Titaanidioksidi ja UV -ilmanpuhdistin: 7 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:00

Hei Instructable -yhteisö, Toivon, että voitte kaikki hyvin hätätilanteissa, joita elämme tällä hetkellä.

Tänään esitän teille soveltavan tutkimusprojektin. Tässä ohjeessa opetan sinulle, kuinka rakentaa ilmanpuhdistin, joka toimii TiO2 (Titanium Dioxide) -valokatalyyttisuodattimen ja UVA -LEDien kanssa. Kerron sinulle, kuinka tehdä oma puhdistin, ja näytän myös sinulle kokeilun. Tieteellisen kirjallisuuden mukaan tämän suodattimen pitäisi poistaa pahat hajut ja tappaa bakteerit ja virukset sen läpi kulkevassa ilmassa, mukaan lukien koronavirusperhe.

Tässä tutkimuspaperissa näet, kuinka tätä tekniikkaa voidaan käyttää tehokkaasti bakteerien, sienien ja virusten tappamiseen; he todella lainaavat vuoden 2004 tutkimusta nimeltä The Intactivation Effect of Photocatalytic Titanium Apatite Filter on SARS Virus, jossa tutkijat toteavat, että 99,99% vakavista akuuteista hengitystieoireyhtymän viruksista tapettiin.

Haluaisin jakaa tämän projektin, koska uskon, että se voisi olla erityisen mielenkiintoinen, koska se yrittää ratkaista vakavan ongelman ja koska se on monitieteinen: se yhdistää käsitteen kemiasta, elektroniikasta ja mekaanisesta suunnittelusta.

Askeleet:

1. Fotokatalyysi TiO2- ja UV -valolla

2. Tarvikkeet

3. Ilmanpuhdistimen 3D -suunnittelu

4. Elektroninen piiri

5. Juotos ja koota

6. Laite valmis

7. Haiseva kenkäpuhdistus

Vaihe 1: Fotokatalyysi TiO2: lla ja UV -valolla

Tässä osassa selitän reaktion taustalla olevan teorian.

Kaikki on tiivistetty graafisesti yllä olevassa kuvassa. Alla selitän kuvan.

Pohjimmiltaan fotoni, jolla on riittävästi energiaa, saapuu TiO2 -molekyyliin kiertoradalla, jolla elektroni pyörii. Fotoni osuu elektroniin lujasti ja saa sen hyppäämään pois valenssikaistalta johtavuuskaistalle, tämä hyppy on mahdollinen, koska TiO2 on puolijohde ja koska fotonilla on tarpeeksi energiaa. Fotonin energia määräytyy sen aallonpituuden mukaan tämän kaavan mukaan:

E = hc/λ

missä h on lankkuvakio, c on valon nopeus ja λ on fotonin aallonpituus, joka meidän tapauksessamme on 365 nm. Voit laskea energian tämän mukavan online -laskimen avulla. Minun tapauksessamme se on E = 3, 397 eV.

Kun elektroni hyppää pois, on vapaa elektroni ja vapaa reikä, jossa se kerran oli:

elektroni e-

reikä h+

Ja nämä kaksi vuorostaan osuvat joihinkin muihin molekyyleihin, jotka ovat ilman osia, jotka ovat:

H2O vesihöyryn molekyyli

OH- hydroksidi

O2 -happimolekyyli

Muutamia redoksireaktioita tapahtuu (lisätietoja niistä tällä videolla).

Hapetus:

Vesihöyry ja reikä antavat hydroksyyliradikaalin ja hydratoidun vetyionin: H2O + h + → *OH + H + (aq)

Hydroksidi plus reikä antaa hydroksyyliradikaalin: OH- + h + → *OH

Vähennys:

happimolekyyli ja elektroni antavat superoksidianionin: O2 + e- → O2-

Nämä kaksi uutta muodostunutta asiaa (hydroksyyliradikaali ja superoksidianioni) ovat vapaita radikaaleja. Vapaa radikaali on atomi, molekyyli tai ionit, joissa on yksi pariton elektroni, tämä on hullua epävakaata, kuten tässä erittäin hauskalla Crush Course -videolla sanotaan.

Vapaat radikaalit ovat pääasiallisesti vastuussa monista kemiassa tapahtuvista ketjureaktioista, esimerkiksi polymeroitumisesta, joka tapahtuu, kun monomeerit yhdistyvät toisiinsa muodostaen polymeerin, tai toisin sanoen tehdäksemme sitä, mitä kutsumme laajemmin muoviksi (mutta se on toinen tarina)).

O2- osuu suuriin pahanhajuisiin molekyyleihin ja bakteereihin ja rikkoo niiden hiilisidokset muodostaen CO2 (hiilidioksidi)

*OH osuu suuriin pahanhajuisiin molekyyleihin ja bakteereihin ja katkaisee niiden vetysidokset muodostaen H2O (vesihöyry)

Vapaan radikaalin yhdistämistä hiiliyhdisteisiin tai organismeihin kutsutaan mineralisaatioksi, ja juuri tässä tappaminen tapahtuu.

Lisätietoja varten olen liittänyt esitteessä lainaamieni tieteellisten artikkelien PDF -tiedoston.

Vaihe 2: Tarvikkeet

Tämän projektin toteuttamiseksi tarvitset:

- 3D -painettu kotelo

- 3D -painettu kansi

- laserleikattu 2 mm paksu anodisoitu alumiini

- silkkipaino (valinnainen, lopulta en käyttänyt sitä)

- 5 kappaletta suuritehoista UV -LEDiä 365 nm

- PCB -tähdet 3535 jalanjäljellä tai LEDit, jotka on jo asennettu tähtiin

- kaksipuolinen lämpöteippi

- TiO2 -fotokatalyyttisuodatin

- Virtalähde 20W 5V

- EU -liitin 5/2,1 mm

- Tuuletin 40x10 mm

- lämpöhuutoputket

- upotetut M3 -pultit ja mutterit

- 5 1W 5ohm vastusta

- 1 0,5 W 15 ohmin vastus

- pienet johdot

Olen lisännyt linkkejä joidenkin tavaroiden ostamiseen, mutta en käytä mitään kumppaniohjelmaa myyjien kanssa. Laitoin linkit vain siksi, että jos joku haluaa toistaa ilmanpuhdistimen tällä tavalla, hänellä voi olla käsitys tarvikkeista ja kustannuksista.

Vaihe 3: Ilmanpuhdistimen 3D -suunnittelu

Löydät koko kokoonpanotiedoston muodossa.x_b.

Saatat huomata, että minun piti optimoida kotelo 3D -tulostusta varten. Tein seinistä paksumpia ja päätin olla tasoittamatta pohjan kulmaa.

Jäähdytyselementti leikataan ja jyrsitään. 2 mm: n anodisoidulla alumiinilla (RED ZONE) on 1 mm: n lasku, joka mahdollistaa paremman taivutuksen. Taivutus on tehty käsin pihdeillä ja ruuvipuristimilla.

Ystäväni sai minut huomaamaan, että kotelon etupuolella oleva kuvio muistuttaa tatuointia, jota Leeloo käyttää The Fifth Element -elokuvassa. Hauska sattuma!

Vaihe 4: Elektroninen piiri

Elektroninen piiri on erittäin helppo. Meillä on 5 V: n jatkuva jännitelähde ja rinnakkain aiomme sijoittaa 5 LEDiä ja tuulettimen. Joukon vastusten ja joidenkin matemaattisten laskelmien avulla päätämme, kuinka paljon virtaa syöttäisimme LEDeihin ja tuulettimeen.

LEDit

Tarkastelemalla LED -tietolomaketta näemme, että voimme ajaa niitä enintään 500 mA: iin, mutta päätin käyttää niitä puoliteholla (≈250 mA). Syynä on, että meillä on pieni jäähdytyselementti, joka on pohjimmiltaan alumiinilevy, johon ne on kiinnitetty. Jos ajamme LEDiä 250 mA: n jännitteellä, LEDin etujännite on 3,72 V. Sen vastuksen mukaan, jonka päätämme laittaa piirin haaraan, saamme virran.

5V - 3.72V = 1.28V on vastuksen jännitepotentiaali

Ohmin laki R = V/I = 1,28/0,25 = 6,4 ohmia

Käytän 5ohmin vastuksen kaupallista arvoa

Vastuksen teho = R I^2 = 0,31 W (olen itse asiassa käyttänyt 1 W: n vastuksia, jätin jonkin verran marginaalia, koska LED voi lämmittää alueen melko vähän).

FANI

Puhaltimen ehdottama jännite on 5 V ja 180 mA: n virta, jos tällä teholla ajetaan, se voi siirtää ilmaa virtauksella 12m3/h. Huomasin, että tällä nopeudella puhallin oli liian meluisa (27 dB), joten päätin alentaa hieman jännitteensyöttöä ja tuulettimen virransyöttöä, jotta käytin tätä 15 ohmin vastusta. Tarvittavan arvon ymmärtämiseksi käytin potentiometriä ja näin, milloin minulla olisi noin puolet nykyisestä, 100 mA.

Vastuksen teho = R I^2 = 0,15 W (olen käyttänyt 0,5 W: n vastusta täällä)

Puhaltimen todellinen lopullinen virtausnopeus on siis 7,13 m3/h.

Vaihe 5: Juotos ja kokoaminen

Olen käyttänyt ohuita kaapeleita liittämään LEDit yhteen ja tekemään koko piirin ja juottanut kaiken mahdollisimman järjestetyksi. Näet, että vastukset ovat suojattuja kutisteputkien sisällä. Huomaa, että sinun on juotettava LED -anodi ja chatode oikeisiin napoihin. Anodit menevät yhteen vastuksen päähän ja katodit GND: hen (-5V meidän tapauksessamme). LED -valossa on anodimerkki, etsi sen sijainti etsimällä se LED -taulukosta. LEDit kiinnitetään jäähdytyselementtiin kaksipuolisella lämpöteipillä.

Olen itse käyttänyt tasavirtaliitintä (läpinäkyvää) irrottaaksesi helposti ensimmäisessä kuvassa näkyvät lohkot (jäähdytyselementti, LEDit ja tuuletin), mutta tämä elementti voidaan välttää.

Musta 5/2.1 EU DC -päävirtalähteen liitin on liimattu reikään, jonka porasin käsin.

Sivureiät, jotka tein kanteen kannen kiinnittämiseksi ruuveilla koteloon, porattiin myös käsin.

Kaiken juottaminen pienessä tilassa oli pieni haaste. Toivottavasti nautit sen omaksumisesta.

Vaihe 6: Laite on valmis

Onnittelut! Liitä se ja aloita ilmanpuhdistus.

Ilmavirta on 7,13 m3/h, joten 3x3x3m huone tulee puhdistaa noin 4 tunnissa.

Kun puhdistin on päällä, olen huomannut, että siitä tulee haju, joka muistuttaa minua otsonista.

Toivon, että pidit tästä Instructable -ohjelmasta ja jos olet vieläkin uteliaampi, on lisäosa tekemästäni kokeilusta.

Jos et ole valmis rakentamaan omaa ilmanpuhdistinta, mutta haluat saada sen heti, voit ostaa sen Etsyltä. Tein pari, joten käy rohkeasti sivulla.

Heippa ja pidä huolta, Pietro

Vaihe 7: Kokeile: Haiseva kenkäpuhdistus

Tässä lisäosassa haluaisin näyttää pienen hauskan kokeilun, jonka tein puhdistamolla.

Aluksi laitoin erittäin haisevan kengän - vakuutan sen todella pahalle - hermeettiseen akryylipulloon, jonka tilavuus on 0,0063 m3. Minkä pitäisi tehdä tuosta kengästä haiseva iso molekyyli, joka sisältää rikkiä ja hiiltä sekä myös biojätteitä ja bakteereja, jotka tulevat jalkineesta, jolla oli kenkä. Mitä odotin näkeväni, kun käynnistin puhdistimen, oli VOC: n vähentäminen ja CO2: n lisääminen.

Jätin kengän sylinteriin 30 minuutiksi saavuttaakseni "haju tasapainon" säiliön sisällä. Ja havaitsin anturin kautta valtavan CO2: n (+333%) ja VOC: n (+120%) nousun.

Minulla 30 asetin ilmanpuhdistimen sylinterin sisään ja käynnistin sen 5 minuutiksi. Huomasin, että CO2 (+40%) ja VOC (+38%) lisääntyivät edelleen.

Poistin haisevan kengän ja jätin puhdistimen päälle 9 minuutiksi ja CO2 ja VOC lisääntyivät dramaattisesti.

Joten tämän kokeilun mukaan jotain tapahtui sylinterin sisällä. Jos VOC ja bakteerit tuhoutuvat mineralisaatioprosessin kautta, teoria kertoo, että CO2 ja H2O muodostuvat, joten voidaan sanoa, että se toimii, koska kokeilu osoittaa, että CO2 muodostuu jatkuvasti, mutta miksi myös VOC kasvaa jatkuvasti? Syy voi olla se, että käytin väärää anturia. Käyttämäni anturi on kuvassa näkyvä ja antamani arvion mukaan se arvioi hiilidioksidin VOC -prosenttiosuuden mukaan käyttäen joitakin sisäisiä algoritmeja ja saavuttaa myös helposti VOC -kylläisyyden. Anturimoduuliin kehitetty ja integroitu algoritmi tulkitsi raakatietoja, esim. metallioksidipuolijohteiden resistanssiarvo, CO2 -ekvivalenttiarvossa tekemällä vertailutesti NDIR CO2 -kaasuanturia vastaan ja VOC -kokonaisarvo, joka perustuu FID -instrumentin vertailutestiin. Mielestäni en käyttänyt riittävän hienostuneita ja tarkkoja laitteita.

Joka tapauksessa on ollut hauskaa yrittää testata järjestelmää tällä tavalla.

Kevätpuhdistushaasteen ensimmäinen palkinto