Titanov dioksid in UV čistilec zraka: 7 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:03

Pozdravljena skupnost Instructable, Upam, da ste v nujnih razmerah, v katerih živimo, vsi v redu.

Danes vam predstavljam aplikativno raziskovalno nalogo. V tem navodilu vas bom naučil, kako sestaviti čistilec zraka, ki deluje s fotokatalizirnim filtrom TiO2 (titanov dioksid) in UVA LED. Povedal vam bom, kako narediti svoj čistilec, pokazal pa vam bom tudi poskus. Po znanstveni literaturi bi moral ta filter odstraniti neprijetne vonjave in ubiti bakterije in viruse v zraku, ki teče skozi njega, vključno z družino koronavirusa.

V tem raziskovalnem prispevku lahko vidite, kako se lahko ta tehnologija učinkovito uporablja za ubijanje bakterij, gliv in virusov; dejansko citirajo raziskavo iz leta 2004 z naslovom Učinek inaktivacije fotokatalitičnega titanovega apatitnega filtra na virus SARS, v kateri raziskovalci navajajo, da je bilo ubitih 99,99% hudih virusov akutnega respiratornega sindroma.

Ta projekt bi rad delil, saj menim, da bi lahko bil še posebej zanimiv, ker poskuša rešiti resen problem in ker je multidisciplinaren: združuje pojmovanje kemije, elektronike in mehanskega oblikovanja.

Koraki:

1. Fotokataliza s TiO2 in UV svetlobo

2. Zaloge

3. 3D zasnova čistilca zraka

4. Elektronsko vezje

5. Spajkajte in sestavite

6. Naprava je končana

7. Smrdljiv napor čiščenja čevljev

Korak: Fotokataliza s TiO2 in UV svetlobo

V tem razdelku bom razložil teorijo reakcije.

Vse je grafično povzeto na zgornji sliki. Spodaj bom razložil sliko.

V bistvu foton z dovolj energije prispe v molekulo TiO2 v orbiti, kjer se vrti elektron. Foton močno udari elektron in od njega skoči stran od valenčnega pasu v prevodni pas, ta skok je možen, ker je TiO2 polprevodnik in ker ima foton dovolj energije. Energijo fotona določa njegova valovna dolžina po tej formuli:

E = hc/λ

kjer je h Plankova konstanta, c hitrost svetlobe in λ valovna dolžina fotona, ki je v našem primeru 365nm. Energijo lahko izračunate s tem prijetnim spletnim kalkulatorjem. V našem primeru je E = 3, 397 eV.

Ko elektron odskoči, sta prosta elektrona in prosta luknja, kjer je nekoč bila:

elektron e-

luknja h+

Ta dva pa udarijo nekatere druge molekule, ki so deli zraka:

Molekula vodne pare H2O

OH- hidroksid

O2 molekula kisika

Zgodi se nekaj redoks reakcij (več o njih v tem videu).

Oksidacija:

Vodna para in luknja dajejo hidroksilni radikal in hidrirani vodikov ion: H2O + h + → *OH + H + (aq)

Hidroksid skupaj z luknjo daje hidroksilni ostanek: OH- + h + → *OH

Znižanje:

molekula kisika plus elektron daje superoksidni anion: O2 + e- → O2-

Ti dve novo nastali stvari (hidroksilni radikal in superoksidni anion) sta prosta radikala. Prosti radikal je atom, molekula ali ioni z enim samim neparnim elektronom, kar je noro nestabilno, kot je rečeno v tem zelo smešnem videu Crush Course.

Prosti radikali so glavni odgovorni za številne verižne reakcije v kemiji, na primer polimerizacijo, ki se zgodi, ko se monomeri med seboj povežejo v polimer ali z drugimi besedami, da naredijo tisto, čemur širše rečemo plastika (vendar je to druga zgodba).

O2- zadene velike molekule slabega vonja in bakterije ter razbije ogljikove vezi in tvori CO2 (ogljikov dioksid)

*OH zadene velike molekule slabega vonja in bakterije ter pretrga njihove vodikove vezi in tvori H2O (vodna para)

Združitev prostih radikalov z ogljikovimi spojinami ali organizmi se imenuje mineralizacija in ravno tam se zgodi ubijanje.

Za dodatne informacije sem priložil PDF znanstvenih člankov, ki sem jih citiral v uvodu.

2. korak: Zaloge

Za izdelavo tega projekta boste potrebovali:

- 3D ohišje

- 3D natisnjen pokrov

- lasersko rezani eloksirani aluminij debeline 2 mm

- sitotisk (neobvezno, sčasoma ga nisem uporabil)

- 5 kosov visoko zmogljive UV LED 365nm

- PCB zvezde z odtisom 3535 ali LED že nameščene na zvezdo

- termični dvostranski lepilni trak

- TiO2 filter za fotokatalizator

- Napajanje 20W 5V

- priključek EU 5/2,1 mm

- ventilator 40x10 mm

- termično kričeče cevi

- vijaki in matice s poglobljeno glavo M3

- 5 1W 5ohm uporov

- 1 0.5W 15ohm upor

- majhne žice

Dodal sem povezave za nakup nekaterih stvari, vendar pri prodajalcih ne izvajam nobenega partnerskega programa. Povezave sem dal samo zato, ker bi imel kdo, če bi želel na ta način ponoviti čistilnik zraka, predstavo o zalogah in stroških.

3. korak: 3D zasnova čistilnika zraka

Celotno datoteko montaže v formatu.x_b lahko najdete v dosežku.

Morda boste opazili, da sem moral optimizirati ohišje za 3D tiskanje. Stene sem naredil debelejše in se odločil, da kota na dnu ne zgladim.

Hladilnik je lasersko rezan in rezkan. Na 2 mm eloksiranem aluminiju (RDEČA ZONA) je spuščanje za 1 mm, kar omogoča boljše upogibanje. Upogibanje je bilo izvedeno ročno s kleščami in primeži.

Moj prijatelj me je opazil, da je vzorec na sprednji strani ohišja podoben tetovaži, ki jo Leeloo nosi v filmu Peti element. Smešno naključje!

4. korak: Elektronsko vezje

Elektronsko vezje je zelo enostavno. Imamo napajalnik s konstantno napetostjo 5V, vzporedno pa bomo postavili 5 LED in ventilator. Skozi kup uporov in z nekaj matematičnimi izračuni se odločimo, koliko toka bomo napajali v LED in v ventilator.

LED diode

Če pogledamo podatkovni list LED, vidimo, da jih lahko poganjamo do največ 500 mA, vendar sem se odločil, da jih poganjam s polovično močjo (≈250 mA). Razlog je v tem, da imamo majhen hladilnik, ki je v bistvu aluminijasta plošča, na katero so pritrjeni. Če LED poganjamo pri 250 mA, je prednja napetost LED 3,72 V. Glede na upor, ki se odločimo za to vejo vezja, dobimo tok.

5V - 3.72V = 1.28V je napetostni potencial, ki ga imamo na uporu

Ohmov zakon R = V/I = 1,28/0,25 = 6,4 ohma

Uporabil bom komercialno vrednost upora 5 ohmov

Moč upora = R I^2 = 0,31 W (dejansko sem uporabil 1W upori, pustil sem nekaj roba, ker bi lahko LED precej ogrela območje).

VENIK

Predlagana napetost ventilatorja je 5 V in tok 180 mA, če se poganja s to močjo, lahko premika zrak s pretokom 12 m3/h. Opazil sem, da je pri tej hitrosti ventilator preveč hrupen (27dB), zato sem se odločil, da nekoliko znižam napetost in tok ventilatorja, zato sem uporabil upor 15ohm. Za razumevanje potrebne vrednosti sem uporabil potenciometer in videl sem, kdaj bom imel približno polovico toka, 100mA.

Moč upora = R I^2 = 0,15 W (tukaj sem uporabil upor 0,5 W)

Dejanski končni pretok ventilatorja je 7,13 m3/h.

5. korak: Spajkajte in sestavite

Uporabil sem tanke kable za povezovanje LED in sestavil celotno vezje ter vse spajal čim bolj organizirano. Vidite, da so upori zaščiteni znotraj toplotno skrčljivih cevi. Zavedajte se, da morate anodo in klepet LED spajkati na desna pola. Anode gredo na en konec upora, katode pa na GND (-5V v našem primeru). Na LED diodi je oznaka anode, poiščite njeno lokacijo v podatkovnem listu LED. LED so pritrjene na hladilnik s termo dvostranskim lepilnim trakom.

Pravzaprav sem uporabil enosmerni priključek (prozoren) za enostavno odstranitev celotnega bloka, prikazanega na prvi sliki (hladilnik, LED in ventilator), vendar se temu elementu lahko izognemo.

Črni priključek za glavno napajanje 5/2.1 EU DC je zlepljen v luknjo, ki sem jo izvrtal ročno.

Stranske luknje, ki sem jih naredil v pokrovu za pritrditev pokrova z vijaki na ohišje, so bile izvrtane tudi ročno.

Izdelati vse spajkanje na tem majhnem prostoru je bil majhen izziv. Upam, da boste uživali v tem.

6. korak: Naprava je dokončana

Čestitamo! Priključite ga in začnite čistiti zrak.

Pretok zraka je 7,13 m3/h, zato je treba prostor velikosti 3x3x3m očistiti v približno 4 urah.

Ko je čistilnik vklopljen, sem opazil, da iz njega prihaja vonj, ki me spominja na ozon.

Upam, da vam je bil ta Instructable všeč in če ste še bolj radovedni, obstaja dodaten razdelek o mojem poskusu.

Če niste pripravljeni izdelati svojega čistilca zraka, ampak bi ga radi dobili takoj, ga lahko kupite na Etsyju. Naredil sem par, zato obiščite stran.

Adijo in pazi nase, Pietro

7. korak: Poskusite: prizadevanje za čiščenje smrdljivega čevlja

V tem dodatnem razdelku bi rad pokazal majhen smešen poskus, ki sem ga naredil s čistilcem.

Sprva sem dal zelo smrdljiv čevelj - zagotavljam vam, da je res dišal - v hermetičen akrilni valj s prostornino 0,0063 m3. Zaradi tega smrdečega čevlja so velike molekule, ki vsebujejo žveplo in ogljik, pa tudi bioefluenti in bakterije, ki prihajajo iz stopala, ki je nosilo ta čevelj. Ko sem vklopil čistilnik, sem pričakoval zmanjšanje HOS in povečanje CO2.

Čevelj sem pustil tam v valju 30 minut, da bi dosegel "ravnovesje smradu" v vsebniku. S senzorjem sem opazil veliko povečanje CO2 (+333%) in HOS (+120%).

Pri 30. minuti sem v valj postavil čistilnik zraka in ga vklopil za 5 minut. Opazil sem nadaljnje povečanje CO2 (+40%) in HOS (+38%).

Odstranil sem smrdljiv čevelj in čistilnik sem pustil vklopljenega 9 minut, CO2 in HOS pa sta se dramatično povečala.

Tako se je po tem poskusu nekaj dogajalo znotraj tega valja. Če se HOS in bakterije uničujejo v procesu mineralizacije, nam teorija pove, da nastajata CO2 in H2O, zato bi lahko rekli, da deluje, ker poskus kaže, da se CO2 nenehno tvori, zakaj pa se HOS še naprej povečuje? Razlog je lahko v tem, da sem uporabil napačen senzor. Senzor, ki sem ga uporabil, je tisti, ki je prikazan na sliki in po mojem razumevanju ocenjuje CO2 glede na odstotek HOS z uporabo nekaterih notranjih algoritmov in zlahka doseže tudi nasičenje HOS. Algoritem, ki je razvit in integriran v senzorski modul, je interpretiral surove podatke, npr. vrednost odpornosti polprevodnikov kovinskega oksida v ekvivalentni vrednosti CO2 s primerjalnim preskusom s senzorjem plina NDIR CO2 in skupno vrednostjo HOS na podlagi primerjalnega testa z instrumentom FID. Mislim, da opreme nisem uporabljal dovolj izpopolnjeno in natančno.

Kakorkoli že, smešno je bilo poskusiti sistem preizkusiti na ta način.

Prva nagrada v spomladanskem čistilnem izzivu