Titanium dioksid i UV pročišćivač zraka: 7 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:05

Pozdrav zajednica Instructable, Nadam se da ste svi dobro u hitnim okolnostima u kojima živimo u ovom trenutku.

Danas vam predstavljam primijenjeni istraživački projekt. U ovom uputstvu ću vas naučiti kako izgraditi pročišćivač zraka koji radi s fotokatalitičkim filterom TiO2 (Titanium Dioxide) i UVA LED diodama. Reći ću vam kako sami napraviti pročišćivač, a pokazaću vam i eksperiment. Prema naučnoj literaturi, ovaj filter trebao bi ukloniti loše mirise i ubiti bakterije i viruse u zraku koji prolazi kroz njega, uključujući i porodicu koronavirusa.

U ovom istraživačkom radu možete vidjeti kako se ova tehnologija može učinkovito koristiti za ubijanje bakterija, gljivica i virusa; oni zapravo citiraju istraživanje iz 2004. pod nazivom Učinak inaktivacije fotokatalitičkog titanijumskog apatitnog filtera na SARS virus, u kojem su istraživači naveli da je 99,99% virusa teškog akutnog respiratornog sindroma ubijeno.

Htio bih podijeliti ovaj projekt jer vjerujem da bi mogao biti posebno zanimljiv jer pokušava riješiti ozbiljan problem i jer je multidisciplinaran: okuplja pojme kemije, elektronike i mehaničkog dizajna.

Koraci:

1. Fotokataliza sa TiO2 i UV svetlom

2. Potrošni materijal

3. 3D dizajn pročišćivača zraka

4. Elektronsko kolo

5. Lemiti i sastavljati

6. Uređaj je kompletan

7. Napor pročišćavanja smrdljivih cipela

Korak 1: Fotokataliza sa TiO2 i UV svjetlom

U ovom odjeljku ću objasniti teoriju koja stoji iza reakcije.

Sve je grafički sažeto prikazano na gornjoj slici. U nastavku ću objasniti sliku.

U osnovi, foton s dovoljno energije stiže u molekul TiO2 u orbiti gdje se elektron rotira. Foton snažno udara u elektron i tjera ga da skoči iz valentnog pojasa u provodni pojas, taj skok je moguć jer je TiO2 poluvodič i jer foton ima dovoljno energije. Energija fotona određena je njegovom valnom duljinom prema ovoj formuli:

E = hc/λ

gdje je h Plankova konstanta, c je brzina svjetlosti i λ je valna duljina fotona, koja je u našem slučaju 365nm. Možete izračunati energiju pomoću ovog lijepog online kalkulatora. U našem slučaju to je E = 3, 397 eV.

Kada elektron odskoči, postoji slobodan elektron i slobodna rupa na mjestu gdje je nekad bio:

elektron e-

rupa h+

A ove dvije zauzvrat pogađaju neki drugi molekuli koji su dijelovi zraka koji su:

Molekul vodene pare H2O

OH- hidroksid

O2 molekula kisika

Dogodi se nekoliko redoks reakcija (saznajte više o njima u ovom videu).

Oksidacija:

Vodena para plus rupa daje hidroksilni radikal plus hidratizirani ion vodika: H2O + h + → *OH + H + (aq)

Hidroksid plus rupa daje hidroksilni radikal: OH- + h + → *OH

Smanjenje:

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

Ove dvije nove stvari (hidroksilni radikal i superoksidni anion) su slobodni radikali. Slobodni radikal je atom, molekula ili ioni s jednim nesparenim elektronom, ovo je ludo nestabilno kao što je rečeno u ovom vrlo smiješnom videu Crush Course -a.

Slobodni radikali glavni su odgovorni za mnoge lančane reakcije koje se događaju u kemiji, na primjer polimerizaciju, koja se događa kada se monomeri međusobno spoje kako bi stvorili polimer, ili drugim riječima da naprave ono što općenito nazivamo plastika (ali to je druga priča).

O2- pogađa velike molekule neugodnog mirisa i bakterije i razbija njihove ugljikove veze stvarajući CO2 (ugljični dioksid)

*OH pogađa velike molekule lošeg mirisa i bakterije i razbija njihove vodikove veze tvoreći H2O (vodena para)

Ujedinjenje slobodnih radikala s ugljikovim spojevima ili organizmima naziva se mineralizacija i tu se upravo ubija.

Za dodatne informacije priložio sam PDF naučnih radova koje sam citirao u uvodu.

Korak 2: Potrošni materijal

Za izradu ovog projekta potrebno vam je:

- 3D štampano kućište

- 3D štampani poklopac

- laserski rezani eloksirani aluminij debljine 2 mm

- svileni ekran (opcionalno, na kraju ga nisam koristio)

- 5 komada velike snage UV LED 365nm

- PCB zvijezde sa otiskom od 3535 ili LED diode koje su već montirane na zvijezdu

- dvostrana termička ljepljiva traka

- TiO2 filter za fotokatalizator

- Napajanje 20W 5V

- EU konektor 5/2,1 mm

- Ventilator 40x10mm

- termički cijevi koje škripe

- vijci i matice s upuštenom glavom M3

- 5 1W 5ohm otpornika

- 1 0.5W 15ohm otpornik

- male žice

Dodao sam veze za kupovinu nekih stvari, ali ne vodim nikakav partnerski program s dobavljačima. Veze sam stavio samo zato što ako neko želi replicirati pročišćivač zraka na ovaj način može imati ideju o zalihama i troškovima.

Korak 3: 3D dizajn pročišćivača zraka

Cijelu datoteku sklopa u formatu.x_b možete pronaći u postignuću.

Možda ćete primijetiti da sam morao optimizirati kućište za 3D ispis. Zidove sam učinio debljim i odlučio sam ne izgladiti kut u podnožju.

Hladnjak je laserski rezan i glodan. Na 2 mm eloksiranom aluminijumu (CRVENA ZONA) postoji spuštanje od 1 mm koje omogućava bolje savijanje. Savijanje je izvedeno ručno pomoću kliješta i stega.

Moj prijatelj me je primijetio da je uzorak na prednjoj strani kućišta sličan tetovaži koju Leeloo nosi u filmu Peti element. Smešna slučajnost!

Korak 4: Elektroničko kolo

Elektroničko kolo je vrlo jednostavno. Imamo napajanje konstantnog napona od 5V, a paralelno ćemo postaviti 5 LED dioda i ventilator. Kroz hrpu otpornika i nekim matematičkim proračunima odlučujemo koliku bismo struju napajali u LED diode i u ventilator.

LED diode

Gledajući LED tablicu s podacima vidimo da ih možemo podići do maksimalno 500 mA, ali odlučio sam da ih pokrećem sa pola snage (≈250 mA). Razlog je taj što imamo mali hladnjak, koji je u osnovi aluminijska ploča na koju su pričvršćeni. Ako LED pogonimo na 250mA, prednji napon LED -a je 3,72V. Prema otporu koji odlučimo staviti na tu granu struje dobivamo struju.

5V - 3.72V = 1.28V je naponski potencijal koji imamo na otporniku

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

Koristit ću komercijalnu vrijednost otpora od 5 ohma

Snaga otpornika = R I^2 = 0,31 W (zapravo sam koristio otpornike od 1 W, ostavio sam određenu marginu jer bi LED dioda mogla prilično zagrijati područje).

THE FAN

Predloženi napon ventilatora je 5V i 180mA struje, ako se pokreće ovom snagom, može pokretati zrak brzinom protoka od 12m3/h. Primijetio sam da je pri ovoj brzini ventilator bio previše bučan (27dB), pa sam odlučio malo smanjiti napon i struju ventilatora, pa sam za to upotrijebio otpornik od 15ohm. Da bih razumio potrebnu vrijednost, upotrijebio sam potenciometar i vidio sam kada ću imati oko polovice struje, 100mA.

Snaga otpornika = R I^2 = 0,15 W (ovdje sam koristio otpornik od 0,5 W)

Tako stvarni konačni protok ventilatora rezultira 7,13 m3/h.

Korak 5: Lemite i sastavite

Koristio sam tanke kabele za spajanje LED dioda i napravio cijeli krug te sam lemio sve što je moguće organiziranije. Možete vidjeti da su otpornici zaštićeni unutar termoskupljajuće cijevi. Imajte na umu da anodu i chatod LED diode morate lemiti na desne polove. Anode idu na jedan otpornički kraj, a katode na GND (-5V u našem slučaju). Na LED -u se nalazi anodna oznaka, potražite njenu lokaciju tražeći je u podatkovnom listu LED -a. LED diode su pričvršćene na hladnjak pomoću dvostrane termičke ljepljive trake.

Zapravo sam koristio istosmjerni konektor (prozirni) za jednostavno uklanjanje cijelog bloka prikazanog na prvoj slici (hladnjak, LED diode i ventilator), međutim ovaj se element može izbjeći.

Crni 5/2.1 EU konektor za glavno napajanje istosmjernom strujom zalijepljen je u rupu koju sam ručno izbušio.

Bočne rupe koje sam napravio u poklopcu za pričvršćivanje poklopca vijcima na kućište također su izbušene ručno.

Izrada svih lemljenja na tom malom prostoru bio je mali izazov. Nadam se da ćete uživati prihvativši to.

Korak 6: Uređaj je kompletan

Čestitamo! Samo ga priključite i počnite pročišćavati zrak.

Brzina protoka vazduha je 7,13 m3/h, pa bi prostoriju od 3x3x3m trebalo očistiti za oko 4 sata.

Kad je pročistač uključen, primijetio sam da iz njega izlazi miris koji me podsjeća na ozon.

Nadam se da vam se svidio ovaj Instructable, a ako ste još znatiželjniji, postoji dodatni odjeljak o eksperimentu koji sam napravio.

Ako niste voljni izgraditi vlastiti pročišćivač zraka, ali želite samo odmah nabaviti, mogli biste ga kupiti na Etsyju. Napravio sam par pa slobodno posjetite stranicu.

Zbogom i čuvaj se, Pietro

Korak 7: Eksperiment: Napor čišćenja smrdljive cipele

U ovom dodatnom odjeljku želio bih pokazati mali smiješan eksperiment koji sam napravio s pročistačem.

U početku sam stavio vrlo smrdljivu cipelu - uvjeravam vas da je stvarno smrdio - u hermetički akrilni cilindar zapremine 0,0063 m3. Ono što bi tu cipelu trebalo smraditi su veliki molekuli koji sadrže sumpor i ugljik, a također i bioefluenti i bakterije koji dolaze iz stopala koje je nosilo tu cipelu. Ono što sam očekivao da ću vidjeti kada sam uključio pročišćivač je da se VOC smanji i CO2 poveća.

Ostavio sam cipelu u cilindru 30 minuta kako bih postigao "ravnotežu smrada" unutar spremnika. I preko senzora primijetio sam ogromno povećanje CO2 (+333%) i VOC (+120%).

U 30. minuti stavio sam u cilindar pročišćivač zraka i uključio ga na 5 minuta. Primetio sam dalje povećanje CO2 (+40%) i HOS (+38%).

Uklonio sam smrdljivu cipelu i ostavio pročišćivač uključen 9 minuta, a CO2 i VOC su se dramatično povećavali.

Prema ovom eksperimentu, nešto se događalo unutar tog cilindra. Ako se HOC i bakterije uništavaju procesom mineralizacije, teorija nam govori da nastaju CO2 i H2O, pa bi se moglo reći da djeluje jer eksperiment pokazuje da se CO2 nastavlja stvarati, ali zašto se i VOC stalno povećava? Razlog može biti taj što sam upotrijebio pogrešan senzor. Senzor koji sam koristio je onaj prikazan na slici i prema onome što sam shvatio procjenjuje CO2 prema postotku VOC -a koristeći neke interne algoritme i lako postiže zasićenje VOC -om. Algoritam, koji je razvijen i integriran u senzorski modul, interpretirao je neobrađene podatke, npr. vrijednost otpora poluvodiča metalnog oksida, u ekvivalentnoj vrijednosti CO2, pomoću usporedbenog testa sa NDIR senzorom CO2 za plin i ukupne vrijednosti VOC na temelju usporedbenog testa s instrumentom FID. Mislim da nisam koristio sofisticiranu i dovoljno preciznu opremu.

U svakom slučaju, bilo je smiješno pokušati testirati sistem na ovaj način.

Prva nagrada u izazovu prolećnog čišćenja