Titanium Dioxide và UV Air Purifier: 7 bước (có hình ảnh)

2025 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2025-01-23 15:15

Xin chào cộng đồng Người có thể hướng dẫn, Tôi hy vọng tất cả các bạn đều khỏe mạnh trong hoàn cảnh khẩn cấp mà chúng tôi đang sống trong thời điểm này.

Hôm nay tôi mang đến cho các bạn một công trình nghiên cứu ứng dụng. Trong phần Có thể hướng dẫn này, tôi sẽ hướng dẫn bạn cách chế tạo một máy lọc không khí hoạt động với bộ lọc quang điện tử TiO2 (Titanium Dioxide) và đèn LED UVA. Tôi sẽ cho bạn biết cách chế tạo máy lọc của riêng bạn và tôi cũng sẽ chỉ cho bạn một thí nghiệm. Theo các tài liệu khoa học, bộ lọc này sẽ loại bỏ mùi hôi và tiêu diệt vi khuẩn và vi rút trong không khí đi qua nó, bao gồm cả họ coronavirus.

Trong tài liệu nghiên cứu này, bạn có thể thấy công nghệ này có thể được sử dụng hiệu quả như thế nào để tiêu diệt vi khuẩn, nấm và vi rút; họ thực sự trích dẫn một nghiên cứu năm 2004 có tiêu đề Hiệu ứng bất hoạt của bộ lọc Apatit Titan xúc tác quang đối với vi rút SARS, trong đó các nhà nghiên cứu tuyên bố rằng 99,99% vi rút gây hội chứng hô hấp cấp tính nghiêm trọng đã bị tiêu diệt.

Tôi muốn chia sẻ dự án này vì tôi tin rằng nó có thể là một dự án đặc biệt thú vị vì nó cố gắng giải quyết một vấn đề nghiêm trọng và vì tính đa ngành của nó: nó tập hợp các khái niệm về hóa học, điện tử và thiết kế cơ khí.

Các bước:

1. Xúc tác quang bằng TiO2 và tia UV

2. Nguồn cung cấp

3. Thiết kế 3D của máy lọc không khí

4. Mạch điện tử

5. Hàn và lắp ráp

6. Thiết bị hoàn chỉnh

7. Nỗ lực thanh lọc giày hôi thối

Bước 1: Xúc tác quang bằng TiO2 và tia UV

Trong phần này tôi sẽ giải thích lý thuyết đằng sau phản ứng.

Mọi thứ được tóm tắt bằng đồ thị trong hình trên. Dưới đây tôi sẽ giải thích hình ảnh.

Về cơ bản, photon có đủ năng lượng sẽ đến trong phân tử TiO2 theo quỹ đạo nơi một điện tử đang quay. Photon đập mạnh vào điện tử và làm cho nó nhảy ra khỏi vùng hóa trị sang vùng dẫn, bước nhảy này có thể xảy ra do TiO2 là chất bán dẫn và do photon có đủ năng lượng. Năng lượng của photon được xác định bởi bước sóng của nó theo công thức sau:

E = hc / λ

trong đó h là Hằng số Plank, c là tốc độ ánh sáng và λ là bước sóng của photon, trong trường hợp của chúng ta là 365nm. Bạn có thể tính toán năng lượng bằng cách sử dụng máy tính trực tuyến tốt đẹp này. Tôi trường hợp của chúng tôi nó là E = 3, 397 eV.

Khi êlectron nhảy ra xa sẽ có một êlectron tự do và một lỗ trống tự do nơi nó từng là:

điện tử e-

lỗ h +

Và hai thứ này lần lượt bị va chạm bởi một số phân tử khác là thành phần của không khí:

Phân tử hơi nước H2O

OH- Hydroxit

Phân tử ôxy O2

Một vài phản ứng oxy hóa khử xảy ra (tìm hiểu thêm về chúng trong video này).

Quá trình oxy hóa:

Hơi nước cộng với lỗ trống tạo ra gốc hydroxyl cộng với ion hydro ngậm nước: H2O + h + → * OH + H + (aq)

Hydroxit cộng với một lỗ trống tạo ra gốc hydroxyl: OH- + h + → * OH

Sự giảm bớt:

phân tử oxy cộng với một điện tử tạo ra anion superoxit: O2 + e- → O2-

Hai thứ mới được hình thành này (gốc hydroxyl và anion superoxide) là các gốc tự do. Gốc tự do là một nguyên tử, phân tử hoặc ion với một electron chưa ghép đôi, nó không ổn định điên rồ như đã nói trong video Khóa học Nghiền nát rất vui nhộn này.

Các gốc tự do là nguyên nhân chính gây ra nhiều phản ứng dây chuyền xảy ra trong hóa học, ví dụ như phản ứng trùng hợp, xảy ra khi các monome liên kết với nhau để tạo thành polyme, hay nói cách khác để tạo ra thứ mà chúng ta gọi rộng hơn là nhựa (nhưng đó là một câu chuyện khác).

O2- chạm vào các phân tử và vi khuẩn có mùi hôi lớn và phá vỡ các liên kết carbon của chúng tạo thành CO2 (carbon dioxide)

* OH tác động vào các phân tử và vi khuẩn có mùi hôi lớn và phá vỡ liên kết hydro của chúng tạo thành H2O (hơi nước)

Sự kết hợp của gốc tự do với các hợp chất hoặc sinh vật cacbon được gọi là quá trình khoáng hóa và đây chính xác là nơi diễn ra quá trình giết chóc.

Để biết thêm thông tin, tôi đã đính kèm tệp PDF của các bài báo khoa học mà tôi đã trích dẫn trong phần giới thiệu.

Bước 2: Nguồn cung cấp

Để thực hiện dự án này, bạn sẽ cần:

- Vỏ in 3D

- Nắp in 3D

- nhôm anodized cắt laser dày 2mm

- màn hình lụa (tùy chọn, cuối cùng tôi đã không sử dụng nó)

- 5 miếng đèn LED UV công suất cao 365nm

- PCB sao với 3535 dấu chân hoặc đèn LED đã được gắn trên một ngôi sao

- băng dính hai mặt nhiệt

- Bộ lọc xúc tác quang TiO2

- Nguồn điện 20W 5V

- Đầu nối EU 5 / 2.1mm

- Quạt 40x10mm

- ống co nhiệt

- bu lông và đai ốc M3 đầu chìm

- 5 điện trở 1W 5ohm

- 1 điện trở 0,5W 15ohm

- dây nhỏ

Tôi đã thêm các liên kết để mua một số thứ nhưng tôi không chạy bất kỳ chương trình liên kết nào với các nhà cung cấp. Tôi đặt các liên kết chỉ vì nếu ai đó muốn tái tạo máy lọc không khí theo cách này có thể có ý tưởng về nguồn cung cấp và chi phí.

Bước 3: Thiết kế 3D của Máy lọc không khí

Bạn có thể tìm thấy toàn bộ tệp lắp ráp ở định dạng.x_b trong thành tích.

Bạn có thể nhận thấy rằng tôi đã phải tối ưu hóa trường hợp cho in 3D. Tôi đã làm cho các bức tường dày hơn và tôi quyết định không làm nhẵn góc ở chân tường.

Bộ tản nhiệt được cắt và mài bằng laser. Có một hạ thấp 1mm trên nhôm anodized 2mm (RED ZONE) cho phép uốn cong tốt hơn. Việc uốn được thực hiện thủ công bằng kìm và vise.

Một người bạn của tôi đã làm cho tôi chú ý rằng hoa văn ở mặt trước của chiếc ốp lưng giống với hình xăm mà Leeloo mặc trong bộ phim The Fifth Element. Sự trùng hợp buồn cười!

Bước 4: Mạch điện tử

Các mạch điện tử là rất dễ dàng. Chúng tôi có một nguồn điện áp không đổi là 5V và song song chúng tôi sẽ đặt 5 đèn LED và một quạt. Thông qua một loạt các điện trở và với một số phép tính toán học, chúng tôi quyết định lượng dòng điện mà chúng tôi sẽ cấp vào các đèn LED và vào quạt.

CÁC ĐÈN LED

Nhìn vào bảng dữ liệu LED, chúng tôi thấy rằng chúng tôi có thể điều khiển chúng lên đến tối đa 500mA, nhưng tôi quyết định lái chúng ở một nửa công suất (≈250mA). Lý do là chúng ta có một tản nhiệt nhỏ, về cơ bản là tấm nhôm mà chúng được gắn vào. Nếu chúng ta điều khiển đèn LED ở 250mA thì điện áp chuyển tiếp của đèn LED là 3,72V. Theo điện trở mà ta quyết định đặt vào nhánh đó của mạch ta thu được dòng điện.

5V - 3,72V = 1,28V là hiệu điện thế ta có trên điện trở

Định luật Ôm R = V / I = 1,28 / 0,25 = 6,4ohm

Tôi sẽ sử dụng giá trị thương mại của điện trở 5ohm

Công suất của điện trở = R I ^ 2 = 0,31W (Tôi thực sự đã sử dụng điện trở 1W, tôi để lại một số lề vì đèn LED có thể làm nóng khu vực này khá nhiều).

CÁI QUẠT

Điện áp đề xuất của quạt là dòng điện 5V và 180mA, nếu được điều khiển bằng công suất này, nó có thể di chuyển không khí với tốc độ dòng chảy 12m3 / h. Tôi nhận thấy rằng ở tốc độ này, quạt quá ồn (27dB), vì vậy tôi quyết định giảm một chút điện áp cung cấp và dòng điện cung cấp cho quạt, để làm điều này, tôi đã sử dụng một điện trở 15ohm. Để hiểu giá trị cần thiết, tôi đã sử dụng một chiết áp và tôi đã biết khi nào tôi sẽ có khoảng một nửa dòng điện, 100mA.

Công suất của điện trở = R I ^ 2 = 0,15W (Tôi đã sử dụng điện trở 0,5W ở đây)

Vì vậy, lưu lượng cuối cùng thực tế của quạt cho kết quả là 7,13 m3 / h.

Bước 5: Hàn và lắp ráp

Tôi đã sử dụng dây cáp mỏng để nối các đèn LED lại với nhau và làm cho toàn bộ mạch và hàn mọi thứ có tổ chức nhất có thể. Bạn có thể thấy rằng các điện trở được bảo vệ bên trong ống co nhiệt. Lưu ý rằng bạn phải hàn cực dương và cực âm của đèn LED vào đúng cực. Các cực dương đi đến một đầu điện trở và cực âm đi đến GND (-5V trong trường hợp của chúng tôi). Trên đèn LED có một dấu cực dương, hãy tìm vị trí của nó để tìm nó trong bảng dữ liệu LED. Đèn LED được gắn vào bộ tản nhiệt bằng băng dính hai mặt nhiệt.

Tôi thực sự đã sử dụng đầu nối DC (đầu nối trong suốt) để dễ dàng tháo toàn bộ khối được hiển thị trong hình đầu tiên (tản nhiệt, đèn LED và quạt), tuy nhiên, yếu tố này có thể tránh được.

Đầu nối nguồn điện chính DC 5 / 2.1 EU màu đen đã được dán vào một lỗ mà tôi đã khoan thủ công.

Các lỗ bên cạnh tôi tạo ra trên nắp để cố định nắp bằng vít vào vỏ cũng được khoan thủ công.

Thực hiện tất cả các mối hàn trong không gian nhỏ đó là một thách thức nhỏ. Tôi hy vọng bạn sẽ thích ôm nó.

Bước 6: Thiết bị đã hoàn tất

Xin chúc mừng! Chỉ cần cắm nó và bắt đầu lọc không khí.

Tốc độ dòng khí là 7,13 m3 / h nên một căn phòng có kích thước 3x3x3m sẽ được lọc sạch trong khoảng 4 giờ.

Khi máy lọc được bật, tôi nhận thấy rằng từ nó có một mùi khiến tôi liên tưởng đến ozone.

Tôi hy vọng bạn đã thích điều này Có thể hướng dẫn và nếu bạn còn tò mò hơn nữa, có một phần bổ sung về một thử nghiệm mà tôi đã thực hiện.

Nếu bạn không sẵn sàng chế tạo máy lọc không khí của riêng mình nhưng bạn chỉ muốn mua nó ngay lập tức, bạn có thể mua nó trên Etsy. Mình đã kết đôi nên cứ thoải mái ghé thăm trang.

Tạm biệt và giữ sức khỏe, Pietro

Bước 7: Thử nghiệm: Nỗ lực làm sạch giày hôi

Trong phần bổ sung này, tôi muốn giới thiệu một thí nghiệm vui nhộn nhỏ mà tôi đã làm với máy lọc.

Ban đầu, tôi đặt một chiếc giày rất hôi - tôi đảm bảo với bạn rằng nó thực sự có mùi hôi - trong một hình trụ acrylic kín có thể tích 0,0063 m3. Thứ làm cho chiếc giày có mùi đó là những phân tử lớn có chứa lưu huỳnh và carbon, cũng như nước thải sinh học và vi khuẩn phát ra từ bàn chân đang mang giày đó. Điều tôi mong đợi sẽ thấy khi bật máy lọc là VOC giảm và CO2 tăng lên.

Tôi để chiếc giày ở đó trong xi lanh trong 30 phút để đạt được "sự cân bằng bốc mùi" bên trong vật chứa. Và thông qua một cảm biến, tôi nhận thấy sự gia tăng lớn về CO2 (+ 333%) và VOC (+ 120%).

Vào phút thứ 30, tôi đặt máy lọc không khí vào bên trong xi lanh và tôi bật nó lên trong 5 phút. Tôi nhận thấy sự gia tăng thêm CO2 (+ 40%) và VOC (+ 38%).

Tôi đã loại bỏ chiếc giày đã bốc mùi và tôi để máy lọc bật trong 9 phút và CO2 và VOC được giữ tăng lên đáng kể.

Vì vậy, theo thí nghiệm này, một cái gì đó đã xảy ra bên trong hình trụ đó. Nếu VOC và vi khuẩn bị tiêu diệt thông qua quá trình khoáng hóa, lý thuyết cho chúng ta biết rằng CO2 và H2O được hình thành, vì vậy người ta có thể nói rằng nó đang hoạt động vì thực nghiệm cho thấy rằng CO2 đang tiếp tục hình thành, nhưng tại sao VOC cũng tiếp tục tăng? Nguyên nhân có thể do tôi sử dụng sai cảm biến. Cảm biến tôi sử dụng là cảm biến được hiển thị trong hình và từ những gì tôi hiểu, nó ước tính CO2 theo phần trăm VOC bằng cách sử dụng một số thuật toán nội bộ và cũng đạt đến độ bão hòa VOC một cách dễ dàng. Thuật toán, được phát triển và tích hợp vào mô-đun cảm biến đã diễn giải dữ liệu thô, ví dụ: giá trị điện trở bán dẫn oxit kim loại, tính bằng giá trị CO2 tương đương bằng cách thực hiện thử nghiệm so sánh với cảm biến khí CO2 NDIR và Tổng giá trị VOC dựa trên thử nghiệm so sánh với thiết bị FID. Tôi nghĩ rằng tôi đã không sử dụng thiết bị đủ tinh vi và chính xác.

Dù sao thì thật vui khi thử kiểm tra hệ thống theo cách này.

Giải nhất trong Thử thách làm sạch mùa xuân