Титанов диоксид и UV пречиствател на въздуха: 7 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:50

Здравейте общност на Instructable, Надявам се, че всички сте добре при извънредните обстоятелства, в които живеем в този момент.

Днес ви представям приложен изследователски проект. В тази инструкция ще ви науча как да изградите пречиствател на въздух, работещ с фотокаталичен филтър TiO2 (титанов диоксид) и UVA светодиоди. Ще ви кажа как да направите свой собствен пречиствател и ще ви покажа и експеримент. Според научната литература този филтър трябва да премахне лошите миризми и да убие бактериите и вирусите във въздуха, който преминава през него, включително семейството на коронавирус.

В този изследователски документ можете да видите как тази технология може да се използва ефективно за унищожаване на бактерии, гъбички и вируси; те всъщност цитират изследване от 2004 г., озаглавено „Ефектът на инактивиране на фотокаталитичния титанов апатитен филтър върху вируса на SARS, в което изследователите заявяват, че 99,99% от вирусите на тежък остър респираторен синдром са били убити.

Бих искал да споделя този проект, тъй като смятам, че той би могъл да бъде особено интересен, защото се опитва да реши сериозен проблем и защото е мултидисциплинарен: обединява представите за химия, електроника и механичен дизайн.

Стъпките:

1. Фотокатализа с TiO2 и UV светлина

2. Консумативи

3. 3D дизайн на пречиствателя на въздуха

4. Електронна верига

5. Запоявайте и сглобявайте

6. Устройството е завършено

7. Уморителното усилие за пречистване на обувки

Стъпка 1: Фотокатализа с TiO2 и UV светлина

В този раздел ще обясня теорията зад реакцията.

Всичко е обобщено графично на изображението по -горе. По -долу ще обясня изображението.

По принцип фотонът с достатъчно енергия пристига в молекулата на TiO2 в орбитата, където се върти електрон. Фотонът силно удря електрона и го кара да скочи от валентната зона към зоната на проводимост, този скок е възможен, защото TiO2 е полупроводник и защото фотонът има достатъчно енергия. Енергията на фотона се определя от дължината на вълната му по следната формула:

E = hc/λ

където h е константата на планк, c е скоростта на светлината и λ е дължината на вълната на фотона, която в нашия случай е 365nm. Можете да изчислите енергията с помощта на този хубав онлайн калкулатор. В нашия случай е E = 3, 397 eV.

След като електронът скочи, има свободен електрон и свободна дупка, където някога е бил:

електронен е-

отвор h+

И тези две от своя страна са ударени от някои други молекули, които са части от въздуха, които са:

H2O молекула на водна пара

OH- хидроксид

O2 молекула кислород

Случват се няколко окислително -възстановителни реакции (научете повече за тях в този видеоклип).

Окисляване:

Водни пари плюс отвор дава хидроксилен радикал плюс хидратиран водороден йон: H2O + h + → *OH + H + (aq)

Хидроксид плюс отвор дава хидроксилен радикал: OH- + h + → *OH

Намаление:

кислородна молекула плюс електрон дава супероксиден анион: O2 + e- → O2-

Тези две нови форми (хидроксилен радикал и супероксиден анион) са свободни радикали. Свободният радикал е атом, молекула или йони с един недвоен електрон, това е лудо нестабилно, както е казано в този много забавен видеоклип за Crush Course.

Свободните радикали са главната отговорност за много верижни реакции, които се случват в химията, например полимеризация, която се случва, когато мономерите се съединяват един с друг, за да образуват полимер, или с други думи, за да направят това, което по -широко наричаме пластмаса (но това е друга история).

O2- удря големи молекули с лоша миризма и бактерии и разрушава техните въглеродни връзки, образувайки CO2 (въглероден диоксид)

*OH удря големи молекули и бактерии с лоша миризма и разрушава техните водородни връзки, образувайки H2O (водни пари)

Съединението на свободните радикали с въглеродните съединения или организми се нарича минерализация и точно тук се случва убиването.

За допълнителна информация прикачих PDF файла на научните статии, които цитирах във въведението.

Стъпка 2: Консумативи

За да направите този проект, ще ви трябва:

- 3D печатна кутия

- 3D отпечатан капак

- лазерно изрязан анодизиран алуминий с дебелина 2 мм

- копринен екран (по избор, в крайна сметка не го използвах)

- 5 броя ултра LED с висока мощност 365nm

- PCB звезди с 3535 отпечатък или светодиоди, вече монтирани на звезда

- термична двустранна лепяща лента

- TiO2 филтър за фотокатализатор

- Захранване 20W 5V

- ЕС конектор 5/2.1 мм

- Вентилатор 40х10мм

- термоскърцащи тръби

- болтове и гайки с потапяща глава M3

- 5 1W 5ohm резистора

- 1 0.5W 15ohm резистор

- малки проводници

Добавих връзките за закупуване на някои неща, но не изпълнявам партньорска програма с доставчиците. Поставих връзките само защото, ако някой иска да възпроизведе пречиствателя на въздуха по този начин, може да има представа за доставките и разходите.

Стъпка 3: 3D дизайн на пречиствателя на въздуха

Можете да намерите целия монтажен файл във формат.x_b в постижението.

Може да забележите, че трябваше да оптимизирам кутията за 3D печат. Направих стените по -дебели и реших да не изглаждам ъгъла в основата.

Радиаторът е лазерно изрязан и фрезован. На 2 мм анодизиран алуминий (ЧЕРВЕНА ЗОНА) има спускане с 1 мм, което позволява по -добро огъване. Огъването е извършено ръчно с клещи и менгеме.

Един мой приятел ме накара да забележа, че шарката в предната част на кутията е подобна на татуировката, която Лийлу носи във филма „Петият елемент“. Смешно съвпадение!

Стъпка 4: Електронна схема

Електронната схема е много лесна. Имаме захранване с постоянно напрежение от 5V и паралелно ще поставим 5 светодиода и вентилатор. Чрез куп резистори и с някои математически изчисления решаваме колко ток ще подадем в светодиодите и във вентилатора.

Светодиодите

Гледайки LED листа с данни, виждаме, че можем да ги задвижваме до 500mA максимум, но реших да ги управлявам с половин мощност (≈250mA). Причината е, че имаме малък радиатор, който по същество е алуминиевата плоча, към която са прикрепени. Ако управляваме светодиода при 250mA, напрежението на светодиода напред е 3.72V. Според съпротивлението, което решаваме да окажем на този клон на веригата, получаваме тока.

5V - 3.72V = 1.28V е потенциалът на напрежението, който имаме на резистора

Омов закон R = V/I = 1.28/0.25 = 6.4ohm

Ще използвам търговската стойност на съпротивлението от 5ohm

Мощност на резистора = R I^2 = 0,31 W (всъщност съм използвал 1W резистори, оставих малко поле, защото светодиодът можеше да загрее зоната доста).

ФЕНЪТ

Предложеното от вентилатора напрежение е 5V и 180mA ток, ако се задвижва с тази мощност, той може да движи въздуха със скорост на потока 12m3/h. Забелязах, че при тази скорост вентилаторът беше твърде шумен (27dB), затова реших да понижа малко захранването и тока на вентилатора, за да направя това, използвах резистор от 15ohm. За да разбера необходимата стойност, използвах потенциометър и видях кога ще имам около половината от тока, 100mA.

Мощност на резистора = R I^2 = 0,15 W (тук съм използвал резистор 0,5 W)

Така действителният краен дебит на вентилатора води до 7,13 m3/h.

Стъпка 5: Запоявайте и сглобявайте

Използвал съм тънки кабели, за да свържа светодиодите заедно и да направя цялата верига и да запоя всичко възможно най -организирано. Можете да видите, че резисторите са защитени вътре в термосвиваеми тръби. Имайте предвид, че трябва да запоявате анода и чатода на светодиодите към десните полюси. Анодите отиват към единия край на резистора, а катодите отиват към GND (-5V в нашия случай). На светодиода има аноден знак, намерете местоположението му, като го търсите, в листа с данни за LED. Светодиодите са прикрепени към радиатора с термична двустранна лепяща лента.

Всъщност използвах DC конектор (прозрачния), за да премахна лесно целия блок, показан на първата снимка (радиатор, светодиоди и вентилатор), но този елемент може да бъде избегнат.

Черният конектор за основно захранване с постоянен ток 5/2.1 EU е залепен в отвор, който пробих ръчно.

Страничните дупки, които направих в капака, за да фиксирам капака с винтове към кутията, също бяха пробити ръчно.

Извършването на цялото запояване в това малко пространство беше малко предизвикателство. Надявам се да ви хареса да го прегърнете.

Стъпка 6: Устройството е готово

Честито! Просто го включете и започнете да пречиствате въздуха.

Дебитът на въздуха е 7,13 m3/h, така че помещение от 3x3x3m трябва да се пречисти за около 4 часа.

Когато пречиствателят е включен, забелязах, че от него излиза миризма, която ми напомня за озона.

Надявам се, че този Instructable ви е харесал и ако сте още по -любопитни, има допълнителен раздел за експеримент, който направих.

Ако не желаете да създадете свой собствен пречиствател на въздух, но бихте искали просто да го получите веднага, можете да го купите на Etsy. Направих двойка, така че не се колебайте да посетите страницата.

Чао и се грижи, Пиетро

Стъпка 7: Експериментирайте: усилието за пречистване на вонящите обувки

В този допълнителен раздел бих искал да покажа един малко забавен експеримент, който направих с пречиствателя.

Първоначално сложих много воняща обувка - уверявам ви, че наистина миришеше - в херметичен акрилен цилиндър с обем 0,0063 м3. Това, което трябва да направи тази обувка, която мирише, са големи молекули, съдържащи сяра и въглерод, а също и биоенергии и бактерии, идващи от стъпалото, което носи тази обувка. Това, което очаквах да видя, когато включих пречиствателя, беше VOC за намаляване и CO2 за увеличаване.

Оставих обувката там в цилиндъра за 30 минути, за да достигна "вонящия баланс" вътре в контейнера. И чрез сензор забелязах огромно увеличение на CO2 (+333%) и ЛОС (+120%).

На минута 30 поставих вътре в цилиндъра пречиствателя на въздуха и го включих за 5 минути. Забелязах по -нататъшно увеличение на CO2 (+40%) и ЛОС (+38%).

Извадих смърдящата обувка и оставих пречиствателя включен за 9 минути и CO2 и ЛОС продължиха да се увеличават драстично.

Така че според този експеримент нещо се случва вътре в този цилиндър. Ако ЛОС и бактериите се унищожават в процеса на минерализация, теорията ни казва, че се образуват CO2 и H2O, така че може да се каже, че работи, тъй като експериментът показва, че CO2 продължава да се образува, но защо ЛОС продължава да се увеличава? Причината може да е, че съм използвал грешен сензор. Сензорът, който използвах, е този, показан на снимката и от това, което разбрах, той изчислява CO2 според процент на ЛОС, използвайки някои вътрешни алгоритми, а също така лесно достига до насищане с ЛОС. Алгоритъмът, който е разработен и интегриран в сензорния модул, интерпретира необработените данни, напр. стойност на съпротивлението на полупроводника от метален оксид, в еквивалентна на CO2 стойност, като се направи сравнителен тест с NDIR CO2 сензор за газ и обща VOC стойност въз основа на сравнителния тест с инструмента FID. Мисля, че не съм използвал достатъчно сложно и точно оборудване.

Във всеки случай беше смешно да се опитаме да тестваме системата по този начин.

Първа награда в предизвикателството за пролетно почистване