Titandioxid und UV-Luftreiniger - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:16

Hallo Community von Instructable, Ich hoffe, es geht euch allen gut in der Notsituation, in der wir gerade leben.

Heute stelle ich Ihnen ein angewandtes Forschungsprojekt vor. In diesem Instructable werde ich Ihnen beibringen, wie man einen Luftreiniger baut, der mit einem photokatalytischen Filter TiO2 (Titandioxid) und UVA-LEDs arbeitet. Ich erkläre dir, wie du deinen eigenen Luftreiniger herstellst und zeige dir auch ein Experiment. Laut wissenschaftlicher Literatur sollte dieser Filter schlechte Gerüche entfernen und Bakterien und Viren in der Luft abtöten, die ihn durchdringen, einschließlich der Coronavirus-Familie.

In dieser Forschungsarbeit können Sie sehen, wie diese Technologie effektiv eingesetzt werden kann, um Bakterien, Pilze und Viren abzutöten; Sie zitieren tatsächlich eine Studie aus dem Jahr 2004 mit dem Titel The Inactivation Effect of Photocatalytic Titanium Apatite Filter on SARS Virus, in der die Forscher angeben, dass 99,99% der Viren des schweren akuten Atemwegssyndroms abgetötet wurden.

Ich möchte dieses Projekt teilen, da es meiner Meinung nach besonders interessant sein könnte, weil es versucht, ein ernstes Problem zu lösen, und weil es multidisziplinär ist: Es vereint die Begriffe Chemie, Elektronik und mechanisches Design.

Die Schritte:

1. Photokatalyse mit TiO2 und UV-Licht

2. Lieferungen

3. 3D-Design des Luftreinigers

4. Elektronische Schaltung

5. Löten und montieren

6. Das Gerät ist fertig

7. Die stinkende Schuhreinigungsarbeit

Schritt 1: Photokatalyse mit TiO2 und UV-Licht

In diesem Abschnitt werde ich die Theorie hinter der Reaktion erklären.

Im Bild oben ist alles grafisch zusammengefasst. Im Folgenden erkläre ich das Bild.

Grundsätzlich kommt das Photon mit ausreichender Energie im Molekül TiO2 in der Umlaufbahn an, in der sich ein Elektron dreht. Das Photon trifft das Elektron hart und lässt es vom Valenzband in das Leitungsband springen, dieser Sprung ist möglich, weil TiO2 ein Halbleiter ist und das Photon genügend Energie hat. Die Energie des Photons wird durch seine Wellenlänge nach dieser Formel bestimmt:

E = hc/λ

wobei h die Plank-Konstante ist, c die Lichtgeschwindigkeit und λ die Wellenlänge des Photons ist, die in unserem Fall 365 nm beträgt. Sie können die Energie mit diesem schönen Online-Rechner berechnen. In unserem Fall ist es E=3, 397 eV.

Sobald das Elektron wegspringt, gibt es ein freies Elektron und ein freies Loch, wo es einmal war:

Elektron e-

Loch h+

Und diese beiden wiederum werden von einigen anderen Molekülen getroffen, die Teile der Luft sind:

H2O-Molekül von Wasserdampf

OH- Hydroxid

O2-Molekül Sauerstoff

Es treten einige Redoxreaktionen auf (in diesem Video erfahren Sie mehr darüber).

Oxidation:

Wasserdampf plus ein Loch ergibt Hydroxylradikal plus hydratisiertes Wasserstoffion: H2O + h+ → *OH + H+(aq)

Hydroxid plus Loch ergibt Hydroxylradikal: OH- + h+ → *OH

Die Ermäßigung:

Sauerstoffmolekül plus ein Elektron ergibt Superoxidanion: O2 + e- → O2-

Diese beiden neu gebildeten Dinge (Hydroxylradikal und Superoxidanion) sind freie Radikale. Ein freies Radikal ist ein Atom, Molekül oder Ionen mit einem einzelnen ungepaarten Elektron, das ist verrückt instabil, wie in diesem sehr lustigen Crush-Kurs-Video gesagt wird.

Freie Radikale sind die Hauptverantwortlichen für viele Kettenreaktionen, die in der Chemie ablaufen, zum Beispiel die Polymerisation, die stattfindet, wenn sich Monomere miteinander verbinden, um ein Polymer zu bilden, oder mit anderen Worten, um etwas herzustellen, was wir allgemeiner als Kunststoff bezeichnen (aber das ist eine andere Geschichte.)).

O2- trifft große Geruchsmoleküle und Bakterien und bricht ihre Kohlenstoffbindungen unter Bildung von CO2 (Kohlendioxid)

*OH trifft große Geruchsmoleküle und Bakterien und bricht ihre Wasserstoffbrücken unter Bildung von H2O (Wasserdampf)

Die Vereinigung des freien Radikals mit Kohlenstoffverbindungen oder Organismen wird als Mineralisierung bezeichnet und genau hier findet die Abtötung statt.

Für weitere Informationen habe ich das PDF der wissenschaftlichen Arbeiten angehängt, die ich im Intro zitiert habe.

Schritt 2: Zubehör

Um dieses Projekt zu machen, benötigen Sie:

- 3D-gedrucktes Gehäuse

- 3D gedruckter Deckel

- lasergeschnittenes eloxiertes Aluminium 2mm dick

- Siebdruck (optional, eventuell habe ich ihn nicht verwendet)

- 5 Stück Hochleistungs-UV-LED 365nm

- PCB-Sterne mit 3535 Footprint oder LEDs bereits auf einem Stern montiert

- thermisches doppelseitiges Klebeband

- TiO2-Photokatalysator-Filter

- Netzteil 20W 5V

- EU-Stecker 5/2.1mm

- Lüfter 40x10mm

- thermische kreischende Röhren

- Senkkopf M3 Schrauben und Muttern

- 5 1W 5 Ohm Widerstände

- 1 0,5 W 15 Ohm Widerstand

- kleine Drähte

Ich habe die Links für den Kauf einiger Sachen hinzugefügt, aber ich betreibe kein Partnerprogramm mit den Anbietern. Ich habe die Links nur gesetzt, weil jemand, der den Luftreiniger auf diese Weise nachbauen möchte, eine Vorstellung von den Verbrauchsmaterialien und Kosten haben kann.

Schritt 3: 3D-Design des Luftreinigers

Sie finden die gesamte Assembly-Datei im Format.x_b in der Datei "reach".

Sie werden vielleicht feststellen, dass ich das Gehäuse für den 3D-Druck optimieren musste. Ich machte die Wände dicker und entschied mich, den Winkel an der Basis nicht zu glätten.

Der Kühlkörper ist lasergeschnitten und gefräst. Auf dem 2mm eloxierten Aluminium (RED ZONE) gibt es eine 1mm Tieferlegung, die ein besseres Biegen ermöglicht. Das Biegen erfolgte manuell mit Zange und Schraubstock.

Ein Freund von mir hat mich darauf aufmerksam gemacht, dass das Muster auf der Vorderseite des Gehäuses dem Tattoo ähnelt, das Leeloo im Film The Fifth Element trägt. Komischer Zufall!

Schritt 4: Elektronische Schaltung

Die elektronische Schaltung ist sehr einfach. Wir haben eine Konstantspannungsversorgung von 5V und parallel werden wir 5 LEDs und einen Lüfter platzieren. Durch eine Reihe von Widerständen und mit einigen mathematischen Berechnungen entscheiden wir, wie viel Strom wir in die LEDs und in den Lüfter speisen.

DIE LEDs

Wenn wir uns das LED-Datenblatt ansehen, sehen wir, dass wir sie bis zu maximal 500 mA betreiben können, aber ich habe mich entschieden, sie mit halber Leistung (≈250 mA) zu betreiben. Der Grund ist, dass wir einen kleinen Kühlkörper haben, der im Grunde die Aluminiumplatte ist, an der sie befestigt sind. Wenn wir die LED mit 250 mA ansteuern, beträgt die Durchlassspannung der LED 3,72 V. Entsprechend dem Widerstand, den wir auf diesen Zweig des Stromkreises legen, erhalten wir den Strom.

5V - 3,72V = 1,28V ist das Spannungspotential, das wir am Widerstand haben

Ohmsches Gesetz R = V/I = 1,28/0,25 = 6,4 Ohm

Ich werde den kommerziellen Widerstandswert von 5 Ohm verwenden

Leistung des Widerstands = R I^2 = 0,31W (ich habe tatsächlich 1W-Widerstände verwendet, ich habe etwas Spielraum gelassen, da die LED den Bereich ziemlich aufheizen könnte).

DER FAN

Die empfohlene Spannung des Lüfters beträgt 5 V und 180 mA Strom, wenn er mit dieser Leistung betrieben wird, kann er Luft mit einer Durchflussrate von 12 m3/h bewegen. Mir ist aufgefallen, dass der Lüfter bei dieser Geschwindigkeit zu laut war (27dB), also beschloss ich, die Spannungsversorgung und die Stromversorgung des Lüfters etwas zu senken, dazu habe ich einen Widerstand von 15 Ohm verwendet. Um den benötigten Wert zu verstehen, benutzte ich ein Potentiometer und sah, wann ich etwa die Hälfte des Stroms, 100 mA, hätte.

Widerstandsleistung = R I^2 = 0,15 W (ich habe hier 0,5 W Widerstand verwendet)

Der tatsächliche Endvolumenstrom des Ventilators beträgt also 7,13 m3/h.

Schritt 5: Löten und zusammenbauen

Ich habe dünne Kabel verwendet, um die LEDs miteinander zu verbinden und die gesamte Schaltung zu erstellen und alles so organisiert wie möglich zu verlöten. Sie sehen, dass die Widerstände im Schrumpfschlauch geschützt sind. Beachten Sie, dass Sie die Anode und die Chatode der LEDs an die richtigen Pole löten müssen. Die Anoden gehen zu einem Widerstandsende und die Kathoden gehen zu GND (-5V in unserem Fall). Auf der LED befindet sich eine Anodenmarkierung, die Position finden Sie im LED-Datenblatt. LEDs werden mit doppelseitigem Thermoklebeband am Kühlkörper befestigt.

Ich habe tatsächlich einen DC-Anschluss (den transparenten) verwendet, um den gesamten im ersten Bild gezeigten Block (Kühlkörper, LEDs und Lüfter) leicht zu entfernen, dieses Element kann jedoch vermieden werden.

Der schwarze 5/2.1 EU DC Hauptstromversorgungsanschluss wurde in ein Loch geklebt, das ich manuell gebohrt habe.

Die seitlichen Löcher, die ich im Deckel gemacht habe, um den Deckel mit Schrauben am Gehäuse zu befestigen, wurden ebenfalls manuell gebohrt.

Das ganze Löten auf diesem kleinen Raum zu machen, war eine kleine Herausforderung. Ich hoffe, Sie werden es genießen, es zu umarmen.

Schritt 6: Das Gerät ist fertig

Herzliche Glückwünsche! Schließen Sie es einfach an und beginnen Sie mit der Luftreinigung.

Der Luftdurchsatz beträgt 7,13 m3/h, sodass ein Raum von 3 x 3 x 3 m in etwa 4 Stunden gereinigt werden sollte.

Wenn der Luftreiniger eingeschaltet ist, habe ich bemerkt, dass ein Geruch herauskommt, der mich an Ozon erinnert.

Ich hoffe, Ihnen hat dieses Instructable gefallen und wenn Sie noch neugieriger sind, gibt es einen zusätzlichen Abschnitt über ein Experiment, das ich gemacht habe.

Wenn Sie nicht bereit sind, Ihren eigenen Luftreiniger zu bauen, ihn aber sofort erhalten möchten, können Sie ihn auf Etsy kaufen. Ich habe ein Paar erstellt, also zögern Sie nicht, die Seite zu besuchen.

Tschüß und pass auf dich auf, Pietro

Schritt 7: Experimentieren Sie: der Reinigungsaufwand für stinkende Schuhe

In diesem extra Abschnitt möchte ich ein kleines lustiges Experiment zeigen, das ich mit dem Luftreiniger gemacht habe.

Anfangs steckte ich einen sehr stinkenden Schuh - ich versichere Ihnen, er roch wirklich schlecht - in einen hermetischen Acrylzylinder mit einem Volumen von 0,0063 m3. Was diesen Schuh so stinkend machen sollte, sind große Moleküle, die Schwefel und Kohlenstoff enthalten, sowie Bioabwässer und Bakterien, die von dem Fuß stammen, der diesen Schuh trug. Was ich erwartet hatte, als ich den Luftreiniger einschaltete, war, dass VOC reduziert und CO2 erhöht wird.

Den Schuh habe ich dort 30min im Zylinder gelassen, um die "Stinkbalance" im Behälter zu erreichen. Und durch einen Sensor bemerkte ich einen massiven Anstieg von CO2 (+333%) und VOC (+120%).

Bei Minute 30 stellte ich den Luftreiniger in den Zylinder und schaltete ihn für 5 Minuten ein. Ich bemerkte einen weiteren Anstieg von CO2 (+40%) und VOC (+38%).

Ich zog den stinkenden Schuh aus und ließ den Luftreiniger 9 Minuten lang eingeschaltet, und CO2 und VOC stiegen dramatisch an.

Nach diesem Experiment geschah also etwas in diesem Zylinder. Wenn VOC und Bakterien durch den Mineralisierungsprozess zerstört werden, sagt uns die Theorie, dass CO2 und H2O gebildet werden, also könnte man sagen, dass es funktioniert, weil das Experiment zeigt, dass sich CO2 bildet, aber warum auch VOC weiter zunimmt? Der Grund kann sein, dass ich den falschen Sensor verwendet habe. Der Sensor, den ich verwendet habe, ist der im Bild gezeigte und nach dem, was ich verstanden habe, schätzt er CO2 anhand eines Prozentsatzes von VOC unter Verwendung einiger interner Algorithmen und erreicht auch leicht die VOC-Sättigung. Der entwickelte und in das Sensormodul integrierte Algorithmus interpretiert die Rohdaten, z. B. Metalloxid-Halbleiter-Widerstandswert, in CO2-Äquivalentwert durch Durchführung des Vergleichstests mit dem NDIR CO2-Gassensor und Gesamt-VOC-Wert basierend auf dem Vergleichstest mit dem Instrument FID. Ich denke, dass ich die Ausrüstung nicht ausgereift und genau genug verwendet habe.

Jedenfalls war es lustig zu versuchen, das System auf diese Weise zu testen.

Erster Preis bei der Frühjahrsputz-Challenge