Virtual modeling and design of an optimal light emitting diodes-based photocatalyst test system

Abstract

El diseño y construcción de equipos que permitan probar materiales con posibles propiedades fotocatalíticas es de gran importancia en el área de investigación de materiales. En el marco del diseño es necesario tomar en cuenta tres factores principales. El primero de ellos es quizá el más importante y se trata de la fuente de iluminación. El segundo factor que debe ser tomado en cuenta es el fotocatalizador y el tercer factor a tomar en cuenta es el tipo de reactor que se diseñará. En este contexto, el presente trabajo describe el diseño y modelado de un sistema optimizado para pruebas de fotocatalizadores basado en el uso de diodo emisores de luz (LEDs) con una longitud de onda de 365 nm y una potencia de 3.6 W. Se eligieron LEDs como fuente de iluminación, debido a que poseen características favorables como: eficiencia energética, gran expectativa de vida, flexibilidad de diseño, bajo costo, variedad de intensidades y longitudes de onda apropiadas. La simulación de la fuente de iluminación fue realizada mediante herramientas de ingeniería óptica presentes en OpticStudio, un software óptico de la compañía ZEMAX que permitió determinar principalmente la irradiancia óptima de la fuente (0.412 W/cm2) y la distancia a la que se deben ubicar los LEDs uno respecto a otro. Seguidamente, se selecciona a la anatasa como modelo de fotocatalizador debido a que este semiconductor en particular es uno de los materiales más usado en reacciones fotocatalíticas debido a la energía de band gap relativamente baja que posee (3.2 eV). Se seleccionó el modo de funcionamiento batch, debido a que se obtienen beneficios como el manejo de volúmenes pequeños de muestras, disminución del tiempo de residencia, fácil control del grado de conversión de la reacción y menor costo asociado a las dimensiones del equipo. Una vez que se obtuvieron los datos referentes a la fuente de iluminación, fotocatalizador y tipo de reactor, se implementa el software Proteus 8 para diseñar el circuito eléctrico obteniendo valores de amperaje (2.69 A) y voltaje (6.07 V). Seguidamente se utiliza el software Autodesk Fusion 360 para diseñar la estructura final de todo el equipo obteniendo las siguientes dimensiones 320 x 193.2 x 180 mm.