Purificador d'aire de diòxid de titani i UV: 7 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Hola comunitat de Instructable, Espero que estigueu tots bé en les circumstàncies d’emergència que vivim en aquest moment.

Avui us presento un projecte de recerca aplicada. En aquest instructiu us ensenyaré a construir un purificador d’aire que funcioni amb un filtre fotocatalògic TiO2 (diòxid de titani) i LED UVA. T’explicaré com fer el teu propi purificador i també et mostraré un experiment. Segons la literatura científica, aquest filtre hauria d’eliminar les males olors i matar els bacteris i virus que hi ha a l’aire, inclosa la família dels coronavirus.

En aquest treball d'investigació es pot veure com aquesta tecnologia es pot utilitzar eficaçment per matar bacteris, fongs i virus; en realitat, citen una investigació del 2004 titulada The Inactivation Effect of Photocatalytic Titanium Apatite Filter on SARS Virus, en què els investigadors afirmen que el 99,99% dels virus de la síndrome respiratòria aguda greu van morir.

M'agradaria compartir aquest projecte, ja que crec que podria ser especialment interessant perquè intenta resoldre un greu problema i perquè és multidisciplinari: reuneix la noció de química, electrònica i disseny mecànic.

Els passos següents:

1. Fotocatalisi amb TiO2 i llum UV

2. Subministraments

3. Disseny 3D del purificador d'aire

4. Circuit electrònic

5. Soldar i muntar

6. El dispositiu s'ha completat

7. L’esforç pudent de purificació de les sabates

Pas 1: fotocatalisi amb TiO2 i llum UV

En aquesta secció explicaré la teoria que hi ha darrere de la reacció.

Tot es resumeix gràficament a la imatge superior. A continuació explicaré la imatge.

Bàsicament, el fotó amb prou energia arriba a la molècula de TiO2 a l'òrbita on gira un electró. El fotó colpeja fortament l’electró i el fa saltar de la banda de valència a la banda de conducció, aquest salt és possible perquè el TiO2 és un semiconductor i perquè el fotó té prou energia. L'energia del fotó es determina per la seva longitud d'ona segons aquesta fórmula:

E = hc / λ

on h és la constant del tauler, c és la velocitat de la llum i λ és la longitud d’ona del fotó, que en el nostre cas és de 365 nm. Podeu calcular l'energia mitjançant aquesta bonica calculadora en línia. El nostre cas és E = 3, 397 eV.

Una vegada que l’electró salta, hi ha un electró lliure i un forat lliure on era:

electró e-

forat h +

I aquestes dues, al seu torn, són afectades per algunes altres molècules que són parts de l'aire que són:

Molècula H2O de vapor d’aigua

OH- Hidròxid

Molècula d’oxigen d’O2

Es produeixen algunes reaccions redox (obteniu més informació sobre elles en aquest vídeo).

Oxidació:

El vapor d’aigua més un forat dóna un radical hidroxil més un ió hidrogen hidratat: H2O + h + → * OH + H + (aq)

L’hidròxid més un forat dóna un radical hidroxil: OH- + h + → * OH

Reducció:

la molècula d’oxigen més un electró dóna anió superòxid: O2 + e- → O2-

Aquestes dues coses noves formades (radical hidroxil i anió superòxid) són radicals lliures. Un radical lliure és un àtom, una molècula o ions amb un sol electró sense aparellar, és una bogeria inestable, com es diu en aquest divertit vídeo de Crush Course.

Els radicals lliures són els principals responsables de moltes reaccions en cadena que es produeixen en química, per exemple, la polimerització, que passa quan els monòmers s’uneixen entre si per formar un polímer, o dit d’una altra manera, per fer el que més generalment anomenem plàstic (però aquesta és una altra història).).

O2- colpeja molècules i bacteris amb males olors i trenca els seus enllaços de carboni formant CO2 (diòxid de carboni)

* L'OH colpeja molècules i bacteris de mala olor i trenca els seus enllaços d'hidrogen formant H2O (vapor d'aigua)

La unió del radical lliure amb compostos o organismes de carboni s’anomena mineralització i és aquí exactament on s’està produint la matança.

Per a més informació, he adjuntat el PDF dels articles científics que he citat a la introducció.

Pas 2: subministraments

Per fer aquest projecte necessitareu:

- Estoig imprès en 3D

- Tapa impresa en 3D

- Alumini anoditzat tallat amb làser de 2 mm de gruix

- serigrafia (opcional, finalment no l’he utilitzat)

- 5 peces de LED UV d’alta potència de 365 nm

- Estrelles PCB amb petjada 3535 o LEDs ja muntats en una estrella

- cinta adhesiva de doble cara tèrmica

- Filtre fotocatalitzador TiO2

- Font d'alimentació 20W 5V

Connector UE 5 / 2,1 mm

Ventilador 40x10mm

- tubs de crits tèrmics

- cargols i femelles M3 de cap avellinat

- 5 resistències de 1W 5ohm

- 1 resistència de 15W 15ohm

- petits cables

He afegit els enllaços per comprar algunes coses, però no estic executant cap programa d'afiliació amb els venedors. Poso els enllaços només perquè si algú vol replicar el purificador d'aire d'aquesta manera, pot tenir una idea dels subministraments i els costos.

Pas 3: Disseny 3D del purificador d'aire

Podeu trobar tot el fitxer de muntatge en format.x_b a la pàgina.

És possible que noteu que havia d’optimitzar la caixa per a la impressió 3D. Vaig fer les parets més gruixudes i vaig decidir no suavitzar l’angle a la base.

El dissipador de calor es talla i es fresat amb làser. Hi ha una reducció d’1 mm a l’alumini anoditzat de 2 mm (RED ZONE) que permet una millor flexió. La flexió s’ha realitzat manualment amb alicates i torns.

Un amic meu em va fer notar que el patró a la part frontal de la funda és similar al tatuatge que porta Leeloo a la pel·lícula El cinquè element. Divertida casualitat!

Pas 4: Circuit electrònic

El circuit electrònic és molt fàcil. Tenim una font d'alimentació de tensió constant de 5V i, en paral·lel, col·locarem 5 LEDs i un ventilador. A través d’un munt de resistències i amb alguns càlculs matemàtics decidim quanta intensitat alimentaríem als LED i al ventilador.

ELS LEDs

En mirar el full de dades LED, veiem que podem conduir-los fins a 500 mA com a màxim, però vaig decidir conduir-los a mitja potència (≈250mA). La raó és que tenim un petit dissipador de calor, que és bàsicament la placa d’alumini a la qual s’uneixen. Si conduïm el LED a 250mA, la tensió directa del LED és de 3,72V. Segons la resistència que decidim posar en aquesta branca del circuit obtenim el corrent.

5V - 3,72V = 1,28V és el potencial de tensió que tenim a la resistència

Llei d’ohm R = V / I = 1,28 / 0,25 = 6,4ohm

Utilitzaré el valor comercial de resistència de 5ohm

Potència de la resistència = R I ^ 2 = 0,31 W (en realitat he utilitzat resistències de 1 W, he deixat una mica de marge perquè el LED podria escalfar una mica la zona).

EL FAN

El voltatge suggerit del ventilador és de 5V i 180mA de corrent, si s’acciona amb aquesta potència pot moure l’aire al cabal de 12m3 / h. Vaig notar que a aquesta velocitat el ventilador era massa sorollós (27 dB), així que vaig decidir reduir una mica la tensió i l’alimentació actual del ventilador, per fer-ho vaig fer servir una resistència de 15ohm. Per entendre el valor necessari, vaig utilitzar un potenciòmetre i vaig veure quan tindria aproximadament la meitat del corrent, 100mA.

Potència de la resistència = R I ^ 2 = 0,15 W (aquí he utilitzat una resistència de 0,5 W)

Per tant, el cabal final real del ventilador és de 7,13 m3 / h.

Pas 5: soldar i muntar

He utilitzat cables prims per unir els LEDs i fer tot el circuit i he soldat tot el més organitzat possible. Es pot veure que les resistències estan protegides a l’interior de les canonades de contracció de calor. Tingueu en compte que heu de soldar l’ànode i el xatode dels LED als pols correctes. Els ànodes van a un extrem de resistència i els càtodes van a GND (-5V en el nostre cas). Al LED hi ha una marca d'ànode, cerqueu la ubicació del mateix buscant-lo al full de dades del LED. Els LED s’uneixen al dissipador de calor amb cinta adhesiva tèrmica de doble cara.

En realitat, he utilitzat un connector de CC (el transparent) per eliminar fàcilment tot el bloc que es mostra a la primera imatge (dissipador de calor, LED i ventilador), però es pot evitar aquest element.

El connector negre de la font d'alimentació principal 5 / 2.1 EU s'ha encolat en un forat que he perforat manualment.

Els forats laterals que vaig fer a la tapa per fixar la tapa amb cargols a la caixa també es van perforar manualment.

Fer tota la soldadura en aquell petit espai era un petit repte. Espero que us agradi abraçar-la.

Pas 6: el dispositiu s'ha completat

Enhorabona! Només cal connectar-lo i començar a purificar l’aire.

El cabal d’aire és de 7,13 m3 / h, de manera que s’ha de purificar una habitació de 3x3x3m al voltant de 4h.

Quan el purificador està activat, he notat que en surt una olor que em recorda a l’ozó.

Espero que us hagi agradat aquest instructiu i, si encara teniu més curiositat, hi ha una secció addicional sobre un experiment que he fet.

Si no esteu disposat a construir el vostre propi purificador d’aire, però només voleu obtenir-lo immediatament, el podreu comprar a Etsy. Vaig fer un parell, així que no dubteu a visitar la pàgina.

Adéu i cuida't, Pietro

Pas 7: experiment: l'esforç de purificació de sabates pudents

En aquesta secció addicional m'agradaria mostrar un experiment divertit que vaig fer amb el purificador.

Al principi vaig posar una sabata molt pudent (us asseguro que feia una mala olor) en un cilindre acrílic hermètic amb un volum de 0,0063 m3. El que hauria de fer que la sabata que fa pudor siguin grans molècules que contenen sofre i carboni i també bioefluents i bacteris del peu que portava aquesta sabata. El que esperava veure quan vaig activar el purificador era el COV per reduir i el CO2 per augmentar.

Vaig deixar la sabata al cilindre durant 30 minuts per tal d’assolir el “saldo pudent” dins del contenidor. I a través d’un sensor vaig notar un augment massiu de CO2 (+ 333%) i COV (+ 120%).

Al minut 30 vaig col·locar dins del cilindre el purificador d’aire i el vaig encendre durant 5 minuts. Vaig notar un nou augment de CO2 (+ 40%) i COV (+ 38%).

Vaig treure la sabata pudent i vaig deixar el purificador encès durant 9 minuts i el CO2 i els COV continuaven augmentant dràsticament.

Així, segons aquest experiment, alguna cosa estava passant dins d’aquest cilindre. Si el COV i els bacteris s'estan destruint a través del procés de mineralització, la teoria ens diu que es forma CO2 i H2O, de manera que es podria dir que funciona perquè l'experiment demostra que el CO2 es continua formant, però per què també el COV continua augmentant? La raó pot ser que he utilitzat un sensor incorrecte. El sensor que he utilitzat és el que es mostra a la imatge i pel que he entès calcula el CO2 segons un percentatge de COV que utilitza alguns algorismes interns i també arriba a la saturació de COV fàcilment. L’algorisme, que es desenvolupa i s’integra al mòdul del sensor, va interpretar les dades en brut, per exemple. valor de resistència de semiconductors d’òxid de metall, en valor equivalent de CO2 fent la prova de comparació amb el sensor de gas NDIR CO2 i el valor de COV total basat en la prova de comparació amb l’instrument FID. Crec que no he fet servir equips prou sofisticats i precisos.

De totes maneres ha estat divertit provar de provar el sistema d'aquesta manera.

Primer premi del Spring Cleaning Challenge