Titanium Dioksida dan Pembersih Udara UV: 7 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:08

Helo komuniti yang boleh diajar, Saya harap anda semua berada dalam keadaan darurat yang sedang kita jalani pada masa ini.

Hari ini saya membawakan kepada anda projek penyelidikan gunaan. Dalam Instructable ini saya akan mengajar anda bagaimana membina pembersih udara yang berfungsi dengan penapis fotokatalis TiO2 (Titanium Dioksida) dan LED UVA. Saya akan memberitahu anda bagaimana membuat pembersih anda sendiri dan saya juga akan menunjukkan eksperimen kepada anda. Menurut literatur ilmiah saringan ini harus menghilangkan bau busuk dan membunuh bakteria dan virus di udara yang melaluinya, termasuk keluarga coronavirus.

Dalam makalah penyelidikan ini anda dapat melihat bagaimana teknologi ini dapat digunakan dengan berkesan untuk membunuh bakteria, kulat dan virus; mereka sebenarnya memetik penyelidikan tahun 2004 yang bertajuk The Inactivation Effect of Photocatalytic Titanium Apatite Filter on SARS Virus, di mana para penyelidik menyatakan bahawa 99.99% virus sindrom pernafasan akut teruk terbunuh.

Saya ingin berkongsi projek ini kerana saya percaya ia mungkin sangat menarik kerana ia cuba menyelesaikan masalah serius dan kerana multidisiplin: ia menyatukan konsep kimia, elektronik dan reka bentuk mekanikal.

Langkah-langkahnya:

1. Fotokatalisis dengan cahaya TiO2 dan UV

2. Bekalan

3. Reka bentuk 3D pembersih udara

4. Litar elektronik

5. Pateri dan pasangkan

6. Peranti selesai

7. Usaha membersihkan kasut yang berbau busuk

Langkah 1: Fotokatalisis Dengan TiO2 dan Cahaya UV

Dalam bahagian ini saya akan menerangkan teori di sebalik reaksi.

Semuanya diringkaskan secara grafik dalam gambar di atas. Di bawah ini saya akan menerangkan gambarnya.

Pada dasarnya, foton dengan tenaga yang cukup tiba di molekul TiO2 di orbit di mana elektron berputar. Foton memukul elektron dengan kuat dan membuatnya melompat dari pita valensi ke jalur konduksi, lompatan ini adalah mungkin kerana TiO2 adalah semikonduktor dan kerana foton mempunyai tenaga yang cukup. Tenaga foton ditentukan oleh panjang gelombang mengikut formula ini:

E = hc / λ

di mana h ialah Pemalar Papan, c ialah kelajuan cahaya dan λ adalah panjang gelombang foton, yang dalam kes kita adalah 365nm. Anda boleh mengira tenaga menggunakan kalkulator dalam talian yang bagus ini. Kes kami adalah E = 3, 397 eV.

Sebaik sahaja elektron melompat ada elektron bebas dan lubang bebas di mana ia pernah:

elektron e-

lubang h +

Dan kedua-duanya pada gilirannya terkena beberapa molekul lain yang merupakan bahagian udara yang:

Molekul wap air H2O

OH- Hidroksida

Molekul oksigen O2

Beberapa reaksi redoks berlaku (ketahui lebih lanjut mengenainya dalam video ini).

Pengoksidaan:

Wap air ditambah lubang memberikan hidroksil radikal ditambah ion hidrogen terhidrat: H2O + h + → * OH + H + (aq)

Hidroksida ditambah lubang memberikan radikal hidroksil: OH- + h + → * OH

Pengurangan:

molekul oksigen ditambah elektron memberikan anion superoksida: O2 + e- → O2-

Dua perkara baru yang terbentuk (radikal hidroksil dan anion superoksida) adalah radikal bebas. Radikal bebas adalah atom, molekul atau ion dengan satu elektron yang tidak berpasangan, ini tidak stabil seperti yang dikatakan dalam video Crush Course yang sangat lucu ini.

Radikal bebas adalah penyebab utama banyak reaksi berantai yang berlaku dalam kimia, misalnya pempolimeran, yang berlaku apabila monomer bergabung satu sama lain untuk membentuk polimer, atau dengan kata lain untuk membuat apa yang kita sebut secara meluas plastik (tetapi itu kisah lain).

O2- memukul molekul dan bakteria bau besar dan memecahkan ikatan karbon mereka membentuk CO2 (karbon dioksida)

* OH memukul molekul dan bakteria bau besar dan memecahkan ikatan hidrogen mereka membentuk H2O (wap air)

Penyatuan sebatian radikal bebas dengan sebatian karbon atau organisma disebut mineralisasi dan inilah tempat pembunuhan berlaku.

Untuk maklumat lebih lanjut, saya telah melampirkan PDF makalah ilmiah yang saya petik di intro.

Langkah 2: Bekalan

Untuk membuat projek ini, anda memerlukan:

- Sarung bercetak 3D

- Tudung bercetak 3D

- potong laser aluminium anodized setebal 2mm

- Skrin sutera (pilihan, akhirnya saya tidak menggunakannya)

- 5 keping LED UV berkuasa tinggi 365nm

- Bintang PCB dengan jejak 3535 atau LED sudah dipasang pada bintang

- pita pelekat dua sisi termal

- Penapis Fotokatalis TiO2

- Bekalan kuasa 20W 5V

- Penyambung EU 5 / 2.1mm

- Kipas 40x10mm

- tiub jeritan haba

- baut dan mur M3 kepala kaunter

- 5 perintang 1W 5ohm

- 1 perintang 0,5W 15ohm

- wayar kecil

Saya telah menambah pautan untuk membeli beberapa barang tetapi saya tidak menjalankan program afiliasi dengan vendor. Saya meletakkan pautan hanya kerana jika seseorang ingin meniru alat pembersih udara dengan cara ini dapat mempunyai idea mengenai bekalan dan kosnya.

Langkah 3: Reka Bentuk 3D Pembersih Udara

Anda boleh menemui keseluruhan fail pemasangan dalam format.x_b dalam pencapaian.

Anda mungkin menyedari bahawa saya harus mengoptimumkan casing untuk pencetakan 3D. Saya membuat dinding lebih tebal dan saya memutuskan untuk tidak melicinkan sudut di pangkal.

Heatsink dipotong dan digiling dengan laser. Terdapat penurunan 1mm pada aluminium anodized 2mm (ZON MERAH) yang membolehkan lenturan lebih baik. Lenturan telah dilakukan secara manual dengan tang dan penyekat.

Seorang rakan saya membuat saya menyedari bahawa corak di bahagian depan casing serupa dengan tatu yang dipakai Leeloo dalam filem The Fifth Element. Kebetulan lucu!

Langkah 4: Litar Elektronik

Litar elektronik sangat mudah. Kami mempunyai bekalan kuasa voltan berterusan 5V dan secara selari kami akan meletakkan 5 LED dan kipas. Melalui sekumpulan perintang dan dengan beberapa pengiraan matematik, kami memutuskan berapa banyak arus yang akan kami masukkan ke LED dan ke kipas.

LED

Melihat lembaran data LED, kami dapat memacu mereka sehingga maksimum 500mA, tetapi saya memutuskan untuk menggerakkannya pada separuh kuasa (50250mA). Sebabnya adalah kerana kita mempunyai heatsink kecil, yang pada dasarnya adalah plat aluminium di mana mereka dipasang. Sekiranya kita menggerakkan LED pada 250mA voltan hadapan LED ialah 3.72V. Mengikut rintangan yang kita putuskan untuk meletakkan cabang litar itu kita memperoleh arus.

5V - 3.72V = 1.28V adalah potensi voltan yang kita ada pada perintang

Ohm hukum R = V / I = 1.28 / 0.25 = 6.4ohm

Saya akan menggunakan nilai komersil rintangan 5ohm

Kuasa perintang = R I ^ 2 = 0.31W (Saya sebenarnya menggunakan perintang 1W, saya meninggalkan sedikit margin kerana LED dapat memanaskan kawasan sedikit).

PEMINAT

Voltan yang dicadangkan kipas adalah arus 5V dan 180mA, jika didorong dengan kuasa ini, ia dapat menggerakkan udara pada kadar aliran 12m3 / j. Saya perhatikan bahawa pada kelajuan ini kipas terlalu bising (27dB), jadi saya memutuskan untuk menurunkan sedikit voltan dan bekalan semasa ke kipas, untuk melakukannya saya menggunakan perintang 15ohm. Untuk memahami nilai yang diperlukan, saya menggunakan potensiometer dan saya melihat bila saya akan mempunyai sekitar separuh daripada arus, 100mA.

Kuasa perintang = R I ^ 2 = 0.15W (Saya telah menggunakan perintang 0.5W di sini)

Oleh itu, kadar aliran akhir sebenar kipas menghasilkan 7.13 m3 / j.

Langkah 5: Pateri dan Pasang

Saya telah menggunakan kabel nipis untuk menyatukan LED dan membuat keseluruhan litar dan menyolder semuanya dengan teratur mungkin. Anda dapat melihat bahawa perintang dilindungi di dalam tiub penyusutan haba. Ketahuilah bahawa anda harus menyolder anod dan kod chat LED ke tiang kanan. Anod menuju ke satu hujung perintang dan katod menuju ke GND (-5V dalam kes kami). Pada LED ada tanda anod, cari lokasi mencarinya di lembar data LED. LED dipasang pada pendingin dengan pita pelekat dua sisi termal.

Saya sebenarnya telah menggunakan penyambung DC (yang telus) untuk membuang keseluruhan blok yang ditunjukkan dalam gambar pertama dengan mudah (heatsink, LED dan kipas), namun elemen ini dapat dielakkan.

Penyambung bekalan kuasa utama EU 5 / 2.1 EU DC telah terpaku pada lubang yang saya gerudi secara manual.

Lubang sisi yang saya buat di penutup untuk membetulkan penutup dengan skru ke casing juga digerudi secara manual.

Membuat semua pematerian di ruang kecil itu adalah sedikit cabaran. Saya harap anda seronok memeluknya.

Langkah 6: Peranti Selesai

Tahniah! Cukup pasangkannya dan mulakan membersihkan udara.

Laju aliran udara adalah 7.13 m3 / j jadi ruangan 3x3x3m harus disucikan dalam sekitar 4jam.

Semasa pembersih dihidupkan, saya perhatikan bahawa keluarnya bau yang mengingatkan saya kepada ozon.

Saya harap anda menyukai Instructable ini dan jika anda ingin tahu ada bahagian tambahan mengenai percubaan yang saya buat.

Sekiranya anda tidak mahu membina alat pembersih udara anda sendiri tetapi anda ingin mendapatkannya dengan segera, anda boleh membelinya di Etsy. Saya membuat pasangan jadi bebas untuk melawat halaman.

Selamat tinggal dan jaga, Pietro

Langkah 7: Eksperimen: Usaha Pemurnian Kasut Stinky

Pada bahagian tambahan ini saya ingin menunjukkan percubaan lucu yang saya lakukan dengan pembersih.

Pada mulanya saya meletakkan kasut yang sangat busuk - saya jamin ia sangat berbau - dalam silinder akrilik hermetik dengan isipadu 0,0063 m3. Apa yang harus membuat kasut yang berbau itu adalah molekul besar yang mengandungi sulfur dan karbon dan juga biofluen dan bakteria yang berasal dari kaki yang memakai kasut itu. Apa yang saya harapkan dapat dilihat ketika saya menghidupkan pembersih adalah VOC untuk mengurangkan dan CO2 meningkat.

Saya meninggalkan kasut itu di dalam silinder selama 30 minit untuk mencapai "keseimbangan bau" di dalam bekas. Dan melalui sensor, saya melihat peningkatan besar CO2 (+ 333%) dan VOC (+ 120%).

Pada minit ke-30 saya meletakkan di dalam silinder pembersih udara dan saya menghidupkannya selama 5 minit. Saya melihat peningkatan CO2 (+ 40%) dan VOC (+ 38%).

Saya mengeluarkan kasut yang berbau busuk dan membiarkan pembersih dihidupkan selama 9 minit dan CO2 dan VOC terus meningkat secara mendadak.

Oleh itu, menurut eksperimen ini berlaku sesuatu di dalam silinder itu. Sekiranya VOC dan bakteria dimusnahkan melalui proses mineralisasi, teori mengatakan kepada kita bahawa CO2 dan H2O terbentuk, jadi seseorang dapat mengatakan bahawa ia berfungsi kerana percubaan menunjukkan bahawa CO2 terus terbentuk, tetapi mengapa VOC juga terus meningkat? Sebabnya mungkin kerana saya menggunakan sensor yang salah. Sensor yang saya gunakan adalah yang ditunjukkan dalam gambar dan dari apa yang saya faham, ia menganggarkan CO2 mengikut peratusan VOC menggunakan beberapa algoritma dalaman dan juga mencapai ketepuan VOC dengan mudah. Algoritma, yang dikembangkan dan diintegrasikan ke dalam modul sensor mentafsirkan data mentah, mis. nilai rintangan semikonduktor logam oksida, dalam nilai setara CO2 dengan melakukan ujian perbandingan terhadap sensor gas NDIR CO2 dan nilai Total VOC berdasarkan ujian perbandingan dengan instrumen FID. Saya berpendapat bahawa saya tidak menggunakan peralatan yang cukup canggih dan tepat.

Pokoknya adalah lucu untuk menguji sistem dengan cara ini.

Hadiah Pertama dalam Cabaran Pembersihan Musim Semi