CN110523238A - 一种仿生智能空气净化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿生智能空气净化系统及方法。本系统通过控制导电多孔膜的孔径和利用功能流体的相互作用将进入系统的空气分成微米级的气泡，从而增加空气与功能液体的接触面积，提高空气净化效率。本发明利用电场响应性导电多孔膜和功能液体来进行空气净化，是一种新的空气净化方法，有别于传统空气净化系统；该系统具有较强的抗污染性能和较高的过滤效率同时又具有控制空气输运的阀门作用；装置在不需更换滤膜的情况下长期进行使用；功能液体可以经过简单处理重复使用。

Description

一种仿生智能空气净化系统及方法

技术领域

本发明涉及空气净化技术领域。具体涉及一种仿生智能空气净化系统及空气净化方法。

背景技术

动物的鼻子不但具有呼吸功能还有对空气净化的能力。鼻子净化空气的第一道防线就是 鼻孔前方的鼻毛，它就像洞口的荆棘一样，可以挡住较大的灰尘。第二道防线是反射性的喷 嚏，打喷嚏并不只是受了凉后才发生，在鼻腔里受异物(比如灰尘)刺激后也会打喷嚏，那是 把异物排出体外的过程。第三道防线是最重要的了，就是黏膜中的纤毛运动。黏膜纤毛的表 面有一层黏液毯，黏性较大，能够粘住细菌或灰尘颗粒，把它们送到鼻后孔排出。第四道防 线就是黏液层中含有的溶菌酶、干扰素和分泌性IgA等抗体了。它们好比水流中的杀菌剂一 样，有抑制和溶解细菌的作用。经过上面四道防线的洗礼，再污秽的空气亦会变得干干净净。

近年来，环境污染越来越得到关注，其中空气污染由于影响大，覆盖范围广，污染程度 高，持续时间长等受到广泛关注并严重威胁到人类的健康。为了净化空气，现在已有很多空 气净化设备和方法，比如吸附、过滤、光触媒、负离子等。其中一些设备存在着净化效率低、 净化物质单一，有的占用空间、设备复杂、使用寿命有限，有的需要频繁更换滤网装置或吸 附材料、不智能且后期维护成本高。现在也开发一些利用水作为主要的吸附剂的空气净化器， 其净化效率低、占用空间大、易产生噪声污染等。

CN201310703601.4公开了一种仿生空气净化器，包括壳体、净化转轮和净化液循环系统； 净化转轮外圆周上分布净化刷毛形成毛刷结构；净化液循环系统包括净化液和净化液循环组 件；净化转轮位于壳体上空气进口和空气出口之间，该发明采用粘性液体结合刷毛的结构， 模拟人类鼻腔的结构，不但对空气进行净化和润湿，而且，相对于现有技术来说，对环境空 气具有更好的净化效果，长时间使用依然具有对颗粒物质的粘附能力，因而，即使使用周期 较长也依然具有较好的粘附作用。但该净化器并未对空气进行分割成小气泡，净化效率有待 进一步提高，且只能润湿和除尘并不具有智能调控的能力。

发明内容

本发明提供一种仿生智能空气净化系统以克服上述空气净化技术问题提供一种有效净化 空气的系统和方法。

具体技术方案如下：

一种仿生智能空气净化系统，它包括壳体(1)，壳体内设有腔体；腔体一侧为进气端， 另一侧为出气端，其特征在于：在进气端(1-1)和出气端(1-3)之间依次设有第一疏水多 孔滤网(4)、导电多孔膜(2)、导电滤网(3)、第二疏水多孔滤网(8)；第一疏水多孔滤网(4)和导电滤网(3)中间充满功能液体，导电多孔膜(2)完全浸没在功能液体中；

还包括功能液体再生装置(5)，该功能液体再生装置中的功能液体通过功能液体进入管 道进入第一疏水多孔滤网、导电多孔膜之间的腔体；导电多孔膜、导电滤网之间的功能液体 通过功能液体排出管道进入功能液体再生装置进行再生；

在进气端(1-1)和出气端(1-3)分别设有气体传感器，用于分析进气和出气的成分， 并将信息转换成相应的电信号；控制电路(7)，接受来自气体传感器的电信号，并分析这些 信息从而发出相应的控制电压给工作电极-导电多孔膜(2)和对电极-导电滤网(3)。

在本发明的一个优选实施例中，所述壳体为圆柱形。

在本发明的一个优选实施例中，导电多孔膜(2)可以通过使用天然材料或合成材料，通 过自组装、涂敷、静电纺丝、冷冻干燥、电化学聚合、化学聚合、光刻胶等技术制备而成。

进一步优选的，所述导电多孔膜(2)孔径可以随着制备工艺条件的变化而调控，进而适 应多种使用环境。

进一步优选的，所述导电多孔膜(2)不仅仅由一种材料制备而成，可以是多种材料复合 而成，可以是天然材料，也可以是合成材料，或者既有天然材料又有合成材料。

进一步优选的，所述天然材料包括天然石墨、天然磁石、胶原蛋白和壳聚糖等。

进一步优选的，所述合成材料包括石墨烯、吡咯、苯胺、不锈钢网、尼龙网、聚四氟乙 烯膜和聚丙烯膜等。

进一步优选的，所述导电多孔膜(2)需要通过掺杂离子修饰后会改变其表面的浸润性， 才会和功能液体一起具有电压响应性，即通过改变电压可以改变多孔膜和功能液体之间的亲 和力，进而产生智能控制。

进一步优选的，所述的用于提供掺杂离子的物质包括全氟磺酸盐、十二烷基苯磺酸盐和 高氯酸盐等。

进一步优选的，所述的掺杂离子可以通过自组装、涂敷、静电纺丝、冷冻干燥、电化学 聚合、化学聚合、光刻胶等技术掺杂而成。

在本发明的一个优选实施例中，所述功能液体为导电液体或导电溶液包括离子液体、锂 盐水溶液、钠盐水溶液和钾盐水溶液等。

进一步优选的，功能液体中添加杀菌剂、溶菌酶、干扰素或抗体等。

在本发明的一个优选实施例中，所述的导电滤网(3)、第一疏水多孔滤网(4)、第二疏 水多孔滤网(8)均可以通过使用天然材料或合成材料，通过自组装、涂敷、静电纺丝、冷冻 干燥、电化学聚合、化学聚合、光刻胶等技术制备而成也可以通过采用商业滤网。

进一步优选的，所述导电滤网(3)、第一疏水多孔滤网(4)、第二疏水多孔滤网(8)不 仅仅由一种材料制备而成，可以是多种材料复合而成，可以是天然材料，也可以是合成材料， 或者既有天然材料又有合成材料。

进一步优选的，所述导电滤网(3)、第一疏水多孔滤网(4)、第二疏水多孔滤网(8)孔 径可以随着制备工艺条件的变化而调控，进而适应多种使用环境。

进一步优选的，所述天然材料包括天然石墨、天然磁石、胶原蛋白和壳聚糖等。

进一步优选的，所述合成材料包括石墨烯、吡咯、苯胺、不锈钢网、尼龙网、聚四氟乙 烯膜和聚丙烯膜等。

在本发明的一个优选实施例中，第一疏水多孔滤网(4)、导电多孔膜(2)、导电滤网(3)、 第二疏水多孔滤网(8)之间的距离可以根据所使用的环境而进行调控。

在本发明的一个优选实施例中，功能液体再生装置(5)可以通过加热、过滤、沉淀、离 心、化学反应等物理或化学方式将吸附(或吸收)了有害物质的功能液体进行再生，进而重 复循环使用。

本发明实现了简单高效的智能空气净化系统，有益效果如下：

1)本发明利用多孔膜和功能液体复合的方法将空气分成微米级别的小气泡，这样增加了 空气与功能液体的接触面积，极大地提高了净化效率；

2)本发明中的功能流体与多孔膜亲和且其亲和力会随着电压的变化而发生变化，可以控 制空气与功能液体的接触面积和时间，进而智能地控制净化速度和效率并节约能源；

3)本发明利用功能流体与多孔膜亲和力地改变可以控制空气的输运；

4)本发明可以在不更换过滤膜地情况下长期使用；

5)本发明地装置结构紧凑、占地面积小、噪声小；

6)本发明地装置具有智能化地工作方式，更加人性化；

7)本发明丰富了现有的空气净化技术并增加了空气净化设备使用的场所范围。

附图说明

图1为空气净化装置结构纵向剖面图；

图2为空气净化原理图；

图3为本发明实施例1制备的导电多孔膜(2)实物图。

图4为本发明实施例1制备的导电多孔膜(2)的扫描电子显微镜(SEM)图。

图5为本发明实施例1制备的导电多孔膜(2)在功能溶液中的循环伏安(CV)曲线。

图6为本发明实施例1中功能液体在导电多孔膜(2)上的接触角(CA)，在导电多孔膜 (2)不同状态时其接触角不同，反应了其亲和力改变。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的技术特征、技术内容及其达到的技术效果，现将本发明的附图 结合实施例进行更详细的说明。然而，所示附图，只是为了更好的说明本发明的技术方案， 并不能由此限制本发明的权利要求保护范围。以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技 术方案进行进一步的说明和描述。

本发明空气净化装置结构纵向剖面图和空气净化原理分别如图1和图2所示。

参见图1，本发明空气净化装置包括腔体1，所述的壳体1可以为圆筒体，也可以是其它 形状。壳体1内部由下至上分别设有第一疏水多孔滤网4、导电多孔膜2、导电滤网3以及第 二疏水多孔滤网8。

第一疏水多孔滤网4的下方腔体为进气端1-1，第二疏水多孔滤网8的上方腔体为出气 端1-3，第一疏水多孔滤网4上表面和导电滤网3下表面之间为充满功能液体的功能腔体1-2。

在进气端1-1的内侧壁设有第一气体传感器6-1，在出气端的内侧壁设有第二气体传感 器6-2。这两个传感器分别通过导线7-1和7-3连接控制电路7。导电多孔膜2、导电滤网3 也分别通过两个导线7-2连接该控制电路7。

本发明空气净化装置还包括功能液体再生装置5，该功能液体再生装置5通过功能液体 进入管道5-1进入第一疏水多孔滤网4、导电多孔膜2之间的腔体；导电多孔膜2、导电滤网 3之间的功能液体通过功能液体排出管道5-2进入功能液体再生装置5进行再生。

本发明的使用如下：

1)气体从进气端1-1进入，第一气体传感器6-1对气体进行感应检测，将检测得到的 电信号传递给控制电路7，根据传来的电信号，控制电路7中的信号处理器对其分析获得需 要过滤排除的污染物的信息，并将该信息转换成控制指令给导电多孔膜(2)和导电滤网(3)。

2)气体流经第一疏水多孔滤网(4)后，较大颗粒物被过滤；进入到充满功能液体的功 能腔体(1-2)中，部分颗粒物被吸附。

3)紧接着气体到达导电多孔膜(2)，由于导电多孔膜(2)和导电滤网(3)受到控制指 令，便会和功能液体发生电化学反应，进而改变导电多孔膜(2)和功能液体的亲和力，气体 通过导电多孔膜(2)的临界压强也会发生变化同时气体通过导电多孔膜(2)后形成的气泡 的大小也发生变化，进而改变气体与功能液体的接触面积和时间，改变气体净化效率，即当 气体中污染物较多时，变增加其与功能液体的接触面积和时间，提高净化效率，当气体中污 染物较少时，减少其与功能液体的接触面积和时间，节约能源。

4)气体变成气泡到达导电滤网(3)，功能液体和气泡分离，气体穿过导电滤网；第二疏 水多孔滤网(8)进一步除去可能带出的功能液体，净化后的气体到达出气端(1-3)，第二气 体传感器6-2对净化后的气体进行感应检测，确定是否合格并将检测得到的电信号传递给控 制电路7，以便控制电路7进行智能学习、调节和反馈。

5)吸附(吸收)了有害物质的功能液体从功能液体排出管道(5-2)进入功能液体再生 装置(5)进行再生，再生后的功能液体通过功能液体进入管道(5-1)再次进入腔体(1-2)中对气体进行净化。

实施例1

第一步，以多孔不锈钢网为骨架，通过等离子溅射的方法，在0.8mA，60s的条件下溅 射少量的金以增加导电性，以吡咯为共轭聚合物单体，十二烷基苯磺酸钠用于掺杂，通过电 化学聚合方法制备得到导电多孔膜，如附图3，附图4。

第二步，通过循环伏安(CV)法测试其氧化还原电位，得到其氧化还原反控制电压，如 附图5，选用氧化还原控制电压分别为+1V和-1V。

第三步，选用0.1M的高氯酸锂水溶液作为功能液体与导电多孔膜复合，高氯酸锂溶液 在导电多孔膜上的接触角变化如附图6所示，随着导电多孔膜状态改变而改变。

第四步，选用孔径为30微米孔径的聚四氟乙烯疏水膜作为第一疏水多孔滤网(4)，40 微米孔径的不锈钢网作为导电滤网(3)，30微米孔径的聚四氟乙烯疏水膜作为第二疏水多孔 滤网(8)，搭建装置。

第五步，将所选上述材料按附图1组装便得到仿生智能空气净化系统。

实施例2

第一步，以尼龙多孔膜为骨架，通过等离子溅射少量的金以增加导电性，以吡咯为共轭 聚合物单体，十二烷基苯磺酸钠用于掺杂，通过电化学聚合方法制备得到导电多孔膜。

第二步，通过循环伏安(CV)法测试其氧化还原电位，得到其氧化还原反控制电压。

第三步，选用0.1M的硝酸钠水溶液作为功能液体与导电多孔膜复合。

第四步，选用孔径为30微米孔径的聚四氟乙烯疏水膜作为第一疏水多孔滤网(4)，40 微米孔径的不锈钢网作为导电滤网(3)，30微米孔径的聚四氟乙烯疏水膜作为第二疏水多孔 滤网(8)。

第五步，将所选上述材料按附图1组装便得到仿生智能空气净化系统。

实施例3

第一步，以不锈钢网为骨架，通过等离子溅射少量的金以增加导电性，以苯胺为共轭聚 合物单体，十二烷基苯磺酸钠用于掺杂，通过电化学聚合方法制备得到导电多孔膜。

第二步，通过循环伏安(CV)法测试其氧化还原电位，得到其氧化还原反控制电压。

第三步，选用0.1M的高氯酸锂水溶液作为功能液体与导电多孔膜复合。

第四步，选用孔径为30微米孔径的聚丙烯疏水膜作为第一疏水多孔滤网(4)，40微米 孔径的不锈钢网作为导电滤网(3)，30微米孔径的聚丙烯疏水膜作为第二疏水多孔滤网(8)。

第五步，将所选上述材料按附图1组装便得到仿生智能空气净化系统。

实施例4

第一步，以不锈钢网为骨架，以苯胺为共轭聚合物单体，十二烷基苯磺酸钠用于掺杂， 通过化学催化聚合方法制备得到导电多孔膜。

第二步，通过循环伏安(CV)法测试其氧化还原电位，得到其氧化还原反控制电压。

第三步，选用0.1M的高氯酸锂水溶液作为功能液体与导电多孔膜复合。

第四步，选用孔径为30微米孔径的聚四氟乙烯疏水膜作为第一疏水多孔滤网(4)，40 微米孔径的不锈钢网作为导电滤网(3)，30微米孔径的聚四氟乙烯疏水膜作为第二疏水多孔 滤网(8)。

第五步，将所选上述材料按附图1组装便得到仿生智能空气净化系统。

实施例5

第一步，以尼龙多孔膜为骨架，以苯胺为共轭聚合物单体，十二烷基苯磺酸钠用于掺杂， 通过化学催化聚合方法制备得到导电多孔膜。

第二步，通过循环伏安(CV)法测试其氧化还原电位，得到其氧化还原反控制电压。

第三步，选用0.1M的硝酸钠水溶液作为功能液体与导电多孔膜复合。

第四步，选用孔径为30微米孔径的聚四氟乙烯疏水膜作为第一疏水多孔滤网(4)，40 微米孔径的不锈钢网作为导电滤网(3)，30微米孔径的聚四氟乙烯疏水膜作为第二疏水多孔 滤网(8)。

第五步，将所选上述材料按附图1组装便得到仿生智能空气净化系统。

以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容 构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式 做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。

Claims (10)

1.一种仿生智能空气净化系统，它包括壳体(1)，壳体内设有腔体；腔体一侧为进气端，另一侧为出气端，其特征在于：在进气端(1-1)和出气端(1-3)之间依次设有第一疏水多孔滤网(4)、导电多孔膜(2)、导电滤网(3)、第二疏水多孔滤网(8)；第一疏水多孔滤网(4)和导电滤网(3)中间充满功能液体，导电多孔膜(2)完全浸没在功能液体中；

还包括功能液体再生装置(5)，该功能液体再生装置中的功能液体通过功能液体进入管道进入第一疏水多孔滤网、导电多孔膜之间的腔体；导电多孔膜、导电滤网之间的功能液体通过功能液体排出管道进入功能液体再生装置进行再生；

在进气端(1-1)和出气端(1-3)分别设有气体传感器，用于分析进气和出气的成分，并将信息转换成相应的电信号；控制电路(7)，接受来自气体传感器的电信号，并分析这些信息从而发出相应的控制电压给工作电极-导电多孔膜(2)和对电极-导电滤网(3)。

2.根据权利要求1所述的一种仿生智能空气净化系统，其特征在于：所述导电多孔膜(2)和功能液体一起具有电压响应性，即通过改变电压可以改变多孔膜和功能液体之间的亲和力，进而产生智能控制。

3.根据权利要求2所述的一种仿生智能空气净化系统，其特征在于：所述导电多孔膜(2)通过掺杂离子修饰改变其表面的浸润性，和功能液体一起具有电压响应性。

4.根据权利要求3所述的一种仿生智能空气净化系统，其特征在于：所述的用于提供掺杂离子的物质包括全氟磺酸盐、十二烷基苯磺酸盐和高氯酸盐。

5.根据权利要求4所述的一种仿生智能空气净化系统，其特征在于：所述的掺杂离子通过包括自组装、涂敷、静电纺丝、冷冻干燥、电化学聚合、化学聚合、光刻胶在内的一种或两种以上技术掺杂而成。

6.根据权利要求1所述的一种仿生智能空气净化系统，其特征在于：所述功能液体为导电液体或导电溶液，包括离子液体、锂盐水溶液、钠盐水溶液和钾盐水溶液。

7.根据权利要求1所述的一种仿生智能空气净化系统，其特征在于：功能液体进入管道的一侧靠近第一疏水多孔滤网(4)但不接触；功能液体排出管道的一侧靠近导电滤网(3)但不接触。

8.一种仿生智能空气净化方法，采用权利要求1至7任一项所述的仿生智能空气净化系统，步骤包括：

1)气体从进气端进入，第一气体传感器对气体进行感应检测，将检测得到的电信号传递给控制电路，根据传来的电信号，控制电路中的信号处理器对其分析获得需要过滤排除的污染物的信息，并将该信息转换成控制指令给导电多孔膜和导电滤网；

2)气体流经第一疏水多孔滤网后，较大颗粒物被过滤；进入到充满功能液体的功能腔体中，部分颗粒物被吸附；

3)气体到达导电多孔膜，导电多孔膜和导电滤网受到控制指令，和功能液体发生电化学反应，进而改变导电多孔膜和功能液体的亲和力，气体通过导电多孔膜临界压强也发生变化同时气体通过导电多孔膜后形成的气泡的大小也发生变化，进而改变气体与功能液体的接触面积和时间，改变气体净化效率；

4)气体变成气泡到达导电滤网，功能液体和气泡分离，气体穿过导电滤网；第二疏水多孔滤网进一步除去可能带出的功能液体，净化后的气体到达出气端，第二气体传感器对净化后的气体进行感应检测，确定是否合格并将检测得到的电信号传递给控制电路；

5)吸附了有害物质的功能液体从功能液体排出管道进入功能液体再生装置进行再生，再生后的功能液体通过功能液体进入管道再次进入腔体中对气体进行净化。

9.根据权利要求8所述的一种仿生智能空气净化方法，其特征在于：步骤4)控制电路具有进行智能学习、调节和反馈的功能模块。

10.如权利要求1至7任一项所述的一种仿生智能空气净化系统在空气净化中的应用。