Titano dioksidas ir UV oro valytuvas: 7 žingsniai (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:45

Sveiki, Instructable bendruomenė, Tikiuosi, kad jums viskas gerai nepaprastosiomis aplinkybėmis, kuriomis gyvename šią akimirką.

Šiandien pristatau jums taikomųjų tyrimų projektą. Šioje instrukcijoje aš mokysiu jus, kaip sukurti oro valytuvą, dirbantį su TiO2 (titano dioksido) fotokataliko filtru ir UVA šviesos diodais. Aš jums pasakysiu, kaip pasigaminti valytuvą, taip pat parodysiu eksperimentą. Remiantis moksline literatūra, šis filtras turėtų pašalinti nemalonius kvapus ir sunaikinti bakterijas ir virusus iš jo patekusiame ore, įskaitant koronaviruso šeimą.

Šiame tyrime galite pamatyti, kaip ši technologija gali būti veiksmingai panaudota bakterijoms, grybeliams ir virusams naikinti; jie iš tikrųjų cituoja 2004 m. tyrimą pavadinimu „Fotokatalitinio titano apatito filtro neaktyvinimo poveikis SARS virusui“, kuriame tyrėjai teigia, kad 99,99% sunkių ūminio kvėpavimo sindromo virusų buvo nužudyti.

Norėčiau pasidalinti šiuo projektu, nes manau, kad jis gali būti ypač įdomus, nes jis bando išspręsti rimtą problemą ir yra daugiadalykis: jis sujungia chemijos, elektronikos ir mechaninio dizaino sąvokas.

Žingsniai:

1. Fotokatalizė su TiO2 ir UV šviesa

2. Prekės

3. 3D oro valytuvo dizainas

4. Elektroninė grandinė

5. Lituokite ir surinkite

6. Įrenginys baigtas

7. Smirdančios batų valymo pastangos

1 žingsnis: fotokatalizė su TiO2 ir UV šviesa

Šiame skyriuje paaiškinsiu reakcijos teoriją.

Viskas grafiškai apibendrinta aukščiau esančiame paveikslėlyje. Žemiau paaiškinsiu vaizdą.

Iš esmės fotonas, turintis pakankamai energijos, patenka į TiO2 molekulę orbitoje, kurioje sukasi elektronas. Fotonas stipriai trenkia į elektroną ir priverčia jį šokti nuo valentinės juostos į laidumo juostą, šis šuolis įmanomas, nes TiO2 yra puslaidininkis ir fotonas turi pakankamai energijos. Fotono energija nustatoma pagal jo bangos ilgį pagal šią formulę:

E = hc/λ

kur h yra lentos konstanta, c yra šviesos greitis, o λ - fotono bangos ilgis, kuris mūsų atveju yra 365 nm. Naudodami šį gražų internetinį skaičiuotuvą galite apskaičiuoti energiją. Mūsų atveju tai yra E = 3, 397 eV.

Kai elektronas šokinėja, yra laisvas elektronas ir laisva skylė ten, kur ji kadaise buvo:

elektronas e-

skylė h+

Ir šiuos du savo ruožtu nukenčia kai kurios kitos molekulės, kurios yra oro dalys:

H2O vandens garų molekulė

OH- hidroksidas

O2 deguonies molekulė

Įvyksta keletas redokso reakcijų (daugiau apie jas sužinosite šiame vaizdo įraše).

Oksidacija:

Vandens garai ir skylė suteikia hidroksilo radikalą ir hidratuotą vandenilio joną: H2O + h + → *OH + H + (aq)

Hidroksidas ir skylė suteikia hidroksilo radikalą: OH- + h + → *OH

Sumažinimas:

deguonies molekulė ir elektronas suteikia superoksido anijoną: O2 + e- → O2-

Šie du nauji dalykai (hidroksilo radikalas ir superoksido anijonas) yra laisvieji radikalai. Laisvasis radikalas yra atomas, molekulė ar jonai, turintys vieną nesuporuotą elektroną, tai yra beprotiškai nestabilu, kaip sakoma šiame labai juokingame „Crush Course“vaizdo įraše.

Laisvieji radikalai yra pagrindinė daugelio chemijos grandininių reakcijų priežastis, pavyzdžiui, polimerizacija, kuri vyksta, kai monomerai jungiasi vienas prie kito ir sudaro polimerą, arba, kitaip tariant, tai, ką mes plačiau vadiname plastiku (bet tai jau kita istorija)).

O2- susiduria su didelėmis blogo kvapo molekulėmis ir bakterijomis ir nutraukia jų anglies jungtis, sudarydamas CO2 (anglies dioksidą)

*OH patenka į dideles blogo kvapo molekules ir bakterijas ir nutraukia jų vandenilio jungtis, sudarydamas H2O (vandens garus)

Laisvųjų radikalų susivienijimas su anglies junginiais ar organizmais vadinamas mineralizacija ir būtent čia vyksta žudymas.

Norėdami gauti daugiau informacijos, pridedu mokslinių straipsnių PDF, kuriuos citavau įžangoje.

2 žingsnis: reikmenys

Norėdami įgyvendinti šį projektą, jums reikės:

- 3D spausdintas dėklas

- 3D spausdintas dangtelis

- 2 mm storio lazeriu supjaustytas anoduotas aliuminis

- šilkografija (neprivaloma, galiausiai jo nenaudojau)

- 5 vienetai didelės galios UV LED 365 nm

- PCB žvaigždės su 3535 pėdsaku arba šviesos diodai, jau sumontuoti ant žvaigždės

- šiluminė dvipusė lipni juosta

- TiO2 fotokatalizatoriaus filtras

- Maitinimas 20W 5V

- ES jungtis 5/2,1 mm

- Ventiliatorius 40x10 mm

- terminio švilpimo vamzdžiai

- įleistos galvutės M3 varžtai ir veržlės

- 5 1W 5ohm rezistoriai

- 1 0,5 W 15 omų rezistorius

- maži laidai

Pridėjau nuorodų, kaip nusipirkti tam tikrų daiktų, bet nenaudoju jokių partnerių programų su pardavėjais. Aš įdėjau nuorodas tik todėl, kad jei kas nors norėtų tokiu būdu pakartoti oro valytuvą, jis gali turėti supratimą apie tiekimą ir išlaidas.

3 žingsnis: 3D oro valytuvo dizainas

Visą surinkimo failą.x_b formatu rasite pasiekime.

Galbūt pastebėsite, kad turėjau optimizuoti korpusą 3D spausdinimui. Aš padariau sienas storesnes ir nusprendžiau neišlyginti kampo prie pagrindo.

Radiatorius pjaustomas lazeriu ir frezuojamas. Ant 2 mm anoduoto aliuminio (RED ZONE) yra 1 mm nuleidimas, kuris leidžia geriau sulenkti. Lankstymas buvo atliktas rankiniu būdu su replėmis ir vise.

Mano draugas pastebėjo, kad korpuso priekyje esantis raštas yra panašus į tatuiruotę, kurią Leeloo nešioja filme „Penktasis elementas“. Juokingas sutapimas!

4 žingsnis: elektroninė grandinė

Elektroninė grandinė yra labai paprasta. Mes turime pastovią 5 V įtampos maitinimo šaltinį ir lygiagrečiai įdėsime 5 šviesos diodus ir ventiliatorių. Remdamiesi daugybe rezistorių ir atlikę tam tikrus matematinius skaičiavimus, mes nusprendžiame, kiek srovės tiekiame į šviesos diodus ir ventiliatorių.

Šviesos diodai

Žvelgdami į LED duomenų lapą matome, kad galime juos įkrauti ne daugiau kaip 500 mA, bet aš nusprendžiau juos vairuoti per pusę galios (~ 250 mA). Priežastis ta, kad mes turime mažą radiatorių, kuris iš esmės yra aliuminio plokštė, prie kurios jie yra pritvirtinti. Jei šviesos diodą valdome esant 250 mA, priekinė šviesos diodo įtampa yra 3,72 V. Pagal pasipriešinimą, kurį nusprendžiame uždėti ant tos grandinės šakos, gauname srovę.

5V - 3.72V = 1.28V yra įtampos potencialas, kurį turime ant rezistoriaus

Omo dėsnis R = V/I = 1,28/0,25 = 6,4 omai

Naudosiu 5ohm atsparumo komercinę vertę

Rezistoriaus galia = R I^2 = 0.31W (aš iš tikrųjų naudojau 1 W rezistorius, palikau šiek tiek atsargos, nes šviesos diodas gali šiek tiek įkaitinti plotą).

FANAS

Ventiliatoriaus siūloma įtampa yra 5 V ir 180 mA srovė, jei varoma tokia galia, jis gali perkelti orą esant 12m3/h srautui. Pastebėjau, kad tokiu greičiu ventiliatorius buvo per daug triukšmingas (27 dB), todėl nusprendžiau šiek tiek sumažinti įtampos tiekimą ir srovės tiekimą į ventiliatorių, tam panaudojau 15 omų rezistorių. Norėdami suprasti reikiamą vertę, panaudojau potenciometrą ir pamačiau, kada turėsiu maždaug pusę srovės, 100 mA.

Rezistoriaus galia = R I^2 = 0,15 W (čia naudojau 0,5 W rezistorių)

Taigi faktinis galutinis ventiliatoriaus srautas yra 7,13 m3/h.

5 žingsnis: litavimas ir surinkimas

Aš naudoju plonus kabelius, kad sujungčiau šviesos diodus ir sudarytų visą grandinę, ir lituosiu viską, kaip įmanoma. Matote, kad rezistoriai yra apsaugoti termiškai susitraukiančio vamzdžio viduje. Atminkite, kad turite lituoti anodą ir šviesos diodų pokalbių režimą prie tinkamų polių. Anodai eina į vieną rezistoriaus galą, o katodai-į GND (mūsų atveju -5V). Ant šviesos diodo yra anodo ženklas, suraskite jo vietą ieškodami LED duomenų lape. Šviesos diodai pritvirtinami prie radiatoriaus su dvipuse lipnia juosta.

Aš iš tikrųjų naudojau nuolatinės srovės jungtį (skaidrią), kad lengvai pašalinčiau visą bloką, parodytą pirmoje nuotraukoje (radiatorius, šviesos diodai ir ventiliatorius), tačiau šio elemento galima išvengti.

Juoda 5/2.1 EU DC pagrindinio maitinimo jungtis buvo įklijuota į skylę, kurią aš gręžiau rankiniu būdu.

Šoninės skylės, kurias padariau dangtelyje, kad pritvirtinčiau dangtelį varžtais prie korpuso, taip pat buvo išgręžtos rankiniu būdu.

Padaryti visą litavimą toje mažoje erdvėje buvo nedidelis iššūkis. Tikiuosi, kad jums patiks tai priimti.

6 veiksmas: įrenginys baigtas

Sveikinu! Tiesiog prijunkite ir pradėkite valyti orą.

Oro srautas yra 7,13 m3/h, todėl 3x3x3m patalpa turi būti išvalyta maždaug per 4 valandas.

Kai įjungtas valytuvas, pastebėjau, kad iš jo sklinda kvapas, primenantis ozoną.

Tikiuosi, kad jums patiko šis „Instructable“ir jei esate dar smalsesni, yra papildomas skyrius apie mano atliktą eksperimentą.

Jei nenorite sukurti savo oro valytuvo, bet norėtumėte jį gauti iškart, galite jį nusipirkti „Etsy“. Aš sukūriau porą, todėl nedvejodami apsilankykite puslapyje.

Iki ir saugokis, Pietro

7 žingsnis: Eksperimentuokite: „Smirdančių batų valymo pastangos“

Šiame papildomame skyriuje norėčiau parodyti šiek tiek juokingo eksperimento, kurį padariau su valytuvu.

Iš pradžių aš įdėjau labai dvokiantį batą - patikinu, kad jis tikrai kvepėjo - į hermetišką akrilo cilindrą, kurio tūris 0,0063 m3. Kas turėtų padaryti tą batą smirdančiu, yra didelės molekulės, kuriose yra sieros ir anglies, taip pat bio nuotekų ir bakterijų, sklindančių iš tą batą avėjusios pėdos. Aš tikėjausi pamatyti, kai įjungiau valytuvą, kad sumažėtų LOJ ir padidėtų CO2.

Batą palikau cilindre 30 min., Kad pasiekčiau „dvokiančią pusiausvyrą“konteinerio viduje. Ir per jutiklį pastebėjau didžiulį CO2 (+333%) ir LOJ (+120%) padidėjimą.

30 minutę aš įdėjau oro valytuvą į cilindrą ir įjungiau jį 5 min. Pastebėjau tolesnį CO2 (+40%) ir LOJ (+38%) padidėjimą.

Nuėmiau dvokiančius batus ir palikau valytuvą įjungtą 9 minutes, o CO2 ir LOJ nuolat didėjo.

Taigi pagal šį eksperimentą kažkas atsitiko to cilindro viduje. Jei LOJ ir bakterijos yra sunaikinamos mineralizacijos proceso metu, teorija mums sako, kad susidaro CO2 ir H2O, taigi galima sakyti, kad jis veikia, nes eksperimentas rodo, kad CO2 vis formuojasi, bet kodėl taip pat vis didėja? Priežastis gali būti ta, kad naudojau netinkamą jutiklį. Mano naudojamas jutiklis yra tas, kuris parodytas paveikslėlyje, ir, kaip supratau, jis įvertina CO2 pagal LOJ procentą, naudodamas kai kuriuos vidinius algoritmus, ir taip pat lengvai pasiekia LOJ sodrumą. Algoritmas, sukurtas ir integruotas į jutiklio modulį, aiškino neapdorotus duomenis, pvz. metalo oksido puslaidininkių varžos vertė, išreikšta CO2 ekvivalentu, atliekant lyginamąjį bandymą su NDIR CO2 dujų jutikliu ir bendrą LOJ vertę, pagrįstą lyginamuoju bandymu su prietaisu FID. Manau, kad nenaudojau pakankamai sudėtingos ir tikslios įrangos.

Bet kokiu atveju buvo juokinga bandyti sistemą taip.

Pirmasis prizas pavasario valymo iššūkyje