Oxid titaničitý a UV čistička vzduchu: 7 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:56

Dobrý deň, komunita poučiteľných, Dúfam, že ste v núdzových situáciách, v ktorých žijeme, všetci v poriadku.

Dnes vám prinášam projekt aplikovaného výskumu. V tomto návode vás naučím, ako vytvoriť čističku vzduchu pracujúcu s fotokatalyzačným filtrom TiO2 (oxid titaničitý) a LED diódami UVA. Poviem vám, ako si vyrobiť vlastnú čističku, a tiež vám ukážem experiment. Podľa vedeckej literatúry by tento filter mal odstraňovať zápach a zabíjať baktérie a vírusy vo vzduchu, ktorý ním prechádza, vrátane rodiny koronavírusov.

V tomto výskumnom príspevku vidíte, ako možno túto technológiu efektívne použiť na ničenie baktérií, húb a vírusov; skutočne citujú výskum z roku 2004 s názvom Inaktivačný účinok fotokatalytického titánového apatitového filtra na vírus SARS, v ktorom vedci uvádzajú, že bolo zabitých 99,99% vírusov závažného akútneho respiračného syndrómu.

Rád by som sa podelil o tento projekt, pretože verím, že by mohol byť obzvlášť zaujímavý, pretože sa pokúša vyriešiť vážny problém a pretože je multidisciplinárny: spája koncept chémie, elektroniky a mechanického dizajnu.

Kroky:

1. Fotokatalýza s TiO2 a UV svetlom

2. Dodávky

3. 3D návrh čističky vzduchu

4. Elektronický obvod

5. Spájkujte a zostavte

6. Zariadenie je kompletné

7. Úsilie o čistenie páchnucej obuvi

Krok 1: Fotokatalýza s TiO2 a UV svetlom

V tejto časti vysvetlím teóriu reakcie.

Všetko je graficky zhrnuté na obrázku vyššie. Nižšie vysvetlím obrázok.

V zásade fotón s dostatkom energie dorazí do molekuly TiO2 na obežnú dráhu, kde sa točí elektrón. Fotón tvrdo narazí na elektrón a preskočí z valenčného pásma do vodivého pásma. Tento skok je možný, pretože TiO2 je polovodič a pretože fotón má dostatok energie. Energia fotónu je určená jeho vlnovou dĺžkou podľa tohto vzorca:

E = hc/λ

kde h je Plankova konštanta, c je rýchlosť svetla a λ je vlnová dĺžka fotónu, ktorá je v našom prípade 365 nm. Energiu môžete vypočítať pomocou tejto príjemnej online kalkulačky. V našom prípade je to E = 3, 397 eV.

Akonáhle elektrón odskočí, zostane voľný elektrón a voľná diera tam, kde kedysi bol:

elektrón e-

diera h+

A tieto dve sú zasiahnuté ďalšími molekulami, ktoré sú časťami vzduchu, ktorými sú:

Molekula vodnej pary H2O

OH- hydroxid

Molekula kyslíka O2

Existuje niekoľko redoxných reakcií (viac o nich sa dozviete v tomto videu).

Oxidácia:

Vodná para plus diera dáva hydroxylový radikál a hydratovaný vodíkový ión: H2O + h + → *OH + H + (aq)

Hydroxid plus diera dáva hydroxylový radikál: OH- + h + → *OH

Zníženie:

molekula kyslíka plus elektrón dáva superoxidový anión: O2 + e- → O2-

Tieto dve nové veci (hydroxylový radikál a superoxidový anión) sú voľné radikály. Voľný radikál je atóm, molekula alebo ióny s jediným nepárovým elektrónom. Je to šialene nestabilné, ako sa hovorí v tomto veľmi zábavnom videu o rozdrvení.

Voľné radikály sú hlavnými zodpovednými za mnohé reťazové reakcie, ku ktorým dochádza v chémii, napríklad za polymerizáciu, ku ktorej dochádza vtedy, keď sa monoméry spoja jeden s druhým za vzniku polyméru, alebo inými slovami za účelom výroby toho, čo v širšom zmysle nazývame plastom (ale to je iný príbeh).

O2- zasahuje veľké molekuly zápachu a baktérie a rozbije ich uhlíkové väzby za vzniku CO2 (oxidu uhličitého)

*OH zasahuje veľké molekuly zápachu a baktérie a rozbije ich vodíkové väzby za vzniku H2O (vodná para)

Spojenie voľných radikálov s uhlíkovými zlúčeninami alebo organizmami sa nazýva mineralizácia a práve tu dochádza k zabíjaniu.

Pre ďalšie informácie som pripojil PDF vedeckých prác, ktoré som citoval v úvode.

Krok 2: Spotrebný materiál

Na realizáciu tohto projektu budete potrebovať:

- 3D tlačené puzdro

- 3D tlačené veko

- laserom rezaný eloxovaný hliník s hrúbkou 2 mm

- hodvábna obrazovka (voliteľné, prípadne som ju nepoužil)

- 5 kusov vysoko výkonných UV LED 365 nm

- Hviezdy PCB so stopou 3535 alebo LED diódy už namontované na hviezde

- tepelná obojstranná lepiaca páska

- Filter fotokatalyzátora TiO2

- Napájanie 20W 5V

- konektor EU 5/2,1 mm

- ventilátor 40 x 10 mm

- termálne vrieskajúce trubice

- skrutky a matice so zapustenou hlavou M3

- 5 1W 5ohm odporov

- 1 0,5 W odpor 15 ohmov

- malé drôty

Pridal som odkazy na nákup niektorých vecí, ale nespúšťam žiadny partnerský program s dodávateľmi. Odkazy som vložil len preto, že ak by niekto chcel replikovať čističku vzduchu týmto spôsobom, môže mať predstavu o dodávkach a nákladoch.

Krok 3: 3D návrh čističky vzduchu

Celý súbor zostavy nájdete vo formáte.x_b.

Môžete si všimnúť, že som musel optimalizovať puzdro pre 3D tlač. Steny som urobil hrubšími a rozhodol som sa nevyhladiť uhol v základni.

Chladič je rezaný laserom a frézovaný. Na 2 mm anodizovanom hliníku (ČERVENÁ ZÓNA) je zníženie o 1 mm, čo umožňuje lepšie ohýbanie. Ohýbanie sa vykonáva ručne kliešťami a zverákom.

Môj priateľ ma upozornil, že vzor na prednej strane puzdra je podobný tetovaniu, ktoré nosí Leeloo vo filme Piaty prvok. Vtipná náhoda!

Krok 4: Elektronický obvod

Elektronický obvod je veľmi jednoduchý. Máme napájanie s konštantným napätím 5V a paralelne ideme umiestniť 5 LED diód a ventilátor. Prostredníctvom zväzku rezistorov a s niekoľkými matematickými výpočtami sa rozhodneme, aký veľký prúd by sme priviedli do diód LED a do ventilátora.

LED diódy

Pri pohľade na technický list LED vidíme, že ich môžeme napájať maximálne do 500mA, ale rozhodol som sa ich poháňať na polovičný výkon (≈250mA). Dôvodom je, že máme malý chladič, čo je v zásade hliníkový plech, na ktorom sú pripevnené. Ak napájame LED na 250mA, predné napätie LED je 3,72V. Podľa odporu, ktorý sa rozhodneme klásť na túto vetvu obvodu, získame prúd.

5V - 3,72V = 1,28V je potenciál napätia, ktorý máme na odpore

Ohmov zákon R = V/I = 1,28/0,25 = 6,4 ohmov

Budem používať komerčnú hodnotu odporu 5 ohmov

Výkon rezistora = R I^2 = 0,31 W (v skutočnosti som použil rezistory s výkonom 1 W, ponechal som určité rozpätie, pretože dióda LED môže dosť zahriať oblasť).

VENTILÁTOR

Navrhované napätie ventilátora je 5 V a prúd 180 mA, ak je poháňané týmto výkonom, môže pohybovať vzduchom s prietokom 12 m3/h. Všimol som si, že pri tejto rýchlosti je ventilátor príliš hlučný (27 dB), a tak som sa rozhodol trochu znížiť napätie a prúdové napájanie ventilátora, aby som to urobil, použil som odpor 15 ohmov. Aby som pochopil potrebnú hodnotu, použil som potenciometer a zistil som, kedy budem mať asi polovicu prúdu, 100mA.

Výkon rezistora = R I^2 = 0,15 W (tu som použil odpor 0,5 W)

Skutočný konečný prietok ventilátora teda dosiahne 7,13 m3/h.

Krok 5: Spájkujte a zostavte

Na spojenie diód LED a vytvorenie celého obvodu som použil tenké káble a všetko som spájkoval čo najorganizovanejšie. Môžete vidieť, že odpory sú chránené vo vnútri zmršťovacej trubice. Uvedomte si, že anódu a chatódu LED musíte spájkovať na správne póly. Anódy idú na jeden koniec rezistora a katódy na GND (v našom prípade -5V). Na dióde LED je anódová značka, vyhľadajte jej umiestnenie vyhľadaním v technickom liste diódy LED. LED diódy sú k chladiču pripevnené tepelnou obojstrannou lepiacou páskou.

V skutočnosti som použil konektor DC (priehľadný) na ľahké odstránenie celého bloku zobrazeného na prvom obrázku (chladič, diódy LED a ventilátor), tomuto prvku sa však dá vyhnúť.

Čierny hlavný napájací konektor 5/2,1 EU DC bol prilepený do otvoru, ktorý som vyvŕtal ručne.

Bočné otvory, ktoré som urobil vo veku na pripevnenie veka skrutkami k puzdru, boli tiež vyvŕtané ručne.

Vyrobiť všetky spájky v takom malom priestore bola malá výzva. Dúfam, že sa vám to bude páčiť.

Krok 6: Zariadenie je kompletné

Gratulujem Stačí zapojiť a začať čistiť vzduch.

Prietok vzduchu je 7,13 m3/h, takže miestnosť 3x3x3m by ste mali vyčistiť asi za 4 hodiny.

Keď je čistička zapnutá, všimol som si, že z nej vychádza zápach, ktorý mi pripomína ozón.

Dúfam, že sa vám tento Instructable páčil, a ak ste ešte zvedavejší, je tu ďalšia časť o experimente, ktorý som urobil.

Ak nie ste ochotní postaviť si vlastnú čističku vzduchu, ale chceli by ste ju hneď získať, môžete si ju kúpiť na Etsy. Vytvoril som pár, takže neváhajte navštíviť stránku.

Zbohom a dávaj si pozor, Pietro

Krok 7: Experiment: Úsilie o čistenie páchnucej obuvi

V tejto extra časti by som chcel ukázať malý zábavný experiment, ktorý som urobil s čističkou.

Pôvodne som veľmi smradľavú topánku - ubezpečujem vás, že naozaj zapáchala - vložil do hermetického akrylového valca s objemom 0,0063 m3. Čo by malo zapáchať v tejto topánke, sú veľké molekuly obsahujúce síru a uhlík a tiež biologicky účinné látky a baktérie pochádzajúce z chodidla, ktoré túto obuv nosilo. To, čo som očakával, že keď zapnem čističku, bolo zníženie obsahu VOC a zvýšenie CO2.

Nechal som tam topánku vo valci 30 minút, aby som dosiahol „rovnováhu zápachu“vo vnútri nádoby. A prostredníctvom senzora som zaznamenal masívny nárast CO2 (+333%) a VOC (+120%).

V 30. minúte som vložil do valca čističku vzduchu a zapol som ju na 5 minút. Zaznamenal som ďalší nárast CO2 (+40%) a VOC (+38%).

Odstránil som páchnucu topánku a čističku som nechal zapnutú 9 minút a CO2 a VOC sa stále dramaticky zvyšovali.

Podľa tohto experimentu sa teda niečo vo vnútri valca dialo. Ak sú VOC a baktérie ničené procesom mineralizácie, teória nám hovorí, že sa vytvára CO2 a H2O, takže by sme mohli povedať, že to funguje, pretože experiment ukazuje, že CO2 sa stále tvorí, ale prečo tiež VOC stále rastie? Dôvodom môže byť to, že som použil nesprávny snímač. Senzor, ktorý som použil, je zobrazený na obrázku a podľa toho, čo som pochopil, odhaduje CO2 podľa percenta VOC pomocou niektorých interných algoritmov a tiež ľahko dosahuje saturáciu VOC. Algoritmus, ktorý je vyvinutý a integrovaný do senzorového modulu, interpretuje nespracované údaje, napr. hodnota odporu polovodiča oxidu kovu, v ekvivalentnej hodnote CO2 vykonaním porovnávacieho testu proti plynovému senzoru NDIR CO2 a celkovej hodnoty VOC na základe porovnávacieho testu s prístrojom FID. Myslím si, že som nepoužil dostatočne sofistikované a presné zariadenie.

V každom prípade bolo zábavné pokúsiť sa otestovať systém týmto spôsobom.

Prvá cena v rámci výzvy Jarné upratovanie