Dioxyde de titane et purificateur d'air UV : 7 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Bonjour communauté d'Instructable, J'espère que vous allez tous bien dans les circonstances d'urgence que nous vivons en ce moment.

Aujourd'hui, je vous présente un projet de recherche appliquée. Dans ce Instructable, je vais vous apprendre comment construire un purificateur d'air fonctionnant avec un filtre photocatalyque TiO2 (dioxyde de titane) et des LED UVA. Je vais vous expliquer comment fabriquer votre propre purificateur et je vais également vous montrer une expérience. Selon la littérature scientifique, ce filtre devrait éliminer les mauvaises odeurs et tuer les bactéries et virus dans l'air qui le traverse, y compris la famille des coronavirus.

Dans ce document de recherche, vous pouvez voir comment cette technologie peut être utilisée efficacement pour tuer les bactéries, les champignons et les virus; ils citent en fait une recherche de 2004 intitulée The Inactivation Effect of Photocatalytic Titanium Apatite Filter on SARS Virus, dans laquelle les chercheurs déclarent que 99,99% des virus du syndrome respiratoire aigu sévère ont été tués.

J'aimerais partager ce projet car je pense qu'il pourrait être particulièrement intéressant car il tente de résoudre un problème grave et parce qu'il est multidisciplinaire: il rassemble des notions de chimie, d'électronique et de conception mécanique.

Les marches:

1. Photocatalyse avec TiO2 et lumière UV

2. Fournitures

3. Conception 3D du purificateur d'air

4. Circuit électronique

5. Souder et assembler

6. L'appareil complet

7. L'effort de purification des chaussures puantes

Étape 1: Photocatalyse avec TiO2 et lumière UV

Dans cette section, je vais expliquer la théorie derrière la réaction.

Tout est résumé graphiquement dans l'image ci-dessus. Ci-dessous, je vais expliquer l'image.

Fondamentalement, le photon avec suffisamment d'énergie arrive dans la molécule de TiO2 dans l'orbite où tourne un électron. Le photon frappe fort l'électron et le fait sauter de la bande de valence à la bande de conduction, ce saut est possible car le TiO2 est un semi-conducteur et parce que le photon a suffisamment d'énergie. L'énergie du photon est déterminée par sa longueur d'onde selon cette formule:

E = hc/λ

où h est la constante de la planche, c est la vitesse de la lumière et est la longueur d'onde du photon, qui dans notre cas est de 365 nm. Vous pouvez calculer l'énergie à l'aide de cette belle calculatrice en ligne. Dans notre cas c'est E=3, 397 eV.

Une fois que l'électron s'éloigne, il y a un électron libre et un trou libre là où il se trouvait autrefois:

électron e-

trou h+

Et ces deux-là sont à leur tour touchés par d'autres molécules qui font partie de l'air qui sont:

Molécule H2O de vapeur d'eau

OH-hydroxyde

O2 molécule d'oxygène

Quelques réactions redox se produisent (en savoir plus à leur sujet dans cette vidéo).

Oxydation:

La vapeur d'eau plus un trou donne un radical hydroxyle plus un ion hydrogène hydraté: H2O + h+ → *OH + H+(aq)

L'hydroxyde plus un trou donne le radical hydroxyle: OH- + h+ → *OH

Réduction:

molécule d'oxygène plus un électron donne un anion superoxyde: O2 + e- → O2-

Ces deux nouvelles choses formées (le radical hydroxyle et l'anion superoxyde) sont des radicaux libres. Un radical libre est un atome, une molécule ou des ions avec un seul électron non apparié, c'est fou instable comme dit dans cette vidéo Crush Course très amusante.

Les radicaux libres sont les principaux responsables de nombreuses réactions en chaîne qui se produisent en chimie, par exemple la polymérisation, qui se produit lorsque des monomères se joignent les uns aux autres pour former un polymère, ou en d'autres termes pour fabriquer ce que nous appelons plus largement du plastique (mais c'est une autre histoire).

L'O2 frappe les grandes molécules d'odeur et les bactéries et brise leurs liaisons carbone en formant du CO2 (dioxyde de carbone)

* OH frappe les grosses molécules odorantes et les bactéries et brise leurs liaisons hydrogène en formant H2O (vapeur d'eau)

L'union du radical libre aux composés ou organismes carbonés s'appelle la minéralisation et c'est exactement là que se produit la destruction.

Pour plus d'informations, j'ai joint le PDF des articles scientifiques que j'ai cités dans l'intro.

Étape 2: Fournitures

Pour réaliser ce projet, vous aurez besoin de:

- Boîtier imprimé en 3D

- Couvercle imprimé en 3D

- aluminium anodisé découpé au laser de 2 mm d'épaisseur

- sérigraphie (facultatif, finalement je ne l'ai pas utilisé)

- 5 pièces de LED UV haute puissance 365nm

- PCB étoiles avec empreinte 3535 ou LED déjà montées sur une étoile

- ruban adhésif thermique double face

- Filtre photocatalyseur TiO2

- Alimentation 20W 5V

- Connecteur UE 5/2.1mm

- Ventilateur 40x10mm

- tubes hurlants thermiques

- vis et écrous à tête fraisée M3

- 5 résistances 1W 5ohm

- 1 résistance 0.5W 15ohm

- petits fils

J'ai ajouté les liens pour acheter des trucs, mais je n'exécute aucun programme d'affiliation avec les fournisseurs. Je mets les liens uniquement parce que si quelqu'un souhaite reproduire le purificateur d'air de cette manière peut avoir une idée des fournitures et des coûts.

Étape 3: Conception 3D du purificateur d'air

Vous pouvez trouver l'intégralité du fichier d'assemblage au format.x_b dans le fichier réaliser.

Vous remarquerez peut-être que j'ai dû optimiser le boîtier pour l'impression 3D. J'ai épaissi les murs et j'ai décidé de ne pas lisser l'angle à la base.

Le radiateur est découpé au laser et fraisé. Il y a un abaissement de 1 mm sur l'aluminium anodisé de 2 mm (RED ZONE) qui permet une meilleure flexion. Le pliage a été fait manuellement avec une pince et un étau.

Un de mes amis m'a fait remarquer que le motif sur le devant de l'étui est similaire au tatouage que porte Leeloo dans le film Le Cinquième Élément. Drôle de coïncidence !

Étape 4: Circuit électronique

Le circuit électronique est très simple. Nous avons une alimentation à tension constante de 5V et en parallèle nous allons placer 5 LED et un ventilateur. Grâce à un tas de résistances et avec quelques calculs mathématiques, nous décidons de la quantité de courant que nous injecterions dans les LED et dans le ventilateur.

LES LED

En regardant la fiche technique des LED, nous voyons que nous pouvons les piloter jusqu'à 500mA maximum, mais j'ai décidé de les piloter à moitié puissance (≈250mA). La raison en est que nous avons un petit dissipateur thermique, qui est essentiellement la plaque d'aluminium à laquelle ils sont fixés. Si nous pilotons la LED à 250mA, la tension directe de la LED est de 3,72V. Selon la résistance que nous décidons de mettre sur cette branche du circuit, nous obtenons le courant.

5V - 3,72V = 1,28V est le potentiel de tension que nous avons sur la résistance

Loi d'Ohm R = V/I = 1,28/0,25 = 6,4ohm

Je vais utiliser la valeur commerciale de la résistance de 5ohm

Puissance de la résistance = R I^2 = 0.31W (j'ai effectivement utilisé des résistances de 1W, j'ai laissé de la marge car la LED pouvait chauffer un peu la zone).

LE FAN

La tension suggérée par le ventilateur est de 5 V et un courant de 180 mA, s'il est entraîné avec cette puissance, il peut déplacer l'air au débit de 12 m3/h. J'ai remarqué qu'en allant à cette vitesse le ventilateur était trop bruyant (27dB), j'ai donc décidé de baisser un peu la tension d'alimentation et l'alimentation en courant du ventilateur, pour ce faire j'ai utilisé une résistance de 15ohm. Pour comprendre la valeur nécessaire j'ai utilisé un potentiomètre et j'ai vu quand j'aurais environ la moitié du courant, 100mA.

Puissance de la résistance = R I^2 = 0,15 W (j'ai utilisé une résistance de 0,5 W ici)

Ainsi, le débit final réel du ventilateur est de 7,13 m3/h.

Étape 5: Souder et assembler

J'ai utilisé des câbles minces pour joindre les LED ensemble et rendre l'ensemble du circuit et tout soudé aussi organisé que possible. Vous pouvez voir que les résistances sont protégées à l'intérieur d'une gaine thermorétractable. Sachez qu'il faut souder l'anode et la chatode des LED aux bons pôles. Les anodes vont à une extrémité de la résistance et les cathodes vont à GND (-5V dans notre cas). Sur la LED, il y a une marque d'anode, trouvez l'emplacement de celle-ci en la recherchant dans la fiche technique de la LED. Les LED sont fixées au dissipateur thermique avec du ruban adhésif thermique double face.

J'ai en fait utilisé un connecteur DC (le transparent) pour retirer facilement l'ensemble du bloc montré sur la première image (dissipateur thermique, LED et ventilateur), cependant cet élément peut être évité.

Le connecteur noir d'alimentation principale 5/2.1 EU DC a été collé dans un trou que j'ai percé manuellement.

Les trous latéraux que j'ai faits dans le couvercle pour fixer le couvercle avec des vis au boîtier ont également été percés manuellement.

Faire toute la soudure dans ce petit espace était un petit défi. J'espère que vous prendrez plaisir à l'embrasser.

Étape 6: L'appareil est terminé

Toutes nos félicitations! Il suffit de le brancher et de commencer à purifier l'air.

Le débit d'air est de 7,13 m3/h donc une pièce de 3x3x3m doit être épurée en 4h environ.

Lorsque le purificateur est allumé, j'ai remarqué qu'il en sort une odeur qui me rappelle l'ozone.

J'espère que vous avez aimé ce Instructable et si vous êtes encore plus curieux, il y a une section supplémentaire sur une expérience que j'ai faite.

Si vous n'êtes pas prêt à construire votre propre purificateur d'air mais que vous souhaitez simplement l'obtenir tout de suite, vous pouvez l'acheter sur Etsy. J'en ai fait un couple alors n'hésitez pas à visiter la page.

Au revoir et prends soin de toi, Pietro

Étape 7: Expérimentez: l'effort de purification des chaussures puantes

Dans cette section supplémentaire, je voudrais montrer une petite expérience amusante que j'ai faite avec le purificateur.

Au départ j'ai mis une chaussure très puante - je vous assure qu'elle sentait vraiment mauvais - dans un cylindre hermétique en acrylique d'un volume de 0,0063 m3. Ce qui devrait rendre cette chaussure aussi malodorante, ce sont de grosses molécules contenant du soufre et du carbone, ainsi que des bioeffluents et des bactéries provenant du pied qui portait cette chaussure. Ce que je m'attendais à voir lorsque j'ai allumé le purificateur, c'était que les COV réduisaient et que le CO2 augmentait.

J'y ai laissé la chaussure dans le cylindre pendant 30 minutes afin d'atteindre le "balance de puanteur" à l'intérieur du conteneur. Et grâce à un capteur, j'ai remarqué une augmentation massive du CO2 (+333%) et des COV (+120%).

À la minute 30, j'ai placé à l'intérieur du cylindre le purificateur d'air et je l'ai allumé pendant 5 minutes. J'ai remarqué une nouvelle augmentation du CO2 (+ 40 %) et des COV (+ 38 %).

J'ai retiré la chaussure puante et j'ai laissé le purificateur allumé pendant 9 minutes et le CO2 et les COV continuaient d'augmenter considérablement.

Donc, selon cette expérience, quelque chose se passait à l'intérieur de ce cylindre. Si les COV et les bactéries sont détruits par le processus de minéralisation, la théorie nous dit que du CO2 et du H2O se forment. La raison peut être que j'ai utilisé le mauvais capteur. Le capteur que j'ai utilisé est celui montré sur la photo et d'après ce que j'ai compris, il estime le CO2 en fonction d'un pourcentage de COV à l'aide d'algorithmes internes et atteint également facilement la saturation en COV. L'algorithme développé et intégré dans le module capteur a interprété les données brutes, par ex. valeur de résistance à l'oxyde métallique semi-conducteur, en valeur équivalente de CO2 en effectuant le test de comparaison avec le capteur de gaz NDIR CO2 et la valeur totale de COV basée sur le test de comparaison avec l'instrument FID. Je pense que je n'ai pas utilisé de matériel assez sophistiqué et précis.

Quoi qu'il en soit, il a été amusant d'essayer de tester le système de cette façon.

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