Titandioxid och UV -luftrenare: 7 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:39

Hej community of Instructable, Jag hoppas att ni alla mår bra under de akuta omständigheter vi lever i just nu.

Idag tar jag med dig ett tillämpat forskningsprojekt. I denna instruktionsbok kommer jag att lära dig hur man bygger en luftrenare som arbetar med ett TiO2 (titandioxid) fotokatalykfilter och UVA -lysdioder. Jag kommer att berätta hur du gör din egen renare och jag kommer också att visa dig ett experiment. Enligt vetenskaplig litteratur bör detta filter avlägsna dålig lukt och döda bakterier och virus i luften som passerar det, inklusive coronavirus -familjen.

I denna forskningsartikel kan du se hur denna teknik kan användas effektivt för att döda bakterier, svampar och virus; de citerar faktiskt en forskning från 2004 med titeln The Inactivation Effect of Photocatalytic Titanium Apatite Filter on SARS Virus, där forskarna uppger att 99,99% av allvarliga akuta respiratoriska syndromvirus dödades.

Jag skulle vilja dela med mig av detta projekt eftersom jag tror att det kan vara särskilt intressant eftersom det försöker lösa ett allvarligt problem och för att det är tvärvetenskapligt: det samlar begreppet kemi, elektronik och mekanisk design.

Stegen:

1. Fotokatalys med TiO2 och UV -ljus

2. Tillbehör

3. 3D -design av luftrenaren

4. Elektronisk krets

5. Löd och montera

6. Enheten är klar

7. Den illaluktande skonreningsarbetet

Steg 1: Fotokatalys med TiO2 och UV -ljus

I detta avsnitt kommer jag att förklara teorin bakom reaktionen.

Allt sammanfattas grafiskt i bilden ovan. Nedan kommer jag att förklara bilden.

I grund och botten kommer fotonen med tillräckligt med energi till molekylen av TiO2 i omloppsbana där en elektron snurrar. Fotonen slår hårt mot elektronen och får den att hoppa bort från valensbandet till ledningsbandet, detta hopp är möjligt eftersom TiO2 är en halvledare och eftersom fotonen har tillräckligt med energi. Energin för fotonet bestäms av dess våglängd enligt denna formel:

E = hc/λ

där h är plankkonstanten, c är ljusets hastighet och λ är fotons våglängd, som i vårt fall är 365 nm. Du kan beräkna energin med denna fina online -miniräknare. I vårt fall är det E = 3, 397 eV.

När elektronen hoppar bort finns det en fri elektron och ett fritt hål där den en gång var:

elektron e-

hål h+

Och dessa två träffas i sin tur av några andra molekyler som är delar av luften som är:

H2O -molekyl av vattenånga

OH- Hydroxid

O2 molekyl av syre

Några redoxreaktioner inträffar (läs mer om dem i den här videon).

Oxidation:

Vattenånga plus ett hål ger hydroxylradikal plus hydrerad vätejon: H2O + h + → *OH + H + (aq)

Hydroxid plus ett hål ger hydroxylradikal: OH- + h + → *OH

Minskning:

syremolekyl plus en elektron ger superoxidanjon: O2 + e- → O2-

Dessa två nya saker som bildas (hydroxylradikal och superoxidanjon) är fria radikaler. En fri radikal är en atom, molekyl eller joner med en enda oparad elektron, detta är galet instabilt som sagt i denna mycket roliga Crush Course -video.

Fria radikaler är huvudansvariga för många kedjereaktioner som sker i kemi, till exempel polymerisation, som händer när monomerer sammanfogar en till den andra för att bilda en polymer, eller med andra ord för att göra det vi mer allmänt kallar plast (men det är en annan historia).

O2- träffar stora dåliga luktmolekyler och bakterier och bryter deras kolbindningar och bildar CO2 (koldioxid)

*OH träffar stora dåliga luktmolekyler och bakterier och bryter deras vätebindningar som bildar H2O (vattenånga)

Föreningen av den fria radikalen med kolföreningar eller organismer kallas mineralisering och det är precis där dödandet sker.

För ytterligare information har jag bifogat PDF: en av de vetenskapliga artiklar som jag citerade i introt.

Steg 2: Tillbehör

För att göra detta projekt behöver du:

- 3D -tryckt fodral

- 3D -tryckt lock

- laserskuren anodiserad aluminium 2 mm tjock

- sidenduk (valfritt, så småningom använde jag den inte)

- 5 stycken högeffekts UV LED 365nm

- PCB -stjärnor med 3535 fotavtryck eller lysdioder som redan är monterade på en stjärna

- termisk dubbelsidig tejp

- TiO2 fotokatalysatorfilter

- Strömförsörjning 20W 5V

- EU -kontakt 5/2.1mm

- Fläkt 40x10mm

- termiska skrikrör

- försänkt huvud M3 bultar och muttrar

- 5 1W 5ohm motstånd

- 1 0,5W 15ohm motstånd

- små trådar

Jag har lagt till länkarna för att köpa några saker men jag kör inget affiliateprogram med leverantörerna. Jag sätter länkarna bara för att om någon skulle vilja replikera luftrenaren på detta sätt kan ha en uppfattning om leveranser och kostnader.

Steg 3: 3D -design av luftrenaren

Du hittar hela monteringsfilen i formatet.x_b i målet.

Du kanske märker att jag var tvungen att optimera fodralet för 3D -utskrift. Jag gjorde väggarna tjockare och jag bestämde mig för att inte jämna ut vinkeln vid basen.

Kylflänsen är laserskuren och fräst. Det finns en 1 mm sänkning på 2 mm anodiserat aluminium (RÖD ZONE) som möjliggör bättre böjning. Bockningen har gjorts manuellt med tång och skruvstång.

En vän till mig fick mig att märka att mönstret på fodralets framsida liknar tatueringen som Leeloo bär i filmen The Fifth Element. Rolig slump!

Steg 4: Elektronisk krets

Den elektroniska kretsen är mycket enkel. Vi har en konstant spänningsförsörjning på 5V och parallellt ska vi placera 5 lysdioder och en fläkt. Genom ett gäng motstånd och med några matematiska beräkningar bestämmer vi hur mycket ström vi skulle mata in i lysdioderna och i fläkten.

LED -lamporna

När vi tittar på LED -databladet ser vi att vi kan driva dem upp till 500mA maximalt, men jag bestämde mig för att köra dem med halv effekt (≈250mA). Anledningen är att vi har en liten kylfläns, som i princip är aluminiumplattan som de är fästa vid. Om vi driver lysdioden vid 250mA är lysdiodens framspänning 3,72V. Enligt motståndet som vi bestämmer oss för att sätta på den grenen av kretsen får vi strömmen.

5V - 3.72V = 1.28V är spänningspotentialen vi har på motståndet

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

Jag kommer att använda det kommersiella värdet av motstånd på 5ohm

Motståndets effekt = R I^2 = 0,31W (jag har faktiskt använt 1W -motstånd, jag lämnade lite marginal eftersom lysdioden kunde värma upp området ganska mycket).

FLÄKTEN

Fläktens föreslagna spänning är 5V och 180mA ström, om den drivs med denna effekt kan den flytta luft med flödeshastigheten 12m3/h. Jag märkte att fläkten var för bullrig (27dB) vid denna hastighet, så jag bestämde mig för att sänka spänningsmatningen och strömförsörjningen till fläkten lite, för att göra detta använde jag ett motstånd på 15ohm. För att förstå det värde som behövs använde jag en potentiometer och jag såg när jag skulle ha ungefär hälften av strömmen, 100mA.

Motståndets effekt = R I^2 = 0,15W (jag har använt 0,5W motstånd här)

Så fläktens faktiska slutflöde ger 7,13 m3/h.

Steg 5: Löd och montera

Jag har använt tunna kablar för att koppla ihop lysdioderna och göra hela kretsen och lödda allt så organiserat som möjligt. Du kan se att motstånden är skyddade inuti värmekrympslangar. Var medveten om att du måste löda anoden och chatoden för lysdioder till rätt poler. Anoderna går till en motståndsände och katoderna går till GND (-5V i vårt fall). På lysdioden finns ett anodmärke, hitta platsen för den och leta upp den i LED -databladet. Lysdioder fästs på kylflänsen med termisk dubbelsidig tejp.

Jag har faktiskt använt en DC -kontakt (den transparenta) för att enkelt ta bort hela blocket som visas på den första bilden (kylfläns, lysdioder och fläkt), men detta element kan undvikas.

Den svarta 5/2.1 EU DC huvudströmförsörjningskontakten har limmats i ett hål som jag borrade manuellt.

Sidohålen som jag gjorde i locket för att fixera locket med skruvar till fodralet borrades också manuellt.

Att göra all lödning i det lilla utrymmet var en liten utmaning. Jag hoppas att du kommer att njuta av att omfamna det.

Steg 6: Enheten är klar

Grattis! Anslut bara den och börja rena luften.

Luftflödet är 7,13 m3/h så ett rum på 3x3x3m bör renas på cirka 4 timmar.

När renaren är på har jag märkt att det kommer ut en lukt som påminner mig om ozon.

Jag hoppas att du har gillat detta Instructable och om du är ännu mer nyfiken finns det ett extra avsnitt om ett experiment jag gjorde.

Om du inte är beredd att bygga din egen luftrenare men bara vill få den direkt kan du köpa den på Etsy. Jag fick ett par så besök gärna sidan.

Hej då och ta hand om dig, Pietro

Steg 7: Experiment: Stinky Shoe Purification Effort

I det här extra avsnittet skulle jag vilja visa ett litet roligt experiment som jag gjorde med renaren.

Inledningsvis satte jag en mycket illaluktande sko - jag kan försäkra dig om att det verkligen luktade illa - i en hermetisk akrylcylinder med en volym på 0,0063 m3. Vad ska göra den där skon som luktar stora molekyler som innehåller svavel och kol och även bioeffluenter och bakterier som kommer från foten som bar den skon. Det jag förväntade mig att se när jag slog på renaren var VOC att minska och CO2 att öka.

Jag lämnade skon där i cylindern i 30 minuter för att nå "stinkbalansen" inuti behållaren. Och genom en sensor märkte jag en massiv ökning av CO2 (+333%) och VOC (+120%).

Vid minut 30 placerade jag luftrenaren inuti cylindern och jag slog på den i 5 minuter. Jag märkte en ytterligare ökning av CO2 (+40%) och VOC (+38%).

Jag tog bort den illaluktande skon och jag lämnade renaren påslagen i 9 minuter och CO2 och VOC fortsatte att öka dramatiskt.

Så enligt detta experiment hände något inuti den cylindern. Om VOC och bakterier förstörs genom mineraliseringsprocessen berättar teorin att CO2 och H2O bildas, så man kan säga att det fungerar eftersom experimentet visar att CO2 fortsätter att bildas, men varför VOC fortsatte att öka? Anledningen kan vara att jag använde fel sensor. Sensorn jag använde är den som visas på bilden och enligt vad jag förstod uppskattar den CO2 enligt en procentandel VOC med några interna algoritmer och når också VOC -mättnad enkelt. Algoritmen, som utvecklas och integreras i sensormodulen tolkade rådata, t.ex. metalloxid halvledarresistansvärde, i CO2 -ekvivalentvärde genom att göra jämförelsetestet mot NDIR CO2 -gassensor och Totalt VOC -värde baserat på jämförelsetestet med instrument FID. Jag tror att jag inte använde utrustning sofistikerad och noggrann nog.

Hur som helst har det varit roligt att testa systemet på det här sättet.

Första priset i vårens städutmaning