Titaandioxide en UV-luchtreiniger - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:15

Hallo gemeenschap van Instructable, Ik hoop dat het goed met jullie gaat in de noodsituatie waarin we momenteel leven.

Vandaag breng ik u een toegepast onderzoeksproject. In deze Instructable zal ik je leren hoe je een luchtreiniger bouwt die werkt met een TiO2 (titaniumdioxide) fotokatalytische filter en UVA-LED's. Ik zal je vertellen hoe je je eigen luchtreiniger kunt maken en ik zal je ook een experiment laten zien. Volgens de wetenschappelijke literatuur zou dit filter slechte geuren moeten verwijderen en bacteriën en virussen in de lucht die er doorheen gaat, inclusief de coronavirusfamilie, moeten doden.

In dit onderzoekspaper kunt u zien hoe deze technologie effectief kan worden gebruikt om bacteriën, schimmels en virussen te doden; ze citeren in feite een onderzoek uit 2004 getiteld The Inactivation Effect of Photocatalytic Titanium Apatiete Filter on SARS Virus, waarin de onderzoekers stellen dat 99,99% van de virussen met ernstig acuut respiratoir syndroom werden gedood.

Ik wil dit project graag delen omdat ik denk dat het een bijzonder interessant project kan zijn omdat het een serieus probleem probeert op te lossen en omdat het multidisciplinair is: het brengt de notie van chemie, elektronica en mechanisch ontwerp samen.

De stappen:

1. Fotokatalyse met TiO2 en UV-licht

2. Benodigdheden

3. 3D-ontwerp van de luchtreiniger

4. Elektronisch circuit

5. Soldeer en monteer

6. Het apparaat is voltooid

7. De stinkende schoenzuiveringsinspanning

Stap 1: Fotokatalyse met TiO2 en UV-licht

In deze paragraaf zal ik de theorie achter de reactie uitleggen.

Alles is grafisch samengevat in de afbeelding hierboven. Hieronder zal ik de afbeelding toelichten.

Kortom, het foton met voldoende energie arriveert in het TiO2-molecuul in de baan waar een elektron ronddraait. Het foton raakt het elektron hard en laat het wegspringen van de valentieband naar de geleidingsband, deze sprong is mogelijk omdat TiO2 een halfgeleider is en omdat het foton voldoende energie heeft. De energie van het foton wordt bepaald door zijn golflengte volgens deze formule:

E = hc/λ

waarbij h de plankconstante is, c de lichtsnelheid en λ de golflengte van het foton, in ons geval 365 nm. Je kunt de energie berekenen met deze leuke online calculator. In ons geval is het E=3, 397 eV.

Zodra het elektron wegspringt, is er een vrij elektron en een vrij gat waar het ooit was:

elektron e-

gat h+

En deze twee worden op hun beurt geraakt door enkele andere moleculen die deel uitmaken van de lucht en die zijn:

H2O-molecuul waterdamp

OH-hydroxide

O2-molecuul zuurstof

Er treden enkele redoxreacties op (lees er meer over in deze video).

Oxidatie:

Waterdamp plus een gat geeft hydroxylradicaal plus gehydrateerd waterstofion: H2O + h+ → *OH + H+(aq)

Hydroxide plus een gat geeft hydroxylradicaal: OH- + h+ → *OH

Vermindering:

zuurstofmolecuul plus een elektron geeft superoxide anion: O2 + e- → O2-

Deze twee nieuwe dingen gevormd (hydroxylradicaal en superoxide-anion) zijn vrije radicalen. Een vrije radicaal is een atoom, molecuul of ionen met een enkel ongepaard elektron, dit is waanzinnig onstabiel zoals gezegd in deze zeer grappige Crush Course-video.

Vrije radicalen zijn de hoofdverantwoordelijke voor veel kettingreacties die plaatsvinden in de chemie, bijvoorbeeld polymerisatie, die plaatsvindt wanneer monomeren aan elkaar worden toegevoegd om een polymeer te vormen, of met andere woorden om te maken wat we in bredere zin plastic noemen (maar dat is een ander verhaal).

O2- raakt grote geurmoleculen en bacteriën en verbreekt hun koolstofbindingen onder vorming van CO2 (kooldioxide)

*OH raakt grote geurmoleculen en bacteriën en verbreekt hun waterstofbruggen en vormt H2O (waterdamp)

De vereniging van de vrije radicalen met koolstofverbindingen of organismen wordt mineralisatie genoemd en dit is precies waar het doden plaatsvindt.

Voor meer informatie heb ik de PDF bijgevoegd van de wetenschappelijke artikelen die ik in de inleiding heb geciteerd.

Stap 2: Benodigdheden

Om dit project te maken heb je nodig:

- 3D geprint hoesje

- 3D geprint deksel

- lasergesneden geanodiseerd aluminium 2 mm dik

- zeefdruk (optioneel, uiteindelijk heb ik het niet gebruikt)

- 5 stuks krachtige UV-LED 365nm

- PCB-sterren met een footprint van 3535 of LED's die al op een ster zijn gemonteerd

- thermisch dubbelzijdig plakband

- TiO2-fotokatalysatorfilter

- Voeding 20W 5V

- EU-stekker 5/2,1 mm

- Ventilator 40x10mm

- thermische krijsende buizen

- verzonken kop M3 bouten en moeren

- 5 1W 5ohm weerstanden

- 1 weerstand van 0,5 W 15 ohm

- kleine draden

Ik heb de links toegevoegd om wat dingen te kopen, maar ik heb geen partnerprogramma met de leveranciers. Ik plaats de links alleen omdat als iemand de luchtreiniger op deze manier wil nabootsen, een idee kan hebben van de benodigdheden en kosten.

Stap 3: 3D-ontwerp van de luchtreiniger

Je kunt het hele assembly-bestand in formaat.x_b vinden in het bereik.

Het is je misschien opgevallen dat ik de behuizing moest optimaliseren voor 3D-printen. Ik maakte de muren dikker en ik besloot de hoek aan de basis niet glad te maken.

Het koellichaam is laser gesneden en gefreesd. Er is een verlaging van 1 mm op het geanodiseerde aluminium van 2 mm (RED ZONE) die een betere buiging mogelijk maakt. Het buigen is handmatig gedaan met een tang en bankschroef.

Een vriend van mij liet me opmerken dat het patroon op de voorkant van de behuizing vergelijkbaar is met de tatoeage die Leeloo draagt in de film The Fifth Element. Grappig toeval!

Stap 4: Elektronisch circuit

De elektronische schakeling is heel eenvoudig. We hebben een constante spanning voeding van 5V en parallel gaan we 5 LED's en een ventilator plaatsen. Via een aantal weerstanden en met wat wiskundige berekeningen beslissen we hoeveel stroom we in de LED's en in de ventilator zouden voeden.

DE LED's

Als we naar het LED-gegevensblad kijken, zien we dat we ze tot maximaal 500 mA kunnen aansturen, maar ik heb besloten ze op half vermogen (≈250 mA) te laten rijden. De reden is dat we een kleine heatsink hebben, in feite de aluminium plaat waaraan ze zijn bevestigd. Als we de LED aansturen op 250mA is de voorwaartse spanning van de LED 3,72V. Volgens de weerstand die we besluiten op die tak van het circuit te zetten, verkrijgen we de stroom.

5V - 3.72V = 1.28V is het spanningspotentieel dat we op de weerstand hebben

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

Ik zal de commerciële waarde van weerstand van 5ohm. gebruiken

Vermogen van de weerstand = R I ^ 2 = 0.31W (ik heb eigenlijk 1W-weerstanden gebruikt, ik liet wat marge omdat de LED het gebied behoorlijk kon opwarmen).

DE VENTILATOR

De door de ventilator voorgestelde spanning is 5V en een stroom van 180mA, indien aangedreven met dit vermogen kan het lucht verplaatsen met een stroomsnelheid van 12m3/h. Ik merkte dat op deze snelheid de ventilator te veel lawaai maakte (27dB), dus besloot ik de spanningstoevoer en de stroomtoevoer naar de ventilator iets te verlagen, hiervoor gebruikte ik een weerstand van 15ohm. Om de benodigde waarde te begrijpen, gebruikte ik een potentiometer en ik zag wanneer ik ongeveer de helft van de stroom zou hebben, 100 mA.

Vermogen van weerstand = R I ^ 2 = 0,15 W (ik heb hier een weerstand van 0,5 W gebruikt)

Het werkelijke einddebiet van de ventilator is dus 7,13 m3/h.

Stap 5: Soldeer en monteer

Ik heb dunne kabels gebruikt om de LED's samen te voegen en het hele circuit te maken en alles zo georganiseerd mogelijk te solderen. U kunt zien dat de weerstanden zijn beschermd in krimpkous. Houd er rekening mee dat je de anode en de chatode van LED's op de juiste polen moet solderen. De anodes gaan naar één weerstandsuiteinde en de kathodes gaan naar GND (-5V in ons geval). Op de LED bevindt zich een anodemarkering, zoek de locatie ervan op in het LED-gegevensblad. LED's zijn met thermisch dubbelzijdig plakband aan het koellichaam bevestigd.

Ik heb eigenlijk een DC-connector (de transparante) gebruikt om eenvoudig het hele blok te verwijderen dat op de eerste afbeelding wordt getoond (koellichaam, LED's en ventilator), maar dit element kan worden vermeden.

De zwarte 5/2.1 EU DC hoofdvoedingsconnector is gelijmd in een gat dat ik handmatig heb geboord.

De zijgaten die ik in het deksel heb gemaakt om het deksel met schroeven aan de behuizing te bevestigen, zijn ook handmatig geboord.

Het was een kleine uitdaging om al het soldeerwerk in die kleine ruimte te maken. Ik hoop dat je het leuk zult vinden om het te omarmen.

Stap 6: Het apparaat is compleet

Gefeliciteerd! Sluit hem gewoon aan en begin met het zuiveren van lucht.

Het luchtdebiet is 7,13 m3/h, dus een ruimte van 3x3x3m zou in ongeveer 4u moeten zijn gezuiverd.

Als de luchtreiniger aan staat, heb ik gemerkt dat er een geur uit komt die me aan ozon doet denken.

Ik hoop dat je deze Instructable leuk vond en als je nog meer nieuwsgierig bent, is er een extra sectie over een experiment dat ik heb gemaakt.

Als je niet bereid bent om je eigen luchtreiniger te bouwen, maar hem wel meteen wilt kopen, kun je hem op Etsy kopen. Ik heb er een paar gemaakt, dus voel je vrij om de pagina te bezoeken.

Dag en wees voorzichtig, Pietro

Stap 7: Experiment: de Stinky Shoe Purification Inspanning

In deze extra sectie wil ik een klein grappig experiment laten zien dat ik met de luchtreiniger heb gedaan.

Aanvankelijk stopte ik een zeer stinkende schoen - ik verzeker je dat het echt stinkt - in een hermetische acrylcilinder met een inhoud van 0,0063 m3. Wat die schoen zo stinkt, zijn grote moleculen die zwavel en koolstof bevatten en ook bio-effluenten en bacteriën afkomstig van de voet die die schoen droeg. Wat ik verwachtte te zien toen ik de luchtreiniger aanzette, was de VOS die zou verminderen en de CO2 zou verhogen.

Ik liet de schoen daar 30 minuten in de cilinder staan om de "stankbalans" in de container te bereiken. En via een sensor merkte ik een enorme toename van CO2 (+333%) en VOS (+120%).

Op minuut 30 plaatste ik de luchtreiniger in de cilinder en ik zette hem 5 minuten aan. Ik merkte een verdere toename van CO2 (+40%) en VOS (+38%).

Ik verwijderde de stinkende schoen en ik liet de luchtreiniger 9 minuten aanstaan en CO2 en VOC bleven dramatisch toenemen.

Dus volgens dit experiment gebeurde er iets in die cilinder. Als VOS en bacteriën worden vernietigd door het proces van mineralisatie, vertelt de theorie ons dat CO2 en H2O worden gevormd, dus je zou kunnen zeggen dat het werkt omdat het experiment aantoont dat CO2 zich blijft vormen, maar waarom bleef ook VOS toenemen? De reden kan zijn dat ik de verkeerde sensor heb gebruikt. De sensor die ik heb gebruikt, is degene die op de afbeelding wordt getoond en van wat ik begreep, schat hij CO2 op basis van een percentage VOS met behulp van enkele interne algoritmen en bereikt het ook gemakkelijk VOS-verzadiging. Het algoritme, dat is ontwikkeld en geïntegreerd in de sensormodule, interpreteerde de onbewerkte gegevens, b.v. metaaloxide halfgeleiderweerstandswaarde, in CO2-equivalentwaarde door de vergelijkingstest uit te voeren met de NDIR CO2-gassensor en de totale VOC-waarde op basis van de vergelijkingstest met instrument FID. Ik denk dat ik niet geavanceerde en nauwkeurige apparatuur heb gebruikt.

Hoe dan ook, het was grappig om te proberen het systeem op deze manier uit te testen.

Eerste prijs in de Spring Cleaning Challenge