机电子学中的非平衡输运问题
1、有机电子学中偏压导致的绝缘体——金属相变
负微分电阻和双稳态导电（cs）开关的发现，使得利用单个分子作为电器开关的分子电子学迅速发展起来。www.133229.com作为下一代可实用技术，分子电子学器件应呈现大的开关比（>50:1），且应是分子的内禀性质并具有可控性。人们为探讨导电开关机制提出了一系列模型，如：构形变化、电荷效应和极化子模型。然而，这些均不能很好解释实验中所观察到的分子开关中大的内禀开关比。下面为另一种可能的机制，导电开关中大的内禀开关比用偏压导致的派尔斯相消失以及能级交叉来控制。
大多数分子器件都采用短链-共轭有机分子作为散射区材料，并制成“金属——分子——金属”三明治结构。链式纳米尺度的有机分子属于有机半导体（oses）。有机半导体的主要特性表现为派尔斯不稳定性，即电子——声子（e——ph）强相互作用导致单双链交替，并在最高已占分子轨道（homo）与最低未占分子轨道（lumo）之间形成一个相对较大的能隙。无论散射区是由自下而上的单层自组装技术还是自上而下的光刻技术制成，派尔斯不稳定性很大程度上限制碳原子的电子，并使得有机半导体电导率较低。显然，非局域的电子将有助于提高有机半导体的导电性。要产生这种电子，一种方法是使非线性激发（孤子或极化子）作为电荷载流子，另一种方法是直接消除派尔斯相。升高温度可能会使得派尔斯相消除，从而导致绝缘体——金属转变。
利用时间——偏压映射方法，可计算得到时金属/有机半导体/金属系统中扫描偏压与电流的关系（图1）。图中可清楚的看到滞后的导电开关性质。体系中有机半导体层选取40个格点，长度大约为5nm，这与实验材料尺寸一致。图1中包括了实验中所观测的特性：（1）一个明显的双稳开/关态，分别对应于开关比大于20：1的低/高电阻态；（2）电压为(~4.5v)时，局域电流出现最大值，且电流与有机半导体的尺寸和金属——有机半导体耦合大小呈非线性关系（从几纳安到几微安）；（3）开启电压(~3.7v)处为高电流（开关通）的状态；（4）加入正向或反向偏压可得到重复开关和读数。图1中的插图为开启电压与有机半导体链长的非线性关系，这证明结果在不同尺寸的有机电子学器件中具有一般性。
图1.有机半导体链长、线性扫描偏压比为且时金属/有机半导体/金属电子模型的扫描偏压与磁滞电流的关系
2、有机自旋阀系统中电荷转移极化子诱导的负微分电阻
机电一体化的理解篇8
机械工程学科的研究生，大多数来自机械工程及自动化本科专业，一般具有较扎实的机械专业的基础，在“机械设计、机械制造”领域具备一定的专业知识，但是电子方面的基础知识却比较薄弱，许多研究生连常识性的电子知识都不具备，甚至对“测量”、“控制”领域一无所知。因此需对其在电子技术、计算机技术、机电系统集成技术等方面进行专业培养。由机械电子系统的构成要素可见，机械电子工程技术一般包括六大共性关键技术：机械技术、传感检测技术、计算机与信息技术、自动控制技术、伺服传动技术、系统集成技术。如图1所示。因此，机械电子工程的教学将以机械电子工程的原理与系统设计为主线，在上述各关键技术为主要模块深入展开，而在每一关键技术中，又分别设置三个层次的教学内容：基础要求模块、较高要求模块、高要求模块，形成“一纵三横”的模块化结构。模块化教学设计很好地实现了引导学生根据自身条件及科研需要有针对性地选择要学习的内容，做到因需施教，因材施教。
2“一纵三横”的模块化教学
“一纵”是指按机械电子工程原理与系统设计为主线的纵向结构，具体包括：传感检测技术模块、计算机与信息技术模块、自动控制技术模块、伺服传动技术模块、系统集成技术模块。“三横”是指在每个技术模块中又细分为三个层次的教学内容：基础要求模块、较高要求模块、高要求模块。具体内容如下：传感检测技术模块：基础要求模块包括传感与测试技术基础知识（传感器的基本构成、传感器的静态数学模型及其静态特性指标、传感器的选用），机电系统最常用的位移检测（光栅传感器、绝对码编码器、增量码编码器），力学量检测（应变式多维测力弹性体、扭矩传感器等），视觉检测（线阵CCD和面阵CCD的基本原理）。较高要求模块包括双目视觉检测的基本原理及标定，触觉传感器（指端应变式触觉传感器、多功能触觉传感器）。高要求模块包括机电测试新技术，现场总线系统，虚拟仪器技术，多传感器数据融合等。计算机与信息技术模块：基础要求模块包括计算机控制技术基础，计算机控制系统的组成、分类，及常用控制器（工控机、pLC、单片机），软件方面要求测量数据的预处理，数字滤波，线性化处理，标度变换。较高要求模块包括pLC、单片机的应用高级技巧。高要求模块包括pmaC原理及应用，基于DSp的运动控制及DSp运动控制卡。自动控制技术模块：基础要求模块包括piD控制算法的基本原理，标准piD算法的改进，数字piD参数的选择。较高要求模块包括模糊控制，模糊控制的定义及特点，模糊控制系统的组成，模糊控制系统的基本原理，应用模糊控制算法解决实际问题。高要求模块包括其它先进控制方法，如智能控制、自适应控制、模型预测控制、神经控制等。伺服传动技术模块：主要讲解直流电动机、交流电动机、步进电机及其控制。基础要求模块讲解三种电机的基本原理、机械特性及最常用的控制方法。较高要求模块讲解更深一层次的原理，如直流电机的电枢电动势、电磁转矩，交流电机的旋转磁场和定转子的电路分析，变频控制的原理及实现方法，步进电机的磁阻最小原理等。高要求模块讲解三种电机的先进控制技术，如直流电机的双闭环控制、交流电机的矢量控制等。系统集成技术模块：基础要求模块主讲机电系统各模块之间的级联设计，重点讲解模块之间的电气性能的相互匹配、信号耦合、时序配合、电平转换接口。较高要求模块主讲机电系统的电磁兼容技术，重点讲解接地技术、屏蔽技术、共模干扰的抑制、差模干扰的抑制、供电系统抗干扰、印刷电路板的抗干扰等。高要求模块重点讲解软件抗干扰技术，如软件冗余技术、软件陷阱技术、“看门狗”技术等。
3以案例为载体，推进模块化教学设计
针对上述的模块化教学内容，设计了针对不同教学内容相应的数字化资源，建设了课程网站，开发了多媒体课件，设计了多个教学案例。在典型的机电一体化的应用领域，将“加工中心”、“工业机器人”、“自动导引车”、“汽车防抱死刹车系统”制作了教学案例，并对一些复杂系统进行了分解设计。采用单片机进行直流电机控制、采用pLC对交流电机进行变频控制，基于matLaB的模糊控制仿真等案例模块在教学中起到了很好的效果。通过这些案例，是将机械电子工程领域的科研成果及前沿技术引入教学，最大程度地吸引了学生的学习兴趣，激发了研究生的学习动力。
4结语
机电一体化的理解篇9
关键字:机电一体化；智能控制；传统控制tp273
中图分类号：tU85文献标识码：a
随着科学技术的不断发展和进步,机电一体化系统成功将机械技术与电子技术合为一体，并得以快速运转和发展。而对机电一体化系统的控制也由传统的控制技术发展到自动化智能控制技术。智能控制在机电一体化系统运作实践中得到广泛应用并取得良好成效，加速了机电一体化的发展，为社会经济发展和人们生活带来了许多的便利，相信随着对智能控制的研究和探讨，智能控制技术的不断发展会在机电一体化系统的运作中发挥更大的作用。
1智能控制理论和系统概要
控制理论经历了反馈并传递函数的古典控制理论，到分析状态空间的现代控制理论，再到综合了自动控制、人工智能、信息论、运筹学等关于优化调控方式理论学科形成的智能控制理论三个阶段，而智能控制理论是控制理论发展至今的最高阶段。智能控制理论解决了传统控制理论的缺陷和问题，对传统控制理论无法实行控制的复杂系统采用分布式以及开放式结构解决机电一体化系统的控制难题。
智能控制系统集合了多项控制技术，主要分为外部环境与控制器。外部环境将通过传感器与执行器感应并判断的可能影响系统控制的一切外界因素信息传输到控制器。而智能控制器将外部环境传递过来的信息通过分析、评价、处理并规划所要应用的控制决策的同时将信息存入系统数据库，为以后的认知学习提供素材。所以说，智能控制系统不仅无模型参考，而且协调适应性极强，是值得投入更大研究力度的，以提高其性能为机电一体化系统所应用。
2智能控制与传统控制的区别
（1）智能控制是对传统控制理论的延伸和发展，智能控制在传统控制的基础上发展出更高效的控制技术。智能控制系统运用分布式及开放式结构综合、系统地进行信息处理，并不只是达到对系统某些方面高度自治的要求，而是让系统做到统筹全局的整体优化。
（2）智能控制综合了很多有关调控方式理论知识的学科，与传统控制理论将反馈控制理论作为核心的理论体系相比，智能控制理论以自动控制理论、人工智能理论、运筹学、信息沦的交叉为基础。
（3）传统控制只是解决单一的、线性的控制问题，与之相比，智能控制解决了传统控制无法解决的问题，通常是将多层次的、有不确定性的模型、时变性、非线性等复杂任务作为主要控制对象。
（4）传统控制通过运动学方程、动力学方程及传递函数等数学模型来进行系统描述。相较而言，智能控制系统把对数学模型的描述、对符号和环境的识别以及数据库和推力器的设计等方面设为重点。
（5）传统控制由不同的定理和定律获取所需知识，而智能控制则通过学习专家经验来获取所需的知识。智能控制系统可以较好的运用相关被控对象和人的控制策略以及被控环境的知识，因此智能控制系统可以模拟或模仿人的智能。
3智能控制系统的类别形式
智能化是顺应机电一体化系统需要的发展趋势，从某种程度来说，机电一体化系统的优劣是受智能控制系统好坏的影响。当前，被机电一体化系统所广泛应用的智能控制系统主要有专家控制系统、分级递阶智能控制系统、神经网络系统、模糊控制系统。
3.1专家控制系统
专家控制系统是在把人的知识、经验和技能汇集在计算机系统中后按照相应的指令程序来操作运行的控制系统，其所涵盖的诸多理论知识在智能控制实行实际任务时发挥了很大作用，提高了控制系统的应用性能。
3.2分级递阶智能控制系统
分级递阶智能控制系统简称为分级控制系统，它是在自组织控制及自适应控制的基础上通过所关联的组织级、执行级以及协调级发挥的作用实行运行的。
3.3神经网络系统
人工神经网络控制系统是神经网络系统在机电一体化系统中应用最为广泛的，它通过运用人工神经元、神经细胞等构成的模式来实行其非线性映射、分布处理、模仿人的智能等主要功能的发挥，具有自适应控制、自组织控制以及大幅度并行处理等优势。
3.4模糊控制系统
模糊控制系统主要包括专家模糊控制以及以神经网络为基础的模糊控制。专家模糊控制能够充分表达并利用实行控制所需的多层次知识，提高了控制技术的智能。而以神经网络为基础的模糊控制利用神经网络来实行模糊控制的规则或推理以实现模糊逻辑控制的功能。
4智能控制在机电一体化系统中的应用
4.1智能控制在机电一体化系统中的应用优势
智能控制已得到机电一体化系统的广泛认可和应用，并正在慢慢取缔着传统的控制技术，主要是因为其在机电一体化的应用中表现出来的有别于传统控制技术的优势，主要有：（1）优化效能。对于群控系统可以借助相关操作流程使系统的调整符合标准及要求；（2）程序控制。系统根据产品所需尺寸及精度编制操作程序指令进行运行；（3）改进加工。可以通过优化操作流程并缩短加工时间来实行复合加工，改进并优化了加工程序。
4.2智能控制在机电一体化系统中的实际应用
4.2.1机械制造中的智能控制
以经典的机械理论和计算机辅助技术并结合智能控制方法，在机电一体化系统的制造过程中形成了新行的机械制造工艺，并不断向智能制造系统方面发展。智能控制技术解决了现代较为先进的制造系统必须依靠不够精准和完备的数据来处理无法预测状况的问题，利用神经网络和模糊数学的方法，建立制造过程的动态模型，并以神经网络的学习和并行处理信息的能力实行在线的模式识别操作，对残缺不全的信息进行及时有效处理。
4.2.2电力电子学研究领域中的智能控制
包括变压器、电动机、发电机在内的电机电器设备在规划设计、投入生产、实际运行及控制过程等方面都是相当复杂的。将智能控制技术引入电力系统，在电机电器设备的优化设计、故障控制和诊断等方面，都相当有成效。对电器设备的设计优化，可用先进的遗传算法进行优化计算，能大幅度缩短计算时间，有效节约成本，并提高电机电器的设计质量和效率。而神经网络系统以及模糊逻辑专家系统是在电机电器设备的故障控制和诊断中所应用的智能控制技术。
智能控制在电力电子学应用领域中发挥重要作用的最具代表性的现象是将其电流控制技术中广泛应用，智能控制技术在电力系统中的应用方向是电力电子学研究领域极具研究价值的一个项目，可以推动电力电子领域的进步和电力系统不断的发展。
4.2.3工业过程中的智能控制
智能控制在工业过程中的应用主要包括全局级与局限级两个方面。全局级智能控制针对整个生产过程的操作工艺，主要在规划过程中操作处理异常、控制过程的故障诊断等情况下发挥作用。而局限级智能控制在在线自适应调整、参数整定方面有明显优势，并且对解决非线性一类的复杂控制问题有显著成效。局限级智能控制在主要是神经网络控制器和专家控制器的智能控制器上投入研究力度，通过将智能应用到工业过程的某一单元来设计控制器。
4.2.4数控领域中的智能控制
数控领域所应用的智能控制有相当高的性能要求，尤其是在延伸、扩展和模拟的知识处理方面，如加工运动推理、网络通信制造能力以及感知加工环境的能力等，必须能进行自适应控制、自组织控制等，智能控制可以解决信息模糊、不确定性等控制问题，取得良好的成效。例如模糊控制系统可以处理信息模糊的问题从而优化加工过程，而专家控制系统可以综合数据库里的专家经验并根据推理规则解决结构不明确的问题。
4.2.5交流伺服系统中的智能控制
伺服驱动装置在机电一体化系统中的控制质量和系统动态性能方面发挥着关键性的作用，但交流伺服系统有着相当复杂的非线性和时变性等不确定因素，而智能控制技术以非线性控制方式将人工智能引入智能控制器，能很好地适应系统参数的时变情况，其在交流伺服系统的应用解决了建立精准数学模型的困难，提高了机电一体化系统的稳定性。
综上而言，机电一体化系统应用智能控制技术改变了传统的机械自动化运行模式，智能控制是在社会经济与科学技术同步发展的现代机电一体化系统中应用极为广泛的控制方式，而机电一体化系统采用智能控制策略的原因是智能控制技术高性能、高水平、高效率的控制优势，这种合理、科学的选择不仅促进了机电一体化的发展和进步，而且推进了人们生活与工业生产向信息化、智能化的发展。
参考文献
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机电一体化的理解篇10
关键词：电絮凝-微滤技术水处理研究
中图分类号：tK223.5文献标识码：a
前言
微滤能有效去除水中大分子物质，具有能耗低、无二次污染、分离效率高等特点，在水处理领域得到了有效发展。但是在实用过程中造成的膜孔堵塞，导致通量降低是限制膜技术大规模应用的瓶颈。
电絮凝技术是利用牺牲阳极，在外加电场作用下电解生成大量的Fe2+、Fe3+或al3+，Fe2+、Fe3+或al3+在水中易形成氢氧化物沉淀，并聚合形成胶体，通过吸附、离子交换等作用去除水中的污染物。与其他水处理工艺相比，电絮凝技术阴极可以析出氢气具有浮选作用，不需要添加任何化学药剂，污泥产量少，易于控制等特点，受到了众多学者的青睐。
近年来，为了克服微滤膜过滤过程中引起的膜污染，通量减小等问题，充分利用电絮凝技术的优点，将电絮技术与凝微滤技术联合起来应用于水处理领域，不仅减小膜污染，而且降低了水处理成本，扩大了在贫困地区的实用范围。
1电絮凝-微滤工艺对水中有机物的去除机理
电絮凝联合工艺对水中有机物的作用机理主要有压缩双电层、电性中和作用、吸附架桥作用、沉淀物网捕作用、氧化还原作用[5]等几种机理共同作用的。
1.1压缩双电层机理
压缩双电层是指在胶体分散系中投加能产生高价反离子的活性电解质，通过增大溶液中的反离子强度来减小扩散层厚度，从而使ζ电位降低的过程。在电絮凝过程中，随着反应的进行，阳极逐步溶解，al3+或Fe3+逐渐增多，通过一系列反应生成羟基化合物及氢氧化物凝胶越来越多。溶液中反离子浓度的增加，导致交替扩散层厚度减少，由于扩散层减薄，颗粒相碰撞时距离减少，相互间的吸引力变大。颗粒间的排斥力与吸引力的合力由斥力为主变为以引力为主。当ζ电位达到临界电位时，胶体就会失去原有的稳定性，胶体就可以相互凝聚。
1.2电性中和作用
阳极电解产生的al3+或Fe3+，在一定条件下能电离和水解，变成各种络离子，如[al(H2o)6]3+、[a1(oH)(H2o)5]2+、[a12(oH)2(H2o)8]4+和[a13(oH)5(H2o)9]4+等。这些络离子不但能压缩双电层，而且能够通过胶核的反离子层进入固液界面，并中和电位离子所带电荷，使ψ电位降低，ζ电位也随之减小，静电斥力也相应减少，从而增大了胶体与溶液中其他颗粒的碰撞几率，达到胶粒的脱稳和凝聚，这就是电性中和。
1.3吸附架桥作用
通过电离与水解作用形成的水溶性链状高分子聚合物并具有能与胶粒和细微悬浮物发生吸附的活性部位，那么它就能通过静电引力、范德华引力和氢键力等，将微粒搭桥联结为一个个絮凝体(俗称矾花)。这种作用就称为吸附桥联。聚合物的链状分子在其中起了桥梁和纽带的作用。这种网状结构的表面积很大，吸附能力很强，能够吸附粘土、有机物、细菌甚至溶解物质。许多学者认为,吸附架桥作用是由于高分子絮凝剂分子链上的活性基团与胶体颗粒表面氢键结合,也有通过静电引力、范德华力、离子键和配位键的结合来解释其吸附架桥作用(胡承志,2003)"汤鸿霄(1990)曾指出,一定程度的胶体脱稳是铝离子产生吸附架桥作用的前提,而且吸附架桥絮凝的本质是不同相的絮凝。
1.4沉淀物的网捕机理
在电解反应过程中,al3+或Fe3+经水解缩聚可以生成多轻基络合物和氢氧化物的絮体。水中的胶粒可被这些沉淀物在形成时所网捕。由于络合物具有链状结构,可以网捕、卷扫溶液中的细小胶粒,结合成新的絮凝物,达到共沉淀的效果。
1.5氧化还原作用
在电流作用下，原水中的部分有机物可被氧化为低分子有机物，甚至直接被氧化为Co2和H2o。同时，阴极产生的新生态氢还原能力很强，可与污染水中的有机物发生还原反应，从而使污染物得到降解。
2电絮凝技术在水处理技术的应用
电絮凝技术在水的深度处理及给水方面有着广泛的应用。近几年电絮凝技术与其他装置的联合应用也日趋广泛。孙磊等人将电絮凝装置与两级序批式膜生物反应器联合应用，通过对好氧颗粒污泥和非完全状态的好氧颗粒污泥从化学、生物、物理条件对比发现，非完全状态的好氧颗粒污泥系统对操作条件的要求更低，同时具备良好的沉降性能和除磷效果。张万友等[11]人将电絮凝技术与动态膜技术相结合，不仅降低了膜组件的造价，而且膜通量清洗后通量恢复明显。在原水pH值为6，电场强度为6V/cm，极间距为10mm情况下，能快速形成动态膜，且CoDmn的去除率超过70%，UV254去除率可达到90%以上；李静波等人利用双铝电极电絮凝-微滤法去除饮用水中细菌的实验研究表明：在电流密度为15.8a/m2，极板间距为10mm，pH值在酸性环境下杀菌效果显著。
2.1对有机物的去除效果
电絮凝-微滤应用工艺主要用来去除水中的有机物，结果见表1
通直流电之后，阳极失电子以al3+的形式进入溶液中，经过一系列的水解络合反应形成氢氧化物絮体，氢氧化物絮体与水中有机物通过吸附、卷扫作用相结合去除水中大部分的有机物。
2.2对细菌的去除效果
电絮凝联合工艺对水中细菌能够良好的去除，是多种机理共同作用的结果。基于国内外学者的研究，分析其机理为，首先溶解在水中的al3+在电解作用下生成一系列的多羟基络合产物。这些络合产物通过范德华力、氢键、化学和物理吸附作用等吸附水中的细菌。同时形成的铝的氢氧化物絮体有很大的比表面积在吸附水中胶体、悬浮物的同时捕获水中的细菌。其次，在电场作用下，水发生电解反应：H2oH+oH-，产生的oH-在直流电场作用下发生以下反应，4oH-o2+2H2o,产生的o2发生水解,在阴极附近生成Ho-2,随后又进一步分解为H2o2等活性氧物质。此外,水中还原态金属离子与H2o2相互作用使H2o2形成羟基自由基。细胞膜可被Ho-2、H2o2和oH等活性物质破坏,以致渗透至细胞内部把有机物的链状结构破坏,同时破坏了生物细胞的离子通道,细菌的生物场环境被破坏,使细菌丧失了生存条件，不能在水中继续生存、繁殖,从而达到杀菌的目的。在这些物质中,羟基自由基是最为活泼的基团,可与活细胞中的任何分子,如有机酸、糖、磷脂、核苷和氨基酸等发生反应,而且反应速度很快。在阴极附近,水中电离出的氢离子得电子被还原为氢气。还原生成的氢具有很强的还原性,水中细菌的新陈代谢可被破坏,酶的活性被降低,从而抑制了微生物的生长。
3电絮凝-微滤工艺去除效果的影响因素
3.1电流密度
电流可以决定絮凝效率、气泡生成速率和大小，以及絮体的生成速率和形态。因此，它是影响电絮凝处理效果的重要因素。程宇婕等人考察了在不同的电流密度下对水中toC、氨氮的去除效果。结果表明，相同时间下，随着电流密度的增加，toC、氨氮的去除效率不断增加，且分别达到70%和75%以上。但是当电流密度达到一定值后，toC和氨氮的去除率增加缓慢。李静波等人通过改变电流密度探讨其对腐植酸的去除效果。在最佳电流密度3.17a·m-2时，水中腐植酸的去除效果可达100%。通过前人研究表明，水中有机物的去除效率随着电流密度的增加而增加，当达到一定电流密度时，电解会产生过量的al3+或Fe3+，胶体表面电荷发生逆转，形成胶体排斥，破坏絮体，降低絮凝能力。
3.2极板间距
极板间距越大，电流密度越小，有机物的去除时间也增大，降低了效率。极板间距越小，极板间电流密度越大，阳极板产生的al3+或者Fe3+的量也相应增多，因此有效的促进了阳极的进一步溶解,溶液中生成的al3+或者Fe3+大量水解，通过络合形成大量水解产物，水解产物的增加导致絮凝剂产量增大，使水中有机物及胶体絮凝效果更加明显。同时，阴极发生还原反应产生更多的氢气泡，氢气泡的增加能够有效的把溶液中絮体浮选出来,电解槽的电极溶蚀和电极工作表面都得到了充分的利用,使反应进程被加速，增强了处理效果，提高能量的利用率;但极板间距过小,极板间电场分布的不匀性增强,易引起短路反应的发生。
3.3pH值
在不同的pH值条件下，al3+或Fe3+会有不同的络合产物，即不同的絮凝能力。mosheBenSasson等人通过测定Fe3+在不同pH值条件下消耗能量的比率，得出在中性及偏酸性条件下，Fe2+很容易被氧化为Fe3+，降低了能量消耗比率。nerangap.Gamage等人利用铝作为阳极板，考察了pH值对出水通量的影响，得出在中性和偏酸性环境下，铝的溶解度较大，且能产生大量的氢气泡，增加了出水通量。
结论
4.1电絮凝联合工艺的应用作用机理复杂，但主要包括压缩双电层、电性中和作用、吸附架桥作用、沉淀物网捕作用、氧化还原作用。
4.2电絮凝联合工艺对水中的有机物和细菌去除效果良好。
4.3电流密度、极板间距、pH值是影响电絮凝联合工艺的主要因素，各参数条件的优化直接决定着水中有机物的去除效果。
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