Titaandioksiid ja UV -õhupuhasti: 7 sammu (piltidega)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2025-01-23 14:40

Tere Instructable'i kogukond, Loodan, et teil on kõik hästi praegustes hädaolukordades.

Täna toon teieni rakendusuuringu projekti. Selles juhendis õpetan teile, kuidas ehitada õhupuhastit, mis töötab koos fotokatalüütilise filtri TiO2 (titaandioksiid) ja UVA LED -idega. Ma ütlen teile, kuidas ise puhastit teha, ja näitan teile ka katset. Teaduskirjanduse andmetel peaks see filter eemaldama halvad lõhnad ja tapma bakterid ja viirused selle läbivast õhust, sealhulgas koroonaviiruse perekonnast.

Selles teadustöös näete, kuidas seda tehnoloogiat saab tõhusalt kasutada bakterite, seente ja viiruste hävitamiseks; nad tsiteerivad tegelikult 2004. aasta uuringut pealkirjaga The Photocatalytic Titanium Apatite Filter innactivation Effect on Photocatalytic Titanium Apatite Filter on SARS Virus, milles teadlased väidavad, et 99,99% ägedate hingamisteede sündroomi viirustest suri.

Tahaksin seda projekti jagada, kuna usun, et see võib olla eriti huvitav, kuna see püüab lahendada tõsist probleemi ja kuna see on multidistsiplinaarne: see ühendab keemia, elektroonika ja mehaanilise disaini mõisted.

Sammud:

1. Fotokatalüüs TiO2 ja UV -valgusega

2. Tarvikud

3. Õhupuhasti 3D disain

4. Elektrooniline ahel

5. Jootma ja kokku panema

6. Seade on valmis

7. Haisv kingade puhastamise pingutus

Samm: fotokatalüüs TiO2 ja UV -valgusega

Selles osas selgitan reaktsiooni taga olevat teooriat.

Kõik on ülaltoodud pildil graafiliselt kokku võetud. Allpool selgitan pilti.

Põhimõtteliselt jõuab piisavalt energiaga footon TiO2 molekuli orbiidile, kus elektron pöörleb. Footon tabab elektroni tugevalt ja paneb selle hüppama valentsribalt juhtivusribale, see hüpe on võimalik, kuna TiO2 on pooljuht ja kuna footonil on piisavalt energiat. Footoni energia määratakse selle lainepikkuse järgi vastavalt järgmisele valemile:

E = hc/λ

kus h on plankkonstant, c on valguse kiirus ja λ on footoni lainepikkus, mis meie puhul on 365 nm. Energiat saate arvutada selle toreda veebikalkulaatori abil. Minu puhul on see E = 3, 397 eV.

Kui elektron hüppab minema, on vaba elektron ja vaba auk, kus see kunagi oli:

elektron e-

auk h+

Ja neid kahte tabavad omakorda mõned teised molekulid, mis on õhu osad, mis on:

H2O veeauru molekul

OH- hüdroksiid

O2 hapniku molekul

Toimuvad mõned redoksreaktsioonid (lisateavet nende kohta leiate sellest videost).

Oksüdeerimine:

Veeaur pluss auk annab hüdroksüülradikaali ja hüdraatunud vesinikiooni: H2O + h + → *OH + H + (aq)

Hüdroksiid pluss auk annab hüdroksüülradikaali: OH- + h + → *OH

Vähendamine:

hapniku molekul ja elektron annavad superoksiidi aniooni: O2 + e- → O2-

Need kaks uut moodustunud asja (hüdroksüülradikaal ja superoksiidanioon) on vabad radikaalid. Vaba radikaal on aatom, molekul või ioonid, millel on üks paaritu elektron, see on hullult ebastabiilne, nagu on öeldud selles väga naljakas Crush Course'i videos.

Vabad radikaalid on peamised vastutavad paljude keemias toimuvate ahelreaktsioonide eest, näiteks polümerisatsioon, mis juhtub siis, kui monomeerid ühinevad üksteisega, moodustades polümeeri, või teisisõnu, et muuta see, mida me laiemalt nimetame plastiks (aga see on teine lugu)).

O2- tabab suuri halva lõhnaga molekule ja baktereid ning purustab nende süsinikusidemed, moodustades CO2 (süsinikdioksiid)

*OH tabab suuri halva lõhnaga molekule ja baktereid ning purustab nende vesiniksidemed, moodustades H2O (veeaur)

Vaba radikaali ühendamist süsinikuühenditega või organismidega nimetatakse mineraliseerumiseks ja just siin toimub tapmine.

Lisateabe saamiseks olen lisanud sissejuhatuses tsiteeritud teadustööde PDF -faili.

2. samm: tarvikud

Selle projekti tegemiseks vajate:

- 3D trükitud ümbris

- 3D trükitud kaas

- laserlõigatud 2 mm paksune anodeeritud alumiinium

- siiditrükk (valikuline, lõpuks ma seda ei kasutanud)

- 5 tükki suure võimsusega UV -LED 365 nm

- 3535 jalajäljega trükkplaatide tähed või tähe külge juba paigaldatud LED -id

- termiline kahepoolne kleeplint

- TiO2 fotokatalüsaatori filter

- Toide 20W 5V

- EL pistik 5/2,1 mm

- ventilaator 40x10 mm

- termilised kriiskavad torud

- süvistatud peaga M3 poldid ja mutrid

- 5 1W 5ohm takistit

- 1 0,5W 15ohm takisti

- väikesed juhtmed

Olen lisanud mõnede asjade ostmise lingid, kuid ma ei käita müüjatega sidusprogramme. Ma panen lingid ainult sellepärast, et kui keegi soovib õhupuhasti sel viisil korrata, võib tal olla ettekujutus varudest ja kuludest.

3. samm: õhupuhasti 3D -disain

Kogu kokkupaneku faili leiate vormingus.x_b.

Võite märgata, et pidin 3D -printimiseks korpuse optimeerima. Tegin seinad paksemaks ja otsustasin, et ei nurka nurga all siluda.

Jahutusradiaator lõigatakse laseriga ja freesitakse. 2 mm anodeeritud alumiiniumil (RED ZONE) on 1 mm langetus, mis võimaldab paremat painutamist. Painutamine on tehtud käsitsi tangide ja kruustangidega.

Üks mu sõber pani mind tähele, et korpuse esiküljel olev muster sarnaneb tätoveeringuga, mida Leeloo kannab filmis The Fifth Element. Naljakas kokkusattumus!

Samm: elektrooniline vooluahel

Elektrooniline vooluring on väga lihtne. Meil on pidev 5 V toiteallikas ja paralleelselt paigutame 5 LED -i ja ventilaatori. Läbi hunniku takisteid ja mõningate matemaatiliste arvutuste abil otsustame, kui palju voolu LED -idesse ja ventilaatorisse toidaksime.

LEDid

LED -andmelehte vaadates näeme, et suudame neid juhtida kuni 500 mA, kuid otsustasin neid juhtida poole võimsusega (~ 250 mA). Põhjus on selles, et meil on väike jahutusradiaator, mis on põhimõtteliselt alumiiniumplaat, mille külge need on kinnitatud. Kui juhime LED -i 250 mA juures, on LED -i edasipinge 3,72 V. Vastavalt takistusele, mille me otsustame selle ahela harule panna, saame voolu.

5V - 3,72V = 1,28V on pinge potentsiaal, mis meil on takistil

Ohmi seadus R = V/I = 1,28/0,25 = 6,4 oomi

Kasutan 5ohmi takistuse kaubanduslikku väärtust

Takisti võimsus = R I^2 = 0,31W (olen tegelikult kasutanud 1W takisteid, jätsin natuke varu, kuna LED võib ala üsna palju soojendada).

FAN

Ventilaatori soovitatud pinge on 5 V ja 180 mA vool, selle võimsusega sõites suudab see õhku liigutada voolukiirusel 12m3/h. Märkasin, et sellisel kiirusel liikudes oli ventilaator liiga mürarikas (27 dB), mistõttu otsustasin ventilaatori pinget ja vooluvarust veidi vähendada, selleks kasutasin 15 oomi takistit. Vajaliku väärtuse mõistmiseks kasutasin potentsiomeetrit ja nägin, millal mul oleks umbes pool praegusest, 100 mA.

Takisti võimsus = R I^2 = 0,15 W (olen siin kasutanud 0,5 W takisti)

Seega on ventilaatori tegelik lõppvool 7,13 m3/h.

Samm: jootmine ja kokkupanek

Olen kasutanud õhukesi kaableid LED -ide ühendamiseks ja kogu vooluahela valmistamiseks ning jootnud kõik võimalikult korraldatult. Näete, et takistid on termokahanevate torude sees kaitstud. Pidage meeles, et peate jootma anood ja valgusdioodide jutumooduli õigetele poolustele. Anoodid lähevad ühte takisti otsa ja katoodid GND-sse (meie puhul -5V). LED -il on anoodimärk, leidke selle asukoht LED -i andmelehelt. LEDid kinnitatakse radiaatori külge termilise kahepoolse kleeplindiga.

Olen tegelikult kasutanud alalisvooluühendust (läbipaistev), et hõlpsalt eemaldada kogu esimesel pildil näidatud plokk (radiaator, LED -id ja ventilaator), kuid seda elementi saab vältida.

Must 5/2.1 EU DC põhitoiteploki pistik on liimitud auku, mille puurisin käsitsi.

Ka küljeaugud, mille tegin kaane külge, et kaant kruvidega korpuse külge kinnitada, puuriti ka käsitsi.

Kogu selle väikese ruumi jootmine oli väike väljakutse. Loodan, et naudite selle omaksvõtmist.

6. samm: seade on valmis

Palju õnne! Lihtsalt ühendage see ja alustage õhu puhastamist.

Õhuvool on 7,13 m3/h, nii et 3x3x3m ruum tuleks puhastada umbes 4 tunni jooksul.

Kui puhastusseade on sisse lülitatud, olen märganud, et sellest tuleb lõhn, mis meenutab mulle osooni.

Loodan, et teile see Instructable meeldis ja kui olete veelgi uudishimulikum, on minu tehtud eksperimendi kohta täiendav jaotis.

Kui te pole valmis oma õhupuhastit ehitama, kuid soovite selle kohe hankida, võite selle osta Etsyst. Ma tegin paar, nii et võite seda lehte külastada.

Hüvasti ja hoolitse, Pietro

7. samm: katsetage: haisvate kingade puhastamise jõupingutused

Selles lisasektsioonis tahaksin näidata väikest naljakat katset, mille tegin puhastusvahendiga.

Esialgu panin väga haiseva kingi - kinnitan teile, et see lõhnas tõesti halvasti - hermeetilisse akrüülsilindrisse mahuga 0,0063 m3. Mis peaks selle kinga nii haisvaks tegema, kui suured molekulid, mis sisaldavad väävlit ja süsinikku, samuti biojäätmeid ja baktereid, mis tulevad seda kinga kandnud jalast. Mida ma ootasin, et näen puhastusseadme sisselülitamisel, et LOÜ vähendada ja CO2 suurendada.

Ma jätsin jalatsi 30 minutiks silindrisse, et saavutada anuma sees olev "haisev tasakaal". Ja anduri kaudu märkasin tohutut CO2 (+333%) ja lenduvate orgaaniliste ühendite (+120%) suurenemist.

30. minutil panin õhupuhasti silindri sisse ja lülitasin selle 5 minutiks sisse. Märkasin süsinikdioksiidi (+40%) ja lenduvate orgaaniliste ühendite (+38%) edasist tõusu.

Eemaldasin haisva kinga ja jätsin puhastusseadme 9 minutiks sisse lülitatud ning CO2 ja lenduvad orgaanilised ühendid tõusid järsult.

Nii et selle katse kohaselt toimus selle silindri sees midagi. Kui mineraliseerumise käigus hävitatakse lenduvad orgaanilised ühendid ja bakterid, siis teooria ütleb meile, et tekib CO2 ja H2O, seega võiks öelda, et see toimib, sest katse näitab, et süsinikdioksiid moodustub pidevalt, aga miks ka lenduvad orgaanilised ühendid aina suurenevad? Põhjus võib olla selles, et kasutasin vale andurit. Andur, mida ma kasutasin, on pildil näidatud ja minu arusaamist mööda hindab see süsinikdioksiidi LOÜ protsendi järgi, kasutades mõningaid sisemisi algoritme, ja saavutab ka kergesti lenduvate orgaaniliste ühendite küllastumise. Algoritm, mis on välja töötatud ja integreeritud andurimoodulisse, tõlgendas algandmeid, nt. metallioksiidi pooljuhttakistuse väärtus, CO2 ekvivalentväärtuses, tehes võrdluskatse NDIR CO2 gaasianduriga, ja kogu lenduvate orgaaniliste ühendite väärtus, mis põhineb võrdluskatsel seadmega FID. Arvan, et ma ei kasutanud piisavalt keerukaid ja täpseid seadmeid.

Igatahes on olnud naljakas proovida süsteemi sel viisil testida.

Kevadpuhastuse väljakutse esimene auhind