דו תחמוצת טיטניום ומטהר אוויר UV: 7 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:12

שלום קהילת מדריכים, אני מקווה שכולכם טוב בנסיבות החירום בהן אנו חיים ברגע זה.

היום אני מביא לכם פרויקט מחקר יישומי. במדריך זה אלמד אותך כיצד לבנות מטהר אוויר העובד עם מסנן פוטוקאטליק מסוג TiO2 (טיטניום דו חמצני) ונורות UVA. אני אגיד לך איך להכין מטהר משלך ואני אראה לך גם ניסוי. על פי הספרות המדעית מסנן זה אמור להסיר ריחות רעים ולהרוג חיידקים ווירוסים באוויר העובר דרכו, כולל משפחת קורונה.

במאמר מחקר זה תוכלו לראות כיצד ניתן להשתמש ביעילות בטכנולוגיה זו כדי להרוג חיידקים, פטריות ווירוסים; הם למעשה מצטטים מחקר משנת 2004 שכותרתו The Effect Inactation of Photocatalytic Titanium Apatite on Virus SARS, שבו החוקרים קובעים כי 99.99% מהנגיפים הקשים של תסמונת הנשימה החריפה נהרגו.

אני רוצה לשתף את הפרויקט הזה מכיוון שאני מאמין שהוא יכול להיות פרויקט מעניין במיוחד מכיוון שהוא מנסה לפתור בעיה רצינית ומשום שהוא רב תחומי: הוא מפגיש רעיון של כימיה, אלקטרוניקה ועיצוב מכני.

הצעדים:

1. Photocatalysis עם TiO2 ואור UV

2. אספקה

3. עיצוב תלת מימד של מטהר האוויר

4. מעגל אלקטרוני

5. הלחמה והרכבה

6. המכשיר הושלם

7. מאמץ טיהור הנעליים המסריח

שלב 1: צילום קטליזה בעזרת TiO2 ואור UV

בחלק זה אסביר את התאוריה העומדת מאחורי התגובה.

הכל מסוכם בצורה גרפית בתמונה למעלה. להלן אסביר את התמונה.

בעיקרון, הפוטון עם מספיק אנרגיה מגיע למולקולה של TiO2 במסלול בו מסתובב אלקטרון. הפוטון פוגע חזק באלקטרון וגורם לו לקפוץ מתנועת הערכיות אל פס ההולכה, הקפיצה הזו אפשרית מכיוון ש- TiO2 הוא מוליך למחצה ומכיוון שלפוטון יש מספיק אנרגיה. האנרגיה של הפוטון נקבעת על פי אורך הגל שלו על פי נוסחה זו:

E = hc/λ

כאשר h הוא קבוע הלוח, c הוא מהירות האור ו- λ הוא אורך הגל של הפוטון, שבמקרה שלנו הוא 365 ננומטר. אתה יכול לחשב את האנרגיה באמצעות מחשבון מקוון נחמד זה. במקרה שלנו זה E = 3, 397 eV.

ברגע שהאלקטרון קופץ משם יש אלקטרון חופשי וחור חופשי שבו הוא היה פעם:

אלקטרון אלקטרוני-

חור h+

ושניים אלה בתורם נפגעים ממולקולות אחרות שהן חלקים מהאוויר שהם:

מולקולת H2O של אדי מים

OH- הידרוקסיד

מולקולת חמצן O2

כמה תגובות חיזור מתרחשות (למד עליהן יותר בסרטון זה).

חִמצוּן:

אדי מים פלוס חור נותן רדיקל הידרוקסיל בתוספת יון מימן מיובש: H2O + h + → *OH + H + (aq)

הידרוקסיד בתוספת חור נותן רדיקל הידרוקסיל: OH- + h + → *OH

צִמצוּם:

מולקולת חמצן פלוס אלקטרון נותן אניון סופר-חמצני: O2 + e- → O2-

שני הדברים החדשים הנוצרים (רדיקל הידרוקסיל ואניון סופר -חמצני) הם רדיקלים חופשיים. רדיקל חופשי הוא אטום, מולקולה או יונים עם אלקטרון אחד שאינו מזווג, זה מטורף בלתי יציב כאמור בסרטון Crush Course המצחיק הזה.

רדיקלים חופשיים הם האחראיים העיקריים לתגובות שרשרת רבות המתרחשות בכימיה, למשל פילמור, המתרחש כאשר מונומרים מחברים אחד לשני ליצירת פולימר, או במילים אחרות להפוך את מה שאנו מכנים באופן רחב יותר פלסטיק (אבל זה כבר סיפור אחר).

O2- פוגע במולקולות ובחיידקים של ריח רע ושובר את קשרי הפחמן שלהם ויוצר CO2 (פחמן דו חמצני)

*OH פוגע במולקולות ובחיידקים של ריח רע ושובר את קשרי המימן שלהם ויוצר H2O (אדי מים)

איחוד הרדיקל החופשי לתרכובות פחמן או אורגניזמים נקרא מינרליזציה וכאן בדיוק מתרחשת ההרג.

למידע נוסף צירפתי את קובץ ה- PDF של המאמרים המדעיים שציטטתי במבוא.

שלב 2: חומרים מתכלים

כדי ליצור פרויקט זה תצטרך:

- מארז מודפס בתלת מימד

- מכסה מודפס בתלת מימד

- אלומיניום בחיתוך לייזר בעובי 2 מ מ

- מסך משי (אופציונלי, בסופו של דבר לא השתמשתי בו)

- 5 חתיכות של UV LED 365nm בעל עוצמה גבוהה

- כוכבי PCB עם טביעת רגל 3535 או נוריות שכבר מותקנות על כוכב

- סרט דבק דו צדדי תרמי

- מסנן צילום קטלוגי TiO2

- ספק כוח 20W 5V

- מחבר האיחוד האירופי 5/2.1 מ מ

- מאוורר 40x10 מ מ

- צינורות צרחות תרמיות

- ברגים ואומים M3 עם ראש שקוע

- 5 נגדים של 1W 5ohm

- נגד אחד של 0.5W 15ohm

- חוטים קטנים

הוספתי את הקישורים לרכישת דברים, אך אינני מפעיל שום תוכנית שותפים עם הספקים. שמתי את הקישורים רק כי אם למישהו ירצה לשכפל את מטהר האוויר בצורה זו יכול להיות מושג לגבי האספקה והעלויות.

שלב 3: עיצוב תלת מימד של מטהר האוויר

אתה יכול למצוא את כל קובץ ההרכבה בפורמט.x_b בהשגת.

ייתכן שתבחין שהייתי צריך לייעל את המארז להדפסה תלת -ממדית. עשיתי את הקירות עבים יותר והחלטתי לא להחליק את הזווית בבסיס.

גוף הקירור חתוך בלייזר וטוחן. יש הנמכה של 1 מ"מ באלומיניום האנודייז 2 מ"מ (RED ZONE) המאפשר כיפוף טוב יותר. הכיפוף נעשה ידנית בעזרת צבת ומברגה.

חבר שלי גרם לי לשים לב שהתבנית בחזית המארז דומה לקעקוע שללאלו עונד בסרט "האלמנט החמישי". צירוף מקרים מצחיק!

שלב 4: מעגל אלקטרוני

המעגל האלקטרוני קל מאוד. יש לנו ספק כוח קבוע של 5V ובמקביל אנחנו הולכים למקם 5 נוריות ומאוורר. באמצעות חבורת נגדים ועם כמה חישובים מתמטיים אנו מחליטים כמה זרם היינו מזינים לנורות ולמאוורר.

נוריות הלדים

במבט על גליון הנתונים של LED אנו רואים שנוכל להניע אותם עד 500mA לכל היותר, אך החלטתי להניע אותם בחצי הספק (m250mA). הסיבה היא שיש לנו גוף קירור קטן, שהוא בעצם צלחת האלומיניום שאליה הם מחוברים. אם אנו מפעילים את ה- LED ב 250mA המתח קדימה של ה- LED הוא 3.72V. על פי ההתנגדות שאנו מחליטים לשים על ענף זה של המעגל אנו מקבלים את הזרם.

5V - 3.72V = 1.28V הוא פוטנציאל המתח שיש לנו על הנגד

חוק אוהם R = V/I = 1.28/0.25 = 6.4ohm

אשתמש בערך המסחרי של התנגדות של 5 אוהם

הספק של הנגד = R I^2 = 0.31W (למעשה השתמשתי בנגדים של 1W, השארתי קצת שוליים מכיוון שה- LED יכול לחמם את השטח לא מעט).

המאוורר

המתח המוצע במאוורר הוא זרם 5V ו- 180mA, אם הוא מונע עם כוח זה הוא יכול להזיז אוויר בקצב הזרימה של 12m3/h. שמתי לב שעוברים במהירות זו המאוורר רועש מדי (27dB), אז החלטתי להוריד מעט את אספקת המתח ואת אספקת הזרם למאוורר, לשם כך השתמשתי בנגד של 15 אוהם. כדי להבין את הערך הדרוש השתמשתי בפוטנציומטר וראיתי מתי יהיה לי בערך מחצית מהזרם, 100mA.

כוח הנגד = R I^2 = 0.15W (השתמשתי כאן בנגד 0.5W)

אז קצב הזרימה הסופי של המאוורר מביא ל- 7.13 m3/h.

שלב 5: הלחמה והרכבה

השתמשתי בכבלים דקים כדי לחבר את הלדים יחד ולהפוך את כל המעגל והלחמתי הכל בצורה מאורגנת ככל האפשר. אתה יכול לראות שהנגדים מוגנים בתוך צינורות כיווץ חום. שים לב שאתה צריך להלחם את האנודה ואת הצ'אטודה של נוריות אל הקטבים הנכונים. האנודות עוברות לקצה הנגד אחד והקטודות עוברות ל- GND (-5V במקרה שלנו). על הנורית יש סימן אנודה, מצא את המיקום שלה ומחפש אותו בגיליון הנתונים של LED. נוריות מחוברות לגוף הקירור בעזרת סרט הדבקה תרמי דו צדדי.

למעשה השתמשתי במחבר DC (השקוף) כדי להסיר בקלות את כל הבלוק המוצג בתמונה הראשונה (גוף קירור, נוריות LED ומאוורר), אולם ניתן להימנע מאלמנט זה.

מחבר אספקת החשמל הראשי השחור 5/2.1 של האיחוד האירופי DC הודבק בחור שקדחתי ידנית.

החורים הצדדיים שהכנתי במכסה לתיקון המכסה בעזרת ברגים למארז נקדחו גם הם ידנית.

ביצוע כל ההלחמה בחלל הקטן הזה היה אתגר קטן. אני מקווה שתהנה לחבק אותו.

שלב 6: המכשיר הושלם

מזל טוב! פשוט חבר אותו והתחל לטהר אוויר.

קצב זרימת האוויר הוא 7.13 m3/h ולכן יש לטהר חדר בגודל 3x3x3m בסביבות 4 שעות.

כשהמטהר פועל שמתי לב שממנו יוצא ריח שמזכיר לי אוזון.

אני מקווה שאהבתם את ההנחיה הזו ואם אתם עוד יותר סקרנים יש קטע נוסף על ניסוי שערכתי.

אם אתה לא מוכן לבנות מטהר אוויר משלך אבל אתה רוצה רק לקבל אותו מיד תוכל לקנות אותו ב- Etsy. עשיתי זוג אז אל תהסס לבקר בדף.

להתראות ולדאוג, פייטרו

שלב 7: ניסוי: מאמץ טיהור הנעליים המסריח

בחלק הנוסף הזה הייתי רוצה להציג ניסוי מצחיק קטן שעשיתי עם המטהר.

בהתחלה הנחתי נעל מסריחה מאוד - אני מבטיח לך שהיא באמת מריחה רע - בתוך גליל אקרילי הרמטי בנפח 0.0063 מ ק. מה צריך להפוך את הנעל המסריחה הזו למולקולות גדולות המכילות גופרית ופחמן וגם ביו -שפכים וחיידקים שמגיעים מהרגל שלבש את הנעל הזאת. מה שציפיתי לראות כאשר הפעלתי את המטהר היה הפחתת ה- VOC והעלייה ב- CO2.

השארתי את הנעל שם בצילינדר למשך 30 דקות על מנת להגיע ל"איזון הסירחון "בתוך המיכל. ודרך חיישן הבחנתי בעלייה עצומה ב- CO2 (+333%) וב- VOC (+120%).

בדקה 30 הנחתי בתוך הצילינדר את מטהר האוויר והפעלתי אותו במשך 5 דקות. שמתי לב לעלייה נוספת ב- CO2 (+40%) ו- VOC (+38%).

הסרתי את הנעל המסריחה והשארתי את המטהר מופעל למשך 9 דקות ו- CO2 ו- VOC ממשיכים לעלות באופן דרמטי.

אז לפי הניסוי הזה משהו קרה בתוך הצילינדר ההוא. אם VOC וחיידקים נהרסים בתהליך המינרליזציה התיאוריה אומרת לנו שנוצר CO2 ו- H2O, כך שאפשר לומר שהוא פועל כי הניסוי מראה כי CO2 ממשיך להיווצר, אך מדוע גם VOC ממשיך לגדול? הסיבה עשויה להיות שהשתמשתי בחיישן הלא נכון. החיישן שהשתמשתי בו הוא זה שמוצג בתמונה וממה שהבנתי הוא מעריך CO2 על פי אחוז VOC באמצעות כמה אלגוריתמים פנימיים וגם מגיע לרוויה VOC בקלות. האלגוריתם, המפותח ומשולב במודול החיישנים פירש את הנתונים הגולמיים, למשל ערך התנגדות מוליך למחצה לתחמוצת מתכת, בערך שווה ערך CO2 על ידי ביצוע בדיקת ההשוואה מול חיישן גז CO2 NDIR וערך VOC כולל על בסיס בדיקת ההשוואה עם מכשיר FID. אני חושב שלא השתמשתי בציוד מספיק מתוחכם ומדויק.

בכל מקרה היה מצחיק לנסות לבדוק את המערכת בצורה כזו.

פרס ראשון באתגר ניקיון האביב