基于仿生学原理机电模拟肾型过滤技术系统的研究

论文摘要

在机械、冶金、化工、轻工、医药、食品、饮料、石油、生物工程、水处理、环境保护等行业中,都有着过滤与分离的问题。在许多生产过程中过滤与分离技术都是其关键技术之一。多少年来人们一直围绕着怎样进一步提高过滤效率和过滤精度的问题进行研究。当今世界上任何一种过滤器的过滤效率都无法与生物肾脏的过滤效率相比,而且生物肾脏通常可以持续高效地工作几十年甚至上百年,仍然着保持良好的工作状况。本论文通过对人体肾脏结构、工作机理以及过滤中影响其过滤效率的主要因素的研究,发现:肾小球结构的特殊性使得肾小球毛细血管滤过屏障具有多层性、有孔性、孔径可变性和选择性等过滤特点,肾脏的过滤特性主要取决于肾小球毛细血管壁所构成的滤过膜性能。肾脏的滤过膜分成三层,也就构成了生物肾脏过滤的三个主要环节:内层为内皮细胞层,胞层上有无数孔径大小不等的小孔,经科学研究证明,细胞层表面具有一层“生物电场”,这一层相当于“粗滤层”;中层为肾小球基膜层,是一层极薄的隔膜,是滤过膜的主要过滤屏障,起到微过滤的作用,相当于“精滤层”;外层为上皮细胞层,其上有一些不规则突起,称为球囊层,其间有许多狭小间隙,血液经滤过膜过滤后,滤液入肾小球囊,相当于“超滤层”。这三层联合构成了所谓的“肾型过滤”。本课题基于仿生学原理,系统采用机电技术来替代人体肾脏的生物工作过程,即用“低能耗变梯度磁分离技术”替代“生物电场”进行粗过滤;以“变孔径橡塑复合生物材料吸附过滤技术”分别代替基膜层和肾小球进行精过滤和超滤。为了满足不同过滤的要求,本课题工艺系统中增加了气浮过滤工序,即前处理。这三种关键技术在一起构成了“基于仿生学原理机电模拟肾型过滤技术系统”。本课题通过对肾型过滤技术系统的研究先后分别构造了精密气浮分离过程动力学模型、低能耗变梯度磁分离动力学模型、变孔径吸附过滤动力学模型。在理论研究的基础上设计制造了一个实验系统,对相关工艺参数进行了实验研究,通过实验对理论模型进行了优化,使模型更符合实际。经过实验研究证明,这种基于仿生学原理构造的机电模拟肾型过滤系统,变传统的固定床精密过滤为浮动床精密过滤,过滤介质的再生洗净率从传统的70%～90%提高到接近100%,过滤速率提高了50%～100%。本课题的主要创新点:⑴通过对人体肾脏结构与工作机理的研究,基于仿生学原理,提出了由低能耗变梯度磁分离技术与变孔径橡塑复合材料吸附过滤技术相结合的“肾型过滤”机电模拟技术,来模仿生物肾脏过滤过程。⑵通过对“肾型过滤”技术系统的研究,分别构造了机电系统中的精密气浮分离过程动力学模型、低能耗变梯度磁分离动力学模型、变孔径吸附过滤动力学模型。⑶研究设计并制造了一个机电模拟肾脏过滤实验系统,通过实验对相关技术参数进行了优化,使模型更符合实际。⑷本课题的研究为该技术的进一步理论研究和实际应用奠定了理论和实验基础。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 概述
• 1.1 课题来源
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本课题主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 生物肾过滤机理及其仿生方案的构建
• 2.1 生物肾脏的工作机理
• 2.1.1 肾脏的结构
• 2.1.2 肾小球的结构
• 2.1.3 肾小球的滤过功能
• 2.2 肾代谢的数学模型
• 2.3 仿生方案的构思及关键技术
• 2.4 本章小结
• 第三章 精密气浮技术
• 3.1 概述
• 3.2 动态加压溶气气浮
• 3.3 精密气浮系统构建与建模
• 3.3.1 动态加压溶气气浮方案构建
• 3.3.2 数学模型
• 3.4 本章小结
• 第四章 低能耗变梯度磁过滤
• 4.1 电磁分离技术概述
• 4.2 低能耗变梯度磁过滤
• 4.2.1 变梯度磁分离（BTMS）
• 4.2.2 等电位介电分离
• 4.3 数学模型
• 4.4 变梯度磁分离装置的设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 变孔径吸附过滤
• 5.1 变孔径过滤的研究
• 5.1.1 变孔径过滤方案的构建
• 5.1.2 橡塑发泡球过滤的数学模型
• 5.2 吸附机理的研究
• 5.3 吸附动力学
• 5.4 变孔径吸附过滤装置的设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 实验研究
• 6.1 概述
• 6.2 实验系统设计
• 6.3 实验内容
• 6.4 实验研究
• 6.4.1 精密气浮实验研究
• 6.4.2 低能耗变梯度电磁过滤实验
• 6.4.3 变孔径吸附过滤实验研究
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 1、总结
• 2、展望
• 致谢
• 参考文献
• 硕士期间发表论文