CN115698599A - 用于从空气中净化生物制剂和挥发性有机化合物的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于改进房间中的室内空气质量的方法，包括从房间抽取空气并且将空气导入装有碱金属氢氧化物/H2O2水溶液的气/液接触器中，使空气通过设立在气/液接触器中并且在碱金属氢氧化物/H2O2水溶液的表面液位下方的穿孔膜，使得产生的气泡行进通过所述溶液，并且从所述气/液接触器取得具有改善质量的处理过的空气，所述处理过的空气的特征在于具有：降低的二氧化碳水平；和/或降低的VOC水平；和/或降低的微生物负荷。还提供了一种实施该方法的空气净化器。

Description

用于从空气中净化生物制剂和挥发性有机化合物的方法和 装置
发明领域
本发明总体上涉及用于空气处理的***和方法。更具体地说，本发明涉及一种用于从空气中净化化学和生物污染物的方法，这些化学和生物污染物比如挥发性有机化合物(VOC)、甲醛、病毒、细菌等，并且涉及一种用于净化空气、实现CO2和生物负荷降低的家用***。
背景技术
家庭和办公室中使用的供暖、通风和空调(HVAC)***促进了空气调节封闭空间内空气污染物的积聚。在办公建筑中操作的中央HVAC***积聚室外空气，调节其温度和湿度，并在建筑物的空间内循环调节过的空气。然而，从室外带到***中的空气在许多情况下是被污染的，导致例如灰尘、烟雾、雾霾、化学品等微粒输送到封闭空间中,并且从空间自身内部添加额外的微粒。在小型住宅的空调中这种情况同样存在问题，在这里室内空气以闭环方式循环，甚至没有将室外的清新空气添加回路中。这两种情况(即办公建筑和小型住宅)都会导致固体颗粒和气体(比如灰尘、烟雾、雾霾等)以及生物危害(比如病毒和细菌等)在空气调节空间内积聚。这些微污染物损害健康和生产力。
已经开发了各种家庭空气净化器(以下也称为“家庭净化器”或“房间净化器”，它们用于家庭、办公室、医院、医疗诊所、等候室等的单个房间)作为现有HVAC***的补充以减少封闭空间中污染颗粒的积聚。这些是独立的设备，通常包括静音鼓风机和一组一个或多个精细过滤器。这些空气净化器被设计成通过该组精细过滤器循环室内空气，从而捕获尺寸从1μm到10μm及以上的颗粒。1μm颗粒一般来源于烟雾和雾霾，2.5μm颗粒来源于机动车尾气和木材燃烧火焰，10μm以上的颗粒来自一般尘埃。虽然捕获了高达99％的那些微米级颗粒，但这些传统空气净化器通常不能有效对抗多种化学和生物污染物，即，不能有效降低室内二氧化碳水平以及挥发性有机化合物(VOC)(例如甲醛)、过敏原、细菌、病毒等。
需要提供一种具有去除空气中的化学和生物污染物的能力的家用空气净化器。
在JP 2003-161482(通过电化学方式生成的H2O2溶液)、JP 2001-062239和CN2675130(使处理后的空气通过依次设置的化学溶液，包括碱金属氢氧化物和过氧化钠)。
碱金属氢氧化物水溶液/H2O2溶液(即其中添加了H2O2的碱金属氢氧化物溶液，在下文中也称为“MOH/H2O2试剂”；M代表碱金属，例如钠、钾或其混合物)先前已被报告为超氧自由基阴离子的生产者。在一系列出版物中(WO 2013/093903；Stoin,U.等人，ChemPhysChem,2013,14,4158，以及WO 2015/170317)，显示了MOH/H2O2试剂水溶液是一种强力氧化剂，可以用于实现若干有用的目的：
从烟道气中吸收二氧化碳；
破坏大量四氯化碳和其他氯化的甲烷和乙烷化合物；
并且修复土壤中的柴油和原油污染物。
在共同转让的WO 2018/002710中，重点转移到空气处理，提出使用MOH/H2O2试剂水溶液去除空气中的目标气体，主要是去除火灾时产生的一氧化碳。MOH/H2O2试剂能中和的其它目标气体在WO 2018/002710的第15页中列出。WO 2018/002710中描述的***包括接收来自处理空间的污染空气流的入口和包含水溶液的反应室，使得包含在多个气泡中的一种或多种目标气体物种的量通过与溶液反应而减少。然后将从溶液中流出的处理过的空气返回到处理空间中。WO 2018/002710证明了反应室将有毒气体(比如一氧化碳、二氧化碳、NOx等)转化为无害化学物质(例如氧气)的效率，因此有助于呼吸，特别是在火灾期间空气高度污染的情况下。然而，正常条件下的家庭或办公室房间的状态与WO 2018/002710证明的火灾污染空气处理的状态有很大不同，因为火灾情况下的污染物浓度比率比正常条件下的房间高几个数量级。
在另一方面，传统的家用空气净化器是固定单元，需要将专用单元定位在每个待处理的房间中，而不管在给定时间内房间中的污染物比率是否高于有害阈值。这样的配置导致资源浪费或导致其中未定位家庭净化器的房间中的空气质量损害。
本发明的目的是提供一种用于减少生物危害的新型家庭净化器。
本发明的另一个目的是提供一种减少危险或有害的气体和生物危害的家庭净化器。
本发明的另一个目的是提供尺寸紧凑和操作静音的所述新型家庭净化器。
本发明的仍然另一个目的是提供一种能够处理办公室或家庭内的多个房间的单个家庭空气净化器。
本发明的仍然另一个目的是提供一种在所述紧凑和静音的家庭空气净化器内用于减少生物危害和危险或有害的气体的紧凑反应器。
本发明的仍然另一个目的是将本发明的家庭空气净化器与传统的家庭空气净化器集成。
本发明的其他目的和有点随着说明书展开而变得明显。
发明内容
本发明特别地针对保持良好室内空气质量的需要。在建筑物及结构体中的室内空气中发现的污染物分为两类：化学污染物和生物污染物。
主要的化学污染物是甲醛，这是一种无色、气味刺鼻的气体，被美国环境保护署认为是一种重要的有害空气污染物，来自家具、一些纺织品(如地毯)中使用的胶和泡沫以及来自比如烹饪和吸烟等燃烧过程。主要的生物污染物是细菌、真菌和病毒。
为支持本发明进行的实验工作表明，MOH/H2O2试剂可以降低室内空气中的VOC水平(例如甲醛)。MOH/H2O2试剂在长时间测试中显示出气态甲醛向无害副产物的高且稳定的转化率，挑战了甲醛的特征水平(每立方米中零点几毫克，约0.2mg/m3)。同样，通过MOH/H2O2试剂还可以有效地定向得到室内空气中的低二氧化碳浓度，导致基本上完全消除二氧化碳，具有产生氧气的潜在益处(O2是超氧化物氧化CO2的副产物)。
下面报告的结果还表明，MOH/H2O2试剂具有空气消毒作用。也就是说，它对空气中的微生物起作用。因此，MOH/H2O2试剂可以用于控制室内空气中的微生物负荷，特别是通过消除细菌来实现。已知过氧化氢对细菌起作用，但是考虑到过氧化氢在碱性环境中会立即分解，MOH/H2O2试剂的抗菌作用是令人惊讶的。为支持本发明进行的实验工作表明，当将载有生物气溶胶(由细菌(嗜根考克氏菌，K.Rhizophila)产生)的空气物流用MOH/H2O2试剂处理时，测量到细菌负荷相对于对照的高对数减少。MOH/H2O2试剂在对抗病毒方面也是有效的：在下面描述的实验模型中，测量到超过99.9％的去除率(测试的病毒是冠状病毒，例如人冠状病毒，比如OC43等)。
如下面参照附图显示的，可以使用数种反应器构造以实现进入的室内空气物流与MOH/H2O2试剂水溶液之间的有效接触，主要基于产生受迫行进通过试剂主体的气泡来实现。
因此，本发明的一个主要方面是一种用于改善房间中的室内空气质量的方法，包括从房间抽取空气并且将空气引导至装有碱金属氢氧化物/H2O2水溶液的气/液接触器，使空气通过设立在气/液接触器中并且在碱金属氢氧化物/H2O2水溶液表面液位的下方的穿孔膜，使得产生的气泡通过所述溶液，并且从所述气/液接触器获得具有改善的质量的处理过的空气，所述处理过的空气的特征在于具有：
降低的二氧化碳水平(从1,000ppm至200,000ppm，例如从1,000ppm至10,000ppm，降至低于1,000ppm，例如降至400ppm至700ppm)；和/或
降低的VOC(例如甲醛)水平；和/或
降低的微生物负荷(例如，细菌负荷和/或病毒负荷的至少1对数减少，例如，至少2对数减少)。获得的另一项益处是室内环境中高达23％的氧富集。
如本文使用的，术语“穿孔膜”涉及允许空气由其通过以分散空气物流并在溶液中产生气泡的穿孔元件。它可以具有扁平的几何形状(例如，如图16l所示的膜836)或管状的几何形状(例如，如图18a所示的膜936，其中膜具有穿孔的螺旋管构造)。术语“反应器”和“气/液接触器”在本文中可互换使用。
本发明还涉及一种用于消除房间中的化学和生物污染物的空气净化器，其包括：(a)入口空气通道；(b)一个或多个吸气部件，其被配置为将空气从房间引导到所述入口通道中，并且将空气经由所述空气通道引导到安装在化学和生物污染物消除反应器中的穿孔膜中；和(c)出口空气通道，其被配置为接收来自反应器的处理过的空气；(d)其中该反应器包括：(d.1)储器，该储器被配置为容纳碱金属氢氧化物/H2O2净化水溶液；其中在净化器操作期间，所述穿孔膜被定位在溶液表面液位的下方，使得通过穿孔膜的空气被转化为气泡，该气泡行进通过溶液并朝向所述出口通道行进；并且其中空气净化器进一步包括定位在反应器上方的可移动存储单元，所述可移动存储单元被配置为容纳碱金属氢氧化物、过氧化氢和任选的水并将它们供应到所述反应器。
在本发明的实施方案中，所述入口空气通道沿向下的方向输送空气，该入口空气通道通过所述穿孔膜中的开口通往位于穿孔膜下方的空气室。
在本发明的实施方案中，所述入口空气通道的底部出口相对于穿孔膜的上表面被密封，从而使来自入口空气通道的空气仅通过膜的穿孔通往膜下方的储器部分，并且其中所述膜的直径小于碱金属氢氧化物/H2O2溶液储器的直径。
在本发明的实施方案中，膜的每个穿孔的直径均在40μm至1,200μm范围内。
在本发明的实施方案中，每个穿孔均具有分别位于穿孔膜的上表面和下表面处的顶部开口和底部开口，所述顶部开口的直径大于所述底部开口的直径。
在本发明的实施方案中，每个穿孔根据横截面被分成两个部分，下部部分具有圆柱形形状，上部部分具有截头圆锥形形状。
在本发明的实施方案中，所述入口空气通道的底部出口被配置成将污染空气引向穿孔膜，所述穿孔膜具有螺旋管结构并位于所述净化溶液储器的下部。
在本发明的实施方案中，每个所述穿孔被定位在管下部的横截面中，从而引导空气出口向下通过穿孔。
在本发明的实施方案中，每个所述穿孔被定位为横截面比管的水平直径低至少30°。在本发明的这一实施方案中，每个所述穿孔的直径在40μm至1,200μm范围内。
在本发明的实施方案中，每两个穿孔之间的距离在穿孔直径的2倍至50倍范围内。
在本发明的实施方案中，所述存储单元包括碱金属氢氧化物容器、H2O2容器和任选的水容器。
在本发明的实施方案中，空气净化器具有基本圆筒形的形状，其中所述碱金属氢氧化物容器、所述H2O2容器、所述水容器同心地设置在存储单元内。
在本发明的实施方案中，碱金属氢氧化物容器被配置为以可释放的设置来容纳碱金属氢氧化物片剂。
在本发明的实施方案中，碱金属氢氧化物容器包括多个柱，每个柱被配置为存储碱金属氢氧化物片剂。
在本发明的实施方案中，碱金属氢氧化物容器被配置为以一定角度旋转，从而将单个柱定位在导向所述溶液储器的通路的开口上方，从而允许通过氢氧化物片剂定期供给溶液。
在本发明的实施方案中，空气净化器具有装配在反应器上游的入口通道中的鼓风机和HEPA过滤器。
在本发明的实施方案中，空气净化器与具有HEPA过滤器的家用房间净化器集成，其中入口空气通道是从家用房间净化器的入口空气通道向下游分叉到HEPA过滤器的分支，并且其中出口通道连接家用房间净化器的出口通道。
在本发明的实施方案中，空气净化器进一步包括用于测量房间空气的CO2浓度的传感器，并且其中该设备的进度和操作时间基于通过所述传感器进行的CO2测量结果。
本发明还涉及家庭空气净化***，包括：(a)多个空气质量传感器，每个传感器被定为于家庭的另一个房间中；(b)对接站，其被设置为：(b.1)作为移动空气净化器的主机；(b.2)接收来自全部所述多个传感器的空气质量测量结果，并且确定房间的污染水平何时超过预定污染阈值；和(b.3)与所述移动空气净化器通信，并且至少向该净化器发送已检测到污染超过所述预定污染阈值的房间的指示；和(c)所述移动空气净化器，其被设置为：(c.1)与所述对接站通信，并且至少由该对接站接收已检测到污染超过所述预定污染阈值的房间的指示；(c.2)在接收所述指示之后，导航至污染房间，在那里操作以净化房间，并且在完成之后返回对接站。
在本发明的实施方案中，所述污染包括一种或多种化学和生物污染物。
在本发明的实施方案中，所述移动空气净化器包括：(a)入口空气通道；(b)一个或多个吸气部件，其被配置为将空气从房间吸取到所述入口通道中，并且将空气经由所述空气通道引导至安装在生物危害消除反应器处的穿孔膜中；和(c)出口空气通道，其被配置为接收来自反应器的处理过的空气，并且将处理过的空气返回到房间中；其中生物危害消除反应器包括：(d)储器，其被配置为容纳碱金属氢氧化物/H2O2净化水溶液；其中在净化器操作期间，所述穿孔膜被定位在溶液表面液位的下方，使得通过穿孔膜的空气被转化为气泡，这些气泡行进通过溶液并且朝向所述出口通道行进；并且
其中空气净化器进一步包括定位在反应器上方的可移除存储单元，所述可移除存储单元被配置为容纳碱金属氢氧化物、过氧化氢和水并将它们供应到所述反应器。
例如，通过供给碱金属氢氧化物溶液并且连续或定期将过氧化氢溶液添加到到碱金属氢氧化物溶液中来将碱金属氢氧化物/H2O2水溶液装入气/液接触器中，其中该碱金属氢氧化物溶液是事先制备的或者通过将固体碱金属氢氧化物(例如，以片剂或颗粒形式)溶解在单独供应到气/液接触器中的水中制备的。
例如，使空气泡(通过迫使进入的空气物流流动跨过膜而产生，如下面详细描述的)行进通过碱金属氢氧化物溶液(例如，NaOH或KOH，或其混合物)，定期或连续向其中添加H2O2物流(例如，通过在碱金属氢氧化物溶液的液位下方紧邻所述穿孔膜、即在穿孔附近注入)。碱金属氢氧化物溶液的浓度在5wt％到48wt％之间变化，例如，在10wt％到48wt％～50wt％之间变化。添加到碱金属氢氧化物溶液的过氧化氢溶液的浓度为3wt％、4wt％或5wt％到至多35wt％，例如，10wt％到30wt％。可接受的H2O2物流的添加速率可以在0.01ml/min到10ml/min之间变化，例如至多2ml/min、3ml/min或4ml/min。溶液之间的体积比为2:1至10:1，碱金属氢氧化物溶液占优。该比例可以根据污染物的概况进行调整。如上面提到的，本发明所针对的化学污染物包括二氧化碳和VOC；生物污染物包括细菌和病毒，比如冠状病毒等，例如人冠状病毒，比如OC43等。
具有平坦(平面)几何形状的穿孔膜优选被水平地安装在竖直定位的空气净化器中。合适的穿孔膜为1mm至10mm厚，由化学惰性材料(不锈钢、塑料等)制成，并且具有40μm至1,200μm直径的孔，这些孔总体上均匀地分布在膜上。孔的直径可以是恒定的，即，其不会在膜厚度范围内变化，使得通路(孔)的两个相对侧的直径相等。穿孔膜的一项设计涉及穿孔(孔)直径的变化，空气通过这些孔流过膜。优选地，使空气经由穿孔通过膜，该穿孔的直径沿着膜的厚度增加(在操作中，直径从膜的羡下表面到膜的上表面增加)；穿孔是由圆筒形部分(其直径(D圆筒)在例如0.08mm至1mm范围内)连接面向溶液的倒置截头圆锥形部分(该截头圆锥形的小底面直径等于D圆筒)组成的通路；该面向溶液的截头圆锥形部分的大底面的直径为D圆筒的1.3倍至2.0倍，穿孔(通路)之间的间隔为D圆筒的至少3倍。替代性地，通路被成型为具有小底面和大底面的圆锥体的截头体；空气通过通过小底面进入并且通过面向溶液的大底面离开来通过膜。由这种几何形状得到的益处在下面详细解释。
在添加的HEPA过滤器(高效颗粒过滤器)和鼓风机的帮助下，上面描述的设备可以作为独立式空气净化器发挥作用，减少室内环境的化学和微生物负荷。替代性地，其可以与常规空气净化器或HVAC***偶联。如上面指出的，常规空气净化器(配备有静态过滤器)或HVAC***可以得益于集成在其中的辅助单元，以便在MOH/H2O2试剂的帮助下处理从朱气流分出的二次气体物流。引导由此产生的去除化学和/或生物污染空气(例如，具有降低的甲醛和/或CO2水平和/或降低的微生物负荷)汇合到从常规空气净化器释放的主气流，如下面图5中所示。在另一实施方案中，本发明的空气净化器可以独立操作，同时包括内部HEPA过滤器，如下面在图16a至图16p的实施方案中描述的。
因此，被抽取到气/液接触器(其中放置有MOH/H2O2试剂)中的空气是由使室内空气通过捕获颗粒的过滤器而产生的过滤空气物流。
本发明的一个特定方面是一种用于改善室内空气质量的方法，包括以下步骤：
抽取室内空气，并使其以第一流速通过过滤器以捕获空气中的颗粒和产生主过滤空气物流；
分出主过滤空气物流的一部分以产生以第二流速流动的二次过滤空气物流，
迫使所述二次过滤空气物流进入装有MOH/H2O2试剂的气/液接触器，在这里使过滤空气以气泡形式与MOH/H2O2试剂接触；
从所述气/液接触器抽取过滤和去除污染的空气物流；并且
将所述过滤和去除污染的空气物流与主过滤空气物流汇合。
主过滤空气物流和二次过滤空气物流的特征流速可以分别为500L/min至8000L/min和80L/min至1,000L/min。
附图说明
在附图中：
-图1示意性示出了传统(现有技术)家庭空气净化器的总体结构；
-图2示意性示出了WO 2018/002710披露的空气处理单元的总体结构；
-图3a显示了根据本发明实施方案的独立式家庭空气净化器；
-图3b和图3c是图3a呈现的家庭空气净化器的两个侧视图；
-图4示出了根据本发明第二实施方案的反应器结构；
-图5示出了基于传统过滤器的家庭空气净化器与本发明的空气净化器之间的集成；
-图6显示了根据本发明实施方案的移动家庭空气净化***的结构；
-图7显示了用于消除生物危害的图6的***的示例性配置；并且
-图8显示了根据本发明实施方案的示例性对接站和移动净化器。
-图9显示了用于测试在NaOH/H2O2试剂的帮助下从空气去除甲醛的实验装置。
-图10显示了甲醛浓度相对于时间的绘图。
-图11显示了在进入(污染)的空气物流和离去(处理过)的空气物流中测量的甲醛浓度相对于时间的绘图。
-图12显示了用于测试在NaOH/H2O2试剂的帮助下从空气去除CO2的实验装置。
-图13显示了在进入(污染)的空气物流和离去(处理过)的空气物流中测量的CO2浓度相对于时间的绘图。
-图14显示了在进入(污染)的空气物流和离去(处理过)的空气物流中测量的氧浓度相对于时间的绘图。
-图15显示了用于测试在NaOH/H2O2试剂的帮助下从空气去除细菌的实验装置。
-图16a至图16p示出了根据本发明的第三实施方案的家庭净化器的结构。图16b和图16c是示意图。图16h、16i和16j分别提供了家庭净化器的部分图示。图16e、16f和16提供了家庭净化器的截面图。图16k至图16n描述了家庭净化器的穿孔膜的结构，并且图16o和图16p描述了与传统穿孔膜相比通过本发明的穿孔膜获得的改善的气泡产生效果；
-图17显示了用于测试在NaOH/H2O2试剂的帮助下从空气去除细菌的实验装置；
-图18a至图18d描述了家庭净化器的第四实施方案；并且
-图19是显示不同类型穿孔膜性能的柱形图。
具体实施方式
图1示意性示出了传统(现有技术)家庭(家用)空气净化器100的总体结构。净化器大体上包括底座(基座)S、空气入口110、空气鼓风机B、一组一个或多个过滤器F(通常为高效颗粒HEPA型过滤器)、控制单元C、控制面板P、一个或多个传感器112和空气出口114。在操作中，鼓风机B(术语“鼓风机”在本文中也称为“空气吸取部件”)经由入口110从房间连续吸取污染空气120，并将该空气引导通过一组一个或多个过滤器F。过滤器F捕获悬浮在空气中的污染颗粒，形成净化空气流122，将该气流经由出口114返回到房间中。通常，家庭空气净化器100还包括至少一个用于感测房间中空气的污染物水平的传感器112，并且将空气质量水平显示在控制面板P中的显示器上。控制面板P通常包括所述显示器和用于选择设备的理想操作模式及必要净化水平(例如，根据空气中的颗粒浓度)的控制器。家庭空气净化器100仅能有效去除尺寸通常低达0.3μm的固体颗粒，因为其过滤能力仅取决于被动过滤器F。然而，这种类型的家庭空气净化器既不能去除生物制剂(比如病毒和小细菌等)也不能去除有害气体。
图2示意性示出了WO 2018/002710的空气处理单元200的总体结构。该空气处理单元包括反应储器220，该储器容纳净化溶液238。在必要时，从3个子储器供给溶液：容纳第一试剂(以液体或固体形式)的第一子储器226、容纳第二试剂(以液体或固体形式)的第二子储器228和任选的容纳水(H2O)的第三子储器230。应注意在某些情况下，每种试剂的储器可能容纳溶解在水中的对应试剂-因此，单独的水储器可能不是必需的。当以特定比例混合时，存储在3个子储器中的物质在反应储器220内形成净化液体238。在必要时，可以响应于从一个或多个传感器(未示出)获得的信息而将一种以上的试剂供应到反应储器。空气处理单元200包括控制器234和一个或多个传感器，包括例如空气传感器、pH传感器和测量反应储器内流体液位的流体液位传感器等。控制器234使用鼓风机B(或者空气泵或类似设备)产生污染的房间空气流242。将通过入口224进入的房间空气推向穿孔膜236。穿孔膜将空气物流转化为气泡222，该气泡被引入储器220内的净化溶液238中。在流动通过净化溶液的同时，污染空气以气泡形式与储器的液体238相互作用并富集氧。随后将富氧空气作为净化空气246经由出口232返回到房间中。WO 2018/002710讨论了单元200的各种实施方案和参数，并且特别地证明了空气处理单元200可以如何净化由于起火而严重被污染空气。然而，如本发明讨论的，起火情况下的净化在若干方面均显著不同于房间内日常空气的净化。更具体地：(a)WO 2018/002710没有详细讨论也没有证明可以如何消除空气中的生物危害；(b)在典型的房间空气(如本发明处置的)中，空气中的生物危害的浓度比起火情况下有毒气体的浓度低几个量级；(c)在WO 2018/002710中没有讨论***对于房间净化器的紧凑性，也没有讨论将其与传统家庭空气净化器集成的可能性；和(d)没有讨论本发明的单个家庭空气净化器如何能消除多个房间的生物危害。区分WO 2018/002710与本发明的其他方面在下文中讨论。
图3a显示了根据本发明实施方案的独立型家庭空气净化器。图3b和图3c是图3a阐述的家庭空气净化器的两个侧视图。反应器310在结构上类似于WO 2018/002710的反应器R，并且进行了修改(比如在孔径和孔间距方面)以有效消除生物危害。图3a至图3c显示了该***的若干其他部件，如下所示：任选的HEPA过滤器342、安全阀312、用于液体形式的试剂B(H2O2溶液)的盒316(用于试剂A(MOH)的类似的盒未示出)、用于试剂B的泵314(用于试剂A的类似的泵未示出)、鼓风机318、电箱326、阀333、电池324和底座330。独立型生物危害净化器的尺寸通常在以下量级：直径20cm至40cm，高度70cm至140cm。在这种净化器结构中，试剂盒可能满足例如几个月的操作期(实际持续时间取决于污染水平)。除了生物危害的消除之外，在独立型家庭空气净化器200(具有反应储器220)中任选包括HEPA过滤器342还提供了小颗粒的消除。尽管反应储器220也可以消除颗粒(除了消除生物危害和不理想的气体之外)，但是串联结构和两项任务的分离是效率更高和更成本有效的。
在图3a至图3c呈现的结构中，污染空气从底部注入到反应器R中，通过穿孔膜236，也如图2所示。反应器有效消除生物危害(以及其他气体和固体颗粒)的能力与气泡222暴露于净化溶液238的时间成正比例。在通过底部向其中供给空气的反应器中(参见图2和图3a至图3c)，每个气泡暴露于反应溶液的持续时间是气泡停留在液体中的时间，即从其离开穿孔膜236的时间到其抵达液体238上表面的时间(使气泡行进图2中的距离d的时间)。这一暴露时间强制限定了反应器内使过程有效的液体238的最小深度，进而强制规定了净化器设备300的最小高度。
图4示出了根据本发明第二实施方案的反应器400，该反应器具有针对给定量的净化溶液提供延长的气泡暴露时间的结构。反应器400具有用于污染空气的上入口424。鼓风机456将污染空气吸取到空气通道458中，该通道终止于其底部的漏斗452。在操作中，定位在漏斗452内的穿孔膜436始终浸泡在净化溶液438中。污染空气流422在与穿孔膜436相互作用之后在漏斗下方产生气泡。自然地，气泡试图从溶液438中逸出。因污染空气流所致的向下的空气压力阻止气泡向后(向上)通过穿孔膜436。合适的向下空气压力(在某个阈值以上)导致气泡向下并离开漏斗452的外周，随后向上朝溶液438的顶部而去。与气泡在图2中呈现的反应器R中形成的直接通路d相比，气泡在净化溶液438中形成的这种非直接通路是显著更长的通路。因此，通过给定的液体液位可以获得更有效的净化，正如优选的，这一事实使得能够减小液体储器462的尺寸并且能够使整个设备紧凑。在通过出口432离开净化器400之前，空气通过除雾器446，该除雾器从空气中去除空气流可能携带的气溶胶残余物和反应液体液滴。盒410容纳H2O2溶液(试剂B)，并且盒412容纳MOH溶液(试剂A)。在这种特定情况下，盒412将MOH溶液分散到进入的空气流466中而不是直接进入净化溶液438中。计量泵446和448分别驱动来自A盒和B盒的液体，使用阀414关闭或开启盒供应。这些泵用于维持溶液438内的理想混合比例和根据房间空气中的污染水平实时测量结果或根据使用者的偏好调整该比例。文献证明，在房间中的CO2量与该房间中的空气中生物危害污染物的水平之间存在关联。因此，净化器400使用相对简单和廉价的CO2传感器464来确定房间中的生物危害水平。控制器435可以使用预定的查找表或替代方式将CO2浓度翻译成预计的空气中生物危害浓度。控制器435还可以使用另一种查找表来定义反应溶液中的成分比例(以及可能的其他操作参数)。
在本发明的一个实施方案中，控制器435可以定期将全部净化溶液438排空到废液容器454中并且用来自A盒、B盒的新鲜内含物和水来更换溶液。在某些情况下，一个或多个盒容纳MOH水溶液和/或H2O2水溶液。因此单独的水盒可能不是必须的。
发明人已发现，与图2呈现的底部供给结构相比，图4呈现的顶部供给污染空气的结构提供了额外的优点。发现在长期使用中，碳酸氢盐会在穿孔膜236上积聚，因此需要定期清洁或更换穿孔膜。在图4呈现的顶部供给结构中，这种现象已被消除或显著降低。而且，已发现与图2呈现的底部供给结构相比，顶部供给结构更安静。
在图4中还显示：
a.电子单元434，除其他部件之外，其还包括控制器435、控制面板、显示器和电源。电子单元还可以包括Wi-Fi收发器以便允许经由智能手机、台式电脑等进行远程控制；
b.传感器464，以便测量房间中的CO2浓度，其水平测量结果帮助控制器决定何时激活或关闭操作；
c.外壳450；和
d.某些额外的传感器,例如，P(压降)、T(温度)、RH(房间湿度)传感器等。
图5示出了本发明的空气中生物危害净化器600与基于传统过滤器的家庭空气净化器100集成形成联合空气净化器700。生物危害净化器600具有上面描述的本发明任何创造性结构的配制，至少包括反应器R及其相关部件。设置用于去除空气中颗粒的传统空气净化器100的主空气鼓风机B1经由入口610从房间吸取空气，并且将该空气引导至传统净化器100的过滤器F，该过滤器F又使用其HEPA过滤器捕获颗粒。本发明的空气中生物危害净化器600的鼓风机B2经由从空气通道610a分支出来的空气通道620将空气从空气通道610a吸取到净化器600中。随后将来自分支620的空气以上面描述的方式通过反应器R净化。将通过反应器R净化的空气输出到分支620b中，引导到主通道610b，并且与传统净化器100产生的净化空气流合并。合并的空气流将双重净化的空气通过空气通道610b返回到房间。两个空气净化器100和600可以定位在同一外壳中或者定位在两个单独的外壳中。因此，图5中呈现的结构使得能够在生物危害空气净化器600中使用相对小的空气鼓风机B2(例如，100L/min至1,000L/min)，利用传统空气净化器100的大空气鼓风机B1(其通常产生1,000L/min至6,000L/min的空气流)以便将净化空气分布到房间的所有部分。替代性地，本发明的净化器可以独立操作，同时包含内部HEPA过滤器，如下面图16a至图16b的实施方案描述的。
测试了本发明的空气中生物危害净化器。本发明的净化器显著降低了空气中生物危害(比如病毒和细菌等)的水平并且减少了其他毒性气体比如CO2、CO、甲醛等。
图6显示了根据本发明另一实施方案的移动家庭空气净化***。该***包括移动空气净化器710、对接站712、多个房间感测单元714、家庭Wi-Fi路由器716和任选的用户智能手机720中的应用程序。每个感测单元714均被设立在房屋的单个房间中，测量该房间内的空气污染水平。测量的污染水平可能与不理想的量的任何气体、颗粒、空气中生物危害等相关，并且这些污染物水平可以直接测量或者基于任何给定的转化方法间接推导。每个感测单元例如经由Wi-Fi网络向对接站712报告其测量的污染水平，该对接站又收集这些测量结果并将其与一个或多个预定阈值比较。对接站包括用于激活移动空气净化器的预定规则。这些规则可以应用于所有房间，或者特定规则可以应用于不同房间。移动净化器710包括导航***，使净化器能够基于从对接站接收到的命令自动导航至任何房间。例如，对接站可以输送命令以令移动净化器移动到卧室，在那里工作60分钟，随后返回对接站。在接收这样的命令之后，移动净化器自动导航至指定房间，操作规定的持续时间，并且自主返回对接站。对接站还可以为移动空气净化器定义任何特定操作模式，并且还可以在操作时向净化器发送命令。对接站还可以用作移动净化器710电池的充电器。空气净化器可以包括一种或多种类型的净化单元，比如，例如，一个或多个HEPA过滤器以及上面描述的本发明的生物危害净化***。
图7显示了用于消除或降低生物危害的图6的***的示例性配置。移动空气净化器710优选制成在实际情况允许的条件下尽可能紧凑。因此，移动空气净化器710可以在紧凑型储器738内包含最少量的净化溶液。对接站可以包括一个或多个用于水以及试剂A(MOH)和试剂B(H2O2)的罐，以排空净化储器738并且用这些罐重新填充该储器。在图7呈现的示例性配置中，对接站包括用于水的补充罐742和用于试剂A(MOH)的补充罐744。受益于其小体积，储器B(H2O2)的罐746被完全容纳在移动净化器710内。
定期地或者基于任何其他限定，对接站712被激活以将现有液体从移动空气净化器的储器738排空到排水罐748中，并且用来自罐742、744和746的新液体(或者固体，如果适用的话)(以预订比例)重新填充储器738。对接站和移动空气净化器包括比如泵、阀等其他部件以执行这些任务。移动空气净化器还包括用于将空气(以气泡形式，如描述的)循环到储器中并将其释放到房间中的鼓风机。
导航需要的部件可以以各种可能的配置分置在移动净化器和对接站中。在一个实施方案中，移动净化器710保持完整的导航能力(即，房屋地图等)。对接站可以指示目标房间，根据该指示，移动净化器自主导航到目标房间。在另一配置中，导航能力保持在对接站712中，而该对接站向移动净化器发送实时指导命令，比如右、左、前、后、移动、停止等。
***还可以包括远程控制(例如，用户智能手机720)。远程控制可以定义***的各种参数。
如指出的，***优选利用房屋的Wi-Fi路由器进行其所有部件之间的通信。可以使用其他类型的无线网络。而且，可以利用可能与对接站分离的中央计算机来接收传感器的数据并且向移动设备发送命令。在这种情况下，对接站仅用作移动空气净化器的充电站。
图7显示了特别设计为净化空气中的生物危害的配置。该配置还包括任选的HEPA过滤器752。在其他实施方案中，移动净化器710可以仅包括空气中生物危害净化能力或仅包括用于从空气中消除固体颗粒的HEPA过滤器。
图8显示了示例性的对接站712和移动净化器710。相对尺寸可能可变。
图16a至图16p示出了根据本发明第三实施方案的家庭净化器800的结构。图16b和图16c是示意图。图16h、16i和16j分别提供了家庭净化器的部分图示。图16e、16f和16提供了家庭净化器的截面图。图16k至图16n描述了家庭净化器800的穿孔膜的结构，并且图16o与图16p描述了与常规穿孔膜相比，通过本发明的穿孔膜获得的改进的气泡产生效果。
图16a显示了家庭净化器800的外形(此外形提供作为例子，仅用于说明)。图16b总体上示出了家庭净化器800的反应器Ra的操作。反应器Ra的总体结构和操作与图2的底部供给的现有技术反应器R(图中类似的附图标记涉及类似元件)的结构和操作有些类似-两种反应器之间的区别在下面详述。然而，尽管在图2的反应器R中，污染空气入口224定位在反应器底部，但是反应器Ra的对应空气入口824定位在净化器的顶部。在上入口824处接收污染空气并且经由空气管827向下输送到槽837中。空气管827经由穿孔膜836的中心开口抵达槽处。污染空气在槽中被压缩，从下往上通过穿孔膜836，导致在溶液838中的气泡。气泡与储器的液体838相互作用并且富集氧。随后将富氧空气经由除雾器和碳过滤器(未示出)作为净化空气877经由出口832返回房间。
图16c示意性示出了净化器800的结构。类似于图5的方案(类似附图标记涉及类似部件)，鼓风机B1和B2同时经由入口824从房间吸取污染空气。在通过Hepa过滤器842之后，将空气流分别分到空气通道819和829中。空气通道819将Hepa过滤的空气以类似于传统过滤设备的方式(经由鼓风机B1)返回房间，同时空气通道829将空气(经由鼓风机B2)输送到反应器Ra进行进化。从下往上输送到槽837的污染空气(参见图16b)从该槽以向上的方向经由穿孔膜836的穿孔通过，在溶液838内产生气泡，在气泡与溶液(以上面描述的方式)相互作用之后执行净化。溶液838占据了反应器舱的一部分空间(在溶液上方存在气体空间)。在净化之后，净化空气首先通过除雾器846，该除雾器从净化空气中去除空气流可能携带的气溶胶残余物和反应液体液滴。从除雾器846的出口，将净化空气输送到任选的碳过滤器849，该过滤器从空气中去除气味。从碳过滤器的出口，净化空气流与Hepa过滤的空气流819合并形成联合空气流819a，其被输送到出口832(即，返回房间)。A盒(碱金属氢氧化物,例如，氢氧化钠或氢氧化钾)以片剂形式提供；每片片剂通过片剂进料器841个别地投入溶液838中。利用(蠕动)第一泵839将B盒内容纳的液体(过氧化氢)供给到溶液838中。可以定期或者在反应器操作的每个预定时期分别执行盒内容物向溶液的供给。净化器进一步包括净水/废水容器847。最初，将净水填充到容器847中并且输送到反应器Ra中以形成溶液838。定期或在预定操作时间之后，将溶液838利用第二泵857泵入容器847中以从设备中去除并且进行溶液更新。Hepa过滤器842、净水/废水容器847、碳过滤器849、A盒826和B盒828是可移除/可更换的部件。整个***由控制器801控制。
图16d显示了净化器800的整体装配结构。净化器总体上具有圆筒形配制，并且包括(从下往上)反应器单元850、操作单元860和存储单元870。还显示了Hepa过滤器842、主鼓风机B1和盖子851。
现在具体参考图16e、16h和16j。存储单元870是可移除的，容纳溶液成分，比如(a)自来水，(b)固体形式(或其他)的碱金属氢氧化物(分别为氢氧化钠或氢氧化钾)，和(c)液体形式的H2O2(过氧化氢)等。存储单元(在本具体例子中)包括3个同心容器，如下所示：用于(片剂形式的)碱金属氢氧化物(NaOH、KOH或二者)的A盒容器826、水容器847和H2O2容器(B盒)828。A盒分为多个柱状圆筒826a，每个容纳多片片剂。在本发明的实施方案中，多个中空的柱状圆筒826a设置在转筒826中。为将片剂添加到溶液838中，电机(未示出)使转筒845旋转以便将片剂柱626a成角度地定位在开口859上方(最佳显示在图16g中)，允许一片片剂通过重力作用落入溶液838。反应器的结构主要在图16e、图16f和图16i中显示，穿孔膜836的结构主要在图16k、图16l和图16n中显示。
例如，每片片剂的重量可以为约5g至100g,例如，15g至30g，在盒826中可以包含2片至100片片剂。水容器可以容纳1L至10L，例如，2L至6L，过氧化氢容器可以包括250ml至10L。最初，用户使用手柄863取下存储单元并且将其用溶液成分填充。在分别用自来水填充水容器、用片剂和液体填充A盒826和B盒828并且将存储单元重新安装到净化器上之后，设备已准备好操作。将水经由管853向下倒入反应器中，并且将一片片剂经由开口(以及对应的管)859向下投入溶液中。将一定剂量的过氧化氢利用泵839、管855(可以使用一个或多个管)以及管(855a)上的对应穿孔(未示出)定期输送到穿孔膜附近(图16f)。已发现将过氧化氢供应到膜穿孔836a的出口附近是优选的，因为这显著降低、甚至消除了由于过程期间积聚在溶液中的碳酸盐所致的膜穿孔阻塞。膜836定位于略高于设备的底部内表面，在膜下方产生槽837(参见图16b和图16e)。通过鼓风机B2从房间吸取的污染空气流(图16c)经由吸入管829输送，经由膜836的中心开口836b抵达槽837。
在过程期间，来自槽中的空气经由膜836的穿孔穿透溶液838，产生气泡，该气泡如上描述地与溶液相互作用。气泡作为净化空气离开溶液。净化空气通过除雾器846，该除雾器从净化空气中去除空气流可能携带的气溶胶残余物和反应液体液滴。除雾器的出口包括漏斗(未示出)，其与导向碳过滤器849的管连接。
在一些操作时间之后，溶液838的效率降低至分别完全更换为新鲜的水以及来自A盒和B盒的成分的程度。当产生这样的必要性时，泵857将舱820(图16b)的全部内容物泵吸和输送到净水/废水容器847中。“废”液通常富含碳酸钾(非有害物质)。随后用户可以取下存储单元870并且可以：(a)使用“废”液为其花园施肥；(b)将液体倒入排水设备；或者(c)将液体返回成分供应者以进一步处理。
当尽可能小和尽可能多的气泡同时产生时，本发明的过程得到优化。这种配置最大化了气泡与溶液838之间的总体相互作用表面。然而，已发现穿孔过近的膜导致邻近气泡大量合并，如图16o的现有技术膜896示出的。发明人已发现，在各气泡试图从膜顶面分离进入溶液时，其(在现有技术膜中)所面临的困难增加了气泡的尺寸，导致相邻气泡之间的合并。这种分离延迟使各气泡的尺寸增加到相邻气泡合并的程度。
图16n显示了解决了上面的气泡间合并问题的膜836的横截面。与典型膜中存在的圆筒形穿孔的横截面不同，本发明的膜的每个穿孔包括两个部分，下部圆筒形部分836c和朝向膜的上表面增大的上部截头圆锥形部分836d。更特别地，从下往上的空气流首先面对小直径圆筒形穿孔，随后穿孔直径朝向膜的上面增大。这样的穿孔配置容易使每个气泡与穿孔分离,从而对于给定的穿孔尺寸和给定的穿孔密度而言，显著降低了气泡间的合并。图16p示出了与图16o的圆筒形配置相比的这种改善的结果。如显示的，在图16o的圆筒形配置中，相邻的气泡836g倾向于在其释放到溶液中之前合并。与图16o的圆筒形配置相反，在图16p的组合型圆筒形-截头圆锥形配置中，气泡936g之间的合并发生被减少、甚至消除了。
在某些情况下，穿孔的下部圆筒形部分的高度被减少了(与上部的圆锥体部分的高度相比)。在某些其他情况中，穿孔的下部圆筒形部分可以被消除，得到截头圆锥体横截面。图16k显示了膜836的顶视图，图16l以透视图显示膜，并且图16m显示了膜的底视图。可以看到，膜底侧的每个穿孔与其顶侧的相应直径相比具有较小的直径。例如，膜下表面处的直径可以在0.08mm到1mm之间。上表面处的穿孔直径可以是下表面直径的1.3倍到2.0倍。各个穿孔之间的距离在膜上表面处的穿孔直径的2倍至50倍范围内。上面描述的平坦的穿孔膜形成了本发明的另一方面，其中的穿孔具有成型为圆筒形部分连接截头圆锥形部分的组合几何形状。其可以通过3D打印来生产。
净化器800可以是固定的，移动的(类似于实施方案700)，或手动从一个房间搬运到另一个房间的。
图18a至图18d显示了根据本发明第四实施方案的净化器900。这一实施方案与图4的实施方案有些类似，其中附图中类似的附图标记分别至相似的元件。为简洁起见，在本文中重复类似的元件和功能。类似于图4的实施方案，将污染空气经由入口924供给到入口空气通道958中。入口空气通道导向水平布置的螺旋形穿孔管936，其定位在液体储器舱962底部附近，但与储器的底部有一些间隔。穿孔936b沿螺旋管936具有例如0.08mm至1.0mm范围内的直径，并且各个穿孔之间的距离在穿孔直径的2倍至50倍范围内。图18c和图18d显示了穿孔螺旋管936中的一个管的横截面。穿孔936b沿着管的外周定位，相对于水平线向下成一角度α，该角度通常大于30°。作为这种设置的结果，将气泡从螺旋管936中以向下方向“注入”溶液中。因此，在朝向溶液上表面向上去之前，每个气泡936g首先要向下去。因此，在气泡从溶液中释放出来之前，这种布置增加了每个气泡和溶液之间的路径和各自的相互作用时间。以此方式，改善了反应器的净化效率，并且该特征在具有小尺寸和有限量净化溶液的家庭净化器中是特别重要的。
实施例
实施例1
通过氢氧化钠和过氧化氢水溶液的吸收从空气中去除甲醛蒸汽
研究目的是测试NaOH/H2O2试剂水溶液从通过/鼓泡通过试剂的空气中去除甲醛蒸汽的能力，挑战了特征性的甲醛室内载量并且在数小时内保持足够的甲醛转化率。
实验装置如图9中显示。将甲醛水溶液(100ml，37wt％溶液，用甲醇稳定)装入圆底烧瓶(1)中。将150ml 30wt％的氢氧化钠溶液装入圆筒形反应器(4)中。在两小时测试时间内，将H2O2溶液以1ml/min的流速缓慢添加到氢氧化钠溶液中，使得添加的H2O2溶液总量为120ml。反应器(4)的形状基本为管状(内径：9cm；高度：40cm)。将5mm厚的不锈钢膜水平地安装在反应器内部，距离反应器底部约2.5cm。膜的孔径为147μm；相邻孔之间中心到中心的距离为约50μm。反应器中的液体液位为7cm,即，膜浸没在溶液表面液位下方约4.5cm处。
使用平均温度为35℃的热板(2)使甲醛溶液蒸发，并且将蒸汽导向反应器(4)。使用的蠕动泵(3)以1m3/min流速操作。根据世卫组织室内空气质量指南(WHO guidelinesfor Indoor Air Quality)，将进入的气流中的甲醛浓度调节到在空气中为0.2mg/m3至0.3mg/m3，代表住宅区的典型污染水平。一对甲醛检测器(5–甲醛仪，PPM technologyLtd.，UK)与进入(污染)的物流和离去(净化)的物流相连，分别用于测量甲醛的浓度。
特征实验的结果如图10和图11中图示地显示。图10是甲醛浓度相对于时间的绘图，针对离去的处理过的空气物流测量(浓度以mg/m3表达)。图11是甲醛浓度相对于时间的绘图，针对进入(污染)的空气物流和离去(处理过)的空气物流测量(浓度以ppm表达)。结果表明了在NaOH/H2O2试剂帮助下在约2小时测试时间内甲醛的稳定吸收和转化率。
实施例2
通过氢氧化钠和过氧化氢水溶液的吸收处理携带低浓度CO2的空气
研究目的是测试当空气负载有低CO2浓度时NaOH/H2O2试剂水溶液从通过/鼓泡通过试剂的空气中去除CO2的能力，挑战了特征性的CO2室内载量并且在数小时内保持足够的CO2转化率。
实验装置如图12中显示。CO2源为保存在气瓶(1)中的商用100％ CO2。泵(3)使来自气瓶(1)的CO2和来自气瓶(2)的空气流动混合以产生携带1200ppm CO2的空气的混合物流，(如先前描述的)将该混合物流以13L/min的流速导入其中装有NaOH/H2O2试剂的反应器(4)中(通过首先添加250ml 30wt％的NaOH溶液，并且在测试期间以0.1ml/min的流速缓慢连续添加过氧化氢溶液(10％)来将试剂装入反应器中)。一对CO2检测器(5–BGA-EDG-MA，Emproco Ltd.，以色列)与进入的物流(载有1,200ppm CO2的空气)和离去(净化)的物流连接，分别用于测量CO2的浓度。
在40分钟内连续记录进入和离去物流中的CO2水平。结果在图13中图示地呈现。可以看到，在40分钟测试时间内保持了高CO2转化百分比，达到了90％至100％。
CO2与单独的碱金属氢氧化物的反应将仅导致对应碳酸盐的形成，如以下反应方程显示：CO2+2MOH→M2CO3+H2O
相比之下，二氧化碳与超氧化物的反应导致形成氧：
2MO2+CO2→M2CO3+1.5O2
因此，通过O2的析出证明了超氧化物自由基参与CO2的分解。即，离去的空气物流富含氧。在40分钟内记录进入和离去的物流中的氧水平实际上表明了氧析出以及富氧离去空气物流的产生，如图14的O2浓度相对于时间的绘图显示的，表明了22％至28％的氧水平。
实施例3
在氢氧化钠和过氧化氢的帮助下降低了空气中的微生物负荷
研究目的是调查NaOH/H2O2试剂对污染空气的生物作用，即，实现室内空气微生物负荷的降低，例如，通过去除细菌比如藤黄微球菌(micrococcus luteus)、芽孢杆菌(bacillus)和梭菌(clostridium)等。对于测试的每个细菌物种，初始负荷为1*108CFU/ml(大致等于400CFU/板污染空气)。
实验装置如图15中显示。反应器(1)负载有溶解的细菌(从Aminolab接收)。(如先前描述的)反应器(4)装有NaOH/H2O2试剂。通过添加100ml NaOH(30wt％)并且缓慢添加40mlH2O2(在测试时间内以约2ml/min的速率)来将试剂引入反应器(4)中。这一对反应器的形状和尺寸是相同的：二者都是圆筒形状的，长度为50cm，直径为10cm，设计为能够使空气向上流动以从其中通过。通过泵(3)使空气从空气室(2)以13L/min的流速流动通过反应器(1)，以产生离去的污染空气物流，将该污染空气物流导向反应器(4)中的试剂水溶液中并且从其中鼓泡通过(柱中液体的高度为7cm)。
生物杀伤剂接触时间为15分钟。在经过15分钟之后，使用容纳有6个皮氏培养皿的密封容器来接收存在处理过的空气的反应器反应器(4)。发现暴露于超氧化物自由基(活性溶液)15分钟实现了细菌浓度降低至2CFU/板，表明转化率为99.5％。
实施例4
在氢氧化钠和过氧化氢的帮助下降低了空气中的微生物负荷
实验装置
实验装置如图17中显示。其由三个主要部分组成：
(A)混合单元，在这里使空气物流负载有生物污染。
(B)处理单元，即，气/液接触器，在这里用MOH/H2O2水溶液处理生物污染的空气物流。
(C)过滤和采样单元，在这里收集可浓缩样品；随后将如此形成的溶液进行分析(以对在处理中存活下来的微生物进行计数)。
混合单元(A)
使来自空气压缩机(1)的空气物流通过空气过滤器(2)，随后进入压力为5巴的混合室(4)(流速为约100L/min)。空气供给管线配备有调节器和流量计(3)以调节空气流速。注射泵(7；New Er Pump Systems Inc.的NE-300Just-InfusionTM)将微生物混悬液递送到生物气溶胶发生器(6；Blaustein雾化器(BLAM)，CH technologies的多喷嘴模型)，在这里其变得足够小和轻以便被空气携带)。BLAM雾化器被设立在混合室(4)内部，将生物气溶胶在混合室(4)的下部部分(5)处以6L/min的流速排出，在这里该生物气溶胶被负载到供给到室(4)中的压缩空气上，产生生物污染的空气物流。室(4)还配备有喷嘴口(未示出)以便引入消毒剂(6％至10％的过氧化氢溶液)和二次空气w物流，产生消毒剂气溶胶以便在测试之间对室(4)内部进行清洁。
离去的生物污染空气物流以约106L/min从室(4)流到处理区。
处理区(B)
反应器,即，气/液接触器，由数字(8)表示，在这里将生物污染的空气与MOH/H2O2试剂水溶液混合。反应器(8)的形状是管状的(内径：9cm；高度：4 0cm)。将5mm厚不锈钢膜(9)水平地安装在反应器内部，距离反应器底部约2.5cm。膜的孔径为147μm；相邻孔之间中心到中心距离为约50μm。氢氧化钠(30wt％的溶液)和过氧化氢(10wt％至30wt％的溶液)被保存在罐(11)和(12)中，并且使用在控制器15和16下操作的蠕动泵供应到反应器(8)中。NaOH和H2O2水溶液物流通过位于反应器横向表面处并且低于膜(9)水平高度的开口进入反应器(8)中。设立第三蠕动泵C(未示出)以将耗尽的试剂水溶液从反应器(8)底部排出到废液罐(未示出)。数字(10)表示添加到气/液接触器(8)的试剂水溶液的表面液位。离去的消毒空气物流(13)流向过滤和采样单元。
过滤和采样单元(c)
过滤和采样单元(3)由干过滤器空气采样器(14；ACD-200Bobcat)组成。使反应器(13)的空气流出物通过Bobcat采样器(受(17)控制)，产生用于分析的液体样品。即，将采集的流体从Bobcat采样器中抽出，并且将样品(5ml至7ml)温育以对微生物进行检测和计数。实验装置被安装在罩子内，使得以环境空气干扰最小的方式对空气采样器(14)供给从反应器(8)递送的处理过的空气流(13)。
实验协议
选择用于测试的细菌菌株为藤黄微球菌(Kocuria rhizophila)(ATCC 9341)。当生长在琼脂板上时，由于其球形形态和鲜艳的黄色，其是很容易看到的。使用TSB作为培养肉汤来生长细菌(于30℃至35℃过夜)。
每场试验由以下实验组成：
一个阴性对照实验，其中将纯净水从注射泵(7)注入气溶胶发生器(6)中，产生无菌气溶胶，将其释放到室(4)中，在这里使其与进入的无菌空气物流混合。离去的空气/气溶胶物流流向反应器(8)。反应器(8)在干性条件下操作,即，空气物流完全不与液体接触。气溶胶移动至Bobcat采样器(14)，冷凝，采集，并且测试细菌的存在(在成功的运行过程中不应检测到细菌生长)。
两个或更多个测试实验，其中将微生物混悬液从注射泵(7)注入气溶胶发生器(6)中，产生生物气溶胶，后者被释放到室(4)中，在这里将其与进入的无菌空气物流混合。来自室(4)的空气/生物气溶胶流流向反应器(8)；其从底部进入反应器(8)，以向上方向流动跨过NaOH/H2O2水溶液。离去的消毒空气/气溶胶物流从反应器(8)顶部流向Bobcat采样器(14)，对样品进行冷凝，采集，并且测试细菌的存在。添加到反应器(8)的NaOH/H2O2水溶液的组合如下制表：
表1
Figure BDA0003949909180000141
一个阳性对照实验，其与测试实验的区别仅在于，用纯净水代替活性NaOH/H2O2溶液来填充反应器(8)。阳性对照实验显示，该***不会阻碍微生物通过，并且用作阳性基线，在每场试验中与每个测试进行比较以评估处理效力。在每场试验中,通常在测试实验后进行一次阳性对照运行。
在每场实验开始时和涉及将微生物通入***中的每次测试之后进行***消毒(参见上面提到的6-10H2O2消毒剂配置)；即，将反应器(8)排干以排除耗尽的试剂水溶液，并且对***进行清洁和消毒。将采集的样品稀释(例如，10-5稀释度)，放置在琼脂板上以能够进行CFU计数。
结果
为产生污染的生物空气物流注入的CFU的浓度和总数以及测量的去除率(用对数减少单位表示，根据注入的总CFU并且相对于阳性对照基础来计算)在表2中制表。
表2
Figure BDA0003949909180000142
*基于注入的总CFU计算。
**相对于阳性对照计算
可以看到，碱金属氢氧化物和过氧化氢的组合作用实现了空气中细菌(Kocuriarhizophila)的高去除率(>99.99％消除)。
实施例5
通过氢氧化钠和过氧化氢的作用使人冠状病毒OC43(hCoV-OC43)灭活
研究目的是评价在不同暴露时间下直接接触NaOH/H2O2水溶液对hCoV-OC43的影响。
测试前准备
生物样品A549细胞(结肠；ATCC,Cat.#CCL-185)在96孔板(96孔板，Greiner BioOne)中在补充有2mM L-丙氨酰基-L-谷氨酰胺溶液(200mM；Biological Industries,Cat.#03-022-1B)、1％青霉素-链霉素溶液(Biological Industries,Cat.#03-031-1B)和10％胎牛血清(FBS；Biological Industries,Cat.#04-127-1A)的F-12K生长培养基(ATCC,Cat.#30-2004)中于37℃和5％ CO2条件下生长。
化学样品：将300μl 10％ H2O2溶液添加到9ml 30％ NaOH溶液以形成9.3ml活性试剂样品。
实验协议
测试A：阴性对照-NaOH/H2O2溶液的细胞毒性作用
进行两个实验以确定NaOH/H2O2溶液的细胞毒性。
在实验1中——将310μl无菌生长培养基添加到9.3ml NaOH/H2O2溶液中并温育60秒，随后制备10倍连续稀释液(1:10、1:100、1:1,000、1:10,000、1:100,000和1:1,000,000)，并且将每种稀释液以150μl/孔添加到4个重复孔的细胞中。
在实验2中——将500μl无菌生长培养基添加到500μl NaOH/H2O2溶液中，并温育10秒，随后制备10倍连续稀释液(1:10、1:100、1:1,000、1:10,000、1:100,000和1:1,000,000)并且将每种稀释液以150μl/孔添加到4个重复孔的细胞中。
测试B–NaOH/H2O2溶液的抗病毒作用
进行两个实验以评价NaOH/H2O2溶液的抗病毒作用。
在实验1中——将310μl hCoV-OC43储备添加到9.3ml NaOH/H2O2溶液中并温育13秒、30秒和60秒(总共3个测试样品)，随后制备10倍连续稀释液(1:10、1:100、1:1,000、1:10,000、1:100,000和1:1,000,000)，并且将在每次温育持续时间产生的所有稀释液以150μl/孔添加到4个重复孔的细胞中。
在实验2中——将500μl hCoV-OC43储备添加到500μl NaOH/H2O2溶液中，并温育2秒、5秒和10秒(总共3个测试样品)，随后制备10倍连续稀释液(1:10、1:100、1:1,000、1:10,000、1:100,000和1:1,000,000)并且将在每次温育持续时间产生的所有稀释液以150μl/孔添加到4个重复孔的细胞中。
储备滴定的病毒标准曲线准备：将未处理的hCoV-OC43储备在补充有2％ FBS的无菌生长培养基中进行10倍连续稀释，并且将每种稀释液以150μl/孔应用于4个重复孔的细胞。
使用四(4)个额外的孔作为校准曲线阴性对照(cNC)，其中将不含hCoV-OC43的无菌阴性培养基应用于细胞上。
将A549 96孔板于35℃和5％ CO2条件下温育6天，并且在显微镜下每日监测细胞的细胞病变效应和/或细胞毒性作用。
结果
病毒标准曲线
在实验1和实验2二者中,在所有cNC孔中均观察到活的和未感染/未污染的细胞。
在实验1中，使用Reed和Much滴定公式计算的标准曲线滴定为：2.11·106TCID50/ml。
在实验2中，使用Reed和Much滴定公式计算的标准曲线滴定为：3.09·107TCID50/ml。
结果表明，每个实验中使用的病毒储备在我们的病毒储备的校准范围内，并且对于实验是可靠的。
测试A：阴性对照-NaOH/H2O2溶液的细胞毒性作用
对于1:10和1:100的所有重复，在两个实验中均观察到导致细胞在数小时内死亡的细胞毒性。在1:1,000及以上的稀释度下，与在生长培养基中温育并且未经化学处理的未处理细胞相比，观察到无细胞死亡且细胞外观无差别。
据此进行抗病毒实验，参考1:1,000病毒稀释度作为CPE检测和TCID50计算的基线。测试B–NaOH/H2O2溶液的抗病毒作用
对于1:1,000及以上稀释度的NaOH/H2O2溶液，观察到无细胞毒性作用，对于通过容纳这些稀释液的处理过的病毒感染的所有孔中的所有测试样品，观察到无病毒感染。即，在与病毒接触2秒时，hCoV-OC43感染率已经为至少≥99.9％。对于作为3个测试样品的结果(表4)获得的-3.7的病毒对数减少计算值来说，这些百分比可以根据表5解释。
由于在3个测试样品孔中的任何一个中均不能计算TCID50，病毒对数减少的计算是基于接种(在与化学混合物一起温育之后)到1:1,000稀释液的每个孔中的TCID50单位计算值与获得的终点病毒滴度(0)之间的差值进行的。接种到孔中的TCID50是基于标准曲线样品计算的。
表3：抗病毒活性实验1
Figure BDA0003949909180000161
表4：化学混合物抗病毒活性实验1
Figure BDA0003949909180000162
表3和表4的图例：
初始的病毒TCID50/孔：在将病毒在NaOH/H2O2水溶液中温育13秒、30秒和60秒(表3)以及温育2秒、5秒和10秒(表4)之后，以1∶1，000的化学混合物稀释并接种到96孔板中和接种到细胞上的hCoV-OC43的总量。该值是使用Reed和Much滴定公式根据病毒标准曲线孔的滴定来计算的，并且在稀释后归一化为接种到孔中的总体积(150μl)。仅计算了1∶1,000样品稀释度的初始病毒TCID50/孔，因为在高达1：100时有大量细胞死亡，不允许进行CPE(细胞病变效应)观察。
观察到的病毒TCID50：在实验终点(病毒接种后5天和7天)获得的每个样品的TCID50。由于没有看到CPE和感染，所有样品都被指定为0TCID50。
病毒对数减少：针对1∶1,000样品稀释度计算，以相对于每孔初始TCID50的log10计)。
表5：结果解释
对数减少 百分比(％)减少
≥1 ≥90
≥2 ≥99
≥3 ≥99.9
结论
在此项研究中，检测9ml NaOH溶液和300μl H2O2溶液的化学混合物通过溶液与病毒直接接触来抑制hCoV-OC43的感染性的能力。针对三种不同接触持续时间进行的三项测试的结果表明，在直接暴露后短至2秒钟，测试的NaOH/H2O2溶液就已经摧毁了病毒感染性。由于NaOH/H2O2溶液在高达1：100稀释度时对细胞的细胞毒性作用，在这些孔中不可能观察到CPE。对于1∶1,000稀释度及以上，我们可以得出结论，与在混合物中温育之后首次引入这种稀释度的孔中的负荷相比，NaOH/H2O2溶液确实减少了≥99.9％的能够感染细胞的病毒负荷。这种减少可以被评估为-3.7的hCoV-OC43病毒感染性对数降低。
实施例6
通过氢氧化钾和过氧化氢水溶液的吸收处理携带低浓度CO2的空气
研究目的为检验两种类型的穿孔膜的性能，这两种穿孔膜彼此的区别在于其孔的几何形状。在一种膜中，孔的直径不会沿着膜的厚度变化，即，空气流动通过形状为圆筒形并且恒定直径为600μm的通路。测试的另一种膜是用具有独特几何形状的孔穿孔的，当空气流动通过由圆筒形部分连接倒置截头圆锥形部分组成的通路时：为移动跨过膜，空气流动通过直径为300μm的圆筒形部分，随后流动通过其小底面与圆筒形部分连续(它们的直径相等)的截头圆锥形部分。截头圆锥形部分的大底面的直径为900μm，是膜上面向溶液主体一侧中的孔的开口。
实验装置类似于实施例2中描述的哪个，但是尺寸更大。此外，这次使用50％氢氧化钾溶液。将1.1L KOH溶液装入直径为26.5cm的管状反应器。将测试的膜设立在距离管状反应器底部2.5cm处。通过间断操作泵递送H2O2溶液，在测试期内以10ml/小时添加H2O2溶液(10％)。如实施例2中描述的进行CO2供给及其与空气物流的混合以产生携带1,200ppm CO2的空气的合并物流；将该物流以120L/min的流速供给到其中装有KOH/H2O2试剂的反应器。
通过实施例2中描述的配置在1小时内定期记录进入和离去物流中的CO2水平，并且计算转化率。结果以柱形图形式在图19中示出，说明了测试时间。对于用600μm孔穿孔的膜，测量到良好的转化率(约80％；右侧的柱)。对于几何形状改变的穿孔膜，可以看出，在1小时的测试时间内保持了几乎100％的CO2转化率(左侧的柱)。

Claims (33)

1.一种用于改善房间中的室内空气质量的方法，包括从所述房间抽取空气并且将所述空气导入装有碱金属氢氧化物/H2O2水溶液的气/液接触器中，使所述空气通过设立在所述气/液接触器中并且在所述碱金属氢氧化物/H2O2水溶液的表面液位下方的穿孔膜，使得产生的气泡行进通过所述溶液，并且从所述气/液接触器取得具有改善质量的处理过的空气，所述处理过的空气的特征在于具有：
降低的二氧化碳水平；和/或
降低的VOC水平；和/或
降低的微生物负荷。
2.根据权利要求1所述的方法，其中使所述空气经由穿孔通过所述膜，所述穿孔的直径沿着所述膜的厚度增加。
3.根据权利要求2所述的方法，其中每个所述穿孔为由圆筒形部分连接面向所述溶液的倒置截头圆锥形部分组成的通路，或者为成型为其大底面面向所述溶液的圆锥体的截头体的通路。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中通过供给碱金属氢氧化物溶液并且连续或定期将过氧化氢溶液添加到所述碱金属氢氧化物溶液中来将碱金属氢氧化物/H2O2水溶液装入所述气/液接触器中，其中所述碱金属氢氧化物溶液是事先制备的或者通过将固体碱金属氢氧化物溶解在单独供应到所述气/液接触器的水中制备的。
5.根据权利要求4所述的方法，包括定期将片剂形式的固体碱金属氢氧化物溶解在单独供应到所述气/液接触器的水中。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述
碱金属氢氧化物溶液的浓度为5wt％至48wt％～50wt％，添加的所述过氧化氢溶液的浓度为3wt％到35wt％，所述溶液之间的体积比为2:1至10:1，所述碱金属氢氧化物溶液占优，其中所述比率基于所述CO2水平和/或微生物负荷来调整。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括：
-抽取室内空气，并使所述室内空气以第一流速通过过滤器以捕获空气中的颗粒和产生主过滤空气物流；
-将所述主过滤空气物流的一部分分出以产生以第二流速流动的二次过滤空气物流；
-迫使所述二次过滤空气物流进入装有所述碱金属氢氧化物/H2O2水溶液的气/液接触器中，在这里所述过滤空气以气泡的形式与所述溶液接触；
-从所述气/液接触器抽取过滤和去除污染的空气物流；和
-将所述过滤和去除污染的空气物流与所述主过滤空气物流汇合。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中室内环境中的CO2水平从1,000ppm至10,000ppm降低至400ppm至700ppm。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中室内环境中的VOC水平被降低。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述VOC是甲醛。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中室内环境中的细菌负荷和/或病毒负荷被降低了至少2个对数减少。
12.一种用于消除房间中的化学和生物污染物的空气净化器，包括：
-入口空气通道；
-一个或多个吸气部件，其被配置为将空气从所述房间引导至所述入口通道中，并且将所述空气经由所述空气通道引导至安装在化学和生物污染物消除反应器处的穿孔膜中；和
-出口空气通道，其被配置为从所述反应器接收处理过的空气；
-其中所述反应器包括：
-储器，其被设置为容纳碱金属氢氧化物/H2O2净化水溶液；
其中在净化器操作期间，所述穿孔膜被定位在溶液表面液位的下方，使得通过穿孔膜的空气被转化为气泡，该气泡行进通过溶液并朝向所述出口通道行进；并且
其中所述空气净化器进一步包括定位在所述反应器上方的可移动存储单元，所述可移动存储单元被配置为容纳碱金属氢氧化物、过氧化氢和任选的水并将它们供应到所述反应器。
13.根据权利要求12所述的空气净化器，其中所述入口空气通道以向下的方向输送，所述入口空气通道通过所述穿孔膜中的开口通往位于所述穿孔膜下方的空气舱中。
14.根据权利要求12所述的空气净化器，其中所述入口空气通道的底部出口相对于所述穿孔膜的上表面被密封，从而仅允许空气从所述入口空气通道通过所述膜的穿孔通向所述膜下方的所述储器部分，其中所述膜的直径小于所述碱金属氢氧化物/H2O2溶液储器的直径。
15.根据权利要求12所述的空气净化器，其中所述膜的每个穿孔的直径在40μm至1,200μm范围内。
16.根据权利要求12所述的空气净化器，其特征在于所述穿孔具有分别在所述穿孔膜的上表面和下表面处的顶部开口和底部开口，所述顶部开口的直径大于所述底部开口的直径。
17.根据权利要求16所述的空气净化器，其中每个所述穿孔根据横截面被分为两个部分，下面的部分具有圆筒形形状，并且上面的部分具有截头圆锥形形状。
18.根据权利要求12所述的空气净化器，其中所述入口空气通道的底部出口被配置为将污染空气导入穿孔膜中，所述穿孔膜具有螺旋管配置并且定位于所述净化溶液储器的下部部分。
19.根据权利要求18所述的空气净化器，其中每个所述穿孔被定位在所述管的下部部分的横截面中，从而引导空气出口向下通过所述穿孔。
20.根据权利要求19所述的空气净化器，其中每个所述穿孔被定位为横截面比所述管的水平直径低至少30°。
21.根据权利要求18所述的空气净化器，其中每个所述穿孔的直径在40μm到1,200μm范围内。
22.根据权利要求18所述的空气净化器，其中每两个穿孔之间的距离在所述穿孔直径的2倍至50倍范围内。
23.根据权利要求12所述的空气净化器，其中所述存储单元包括碱金属氢氧化物容器、H2O2容器和任选的水容器。
24.根据权利要求23所述的空气净化器，具有基本圆筒形的形状，其中所述碱金属氢氧化物容器、所述H2O2容器和所述水容器同心地设置在存储单元内。
25.根据权利要求23所述的空气净化器，其中所述碱金属氢氧化物容器被配置为以可释放的设置容纳碱金属氢氧化物片剂。
26.根据权利要求25所述的空气净化器，其中所述碱金属氢氧化物容器包括多个柱，每个柱被配置为存储碱金属氢氧化物片剂。
27.根据权利要求26所述的空气净化器，其中所述氢氧化物容器被配置为成角度地旋转，从而将单个柱定位在导向所述溶液储器的通路的开口上方，从而允许通过氢氧化物片剂定期供给所述溶液。
28.根据权利要求12所述的空气净化器，进一步包括鼓风机和装配在所述反应器上游的入口通道中的HEPA过滤器。
29.根据权利要求12所述的空气净化器，所述空气净化器与具有HEPA过滤器的家用房间净化器集成，其中所述入口空气通道是从所述家用房间净化器的入口空气通道向下游分叉到所述HEPA过滤器的分支，并且其中所述出口通道连接所述家用房间净化器的出口通道。
30.根据权利要求12所述的空气净化器，进一步包括传感器，其用于测量所述房间空气中的CO2浓度，并且其中所述设备的进度和操作时间基于通过所述传感器得到的CO2测量结果。
31.一种家庭空气净化***,包括：
-多个空气质量传感器，每个传感器被定位在所述家庭的另一房间中；
-对接站，其被设置为：
-作为移动空气净化器的主机；
-从全部所述多个传感器接收空气质量测量结果，并且确定房间的污染水平何时超过预定污染阈值；和
-与所述移动空气净化器通信，并且至少向所述净化器发送已检测到污染高于所述预定污染阈值的房间的指示；和
-所述移动空气净化器，其被设置为：
-与所述对接站通信，并且至少由所述对接站接收已检测到污染超过所述预定污染阈值的房间的指示；
-在接收所述指示之后，导航至所述污染房间，在哪里操作以净化所述房间，并且在完成之后返回所述对接站。
32.根据权利要求31所述的***，其中所述污染包括一种或多种化学和生物污染物。
33.根据权利要求31所述的***，其中所述移动空气净化器包括：
-入口空气通道；
-一个或多个吸气部件，其被配置为将空气从所述房间吸取到所述入口通道中，并且将所述空气经由所述空气通道引导至安装在生物危害消除反应器处的穿孔膜；和
-出口空气通道，其被配置为从所述反应器接收处理过的空气，并且将所述处理过的空气返回到所述房间中；
其中所述生物危害消除反应器包括：
-储器，其被设置为容纳碱金属氢氧化物/H2O2净化水溶液；
其中在净化器操作期间，所述穿孔膜被定位在溶液表面液位的下方，使得通过穿孔膜的空气被转化为气泡，这些气泡行进通过溶液并且朝向所述出口通道行进；并且
其中所述空气净化器进一步包括定位在所述反应器上方的可移除存储单元，所述可移除存储单元被配置为容纳碱金属氢氧化物、过氧化氢和水并将它们供应到所述反应器。
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