Titanium Dioxide dan UV Air Purifier: 7 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:54

Halo komunitas Instructable, Saya harap Anda semua baik-baik saja dalam keadaan darurat yang kita jalani saat ini.

Hari ini saya membawa kepada Anda sebuah proyek penelitian terapan. Dalam Instruksi ini saya akan mengajari Anda cara membuat pembersih udara yang bekerja dengan filter fotokatalis TiO2 (Titanium Dioksida) dan LED UVA. Saya akan memberi tahu Anda cara membuat pembersih sendiri dan saya juga akan menunjukkan percobaan. Menurut literatur ilmiah filter ini harus menghilangkan bau tak sedap dan membunuh bakteri dan virus di udara yang melewatinya, termasuk keluarga coronavirus.

Dalam makalah penelitian ini Anda dapat melihat bagaimana teknologi ini dapat digunakan secara efektif untuk membunuh bakteri, jamur dan virus; mereka sebenarnya mengutip sebuah penelitian tahun 2004 berjudul The Inactivation Effect of Photocatalytic Titanium Apatite Filter on SARS Virus, di mana para peneliti menyatakan bahwa 99,99% virus sindrom pernafasan akut parah terbunuh.

Saya ingin berbagi proyek ini karena saya percaya ini bisa menjadi proyek yang sangat menarik karena mencoba memecahkan masalah serius dan karena multidisiplin: menyatukan gagasan kimia, elektronik, dan desain mekanik.

Langkah langkah:

1. Fotokatalisis dengan TiO2 dan sinar UV

2. Perlengkapan

3. Desain 3D pembersih udara

4. Sirkuit elektronik

5. Solder dan rakit

6. Perangkat selesai

7. Upaya pemurnian sepatu bau

Langkah 1: Fotokatalisis Dengan TiO2 dan Sinar UV

Pada bagian ini saya akan menjelaskan teori di balik reaksi.

Semuanya dirangkum secara grafis pada gambar di atas. Di bawah ini saya akan menjelaskan gambarnya.

Pada dasarnya, foton dengan energi yang cukup tiba di molekul TiO2 di orbit tempat elektron berputar. Foton menabrak elektron dengan keras dan membuatnya melompat dari pita valensi ke pita konduksi, lompatan ini dimungkinkan karena TiO2 adalah semikonduktor dan karena foton memiliki energi yang cukup. Energi foton ditentukan oleh panjang gelombangnya menurut rumus ini:

E = hc/λ

di mana h adalah Konstanta Papan, c adalah kecepatan cahaya dan adalah panjang gelombang foton, yang dalam kasus kami adalah 365nm. Anda dapat menghitung energi menggunakan kalkulator online yang bagus ini. Saya kasus kami itu adalah E=3, 397 eV.

Setelah elektron melompat, ada elektron bebas dan lubang bebas di tempat sebelumnya:

elektron e-

lubang h+

Dan keduanya pada gilirannya terkena beberapa molekul lain yang merupakan bagian dari udara yaitu:

Molekul H2O uap air

OH- Hidroksida

molekul oksigen O2

Beberapa reaksi redoks terjadi (pelajari lebih lanjut di video ini).

Oksidasi:

Uap air ditambah lubang memberikan radikal hidroksil ditambah ion hidrogen terhidrasi: H2O + h+ → *OH + H+(aq)

Hidroksida ditambah lubang menghasilkan radikal hidroksil: OH- + h+ → *OH

Pengurangan:

molekul oksigen ditambah elektron memberikan anion superoksida: O2 + e- → O2-

Dua hal baru yang terbentuk ini (radikal hidroksil dan anion superoksida) adalah radikal bebas. Radikal bebas adalah atom, molekul atau ion dengan satu elektron tidak berpasangan, ini gila tidak stabil seperti yang dikatakan dalam video Crush Course yang sangat lucu ini.

Radikal bebas adalah penyebab utama banyak reaksi berantai yang terjadi dalam kimia, misalnya polimerisasi, yang terjadi ketika monomer bergabung satu sama lain untuk membentuk polimer, atau dengan kata lain untuk membuat apa yang lebih luas kita sebut plastik (tapi itu cerita lain).

O2- mengenai molekul dan bakteri bau tak sedap yang besar dan memutuskan ikatan karbonnya membentuk CO2 (karbon dioksida)

*OH mengenai molekul dan bakteri bau tak sedap yang besar dan memutuskan ikatan hidrogennya membentuk H2O (uap air)

Penyatuan radikal bebas dengan senyawa karbon atau organisme disebut mineralisasi dan di sinilah tepatnya pembunuhan terjadi.

Untuk informasi lebih lanjut saya lampirkan PDF karya ilmiah yang saya kutip di intro.

Langkah 2: Persediaan

Untuk membuat proyek ini, Anda memerlukan:

- Kasing cetak 3D

- Tutup cetak 3D

- potong laser aluminium anodized setebal 2mm

- sablon (opsional, akhirnya saya tidak pakai)

- 5 buah LED UV berdaya tinggi 365nm

- Bintang PCB dengan jejak kaki 3535 atau LED sudah terpasang pada bintang

- pita perekat dua sisi termal

- Filter Fotokatalis TiO2

- Catu daya 20W 5V

- Konektor UE 5/2.1mm

- Kipas angin 40x10mm

- tabung menjerit termal

- baut dan mur kepala countersunk M3

- 5 resistor 1W 5ohm

- 1 0.5W 15ohm resistor

- kabel kecil

Saya telah menambahkan tautan untuk membeli beberapa barang tetapi saya tidak menjalankan program afiliasi apa pun dengan vendor. Saya memasang tautan hanya karena jika seseorang ingin mereplikasi pembersih udara dengan cara ini dapat memiliki gagasan tentang persediaan dan biaya.

Langkah 3: Desain 3D Air Purifier

Anda dapat menemukan seluruh file assembly dalam format.x_b di reach.

Anda mungkin memperhatikan bahwa saya harus mengoptimalkan kasing untuk pencetakan 3D. Saya membuat dinding lebih tebal dan saya memutuskan untuk tidak menghaluskan sudut di dasarnya.

Heatsink dipotong dengan laser dan digiling. Ada penurunan 1 mm pada aluminium anodized 2 mm (ZONA MERAH) yang memungkinkan pembengkokan lebih baik. Pembengkokan dilakukan secara manual dengan tang dan catok.

Seorang teman saya membuat saya memperhatikan bahwa pola di bagian depan kasingnya mirip dengan tato yang dikenakan Leeloo di film The Fifth Element. Kebetulan yang lucu!

Langkah 4: Sirkuit Elektronik

Rangkaian elektroniknya sangat mudah. Kami memiliki catu daya tegangan konstan 5V dan secara paralel kami akan menempatkan 5 LED dan kipas. Melalui sekelompok resistor dan dengan beberapa perhitungan matematika, kami memutuskan berapa banyak arus yang akan kami masukkan ke LED dan kipas.

LED

Melihat lembar data LED, kami melihat bahwa kami dapat mendorongnya hingga maksimum 500mA, tetapi saya memutuskan untuk mengendarainya dengan daya setengah (≈250mA). Alasannya adalah karena kami memiliki heatsink kecil, yang pada dasarnya adalah pelat aluminium tempat mereka dipasang. Jika kita menggerakkan LED pada 250mA, tegangan maju LED adalah 3,72V. Menurut hambatan yang kita putuskan untuk dipasang pada cabang rangkaian itu, kita memperoleh arus.

5V - 3.72V = 1.28V adalah potensial tegangan yang kita miliki pada resistor

Hukum Ohm R = V/I = 1,28/0,25 = 6,4ohm

Saya akan menggunakan nilai komersial resistansi 5ohm

Kekuatan resistor = R I^2 = 0.31W (Saya sebenarnya menggunakan resistor 1W, saya meninggalkan sedikit margin karena LED dapat memanaskan area tersebut).

PENGGEMAR

Tegangan yang disarankan kipas adalah 5V dan arus 180mA, jika digerakkan dengan daya ini dapat menggerakkan udara dengan laju aliran 12m3/jam. Saya perhatikan bahwa pada kecepatan ini kipas terlalu berisik (27dB), jadi saya memutuskan untuk menurunkan sedikit suplai tegangan dan suplai arus ke kipas, untuk melakukannya saya menggunakan resistor 15ohm. Untuk memahami nilai yang dibutuhkan saya menggunakan potensiometer dan saya melihat ketika saya akan memiliki sekitar setengah dari arus, 100mA.

Daya resistor = R I^2 = 0,15W (Saya menggunakan resistor 0,5W di sini)

Jadi laju aliran akhir aktual kipas menghasilkan 7,13 m3/jam.

Langkah 5: Solder dan Merakit

Saya telah menggunakan kabel tipis untuk menyatukan LED dan membuat seluruh rangkaian dan menyolder semuanya seorganisasi mungkin. Anda dapat melihat bahwa resistor dilindungi di dalam tabung panas menyusut. Ketahuilah bahwa Anda harus menyolder anoda dan katoda LED ke kutub yang tepat. Anoda menuju ke satu ujung resistor dan katoda menuju ke GND (-5V dalam kasus kami). Pada LED ada tanda anoda, cari lokasinya cari di datasheet LED. LED terpasang ke heatsink dengan pita perekat dua sisi termal.

Saya sebenarnya telah menggunakan konektor DC (yang transparan) untuk dengan mudah menghapus seluruh blok yang ditunjukkan pada gambar pertama (heatsink, LED dan kipas), namun elemen ini dapat dihindari.

Konektor catu daya utama DC 5/2.1 EU DC hitam telah direkatkan di lubang yang saya bor secara manual.

Lubang samping yang saya buat di tutup untuk memperbaiki tutup dengan sekrup ke kasing juga dibor secara manual.

Membuat semua penyolderan di ruang kecil itu sedikit sulit. Saya harap Anda akan menikmati memeluknya.

Langkah 6: Perangkat Selesai

Selamat! Cukup colokkan dan mulailah memurnikan udara.

Laju aliran udara adalah 7,13 m3/jam sehingga ruangan berukuran 3x3x3m harus dimurnikan dalam waktu sekitar 4 jam.

Ketika pembersih menyala, saya perhatikan bahwa dari situ keluar bau yang mengingatkan saya pada ozon.

Saya harap Anda menyukai Instructable ini dan jika Anda lebih penasaran, ada bagian tambahan tentang eksperimen yang saya buat.

Jika Anda tidak ingin membuat pembersih udara sendiri tetapi Anda ingin segera mendapatkannya, Anda dapat membelinya di Etsy. Saya membuat pasangan jadi jangan ragu untuk mengunjungi halaman tersebut.

Sampai jumpa dan berhati-hatilah, Pietro

Langkah 7: Eksperimen: Upaya Pemurnian Sepatu Bau

Di bagian tambahan ini saya ingin menunjukkan sedikit eksperimen lucu yang saya lakukan dengan pembersih.

Awalnya saya menaruh sepatu yang sangat bau - saya jamin baunya tidak enak - dalam silinder akrilik kedap udara dengan volume 0,0063 m3. Yang membuat sepatu itu bau adalah molekul besar yang mengandung belerang dan karbon serta bioeffluent dan bakteri yang berasal dari kaki yang memakai sepatu itu. Apa yang saya harapkan untuk dilihat ketika saya menyalakan pemurni adalah VOC berkurang dan CO2 meningkat.

Saya meninggalkan sepatu di dalam silinder selama 30 menit untuk mencapai "keseimbangan bau" di dalam wadah. Dan melalui sensor saya melihat peningkatan besar dalam CO2 (+333%) dan VOC (+120%).

Pada menit ke 30 saya menempatkan di dalam silinder pembersih udara dan saya menyalakannya selama 5 menit. Saya melihat peningkatan lebih lanjut dalam CO2 (+40%) dan VOC (+38%).

Saya melepas sepatu bau dan membiarkan pemurni dihidupkan selama 9 menit dan CO2 dan VOC terus meningkat secara dramatis.

Jadi menurut percobaan ini sesuatu terjadi di dalam silinder itu. Jika VOC dan bakteri dimusnahkan melalui proses mineralisasi teori mengatakan bahwa CO2 dan H2O terbentuk, jadi bisa dikatakan bekerja karena percobaan menunjukkan bahwa CO2 terus terbentuk, tetapi mengapa VOC juga terus meningkat? Alasannya mungkin karena saya menggunakan sensor yang salah. Sensor yang saya gunakan adalah yang ditunjukkan pada gambar dan dari apa yang saya pahami, itu memperkirakan CO2 sesuai dengan persentase VOC menggunakan beberapa algoritma internal dan juga mencapai saturasi VOC dengan mudah. Algoritme, yang dikembangkan dan diintegrasikan ke dalam modul sensor, menginterpretasikan data mentah, mis. nilai resistansi semikonduktor oksida logam, pada nilai ekivalen CO2 dengan melakukan uji perbandingan terhadap sensor gas NDIR CO2 dan nilai Total VOC berdasarkan uji perbandingan dengan instrumen FID. Saya pikir saya tidak menggunakan peralatan yang cukup canggih dan akurat.

Pokoknya lucu mencoba menguji sistem dengan cara ini.

Hadiah Pertama dalam Tantangan Pembersihan Musim Semi