دی اکسید تیتانیوم و تصفیه کننده UV UV: 7 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:53

سلام جامعه آموزش پذیر ،

امیدوارم همه شما در شرایط اضطراری که در این لحظه زندگی می کنیم خوب باشید.

امروز من یک پروژه تحقیق کاربردی را برای شما آورده ام. در این دستورالعمل به شما آموزش می دهم که چگونه می توانید تصفیه کننده هوا را با فیلتر فوتوکاتالیک TiO2 (دی اکسید تیتانیوم) و LED های UVA بسازید. من به شما می گویم که چگونه تصفیه کننده خود را بسازید و همچنین یک آزمایش را به شما نشان خواهم داد. بر اساس ادبیات علمی ، این فیلتر باید بوهای بد را از بین ببرد و باکتری ها و ویروس های موجود در هوا ، از جمله خانواده کروناویروس را از بین ببرد.

در این مقاله تحقیقی می توانید ببینید چگونه می توان از این فناوری به طور م toثر برای از بین بردن باکتری ها ، قارچ ها و ویروس ها استفاده کرد. آنها در واقع به تحقیقی در سال 2004 با عنوان اثر غیرفعال سازی فیلتر آپاتیت تیتانیوم فوتوکاتالیستی بر ویروس SARS اشاره می کنند ، که در آن محققان اظهار می کنند 99.99٪ از ویروس های سندرم حاد تنفسی حاد کشته شدند.

من می خواهم این پروژه را به اشتراک بگذارم زیرا معتقدم که می تواند یک پروژه بسیار جالب باشد زیرا سعی می کند یک مشکل جدی را حل کند و چند رشته ای است: این مفهوم شیمی ، الکترونیک و طراحی مکانیکی را گرد هم می آورد.

مراحل:

1. فوتوکاتالیز با TiO2 و اشعه ماوراء بنفش

2. لوازم

3. طراحی سه بعدی دستگاه تصفیه هوا

4. مدار الکترونیکی

5. لحیم و مونتاژ کنید

6. دستگاه کامل است

7. تلاش برای پاکسازی کفش بد بو

مرحله 1: فوتوکاتالیز با TiO2 و نور UV

در این بخش من نظریه پشت واکنش را توضیح خواهم داد.

همه چیز به صورت گرافیکی در تصویر بالا خلاصه شده است. در زیر تصویر را توضیح می دهم.

اساساً فوتون با انرژی کافی وارد مولکول TiO2 در مدار می شود که یک الکترون در حال چرخش است. فوتون به شدت به الکترون ضربه می زند و باعث می شود از نوار ظرفیت به باند هدایت بپرد ، این پرش امکان پذیر است زیرا TiO2 یک نیمه رسانا است و زیرا فوتون دارای انرژی کافی است. بر اساس این فرمول ، انرژی فوتون با طول موج آن تعیین می شود:

E = hc/λ

جایی که h ثابت پلانک است ، c سرعت نور و λ طول موج فوتون است که در مورد ما 365 نانومتر است. با استفاده از این ماشین حساب آنلاین زیبا می توانید انرژی را محاسبه کنید. در مورد ما E = 3 ، 397 eV است.

به محض پرش الکترون ، یک الکترون آزاد و یک حفره آزاد در جایی که قبلاً وجود داشت ، وجود دارد:

الکترون الکترون-

سوراخ h+

و این دو به نوبه خود توسط مولکول های دیگری که قسمت هایی از هوا هستند مورد اصابت قرار می گیرند که عبارتند از:

مولکول H2O بخار آب

OH- هیدروکسید

مولکول O2 اکسیژن

چند واکنش ردوکس رخ می دهد (در این ویدئو در مورد آنها بیشتر بدانید).

اکسیداسیون:

بخار آب به علاوه یک حفره به رادیکال هیدروکسیل به علاوه یون هیدروژن هیدراته می دهد: H2O + h + → *OH + H + (aq)

هیدروکسید به علاوه یک حفره رادیکال هیدروکسیل می دهد: OH- + h + → *OH

کاهش:

مولکول اکسیژن به علاوه یک الکترون آنیون سوپراکسید می دهد: O2 + e- → O2-

این دو چیز جدید تشکیل شده (رادیکال هیدروکسیل و آنیون سوپراکسید) رادیکال های آزاد هستند. یک رادیکال آزاد یک اتم ، مولکول یا یون با یک الکترون جفت نشده است ، این بسیار ناپایدار است ، همانطور که در این ویدیوی بسیار خنده دار Crush Course گفته شد.

رادیکال های آزاد مسئول اصلی بسیاری از واکنش های زنجیره ای هستند که در شیمی اتفاق می افتد ، به عنوان مثال پلیمریزاسیون ، که زمانی اتفاق می افتد که مونومرها به یکدیگر متصل می شوند و پلیمر را تشکیل می دهند ، یا به عبارتی چیزی را که ما به طور گسترده ای پلاستیک می نامیم (اما این داستان دیگری است))

O2- به مولکول ها و باکتری های بوی بد می زند و پیوندهای کربنی آنها را می شکند و CO2 (دی اکسید کربن) ایجاد می کند.

*OH به مولکولها و باکتریهای بوی بد می زند و پیوندهای هیدروژنی آنها را می شکند و H2O (بخار آب) ایجاد می کند

پیوند رادیکال آزاد با ترکیبات یا ارگانیسم های کربنی را کانی سازی می نامند و این دقیقاً همان جایی است که کشتار اتفاق می افتد.

برای اطلاعات بیشتر ، پی دی اف مقالات علمی را که در مقدمه نقل کرده ام پیوست کرده ام.

مرحله 2: لوازم

برای ساخت این پروژه به موارد زیر نیاز دارید:

- کیف چاپ سه بعدی

- درب چاپ سه بعدی

- برش لیزری آلومینیوم آنودایز ضخامت 2 میلی متر

- صفحه ابریشم (اختیاری ، در نهایت من از آن استفاده نکردم)

- 5 قطعه UV UV 365 نانومتری با قدرت بالا

- ستاره های PCB با 3535 رد پا یا LED هایی که قبلاً روی یک ستاره نصب شده اند

- نوار چسب دو طرفه حرارتی

- فیلتر فوتوکاتالیست TiO2

- منبع تغذیه 20 وات 5 ولت

- اتصال EU 5/2.1 میلی متر

- فن 40x10 میلی متر

- لوله های جیغ حرارتی

- پیچ و مهره سر M3 سرپوشیده

- 5 مقاومت 1W 5 اهم

- 1 مقاومت 0.5 وات 15 اهم

- سیمهای کوچک

پیوندهایی را برای خرید برخی موارد اضافه کرده ام اما هیچ برنامه وابسته ای را با فروشندگان اجرا نمی کنم. من پیوندها را فقط به این دلیل قرار می دهم که اگر کسی مایل است دستگاه تصفیه هوا را به این شکل تکرار کند ، می تواند از منابع و هزینه ها تصوری داشته باشد.

مرحله 3: طراحی سه بعدی دستگاه تصفیه هوا

می توانید کل فایل اسمبلی را با فرمت.x_b در دستیابی پیدا کنید.

شاید توجه داشته باشید که من مجبور بودم قاب را برای چاپ سه بعدی بهینه کنم. دیوارها را ضخیم تر کردم و تصمیم گرفتم زاویه را در پایه صاف نکنم.

هیت سینک با لیزر برش داده و آسیاب می شود. یک آلومینیوم آنودایز شده 2 میلی متری (RED ZONE) یک میلی متر پایین می آورد که باعث خم شدن بهتر می شود. خم شدن به صورت دستی با انبردست و گیره انجام شده است.

یکی از دوستانم به من توجه کرد که الگوی جلوی قاب شبیه خالکوبی است که لیلو در فیلم عنصر پنجم می پوشد. تصادف خنده دار!

مرحله 4: مدار الکترونیکی

مدار الکترونیکی بسیار آسان است. ما منبع تغذیه ولتاژ ثابت 5 ولت داریم و به موازات آن قرار است 5 LED و یک فن قرار دهیم. از طریق دسته ای از مقاومت ها و با محاسبات ریاضی تصمیم می گیریم که چقدر جریان را به LED ها و فن اضافه کنیم.

LED ها

با نگاهی به برگه داده LED می بینیم که می توان آنها را حداکثر تا 500 میلی آمپر هدایت کرد ، اما من تصمیم گرفتم آنها را با نصف قدرت (50250 میلی آمپر) هدایت کنم. دلیل آن این است که ما یک هیت سینک کوچک داریم که اساساً صفحه آلومینیومی است که به آن وصل شده اند. اگر LED را در 250mA هدایت کنیم ولتاژ رو به جلو LED 3.72V است. با توجه به مقاومتی که تصمیم داریم روی آن شاخه از مدار قرار دهیم ، جریان را بدست می آوریم.

5V - 3.72V = 1.28V پتانسیل ولتاژ ما در مقاومت است

قانون اهم R = V/I = 1.28/0.25 = 6.4 اهم

من از ارزش تجاری مقاومت 5 اهم استفاده خواهم کرد

قدرت مقاومت = R I^2 = 0.31W (من در واقع از مقاومتهای 1 وات استفاده کرده ام ، کمی حاشیه گذاشتم زیرا LED می تواند منطقه را کمی گرم کند).

طرفدار

ولتاژ پیشنهادی فن 5 ولت و جریان 180 میلی آمپر است ، اگر با این قدرت رانده شود می تواند هوا را با سرعت جریان 12 متر مکعب در ساعت حرکت دهد. من متوجه شدم که با این سرعت فن بسیار پر سر و صدا است (27dB) ، بنابراین تصمیم گرفتم کمی ولتاژ و جریان فعلی فن را کم کنم ، برای این منظور از یک مقاومت 15 اهم استفاده کردم. برای درک مقدار مورد نیاز ، از پتانسیومتر استفاده کردم و دیدم چه زمانی نیمی از جریان ، 100 میلی آمپر را دارم.

قدرت مقاومت = R I^2 = 0.15W (من در اینجا از مقاومت 0.5W استفاده کرده ام)

بنابراین میزان جریان نهایی واقعی فن 7.13 متر مکعب در ساعت است.

مرحله 5: لحیم و مونتاژ کنید

من از کابل های نازک برای اتصال LED ها به یکدیگر و ایجاد کل مدار استفاده کرده و همه چیز را تا آنجا که ممکن است سازماندهی کرده ام. می بینید که مقاومت ها در داخل لوله کوچک کننده حرارتی محافظت می شوند. توجه داشته باشید که باید آند و چتود LED ها را به قطب های راست لحیم کنید. آندها به یک انتهای مقاومت می روند و کاتدها به GND (در مورد ما -5V) می روند. در LED یک علامت آند وجود دارد ، مکان آن را در برگه داده LED جستجو کنید. LED ها با نوار چسب دو طرفه حرارتی به هیت سینک متصل می شوند.

من در واقع از یک کانکتور DC (شفاف) برای حذف کل بلوک نشان داده شده در تصویر اول (هیت سینک ، LED ها و فن) استفاده کرده ام ، با این حال می توان از این عنصر اجتناب کرد.

اتصال منبع تغذیه اصلی سیاه 5/2.1 EU DC در سوراخی چسبانده شده است که من به صورت دستی آن را سوراخ کردم.

سوراخ های جانبی که در درب ایجاد کردم تا درپوش را با پیچ روی قاب ثابت کنم ، به صورت دستی نیز حفر شد.

ایجاد تمام لحیم کاری در آن فضای کوچک یک چالش کوچک بود. امیدوارم از پذیرش آن لذت ببرید.

مرحله 6: دستگاه کامل است

تبریک می گویم! فقط آن را وصل کرده و تصفیه هوا را شروع کنید.

سرعت جریان هوا 7.13 متر مکعب در ساعت است ، بنابراین یک اتاق 3 3 3 3 3 متر باید در حدود 4 ساعت تمیز شود.

وقتی دستگاه تصفیه روشن است متوجه شده ام از آن بویی بیرون می آید که من را به یاد ازن می اندازد.

امیدوارم این دستورالعمل را دوست داشته باشید و اگر بیشتر کنجکاو هستید ، یک قسمت اضافی در مورد آزمایشی که من انجام داده ام وجود دارد.

اگر مایل نیستید دستگاه تصفیه هوا خود را بسازید ، اما دوست دارید آن را فوراً تهیه کنید ، می توانید آن را در Etsy خریداری کنید. من یک زن و شوهر را مجبور کردم تا از صفحه دیدن کنند.

مراقب خود باش و خدانگهدار،

پیترو

مرحله 7: آزمایش: تلاش تصفیه کفش بد بو

در این قسمت اضافی می خواهم یک آزمایش خنده دار کوچک را که با دستگاه تصفیه انجام دادم نشان دهم.

در ابتدا من یک کفش بسیار بد بو - به شما اطمینان می دهم که واقعا بوی بد می داد - را در یک سیلندر اکریلیک هرمتیک با حجم 0.0063 متر مکعب قرار دادم. چه چیزی باید آن کفش را بو کند ، مولکولهای بزرگی حاوی گوگرد و کربن و همچنین پسابهای زیستی و باکتریهایی است که از پای شما استفاده می شود. چیزی که انتظار داشتم وقتی دستگاه تصفیه را روشن کردم ، کاهش VOC و افزایش CO2 بود.

من کفش را به مدت 30 دقیقه در سیلندر جا گذاشتم تا به "تعادل بدبو" داخل ظرف برسم. و از طریق یک سنسور متوجه افزایش عظیم CO2 (+333٪) و VOC (+120٪) شدم.

در دقیقه 30 دستگاه تصفیه هوا را درون سیلندر قرار دادم و آن را به مدت 5 دقیقه روشن کردم. من متوجه افزایش بیشتر CO2 (+40)) و VOC (+38+) شدم.

کفش متعفن را برداشته و دستگاه تصفیه کننده را 9 دقیقه روشن گذاشتم و CO2 و VOC به طور چشمگیری افزایش می یابد.

بنابراین طبق این آزمایش چیزی در داخل آن استوانه اتفاق می افتد. اگر VOC و باکتریها از طریق فرآیند کانی سازی نابود شوند ، نظریه به ما می گوید که CO2 و H2O تشکیل شده است ، بنابراین می توان گفت که این کار می کند زیرا آزمایش نشان می دهد که CO2 در حال شکل گیری است ، اما چرا VOC نیز افزایش می یابد؟ شاید دلیلش این باشد که من از سنسور اشتباه استفاده کردم. سنسوری که من استفاده کردم حسگری است که در تصویر نشان داده شده است و با توجه به آنچه من فهمیدم CO2 را با توجه به درصد VOC با استفاده از برخی الگوریتم های داخلی تخمین می زند و همچنین به راحتی به اشباع VOC می رسد. الگوریتمی که توسعه داده شده و در ماژول سنسور ادغام شده است ، داده های خام را تفسیر می کند ، به عنوان مثال. مقدار مقاومت نیمه هادی اکسید فلز ، در مقدار معادل CO2 با انجام آزمایش مقایسه با سنسور گاز NDIR CO2 و مقدار VOC کل بر اساس آزمایش مقایسه با ابزار FID. من فکر می کنم از تجهیزات به اندازه کافی پیچیده و دقیق استفاده نکرده ام.

به هر حال امتحان کردن سیستم به این روش خنده دار بوده است.

جایزه اول در چالش نظافت بهار