ثاني أكسيد التيتانيوم ومنقي الهواء بالأشعة فوق البنفسجية: 7 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:37

مرحبًا مجتمع Instructable ،

أتمنى أن تكون بخير في الظروف الطارئة التي نعيشها في هذه اللحظة.

اليوم أقدم لكم مشروع بحث تطبيقي. في هذا Instructable ، سأعلمك كيفية بناء جهاز لتنقية الهواء يعمل مع مرشح TiO2 (ثاني أكسيد التيتانيوم) ضوئيًا ومصابيح UVA. سأخبرك بكيفية صنع جهاز تنقية الهواء الخاص بك وسأعرض لك أيضًا تجربة. وفقًا للأدبيات العلمية ، يجب أن يزيل هذا الفلتر الروائح الكريهة ويقتل البكتيريا والفيروسات الموجودة في الهواء التي تمر به ، بما في ذلك عائلة فيروس كورونا.

في هذه الورقة البحثية يمكنك أن ترى كيف يمكن استخدام هذه التكنولوجيا بشكل فعال لقتل البكتيريا والفطريات والفيروسات. لقد اقتبسوا في الواقع بحثًا عام 2004 بعنوان تأثير تعطيل مرشح أباتيت التيتانيوم التحفيزي الضوئي على فيروس السارس ، حيث ذكر الباحثون أن 99.99٪ من فيروسات متلازمة الجهاز التنفسي الحادة قد قُتلت.

أود مشاركة هذا المشروع حيث أعتقد أنه يمكن أن يكون مشروعًا مثيرًا للاهتمام بشكل خاص لأنه يحاول حل مشكلة خطيرة ولأنه متعدد التخصصات: فهو يجمع بين مفهوم الكيمياء والإلكترونيات والتصميم الميكانيكي.

الخطوات:

1. التحفيز الضوئي مع ضوء TiO2 والأشعة فوق البنفسجية

2. الإمدادات

3. تصميم ثلاثي الأبعاد لجهاز تنقية الهواء

4. الدائرة الإلكترونية

5. اللحيم والتجمع

6. الجهاز كامل

7. جهد تنقية الأحذية نتن

الخطوة 1: التحفيز الضوئي باستخدام TiO2 والأشعة فوق البنفسجية

سأشرح في هذا القسم النظرية الكامنة وراء رد الفعل.

يتم تلخيص كل شيء بيانياً في الصورة أعلاه. أدناه سأشرح الصورة.

في الأساس ، يصل الفوتون ذو الطاقة الكافية إلى جزيء TiO2 في المدار حيث يدور الإلكترون. يضرب الفوتون الإلكترون بقوة ويجعله يقفز بعيدًا عن نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل ، وهذه القفزة ممكنة لأن TiO2 هو شبه موصل ولأن الفوتون لديه طاقة كافية. يتم تحديد طاقة الفوتون من خلال طوله الموجي وفقًا لهذه الصيغة:

E = hc /

حيث h هو ثابت اللوح ، و c هي سرعة الضوء و هو الطول الموجي للفوتون ، وهو في حالتنا 365 نانومتر. يمكنك حساب الطاقة باستخدام هذه الآلة الحاسبة الرائعة عبر الإنترنت. أنا حالتنا هي E = 3 ، 397 فولت.

بمجرد أن يقفز الإلكترون بعيدًا ، يوجد إلكترون حر وثقب حر حيث كان في السابق:

الإلكترون ه-

حفرة ح +

وهذان بدوره يصيبهما بعض الجزيئات الأخرى التي هي أجزاء من الهواء وهي:

جزيء H2O لبخار الماء

OH- هيدروكسيد

جزيء O2 من الأكسجين

تحدث بعض تفاعلات الأكسدة والاختزال (تعرف على المزيد عنها في هذا الفيديو).

أكسدة:

بخار الماء بالإضافة إلى الثقب يعطي جذور الهيدروكسيل بالإضافة إلى أيون الهيدروجين المائي: H2O + h + → * OH + H + (aq)

يعطي الهيدروكسيد بالإضافة إلى الثقب شق الهيدروكسيل: OH- + h + → * OH

تخفيض:

يعطي جزيء الأكسجين بالإضافة إلى الإلكترون أنيون فوق أكسيد: O2 + e- → O2-

هذان الشيئان الجديدان المتشكلان (جذور الهيدروكسيل وأنيون الأكسيد الفائق) هما جذور حرة. الجذور الحرة هي ذرة أو جزيء أو أيونات لها إلكترون واحد غير مزدوج ، وهذا غير مستقر بشكل جنوني كما قيل في فيديو Crush Course المضحك للغاية.

الجذور الحرة هي المسؤولة الرئيسية عن العديد من التفاعلات المتسلسلة التي تحدث في الكيمياء ، على سبيل المثال البلمرة ، والتي تحدث عندما تنضم المونومرات إلى بعضها البعض لتشكيل بوليمر ، أو بعبارة أخرى لصنع ما نسميه على نطاق أوسع بالبلاستيك (ولكن هذه قصة أخرى).

O2- يضرب جزيئات الرائحة الكريهة والبكتيريا ويكسر روابط الكربون الخاصة بها مكونًا ثاني أكسيد الكربون (ثاني أكسيد الكربون)

* يضرب OH جزيئات الرائحة الكريهة والبكتيريا ويكسر روابط الهيدروجين الخاصة بها مكونًا H2O (بخار الماء)

يسمى اتحاد الجذور الحرة بمركبات الكربون أو الكائنات الحية بالتمعدن وهذا هو بالضبط مكان حدوث القتل.

لمزيد من المعلومات أرفقت ملف PDF للأوراق العلمية التي اقتبستها في المقدمة.

الخطوة الثانية: المستلزمات

لإنشاء هذا المشروع ، ستحتاج إلى:

- حافظة مطبوعة ثلاثية الأبعاد

- غطاء مطبوع ثلاثي الأبعاد

- قص الليزر بأكسيد الألومنيوم بسماكة 2 مم

- الشاشة الحريرية (اختياري ، لم أستخدمها في النهاية)

- 5 قطع من الأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة 365 نانومتر

- نجوم ثنائي الفينيل متعدد الكلور مع 3535 بصمة أو مصابيح LED مثبتة بالفعل على نجمة

- شريط لاصق حراري على الوجهين

- مرشح TiO2 المحفز الضوئي

- مصدر طاقة 20 واط 5 فولت

- موصل الاتحاد الأوروبي 5 / 2.1 مم

- مروحة 40 × 10 ملم

- أنابيب الصراخ الحرارية

- براغي وصواميل ذات رأس غاطس M3

- 5 مقاومات 1 وات 5 أوم

- 1 0.5 واط 15 أوم المقاوم

- اسلاك صغيرة

لقد أضفت روابط لشراء بعض الأشياء ولكني لا أقوم بتشغيل أي برنامج تابع مع البائعين. أضع الروابط فقط لأنه إذا رغب شخص ما في تكرار جهاز تنقية الهواء بهذه الطريقة يمكن أن يكون لديه فكرة عن الإمدادات والتكاليف.

الخطوة 3: تصميم ثلاثي الأبعاد لجهاز تنقية الهواء

يمكنك العثور على ملف التجميع بالكامل بتنسيق.x_b في تحقيق.

قد تلاحظ أنني اضطررت إلى تحسين حالة الطباعة ثلاثية الأبعاد. لقد جعلت الجدران أكثر سمكًا وقررت عدم تجانس الزاوية في القاعدة.

يتم قطع وطحن غرفة التبريد بالليزر. يوجد انخفاض بمقدار 1 مم على الألمنيوم المؤكسد 2 مم (RED ZONE) الذي يسمح بانحناء أفضل. تم الانحناء يدويًا باستخدام كماشة وملزمة.

جعلني أحد أصدقائي يلاحظ أن النمط الموجود على مقدمة العلبة يشبه الوشم الذي ترتديه ليلو في فيلم The Fifth Element. صدفة مضحكة!

الخطوة 4: الدائرة الإلكترونية

الدائرة الإلكترونية سهلة للغاية. لدينا مصدر طاقة بجهد ثابت 5 فولت وبالتوازي سنقوم بوضع 5 مصابيح LED ومروحة. من خلال مجموعة من المقاومات ومع بعض الحسابات الرياضية ، نقرر مقدار التيار الذي سنغذيه في مصابيح LED وفي المروحة.

المصابيح

بالنظر إلى ورقة بيانات LED ، نرى أنه يمكننا دفعها حتى 500 مللي أمبير كحد أقصى ، لكنني قررت دفعها بنصف الطاقة (≈250mA). والسبب هو أن لدينا غرفة تبريد صغيرة ، وهي في الأساس صفيحة الألمنيوم التي يتم توصيلها بها. إذا قمنا بقيادة الصمام عند 250 مللي أمبير ، فإن الجهد الأمامي للمصباح هو 3.72 فولت. وفقًا للمقاومة التي قررنا وضعها على هذا الفرع من الدائرة نحصل على التيار.

5V - 3.72V = 1.28V هو جهد الجهد الذي لدينا على المقاوم

قانون أوم R = V / I = 1.28 / 0.25 = 6.4 أوم

سأستخدم القيمة التجارية للمقاومة 5 أوم

قوة المقاوم = R I ^ 2 = 0.31W (لقد استخدمت بالفعل مقاومات 1W ، تركت بعض الهامش لأن LED يمكن أن يسخن المنطقة قليلاً).

المروحة

الجهد المقترح للمروحة هو 5 فولت و 180 مللي أمبير ، إذا تم تشغيله بهذه القوة ، فيمكنه تحريك الهواء بمعدل تدفق يبلغ 12 متر مكعب / ساعة. لقد لاحظت أن المروحة صاخبة للغاية عند هذه السرعة (27 ديسيبل) ، لذلك قررت أن أخفض قليلاً من إمداد الجهد والإمداد الحالي للمروحة ، للقيام بذلك استخدمت مقاومًا بقوة 15 أوم. لفهم القيمة المطلوبة ، استخدمت مقياس جهد ورأيت أنه سيكون لدي حوالي نصف التيار ، 100 مللي أمبير.

قوة المقاوم = R I ^ 2 = 0.15W (لقد استخدمت المقاوم 0.5W هنا)

لذا فإن معدل التدفق النهائي الفعلي للمروحة ينتج 7.13 م 3 / ساعة.

الخطوة 5: اللحيم والتجميع

لقد استخدمت كبلات رفيعة لربط مصابيح LED معًا وجعل الدائرة بأكملها ولحام كل شيء منظمًا قدر الإمكان. يمكنك أن ترى أن المقاومات محمية داخل أنابيب الانكماش الحراري. كن على علم بأنه يجب عليك لحام الأنود وشبكة مصابيح LED في الأقطاب اليمنى. تذهب الأنودات إلى أحد طرفي المقاوم وتنتقل الكاثودات إلى GND (-5V في حالتنا). يوجد على مؤشر LED علامة أنود ، ابحث عن موقعها الذي تبحث عنه في ورقة بيانات LED. يتم توصيل مصابيح LED بالمبدد الحراري بشريط لاصق حراري على الوجهين.

لقد استخدمت بالفعل موصل DC (الموصل الشفاف) لإزالة الكتلة الكاملة الموضحة في الصورة الأولى بسهولة (غرفة التبريد ، ومصابيح LED ، والمروحة) ، ولكن يمكن تجنب هذا العنصر.

تم لصق موصل مصدر الطاقة الرئيسي الأسود 5 / 2.1 EU DC في فتحة قمت بحفرها يدويًا.

تم حفر الثقوب الجانبية التي صنعتها في الغطاء لإصلاح الغطاء بمسامير في العلبة يدويًا.

كان إجراء كل اللحام في تلك المساحة الصغيرة تحديًا صغيرًا. أتمنى أن تستمتع باحتضانه.

الخطوة 6: اكتمل الجهاز

تهانينا! فقط قم بتوصيله وابدأ في تنقية الهواء.

معدل تدفق الهواء 7.13 م 3 / ساعة لذلك يجب تنقية غرفة بحجم 3 × 3 × 3 م في حوالي 4 ساعات.

عندما يكون جهاز التنقية في وضع التشغيل ، لاحظت أنه يخرج منه رائحة تذكرني بالأوزون.

آمل أن تكون قد أحببت هذا Instructable ، وإذا كان لديك المزيد من الفضول ، فهناك قسم إضافي حول تجربة قمت بها.

إذا لم تكن على استعداد لبناء جهاز تنقية الهواء الخاص بك ولكنك ترغب فقط في الحصول عليه على الفور ، يمكنك شرائه من Etsy. لقد صنعت زوجين لذا لا تتردد في زيارة الصفحة.

وداعا واعتني بنفسك ،

بيترو

الخطوة السابعة: التجربة: جهد تنقية الأحذية الكريهة

في هذا القسم الإضافي ، أود أن أعرض بعض التجارب المضحكة التي قمت بها مع جهاز التنقية.

في البداية ، وضعت حذاءًا كريه الرائحة - أؤكد لك أنه كانت رائحته سيئة حقًا - في أسطوانة أكريليك محكمة الغلق بحجم 0.0063 متر مكعب. ما يجب أن يجعل هذا الحذاء كريه الرائحة هو جزيئات كبيرة تحتوي على الكبريت والكربون وأيضًا النفايات الحيوية والبكتيريا القادمة من القدم التي كانت ترتدي ذلك الحذاء. ما كنت أتوقع رؤيته عند تشغيل جهاز التنقية هو تقليل المركبات العضوية المتطايرة وزيادة ثاني أكسيد الكربون.

تركت الحذاء هناك في الأسطوانة لمدة 30 دقيقة من أجل الوصول إلى "توازن الرائحة الكريهة" داخل الحاوية. ومن خلال جهاز استشعار ، لاحظت زيادة هائلة في ثاني أكسيد الكربون (+ 333٪) والمركبات العضوية المتطايرة (+ 120٪).

في الدقيقة 30 ، وضعت جهاز تنقية الهواء داخل الأسطوانة وقمت بتشغيله لمدة 5 دقائق. لقد لاحظت زيادة أخرى في ثاني أكسيد الكربون (+ 40٪) والمركبات العضوية المتطايرة (+ 38٪).

أزلت الحذاء النتن وتركت جهاز التنقية قيد التشغيل لمدة 9 دقائق واستمر ثاني أكسيد الكربون والمركبات العضوية المتطايرة في الزيادة بشكل كبير.

وفقًا لهذه التجربة ، كان هناك شيء ما يحدث داخل تلك الأسطوانة. إذا تم تدمير المركبات العضوية المتطايرة والبكتيريا من خلال عملية التمعدن ، تخبرنا النظرية أن ثاني أكسيد الكربون و H2O يتشكلان ، لذلك يمكن للمرء أن يقول أنه يعمل لأن التجربة تظهر أن ثاني أكسيد الكربون يستمر في التكوين ، ولكن لماذا أيضًا استمرت المركبات العضوية المتطايرة في الزيادة؟ قد يكون السبب أنني استخدمت المستشعر الخطأ. المستشعر الذي استخدمته هو المستشعر الموضح في الصورة ومن ما فهمته فإنه يقدر ثاني أكسيد الكربون وفقًا لنسبة مئوية من المركبات العضوية المتطايرة باستخدام بعض الخوارزميات الداخلية ويصل أيضًا إلى تشبع المركبات العضوية المتطايرة بسهولة. قامت الخوارزمية ، التي تم تطويرها ودمجها في وحدة الاستشعار ، بتفسير البيانات الأولية ، على سبيل المثال قيمة مقاومة أشباه الموصلات لأكسيد المعادن ، بقيمة مكافئة لثاني أكسيد الكربون عن طريق إجراء اختبار المقارنة ضد مستشعر غاز ثاني أكسيد الكربون NDIR وقيمة المركبات العضوية المتطايرة الإجمالية بناءً على اختبار المقارنة مع الأداة FID. أعتقد أنني لم أستخدم معدات متطورة ودقيقة بدرجة كافية.

على أي حال ، كان من المضحك محاولة اختبار النظام بهذه الطريقة.

الجائزة الأولى في تحدي تنظيف الربيع