Biossido di titanio e purificatore d'aria UV: 7 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Ciao comunità di Instructable, Spero che stiate tutti bene nelle circostanze di emergenza che stiamo vivendo in questo momento.

Oggi vi presento un progetto di ricerca applicata. In questo Instructable ti insegnerò come costruire un purificatore d'aria che funzioni con un filtro fotocatalitico TiO2 (biossido di titanio) e LED UVA. Ti dirò come creare il tuo purificatore e ti mostrerò anche un esperimento. Secondo la letteratura scientifica questo filtro dovrebbe rimuovere i cattivi odori e uccidere batteri e virus nell'aria che lo attraversa, compresa la famiglia dei coronavirus.

In questo documento di ricerca puoi vedere come questa tecnologia può essere utilizzata efficacemente per uccidere batteri, funghi e virus; in realtà citano una ricerca del 2004 intitolata The Inactivation Effect of Photocatalytic Titanium Apatite Filter on SARS Virus, in cui i ricercatori affermano che il 99,99% dei virus della sindrome respiratoria acuta grave è stato ucciso.

Vorrei condividere questo progetto perché credo possa essere particolarmente interessante perché cerca di risolvere un problema serio e perché è multidisciplinare: riunisce nozioni di chimica, elettronica e progettazione meccanica.

I passi:

1. Fotocatalisi con TiO2 e luce UV

2. Forniture

3. Progettazione 3D del purificatore d'aria

4. Circuito elettronico

5. Saldare e assemblare

6. Il dispositivo è completo

7. Lo sforzo di purificazione della scarpa puzzolente

Passaggio 1: fotocatalisi con TiO2 e luce UV

In questa sezione spiegherò la teoria alla base della reazione.

Tutto è riassunto graficamente nell'immagine sopra. Di seguito spiego l'immagine.

Fondamentalmente, il fotone con energia sufficiente arriva nella molecola di TiO2 nell'orbita dove ruota un elettrone. Il fotone colpisce duramente l'elettrone e lo fa saltare dalla banda di valenza alla banda di conduzione, questo salto è possibile perché TiO2 è un semiconduttore e perché il fotone ha energia sufficiente. L'energia del fotone è determinata dalla sua lunghezza d'onda secondo questa formula:

E = hc/λ

dove h è la Costante di Plancia, c è la velocità della luce e è la lunghezza d'onda del fotone, che nel nostro caso è 365 nm. Puoi calcolare l'energia usando questo simpatico calcolatore online. Nel nostro caso è E=3, 397 eV.

Una volta che l'elettrone salta via c'è un elettrone libero e un buco libero dove era una volta:

elettrone e-

buco h+

E questi due a loro volta vengono colpiti da alcune altre molecole che sono parti dell'aria che sono:

H2O molecola di vapore acqueo

OH-idrossido

O2 molecola di ossigeno

Si verificano alcune reazioni redox (scopri di più su di esse in questo video).

Ossidazione:

Il vapore acqueo più un foro dà il radicale ossidrile più lo ione idrogeno idrato: H2O + h+ → *OH + H+(aq)

L'idrossido più un foro dà il radicale ossidrile: OH- + h+ → *OH

Riduzione:

molecola di ossigeno più un elettrone dà anione superossido: O2 + e- → O2-

Queste due nuove cose formate (radicale idrossile e anione superossido) sono radicali liberi. Un radicale libero è un atomo, molecola o ioni con un singolo elettrone spaiato, questo è pazzesco instabile come detto in questo video molto divertente di Crush Course.

I radicali liberi sono i principali responsabili di molte reazioni a catena che avvengono in chimica, ad esempio la polimerizzazione, che avviene quando i monomeri si uniscono l'uno all'altro per formare un polimero, o in altre parole per realizzare quella che più in generale chiamiamo plastica (ma questa è un'altra storia).

O2- colpisce grandi molecole di cattivo odore e batteri e rompe i loro legami di carbonio formando CO2 (anidride carbonica)

* L'OH colpisce grandi molecole di cattivo odore e batteri e rompe i loro legami idrogeno formando H2O (vapore acqueo)

L'unione del radicale libero con i composti o gli organismi del carbonio è chiamata mineralizzazione ed è proprio qui che avviene l'uccisione.

Per ulteriori informazioni ho allegato il PDF degli articoli scientifici che ho citato nell'introduzione.

Passaggio 2: materiali di consumo

Per realizzare questo progetto avrai bisogno di:

- Custodia stampata in 3D

- Coperchio stampato in 3D

- alluminio anodizzato tagliato al laser spessore 2mm

- serigrafia (opzionale, eventualmente non l'ho usata)

- 5 pezzi di LED UV ad alta potenza 365nm

- Stelle PCB con ingombro 3535 o LED già montati su una stella

- nastro biadesivo termico

- Filtro fotocatalizzatore TiO2

- Alimentazione 20W 5V

- Connettore UE 5/2.1mm

- Ventola 40x10mm

- tubi termici urlanti

- Bulloni e dadi M3 a testa svasata

- 5 resistori da 1W 5ohm

- 1 resistenza da 0,5W 15ohm

- fili piccoli

Ho aggiunto i link per l'acquisto di alcune cose ma non sto eseguendo alcun programma di affiliazione con i fornitori. Metto i link solo perchè se qualcuno volesse replicare il purificatore d'aria in questo modo può avere un'idea delle forniture e dei costi.

Passaggio 3: progettazione 3D del purificatore d'aria

Puoi trovare l'intero file dell'assieme in formato.x_b nel file realizzo.

Potresti notare che ho dovuto ottimizzare la custodia per la stampa 3D. Ho reso le pareti più spesse e ho deciso di non smussare l'angolo alla base.

Il dissipatore di calore è tagliato e fresato al laser. C'è un abbassamento di 1 mm sull'alluminio anodizzato da 2 mm (RED ZONE) che consente una migliore piegatura. La piegatura è stata eseguita manualmente con pinza e morsa.

Un mio amico mi ha fatto notare che il motivo sulla parte anteriore della custodia è simile al tatuaggio che indossa Leeloo nel film Il quinto elemento. Coincidenza divertente!

Passaggio 4: circuito elettronico

Il circuito elettronico è molto semplice. Abbiamo un alimentatore a tensione costante di 5V e in parallelo andremo a posizionare 5 led e una ventola. Attraverso un mucchio di resistori e con alcuni calcoli matematici decidiamo quanta corrente forniremmo ai LED e alla ventola.

I LED

Guardando la scheda tecnica dei LED vediamo che possiamo pilotarli fino a un massimo di 500 mA, ma ho deciso di guidarli a metà potenza (≈250 mA). Il motivo è che abbiamo un piccolo dissipatore di calore, che è fondamentalmente la piastra di alluminio a cui sono attaccati. Se guidiamo il LED a 250mA la tensione diretta del LED è 3,72V. In base alla resistenza che decidiamo di mettere su quel ramo del circuito otteniamo la corrente.

5V - 3,72V = 1,28V è il potenziale di tensione che abbiamo sul resistore

Legge di Ohm R = V/I = 1.28/0.25 = 6.4ohm

Userò il valore commerciale della resistenza di 5ohm

Potenza del resistore = R I^2 = 0,31 W (in realtà ho usato resistori da 1 W, ho lasciato un po' di margine perché il LED potrebbe riscaldare un po' l'area).

IL FAN

La tensione suggerita dal ventilatore è di 5V e 180mA di corrente, se pilotata con questa potenza può movimentare aria alla portata di 12m3/h. Ho notato che andando a questa velocità la ventola era troppo rumorosa (27dB), quindi ho deciso di abbassare un po' la tensione di alimentazione e la corrente di alimentazione alla ventola, per farlo ho usato una resistenza da 15ohm. Per capire il valore necessario ho usato un potenziometro e ho visto quando avrei avuto circa la metà della corrente, 100mA.

Potenza del resistore = R I^2 = 0,15 W (qui ho usato un resistore da 0,5 W)

Quindi la portata finale effettiva del ventilatore risulta 7,13 m3/h.

Passaggio 5: saldare e assemblare

Ho usato cavi sottili per unire i LED e rendere l'intero circuito e saldato tutto il più organizzato possibile. Puoi vedere che i resistori sono protetti all'interno di una guaina termorestringente. Tieni presente che devi saldare l'anodo e il catodo dei LED ai poli giusti. Gli anodi vanno a un'estremità del resistore e i catodi vanno a GND (-5V nel nostro caso). Sul LED c'è un segno anodico, trova la sua posizione cercandolo nella scheda tecnica del LED. I LED sono fissati al dissipatore di calore con nastro biadesivo termico.

In realtà ho utilizzato un connettore DC (quello trasparente) per rimuovere facilmente l'intero blocco mostrato nella prima immagine (dissipatore, LED e ventola), tuttavia questo elemento può essere evitato.

Il connettore di alimentazione principale 5/2.1 EU DC nero è stato incollato in un foro che ho praticato manualmente.

Anche i fori laterali che ho praticato nel coperchio per fissare il coperchio con le viti alla custodia sono stati praticati manualmente.

Fare tutte le saldature in quel piccolo spazio è stata una piccola sfida. Spero che ti divertirai ad abbracciarlo.

Passaggio 6: il dispositivo è completo

Congratulazioni! Basta collegarlo e iniziare a purificare l'aria.

La portata d'aria è di 7,13 m3/h quindi una stanza di 3x3x3m dovrebbe essere purificata in circa 4h.

Quando il depuratore è acceso ho notato che fuoriesce un odore che mi ricorda l'ozono.

Spero che questo Instructable ti sia piaciuto e se sei ancora più curioso c'è una sezione extra su un esperimento che ho fatto.

Se non sei disposto a costruire il tuo purificatore d'aria ma vorresti solo averlo subito puoi acquistarlo su Etsy. Ne ho fatti un paio quindi sentiti libero di visitare la pagina.

Ciao e riguardati, Pietro

Passaggio 7: Esperimento: lo sforzo di purificazione delle scarpe puzzolenti

In questa sezione extra vorrei mostrare un piccolo esperimento divertente che ho fatto con il purificatore.

Inizialmente ho messo una scarpa molto puzzolente - vi assicuro che puzzava davvero - in un cilindro ermetico di acrilico con un volume di 0,0063 m3. Ciò che dovrebbe rendere quella scarpa puzzolente sono grandi molecole contenenti zolfo e carbonio e anche bioeffluenti e batteri provenienti dal piede che indossava quella scarpa. Quello che mi aspettavo di vedere quando ho acceso il purificatore era il VOC da ridurre e la CO2 da aumentare.

Ho lasciato la scarpa lì nel cilindro per 30min in modo da raggiungere l'"equilibrio puzzolente" all'interno del contenitore. E attraverso un sensore ho notato un massiccio aumento di CO2 (+333%) e VOC (+120%).

Al minuto 30 ho posizionato all'interno del cilindro il purificatore d'aria e l'ho acceso per 5min. Ho notato un ulteriore aumento di CO2 (+40%) e VOC (+38%).

Ho rimosso la scarpa puzzolente e ho lasciato il purificatore acceso per 9 minuti e CO2 e VOC continuavano ad aumentare notevolmente.

Quindi, secondo questo esperimento, stava accadendo qualcosa all'interno di quel cilindro. Se VOC e batteri vengono distrutti attraverso il processo di mineralizzazione, la teoria ci dice che si formano CO2 e H2O, quindi si potrebbe dire che funziona perché l'esperimento mostra che la CO2 continua a formarsi, ma perché anche i VOC continuano ad aumentare? Il motivo potrebbe essere che ho usato il sensore sbagliato. Il sensore che ho utilizzato è quello mostrato in foto e da quanto ho capito stima la CO2 in base ad una percentuale di VOC utilizzando alcuni algoritmi interni e raggiunge facilmente anche la saturazione VOC. L'algoritmo, sviluppato e integrato nel modulo sensore, ha interpretato i dati grezzi, ad es. valore di resistenza dell'ossido di metallo a semiconduttore, in valore equivalente di CO2 eseguendo il test di confronto con il sensore di gas CO2 NDIR e il valore VOC totale basato sul test di confronto con lo strumento FID. Penso di non aver utilizzato apparecchiature sofisticate e sufficientemente accurate.

Comunque è stato divertente provare a testare il sistema in questo modo.

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