ტიტანის დიოქსიდი და ულტრაიისფერი ჰაერის გამწმენდი: 7 ნაბიჯი (სურათებით)

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:16

გამარჯობა Instructable საზოგადოება, ვიმედოვნებ, რომ თქვენ ყველანი კარგად ხართ იმ საგანგებო სიტუაციებში, რომელშიც ჩვენ ვცხოვრობთ.

დღეს მე შემოგთავაზებთ გამოყენებითი კვლევის პროექტს. ამ ინსტრუქციაში მე გასწავლით თუ როგორ უნდა ავაშენოთ ჰაერის გამწმენდი TiO2 (ტიტანის დიოქსიდის) ფოტოკატალიკის ფილტრით და UVA LED- ებით. მე გეტყვით როგორ გააკეთოთ საკუთარი გამწმენდი და ასევე გაჩვენებთ ექსპერიმენტს. სამეცნიერო ლიტერატურის თანახმად, ამ ფილტრმა უნდა ამოიღოს ცუდი სუნი და მოკლას ბაქტერიები და ვირუსები ჰაერში, რომელიც გადის მასში, მათ შორის კორონავირუსების ოჯახში.

ამ სამეცნიერო ნაშრომში შეგიძლიათ ნახოთ როგორ შეიძლება ეს ტექნოლოგია ეფექტურად იქნას გამოყენებული ბაქტერიების, სოკოების და ვირუსების მოსაკლავად; ისინი ფაქტიურად ციტირებენ 2004 წლის კვლევას სახელწოდებით Photocatalytic Titanium Apatite ფილტრის ინაქტივაციის ეფექტი SARS ვირუსზე, რომელშიც მკვლევარები აცხადებენ, რომ მწვავე რესპირატორული სინდრომის ვირუსების 99,99% დაიღუპა.

მინდა გაგიზიაროთ ეს პროექტი, რადგან მე მჯერა, რომ ეს შეიძლება იყოს განსაკუთრებით საინტერესო, რადგან ის ცდილობს გადაჭრას სერიოზული პრობლემა და რადგან მისი მულტიდისციპლინარული: ის აერთიანებს ქიმიის, ელექტრონიკის და მექანიკური დიზაინის ცნებას.

Ნაბიჯები:

1. ფოტოკატალიზი TiO2 და ულტრაიისფერი შუქით

2. მარაგები

3. ჰაერის გამწმენდის 3D დიზაინი

4. ელექტრონული წრე

5. შედუღება და შეკრება

6. მოწყობილობა დასრულებულია

7. სუნიანი ფეხსაცმლის გამწმენდი ძალისხმევა

ნაბიჯი 1: ფოტოკატალიზი TiO2 და ულტრაიისფერი შუქით

ამ ნაწილში მე ავხსნი თეორიას რეაქციის მიღმა.

ყველაფერი გრაფიკულად არის შეჯამებული ზემოთ მოცემულ სურათზე. ქვემოთ აგიხსნით სურათს.

ძირითადად, საკმარისი ენერგიის მქონე ფოტონი ჩადის TiO2 მოლეკულაში ორბიტაზე, სადაც ელექტრონი ტრიალებს. ფოტონი ძლიერად ურტყამს ელექტრონს და აიძულებს მას გადაუხვიოს ვალენტობის ზოლიდან გამტარ ჯგუფში, ეს ნახტომი შესაძლებელია, რადგან TiO2 არის ნახევარგამტარი და რადგან ფოტონს აქვს საკმარისი ენერგია. ფოტონის ენერგია განისაზღვრება მისი ტალღის სიგრძით ამ ფორმულის მიხედვით:

E = hc/λ

სადაც h არის პლანკის მუდმივი, c არის სინათლის სიჩქარე და λ არის ფოტონის ტალღის სიგრძე, რომელიც ჩვენს შემთხვევაში არის 365nm. თქვენ შეგიძლიათ გამოთვალოთ ენერგია ამ ლამაზი ონლაინ კალკულატორის გამოყენებით. ჩვენ შემთხვევაში ეს არის E = 3, 397 eV.

მას შემდეგ, რაც ელექტრონი გადახტება, არის თავისუფალი ელექტრონი და თავისუფალი ხვრელი, სადაც ის ოდესღაც იყო:

ელექტრონი e-

ხვრელი h+

და ეს ორი თავის მხრივ მოხვდა სხვა მოლეკულებით, რომლებიც ჰაერის ნაწილია, რომლებიც არიან:

წყლის ორთქლის H2O მოლეკულა

OH- ჰიდროქსიდი

O2 ჟანგბადის მოლეკულა

ხდება რამოდენიმე რედოქს რეაქცია (შეიტყვეთ მეტი მათ შესახებ ამ ვიდეოში).

დაჟანგვა:

წყლის ორთქლი პლუს ხვრელი იძლევა ჰიდროქსილის რადიკალს დამატებული ჰიდრატირებული წყალბადის იონს: H2O + h + → *OH + H + (aq)

ჰიდროქსიდი პლუს ხვრელი იძლევა ჰიდროქსილის რადიკალს: OH- + h + → *OH

შემცირება:

ჟანგბადის მოლეკულა პლუს ელექტრონს აძლევს სუპოქსიდის ანიონს: O2 + e- → O2-

ეს ორი ახალი რამ (ჰიდროქსილის რადიკალი და სუპოქსიდის ანიონი) არის თავისუფალი რადიკალები. თავისუფალი რადიკალი არის ატომი, მოლეკულა ან იონები ერთი დაუწყვილებელი ელექტრონით, ეს არის გიჟური არასტაბილურობა, როგორც ნათქვამია ამ ძალიან სასაცილო Crush Course ვიდეოში.

თავისუფალი რადიკალები არიან მთავარი პასუხისმგებელი მრავალი ჯაჭვური რეაქციისთვის, რომელიც ხდება ქიმიაში, მაგალითად პოლიმერიზაცია, რომელიც ხდება მაშინ, როდესაც მონომერები ერთმანეთთან შეერთდებიან პოლიმერის შესაქმნელად, ან სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, რასაც ჩვენ უფრო ფართოდ ვეძახით პლასტიკას (მაგრამ ეს სხვა ამბავია).

O2- დარტყმავს უსიამოვნო სუნიან მოლეკულებს და ბაქტერიებს და არღვევს მათ ნახშირბადის ბმულებს და ქმნის CO2 (ნახშირორჟანგი)

*OH ურტყამს უსიამოვნო სუნიან მოლეკულებს და ბაქტერიებს და წყვეტს მათ წყალბადის ობლიგაციებს და ქმნის H2O (წყლის ორთქლი)

ნახშირბადის ნაერთებთან ან ორგანიზმებთან თავისუფალი რადიკალების გაერთიანებას ეწოდება მინერალიზაცია და სწორედ აქ ხდება მკვლელობა.

დამატებითი ინფორმაციისთვის მე დაურთე იმ სამეცნიერო ნაშრომის PDF, რომელიც მე ციტირებული მქონდა შესავალში.

ნაბიჯი 2: მარაგი

ამ პროექტის შესაქმნელად დაგჭირდებათ:

- 3D ბეჭდვის შემთხვევაში

- 3D დაბეჭდილი სახურავი

- ლაზერული მოჭრა ანოდირებული ალუმინის 2 მმ სისქით

აბრეშუმის ეკრანი (სურვილისამებრ, საბოლოოდ მე არ გამომიყენებია)

- 5 ცალი მაღალი სიმძლავრის UV LED 365 ნმ

- PCB ვარსკვლავები 3535 ნაკვალევით ან LED- ებით უკვე დამონტაჟებულია ვარსკვლავზე

- თერმული ორმხრივი წებოვანი ლენტი

- TiO2 Photocatalyst ფილტრი

- კვების წყარო 20W 5V

- ევროკავშირის კონექტორი 5/2.1 მმ

- ვენტილატორი 40x10 მმ

- თერმული შრიალი მილები

- უკანა თავი M3 ჭანჭიკები და თხილი

- 5 1W 5ohm რეზისტორი

- 1 0.5W 15ohm რეზისტორი

- პატარა მავთულები

მე დავამატე ბმულები რაღაცეების შესაძენად, მაგრამ მე არ ვაწარმოებ შვილობილ პროგრამას გამყიდველებთან. ბმულები მხოლოდ იმიტომ დავდე, რომ თუ ვინმეს სურს ჰაერის გამწმენდის გამეორება ამ გზით, შეუძლია წარმოდგენა ჰქონდეს მარაგებსა და ხარჯებზე.

ნაბიჯი 3: ჰაერის გამწმენდის 3D დიზაინი

მიღწევაში შეგიძლიათ ნახოთ მთლიანი ასამბლეის ფაილი.x_b ფორმატში.

თქვენ შეიძლება შეამჩნიოთ, რომ მე მომიწია საქმის ოპტიმიზაცია 3D ბეჭდვისთვის. მე კედლები უფრო სქელი გავხადე და გადავწყვიტე, რომ კუთხე არ დამემსხვრია ბაზაზე.

გამაცხელებელი ლაზერულად არის დაჭრილი და დაფქული. 2 მმ -იანი ანოდირებული ალუმინის (RED ZONE) დასაშვებია 1 მმ -ით, რაც უკეთ მოსახვევის საშუალებას იძლევა. მოსახვევი გაკეთდა ხელით ქლიბით და ვიზით.

ჩემმა მეგობარმა შემატყობინა, რომ შაბლონი ქეისის წინა ნაწილს წააგავს ტატუს, რომელსაც ლილუ ატარებს ფილმში მეხუთე ელემენტი. სასაცილო დამთხვევა!

ნაბიჯი 4: ელექტრონული წრე

ელექტრონული წრე ძალიან მარტივია. ჩვენ გვაქვს მუდმივი ძაბვის 5V და პარალელურად ვაპირებთ 5 LED- ის და ვენტილატორის განთავსებას. რამოდენიმე რეზისტენტებითა და მათემატიკური გათვლებით ჩვენ ვწყვეტთ, თუ რამდენად ჩავწვავთ LED- ებს და ვენტილატორს.

LED- ები

LED მონაცემების ფურცლის დათვალიერებისას ჩვენ ვხედავთ, რომ ჩვენ შეგვიძლია მათი მართვა მაქსიმუმ 500mA– მდე, მაგრამ მე გადავწყვიტე მათი მართვა ნახევარი სიმძლავრით (50250mA). მიზეზი ის არის, რომ ჩვენ გვაქვს პატარა გამაცხელებელი, რომელიც ძირითადად ალუმინის ფირფიტაა, რომელზეც ისინი მიმაგრებულია. თუ ჩვენ ვმართავთ LED- ს 250mA- ზე, LED- ის წინა ძაბვა არის 3.72V. წინააღმდეგობის მიხედვით, რომელსაც ჩვენ გადავწყვეტთ წრის იმ განშტოებაზე მივიღებთ დენს.

5V - 3.72V = 1.28V არის ძაბვის პოტენციალი, რომელიც გვაქვს რეზისტორზე

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

მე გამოვიყენებ 5 ოჰმის წინააღმდეგობის კომერციულ მნიშვნელობას

რეზისტორის სიმძლავრე = R I^2 = 0.31W (მე რეალურად გამოვიყენე 1W რეზისტორები, დავტოვე ზღვარი, რადგან LED- ს შეუძლია საკმაოდ გაათბოს ტერიტორია).

ფანი

გულშემატკივართა ვარაუდი არის 5V და 180mA დენი, თუ ამ სიმძლავრით ამოძრავებს მას შეუძლია ჰაერის გადატანა 12 მ 3/სთ სიჩქარით. მე შევამჩნიე, რომ ამ სიჩქარით მიდიოდა ვენტილატორი ძალიან ხმაურიანი (27 დბ), ამიტომ გადავწყვიტე ოდნავ შევამცირო ძაბვის მიწოდება და ვენტილატორის დენის მიწოდება, ამისათვის გამოვიყენე 15 ოჰმეტიანი რეზისტორი. საჭირო მნიშვნელობის გასაგებად გამოვიყენე პოტენომეტრი და ვნახე როდის მექნება დენის დაახლოებით ნახევარი, 100mA.

რეზისტორის სიმძლავრე = R I^2 = 0.15W (აქ გამოვიყენე 0.5W რეზისტორი)

ამრიგად, გულშემატკივართა საბოლოო საბოლოო ნაკადის სიჩქარეა 7.13 მ 3/სთ.

ნაბიჯი 5: შედუღება და შეკრება

მე გამოვიყენე თხელი კაბელები LED- ების ერთმანეთთან დასაკავშირებლად და მთლიანი წრის გასაკეთებლად და რაც შეიძლება ორგანიზებულად შევიკედლე ყველაფერი. თქვენ ხედავთ, რომ რეზისტორები დაცულია სითბოს შემცირების მილში. იცოდეთ, რომ თქვენ უნდა შეაერთოთ ანოდი და LED- ების ჩატოდი მარჯვენა ბოძზე. ანოდები მიდის ერთი რეზისტორის ბოლომდე და კათოდები მიდის GND– მდე (ჩვენს შემთხვევაში –5V). შუქდიოდზე არის ანოდის ნიშანი, იპოვეთ მისი მდებარეობა LED მონაცემების ფურცელში. LED- ები მიმაგრებულია გამაცხელებელთან თერმული ორმხრივი წებოვანი ლენტით.

მე რეალურად გამოვიყენე DC კონექტორი (გამჭვირვალე), რომ ადვილად ამოიღო მთელი სურათი, რომელიც ნაჩვენებია პირველ სურათზე (გამაცხელებელი, LED- ები და ვენტილატორი), თუმცა ამ ელემენტის თავიდან აცილება შესაძლებელია.

შავი 5/2.1 EU DC ძირითადი კვების ბლოკი დამაგრებულია ხვრელში, რომელსაც ხელით ვბურღავ.

გვერდითი ხვრელები, რომლებიც მე დავხურე სახურავზე სახურავის ხრახნებით დასაფიქსირებლად, ასევე ხელით იყო გაბურღული.

ამ პატარა სივრცეში ყველა შედუღების გაკეთება მცირე გამოწვევა იყო. იმედი მაქვს, რომ სიამოვნებით მიიღებთ მას.

ნაბიჯი 6: მოწყობილობა დასრულებულია

გილოცავთ! უბრალოდ შეაერთეთ და დაიწყეთ ჰაერის გაწმენდა.

ჰაერის ნაკადის სიჩქარეა 7.13 მ 3/სთ, ასე რომ 3x3x3 მ ოთახი უნდა გაიწმინდოს დაახლოებით 4 საათში.

როდესაც გამწმენდი არის ჩართული, მე შევამჩნიე, რომ მისგან მოდის სუნი, რომელიც ოზონს მახსენებს.

ვიმედოვნებ, რომ ეს ინსტრუქცია მოგეწონათ და თუკი უფრო მეტად გაინტერესებთ, არის დამატებითი სექცია ჩემს მიერ ჩატარებული ექსპერიმენტის შესახებ.

თუ თქვენ არ გსურთ საკუთარი ჰაერის გამწმენდის აშენება, მაგრამ გსურთ მიიღოთ ის დაუყოვნებლივ, შეგიძლიათ შეიძინოთ იგი Etsy– ზე. მე შევქმენი წყვილი, ასე რომ თავისუფლად ეწვიეთ გვერდს.

მშვიდობით და მშვიდობით, პიეტრო

ნაბიჯი 7: ექსპერიმენტი: სუნიანი ფეხსაცმლის გამწმენდი მცდელობა

ამ დამატებით მონაკვეთში მინდა აჩვენო პატარა სასაცილო ექსპერიმენტი, რომელიც გამიკეთე გამწმენდთან ერთად.

თავდაპირველად მე ძალიან სუნიანი ფეხსაცმელი ჩავდე - გარწმუნებთ, რომ ის ნამდვილად ცუდად ასდიოდა - აკრილის ჰერმეტულ ცილინდრში 0.0063 მ 3 მოცულობით. რა უნდა გახადოს ის სუნიანი ფეხსაცმელი დიდი მოლეკულები გოგირდის და ნახშირბადის შემცველი და ასევე ბიოეფლუენტები და ბაქტერიები იმ ფეხიდან, რომელიც ამ ფეხსაცმელს ატარებდა. რასაც ველოდი, როდესაც გამწმენდი ჩავრთე იყო VOC- ის შემცირება და CO2 გაზრდა.

მე დავტოვე ფეხსაცმელი ცილინდრში 30 წუთის განმავლობაში, რათა მივაღწიო კონტეინერში არსებულ "სუნიან ბალანსს". და სენსორის საშუალებით შევამჩნიე CO2 (+333%) და VOC (+120%) მასიური ზრდა.

30 -ე წუთზე ჩავდე ცილინდრში ჰაერის გამწმენდი და ჩავრთე 5 წუთის განმავლობაში. მე შევამჩნიე CO2 (+40%) და VOC (+38%) შემდგომი ზრდა.

მე ამოვიღე stinky ფეხსაცმელი და დავტოვე გამწმენდი ჩართული 9 წუთის განმავლობაში და CO2 და VOC ინახავდა მკვეთრად გაზრდას.

ამ ექსპერიმენტის თანახმად, რაღაც ხდებოდა ამ ცილინდრში. თუ VOC და ბაქტერიები განადგურებულია მინერალიზაციის პროცესით, თეორია გვეუბნება, რომ CO2 და H2O წარმოიქმნება, ასე რომ შეიძლება ითქვას, რომ ის მუშაობს, რადგან ექსპერიმენტი აჩვენებს, რომ CO2 კვლავ ფორმირდება, მაგრამ რატომ იზრდება VOC? მიზეზი შეიძლება იყოს ის, რომ მე არასწორი სენსორი გამოვიყენე. სენსორი, რომელიც მე გამოვიყენე, არის სურათზე ნაჩვენები და როგორც მივხვდი, ის აფასებს CO2 VOC– ს პროცენტული მაჩვენებლის მიხედვით, შიდა ალგორითმების გამოყენებით და ასევე ადვილად აღწევს VOC გაჯერებას. ალგორითმი, რომელიც შემუშავებულია და ინტეგრირებულია სენსორულ მოდულში განმარტავს უმი მონაცემებს, მაგ. ლითონის ოქსიდის ნახევარგამტარული წინააღმდეგობის მნიშვნელობა, CO2- ის ექვივალენტური ღირებულებით, შედარების ტესტის ჩატარებით NDIR CO2 გაზის სენსორთან და მთლიანი VOC მნიშვნელობის საფუძველზე, ინსტრუმენტის FID– თან შედარების ტესტის საფუძველზე. მე ვფიქრობ, რომ მე არ გამოვიყენე აღჭურვილობა დახვეწილი და საკმარისად ზუსტი.

ყოველ შემთხვევაში, სასაცილო იყო ამ გზით სისტემის გამოცდა.

პირველი პრიზი საგაზაფხულო დასუფთავების გამოწვევაში