Dióxido de titânio e purificador de ar UV: 7 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Olá comunidade de Instructable, Espero que todos estejam bem nas circunstâncias de emergência que vivemos neste momento.

Hoje trago para vocês um projeto de pesquisa aplicada. Neste Instructable, estarei ensinando como construir um purificador de ar trabalhando com um filtro fotocatalítico de TiO2 (Dióxido de Titânio) e LEDs UVA. Vou lhe dizer como fazer seu próprio purificador e também mostrarei um experimento. De acordo com a literatura científica, esse filtro deve remover odores ruins e matar bactérias e vírus do ar que o atravessa, incluindo a família do coronavírus.

Neste artigo de pesquisa, você pode ver como essa tecnologia pode ser usada de forma eficaz para matar bactérias, fungos e vírus; na verdade, eles citam uma pesquisa de 2004 intitulada O efeito de inativação do filtro de apatita de titânio fotocatalítico no vírus SARS, na qual os pesquisadores afirmam que 99,99% dos vírus da síndrome respiratória aguda grave foram mortos.

Gostaria de partilhar este projecto porque acredito que pode ser particularmente interessante porque tenta resolver um problema grave e porque é multidisciplinar: reúne noções de química, electrónica e design mecânico.

Os passos:

1. Fotocatálise com TiO2 e luz UV

2. Suprimentos

3. Design 3D do purificador de ar

4. Circuito eletrônico

5. Soldar e montar

6. O dispositivo está completo

7. O esforço de purificação de sapato fedorento

Etapa 1: Fotocatálise com TiO2 e luz UV

Nesta seção, explicarei a teoria por trás da reação.

Tudo está resumido graficamente na imagem acima. Abaixo vou explicar a imagem.

Basicamente, o fóton com energia suficiente chega à molécula de TiO2 na órbita onde um elétron está girando. O fóton atinge o elétron com força e o faz pular da banda de valência para a banda de condução, esse salto é possível porque o TiO2 é um semicondutor e porque o fóton tem energia suficiente. A energia do fóton é determinada por seu comprimento de onda de acordo com esta fórmula:

E = hc / λ

onde h é a constante de prancha, c é a velocidade da luz e λ é o comprimento de onda do fóton, que em nosso caso é 365 nm. Você pode calcular a energia usando esta bela calculadora online. Em nosso caso, é E = 3, 397 eV.

Uma vez que o elétron salta, há um elétron livre e um buraco livre onde estava:

elétron e-

buraco h +

E esses dois, por sua vez, são atingidos por algumas outras moléculas que são partes do ar que são:

Molécula de H2O de vapor d'água

OH- Hidróxido

Molécula de O2 de oxigênio

Algumas reações redox acontecem (saiba mais sobre elas neste vídeo).

Oxidação:

O vapor de água mais um orifício dá radical hidroxila mais íon hidrogênio hidratado: H2O + h + → * OH + H + (aq)

O hidróxido mais um orifício dá o radical hidroxila: OH- + h + → * OH

Redução:

molécula de oxigênio mais um elétron dá ânion superóxido: O2 + e- → O2-

Essas duas coisas novas formadas (radical hidroxila e ânion superóxido) são radicais livres. Um radical livre é um átomo, molécula ou íons com um único elétron desemparelhado, isso é loucamente instável, como disse neste vídeo muito engraçado do Crush Course.

Os radicais livres são os principais responsáveis por muitas reações em cadeia que acontecem na química, por exemplo, a polimerização, que acontece quando monômeros se unem para formar um polímero, ou em outras palavras, para fazer o que chamamos de plástico (mas isso é outra história)

O2- atinge grandes moléculas de mau odor e bactérias e quebra suas ligações de carbono formando CO2 (dióxido de carbono)

* OH atinge grandes moléculas de mau cheiro e bactérias e quebra suas ligações de hidrogênio formando H2O (vapor de água)

A união do radical livre a compostos ou organismos de carbono é chamada de mineralização e é exatamente onde a matança está acontecendo.

Para mais informações, anexei o PDF dos artigos científicos que citei na introdução.

Etapa 2: suprimentos

Para fazer este projeto, você precisará de:

- Caixa impressa em 3D

- tampa impressa em 3D

- alumínio anodizado cortado a laser com 2 mm de espessura

- silk screen (opcional, eventualmente não usei)

- 5 peças de LED UV 365nm de alta potência

- Estrelas de PCB com pegada de 3535 ou LEDs já montados em uma estrela

- fita adesiva térmica dupla-face

- Filtro Fotocatalisador TiO2

- Fonte de alimentação 20W 5V

- Conector UE 5 / 2,1 mm

- Ventilador 40x10mm

- tubos de chiado térmico

- parafusos e porcas de cabeça escareada M3

- 5 resistores de 1W 5ohm

- 1 resistor de 0,5 W 15 ohm

- pequenos fios

Eu adicionei os links para comprar algumas coisas, mas não estou executando nenhum programa de afiliados com os fornecedores. Coloquei os links só porque se alguém quiser replicar o purificador de ar dessa forma pode ter uma ideia dos suprimentos e custos.

Etapa 3: Design 3D do purificador de ar

Você pode encontrar todo o arquivo de montagem no formato.x_b no alcance.

Você pode notar que tive que otimizar o case para impressão 3D. Fiz as paredes mais grossas e decidi não suavizar o ângulo na base.

O dissipador de calor é cortado e fresado a laser. Há um rebaixamento de 1 mm no alumínio anodizado de 2 mm (ZONA VERMELHA) que permite uma melhor curvatura. A dobra é feita manualmente com alicate e torno.

Um amigo meu me fez notar que o padrão na frente da caixa é semelhante à tatuagem que Leeloo usa no filme O Quinto Elemento. Engraçada coincidência!

Etapa 4: Circuito Eletrônico

O circuito eletrônico é muito fácil. Temos uma fonte de alimentação de tensão constante de 5V e em paralelo colocaremos 5 LEDs e uma ventoinha. Por meio de um monte de resistores e com alguns cálculos matemáticos, decidimos quanta corrente alimentaríamos nos LEDs e no ventilador.

OS LEDs

Olhando para o datasheet do LED, vemos que podemos acioná-los até 500mA no máximo, mas decidi acioná-los com metade da potência (≈250mA). O motivo é que temos um pequeno dissipador de calor, que é basicamente uma placa de alumínio na qual eles estão fixados. Se acionarmos o LED a 250mA, a voltagem direta do LED será 3,72V. De acordo com a resistência que decidimos colocar naquele ramo do circuito, obtemos a corrente.

5 V - 3,72 V = 1,28 V é o potencial de tensão que temos no resistor

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

Vou usar o valor comercial da resistência de 5 ohm

Potência do resistor = R I ^ 2 = 0,31W (na verdade usei resistores de 1W, deixei uma margem porque o LED poderia aquecer um pouco a área).

O FÃ

A voltagem sugerida para o ventilador é de 5V e corrente de 180mA, se acionado com esta potência pode movimentar o ar na vazão de 12m3 / h. Notei que indo nessa velocidade a ventoinha estava muito barulhenta (27dB), então resolvi diminuir um pouco a tensão e a corrente da ventoinha, para isso usei um resistor de 15ohm. Para entender o valor necessário usei um potenciômetro e vi quando teria cerca de metade da corrente, 100mA.

Potência do resistor = R I ^ 2 = 0,15 W (usei o resistor de 0,5 W aqui)

Portanto, a vazão final real do ventilador resulta em 7,13 m3 / h.

Etapa 5: soldar e montar

Usei cabos finos para unir os LEDs e fazer todo o circuito e soldar tudo o mais organizado possível. Você pode ver que os resistores são protegidos dentro de um tubo termorretrátil. Esteja ciente de que você deve soldar o ânodo e o chatode dos LEDs nos pólos corretos. Os ânodos vão para uma extremidade do resistor e os cátodos vão para GND (-5V em nosso caso). No LED há uma marca de ânodo, encontre a localização dele procurando na ficha de dados do LED. Os LEDs são fixados no dissipador de calor com fita adesiva térmica de dupla face.

Na verdade, usei um conector DC (o transparente) para remover facilmente todo o bloco mostrado na primeira foto (dissipador, LEDs e ventoinha), porém este elemento pode ser evitado.

O conector preto da fonte de alimentação principal 5 / 2.1 EU DC foi colado em um orifício que fiz manualmente.

Os orifícios laterais que fiz na tampa para fixá-la com parafusos à caixa também foram feitos manualmente.

Fazer toda a solda naquele pequeno espaço foi um pequeno desafio. Espero que você goste de abraçá-lo.

Etapa 6: O dispositivo está completo

Parabéns! Basta ligá-lo e começar a purificar o ar.

A vazão de ar é de 7,13 m3 / h, portanto, uma sala de 3x3x3m deve ser purificada em cerca de 4h.

Quando o purificador está ligado, percebi que dele sai um odor que me lembra ozônio.

Espero que tenha gostado deste Instructable e se estiver ainda mais curioso, há uma seção extra sobre um experimento que fiz.

Se você não deseja construir seu próprio purificador de ar, mas gostaria de obtê-lo imediatamente, você poderia comprá-lo na Etsy. Eu fiz um casal ficar à vontade para visitar a página.

Tchau e se cuida, Pietro

Etapa 7: Experiência: o esforço de purificação de sapatos fedidos

Nesta seção extra, gostaria de mostrar um pequeno experimento engraçado que fiz com o purificador.

Coloquei inicialmente um sapato muito fedido - garanto que cheirava mal mesmo - em um cilindro hermético de acrílico com um volume de 0,0063 m3. O que deveria fazer aquele sapato fedorento são grandes moléculas contendo enxofre e carbono e também bioefluentes e bactérias provenientes do pé que estava usando aquele sapato. O que eu esperava ver quando liguei o purificador era a redução de VOC e o aumento de CO2.

Deixei o sapato lá no cilindro por 30min para chegar ao "equilíbrio do fedor" dentro do recipiente. E através de um sensor notei um grande aumento de CO2 (+ 333%) e VOC (+ 120%).

Aos 30 minutos coloquei dentro do cilindro o purificador de ar e liguei por 5min. Notei um novo aumento em CO2 (+ 40%) e VOC (+ 38%).

Tirei o sapato fedorento e deixei o purificador ligado por 9 minutos e o CO2 e o VOC continuaram aumentando drasticamente.

Portanto, de acordo com este experimento, algo estava acontecendo dentro daquele cilindro. Se VOC e bactérias estão sendo destruídos através do processo de mineralização, a teoria nos diz que CO2 e H2O são formados, então pode-se dizer que está funcionando porque o experimento mostra que CO2 continua se formando, mas por que o VOC também continuou aumentando? O motivo pode ser que usei o sensor errado. O sensor que usei é o mostrado na foto e pelo que entendi ele estima o CO2 de acordo com uma porcentagem de VOC usando alguns algoritmos internos e também atinge a saturação de VOC facilmente. O algoritmo, que é desenvolvido e integrado no módulo sensor, interpretou os dados brutos, por exemplo, valor de resistência do semicondutor de óxido de metal, em valor equivalente de CO2 ao fazer o teste de comparação com o sensor de gás CO2 NDIR e o valor de VOC total com base no teste de comparação com o instrumento FID. Acho que não usei equipamentos sofisticados e precisos o suficiente.

De qualquer forma, foi engraçado tentar testar o sistema dessa forma.

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