Titanyum Dioksit ve UV Hava Temizleyici: 7 Adım (Resimlerle)

2025 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2025-01-13 06:58

Merhaba Instructable topluluğu, Umarım şu anda yaşadığımız acil durumlarda hepiniz iyisinizdir.

Bugün size uygulamalı bir araştırma projesi getiriyorum. Bu Eğitilebilir Kitapta size TiO2 (Titanyum Dioksit) fotokatalik filtre ve UVA LED'ler ile çalışan bir hava temizleyicinin nasıl oluşturulacağını öğreteceğim. Size kendi arıtıcınızı nasıl yapacağınızı anlatacağım ve ayrıca bir deney göstereceğim. Bilimsel literatüre göre bu filtrenin kötü kokuları ortadan kaldırması ve içinden geçen havadaki koronavirüs ailesi de dahil olmak üzere bakteri ve virüsleri öldürmesi gerekiyor.

Bu araştırma makalesinde, bu teknolojinin bakteri, mantar ve virüsleri öldürmek için nasıl etkili bir şekilde kullanılabileceğini görebilirsiniz; aslında 2004 yılındaki Fotokatalitik Titanyum Apatit Filtrenin SARS Virüsü Üzerindeki İnaktivasyon Etkisi başlıklı bir araştırmadan alıntı yapıyorlar.

Bu projeyi paylaşmak istiyorum çünkü ciddi bir sorunu çözmeye çalıştığı ve multidisipliner olması nedeniyle özellikle ilginç olabileceğini düşünüyorum: kimya, elektronik ve mekanik tasarım kavramlarını bir araya getiriyor.

Adımlar:

1. TiO2 ve UV ışığı ile fotokataliz

2. Malzemeler

3. Hava temizleyicinin 3D Tasarımı

4. Elektronik devre

5. Lehimleyin ve birleştirin

6. Cihaz tamamlandı

7. Kokmuş ayakkabı temizleme çabası

Adım 1: TiO2 ve UV Işığı ile Fotokataliz

Bu bölümde reaksiyonun arkasındaki teoriyi açıklayacağım.

Yukarıdaki resimde her şey grafiksel olarak özetlenmiştir. Aşağıda görseli anlatacağım.

Temel olarak, yeterli enerjiye sahip foton, bir elektronun döndüğü yörüngede TiO2 molekülüne ulaşır. Foton elektrona sert bir şekilde çarpar ve değerlik bandından iletim bandına atlamasını sağlar, bu sıçrama TiO2 bir yarı iletken olduğundan ve fotonun yeterli enerjiye sahip olmasından dolayı mümkündür. Fotonun enerjisi, dalga boyuna göre şu formüle göre belirlenir:

E = hc/λ

h Plank Sabiti, c ışık hızı ve λ fotonun dalga boyudur, bizim durumumuzda 365nm'dir. Bu güzel çevrimiçi hesap makinesini kullanarak enerjiyi hesaplayabilirsiniz. Bizim durumumuzda E=3, 397 eV.

Elektron uzaklaştığında, bir serbest elektron ve bir zamanlar olduğu yerde serbest bir delik vardır:

elektron e

delik h+

Ve bu ikisine de, havanın parçaları olan diğer bazı moleküller çarpar:

su buharının H2O molekülü

OH-Hidroksit

O2 oksijen molekülü

Birkaç redoks reaksiyonu meydana gelir (bu videoda onlar hakkında daha fazla bilgi edinin).

Oksidasyon:

Su buharı artı bir delik, hidroksil radikali artı hidratlı hidrojen iyonu verir: H2O + h+ → *OH + H+(aq)

Hidroksit artı bir delik hidroksil radikali verir: OH- + h+ → *OH

Kesinti:

oksijen molekülü artı bir elektron süperoksit anyonu verir: O2 + e- → O2-

Oluşan bu iki yeni şey (hidroksil radikali ve süperoksit anyonu) serbest radikallerdir. Serbest radikal, tek bir eşleşmemiş elektrona sahip bir atom, molekül veya iyonlardır, bu çok komik Crush Course videosunda söylendiği gibi çılgınca kararsızdır.

Serbest radikaller, kimyada meydana gelen birçok zincirleme reaksiyondan, örneğin monomerler bir polimer oluşturmak için birbirine bağlandığında veya başka bir deyişle, daha genel olarak plastik dediğimiz şeyi yapmak için gerçekleşen polimerizasyondan ana sorumludur (ama bu başka bir hikaye).).

O2- büyük kötü koku moleküllerine ve bakterilere çarparak karbon bağlarını kırarak CO2 (karbondioksit) oluşturur.

*OH, büyük kötü koku moleküllerine ve bakterilere çarparak hidrojen bağlarını kırarak H2O (su buharı) oluşturur.

Serbest radikalin karbon bileşiklerine veya organizmalara birleşimine mineralizasyon denir ve öldürme tam olarak burada gerçekleşir.

Daha fazla bilgi için girişte alıntıladığım bilimsel makalelerin PDF'lerini ekledim.

2. Adım: Sarf Malzemeleri

Bu projeyi yapmak için ihtiyacınız olacak:

- 3D baskılı kasa

- 3D baskılı kapak

- lazer kesim anodize alüminyum 2 mm kalınlığında

- serigraf (isteğe bağlı, sonunda kullanmadım)

- 5 adet yüksek güçlü UV LED 365nm

- 3535 ayak izine sahip PCB yıldızları veya zaten bir yıldıza monte edilmiş LED'ler

- termal çift taraflı yapışkan bant

- TiO2 Fotokatalist Filtresi

- Güç kaynağı 20W 5V

- AB konektörü 5/2.1 mm

- Fan 40x10mm

- termal çığlık atan tüpler

- havşa başlı M3 cıvata ve somunlar

- 5 1W 5ohm direnç

- 1 0,5W 15ohm direnç

- küçük teller

Bazı şeyleri satın almak için bağlantılar ekledim ama satıcılarla herhangi bir ortaklık programı yürütmüyorum. Bağlantıları koydum çünkü birisi hava temizleyiciyi bu şekilde kopyalamak isterse, sarf malzemeleri ve maliyetler hakkında fikir sahibi olabilir.

Adım 3: Hava Temizleyicinin 3D Tasarımı

Derleme dosyasının tamamını elde içinde.x_b biçiminde bulabilirsiniz.

Kasayı 3D baskı için optimize etmem gerektiğini fark edebilirsiniz. Duvarları daha kalın yaptım ve tabandaki açıyı düzeltmemeye karar verdim.

Soğutucu lazerle kesilmiş ve frezelenmiştir. 2 mm eloksallı alüminyum (KIRMIZI BÖLGE) üzerinde daha iyi bükülmeye olanak sağlayan 1 mm alçaltma vardır. Büküm pense ve mengene ile elle yapılmıştır.

Bir arkadaşım, kasanın ön yüzündeki desenin Leeloo'nun The Fifth Element filminde giydiği dövmeye benzediğini fark etmemi sağladı. Komik tesadüf!

Adım 4: Elektronik Devre

Elektronik devre çok kolay. 5V'luk sabit voltajlı bir güç kaynağımız var ve paralel olarak 5 LED ve bir fan yerleştireceğiz. Bir grup direnç ve bazı matematik hesaplamaları ile LED'lere ve fana ne kadar akım besleyeceğimize karar veriyoruz.

LED'LER

LED veri sayfasına baktığımızda, onları maksimum 500mA'ya kadar sürebileceğimizi görüyoruz, ancak onları yarı güçte (≈250mA) sürmeye karar verdim. Bunun nedeni, temelde bağlı oldukları alüminyum levha olan küçük bir soğutucuya sahip olmamızdır. LED'i 250mA'da sürersek, LED'in ileri voltajı 3.72V'dir. Devrenin o koluna koymaya karar verdiğimiz dirence göre akımı elde ederiz.

5V - 3.72V = 1.28V, direnç üzerinde sahip olduğumuz voltaj potansiyelidir.

Ohm yasası R = V/I = 1.28/0.25 = 6.4ohm

5ohm'luk direncin ticari değerini kullanacağım

Direncin gücü = R I^2 = 0.31W (Aslında 1W dirençler kullandım, LED alanı biraz ısıtabileceği için biraz boşluk bıraktım).

FAN

Fan tarafından önerilen voltaj 5V ve 180mA akımdır, bu güçle çalıştırılırsa 12m3/h debide havayı hareket ettirebilir. Bu hızda giderken fanın çok gürültülü (27dB) olduğunu fark ettim, bu yüzden fanın voltaj beslemesini ve akım beslemesini biraz düşürmeye karar verdim, bunu yapmak için 15ohm'luk bir direnç kullandım. Gerekli değeri anlamak için bir potansiyometre kullandım ve akımın yaklaşık yarısına, 100mA'ya ne zaman sahip olacağımı gördüm.

Direnç gücü = R I^2 = 0.15W (burada 0,5W direnç kullandım)

Böylece fanın gerçek nihai debisi 7,13 m3/sa olarak sonuçlanır.

Adım 5: Lehimleyin ve Birleştirin

LED'leri birleştirmek ve tüm devreyi yapmak için ince kablolar kullandım ve her şeyi olabildiğince organize bir şekilde lehimledim. Dirençlerin ısıyla daralan makaron içinde korunduğunu görebilirsiniz. LED'lerin anodu ve şatosunu doğru kutuplara lehimlemeniz gerektiğini unutmayın. Anotlar bir direnç ucuna gider ve katotlar GND'ye gider (bizim durumumuzda -5V). LED üzerinde bir anot işareti var, LED veri sayfasından anot işaretinin yerini bulun. LED'ler, termal çift taraflı yapışkan bantla soğutucuya yapıştırılır.

Aslında ilk resimde gösterilen tüm bloğu (soğutucu, LED'ler ve fan) kolayca çıkarmak için bir DC konektörü (şeffaf olan) kullandım, ancak bu öğeden kaçınılabilir.

Siyah 5/2.1 EU DC ana güç kaynağı konektörü, elle açtığım bir deliğe yapıştırılmış.

Kapağı vidalarla kasaya sabitlemek için kapakta açtığım yan delikler de manuel olarak açılmıştı.

Bu küçük alanda tüm lehimlemeyi yapmak biraz zordu. Umarım onu kucaklamaktan zevk alırsınız.

Adım 6: Cihaz Tamamlandı

Tebrikler! Sadece fişe takın ve havayı temizlemeye başlayın.

Hava debisi 7.13 m3/h olduğundan 3x3x3m'lik bir oda yaklaşık 4 saatte temizlenmelidir.

Arıtıcı açıkken, içinden bana ozonu hatırlatan bir koku geldiğini fark ettim.

Umarım bu Eğitilebilir Tabloyu beğenmişsinizdir ve daha da meraklıysanız, yaptığım bir deney hakkında fazladan bir bölüm var.

Kendi hava temizleyicinizi yapmaya istekli değilseniz, ancak hemen almak istiyorsanız, Etsy'den satın alabilirsiniz. Bir çift yaptım, bu yüzden sayfayı ziyaret etmekten çekinmeyin.

Hoşçakal ve kendine iyi bak, Pietro

7. Adım: Deney: Kokmuş Ayakkabı Arıtma Çabası

Bu ekstra bölümde, arıtıcıyla yaptığım biraz komik bir deneyi göstermek istiyorum.

Başlangıçta çok kötü kokan bir ayakkabıyı 0,0063 m3 hacimli hermetik akrilik silindirin içine koydum. Kükürt ve karbon içeren büyük moleküller ve aynı zamanda o ayakkabıyı giyen ayaktan gelen biyolojik atıklar ve bakteriler bu ayakkabıyı kokan şey olmalıdır. Arıtıcıyı açtığımda görmeyi beklediğim VOC'nin azalması ve CO2'nin artmasıydı.

Kutunun içindeki "koku dengesine" ulaşmak için ayakkabıyı orada 30 dakika silindirde bıraktım. Ve bir sensör aracılığıyla CO2 (+%333) ve VOC'de (+120%) büyük bir artış fark ettim.

30. dakikada hava temizleyiciyi silindirin içine yerleştirdim ve 5 dakika çalıştırdım. CO2 (+40%) ve VOC'de (+38%) daha fazla artış fark ettim.

Kokmuş ayakkabıyı çıkardım ve arıtıcıyı 9 dakika açık bıraktım ve CO2 ve VOC çarpıcı biçimde artmaya devam ediyordu.

Yani bu deneye göre o silindirin içinde bir şeyler oluyordu. VOC ve bakteriler mineralizasyon süreci boyunca yok ediliyorsa, teori bize CO2 ve H2O'nun oluştuğunu söyler, bu yüzden işe yaradığı söylenebilir çünkü deney CO2'nin oluşmaya devam ettiğini gösteriyor, ama neden VOC artmaya devam ediyor? Bunun nedeni yanlış sensör kullanmam olabilir. Kullandığım sensör resimde gösterilen ve anladığım kadarıyla bazı dahili algoritmalar kullanarak VOC yüzdesine göre CO2'yi tahmin ediyor ve ayrıca VOC doygunluğuna kolayca ulaşıyor. Geliştirilen ve sensör modülüne entegre edilen algoritma, ham verileri yorumladı, örn. metal oksit yarı iletken direnç değeri, CO2 eşdeğer değerinde NDIR CO2 gaz sensörü ile karşılaştırma testi yaparak ve FID cihazı ile karşılaştırma testine dayalı Toplam VOC değeri. Ekipmanı yeterince sofistike ve doğru kullanmadığımı düşünüyorum.

Her neyse, sistemi bu şekilde test etmeye çalışmak komikti.

Bahar Temizliği Yarışmasında Birincilik Ödülü