ไทเทเนียมไดออกไซด์และเครื่องฟอกอากาศ UV: 7 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

สวัสดีชุมชนของ Instructable

ฉันหวังว่าคุณจะสบายดีในสถานการณ์ฉุกเฉินที่เราอาศัยอยู่ในขณะนี้

วันนี้ผมขอนำเสนอโครงการวิจัยประยุกต์ ในคำแนะนำนี้ ฉันจะสอนวิธีสร้างเครื่องฟอกอากาศที่ทำงานกับตัวกรองโฟโตคะตะไลติก TiO2 (ไททาเนียมไดออกไซด์) และไฟ LED UVA ฉันจะบอกวิธีทำเครื่องกรองอากาศของคุณเองและฉันจะแสดงการทดลองให้คุณดู ตามวรรณกรรมทางวิทยาศาสตร์ ตัวกรองนี้ควรกำจัดกลิ่นไม่พึงประสงค์และฆ่าเชื้อแบคทีเรียและไวรัสในอากาศที่ผ่านเข้าไป ซึ่งรวมถึงตระกูลโคโรนาไวรัสด้วย

ในรายงานการวิจัยนี้ คุณจะเห็นว่าเทคโนโลยีนี้สามารถนำมาใช้อย่างมีประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อแบคทีเรีย เชื้อรา และไวรัสได้อย่างไร พวกเขาอ้างงานวิจัยในปี 2547 เรื่อง The Inactivation Effect of Photocatalytic Titanium Apatite Filter on SARS Virus ซึ่งนักวิจัยระบุว่า 99.99% ของไวรัสกลุ่มอาการทางเดินหายใจเฉียบพลันรุนแรงถูกฆ่าตาย

ฉันต้องการแชร์โครงการนี้เนื่องจากฉันเชื่อว่าอาจเป็นโครงการที่น่าสนใจเป็นพิเศษ เพราะมันพยายามแก้ปัญหาที่ร้ายแรงและเนื่องจากเป็นโครงการสหสาขาวิชาชีพ ซึ่งนำแนวคิดทางเคมี อิเล็กทรอนิกส์ และการออกแบบเครื่องกลมาไว้ด้วยกัน

ขั้นตอน:

1. โฟโตคะตาไลซิสด้วย TiO2 และแสงยูวี

2. วัสดุสิ้นเปลือง

3. การออกแบบ 3D ของเครื่องฟอกอากาศ

4. วงจรไฟฟ้า

5. บัดกรีและประกอบ

6. อุปกรณ์เสร็จสมบูรณ์

7. ความพยายามในการทำให้รองเท้ามีกลิ่นเหม็น

ขั้นตอนที่ 1: Photocatalysis ด้วย TiO2 และ UV Light

ในส่วนนี้ฉันจะอธิบายทฤษฎีเบื้องหลังปฏิกิริยา

ทุกอย่างถูกสรุปแบบกราฟิกในภาพด้านบน ด้านล่างฉันจะอธิบายภาพ

โดยพื้นฐานแล้วโฟตอนที่มีพลังงานเพียงพอจะมาถึงโมเลกุลของ TiO2 ในวงโคจรที่อิเล็กตรอนหมุนอยู่ โฟตอนกระทบอิเล็กตรอนอย่างแรงและทำให้มันกระโดดออกจากแถบวาเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้า การกระโดดนี้เป็นไปได้เพราะ TiO2 เป็นสารกึ่งตัวนำและเนื่องจากโฟตอนมีพลังงานเพียงพอ พลังงานของโฟตอนถูกกำหนดโดยความยาวคลื่นตามสูตรนี้:

E = hc/λ

โดยที่ h คือค่าคงที่ของแผ่นไม้ c คือความเร็วของแสงและ λ คือความยาวคลื่นของโฟตอน ซึ่งในกรณีของเราคือ 365 นาโนเมตร คุณสามารถคำนวณพลังงานโดยใช้เครื่องคิดเลขออนไลน์ที่ดีนี้ ฉันกรณีของเราคือ E=3, 397 eV

เมื่ออิเล็กตรอนกระโดดออกไป จะมีอิเล็กตรอนอิสระและรูอิสระที่ครั้งหนึ่งเคยเป็น:

อิเล็กตรอน อี-

รู h+

และทั้งสองก็ถูกโมเลกุลอื่นซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของอากาศซึ่งก็คือ:

โมเลกุล H2O ของไอน้ำ

OH- ไฮดรอกไซด์

O2 โมเลกุลของออกซิเจน

ปฏิกิริยารีดอกซ์เกิดขึ้น (เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับพวกเขาในวิดีโอนี้)

ออกซิเดชัน:

ไอน้ำบวกรูให้ไฮดรอกซิลเรดิคัลบวกไฮเดรตไฮโดรเจนไอออน: H2O + h+ → *OH + H+(aq)

ไฮดรอกไซด์บวกรูให้ไฮดรอกซิลเรดิคัล: OH- + h+ → *OH

การลดน้อยลง:

โมเลกุลออกซิเจนบวกกับอิเล็กตรอนให้ซูเปอร์ออกไซด์แอนไอออน: O2 + e- → O2-

สองสิ่งใหม่ที่เกิดขึ้น (ไฮดรอกซิลเรดิคัลและซูเปอร์ออกไซด์แอนไอออน) เป็นอนุมูลอิสระ อนุมูลอิสระคืออะตอม โมเลกุล หรือไอออนที่มีอิเลคตรอนเดี่ยวที่ไม่มีการจับคู่ ซึ่งไม่เสถียรอย่างที่กล่าวไว้ในวิดีโอ Crush Course ที่ตลกมากนี้

อนุมูลอิสระเป็นตัวการหลักที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่หลายอย่างที่เกิดขึ้นในวิชาเคมี เช่น โพลีเมอไรเซชัน ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อโมโนเมอร์รวมตัวกันเพื่อสร้างพอลิเมอร์ หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งเพื่อสร้างสิ่งที่เราเรียกว่าพลาสติกในวงกว้างมากขึ้น (แต่นั่นเป็นอีกเรื่องหนึ่ง).

O2- กระทบกับโมเลกุลและแบคทีเรียที่มีกลิ่นเหม็นขนาดใหญ่ และทำลายพันธะคาร์บอนของพวกมันซึ่งก่อตัวเป็น CO2 (คาร์บอนไดออกไซด์)

*OH กระทบกับโมเลกุลและแบคทีเรียที่มีกลิ่นไม่พึงประสงค์ขนาดใหญ่ และทำลายพันธะไฮโดรเจนของพวกมันซึ่งก่อตัวเป็น H2O (ไอน้ำ)

การรวมตัวของอนุมูลอิสระกับสารประกอบคาร์บอนหรือสิ่งมีชีวิตเรียกว่าการทำให้เป็นแร่ และนี่คือจุดที่การฆ่าเกิดขึ้น

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม ฉันได้แนบ PDF ของเอกสารทางวิทยาศาสตร์ที่ฉันยกมาในบทนำ

ขั้นตอนที่ 2: วัสดุสิ้นเปลือง

ในการสร้างโครงการนี้ คุณจะต้อง:

- เคสพิมพ์ 3 มิติ

- ฝาพิมพ์ 3 มิติ

- อลูมิเนียมอโนไดซ์ตัดด้วยเลเซอร์ หนา 2 มม.

- ซิลค์สกรีน (ไม่บังคับ สุดท้ายก็ไม่ได้ใช้)

- หลอด UV LED 365nm. กำลังสูง 5 ชิ้น

- ดาว PCB ที่มี 3535 ฟุตหรือไฟ LED ติดตั้งอยู่บนดาว

- เทปกาวสองหน้าความร้อน

- TiO2 Photocatalyst ตัวกรอง

- แหล่งจ่ายไฟ 20W 5V

- ขั้วต่อ EU 5/2.1mm

- พัดลม 40x10mm

- ท่อส่งความร้อน

- น๊อตและน๊อตหัวจม M3

- ตัวต้านทาน 5 1W 5ohm

- ตัวต้านทาน 1 0.5W 15ohm

- สายไฟเส้นเล็ก

ฉันได้เพิ่มลิงก์สำหรับซื้อของบางอย่างแล้ว แต่ฉันไม่ได้ใช้งานโปรแกรมพันธมิตรใดๆ กับผู้ขาย ฉันใส่ลิงค์ไว้เพียงเพราะถ้ามีคนต้องการจำลองเครื่องฟอกอากาศด้วยวิธีนี้สามารถมีแนวคิดเกี่ยวกับวัสดุสิ้นเปลืองและค่าใช้จ่าย

ขั้นตอนที่ 3: การออกแบบ 3D ของเครื่องฟอกอากาศ

คุณสามารถค้นหาไฟล์แอสเซมบลีทั้งหมดในรูปแบบ.x_b ได้

คุณอาจสังเกตเห็นว่าฉันต้องปรับเคสให้เหมาะสมสำหรับการพิมพ์ 3 มิติ ฉันทำให้ผนังหนาขึ้นและตัดสินใจว่าจะไม่ทำให้มุมที่ฐานเรียบ

ฮีทซิงค์ถูกตัดด้วยเลเซอร์และบด อลูมิเนียมอโนไดซ์ 2 มม. (RED ZONE) ลดระดับลง 1 มม. ซึ่งช่วยให้ดัดงอได้ดีขึ้น การดัดทำได้ด้วยมือด้วยคีมและคีมจับ

เพื่อนของฉันทำให้ฉันสังเกตว่าลวดลายที่ด้านหน้าของเคสคล้ายกับรอยสักที่ลีลูใส่ในภาพยนตร์ The Fifth Element บังเอิญตลก!

ขั้นตอนที่ 4: วงจรอิเล็กทรอนิกส์

วงจรอิเล็กทรอนิกส์นั้นง่ายมาก เรามีแหล่งจ่ายไฟแรงดันคงที่ 5V และเราจะวาง LED 5 ดวงและพัดลมแบบคู่ขนานกัน ผ่านตัวต้านทานจำนวนมากและด้วยการคำนวณทางคณิตศาสตร์ เราตัดสินใจได้ว่าเราจะป้อนกระแสไฟเท่าใดใน LED และเข้าสู่พัดลม

ไฟ LED

เมื่อดูจากแผ่นข้อมูล LED เราจะเห็นว่าเราสามารถขับได้สูงสุด 500mA แต่ฉันตัดสินใจขับมันด้วยกำลังเพียงครึ่งเดียว (≈250mA) เหตุผลก็คือเรามีฮีทซิงค์ขนาดเล็ก ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือแผ่นอะลูมิเนียมที่ติดไว้ ถ้าเราขับ LED ที่ 250mA แรงดันไปข้างหน้าของ LED คือ 3.72V ตามความต้านทานที่เราตัดสินใจวางบนสาขาของวงจรนั้นเราได้รับกระแส

5V - 3.72V = 1.28V คือศักย์ไฟฟ้าที่เรามีบนตัวต้านทาน

กฎของโอห์ม R = V/I = 1.28/0.25 = 6.4ohm

ฉันจะใช้มูลค่าทางการค้าของความต้านทาน 5ohm

กำลังของตัวต้านทาน = R I^2 = 0.31W (จริง ๆ แล้วฉันใช้ตัวต้านทาน 1W ฉันเหลือระยะขอบไว้บ้างเพราะ LED สามารถทำให้พื้นที่ร้อนขึ้นได้เล็กน้อย)

พัดลม

แรงดันไฟที่แนะนำของพัดลมคือกระแสไฟ 5V และ 180mA หากขับเคลื่อนด้วยกำลังนี้ จะสามารถเคลื่อนย้ายอากาศที่อัตราการไหล 12m3/h ฉันสังเกตว่าความเร็วนี้พัดลมมีเสียงดังเกินไป (27dB) ดังนั้นฉันจึงตัดสินใจลดแรงดันไฟและการจ่ายกระแสไฟให้พัดลมลงเล็กน้อย การทำเช่นนี้ฉันใช้ตัวต้านทาน 15 โอห์ม เพื่อให้เข้าใจถึงค่าที่ต้องการ ฉันใช้โพเทนชิออมิเตอร์และเห็นว่าจะมีกระแสไฟฟ้าประมาณครึ่งหนึ่งของกระแส 100mA

กำลังของตัวต้านทาน = RI^2 = 0.15W (ฉันใช้ตัวต้านทาน 0.5W ที่นี่)

ดังนั้นอัตราการไหลสุดท้ายที่แท้จริงของพัดลมจึงได้ผลลัพธ์ 7.13 ลบ.ม./ชม.

ขั้นตอนที่ 5: ประสานและประกอบ

ฉันใช้สายเคเบิลเส้นเล็กเพื่อรวม LED เข้าด้วยกัน และทำให้ทั้งวงจรและบัดกรีทุกอย่างให้เป็นระเบียบมากที่สุด คุณจะเห็นว่าตัวต้านทานได้รับการป้องกันภายในท่อหดด้วยความร้อน โปรดทราบว่าคุณต้องประสานขั้วบวกและขั้วลบของ LED เข้ากับขั้วที่ถูกต้อง ขั้วบวกไปที่ปลายตัวต้านทานหนึ่งตัวและขั้วลบไปที่ GND (-5V ในกรณีของเรา) บน LED จะมีเครื่องหมายขั้วบวก ค้นหาตำแหน่งของมันเพื่อค้นหาในแผ่นข้อมูล LED ไฟ LED ติดอยู่ที่ฮีทซิงค์ด้วยเทปกาวสองหน้าด้านความร้อน

ฉันเคยใช้คอนเน็กเตอร์ DC (ตัวโปร่งใส) เพื่อเอาบล็อกทั้งหมดที่แสดงในภาพแรกออกอย่างง่ายดาย (ฮีทซิงค์ ไฟ LED และพัดลม) อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบนี้สามารถหลีกเลี่ยงได้

ขั้วต่อแหล่งจ่ายไฟหลัก 5/2.1 EU DC สีดำติดกาวในรูที่ฉันเจาะด้วยตนเอง

รูด้านข้างที่ฉันทำในฝาปิดเพื่อยึดฝาปิดด้วยสกรูเข้ากับเคสก็ถูกเจาะด้วยตนเองเช่นกัน

การบัดกรีในพื้นที่เล็กๆ นั้นค่อนข้างท้าทาย ฉันหวังว่าคุณจะสนุกกับการโอบกอดมัน

ขั้นตอนที่ 6: อุปกรณ์เสร็จสมบูรณ์

ยินดีด้วย! เพียงแค่เสียบปลั๊กและเริ่มฟอกอากาศ

อัตราการไหลของอากาศ 7.13 ลบ.ม./ชม. ดังนั้นควรทำให้ห้องขนาด 3x3x3 ม.บริสุทธิ์ภายในเวลาประมาณ 4 ชม.

เมื่อเปิดเครื่องกรองอากาศ ฉันสังเกตเห็นว่ามีกลิ่นที่ชวนให้นึกถึงโอโซน

ฉันหวังว่าคุณจะชอบคำแนะนำนี้และหากคุณอยากรู้อยากเห็นมากขึ้นมีส่วนเพิ่มเติมเกี่ยวกับการทดลองที่ฉันทำ

หากคุณไม่เต็มใจที่จะสร้างเครื่องฟอกอากาศของคุณเอง แต่ต้องการซื้อทันที คุณสามารถซื้อได้ใน Etsy ฉันทำคู่ดังนั้นอย่าลังเลที่จะเยี่ยมชมเพจ

ลาก่อนและดูแล

เปียโตร

ขั้นตอนที่ 7: การทดลอง: ความพยายามในการทำให้รองเท้ามีกลิ่นเหม็น

ในส่วนพิเศษนี้ ฉันต้องการแสดงการทดลองตลกเล็กน้อยที่ฉันทำกับเครื่องฟอกอากาศ

ตอนแรกฉันใส่รองเท้าที่มีกลิ่นเหม็นมาก - ฉันรับรองกับคุณว่ามีกลิ่นเหม็นมาก - ในกระบอกสูบอะคริลิกสุญญากาศที่มีปริมาตร 0.0063 m3 สิ่งที่ควรทำรองเท้าที่มีกลิ่นเหม็นคือโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ประกอบด้วยกำมะถันและคาร์บอน รวมทั้งของเสียและแบคทีเรียที่มาจากเท้าที่สวมรองเท้านั้น สิ่งที่ฉันคาดหวังเมื่อเปิดเครื่องกรองอากาศคือ VOC ที่จะลดและ CO2 จะเพิ่มขึ้น

ฉันทิ้งรองเท้าไว้ในกระบอกสูบเป็นเวลา 30 นาทีเพื่อให้ "สมดุลกลิ่นเหม็น" ภายในคอนเทนเนอร์ และผ่านเซ็นเซอร์ ฉันสังเกตเห็นการเพิ่มขึ้นอย่างมากของ CO2 (+333%) และ VOC (+120%)

ในนาทีที่ 30 ฉันวางเครื่องฟอกอากาศไว้ในกระบอกสูบและเปิดเครื่องเป็นเวลา 5 นาที ฉันสังเกตเห็นการเพิ่มขึ้นของ CO2 (+40%) และ VOC (+38%)

ฉันถอดรองเท้าที่มีกลิ่นเหม็นและเปิดเครื่องฟอกอากาศทิ้งไว้ 9 นาที และ CO2 และ VOC ยังคงเพิ่มขึ้นอย่างมาก

จากการทดลองนี้ มีบางอย่างเกิดขึ้นภายในกระบอกสูบนั้น ถ้า VOC และแบคทีเรียถูกทำลายโดยกระบวนการทำให้เป็นแร่ ทฤษฎีบอกเราว่า CO2 และ H2O ก่อตัวขึ้น ดังนั้นใครๆ ก็บอกได้ว่ามันทำงานเพราะการทดลองแสดงให้เห็นว่า CO2 ยังคงก่อตัวขึ้นเรื่อยๆ แต่ทำไม VOC ยังเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ด้วย? สาเหตุอาจเป็นเพราะฉันใช้เซ็นเซอร์ผิด เซ็นเซอร์ที่ฉันใช้คือเซ็นเซอร์ที่แสดงอยู่ในภาพ และจากสิ่งที่ฉันเข้าใจ มันประเมิน CO2 ตามเปอร์เซ็นต์ของ VOC โดยใช้อัลกอริธึมภายในบางตัวและยังเข้าถึงความอิ่มตัวของ VOC ได้อย่างง่ายดาย อัลกอริธึมที่พัฒนาและรวมเข้ากับโมดูลเซ็นเซอร์จะตีความข้อมูลดิบเช่น ค่าความต้านทานสารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์ ในค่าเทียบเท่า CO2 โดยทำการทดสอบเปรียบเทียบกับเซ็นเซอร์ก๊าซ NDIR CO2 และค่า VOC ทั้งหมดตามการทดสอบเปรียบเทียบกับเครื่องมือ FID ฉันคิดว่าฉันไม่ได้ใช้อุปกรณ์ที่ซับซ้อนและแม่นยำเพียงพอ

อย่างไรก็ตาม การลองทดสอบระบบด้วยวิธีนี้เป็นเรื่องตลก

รางวัลที่หนึ่งในการท้าทายการทำความสะอาดฤดูใบไม้ผลิ