Čistička vzduchu s oxidem titaničitým a UV: 7 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

Dobrý den, komunita Instructable, Doufám, že jste všichni v pořádku v nouzových podmínkách, v nichž v tuto chvíli žijeme.

Dnes vám přináším projekt aplikovaného výzkumu. V tomto Instructable vás naučím, jak postavit čističku vzduchu pracující s fotokatalyzačním filtrem TiO2 (oxid titaničitý) a LED UVA. Řeknu vám, jak si vyrobit vlastní čističku, a také vám ukážu experiment. Podle vědecké literatury by tento filtr měl odstraňovat nepříjemné pachy a zabíjet bakterie a viry ve vzduchu, který jím prochází, včetně rodiny koronavirů.

V tomto výzkumném příspěvku vidíte, jak lze tuto technologii efektivně využít k ničení bakterií, plísní a virů; ve skutečnosti citují výzkum z roku 2004 s názvem Inaktivační účinek fotokatalytického titanového apatitového filtru na virus SARS, ve kterém vědci uvádějí, že bylo zabito 99,99% virů závažného akutního respiračního syndromu.

Chtěl bych tento projekt sdílet, protože se domnívám, že by mohl být obzvláště zajímavý, protože se snaží vyřešit vážný problém a protože je multidisciplinární: spojuje pojem chemie, elektroniky a mechanického designu.

Kroky:

1. Fotokatalýza s TiO2 a UV světlem

2. Spotřební materiál

3. 3D design čističky vzduchu

4. Elektronický obvod

5. Pájejte a sestavujte

6. Zařízení je kompletní

7. Páchnoucí snaha o čištění obuvi

Krok 1: Fotokatalýza s TiO2 a UV světlem

V této části vysvětlím teorii reakce.

Vše je shrnuto graficky na obrázku výše. Níže vysvětlím obrázek.

V podstatě foton s dostatkem energie dorazí do molekuly TiO2 na oběžné dráze, kde se točí elektron. Foton tvrdě narazí na elektron a odskočí z valenčního pásma do vodivého pásma. Tento skok je možný, protože TiO2 je polovodič a protože foton má dostatek energie. Energie fotonu je určena jeho vlnovou délkou podle tohoto vzorce:

E = hc/λ

kde h je Plankova konstanta, c je rychlost světla a λ je vlnová délka fotonu, která je v našem případě 365 nm. Energii můžete vypočítat pomocí této pěkné online kalkulačky. V našem případě je to E = 3, 397 eV.

Jakmile elektron odskočí, je tam volný elektron a volná díra, kde kdysi byl:

elektron e-

díra h+

A tyto dvě jsou zasaženy některými dalšími molekulami, které jsou částmi vzduchu, které jsou:

Molekula H2O vodní páry

OH- Hydroxid

Molekula kyslíku O2

Došlo k několika redoxním reakcím (více se o nich dozvíte v tomto videu).

Oxidace:

Vodní pára plus díra dává hydroxylový radikál plus hydratovaný vodíkový ion: H2O + h + → *OH + H + (aq)

Hydroxid plus díra dává hydroxylový radikál: OH- + h + → *OH

Snížení:

molekula kyslíku plus elektron dává superoxidový anion: O2 + e- → O2-

Tyto dvě nové věci (hydroxylový radikál a superoxidový anion) jsou volné radikály. Volný radikál je atom, molekula nebo ionty s jediným nepárovým elektronem, což je šíleně nestabilní, jak bylo řečeno v tomto velmi zábavném videu Crush Course.

Volné radikály jsou hlavní zodpovědné za mnoho řetězových reakcí, ke kterým dochází v chemii, například polymeraci, ke které dochází, když se monomery spojují jeden s druhým za vzniku polymeru, nebo jinými slovy za účelem výroby toho, čemu v širším slova smyslu říkáme plast (ale to je jiný příběh).

O2- zasahuje velké molekuly zápachu a bakterie a rozbíjí jejich uhlíkové vazby za vzniku CO2 (kysličník uhličitý)

*OH zasahuje velké molekuly zápachu a bakterie a rozbíjí jejich vodíkové vazby za vzniku H2O (vodní pára)

Spojení volných radikálů se sloučeninami uhlíku nebo organismy se nazývá mineralizace a přesně tam dochází k zabíjení.

Pro další informace jsem připojil PDF vědeckých prací, které jsem citoval v úvodu.

Krok 2: Spotřební materiál

K vytvoření tohoto projektu budete potřebovat:

- 3D tištěné pouzdro

- Víko vytištěné 3D

- laserem řezaný eloxovaný hliník o tloušťce 2 mm

- sítotisk (volitelný, nakonec jsem jej nepoužil)

- 5 kusů vysoce výkonných UV LED 365 nm

- Hvězdy PCB se stopou 3535 nebo LED již namontované na hvězdu

- tepelná oboustranná lepicí páska

- Filtr fotokatalyzátoru TiO2

- Napájení 20W 5V

- EU konektor 5/2,1 mm

- Ventilátor 40x10mm

- termální ječící trubice

- šrouby a matice se zápustnou hlavou M3

- 5 1W 5ohm odpory

- 1 0,5W odpor 15 ohmů

- malé dráty

Přidal jsem odkazy na nákup některých věcí, ale neprovozuji žádný partnerský program s dodavateli. Vkládám odkazy pouze proto, že pokud by někdo chtěl replikovat čističku vzduchu tímto způsobem, může mít představu o dodávkách a nákladech.

Krok 3: 3D návrh čističky vzduchu

Celý soubor sestavy najdete ve formátu.x_b v dosažení.

Můžete si všimnout, že jsem musel optimalizovat pouzdro pro 3D tisk. Udělal jsem stěny silnější a rozhodl jsem se nevyhladit úhel na základně.

Chladič je řezán laserem a frézován. Na 2mm eloxovaném hliníku (ČERVENÁ ZÓNA) je 1 mm snížení, které umožňuje lepší ohýbání. Ohýbání bylo provedeno ručně pomocí kleští a svěráku.

Můj přítel mě upozornil, že vzor na přední straně pouzdra je podobný tetování, které nosí Leeloo ve filmu Pátý prvek. Vtipná náhoda!

Krok 4: Elektronický obvod

Elektronický obvod je velmi snadný. Máme napájecí zdroj s konstantním napětím 5V a paralelně se chystáme umístit 5 LED a ventilátor. Prostřednictvím spousty rezistorů a několika matematických výpočtů rozhodujeme, jaký proud bychom přiváděli do LED a do ventilátoru.

LED diody

Při pohledu na datový list LED vidíme, že je můžeme napájet maximálně do 500mA, ale rozhodl jsem se je řídit na poloviční výkon (≈250mA). Důvodem je, že máme malý chladič, což je v podstatě hliníková deska, na kterou jsou připevněny. Pokud napájíme LED na 250mA, přední napětí LED je 3,72V. Podle odporu, který se rozhodneme vložit na tuto větev obvodu, získáme proud.

5V - 3,72V = 1,28V je potenciál napětí, který máme na rezistoru

Ohmový zákon R = V/I = 1,28/0,25 = 6,4 ohmů

Použiji komerční hodnotu odporu 5 ohmů

Výkon rezistoru = R I^2 = 0,31 W (ve skutečnosti jsem použil 1W rezistory, ponechal jsem určité rozpětí, protože LED dioda mohla oblast docela zahřát).

FANOUŠEK

Doporučené napětí ventilátoru je 5V a proud 180mA, pokud je poháněno tímto výkonem, může pohybovat vzduchem o průtoku 12m3/h. Všiml jsem si, že při této rychlosti byl ventilátor příliš hlučný (27 dB), a tak jsem se rozhodl trochu snížit napájecí napětí a proudové napájení ventilátoru, k tomu jsem použil odpor 15 ohmů. Abych porozuměl potřebné hodnotě, použil jsem potenciometr a viděl jsem, kdy budu mít kolem poloviny proudu, 100mA.

Výkon rezistoru = R I^2 = 0,15 W (zde jsem použil odpor 0,5 W)

Skutečný konečný průtok ventilátoru tedy činí 7,13 m3/h.

Krok 5: Pájejte a sestavujte

Použil jsem tenké kabely, abych spojil LED diody dohromady a vytvořil celý obvod a pájel vše co nejorganizovaněji. Vidíte, že odpory jsou chráněny uvnitř smršťovací bužírky. Uvědomte si, že anodu a chatodu LED musíte připájet na správné póly. Anody jdou na jeden konec rezistoru a katody na GND (v našem případě -5V). Na LED je anodová značka, vyhledejte její umístění vyhledáním v datovém listu LED. LED diody jsou k chladiči připevněny tepelnou oboustrannou lepicí páskou.

Ve skutečnosti jsem použil DC konektor (průhledný) pro snadné odstranění celého bloku zobrazeného na prvním obrázku (chladič, LED a ventilátor), nicméně tomuto prvku se lze vyhnout.

Černý konektor hlavního napájecího zdroje 5/2,1 EU DC byl vlepen do otvoru, který jsem vyvrtal ručně.

Boční otvory, které jsem vytvořil ve víku pro upevnění víka šrouby k pouzdru, byly také vyvrtány ručně.

Udělat veškeré pájení na tom malém prostoru byla malá výzva. Doufám, že se vám to bude líbit.

Krok 6: Zařízení je kompletní

Gratulujeme! Stačí jej zapojit a začít čistit vzduch.

Průtok vzduchu je 7,13 m3/h, takže místnost 3x3x3m by měla být vyčištěna přibližně za 4 hodiny.

Když je čistička zapnutá, všiml jsem si, že z ní vychází zápach, který mi připomíná ozón.

Doufám, že se vám tento Instructable líbil, a pokud jste ještě zvědavější, je zde další část o experimentu, který jsem provedl.

Pokud si nejste ochotni postavit vlastní čističku vzduchu, ale chtěli byste ji hned získat, můžete si ji koupit na Etsy. Udělal jsem pár, takže neváhejte navštívit stránku.

Sbohem a opatruj se, Pietro

Krok 7: Experiment: Úsilí o čištění smradlavé obuvi

V této zvláštní sekci bych chtěl ukázat malý zábavný experiment, který jsem udělal s čističkou.

Zpočátku jsem vložil velmi smradlavou botu - ujišťuji vás, že opravdu zapáchala - do hermetického akrylového válce o objemu 0,0063 m3. Co by mělo z té páchnoucí obuvi udělat velké molekuly obsahující síru a uhlík a také bioefektiva a bakterie pocházející z chodidla, které na sobě mělo tuto obuv. Když jsem čističku zapnul, očekával jsem, že se sníží VOC a zvýší CO2.

Nechal jsem tam botu ve válci 30 minut, abych dosáhl „rovnováhy zápachu“uvnitř nádoby. A prostřednictvím senzoru jsem zaznamenal masivní nárůst CO2 (+333%) a VOC (+120%).

V minutě 30 jsem vložil do válce čističku vzduchu a zapnul jsem ji na 5 minut. Zaznamenal jsem další nárůst CO2 (+40%) a VOC (+38%).

Sundal jsem páchnoucí botu a nechal jsem čističku zapnutou 9 minut a CO2 a VOC se stále dramaticky zvyšovaly.

Podle tohoto experimentu se tedy uvnitř válce něco dělo. Pokud jsou VOC a bakterie ničeny procesem mineralizace, teorie nám říká, že se tvoří CO2 a H2O, takže by se dalo říci, že to funguje, protože experiment ukazuje, že se CO2 stále tvoří, ale proč také VOC stále roste? Důvodem může být to, že jsem použil špatný senzor. Senzor, který jsem použil, je zobrazen na obrázku a podle toho, co jsem pochopil, odhaduje CO2 podle procenta VOC pomocí některých interních algoritmů a také snadno dosahuje saturace VOC. Algoritmus, který je vyvinut a integrován do senzorového modulu, interpretuje nezpracovaná data, např. hodnota odporu polovodiče oxidu kovu v hodnotě ekvivalentu CO2 provedením porovnávacího testu proti plynovému senzoru NDIR CO2 a celkové hodnoty VOC na základě srovnávacího testu s přístrojem FID. Myslím, že jsem nepoužil dostatečně sofistikované a přesné vybavení.

Každopádně bylo zábavné zkoušet vyzkoušet systém tímto způsobem.

První cena v jarní úklidové výzvě