Titandioksid og UV luftrenser: 7 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:21

Hei fellesskapet av Instructable, Jeg håper dere alle har det bra i de nødstilfellene vi lever i nå.

I dag gir jeg deg et anvendt forskningsprosjekt. I denne instruksen vil jeg lære deg hvordan du bygger en luftrenser som arbeider med et TiO2 (Titanium Dioxide) fotokatalykfilter og UVA -lysdioder. Jeg vil fortelle deg hvordan du lager din egen renser, og jeg vil også vise deg et eksperiment. I følge vitenskapelig litteratur bør dette filteret fjerne dårlig lukt og drepe bakterier og virus i luften som passerer det, inkludert coronavirus -familien.

I denne forskningen kan du se hvordan denne teknologien effektivt kan brukes til å drepe bakterier, sopp og virus; de siterer faktisk en undersøkelse fra 2004 med tittelen The Inactivation Effect of Photocatalytic Titanium Apatite Filter on SARS Virus, der forskerne uttaler at 99,99% av alvorlige akutte respiratoriske syndromvirus ble drept.

Jeg vil dele dette prosjektet, ettersom jeg tror det kan være spesielt interessant fordi det prøver å løse et alvorlig problem og fordi det er tverrfaglig: det samler forestillingen om kjemi, elektronikk og mekanisk design.

Stegene:

1. Fotokatalyse med TiO2 og UV -lys

2. Rekvisita

3. 3D Design av luftrenser

4. Elektronisk krets

5. Lodd og monter

6. Enheten er fullført

7. Den stinkende skoenrensingen

Trinn 1: Fotokatalyse med TiO2 og UV -lys

I denne delen vil jeg forklare teorien bak reaksjonen.

Alt er oppsummert grafisk i bildet ovenfor. Nedenfor vil jeg forklare bildet.

I utgangspunktet kommer fotonet med nok energi til molekylet til TiO2 i bane der et elektron snurrer. Fotonen treffer elektronet hardt og får det til å hoppe vekk fra valensbåndet til ledningsbåndet, dette hoppet er mulig fordi TiO2 er en halvleder og fordi fotonet har nok energi. Energien til fotonet bestemmes av bølgelengden i henhold til denne formelen:

E = hc/λ

hvor h er plankekonstanten, c er lysets hastighet og λ er bølgelengden til fotonet, som i vårt tilfelle er 365 nm. Du kan beregne energien ved hjelp av denne fine online kalkulatoren. I vårt tilfelle er det E = 3, 397 eV.

Når elektronet hopper vekk er det et fritt elektron og et fritt hull der det en gang var:

elektron e-

hull h+

Og disse to blir igjen rammet av noen andre molekyler som er deler av luften som er:

H2O molekyl av vanndamp

OH- hydroksid

O2 oksygenmolekyl

Noen få redoksreaksjoner skjer (lær mer om dem i denne videoen).

Oksidasjon:

Vanndamp pluss et hull gir hydroksylradikal pluss hydrert hydrogenion: H2O + h + → *OH + H + (aq)

Hydroksid pluss et hull gir hydroksylradikal: OH- + h + → *OH

Reduksjon:

oksygenmolekyl pluss et elektron gir superoksydanion: O2 + e- → O2-

Disse to nye tingene som dannes (hydroksylradikal og superoksydanion) er frie radikaler. Et fritt radikal er et atom, molekyl eller ioner med et enkelt uparret elektron, dette er gal ustabilt som sagt i denne veldig morsomme Crush Course -videoen.

Frie radikaler er hovedansvarlige for mange kjedereaksjoner som skjer i kjemi, for eksempel polymerisering, som skjer når monomerer går sammen til hverandre for å danne en polymer, eller med andre ord for å lage det vi mer bredt kaller plast (men det er en annen historie).

O2- treffer store luktmolekyler og bakterier og bryter karbonbindingene og danner CO2 (karbondioksid)

*OH treffer store dårlige luktmolekyler og bakterier og bryter hydrogenbindingene og danner H2O (vanndamp)

Foreningen av frie radikaler til karbonforbindelser eller organismer kalles mineralisering, og det er akkurat her drapet skjer.

For ytterligere informasjon har jeg lagt ved PDF -en til vitenskapelige artikler som jeg siterte i introen.

Trinn 2: Rekvisita

For å lage dette prosjektet trenger du:

- 3D -trykt etui

- 3D -trykt lokk

- laserskåret anodisert aluminium 2 mm tykt

- silkeskjerm (valgfritt, til slutt brukte jeg den ikke)

- 5 stykker kraftig UV LED 365nm

- PCB -stjerner med 3535 fotavtrykk eller lysdioder som allerede er montert på en stjerne

- termisk dobbeltsidig teip

- TiO2 fotokatalysatorfilter

- Strømforsyning 20W 5V

- EU -kontakt 5/2.1mm

- Vifte 40x10mm

- termiske skrikende rør

- Forsinket hode M3 bolter og muttere

- 5 1W 5ohm motstander

- 1 0,5W 15ohm motstand

- små ledninger

Jeg har lagt til lenker for å kjøpe noen ting, men jeg kjører ikke noe tilknyttet program med leverandørene. Jeg legger koblingene bare fordi hvis noen ønsker å replikere luftrenser på denne måten kan ha en ide om forsyninger og kostnader.

Trinn 3: 3D -design av luftrenseren

Du kan finne hele forsamlingsfilen i formatet.x_b i oppnå.

Du vil kanskje legge merke til at jeg måtte optimalisere saken for 3D -utskrift. Jeg gjorde veggene tykkere, og jeg bestemte meg for ikke å jevne vinkelen ved foten.

Varmeavlederen er laserskåret og frest. Det er en 1 mm senking på 2 mm anodisert aluminium (RØD SONE) som gir bedre bøyning. Bøyningen er utført manuelt med tang og skrustikke.

En venn av meg fikk meg til å legge merke til at mønsteret på forsiden av saken ligner tatoveringen som Leeloo bærer i filmen The Fifth Element. Morsomt tilfeldigheter!

Trinn 4: Elektronisk krets

Den elektroniske kretsen er veldig enkel. Vi har en konstant spenningsforsyning på 5V og parallelt skal vi plassere 5 lysdioder og en vifte. Gjennom en haug med motstander og med noen matematiske beregninger bestemmer vi hvor mye strøm vi vil mate inn i lysdiodene og inn i viften.

LED -lampene

Når vi ser på LED -databladet, ser vi at vi kan drive dem opp til 500mA maksimalt, men jeg bestemte meg for å kjøre dem med halv effekt (≈250mA). Årsaken er at vi har en liten kjøleribbe, som i utgangspunktet er aluminiumsplaten de er festet til. Hvis vi driver LED -en ved 250mA, er fremspenningen til LED -en 3,72V. I henhold til motstanden som vi bestemmer oss for å sette på den grenen av kretsen, får vi strømmen.

5V - 3.72V = 1.28V er spenningspotensialet vi har på motstanden

Ohm lov R = V/I = 1,28/0,25 = 6,4ohm

Jeg vil bruke den kommersielle verdien av motstand på 5ohm

Motstandens effekt = R I^2 = 0,31W (jeg har faktisk brukt 1W motstander, jeg la igjen litt margin fordi LED -en kan varme opp området ganske mye).

VIFTEN

Viften foreslått spenning er 5V og 180mA strøm, hvis den drives med denne kraften, kan den flytte luft med strømningshastigheten på 12m3/t. Jeg la merke til at viften ved denne hastigheten var for mye støy (27dB), så jeg bestemte meg for å senke spenningsforsyningen og strømtilførselen til viften litt, for å gjøre dette brukte jeg en motstand på 15ohm. For å forstå verdien som trengs brukte jeg et potensiometer, og jeg så når jeg ville ha rundt halvparten av strømmen, 100mA.

Motstandseffekt = R I^2 = 0,15W (jeg har brukt 0,5W motstand her)

Så den endelige strømningshastigheten til viften resulterer i 7,13 m3/t.

Trinn 5: Lodd og sett sammen

Jeg har brukt tynne kabler for å koble lysdiodene sammen og lage hele kretsen og loddet alt så organisert som mulig. Du kan se at motstandene er beskyttet inne i varmekrympeslanger. Vær oppmerksom på at du må lodde anoden og chatoden til lysdioder til de riktige polene. Anodene går til en motstands ende og katodene går til GND (-5V i vårt tilfelle). På lysdioden er det et anodemerke, finn plasseringen til den og slå den opp i LED -databladet. Lysdioder er festet til kjøleribben med termisk dobbeltsidig tape.

Jeg har faktisk brukt en likestrømkontakt (den gjennomsiktige) for å enkelt fjerne hele blokken vist på det første bildet (kjøleribbe, lysdioder og vifte), men dette elementet kan unngås.

Den svarte 5/2.1 EU DC -hovedkontakten har blitt limt i et hull som jeg har boret manuelt.

Sidehullene jeg laget i lokket for å feste lokket med skruer til saken, ble også boret manuelt.

Å lage alt lodding i det lille rommet var en liten utfordring. Jeg håper du vil like å omfavne det.

Trinn 6: Enheten er fullført

Gratulerer! Bare koble den til og begynn å rense luften.

Luftmengden er 7,13 m3/t, så et rom på 3x3x3m bør renses på omtrent 4 timer.

Når renseren er på, har jeg lagt merke til at det kommer en lukt som minner meg om ozon.

Jeg håper du har likt denne Instructable, og hvis du er enda mer nysgjerrig, er det en ekstra del om et eksperiment jeg har laget.

Hvis du ikke er villig til å bygge din egen luftrenser, men du bare vil kjøpe den med en gang, kan du kjøpe den på Etsy. Jeg fikk et par, så besøk gjerne siden.

Ha det bra, Pietro

Trinn 7: Eksperiment: Stinky Shoe Purification Effort

I denne ekstra delen vil jeg vise et lite morsomt eksperiment som jeg gjorde med renseren.

I utgangspunktet la jeg en veldig stinkende sko - jeg kan forsikre deg om at den virkelig luktet ille - i en hermetisk akrylsylinder med et volum på 0,0063 m3. Hva skulle gjøre den skoen som stinkende er store molekyler som inneholder svovel og karbon og også bioeffluents og bakterier som kommer fra foten som hadde på seg skoen. Det jeg ventet å se når jeg slo på renseren var VOC for å redusere og CO2 for å øke.

Jeg lot skoen ligge der i sylinderen i 30 minutter for å nå "stinkbalansen" inne i beholderen. Og gjennom en sensor merket jeg en massiv økning i CO2 (+333%) og VOC (+120%).

I minutt 30 plasserte jeg luftrenseren inne i sylinderen og jeg slo den på i 5 minutter. Jeg merket en ytterligere økning i CO2 (+40%) og VOC (+38%).

Jeg fjernet den stinkende skoen, og jeg lot reneren være slått på i 9 minutter, og CO2 og VOC fortsatte å øke dramatisk.

Så ifølge dette eksperimentet skjedde det noe inne i den sylinderen. Hvis VOC og bakterier blir ødelagt gjennom mineraliseringsprosessen, forteller teorien oss at CO2 og H2O dannes, så man kan si at det fungerer fordi eksperimentet viser at CO2 fortsetter å dannes, men hvorfor også VOC fortsatte å øke? Årsaken kan være at jeg brukte feil sensor. Sensoren jeg brukte er den som er vist på bildet, og etter det jeg forsto estimerer den CO2 i henhold til en prosentandel VOC ved hjelp av noen interne algoritmer og når også VOC -metning lett. Algoritmen, som er utviklet og integrert i sensormodulen, tolket rådata, f.eks. metalloksid halvlederresistensverdi, i CO2 -ekvivalentverdi ved å gjøre sammenligningstesten mot NDIR CO2 -gassensor og Total VOC -verdi basert på sammenligningstesten med instrument FID. Jeg tror at jeg ikke brukte utstyr sofistikert og nøyaktig nok.

Uansett har det vært morsomt å prøve å teste systemet på denne måten.

Førstepremie i vårrengjøringsutfordringen