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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:33

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 Instructableu ću vas naučiti kako izgraditi pročistač zraka koji radi s fotokatalitičkim filterom TiO2 (Titanium Dioxide) i UVA LED diodama. Reći ću vam kako napraviti vlastiti pročišćivač, a također ću vam pokazati i eksperiment. Prema znanstvenoj literaturi, ovaj bi filter trebao ukloniti loše mirise i ubiti bakterije i viruse u zraku koji prolazi kroz njega, uključujući i obitelj 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 naslovom Učinak inaktivacije fotokatalitičkog titanovog apatitnog filtera na SARS virus, u kojem su istraživači ustvrdili 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 zbog svoje multidisciplinarnosti: on okuplja pojam kemije, elektronike i strojarskog dizajna.

Koraci:

1. Fotokataliza s TiO2 i UV svjetlom

2. Potrošni materijal

3. 3D dizajn pročišćivača zraka

4. Elektronički krug

5. Lemiti i sastavljati

6. Uređaj dovršen

7. Napor pročišćavanja smrdljivih cipela

Korak 1: Fotokataliza s 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 molekulu TiO2 u orbiti gdje se elektron rotira. Foton snažno udara u elektron i tjera ga da skoči iz valentnog pojasa u područje vodljivosti, 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, a λ 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.

Nakon što elektron odskoči, postoji slobodni elektron i slobodna rupa na mjestu gdje je nekad bio:

elektron e-

rupa h+

A ove dvije pak pogađaju neke druge molekule koje su dijelovi zraka:

Molekula vodene pare H2O

OH- hidroksid

O2 molekula kisika

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

Oksidacija:

Vodena para plus rupa daje hidroksilni radikal plus hidratizirani vodikov ion: 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.

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 te razbija njihove ugljikove veze stvarajući CO2 (ugljični dioksid)

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

Spajanje slobodnih radikala s ugljikovim spojevima ili organizmima naziva se mineralizacija i upravo se tu događa ubijanje.

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

Korak 2: Opskrba

Za izradu ovog projekta trebat će vam:

- 3D tiskana futrola

- 3D tiskani poklopac

- laserski rezani eloksirani aluminij debljine 2 mm

- svileni zaslon (nije obavezno, na kraju ga nisam koristio)

- 5 komada UV LED velike snage 365nm

- PCB zvijezde s otiskom 3535 ili LED diode već montirane na zvijezdu

- termo dvostrana ljepljiva traka

- TiO2 filter za fotokatalizator

- Napajanje 20W 5V

- EU konektor 5/2,1 mm

- Ventilator 40x10 mm

- cijevi s termičkim škripanjem

- vijci i matice s upuštenom glavom M3

- 5 1W 5ohm otpornika

- 1 0.5W 15ohm otpornik

- male žice

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

Korak 3: 3D dizajn pročišćivača zraka

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

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

Hladnjak je laserski izrezan i glodan. Na anodiziranom aluminiju od 2 mm (CRVENA ZONA) postoji spuštanje od 1 mm koje omogućuje bolje savijanje. Savijanje je izvedeno ručno kliještima i stegama.

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

Korak 4: Elektronički krug

Elektronički krug je vrlo jednostavan. Imamo napajanje konstantnog napona od 5V, a paralelno ćemo postaviti 5 LED dioda i ventilator. Kroz hrpu otpornika i s nekim matematičkim izračunima odlučujemo koliku bismo struju napajali u LED diode i u ventilator.

LED diode

Gledajući LED podatkovnu tablicu vidimo da ih možemo pokrenuti do maksimalno 500 mA, ali odlučio sam ih pokretati 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 250 mA, prednji napon LED je 3,72 V. Prema otporu koji odlučimo staviti na tu granu kruga 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).

NAVIJAČ

Predloženi napon ventilatora je 5V i 180mA struje, ako se pokreće ovom snagom, može pomicati zrak brzinom protoka od 12m3/h. Primijetio sam da je pri ovoj brzini ventilator bio previše bučan (27dB), pa sam odlučio malo smanjiti opskrbu naponom 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 termoskupljajućih cijevi. Imajte na umu da morate lemiti anodu i chatodu LED dioda na desne polove. Anode idu na jedan otpornički kraj, a katode na GND (-5V u našem slučaju). Na LED -u se nalazi oznaka anode, mjesto njenog pronalaska potražite u podatkovnom listu LED -a. LED diode su pričvršćene na hladnjak toplinskom dvostranom ljepljivom trakom.

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 konektor glavnog napajanja 5/2.1 EU DC zalijepljen je u rupu koju sam ručno izbušio.

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

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

Korak 6: Uređaj je dovršen

Čestitamo! Samo ga priključite i počnite pročišćavati zrak.

Brzina protoka zraka je 7,13 m3/h pa bi prostoriju od 3x3x3m trebalo pročistiti 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 spremni izgraditi vlastiti pročišćivač zraka, ali biste ga htjeli odmah nabaviti, mogli biste ga kupiti na Etsyju. Napravila 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 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 učiniti mirisnom su velike molekule koje sadrže sumpor i ugljik te bioefluente i bakterije koje dolaze iz stopala koje je nosilo tu cipelu. Ono što sam očekivao vidjeti kad sam uključio pročišćivač bio je smanjenje VOC -a i povećanje CO2.

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. Primijetio sam daljnje povećanje CO2 (+40%) i VOC (+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 koji je 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, provedbom usporednog testa s NDIR senzorom plina CO2 i ukupne vrijednosti VOC na temelju usporedbenog testa s instrumentom FID. Mislim da nisam koristio sofisticiranu i dovoljno točnu opremu.

U svakom slučaju, bilo je smiješno pokušati isprobati sustav na ovaj način.

Prva nagrada u izazovu proljetnog čišćenja