Dwutlenek tytanu i oczyszczacz powietrza UV: 7 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

Witaj społeczność Instructable, Mam nadzieję, że wszystko w porządku w nagłych okolicznościach, w których żyjemy w tej chwili.

Dziś przedstawiam Państwu projekt badań stosowanych. W tej instrukcji nauczę Cię, jak zbudować oczyszczacz powietrza współpracujący z fotokatalitycznym filtrem TiO2 (dwutlenek tytanu) i diodami UVA. Opowiem Ci jak zrobić własny oczyszczacz oraz pokażę Ci eksperyment. Według literatury naukowej filtr ten powinien usuwać nieprzyjemne zapachy i zabijać bakterie i wirusy w powietrzu, które przez niego przechodzi, w tym rodzinę koronawirusów.

W tym artykule badawczym można zobaczyć, w jaki sposób można skutecznie wykorzystać tę technologię do zabijania bakterii, grzybów i wirusów; w rzeczywistości cytują badanie z 2004 roku zatytułowane Efekt dezaktywacji fotokatalitycznego filtra tytanowo-apatytowego na wirus SARS, w którym naukowcy stwierdzili, że 99,99% wirusów ostrego zespołu oddechowego zostało zabitych.

Chciałbym podzielić się tym projektem, ponieważ wierzę, że może być szczególnie interesujący, ponieważ stara się rozwiązać poważny problem i ponieważ jest multidyscyplinarny: łączy pojęcia chemii, elektroniki i projektowania mechanicznego.

Kroki:

1. Fotokataliza z TiO2 i światłem UV

2. Materiały eksploatacyjne

3. Projekt 3D oczyszczacza powietrza

4. Obwód elektroniczny

5. Przylutuj i zmontuj

6. Urządzenie kompletne

7. Wysiłek oczyszczania śmierdzącego buta

Krok 1: Fotokataliza z TiO2 i światłem UV

W tej sekcji wyjaśnię teorię stojącą za reakcją.

Całość podsumowano graficznie na powyższym obrazku. Poniżej wyjaśnię obraz.

Zasadniczo foton o wystarczającej energii dociera do cząsteczki TiO2 na orbicie, na której wiruje elektron. Foton mocno uderza w elektron i sprawia, że przeskakuje on od pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, ten skok jest możliwy, ponieważ TiO2 jest półprzewodnikiem i ponieważ foton ma wystarczającą energię. Energia fotonu jest określona przez jego długość fali zgodnie z następującym wzorem:

E = hc/λ

gdzie h to stała Planka, c to prędkość światła, a λ to długość fali fotonu, która w naszym przypadku wynosi 365 nm. Możesz obliczyć energię za pomocą tego ładnego kalkulatora online. W naszym przypadku jest to E=3,397 eV.

Gdy elektron odskoczy, jest wolny elektron i wolna dziura w miejscu, w którym kiedyś był:

elektron e-

otwór h+

A te dwa z kolei są uderzane przez inne cząsteczki, które są częścią powietrza, które są:

cząsteczka pary wodnej H2O

OH-Wodorotlenek

O2 cząsteczka tlenu

Zachodzi kilka reakcji redoks (dowiedz się o nich więcej w tym filmie).

Utlenianie:

Para wodna plus dziura daje rodnik hydroksylowy plus uwodniony jon wodorowy: H2O + h+ → *OH + H+(aq)

Wodorotlenek plus dziura daje rodnik hydroksylowy: OH- + h+ → *OH

Zmniejszenie:

cząsteczka tlenu plus elektron daje anion ponadtlenkowy: O2 + e- → O2-

Te dwie nowe rzeczy utworzone (rodnik hydroksylowy i anion ponadtlenkowy) to wolne rodniki. Wolny rodnik to atom, cząsteczka lub jony z pojedynczym niesparowanym elektronem, jest to szalenie niestabilne, jak powiedziano w tym bardzo zabawnym filmie Crush Course.

Wolne rodniki są głównymi odpowiedzialnymi za wiele reakcji łańcuchowych zachodzących w chemii, na przykład polimeryzację, która ma miejsce, gdy monomery łączą się ze sobą, tworząc polimer lub innymi słowy, tworząc to, co szerzej nazywamy plastikiem (ale to już inna historia).

O2 uderza w duże cząsteczki nieprzyjemnego zapachu i bakterie i zrywa ich wiązania węglowe, tworząc CO2 (dwutlenek węgla)

*OH uderza w duże cząsteczki nieprzyjemnego zapachu i bakterie i rozrywa ich wiązania wodorowe, tworząc H2O (para wodna)

Połączenie wolnych rodników ze związkami węgla lub organizmami nazywa się mineralizacją i właśnie tam następuje zabijanie.

W celu uzyskania dalszych informacji załączam PDF z pracami naukowymi, które cytowałem we wstępie.

Krok 2: Materiały eksploatacyjne

Aby wykonać ten projekt będziesz potrzebować:

- Etui z nadrukiem 3D

- pokrywa z nadrukiem 3D

- cięte laserowo anodowane aluminium o grubości 2mm

- sitodruk (opcjonalnie, ostatecznie go nie używałem)

-5 sztuk wysokiej mocy UV LED 365nm

- Gwiazdy PCB o powierzchni 3535 lub diody LED już zamontowane na gwieździe

- termiczna dwustronna taśma klejąca

- Filtr fotokatalizatora TiO2

- Zasilanie 20W 5V

- Złącze EU 5/2.1mm

- Wentylator 40x10mm

- cieplne rurki piszczące

- śruby i nakrętki z łbem stożkowym M3

- 5 rezystorów 1W 5ohm

- 1 rezystor 0,5W 15ohm

- małe przewody

Dodałem linki do zakupu niektórych rzeczy, ale nie prowadzę żadnego programu partnerskiego ze sprzedawcami. Umieszczam linki tylko dlatego, że jeśli ktoś chciałby w ten sposób odtworzyć oczyszczacz powietrza, może mieć wyobrażenie o dostawach i kosztach.

Krok 3: Projekt 3D oczyszczacza powietrza

Możesz znaleźć cały plik zestawu w formacie.x_b w osiągnięcia.

Możesz zauważyć, że musiałem zoptymalizować obudowę pod druk 3D. Pogrubiłem ściany i postanowiłem nie wygładzać kąta u podstawy.

Radiator jest wycinany i frezowany laserowo. Na 2 mm anodowanym aluminium (RED ZONE) znajduje się obniżenie o 1 mm, które pozwala na lepsze gięcie. Gięcie zostało wykonane ręcznie za pomocą szczypiec i imadła.

Mój przyjaciel zauważył, że wzór na przodzie obudowy jest podobny do tatuażu, który nosi Leeloo w filmie Piąty element. Zabawny zbieg okoliczności!

Krok 4: obwód elektroniczny

Układ elektroniczny jest bardzo prosty. Mamy zasilanie o stałym napięciu 5V i równolegle umieścimy 5 diod LED i wentylator. Za pomocą kilku rezystorów i pewnych obliczeń matematycznych decydujemy, ile prądu będziemy zasilać diody LED i wentylator.

Diody LED

Patrząc na arkusz danych LED widzimy, że możemy je zasilać maksymalnie do 500mA, ale zdecydowałem się jeździć z połową mocy (≈250mA). Powodem jest to, że mamy mały radiator, który jest w zasadzie aluminiową płytą, do której są przymocowane. Jeśli zasilamy diodę LED przy 250mA, napięcie przewodzenia diody LED wynosi 3,72V. Zgodnie z rezystancją, którą zdecydujemy się nałożyć na tę gałąź obwodu, otrzymujemy prąd.

5V - 3,72V = 1,28V to potencjał napięcia jaki mamy na rezystorze

Prawo Ohma R = V/I = 1,28/0,25 = 6,4ohm

Użyję wartości handlowej rezystancji 5ohm

Moc rezystora = R I^2 = 0,31W (właściwie zastosowałem rezystory 1W, zostawiłem pewien margines, ponieważ dioda LED może dość mocno nagrzać powierzchnię).

WENTYLATOR

Sugerowane napięcie wentylatora to 5V i prąd 180mA, napędzany tą mocą może przenosić powietrze z przepływem 12m3/h. Zauważyłem, że jadąc na tych obrotach wentylator jest zbyt głośny (27dB), więc postanowiłem nieco obniżyć napięcie zasilania i prąd do wentylatora, w tym celu użyłem rezystora 15ohm. Aby zrozumieć potrzebną wartość użyłem potencjometru i zobaczyłem, kiedy będę miał około połowy prądu, 100mA.

Moc rezystora = R I^2 = 0,15W (użyłem tutaj rezystora 0,5W)

Tak więc rzeczywisty przepływ końcowy wentylatora wynosi 7,13 m3/h.

Krok 5: Przylutuj i zmontuj

Użyłem cienkich kabli, aby połączyć diody LED i zrobić cały obwód i przylutować wszystko tak zorganizowane, jak to tylko możliwe. Widać, że rezystory są chronione wewnątrz rurek termokurczliwych. Należy pamiętać, że anodę i chatodę diod LED należy przylutować do odpowiednich biegunów. Anody trafiają do jednego końca rezystora, a katody do GND (w naszym przypadku -5V). Na diodzie LED znajduje się znak anody, znajdź jego lokalizację, sprawdzając go w arkuszu danych LED. Diody LED są przymocowane do radiatora za pomocą termicznej dwustronnej taśmy klejącej.

Użyłem właściwie złącza DC (przezroczystego) do łatwego usunięcia całego bloku pokazanego na pierwszym zdjęciu (radiator, diody i wentylator), jednak tego elementu można uniknąć.

Czarne złącze zasilania głównego 5/2.1 EU DC zostało wklejone w otwór, który wywierciłem ręcznie.

Boczne otwory, które wykonałem w pokrywie, aby przykręcić pokrywę śrubami do obudowy, również wywierciłem ręcznie.

Wykonanie całego lutowania na tak małej przestrzeni było małym wyzwaniem. Mam nadzieję, że spodoba ci się to.

Krok 6: Urządzenie jest kompletne

Gratulacje! Po prostu podłącz i zacznij oczyszczać powietrze.

Przepływ powietrza wynosi 7,13 m3/h, więc pomieszczenie o wymiarach 3x3x3m powinno zostać oczyszczone w około 4h.

Kiedy oczyszczacz jest włączony zauważyłem, że wydobywa się z niego zapach przypominający ozon.

Mam nadzieję, że spodobał Ci się ten Instruktaż, a jeśli jesteś jeszcze bardziej ciekawski, jest dodatkowa sekcja o moim eksperymencie.

Jeśli nie chcesz budować własnego oczyszczacza powietrza, ale chciałbyś go kupić od razu, możesz go kupić na Etsy. Zrobiłem parę, więc zachęcam do odwiedzenia strony.

Trzymaj się, pa, Pietro

Krok 7: Eksperyment: wysiłek oczyszczania śmierdzących butów

W tym dodatkowym dziale chciałbym pokazać mały zabawny eksperyment, który przeprowadziłem z oczyszczaczem.

Początkowo bardzo śmierdzący but - zapewniam, że bardzo brzydko pachniał - w hermetycznym akrylowym cylindrze o objętości 0,0063 m3. To, co powinno sprawić, że ten but będzie śmierdział, to duże cząsteczki zawierające siarkę i węgiel, a także biowycieki i bakterie pochodzące ze stopy, która nosiła ten but. To, czego spodziewałem się zobaczyć po włączeniu oczyszczacza, to zmniejszenie VOC i zwiększenie CO2.

But zostawiłem tam w butli na 30min, aby osiągnąć „równowagę smrodu” wewnątrz pojemnika. A przez czujnik zauważyłem ogromny wzrost CO2 (+333%) i VOC (+120%).

W 30 minucie umieściłem w cylindrze oczyszczacz powietrza i włączyłem go na 5min. Zauważyłem dalszy wzrost CO2 (+40%) i VOC (+38%).

Zdjąłem śmierdzący but i pozostawiłem oczyszczacz włączony na 9 minut, a CO2 i VOC drastycznie wzrastały.

Więc według tego eksperymentu coś się działo wewnątrz tego cylindra. Jeśli LZO i bakterie są niszczone w procesie mineralizacji, teoria mówi nam, że powstaje CO2 i H2O, więc można powiedzieć, że to działa, ponieważ eksperyment pokazuje, że CO2 wciąż się tworzy, ale dlaczego również LZO stale wzrasta? Powodem może być to, że użyłem złego czujnika. Czujnik, którego użyłem, to ten pokazany na zdjęciu i z tego, co zrozumiałem, szacuje CO2 jako procent LZO przy użyciu niektórych wewnętrznych algorytmów, a także łatwo osiąga nasycenie LZO. Opracowany i zintegrowany z modułem czujnika algorytm interpretował surowe dane, m.in. wartość rezystancji półprzewodników tlenków metali, w wartości ekwiwalentu CO2, wykonując test porównawczy z czujnikiem gazu NDIR CO2 i wartość całkowitego LZO na podstawie testu porównawczego z przyrządem FID. Myślę, że nie używałem wystarczająco wyrafinowanego i dokładnego sprzętu.

W każdym razie zabawne było przetestowanie systemu w ten sposób.

Pierwsza nagroda w konkursie wiosennych porządków