Titandioxid og UV -luftrenser: 7 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:26

Hej community of Instructable, Jeg håber, at I alle har det godt i de nødstilfælde, vi lever i i dette øjeblik.

I dag bringer jeg et anvendt forskningsprojekt til dig. I denne Instructable vil jeg lære dig, hvordan du bygger en luftrenser, der arbejder med et TiO2 (Titanium Dioxide) fotokatalyk filter og UVA LED'er. Jeg vil fortælle dig, hvordan du laver din egen renser, og jeg vil også vise dig et eksperiment. Ifølge videnskabelig litteratur skal dette filter fjerne dårlig lugt og dræbe bakterier og vira i luften, der passerer det, herunder coronavirus -familien.

I denne forskningsartikel kan du se, hvordan denne teknologi effektivt kan bruges til at dræbe bakterier, svampe og vira; de citerer faktisk en forskning fra 2004 med titlen The Inactivation Effect of Photocatalytic Titanium Apatite Filter on SARS Virus, hvor forskerne oplyser, at 99,99% af alvorlige vira med akut respiratorisk syndrom blev dræbt.

Jeg vil gerne dele dette projekt, da jeg mener, at det kan være særligt interessant, fordi det forsøger at løse et alvorligt problem, og fordi det er tværfagligt: det samler forestillingen om kemi, elektronik og mekanisk design.

Trinene:

1. Fotokatalyse med TiO2 og UV -lys

2. Forbrugsvarer

3. 3D -design af luftrenser

4. Elektronisk kredsløb

5. Lodde og saml

6. Enheden er fuldført

7. Den stinkende skooprensningsindsats

Trin 1: Fotokatalyse med TiO2 og UV -lys

I dette afsnit vil jeg forklare teorien bag reaktionen.

Alt er opsummeret grafisk i billedet ovenfor. Nedenfor vil jeg forklare billedet.

Grundlæggende ankommer fotonet med nok energi i molekylet af TiO2 i kredsløbet, hvor en elektron drejer. Fotonen rammer elektronen hårdt og får den til at springe væk fra valensbåndet til ledningsbåndet, dette spring er muligt, fordi TiO2 er en halvleder, og fordi fotonet har nok energi. Energien af foton bestemmes af dens bølgelængde i henhold til denne formel:

E = hc/λ

hvor h er Plankekonstanten, c er lysets hastighed og λ er fotonens bølgelængde, som i vores tilfælde er 365 nm. Du kan beregne energien ved hjælp af denne flotte online lommeregner. I vores tilfælde er det E = 3, 397 eV.

Når elektronen hopper væk, er der en fri elektron og et frit hul, hvor den engang var:

elektron e-

hul h+

Og disse to bliver igen ramt af nogle andre molekyler, der er dele af luften, som er:

H2O molekyle af vanddamp

OH- Hydroxid

O2 iltmolekyle

Der sker et par redoxreaktioner (lær mere om dem i denne video).

Oxidation:

Vanddamp plus et hul giver hydroxylradikal plus hydreret hydrogenion: H2O + h + → *OH + H + (aq)

Hydroxid plus et hul giver hydroxylradikal: OH- + h + → *OH

Reduktion:

oxygenmolekyle plus en elektron giver superoxidanion: O2 + e- → O2-

Disse to nye ting, der dannes (hydroxylradikal og superoxidanion) er frie radikaler. En fri radikal er et atom, molekyle eller ioner med en enkelt uparret elektron, dette er tosset ustabilt som sagt i denne meget sjove Crush Course -video.

Frie radikaler er hovedansvarlige for mange kædereaktioner, der sker i kemi, for eksempel polymerisering, som sker, når monomerer forbinder hinanden med hinanden for at danne en polymer, eller med andre ord for at lave det, vi mere bredt kalder plast (men det er en anden historie).

O2- rammer store dårlige lugtmolekyler og bakterier og bryder deres kulstofbindinger og danner CO2 (kuldioxid)

*OH rammer store dårlige lugtmolekyler og bakterier og bryder deres hydrogenbindinger og danner H2O (vanddamp)

Foreningen af de frie radikaler til kulstofforbindelser eller organismer kaldes mineralisering, og det er præcis her, drabet sker.

For yderligere information har jeg vedhæftet PDF'en af de videnskabelige artikler, som jeg citerede i introduktionen.

Trin 2: Forbrugsvarer

For at lave dette projekt skal du bruge:

- 3D -trykt sag

- 3D -trykt låg

- laserskåret anodiseret aluminium 2 mm tykt

- silketryk (valgfrit, til sidst brugte jeg det ikke)

- 5 stykker højeffekt UV LED 365nm

- PCB -stjerner med 3535 fodaftryk eller lysdioder, der allerede er monteret på en stjerne

- termisk dobbeltsidet tape

- TiO2 fotokatalysatorfilter

- Strømforsyning 20W 5V

- EU -stik 5/2,1 mm

- Blæser 40x10mm

- termiske skrigende rør

- forsænket hoved M3 bolte og møtrikker

- 5 1W 5ohm modstande

- 1 0,5W 15ohm modstand

- små ledninger

Jeg har tilføjet links til køb af nogle ting, men jeg kører ikke noget partnerprogram med leverandørerne. Jeg lagde kun linkene, fordi hvis nogen gerne vil replikere luftrenser på denne måde kan have en idé om forsyninger og omkostninger.

Trin 3: 3D -design af luftrenser

Du kan finde hele forsamlingsfilen i formatet.x_b i opnå.

Du vil måske bemærke, at jeg var nødt til at optimere sagen til 3D -udskrivning. Jeg gjorde væggene tykkere, og jeg besluttede ikke at glatte vinklen ved bunden.

Kølelegemet er laserskåret og fræset. Der er en 1 mm sænkning på 2 mm anodiseret aluminium (RØD ZONE), der muliggør bedre bøjning. Bøjningen er udført manuelt med en tang og skruestik.

En af mine venner fik mig til at bemærke, at mønsteret på forsiden af sagen ligner den tatovering, som Leeloo bærer i filmen The Fifth Element. Sjov tilfældighed!

Trin 4: Elektronisk kredsløb

Det elektroniske kredsløb er meget let. Vi har en konstant spændingsforsyning på 5V og parallelt skal vi placere 5 lysdioder og en blæser. Gennem en flok modstande og med nogle matematiske beregninger bestemmer vi, hvor meget strøm vi ville føre ind i lysdioderne og ind i blæseren.

LED'erne

Når vi ser på LED -databladet, ser vi, at vi kan køre dem op til 500mA maksimalt, men jeg besluttede at køre dem med halv effekt (≈250mA). Årsagen er, at vi har en lille køleplade, som i bund og grund er aluminiumspladen, som de er fastgjort til. Hvis vi driver LED'en ved 250mA, er LED'ens fremspænding 3,72V. Ifølge den modstand, vi beslutter at lægge på den gren af kredsløbet, opnår vi strømmen.

5V - 3.72V = 1.28V er det spændingspotentiale, vi har på modstanden

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

Jeg vil bruge den kommercielle værdi af modstand på 5ohm

Modstandens effekt = R I^2 = 0,31W (jeg har faktisk brugt 1W modstande, jeg forlod en vis margen, fordi LED'en kunne varme området ganske lidt op).

FANEN

Ventilatorens foreslåede spænding er 5V og 180mA strøm, hvis den drives med denne effekt, kan den flytte luft med strømningshastigheden på 12m3/t. Jeg bemærkede, at blæseren ved denne hastighed var for støjende (27dB), så jeg besluttede at sænke spændingsforsyningen og strømforsyningen til blæseren en smule, for at gøre dette brugte jeg en modstand på 15ohm. For at forstå den nødvendige værdi brugte jeg et potentiometer, og jeg så, hvornår jeg ville have omkring halvdelen af strømmen, 100mA.

Modstandseffekt = R I^2 = 0,15W (jeg har brugt 0,5W modstand her)

Så den faktiske endelige strømningshastighed for ventilatoren resulterer i 7,13 m3/t.

Trin 5: Lod og saml

Jeg har brugt tynde kabler til at forbinde LED'erne sammen og lave hele kredsløbet og loddet alt så organiseret som muligt. Du kan se, at modstandene er beskyttet inde i varmekrympeslanger. Vær opmærksom på, at du skal lodde anoden og LED'ernes chatode til de rigtige poler. Anoderne går til en modstandsende, og katoderne går til GND (-5V i vores tilfælde). På LED'en er der et anodemærke, find placeringen af det, og slå det op i LED -databladet. Lysdioder er fastgjort til kølelegemet med termisk dobbeltsidet tape.

Jeg har faktisk brugt et DC -stik (det transparente) til let at fjerne hele blokken vist på det første billede (køleplade, lysdioder og blæser), men dette element kan undgås.

Det sorte 5/2.1 EU DC hovedstrømforsyningsstik er blevet limet i et hul, som jeg har boret manuelt.

De sidehuller, jeg lavede i låget for at fastgøre låget med skruer til sagen, blev også boret manuelt.

At lave al lodning i det lille rum var en lille udfordring. Jeg håber du vil nyde at omfavne det.

Trin 6: Enheden er færdig

Tillykke! Bare tilslut den og begynd at rense luften.

Luftstrømningshastigheden er 7,13 m3/t, så et rum på 3x3x3m bør renses på omkring 4 timer.

Når renseren er tændt, har jeg bemærket, at der kommer en lugt ud af det, der minder mig om ozon.

Jeg håber, at du har kunne lide denne Instructable, og hvis du er endnu mere nysgerrig, er der et ekstra afsnit om et eksperiment, jeg lavede.

Hvis du ikke er villig til at bygge din egen luftrenser, men du gerne vil have det med det samme, kan du købe det på Etsy. Jeg fik et par, så besøg gerne siden.

Farvel og pas på, Pietro

Trin 7: Eksperiment: Stinky Shoe Purification -indsatsen

I dette ekstra afsnit vil jeg gerne vise et lille sjovt eksperiment, som jeg lavede med renseren.

I første omgang lagde jeg en meget stinkende sko - jeg forsikrer dig om, at den virkelig lugtede dårligt - i en hermetisk akrylcylinder med et volumen på 0,0063 m3. Hvad skal gøre den sko, der ildelugtende, er store molekyler indeholdende svovl og kulstof og også bioeffluenter og bakterier, der kommer fra foden, der bar den sko. Det, jeg forventede at se, da jeg tændte for renseren, var VOC at reducere og CO2 at stige.

Jeg efterlod skoen der i cylinderen i 30 minutter for at nå "stinkbalancen" inde i beholderen. Og gennem en sensor bemærkede jeg en massiv stigning i CO2 (+333%) og VOC (+120%).

I minut 30 placerede jeg luftrenseren inde i cylinderen, og jeg tændte den i 5 minutter. Jeg bemærkede en yderligere stigning i CO2 (+40%) og VOC (+38%).

Jeg fjernede den stinkende sko, og jeg lod renseren være tændt i 9 minutter, og CO2 og VOC blev ved med at stige dramatisk.

Så ifølge dette eksperiment skete der noget inde i cylinderen. Hvis VOC og bakterier ødelægges gennem mineraliseringsprocessen, fortæller teorien os, at CO2 og H2O dannes, så man kan sige, at det virker, fordi eksperimentet viser, at CO2 fortsat dannes, men hvorfor også VOC blev ved med at stige? Årsagen kan være, at jeg brugte den forkerte sensor. Sensoren, jeg brugte, er den, der er vist på billedet, og efter hvad jeg forstod, estimerer den CO2 i henhold til en procentdel af VOC ved hjælp af nogle interne algoritmer og når også let VOC -mætning. Algoritmen, som er udviklet og integreret i sensormodulet, fortolkede rådataene, f.eks. metaloxid halvledermodstandsværdi, i CO2 ækvivalentværdi ved at lave sammenligningstesten mod NDIR CO2 -gassensor og Total VOC -værdi baseret på sammenligningstesten med instrument FID. Jeg tror, at jeg ikke brugte udstyr sofistikeret og præcist nok.

Under alle omstændigheder har det været sjovt at prøve at teste systemet på denne måde.

Første præmie i forårets rengøringsudfordring