Διοξείδιο του τιτανίου και UV καθαριστής αέρα: 7 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:32

Γεια σας κοινότητα του Instructable, Ελπίζω να είστε όλοι καλά στις καταστάσεις έκτακτης ανάγκης που ζούμε αυτή τη στιγμή.

Σήμερα σας παρουσιάζω ένα εφαρμοσμένο ερευνητικό έργο. Σε αυτό το Instructable θα σας διδάξω πώς να φτιάξετε έναν καθαριστή αέρα δουλεύοντας με ένα φίλτρο φωτοκαταλύτη TiO2 (Διοξείδιο του τιτανίου) και LED UVA. Θα σας πω πώς να φτιάξετε τον δικό σας καθαριστή και θα σας δείξω επίσης ένα πείραμα. Σύμφωνα με την επιστημονική βιβλιογραφία, αυτό το φίλτρο θα πρέπει να απομακρύνει τις άσχημες οσμές και να σκοτώνει τα βακτήρια και τους ιούς στον αέρα που το διαπερνά, συμπεριλαμβανομένης της οικογένειας του κορωνοϊού.

Σε αυτό το ερευνητικό έγγραφο μπορείτε να δείτε πώς αυτή η τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά για να σκοτώσει βακτήρια, μύκητες και ιούς. παραθέτουν πραγματικά μια έρευνα του 2004 με τίτλο The Inactivation Effect of Photocatalytic Titanium Apatite Filter on SARS Virus, στην οποία οι ερευνητές αναφέρουν ότι το 99,99% των σοβαρών ιών του οξέος αναπνευστικού συνδρόμου σκοτώθηκαν.

Θα ήθελα να μοιραστώ αυτό το έργο καθώς πιστεύω ότι θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον γιατί προσπαθεί να λύσει ένα σοβαρό πρόβλημα και επειδή είναι πολυεπιστημονικό: συνδυάζει την έννοια της χημείας, των ηλεκτρονικών και του μηχανικού σχεδιασμού.

Τα βήματα:

1. Φωτοκατάλυση με TiO2 και υπεριώδες φως

2. Προμήθειες

3. 3D Σχεδιασμός του καθαριστή αέρα

4. Ηλεκτρονικό κύκλωμα

5. Συγκολλήστε και συναρμολογήστε

6. Η συσκευή ολοκληρώθηκε

7. Η βρωμερή προσπάθεια καθαρισμού παπουτσιών

Βήμα 1: Φωτοκατάλυση με TiO2 και υπεριώδες φως

Σε αυτήν την ενότητα θα εξηγήσω τη θεωρία πίσω από την αντίδραση.

Όλα συνοψίζονται γραφικά στην παραπάνω εικόνα. Παρακάτω θα εξηγήσω την εικόνα.

Βασικά, το φωτόνιο με αρκετή ενέργεια φτάνει στο μόριο του TiO2 στην τροχιά όπου περιστρέφεται ένα ηλεκτρόνιο. Το φωτόνιο χτυπά δυνατά το ηλεκτρόνιο και το κάνει να πηδήξει μακριά από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας, αυτό το άλμα είναι δυνατό επειδή το TiO2 είναι ημιαγωγός και επειδή το φωτόνιο έχει αρκετή ενέργεια. Η ενέργεια του φωτονίου καθορίζεται από το μήκος κύματος σύμφωνα με αυτόν τον τύπο:

Ε = hc/λ

όπου h είναι η σταθερά σανίδας, c είναι η ταχύτητα του φωτός και λ είναι το μήκος κύματος του φωτονίου, το οποίο στην περίπτωσή μας είναι 365nm. Μπορείτε να υπολογίσετε την ενέργεια χρησιμοποιώντας αυτήν την ωραία ηλεκτρονική αριθμομηχανή. Στην περίπτωσή μας είναι E = 3, 397 eV.

Μόλις το ηλεκτρόνιο πηδά μακριά υπάρχει ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο και μια ελεύθερη τρύπα όπου ήταν κάποτε:

ηλεκτρονιο e-

τρύπα h+

Και αυτά τα δύο με τη σειρά τους πλήττονται από κάποια άλλα μόρια που είναι μέρη του αέρα τα οποία είναι:

H2O μόριο υδρατμών

ΟΗ- Υδροξείδιο

Μόριο οξυγόνου Ο2

Συμβαίνουν μερικές αντιδράσεις οξειδοαναγωγής (μάθετε περισσότερα για αυτές σε αυτό το βίντεο).

Οξείδωση:

Υδρατμοί συν μια τρύπα δίνει ρίζα υδροξυλίου συν ενυδατωμένο ιόν υδρογόνου: H2O + h + → *OH + H + (aq)

Το υδροξείδιο συν μια τρύπα δίνει ρίζα υδροξυλίου: OH- + h + → *OH

Μείωση:

μόριο οξυγόνου συν ένα ηλεκτρόνιο δίνει ανιόν υπεροξειδίου: O2 + e- → O2-

Αυτά τα δύο νέα πράγματα που σχηματίζονται (ρίζα υδροξυλίου και ανιόν υπεροξειδίου) είναι ελεύθερες ρίζες. Μια ελεύθερη ρίζα είναι ένα άτομο, μόριο ή ιόντα με ένα μόνο μη ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιο, αυτό είναι τρελό ασταθές όπως λέγεται σε αυτό το πολύ αστείο βίντεο του Crush Course.

Οι ελεύθερες ρίζες είναι οι κύριες υπεύθυνες για πολλές αλυσιδωτές αντιδράσεις που συμβαίνουν στη χημεία, για παράδειγμα τον πολυμερισμό, που συμβαίνει όταν τα μονομερή ενώνονται το ένα με το άλλο για να σχηματίσουν ένα πολυμερές ή με άλλα λόγια για να κάνουν αυτό που ευρύτερα ονομάζουμε πλαστικό (αλλά αυτό είναι μια άλλη ιστορία).

O2- χτυπά μεγάλα μόρια κακής οσμής και βακτήρια και διασπά τους δεσμούς άνθρακα σχηματίζοντας CO2 (διοξείδιο του άνθρακα)

*Το OH χτυπά μεγάλα μόρια κακής οσμής και βακτήρια και διασπά τους δεσμούς υδρογόνου σχηματίζοντας H2O (υδρατμοί)

Η ένωση της ελεύθερης ρίζας με τις ενώσεις ή τους οργανισμούς άνθρακα ονομάζεται μεταλλοποίηση και εδώ ακριβώς συμβαίνει το φονικό.

Για περισσότερες πληροφορίες, επισυνάπτω το PDF των επιστημονικών εργασιών που παρέθεσα στην εισαγωγή.

Βήμα 2: Προμήθειες

Για να φτιάξετε αυτό το έργο θα χρειαστείτε:

Τρισδιάστατη θήκη

Τρισδιάστατο καπάκι

- ανοδιωμένο αλουμίνιο με πάχος λέιζερ πάχους 2mm

- μεταξωτή οθόνη (προαιρετικό, τελικά δεν το χρησιμοποίησα)

- 5 τεμάχια UV LED υψηλής ισχύος 365nm

- Αστέρια PCB με 3535 αποτυπώματα ή LED που έχουν ήδη τοποθετηθεί σε ένα αστέρι

- θερμική κολλητική ταινία διπλής όψης

- Φίλτρο φωτοκαταλύτη TiO2

- Τροφοδοσία 20W 5V

- Υποδοχή EU 5/2.1mm

- Ανεμιστήρας 40x10mm

- θερμικοί σωλήνες που τρίζουν

- μπουλόνια και παξιμάδια κεφαλής M3 που έχουν υποχωρήσει

- 5 αντιστάσεις 1W 5ohm

- 1 αντίσταση 0,5W 15ohm

- μικρά καλώδια

Έχω προσθέσει τους συνδέσμους για την αγορά ορισμένων αντικειμένων, αλλά δεν τρέχω κανένα πρόγραμμα συνεργατών με τους προμηθευτές. Βάζω τους συνδέσμους μόνο επειδή αν κάποιος θέλει να αναπαράγει τον καθαριστή αέρα με αυτόν τον τρόπο μπορεί να έχει μια ιδέα για τις προμήθειες και το κόστος.

Βήμα 3: Σχεδιασμός 3D του καθαριστή αέρα

Μπορείτε να βρείτε ολόκληρο το αρχείο συναρμολόγησης σε μορφή.x_b στο επίτευγμα.

Μπορεί να παρατηρήσετε ότι έπρεπε να βελτιστοποιήσω τη θήκη για τρισδιάστατη εκτύπωση. Έκανα τους τοίχους παχύτερους και αποφάσισα να μην εξομαλύνω τη γωνία στη βάση.

Η ψύκτρα κόβεται και αλέθεται με λέιζερ. Υπάρχει 1mm χαμήλωμα στο 2mm ανοδιωμένο αλουμίνιο (RED ZONE) που επιτρέπει καλύτερη κάμψη. Η κάμψη έχει γίνει χειροκίνητα με πένσα και μέγγενη.

Ένας φίλος μου με έκανε να παρατηρήσω ότι το μοτίβο στο μπροστινό μέρος της θήκης είναι παρόμοιο με το τατουάζ που φορά ο Leeloo στην ταινία The Fifth Element. Αστεία σύμπτωση!

Βήμα 4: Ηλεκτρονικό κύκλωμα

Το ηλεκτρονικό κύκλωμα είναι πολύ εύκολο. Έχουμε σταθερή τροφοδοσία τάσης 5V και παράλληλα πρόκειται να τοποθετήσουμε 5 LED και έναν ανεμιστήρα. Μέσα από μια δέσμη αντιστάσεων και με κάποιους μαθηματικούς υπολογισμούς αποφασίζουμε πόσο ρεύμα θα τροφοδοτούσαμε στα LED και στον ανεμιστήρα.

ΤΑ LED

Κοιτάζοντας το φύλλο δεδομένων LED, βλέπουμε ότι μπορούμε να τα οδηγήσουμε έως και 500mA, αλλά αποφάσισα να τα οδηγήσω στη μισή ισχύ (50250mA). Ο λόγος είναι ότι έχουμε μια μικρή ψύκτρα, η οποία είναι βασικά η πλάκα αλουμινίου στην οποία είναι προσαρτημένες. Εάν οδηγήσουμε το LED στα 250mA, η τάση εμπρός του LED είναι 3,72V. Σύμφωνα με την αντίσταση που αποφασίζουμε να βάλουμε σε αυτόν τον κλάδο του κυκλώματος παίρνουμε το ρεύμα.

5V - 3.72V = 1.28V είναι το δυναμικό τάσης που έχουμε στην αντίσταση

Νόμος Ohm R = V/I = 1,28/0,25 = 6,4 ωμ

Θα χρησιμοποιήσω την εμπορική αξία της αντίστασης των 5 ohm

Ισχύς της αντίστασης = R I^2 = 0.31W (έχω χρησιμοποιήσει στην πραγματικότητα αντιστάσεις 1W, άφησα κάποιο περιθώριο επειδή το LED θα μπορούσε να ζεστάνει αρκετά την περιοχή).

Ο ΑΝΕΜΙΣΤΗΡΑΣ

Η προτεινόμενη τάση του ανεμιστήρα είναι ρεύμα 5V και 180mA, αν κινείται με αυτήν την ισχύ μπορεί να μεταφέρει αέρα με ρυθμό ροής 12m3/h. Παρατήρησα ότι με αυτή την ταχύτητα ο ανεμιστήρας ήταν πολύ θορυβώδης (27dB), έτσι αποφάσισα να μειώσω λίγο την παροχή τάσης και την τρέχουσα παροχή στον ανεμιστήρα, για να το κάνω αυτό χρησιμοποίησα μια αντίσταση 15ohm. Για να καταλάβω την απαιτούμενη τιμή χρησιμοποίησα ένα ποτενσιόμετρο και είδα πότε θα έχω περίπου το μισό του ρεύματος, 100mA.

Ισχύς αντίστασης = R I^2 = 0.15W (έχω χρησιμοποιήσει αντίσταση 0.5W εδώ)

Έτσι, η πραγματική τελική παροχή του ανεμιστήρα είναι 7,13 m3/h.

Βήμα 5: Συγκολλήστε και συναρμολογήστε

Έχω χρησιμοποιήσει λεπτά καλώδια για να ενώσω τα LED μαζί και να κάνω όλο το κύκλωμα και να συγκολλήσω τα πάντα όσο το δυνατόν πιο οργανωμένα. Μπορείτε να δείτε ότι οι αντιστάσεις προστατεύονται μέσα σε σωλήνες θερμοσυρρίκνωσης. Λάβετε υπόψη ότι πρέπει να κολλήσετε την άνοδο και τη συνομιλία των LED στους σωστούς πόλους. Οι άνοδοι πηγαίνουν σε ένα άκρο αντίστασης και οι κάθοδοι πηγαίνουν στο GND (-5V στην περίπτωσή μας). Στο LED υπάρχει ένα σημάδι ανόδου, βρείτε τη θέση του αναζητώντας το στο φύλλο δεδομένων LED. Τα LED είναι προσαρτημένα στη ψύκτρα με θερμική κολλητική ταινία διπλής όψης.

Έχω χρησιμοποιήσει στην πραγματικότητα ένα βύσμα DC (το διαφανές) για να αφαιρέσω εύκολα ολόκληρο το μπλοκ που εμφανίζεται στην πρώτη εικόνα (ψύκτρα, LED και ανεμιστήρας), ωστόσο αυτό το στοιχείο μπορεί να αποφευχθεί.

Ο μαύρος κύριος συνδετήρας τροφοδοσίας 5/2.1 EU DC είναι κολλημένος σε μια τρύπα που άνοιξα χειροκίνητα.

Οι πλευρικές τρύπες που έκανα στο καπάκι για να στερεώσω το καπάκι με βίδες στη θήκη ήταν επίσης διάτρητες με το χέρι.

Η ολοκλήρωση της συγκόλλησης σε αυτόν τον μικρό χώρο ήταν μια μικρή πρόκληση. Ελπίζω να σας αρέσει να το αγκαλιάζετε.

Βήμα 6: Η συσκευή είναι πλήρης

Συγχαρητήρια! Απλώς συνδέστε το και ξεκινήστε τον καθαρισμό του αέρα.

Ο ρυθμός ροής αέρα είναι 7,13 m3/h, οπότε ένα δωμάτιο 3x3x3m πρέπει να καθαριστεί σε περίπου 4 ώρες.

Όταν ο καθαριστής είναι ενεργοποιημένος, έχω παρατηρήσει ότι από αυτό βγαίνει μια μυρωδιά που θυμίζει όζον.

Ελπίζω να σας άρεσε αυτό το Instructable και αν είστε ακόμα περισσότερο περίεργος υπάρχει ένα επιπλέον τμήμα για ένα πείραμα που έκανα.

Εάν δεν είστε διατεθειμένοι να δημιουργήσετε τον δικό σας καθαριστή αέρα, αλλά θα θέλατε να τον πάρετε αμέσως, μπορείτε να τον αγοράσετε στο Etsy. Έκανα ένα ζευγάρι, οπότε μη διστάσετε να επισκεφθείτε τη σελίδα.

Αντίο και να προσέχεις, Πιέτρο

Βήμα 7: Πείραμα: Η προσπάθεια καθαρισμού Stinky Shoe

Σε αυτήν την επιπλέον ενότητα θα ήθελα να δείξω ένα μικρό αστείο πείραμα που έκανα με τον καθαριστή.

Αρχικά έβαλα ένα πολύ βρωμερό παπούτσι - σας διαβεβαιώ ότι μύριζε πολύ άσχημα - σε έναν ερμητικό ακρυλικό κύλινδρο με όγκο 0,0063 m3. Τι πρέπει να κάνει αυτό το παπούτσι που μυρίζει είναι μεγάλα μόρια που περιέχουν θείο και άνθρακα, καθώς και βιορευστά και βακτήρια που προέρχονται από το πόδι που φορούσε αυτό το παπούτσι. Αυτό που περίμενα να δω όταν άναψα τον καθαριστή ήταν να μειωθεί το VOC και να αυξηθεί το CO2.

Άφησα το παπούτσι εκεί στον κύλινδρο για 30 λεπτά για να φτάσω στην "ισορροπία της βρώμας" μέσα στο δοχείο. Και μέσω ενός αισθητήρα παρατήρησα μια τεράστια αύξηση του CO2 (+333%) και του VOC (+120%).

Στο λεπτό 30 τοποθέτησα μέσα στον κύλινδρο τον καθαριστή αέρα και τον άναψα για 5 λεπτά. Παρατήρησα μια περαιτέρω αύξηση του CO2 (+40%) και του VOC (+38%).

Αφαίρεσα το βρωμερό παπούτσι και άφησα τον καθαριστή ενεργοποιημένο για 9 λεπτά και το CO2 και το VOC συνέχιζαν να αυξάνονται δραματικά.

Σύμφωνα λοιπόν με αυτό το πείραμα κάτι συνέβαινε μέσα σε αυτόν τον κύλινδρο. Εάν η VOC και τα βακτήρια καταστρέφονται μέσω της διαδικασίας μεταλλοποίησης, η θεωρία μας λέει ότι σχηματίζονται CO2 και H2O, οπότε θα μπορούσε να πει κανείς ότι λειτουργεί επειδή το πείραμα δείχνει ότι το CO2 συνεχίζει να σχηματίζεται, αλλά γιατί το VOC συνεχώς αυξάνεται; Ο λόγος μπορεί να είναι ότι χρησιμοποίησα λάθος αισθητήρα. Ο αισθητήρας που χρησιμοποίησα είναι αυτός που φαίνεται στην εικόνα και από ό, τι κατάλαβα υπολογίζει CO2 σύμφωνα με ένα ποσοστό VOC χρησιμοποιώντας κάποιους εσωτερικούς αλγόριθμους και επίσης φτάνει εύκολα στον κορεσμό VOC. Ο αλγόριθμος, ο οποίος αναπτύσσεται και ενσωματώνεται στη μονάδα αισθητήρα ερμήνευσε τα ακατέργαστα δεδομένα, π.χ. τιμή αντίστασης ημιαγωγού οξειδίου μετάλλου, σε ισοδύναμη τιμή CO2, κάνοντας τη δοκιμή σύγκρισης έναντι του αισθητήρα αερίου NDIR CO2 και της συνολικής τιμής VOC βάσει της δοκιμής σύγκρισης με το όργανο FID. Νομίζω ότι δεν χρησιμοποίησα αρκετά εξελιγμένο και ακριβή εξοπλισμό.

Τέλος πάντων, ήταν αστείο να προσπαθήσουμε να δοκιμάσουμε το σύστημα με αυτόν τον τρόπο.

Πρώτο Βραβείο στο Spring Cleaning Challenge