Purificator de dioxid de titan și aer UV: 7 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:42

Bună comunitate de Instructable, Sper că sunteți cu toții bine în situațiile de urgență pe care le trăim în acest moment.

Astăzi vă aduc un proiect de cercetare aplicată. În acest Instructable vă voi învăța cum să construiți un purificator de aer care funcționează cu un filtru fotocatalic TiO2 (dioxid de titan) și LED-uri UVA. Îți voi spune cum să-ți faci propriul purificator și îți voi arăta și un experiment. Conform literaturii științifice, acest filtru ar trebui să îndepărteze mirosurile rele și să distrugă bacteriile și virușii din aerul care trece prin el, inclusiv familia coronavirusului.

În această lucrare de cercetare puteți vedea cum această tehnologie poate fi utilizată eficient pentru a ucide bacteriile, ciupercile și virusurile; ei citează de fapt o cercetare din 2004 intitulată Efectul de inactivare a filtrului de apatit fotocatalitic al titanului asupra virusului SARS, în care cercetătorii afirmă că 99,99% din virusurile acute ale sindromului respirator acut au fost ucise.

Aș dori să împărtășesc acest proiect, deoarece cred că ar putea fi unul deosebit de interesant, deoarece încearcă să rezolve o problemă serioasă și pentru că este multidisciplinar: reunește noțiunea de chimie, electronică și proiectare mecanică.

Pașii:

1. Fotocataliză cu TiO2 și lumină UV

2. Consumabile

3. Proiectarea 3D a purificatorului de aer

4. Circuit electronic

5. Lipiți și asamblați

6. Dispozitivul este complet

7. Efortul purificat de purificare a pantofilor

Pasul 1: Fotocataliză cu TiO2 și lumină UV

În această secțiune voi explica teoria din spatele reacției.

Totul este rezumat grafic în imaginea de mai sus. Mai jos voi explica imaginea.

Practic, fotonul cu suficientă energie ajunge în molecula de TiO2 pe orbita unde se învârte un electron. Fotonul lovește puternic electronul și îl face să sară de la banda de valență la banda de conducție, acest salt este posibil deoarece TiO2 este un semiconductor și deoarece fotonul are suficientă energie. Energia fotonului este determinată de lungimea sa de undă conform acestei formule:

E = hc / λ

unde h este Constantul de scândură, c este viteza luminii și λ este lungimea de undă a fotonului, care în cazul nostru este de 365nm. Puteți calcula energia folosind acest frumos calculator online. În cazul nostru este E = 3, 397 eV.

Odată ce electronul sare, există un electron liber și o gaură liberă unde a fost odată:

electron e-

gaura h +

Și aceste două, la rândul lor, sunt lovite de alte molecule care sunt părți ale aerului care sunt:

Molecula H2O de vapori de apă

OH- Hidroxid

Molecula de oxigen O2

Câteva reacții redox au loc (aflați mai multe despre ele în acest videoclip).

Oxidare:

Vaporii de apă plus o gaură oferă radical hidroxil plus ion hidrogen hidratat: H2O + h + → * OH + H + (aq)

Hidroxidul plus o gaură dă radical hidroxil: OH- + h + → * OH

Reducere:

molecula de oxigen plus un electron dă anion superoxid: O2 + e- → O2-

Aceste două lucruri noi formate (radical hidroxil și anion superoxid) sunt radicali liberi. Un radical liber este un atom, o moleculă sau ioni cu un singur electron nepereche, acest lucru este nebun instabil, așa cum sa spus în acest videoclip foarte amuzant Crush Course.

Radicalii liberi sunt principalii responsabili pentru multe reacții în lanț care au loc în chimie, de exemplu polimerizarea, care se întâmplă atunci când monomerii se unesc unul cu altul pentru a forma un polimer sau, cu alte cuvinte, pentru a face ceea ce numim mai larg plastic (dar asta este o altă poveste).

O2- lovește molecule și bacterii cu miros urât și rupe legăturile lor de carbon formând CO2 (dioxid de carbon)

* OH lovește molecule și bacterii cu miros urât și rupe legăturile lor de hidrogen formând H2O (vapori de apă)

Unirea radicalilor liberi cu compușii sau organismele carbonului se numește mineralizare și tocmai aici se întâmplă uciderea.

Pentru informații suplimentare am atașat PDF-ul lucrărilor științifice pe care le-am citat în introducere.

Pasul 2: consumabile

Pentru a realiza acest proiect, veți avea nevoie de:

- Carcasă imprimată 3D

- Capac imprimat 3D

- aluminiu anodizat tăiat cu laser gros de 2 mm

- ecran de mătase (opțional, până la urmă nu l-am folosit)

- 5 bucăți de LED UV de mare putere 365nm

- Stele PCB cu amprentă 3535 sau LED-uri deja montate pe o stea

- bandă adezivă termică pe două fețe

- Filtru fotocatalizator TiO2

- Alimentare 20W 5V

- Conector UE 5 / 2.1mm

- Ventilator 40x10mm

- tuburi cu țipat termic

- șuruburi și piulițe M3 cu capul afundat

- 5 rezistențe 1W 5ohm

- 1 rezistor de 0,5W 15ohm

- fire mici

Am adăugat linkurile pentru achiziționarea unor lucruri, dar nu rulez niciun program afiliat cu furnizorii. Am pus link-urile doar pentru că dacă cineva ar dori să reproducă purificatorul de aer în acest mod poate avea o idee despre aprovizionare și costuri.

Pasul 3: Proiectarea 3D a purificatorului de aer

Puteți găsi întregul fișier de asamblare în format.x_b în realizare.

Este posibil să observați că a trebuit să optimizez carcasa pentru imprimarea 3D. Am făcut pereții mai groși și am decis să nu netezesc unghiul de la bază.

Radiatorul este tăiat cu laser și frezat. Există o coborâre de 1 mm pe aluminiu anodizat de 2 mm (ZONA ROȘIE) care permite o îndoire mai bună. Îndoirea a fost realizată manual cu clește și menghină.

Un prieten de-al meu m-a făcut să observ că modelul de pe partea din față a carcasei este similar cu tatuajul pe care Leeloo îl poartă în filmul The Fifth Element. Amuzantă coincidență!

Pasul 4: Circuit electronic

Circuitul electronic este foarte ușor. Avem o sursă de tensiune constantă de 5V și în paralel vom plasa 5 LED-uri și un ventilator. Printr-o grămadă de rezistențe și cu câteva calcule matematice, decidem cât de mult curent vom alimenta în LED-uri și în ventilator.

LED-urile

Privind foaia de date cu LED-uri, vedem că le putem conduce până la 500 mA maximum, dar am decis să le conduc la jumătate de putere (≈250mA). Motivul este că avem un mic radiator, care este în esență placa de aluminiu la care sunt atașate. Dacă conducem LED-ul la 250mA, tensiunea înainte a LED-ului este de 3,72V. Conform rezistenței pe care decidem să o punem pe acea ramură a circuitului, obținem curentul.

5V - 3.72V = 1.28V este potențialul de tensiune pe care îl avem pe rezistor

Legea ohmului R = V / I = 1,28 / 0,25 = 6,4ohm

Voi folosi valoarea comercială a rezistenței de 5ohm

Puterea rezistorului = R I ^ 2 = 0,31 W (am folosit de fapt rezistențe de 1 W, am lăsat o anumită marjă pentru că LED-ul ar putea încălzi destul de puțin zona).

FANUL

Tensiunea sugerată de ventilator este de 5V și 180mA curent, dacă este acționată cu această putere, poate deplasa aerul la debitul de 12m3 / h. Am observat că mergând la această viteză, ventilatorul era prea zgomotos (27dB), așa că am decis să scad un pic alimentarea cu tensiune și alimentarea cu curent a ventilatorului, pentru a face acest lucru, am folosit un rezistor de 15ohm. Pentru a înțelege valoarea necesară am folosit un potențiometru și am văzut când aș avea aproximativ jumătate din curent, 100mA.

Puterea rezistorului = R I ^ 2 = 0,15 W (am folosit rezistorul de 0,5 W aici)

Deci debitul final real al ventilatorului rezultă 7,13 m3 / h.

Pasul 5: lipiți și asamblați

Am folosit cabluri subțiri pentru a uni LED-urile și a face întregul circuit și am lipit totul cât mai organizat posibil. Puteți vedea că rezistențele sunt protejate în interiorul tuburilor termocontractabile. Rețineți că trebuie să lipiți anodul și chatodul LED-urilor la polii din dreapta. Anodii merg la un capăt de rezistență și catodii merg la GND (-5V în cazul nostru). Pe LED există un semn anodic, găsiți locația acestuia în căutarea acestuia în foaia tehnică LED. LED-urile sunt atașate la radiator cu bandă adezivă termică pe două fețe.

De fapt, am folosit un conector DC (cel transparent) pentru a elimina cu ușurință întregul bloc prezentat în prima imagine (radiator, LED-uri și ventilator), cu toate acestea acest element poate fi evitat.

Conectorul negru de alimentare principală 5 / 2.1 EU DC a fost lipit într-o gaură pe care am forat-o manual.

Găurile laterale pe care le-am făcut în capac pentru a fixa capacul cu șuruburi de carcasă au fost, de asemenea, găurite manual.

Efectuarea tuturor lipirii în acel spațiu mic a fost o mică provocare. Sper că îți va face plăcere să o îmbrățișezi.

Pasul 6: Dispozitivul este complet

Felicitări! Conectați-l și începeți purificarea aerului.

Debitul de aer este de 7,13 m3 / h, deci o cameră de 3x3x3m ar trebui purificată în aproximativ 4h.

Când purificatorul este pornit, am observat că din el iese un miros care îmi amintește de ozon.

Sper că v-a plăcut acest Instructable și dacă sunteți și mai curioși, există o secțiune suplimentară despre un experiment pe care l-am făcut.

Dacă nu sunteți dispus să vă construiți propriul purificator de aer, dar doriți doar să îl obțineți imediat, îl puteți cumpăra de pe Etsy. Am făcut un cuplu, așa că nu ezitați să vizitați pagina.

La revedere și ai grijă, Pietro

Pasul 7: Experiment: Efortul de purificare a pantofilor puturoși

În această secțiune suplimentară aș dori să arăt un experiment amuzant pe care l-am făcut cu purificatorul.

Inițial am pus un pantof foarte împuțit - vă asigur că chiar mirosea urât - într-un cilindru acrilic ermetic cu un volum de 0,0063 m3. Ce ar trebui să facă acel pantof care să miroasă sunt molecule mari care conțin sulf și carbon, precum și bioefluenți și bacterii care provin de la piciorul care purta acel pantof. Ceea ce mă așteptam să văd când am pornit purificatorul a fost VOC pentru a reduce și CO2 pentru a crește.

Am lăsat pantoful acolo în cilindru timp de 30 de minute pentru a ajunge la „echilibrul duhoare” din interiorul recipientului. Și printr-un senzor am observat o creștere masivă a CO2 (+ 333%) și a COV (+ 120%).

La minutul 30 am plasat în interiorul cilindrului purificatorul de aer și l-am pornit timp de 5 minute. Am observat o creștere suplimentară a CO2 (+ 40%) și a COV (+ 38%).

Am îndepărtat pantoful puturos și am lăsat purificatorul pornit timp de 9 minute, iar CO2 și COV continuau să crească dramatic.

Deci, conform acestui experiment, se întâmpla ceva în interiorul acelui cilindru. Dacă VOC și bacteriile sunt distruse prin procesul de mineralizare, teoria ne spune că se formează CO2 și H2O, deci s-ar putea spune că funcționează deoarece experimentul arată că CO2 se formează în continuare, dar de ce și VOC a crescut în continuare? Motivul poate fi că am folosit un senzor greșit. Senzorul pe care l-am folosit este cel prezentat în imagine și, din câte am înțeles, estimează CO2 în funcție de un procent de VOC folosind niște algoritmi interni și, de asemenea, ating cu ușurință saturația VOC. Algoritmul, care este dezvoltat și integrat în modulul senzor, a interpretat datele brute, de ex. Valoarea rezistenței la semiconductori a oxidului metalic, în valoare echivalentă CO2, efectuând testul de comparație cu senzorul de gaz NDIR CO2 și valoarea VOC totală pe baza testului de comparație cu instrumentul FID. Cred că nu am folosit echipamente suficient de sofisticate și precise.

Oricum a fost amuzant să încerci să testezi sistemul în acest fel.

Premiul întâi la Provocarea de curățare de primăvară