Диоксид титана и УФ-очиститель воздуха: 7 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

Привет, сообщество Instructable!

Я надеюсь, что вы все в порядке в тех чрезвычайных обстоятельствах, в которых мы живем в данный момент.

Сегодня я представляю вам проект прикладного исследования. В этом руководстве я научу вас, как построить очиститель воздуха, работающий с фотокаталитическим фильтром TiO2 (диоксид титана) и светодиодами UVA. Я расскажу вам, как сделать очиститель самостоятельно, а также покажу вам эксперимент. Согласно научной литературе, этот фильтр должен удалять неприятные запахи и убивать бактерии и вирусы в проходящем через него воздухе, включая семейство коронавирусов.

В этом исследовании вы можете увидеть, как эту технологию можно эффективно использовать для уничтожения бактерий, грибков и вирусов; они фактически цитируют исследование 2004 года под названием «Эффект инактивации фотокаталитического титано-апатитового фильтра на вирус атипичной пневмонии», в котором исследователи утверждают, что 99,99% вирусов тяжелого острого респираторного синдрома были убиты.

Я хотел бы поделиться этим проектом, так как считаю, что он может быть особенно интересным, потому что он пытается решить серьезную проблему и потому, что он многопрофильный: он объединяет понятия химии, электроники и механического дизайна.

Шаги:

1. Фотокатализ с TiO2 и УФ-светом

2. Принадлежности

3. 3D-дизайн очистителя воздуха

4. Электронная схема

5. Припаять и собрать

6. Устройство в комплекте

7. Очистка вонючей обуви

Шаг 1: Фотокатализ с TiO2 и УФ-светом

В этом разделе я объясню теорию реакции.

Все графически резюмировано на изображении выше. Ниже я объясню изображение.

По сути, фотон с достаточной энергией попадает в молекулу TiO2 на орбиту, где вращается электрон. Фотон сильно ударяет по электрону и заставляет его отскочить из валентной зоны в зону проводимости, этот скачок возможен, потому что TiO2 является полупроводником и потому что у фотона достаточно энергии. Энергия фотона определяется его длиной волны по этой формуле:

E = hc / λ

где h - постоянная Планка, c - скорость света, а λ - длина волны фотона, которая в нашем случае составляет 365 нм. Вы можете рассчитать энергию с помощью этого симпатичного онлайн-калькулятора. В нашем случае это E = 3 397 эВ.

Как только электрон отскакивает, на месте когда-то были свободный электрон и свободная дырка:

электрон е-

отверстие h +

И эти два, в свою очередь, сталкиваются с некоторыми другими молекулами, которые являются частями воздуха, а именно:

Молекула H2O водяного пара

ОН-гидроксид

Молекула кислорода O2

Происходит несколько окислительно-восстановительных реакций (подробнее о них смотрите в этом видео).

Окисление:

Водяной пар плюс отверстие дает гидроксильный радикал плюс гидратированный ион водорода: H2O + h + → * OH + H + (водн.)

Гидроксид плюс отверстие дает гидроксильный радикал: OH- + h + → * OH

Снижение:

молекула кислорода плюс электрон дает супероксид-анион: O2 + e- → O2-

Образовавшиеся две новые вещи (гидроксильный радикал и супероксид-анион) являются свободными радикалами. Свободный радикал - это атом, молекула или ионы с одним неспаренным электроном, это безумно нестабильно, как сказано в этом очень забавном видеоролике Crush Course.

Свободные радикалы являются основной причиной многих цепных реакций, которые происходят в химии, например, полимеризации, которая происходит, когда мономеры соединяются друг с другом с образованием полимера или, другими словами, с образованием того, что мы в более широком смысле называем пластиком (но это уже другая история.).

O2- поражает большие молекулы неприятного запаха и бактерии и разрывает их углеродные связи, образуя CO2 (углекислый газ).

* OH поражает большие молекулы неприятного запаха и бактерии и разрывает их водородные связи, образуя H2O (водяной пар)

Соединение свободных радикалов с углеродными соединениями или организмами называется минерализацией, и именно здесь происходит убийство.

Для получения дополнительной информации я приложил PDF-файл с научными статьями, которые я цитировал во вступлении.

Шаг 2: расходные материалы

Для создания этого проекта вам понадобятся:

- Корпус с 3D-печатью

- крышка, напечатанная на 3D-принтере

- анодированный алюминий толщиной 2 мм, вырезанный лазером

- шелкография (по желанию, со временем не использовала)

- 5 мощных УФ-светодиодов 365 нм

- Звезды на печатной плате с площадью основания 3535 или светодиоды, уже установленные на звезду

- термоклейкая двусторонняя клейкая лента

- Фотокаталитический фильтр TiO2

- Блок питания 20Вт 5В

- Разъем ЕС 5 / 2,1 мм

- Вентилятор 40х10мм

- тепловизионные трубки

- болты и гайки М3 с потайной головкой

- 5 резисторов по 1 Вт 5 Ом

- 1 резистор 0,5 Вт 15 Ом

- мелкие провода

Я добавил ссылки для покупки некоторых вещей, но у меня нет партнерской программы с поставщиками. Я поместил ссылки только потому, что, если кто-то захочет воспроизвести очиститель воздуха таким образом, может иметь представление о расходных материалах и стоимости.

Шаг 3: 3D-дизайн очистителя воздуха

Вы можете найти весь файл сборки в формате.x_b в файле достижения.

Вы могли заметить, что мне пришлось оптимизировать корпус для 3D-печати. Стенки я сделал толще и решил не сглаживать угол у основания.

Радиатор вырезан и фрезерован лазером. Анодированный алюминий на 2 мм (КРАСНАЯ ЗОНА) опускается на 1 мм, что обеспечивает лучший изгиб. Гибка производилась вручную с помощью плоскогубцев и тисков.

Один мой друг заставил меня заметить, что узор на передней части футляра похож на татуировку, которую носит Лилу в фильме «Пятый элемент». Забавное совпадение!

Шаг 4: Электронная схема

Электронная схема очень проста. У нас есть источник постоянного напряжения 5В и параллельно мы собираемся разместить 5 светодиодов и вентилятор. С помощью набора резисторов и некоторых математических расчетов мы решаем, какой ток мы будем подавать на светодиоды и вентилятор.

Светодиоды

Глядя на таблицу светодиодов, мы видим, что мы можем использовать их максимум до 500 мА, но я решил использовать их на половинной мощности (≈250 мА). Причина в том, что у нас есть небольшой радиатор, который в основном представляет собой алюминиевую пластину, к которой они прикреплены. Если мы запустим светодиод на 250 мА, прямое напряжение светодиода составит 3,72 В. В соответствии с сопротивлением, которое мы решаем поставить на эту ветвь цепи, мы получаем ток.

5V - 3.72V = 1.28V - это потенциал напряжения на резисторе.

Закон Ома R = V / I = 1,28 / 0,25 = 6,4 Ом

Я буду использовать коммерческое значение сопротивления 5 Ом.

Мощность резистора = R I ^ 2 = 0,31 Вт (на самом деле я использовал резисторы 1 Вт, я оставил некоторый запас, потому что светодиод может немного нагревать область).

ВЕНТИЛЯТОР

Предлагаемое напряжение вентилятора составляет 5 В и ток 180 мА, если он работает с этой мощностью, он может перемещать воздух со скоростью 12 м3 / ч. Я заметил, что на этой скорости вентилятор был слишком шумным (27 дБ), поэтому я решил немного снизить напряжение питания и ток, подаваемый на вентилятор, для этого я использовал резистор на 15 Ом. Чтобы понять необходимое значение, я использовал потенциометр и увидел, когда у меня будет около половины тока, 100 мА.

Мощность резистора = R I ^ 2 = 0,15 Вт (здесь я использовал резистор 0,5 Вт)

Таким образом, фактический конечный расход вентилятора составляет 7,13 м3 / ч.

Шаг 5: припаяйте и соберите

Я использовал тонкие кабели, чтобы соединить светодиоды вместе и собрать всю схему, и спаял все как можно более организованно. Вы можете видеть, что резисторы защищены термоусадочной трубкой. Имейте в виду, что вам нужно припаять анод и решетку светодиодов к правильным полюсам. Аноды идут на один конец резистора, а катоды идут на GND (-5V в нашем случае). На светодиоде есть метка анода, найдите ее расположение в таблице данных светодиода. Светодиоды крепятся к радиатору с помощью двустороннего термоклейкого скотча.

Я фактически использовал разъем постоянного тока (прозрачный), чтобы легко удалить весь блок, показанный на первом рисунке (радиатор, светодиоды и вентилятор), однако этого элемента можно избежать.

Черный разъем питания постоянного тока 5 / 2.1 EU DC был вклеен в отверстие, которое я просверлил вручную.

Боковые отверстия, которые я проделал в крышке для крепления крышки винтами к корпусу, тоже просверлили вручную.

Выполнить пайку в этом небольшом пространстве было непросто. Надеюсь, вам понравится это принять.

Шаг 6: Устройство готово

Поздравляю! Просто подключите его и начните очищать воздух.

Расход воздуха составляет 7,13 м3 / ч, поэтому на очистку помещения размером 3x3x3 м потребуется примерно 4 часа.

Когда очиститель включен, я заметил, что из него исходит запах, напоминающий мне озон.

Надеюсь, вам понравилось это руководство, и если вам еще больше интересно, есть дополнительный раздел об эксперименте, который я провел.

Если вы не хотите создавать собственный очиститель воздуха, но хотели бы сразу получить его, вы можете купить его на Etsy. Я сделал пару, так что не стесняйтесь заходить на страницу.

Пока и береги себя, Пьетро

Шаг 7. Эксперимент: очистка вонючей обуви

В этом дополнительном разделе я хотел бы показать небольшой забавный эксперимент, который я провел с очистителем.

Сначала я поместил очень вонючую обувь - уверяю вас, она действительно плохо пахла - в герметичный акриловый цилиндр объемом 0,0063 м3. Что должно сделать ту обувь такой пахнущей, так это большие молекулы, содержащие серу и углерод, а также биоотходы и бактерии, исходящие от ноги, на которой была эта обувь. Когда я включил очиститель, я ожидал увидеть, что ЛОС уменьшится, а СО2 - увеличится.

Я оставил туфлю в цилиндре на 30 минут, чтобы достичь «баланса вонь» внутри контейнера. А через датчик я заметил резкое увеличение выбросов CO2 (+ 333%) и VOC (+ 120%).

На 30-й минуте я поместил внутрь цилиндра очиститель воздуха и включил его на 5 минут. Я заметил дальнейшее увеличение выбросов CO2 (+ 40%) и VOC (+ 38%).

Я снял вонючую обувь и оставил очиститель включенным на 9 минут, а CO2 и летучие органические соединения продолжали резко увеличиваться.

Итак, согласно этому эксперименту, внутри этого цилиндра что-то происходило. Если ЛОС и бактерии уничтожаются в процессе минерализации, теория говорит нам, что образуется СО2 и Н2О, поэтому можно сказать, что это работает, потому что эксперимент показывает, что СО2 продолжает образовываться, но почему ЛОС продолжает расти? Причина может быть в том, что я использовал не тот датчик. Датчик, который я использовал, показан на картинке, и насколько я понял, он оценивает CO2 в соответствии с процентным содержанием ЛОС с использованием некоторых внутренних алгоритмов, а также легко достигает насыщения ЛОС. Алгоритм, который разработан и интегрирован в модуль датчика, интерпретировал необработанные данные, например значение сопротивления металлооксидного полупроводника в эквиваленте CO2 путем выполнения сравнительного теста с датчиком газа NDIR CO2 и значение общего VOC на основе сравнительного теста с прибором FID. Считаю, что использовал недостаточно сложное и точное оборудование.

Во всяком случае, было забавно пытаться протестировать систему таким образом.

Первый приз в конкурсе Spring Cleaning Challenge