Purificador de aire de dióxido de titanio y UV: 7 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Hola comunidad de Instructable, Espero que estén todos bien en las circunstancias de emergencia que estamos viviendo en este momento.

Hoy les traigo un proyecto de investigación aplicada. En este Instructable, le enseñaré cómo construir un purificador de aire que funcione con un filtro fotocatalizador de TiO2 (dióxido de titanio) y LED UVA. Te diré cómo hacer tu propio purificador y también te mostraré un experimento. Según la literatura científica, este filtro debería eliminar los malos olores y matar las bacterias y virus en el aire que lo atraviesa, incluida la familia de los coronavirus.

En este artículo de investigación, puede ver cómo esta tecnología se puede utilizar de manera eficaz para matar bacterias, hongos y virus; en realidad, citan una investigación de 2004 titulada El efecto de inactivación del filtro fotocatalítico de apatito de titanio en el virus del SARS, en la que los investigadores afirman que el 99,99% de los virus del síndrome respiratorio agudo severo murieron.

Me gustaría compartir este proyecto porque creo que puede ser especialmente interesante porque intenta resolver un problema grave y porque es multidisciplinar: reúne nociones de química, electrónica y diseño mecánico.

Los pasos:

1. Fotocatálisis con TiO2 y luz ultravioleta

2. Suministros

3. Diseño 3D del purificador de aire

4. Circuito electrónico

5. Suelde y ensamble

6. El dispositivo completo

7. El esfuerzo de purificación de zapatos apestosos

Paso 1: fotocatálisis con TiO2 y luz ultravioleta

En esta sección explicaré la teoría detrás de la reacción.

Todo se resume gráficamente en la imagen de arriba. A continuación explicaré la imagen.

Básicamente, el fotón con suficiente energía llega a la molécula de TiO2 en la órbita donde gira un electrón. El fotón golpea con fuerza al electrón y lo hace saltar de la banda de valencia a la banda de conducción, este salto es posible porque el TiO2 es un semiconductor y porque el fotón tiene suficiente energía. La energía del fotón está determinada por su longitud de onda de acuerdo con esta fórmula:

E = hc / λ

donde h es la constante de plancha, c es la velocidad de la luz y λ es la longitud de onda del fotón, que en nuestro caso es de 365 nm. Puede calcular la energía con esta bonita calculadora en línea. En nuestro caso es E = 3, 397 eV.

Una vez que el electrón salta, hay un electrón libre y un agujero libre donde antes estaba:

electrón e-

agujero h +

Y estos dos a su vez son golpeados por otras moléculas que son partes del aire que son:

Molécula de H2O de vapor de agua

OH- Hidróxido

Molécula de oxígeno O2

Suceden algunas reacciones redox (aprenda más sobre ellas en este video).

Oxidación:

El vapor de agua más un agujero da un radical hidroxilo más ion hidrógeno hidratado: H2O + h + → * OH + H + (aq)

El hidróxido más un agujero da un radical hidroxilo: OH- + h + → * OH

Reducción:

molécula de oxígeno más un electrón da anión superóxido: O2 + e- → O2-

Estas dos cosas nuevas formadas (radical hidroxilo y anión superóxido) son radicales libres. Un radical libre es un átomo, molécula o iones con un solo electrón desapareado, esto es increíblemente inestable, como se dice en este video muy divertido del Curso Crush.

Los radicales libres son los principales responsables de muchas reacciones en cadena que ocurren en la química, por ejemplo, la polimerización, que ocurre cuando los monómeros se unen entre sí para formar un polímero, o en otras palabras para hacer lo que más ampliamente llamamos plástico (pero esa es otra historia).

O2: golpea a las bacterias y moléculas de mal olor y rompe sus enlaces de carbono formando CO2 (dióxido de carbono)

* OH golpea a las bacterias y moléculas de mal olor y rompe sus enlaces de hidrógeno formando H2O (vapor de agua)

La unión de los radicales libres con compuestos u organismos de carbono se llama mineralización y aquí es exactamente donde está ocurriendo la muerte.

Para mayor información adjunto el PDF de los trabajos científicos que cité en la intro.

Paso 2: Suministros

Para hacer este proyecto necesitarás:

- Estuche impreso en 3D

- Tapa impresa en 3D

- Aluminio anodizado cortado con láser de 2 mm de espesor

- serigrafía (opcional, eventualmente no la usé)

- 5 piezas de LED UV de alta potencia 365nm

- Estrellas de PCB con una huella de 3535 o LED ya montados en una estrella

- cinta adhesiva térmica de doble cara

- Filtro fotocatalizador de TiO2

- Fuente de alimentación 20W 5V

- Conector UE 5 / 2,1 mm

- Ventilador 40x10mm

- tubos de chillido térmico

- tornillos y tuercas M3 de cabeza avellanada

- 5 resistencias de 1W 5ohm

- 1 resistencia de 0.5W 15ohm

- alambres pequeños

Agregué los enlaces para comprar algunas cosas, pero no estoy ejecutando ningún programa de afiliados con los proveedores. Pongo los enlaces solo porque si alguien quisiera replicar el purificador de aire de esta manera puede tener una idea de los suministros y costos.

Paso 3: Diseño 3D del Purificador de aire

Puede encontrar el archivo de ensamblaje completo en formato.x_b en el archivo Achieve.

Puede notar que tuve que optimizar la carcasa para la impresión 3D. Hice las paredes más gruesas y decidí no suavizar el ángulo en la base.

El disipador de calor se corta y muele con láser. Hay una reducción de 1 mm en el aluminio anodizado de 2 mm (ZONA ROJA) que permite una mejor flexión. El doblado se ha realizado manualmente con alicates y tornillo de banco.

Un amigo me hizo notar que el patrón en el frente de la caja es similar al tatuaje que lleva Leeloo en la película El quinto elemento. ¡Divertida coincidencia!

Paso 4: circuito electrónico

El circuito electrónico es muy sencillo. Disponemos de una fuente de alimentación de tensión constante de 5V y en paralelo vamos a colocar 5 leds y un ventilador. A través de un montón de resistencias y con algunos cálculos matemáticos, decidimos cuánta corriente alimentaríamos a los LED y al ventilador.

LOS LED

Al mirar la hoja de datos de LED, vemos que podemos conducirlos hasta un máximo de 500 mA, pero decidí conducirlos a la mitad de potencia (≈250 mA). La razón es que tenemos un pequeño disipador de calor, que es básicamente la placa de aluminio a la que están unidos. Si manejamos el LED a 250mA, el voltaje directo del LED es 3.72V. Según la resistencia que decidamos poner en esa rama del circuito obtenemos la corriente.

5V - 3.72V = 1.28V es el potencial de voltaje que tenemos en la resistencia

Ley de Ohm R = V / I = 1.28 / 0.25 = 6.4ohm

Usaré el valor comercial de resistencia de 5 ohmios.

Potencia de la resistencia = R I ^ 2 = 0.31W (de hecho, he usado resistencias de 1W, dejé un margen porque el LED podría calentar bastante el área).

EL ADMIRADOR

El voltaje sugerido por el ventilador es de 5 V y 180 mA de corriente, si se acciona con esta potencia, puede mover aire a una velocidad de flujo de 12 m3 / h. Noté que yendo a esta velocidad el ventilador era demasiado ruidoso (27dB), por lo que decidí bajar un poco el suministro de voltaje y el suministro de corriente al ventilador, para ello utilicé una resistencia de 15ohm. Para comprender el valor necesario, utilicé un potenciómetro y vi cuándo tendría alrededor de la mitad de la corriente, 100 mA.

Potencia de la resistencia = R I ^ 2 = 0.15W (he usado una resistencia de 0.5W aquí)

Por tanto, el caudal final real del ventilador es de 7,13 m3 / h.

Paso 5: suelde y ensamble

He utilizado cables delgados para unir los LED y hacer todo el circuito y soldar todo lo más organizado posible. Puede ver que las resistencias están protegidas dentro de los tubos termorretráctiles. Tenga en cuenta que debe soldar el ánodo y el chatodo de los LED a los polos correctos. Los ánodos van a un extremo de la resistencia y los cátodos a GND (-5V en nuestro caso). En el LED hay una marca de ánodo, busque su ubicación buscándola en la hoja de datos del LED. Los LED están unidos al disipador de calor con cinta adhesiva térmica de doble cara.

De hecho, he usado un conector de CC (el transparente) para quitar fácilmente todo el bloque que se muestra en la primera imagen (disipador de calor, LED y ventilador), sin embargo, este elemento se puede evitar.

El conector negro de la fuente de alimentación principal 5 / 2.1 EU DC se ha pegado en un orificio que perforé manualmente.

Los orificios laterales que hice en la tapa para fijar la tapa con tornillos a la caja también se perforaron manualmente.

Hacer toda la soldadura en ese pequeño espacio fue un pequeño desafío. Espero que disfrutes abrazándolo.

Paso 6: ¡El dispositivo está completo

¡Felicidades! Simplemente conéctelo y comience a purificar el aire.

El caudal de aire es de 7,13 m3 / h, por lo que una habitación de 3x3x3m debe purificarse en unas 4h.

Cuando el purificador está encendido, he notado que sale un olor que me recuerda al ozono.

Espero que les haya gustado este Instructable y, si son aún más curiosos, hay una sección adicional sobre un experimento que hice.

Si no estás dispuesto a fabricar tu propio purificador de aire pero te gustaría conseguirlo de inmediato, puedes comprarlo en Etsy. Hice un par, así que siéntete libre de visitar la página.

Adiós y cuídate, Pietro

Paso 7: Experimento: el esfuerzo de purificación de zapatos apestosos

En esta sección adicional me gustaría mostrar un pequeño experimento divertido que hice con el purificador.

Inicialmente puse un zapato muy apestoso, les aseguro que olía muy mal, en un cilindro acrílico hermético con un volumen de 0.0063 m3. Lo que debería hacer ese zapato que huele mal son grandes moléculas que contienen azufre y carbono y también bioefluentes y bacterias provenientes del pie que estaba usando ese zapato. Lo que esperaba ver cuando encendí el purificador era que el VOC se redujera y el CO2 aumentara.

Dejé el zapato allí en el cilindro durante 30 minutos para alcanzar el "equilibrio apestoso" dentro del recipiente. Y a través de un sensor noté un aumento masivo de CO2 (+ 333%) y VOC (+ 120%).

En el minuto 30 coloqué dentro del cilindro el purificador de aire y lo encendí durante 5min. Noté un aumento adicional de CO2 (+ 40%) y VOC (+ 38%).

Me quité el zapato apestoso y dejé el purificador encendido durante 9 minutos y el CO2 y el VOC seguían aumentando drásticamente.

Entonces, según este experimento, algo estaba sucediendo dentro de ese cilindro. Si los COV y las bacterias se están destruyendo a través del proceso de mineralización, la teoría nos dice que se forma CO2 y H2O, por lo que se podría decir que está funcionando porque el experimento muestra que el CO2 se sigue formando, pero ¿por qué también sigue aumentando el COV? La razón puede ser que utilicé el sensor incorrecto. El sensor que utilicé es el que se muestra en la imagen y por lo que entendí estima el CO2 según un porcentaje de VOC usando algunos algoritmos internos y además alcanza la saturación de VOC fácilmente. El algoritmo, que se desarrolla e integra en el módulo sensor interpretó los datos brutos, p. Ej. valor de resistencia del semiconductor de óxido de metal, en valor equivalente de CO2 al realizar la prueba de comparación con el sensor de gas de CO2 NDIR y el valor de COV total basado en la prueba de comparación con el instrumento FID. Creo que no utilicé equipos lo suficientemente sofisticados y precisos.

De todos modos, ha sido divertido intentar probar el sistema de esta manera.

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