Titāna dioksīds un UV gaisa attīrītājs: 7 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:52

Labdien, Instructable kopiena!

Es ceru, ka jums visiem klājas ārkārtas apstākļos, kādos mēs dzīvojam šajā brīdī.

Šodien es jums piedāvāju lietišķo pētījumu projektu. Šajā pamācībā es jums iemācīšu izveidot gaisa attīrītāju, kas strādā ar TiO2 (titāna dioksīda) fotokatalika filtru un UVA gaismas diodēm. Es jums pastāstīšu, kā pagatavot savu attīrītāju, un parādīšu arī eksperimentu. Saskaņā ar zinātnisko literatūru šim filtram vajadzētu noņemt sliktas smakas un iznīcināt baktērijas un vīrusus gaisā, kas iet caur to, ieskaitot koronavīrusu ģimeni.

Šajā pētnieciskajā darbā jūs varat redzēt, kā šo tehnoloģiju var efektīvi izmantot, lai iznīcinātu baktērijas, sēnītes un vīrusus; viņi patiesībā citē 2004. gada pētījumu ar nosaukumu Fotokatalītiskā titāna apatīta filtra inaktivācijas ietekme uz SARS vīrusu, kurā pētnieki apgalvo, ka tika nogalināti 99,99% smagu akūtu elpošanas sindroma vīrusu.

Es vēlētos dalīties ar šo projektu, jo uzskatu, ka tas varētu būt īpaši interesants, jo tas cenšas atrisināt nopietnu problēmu un tāpēc, ka tā daudznozaru: tas apvieno jēdzienu par ķīmiju, elektroniku un mehānisko dizainu.

Darbības:

1. Fotokatalīze ar TiO2 un UV gaismu

2. Piegādes

3. Gaisa attīrītāja 3D dizains

4. Elektroniskā shēma

5. Lodēt un salikt

6. Ierīce ir pabeigta

7. Smirdīgs apavu attīrīšanas darbs

1. solis: fotokatalīze ar TiO2 un UV gaismu

Šajā sadaļā es izskaidrošu reakcijas teoriju.

Viss ir grafiski apkopots attēlā iepriekš. Zemāk es paskaidrošu attēlu.

Būtībā fotons ar pietiekami daudz enerģijas nonāk TiO2 molekulā orbītā, kur griežas elektrons. Fotons smagi skar elektronu un liek tam pārlēkt prom no valences joslas uz vadīšanas joslu, šis lēciens ir iespējams, jo TiO2 ir pusvadītājs un fotonam ir pietiekami daudz enerģijas. Fotona enerģiju nosaka tā viļņa garums pēc šādas formulas:

E = hc/λ

kur h ir dēļu konstante, c ir gaismas ātrums un λ ir fotona viļņa garums, kas mūsu gadījumā ir 365 nm. Jūs varat aprēķināt enerģiju, izmantojot šo jauko tiešsaistes kalkulatoru. Mūsu gadījumā tas ir E = 3, 397 eV.

Kad elektrons atlec, ir brīvs elektrons un brīvs caurums, kur tas kādreiz bija:

elektronu e-

caurums h+

Un šos divus savukārt skar dažas citas molekulas, kas ir gaisa daļas:

H2O ūdens tvaiku molekula

OH- hidroksīds

O2 skābekļa molekula

Notiek dažas redoksreakcijas (uzziniet vairāk par tām šajā video).

Oksidēšana:

Ūdens tvaiki un caurums dod hidroksilradikālu un hidratētu ūdeņraža jonu: H2O + h + → *OH + H + (aq)

Hidroksīds plus caurums dod hidroksilradikālu: OH- + h + → *OH

Samazinājums:

skābekļa molekula un elektrons rada superoksīda anjonu: O2 + e- → O2-

Šīs divas jaunas lietas (hidroksilradikāls un superoksīda anjons) ir brīvie radikāļi. Brīvais radikālis ir atoms, molekula vai joni ar vienu nepāra elektronu, tas ir traki nestabili, kā teikts šajā ļoti smieklīgajā Crush Course video.

Brīvie radikāļi ir galvenie atbildīgie par daudzām ķēdes reakcijām, kas notiek ķīmijā, piemēram, polimerizāciju, kas notiek, kad monomēri savienojas viens ar otru, veidojot polimēru, vai, citiem vārdiem sakot, lai padarītu to, ko mēs plašāk saucam par plastmasu (bet tas ir cits stāsts)).

O2- skar lielas sliktas smakas molekulas un baktērijas un pārtrauc to oglekļa saites, veidojot CO2 (oglekļa dioksīdu)

*OH skar lielas sliktas smakas molekulas un baktērijas un pārtrauc to ūdeņraža saites, veidojot H2O (ūdens tvaikus)

Brīvo radikāļu savienošanos ar oglekļa savienojumiem vai organismiem sauc par mineralizāciju, un tieši šeit notiek nogalināšana.

Lai iegūtu papildinformāciju, esmu pievienojis zinātnisko darbu PDF failu, ko citēju ievadā.

2. solis: Piegādes

Lai izveidotu šo projektu, jums būs nepieciešams:

- 3D drukāts korpuss

- 3D drukāts vāks

- 2 mm biezs ar lāzeru sagriezts anodēts alumīnijs

- sietspiede (pēc izvēles, galu galā es to neizmantoju)

- 5 gabali lieljaudas UV LED 365 nm

- PCB zvaigznes ar 3535 pēdas nospiedumu vai gaismas diodes, kas jau ir uzstādītas uz zvaigznes

- termiska divpusēja līmlente

- TiO2 fotokatalizatora filtrs

- Barošana 20W 5V

- ES savienotājs 5/2,1 mm

- ventilators 40x10 mm

- termiski kliedzošas caurules

- iegremdētas galvas M3 skrūves un uzgriežņi

- 5 1W 5ohm rezistori

- 1 0,5 W 15 omu rezistors

- mazi vadi

Esmu pievienojis saites dažu preču iegādei, bet es nedarboju nekādu saistītu programmu ar pārdevējiem. Es ievietoju saites tikai tāpēc, ka, ja kāds vēlas šādā veidā atkārtot gaisa attīrītāju, viņam var būt priekšstats par piegādēm un izmaksām.

3. solis: gaisa attīrītāja 3D dizains

Jūs varat atrast visu montāžas failu formātā.x_b.

Jūs varat pamanīt, ka man bija jāoptimizē korpuss 3D drukāšanai. Es padarīju sienas biezākas un nolēmu neizlīdzināt leņķi pie pamatnes.

Radiators tiek izgriezts ar lāzeru un frēzēts. Uz 2 mm anodētā alumīnija (RED ZONE) ir 1 mm nolaišanās, kas ļauj labāk saliekties. Liekšana ir veikta manuāli, izmantojot knaibles un skrūvspīles.

Mans draugs lika man pamanīt, ka raksts korpusa priekšpusē ir līdzīgs tetovējumam, ko Leeloo nēsā filmā Piektais elements. Smieklīga sakritība!

4. solis: elektroniskā shēma

Elektroniskā shēma ir ļoti vienkārša. Mums ir pastāvīgs 5 V sprieguma barošanas avots, un paralēli mēs novietojam 5 gaismas diodes un ventilatoru. Izmantojot virkni rezistoru un veicot dažus matemātiskus aprēķinus, mēs izlemjam, cik daudz strāvas mēs ievadītu gaismas diodēs un ventilatorā.

Gaismas diodes

Aplūkojot LED datu lapu, mēs redzam, ka mēs varam tos vadīt līdz 500 mA maksimāli, bet es nolēmu tos vadīt ar pusi jaudas (~ 250 mA). Iemesls ir tāds, ka mums ir maza dzesētāja, kas būtībā ir alumīnija plāksne, pie kuras tie ir piestiprināti. Ja mēs vadām gaismas diodi pie 250 mA, gaismas diodes priekšējais spriegums ir 3,72 V. Saskaņā ar pretestību, ko mēs nolemjam uzlikt uz šīs ķēdes filiāles, mēs iegūstam strāvu.

5V - 3.72V = 1.28V ir sprieguma potenciāls, kas mums ir rezistorā

Omu likums R = V/I = 1,28/0,25 = 6,4 omi

Es izmantošu 5 omu pretestības komerciālo vērtību

Rezistora jauda = R I^2 = 0.31W (es faktiski esmu izmantojis 1W rezistorus, atstāju zināmu rezervi, jo gaismas diode varētu nedaudz uzsildīt zonu).

VENTILATORS

Ventilatora ieteiktais spriegums ir 5V un 180mA strāva, ja ar šo jaudu tiek darbināts, tas var pārvietot gaisu ar plūsmas ātrumu 12m3/h. Es pamanīju, ka ar šo ātrumu ventilators bija pārāk trokšņains (27 dB), tāpēc es nolēmu mazliet pazemināt sprieguma padevi un strāvas padevi ventilatoram, lai to izdarītu, es izmantoju 15 omu rezistoru. Lai saprastu vajadzīgo vērtību, es izmantoju potenciometru un redzēju, kad man būs aptuveni puse no strāvas, 100 mA.

Rezistora jauda = R I^2 = 0,15 W (šeit esmu izmantojis 0,5 W rezistoru)

Tātad faktiskais ventilatora gala plūsmas ātrums ir 7,13 m3/h.

5. solis: lodēt un salikt

Esmu izmantojis plānus kabeļus, lai savienotu gaismas diodes kopā un izveidotu visu ķēdi un lodētu visu pēc iespējas sakārtotāk. Jūs varat redzēt, ka rezistori ir aizsargāti termiski saraušanās caurulēs. Ņemiet vērā, ka anods un gaismas diodes tērzēšanas lodējums ir jāpielodē pareizajos polos. Anodi iet uz vienu rezistora galu, bet katodi uz GND (mūsu gadījumā -5V). Uz gaismas diodes ir anoda zīme, atrodiet tā atrašanās vietu, meklējot to LED datu lapā. Gaismas diodes ir piestiprinātas pie radiatora ar termisku divpusēju līmlenti.

Es faktiski esmu izmantojis līdzstrāvas savienotāju (caurspīdīgo), lai viegli noņemtu visu pirmajā attēlā redzamo bloku (radiatoru, gaismas diodes un ventilatoru), tomēr no šī elementa var izvairīties.

Melnais 5/2.1 EU DC galvenās barošanas avota savienotājs ir pielīmēts caurumā, kuru es urbju manuāli.

Manuāli tika urbti arī sānu caurumi, kurus es izveidoju vāciņā, lai vāku ar skrūvēm piestiprinātu pie korpusa.

Veikt visu lodēšanu šajā mazajā telpā bija neliels izaicinājums. Es ceru, ka jums patiks to aptvert.

6. darbība: ierīce ir pabeigta

Apsveicam! Vienkārši pievienojiet to un sāciet gaisa attīrīšanu.

Gaisa plūsmas ātrums ir 7,13 m3/h, tāpēc 3x3x3m telpa jāattīra apmēram 4 stundu laikā.

Kad attīrītājs ir ieslēgts, esmu pamanījis, ka no tā nāk smarža, kas man atgādina ozonu.

Es ceru, ka jums patika šī pamācība un, ja esat vēl interesantāks, ir papildu sadaļa par manu eksperimentu.

Ja nevēlaties izveidot savu gaisa attīrītāju, bet vēlaties to iegūt uzreiz, varat to iegādāties vietnē Etsy. Es izveidoju pāris, tāpēc jūtieties brīvi apmeklēt lapu.

Čau un rūpējies, Pjetro

7. solis: eksperiments: smirdīgo apavu attīrīšanas centieni

Šajā papildu sadaļā es vēlos parādīt nelielu smieklīgu eksperimentu, ko veicu ar attīrītāju.

Sākumā es ievietoju ļoti smirdīgu apavu - es apliecinu, ka tas tiešām smirdēja slikti - hermētiskā akrila cilindrā ar tilpumu 0,0063 m3. Kam vajadzētu padarīt šo apavu tik smirdošu, ir lielas molekulas, kas satur sēru un oglekli, kā arī bioatteces un baktērijas, kas nāk no pēdas, kas valkāja šo apavu. Ieslēdzot attīrītāju, es gaidīju, ka jāsamazina GOS un jāpalielina CO2.

Es atstāju kurpi tur cilindrā 30 minūtes, lai sasniegtu "smirdošo līdzsvaru" konteinera iekšpusē. Un caur sensoru es pamanīju milzīgu CO2 (+333%) un GOS (+120%) pieaugumu.

30. minūtē es ievietoju gaisa attīrītāju cilindra iekšpusē un ieslēdzu to 5 minūtes. Es pamanīju turpmāku CO2 (+40%) un GOS (+38%) pieaugumu.

Es noņēmu smirdīgo apavu un atstāju attīrītāju ieslēgtu 9 minūtes, un CO2 un GOS dramatiski palielinājās.

Tātad saskaņā ar šo eksperimentu šajā cilindrā kaut kas notika. Ja GOS un baktērijas tiek iznīcinātas mineralizācijas procesā, teorija saka, ka veidojas CO2 un H2O, tāpēc varētu teikt, ka tas darbojas, jo eksperiments rāda, ka CO2 turpina veidoties, bet kāpēc arī GOS turpina palielināties? Iemesls var būt tas, ka es izmantoju nepareizu sensoru. Manis izmantotais sensors ir attēlā redzamais, un, kā es sapratu, tas novērtē CO2 atbilstoši GOS procentiem, izmantojot dažus iekšējos algoritmus, kā arī viegli sasniedz GOS piesātinājumu. Algoritms, kas ir izstrādāts un integrēts sensoru modulī, interpretēja neapstrādātus datus, piem. metāla oksīda pusvadītāju pretestības vērtību, CO2 ekvivalenta vērtībā, veicot salīdzināšanas testu ar NDIR CO2 gāzes sensoru, un kopējo GOS vērtību, pamatojoties uz salīdzināšanas testu ar instrumentu FID. Es domāju, ka es neizmantoju pietiekami izsmalcinātu un precīzu aprīkojumu.

Katrā ziņā ir bijis smieklīgi šādā veidā izmēģināt sistēmu.

Pirmā balva pavasara tīrīšanas izaicinājumā