CN112533687B - 超高效有机凝胶微生物空气过滤和生产系统 - Google Patents

超高效有机凝胶微生物空气过滤和生产系统 Download PDF

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Abstract

本发明总体上涉及空气过滤器和空气净化器，并且更具体地涉及含有改进的有机凝胶的空气滤清器，其中公开了UGMA滤筒(1)，该UGMA滤筒(1)包含：在具有随机分布的海绵状胎体直径的有机凝胶(3)上的纳米多孔材质(11)；在海绵状胎体中随机分布的有机凝胶(3)作为微生物截留器，微生物截留器由覆盖海绵状胎体内表面的层产生，海绵状胎体根据需要具有在0.5‑2.5mm范围内的随机分布的孔；允许空气进入夹层结构的UGMA滤筒(10)的进气通道(9)；以及空气流动通道(10)，以便通过在其中产生微湍流，使空气擦拭纳米孔，使小于0.1μm的微生物负荷被孔截留。本发明还包含制造UGMA过滤器的生产方法。

Description

超高效有机凝胶微生物空气过滤和生产系统
技术领域
本发明总体上涉及空气过滤器和空气净化器，更具体地涉及包含改进的有机凝胶的空气过滤净化器。本发明还包括上述超高效有机凝胶微生物空气过滤器(UGMA)的制造方法。
背景技术
空气过滤系统通常根据其过滤的颗粒尺寸分类。称为EPA、HEPA(高效微粒空气过滤器)、ULPA(超低穿透空氣過濾器)、SULPA(超级低穿透空氣過濾器)的空气过滤标准因此具有确定过滤器可渗透的颗粒尺寸和气流阻力的标准。然而，在这些颗粒过滤器标准的测试范畴中没有与被过滤的环境空气的微生物负荷相关的标准。
颗粒过滤器作为滤网操作。例如，美国能源部标识了能够除去99.97％的0.3μm颗粒的过滤器作为HEPA。由于制造技术已经发展了数十年，滤网孔可以减小，并且已经开发了能够除去99.9995％的0.12μm颗粒的ULPA型过滤器。然而，在基于滤网型颗粒过滤的HEPA过滤器中，在标称空气流速下，压力通常在150-300帕斯卡范围内降低，而当使用ULPA类型时，通过减小滤网孔增加的压差将能量损失增加到更高的值。另一方面，将过滤颗粒尺寸减小到0.3μm以下在包括社区中的食品、健康和公共卫生的许多领域中是重要的，以便过滤空气传播的传染性普通病毒和细菌，尤其包括流感病毒。尽管提高微生物效率是必需的要求，但是除了特殊的要求(例如净化室)之外，增加微生物效率不能获得与HEPA过滤器一样的广泛流通性，这是因为基于成本的缺点，特别是ULPA、SULPA基于减少滤网孔的方法使它们的技术增加了基于摩擦损失的能量成本。为了克服能量效率问题和增加滤网型颗粒过滤器中的微生物截留，努力做出改进。例如，公开号为US6428610 B1、公开日为2002年8月6日的标题为“高效微粒空气过滤器”的专利和公开号为CN204469537 U、公开日为2015年7月19日的标题为“光催化高效节能空气过滤网”的专利用于增加颗粒过滤器的能量效率。但其能量效率提高机理不同于本发明主题的UGMA过滤器。公开号为US6428610 B1的专利基于非织造物表面的静电负载，而公开号为CN204469537 U的专利基于使用紫外光诱导的光催化剂层。
还存在在常规颗粒除去过滤器中静电降低截留的颗粒尺寸而不降低能量效率的方法，例如在2007年8月21日公开的标题为“电子双极性静电空气净化器”的专利文献US7258729 B1中公开的方法。然而，这些方法使用千伏级的电压。高电压限制了其使用区域，特别是对于个人使用和潮湿场所。
公开号为US4781736 A、公开日期为1988年11月1日的标题为“静电增强的HEPA过滤器”的专利涉及在滤网型过滤器部件的入口处使用高压电极，以便在HEPA过滤器的过滤器入口处将空气中的颗粒静电电离，来提高颗粒除去效率。
公开号为US 2002/0039566 A、公开日期为2002年4月4日的标题为“凝胶空气清新剂及其制造方法”的专利涉及将诸如除臭剂之类的不同芳香剂或试剂保持在合成凝胶内并将其及时发散于周围空气中。然而，在公开号为US 2005/0132886 A1、公开日为2005年6月23日的标题为“用于除去颗粒物和挥发性有机化合物的空气过滤器”的专利中使用凝胶与UGMA正好相反，如在说明书第[0018]段中所公开的，大于0.3μm的颗粒被凝胶捕获并且小于0.3μm的颗粒被静电截留。
发明内容
本发明公开了一种基于天然有机凝胶表面的呼吸系统和仿生设计的超高效有机凝胶微生物空气过滤器(UGMA)。本发明主题的UGMA过滤器基于使用海绵状结构作为夹层形式的多层结构微生物截留器，其被具有纳米量级高孔隙率的有机凝胶覆盖、。在较粗的颗粒和颗粒截留器层中，包含具有高微生物和颗粒截留率的有机凝胶所覆盖的部件的UGMA过滤器，相对于滤网型过滤器(例如HEPA)的滤网孔，对尺寸小得多的生物体具有高截留率，并且具有较低的能量损失。UGMA过滤器可用于防护面罩上，用于医疗环境的空气过滤，以及用于与人类健康直接相关的地方，例如食品生产设施，而没有任何副作用，因为它不含有任何有毒物或无机物。
UGMA通过在随机分布的空气通道中增加有机凝胶涂覆表面的空气擦拭率，而不是通过滤网型颗粒过滤来操作，由于入口表面和出口表面之间的压差，总空气摩擦减小并且能量消耗也减小。
在现有技术中，特别是对于个人使用和潮湿场所，高压使用区域受到限制。
相反，UGMA并不涉及通过经由高电压的静电负荷来截留颗粒。在UGMA过滤中，三羟基和天然葡萄糖结合包含于有机凝胶中，将纳米量级的微生物负荷高效地截留到纳米多孔有机凝胶结构中。
虽然已知在空调和过滤领域，已采用不同方式使用凝胶，但是UGMA过滤器上的有机凝胶使用方式和所得到的效果与所有这些现有技术不同。
与现有技术的方法相反，在UGMA过滤器中，在随机分布的海绵状框架中展开的有机凝胶中覆盖有在空气中的纳米多孔材质，加上其中的其他微生物吸引子有机材料，确保了尤其小于0.3μm的颗粒和微生物颗粒的截留。在UGMA中，对于小于0.3μm的颗粒的截留不需要使用静电处理的表面或经由高电压的励磁。此外，当在循环空气循环中使用UGMA过滤器时，它们可以以每次减半的反复递减速率达到微生物负荷降低速率。在目前制造的空气过滤系统中，除了UGMA过滤之外，其它的都没有可以在周期循环中以每小时微生物负荷减半的效果实现连续降低效果。
微生物活性的前设是微生物负荷由空气中的悬浮制剂携带，并且这些制剂被截留在颗粒过滤器中。与基于常规颗粒截留操作的所有空气过滤器不同，本文公开的UGMA过滤器具有微生物选择性。本发明主题的UGMA型过滤器通过不同于包括现有标准技术中的滤网型过滤器的机制截留具有物理柔性的生物体，例如细菌和病毒。该机构根据自然界生物的吸气机理启发而设计成仿生机构，并由工业上可获得的材料制成。UGMA型空气滤清器具有大级别和微级别两种不同级别的结构。在其大级别上使用了mm量级的分布孔结构，在微级别上使用了纳米量级的多孔结构。根据过滤层之间的空气流速和阶段顺序，以1-100ppi并且通常约为20ppi的海绵状材料设置大级别的孔结构。由根据应用目标性能在50-5000nm范围内变化且具有特殊混合物的凝胶材料获得纳米多孔材质。凝胶材质覆盖了大级别的所有体积内表面。通过该方法产生的气孔还确保微生物负荷与气孔内部的物质一起被截留和耗尽。
通过下面给出的附图标记和详细描述中指出的特征，本发明将变得更加容易理解。
在图7、图8、图9和图10中可以看到常规的、标准的HEPA和ULPA过滤器与在此公开的UGMA过滤器之间的性能比较。在这些比较中使用的UGMA型滤筒具有三层结构，该三层结构由6mm厚和20ppi孔密度並且其內表面被凝胶覆盖的海绵状框架结构、在海绵状框架结构入口表面处的200gr/m2水钉扎(pinning)面罩型毡型粗颗粒截留器、以及在海绵状框架结构出口表面处的50gr/m2非织造织物组成。
附图说明
图1示出了三层基本UGMA结构。
图2示出了有机凝胶捕捉通道内海绵骨架和纳米多孔有机凝胶纳米胎体(carcass)设计。
图3示出了有机凝胶涂层和UGMA生产系统。
图4示出了循环UGMA空气过滤系统。
图5示出了在外部空气入口处的多层UGMA空气过滤系统。
图6示出了个人防护面罩中的UGMA过滤器。
图7示出了在UGMA过滤器和HEPA过滤器的封闭循环操作下环境空气中微生物负荷水平随时间的变化。
图8示出了在UGMA、HEPA和ULPA过滤器的封闭循环操作下环境空气中加权平均颗粒尺寸随时间的变化。
图9示出了根据加权平均颗粒尺寸得出的过滤器部件上的气流阻力而确定的压差降低，其中UGMA过滤器和滤网型空气过滤器(HEPA/EPA/ULPA)的环境空气缩至封闭循环操作。
图10示出了功耗量(每单位)随UGMA过滤器和Hepa过滤器的使用时间的改变，并且约化为根据随时间移动在相应首次操作时刻的值。
附图标记的说明
编号 部件/部分名称
1 UGMA滤筒
2 粗过滤器
3 有机凝胶
4 非织造颗粒截留器层
5 起伏结构
6 框架
7 起伏状结构截留线
8 防止纳米多孔框架吸湿的涂覆膜
9 进气通道
10 空气流动通道
11 纳米孔材质
12 三羟基和葡萄糖源营养物
13 加热和表面浸渍池
14 辊
15 干燥
16 未涂覆凝胶的海绵
17 超声波缝合
18 内部循环空气擦拭的装置
19 UGMA滤筒更换抽屉
20 将过滤后的空气释放到周围环境中
21 用于吸入空气的推进器
22 可选的电子显示器和控制单元
2 3带和电缆连接线
24 可选的照明部件
25 外部空气处理单元
26 多部件串联的滤筒外壳
27 进气通道连接
28 个人防护面罩过滤器中的进气通道
29 有机凝胶过滤器
30 大层状有机凝胶过滤层
31 中层状有机凝胶过滤层
32 小层状有机凝胶过滤层
具体实施方式
UGMA最基本的用途是如空气净化器一样的内部体积的空气循环。在循环操作的封闭体积中，具有用于吸入空气的推进器21的单元通过UGMA滤筒更换抽屉19吸入空气。在图4中，可以看到UGMA滤筒更换抽屉19的拉出状态。从安装有UGMA滤筒更换抽屉19的用于进行循环空气擦拭的设备的前表面进入的空气穿过至少3层夹层结构的UGMA滤筒更换抽屉19的前表面流经UGMA滤筒1。在传统的空气净化器中，颗粒通常通过滤网过滤器如HEPA、ULPA除去，活性炭过滤器也会与它们一起使用。在常规空气净化装置中，可以组合使用方法及其衍生物，例如紫外线和微生物负荷降低，以及通过静电电离增强颗粒截留。与之不同的是，UGMA过滤中存在类似于肺机制的多孔海绵或泡沫、在随机分布的海绵状胎体内部的有机凝胶3、有机凝胶上的覆盖随机分布的通道的纳米多孔材质11，以及截留微生物和小颗粒的过滤器部件。微生物过滤器部件包括在其入口侧的水钉扎毡型粗过滤器2和在其出口侧截留可以裂开的颗粒的非织造颗粒截留器层4组成。该表面扩展的起伏结构5是三层夹层结构，确保进入空气中的大颗粒和可能损坏中间层的颗粒被截留在作为第一层的粗过滤器2中。在该第一层中截留的颗粒通常包括也可以由重力吸引的颗粒。作为第二层的随机分布的海绵状胎体在有机凝胶3中具有空气通道(图2)。
通过与滤网型过滤器不同的机构来清洁在此流动的空气。空气通道通过以翅片的形式向不同方向摆动而制造湍流。包含颗粒和微生物负荷的空气跟随这种湍流摆动移动，擦拭纳米多孔材质11涂覆的表面。图2分别示出了d＝5mm截面的示例、具有随机分布的空气流动通道10的海绵孔径并且所述空气流动通道根据空气流先选择为100微米，然后是10微米的示例、以及局部示出的纳米多孔材质11的截面示例。空气中的颗粒和微生物负荷通过湍流擦拭随机分布的翅片，被纳米多孔材质11上的三羟基和葡萄糖源营养物12填充。因此，根据所通过的空气的持续时间成比例地增加封闭循环操作时的平均微生物负荷和颗粒量减少量。因为当过滤器部件捕获颗粒和微生物负荷时，根据通道的数量以及剩余的较小颗粒和微生物的流动性而增加截留的可能性。另一个原因是纳米多孔材质11上的三羟基和葡萄糖源营养物12通过分成nm级别一样小的组分随机分布并形成表面。通过这种结构，流动的空气不会遇到与滤网孔成反比的恒定压力损失，例如在滤网型过滤器的情况。因为在UGMA型过滤器中，主过滤器部件的平均空气孔径比滤网型过滤器大100倍。由此，由于流动阻力低，能量损失小于50％，并且进一步地，由于使用过滤器，UGMA型过滤器不会如滤网型过滤器般被填充而发生能量损失的显著增加。凝胶过滤材质涂覆的海绵状结构的过滤空气出口施加到非织造颗粒截留器层4。该非织造颗粒截留器层4防止有机凝胶3颗粒混入随机分布的海绵状胎体中的周围环境中，海绵状胎体可能从过滤器内部裂开并在其中积聚微生物颗粒。此外，其确保与纸孔成比例的中等尺寸颗粒也被截留。
由Kanchan Maji、Sudip Dasgupta、Krishna Pramanik和Krishna Pramanik撰写的由Hindawi出版社于2016年在期刊“生物材料国际期刊”出版的名为“用于骨组织工程的明胶-壳聚糖-纳米生物玻璃3D多孔支架的制备和评价”的文章涉及获得在骨组织工程中用于基于天然聚合物的生物复合材料的凝胶胎体(支架)。在UGMA过滤系统中，与此相比，通过将多孔水凝胶胎体(多孔支架)以膜的形式涂覆到柔性海绵状载体结构上，获得了凝胶材质设计中的仿生效果。将天然获得的骨明胶与三羟基在水性介质中组合并结合到其它有机物质尤其是可结合微生物负荷的葡萄糖上，构成具有图2所示纳米结构形式的有机凝胶胎体(支架)。该凝胶胎体具有凹形通道结构，该凹形通道结构可以截留小于0.1μm的颗粒和微生物负荷。气流擦拭海绵状表面覆盖的凝胶胎体，并且气流中包含的负荷由该凝胶胎体截留。根据凝胶的设计，可以确定一级空腔直径及其内部较小的空腔比例，以及其中分散的截留器材料的比例。
在图2中，凝胶覆盖的海绵状结构以三种不同的比例示出。底部的海绵结构作为随机分布毫米级的空气通道的载体。在其放大的截面图上可以看出，进入的空气擦拭水凝胶膜涂覆的表面。从这里的表面获得的横截面的显微镜视图在顶部给出。因此，随机分布的、在10-5000nm范围内交错的不同尺寸的圆形孔覆盖通道的表面，通道通过引导空气擦拭空气，并且其中包含的微生物负荷和颗粒被这些孔截留。
根据针对颗粒的表现，常规的空气过滤器针对微生物的成绩较差，并且还具有短的寿命。例如，在估计其大约6个月的常规标准HEPA过滤器应用更换周期中，其在微生物截留方面的寿命终止在15至45天之间。其主要原因是，滤网型过滤器的滤网孔间距被填充，使得剩余的开孔的滤网孔的压力增加，产生喷嘴效应，并且撞击在此的刚性颗粒上的微生物负荷被刮掉，游离的微生物负荷可以灵活地通过。
UGMA过滤器增加空气与表面的摩擦，以湍流流过蜂窝状结构通道以通过粘液状凝胶材料，从而被过滤。空气中擦到表面上的微生物负荷被截留在纳米多孔凝胶结构中。因此，它将不能通过常规颗粒过滤器例如HEPA和ULPA除去的细菌和病毒尺寸都截留，导致较低的压力损失，因为其机制导致较小的摩擦，从而导致较低的能量损失。
在UGMA过滤系统的循环使用中，根据周围环境的微生物负荷生产能力的室内分布所确定的程序，通过最少数量的装置来确定空气擦拭(流动分布)。如果保证该最小比率，则由于与对称外观或安装访问相关的位置所特有的机械条件，可以实现针对更高擦拭值的每小时半衰期值。
生产过程对UGMA过滤器的微生物保留性能也是有效的。形成纳米孔的凝胶材质应在厚度上尽可能均匀地以膜结构覆盖海绵状结构内部通道。所开发的方法之一是在热凝胶池中涂覆之后通过压缩在室温下进行冷却过程。在均匀性方面，首先从液体物质开始制备水凝胶混合物。含有甘油、水、明胶和葡萄糖的混合物通过加热超过55℃而熔化。将作为空气通道载体的未涂覆凝胶的海绵16，通过辊供给至加热和表面浸渍池13中，浸入加热熔融的水凝胶混合物。通过体积凝胶排出，从吸引器辊14拉到表面，使所有内表面被涂覆纳米孔材质。干燥15处理后，获得空气通道、防止纳米多孔框架吸湿的涂覆膜8、和生物胎体过滤器部件。将所获得的生物胎体过滤器部件，以及从非织造颗粒截留器层4和毡型粗滤器2牵拉的材料，在料辊上共拉，从而得到三层夹层结构。类似地，可以根据需要获得不同的多层结构。通过多层夹层结构，采用边缘的自动切割和超声波缝合17以期望的尺寸生产过滤器部件，防止了过滤空气在滤筒内的边缘侧漏。多层过滤器结构在传递至过滤器框架6以用于在空气入口方向上起伏之前被引入起伏模具中。将波状的多层过滤器截留器放置在框架6中。因此，随着总表面增加，根据能量消耗的截留性能增加。
以这种方式获得的UGMA过滤器可以在整个循环中使用，或者部分地与具有新鲜空气供应的进气通道连接27一起使用。从包括多个UGMA滤筒1的多部件串联的滤筒外壳26的结构向周围环境供给空气，因为在外部空气供给的情况下UGMA过滤器不能一次性地实现对外部环境条件所期望的微生物过滤。作为个人防护面罩空气过滤器(图6)，通过自然流动如呼吸而不是通过马达驱动，在使用个人防护面罩过滤器的进气通道28进行的空气吸入和过滤中，也类似地使用了个人防护面罩过滤器从入口到出口的海绵状空气间隙的大层状有机凝胶过滤层30、个人防护面罩过滤器从入口到出口的海绵状空气间隙的中层状有机凝胶过滤层31、以及个人防护面罩过滤器从入口到出口的海绵状空气间隙的小层状有机凝胶过滤层32。
在这种情况下，空气从粗过滤器2通过沿过滤器从入口到出口方向越来越小的多层海绵状多孔结构，由所述个人防护面罩过滤器从入口到出口的海绵状空气间隙的大层状有机凝胶过滤层30，通过所述个人防护面罩过滤器从入口到出口的海绵状空气间隙的中层状有机凝胶过滤层31，流至所述个人防护面罩过滤器从入口到出口的海绵状空气间隙的小层状有机凝胶过滤层32，而所述个人防护面罩过滤器从入口到出口的海绵状空气间隙的小层状有机凝胶过滤层32的出口处是非织造颗粒截留器层4。多层结构中间的水凝胶涂覆的海绵状中空结构的平均孔径从大到小，原因是在一次性的空气过滤中需要在每层均匀分布空气阻力(压降)。若以相等的孔制造，最外第一层中的海绵状中空层的磨损时间将比其他层短得多。
在纳米多孔凝胶覆盖整体气孔获得的湍流中，空气擦拭表面截留的微生物负荷较高。使用纳米多孔凝胶成分，随营养物的截留，在自然粘度和弹性方面的稠度长时间保持，从而增加过滤器的有效寿命。在夹层结构中，通过使空气穿过毡型(水钉扎)截留器(200gr/m2)的粗过滤器2，防止粗颗粒堵塞敏感微生物有机凝胶过滤器29。通过非织造抗微生物过滤器(50gr/m2)撞击较小的颗粒或使其变型，防止微生物负荷截留颗粒排出至洁净周围环境。由于根据微生物生产负荷和周围环境的体积计算出来的每小时循环速率高于过滤器补偿所需的阈值循环，因此获得反复降低的微生物负荷趋势。
与截留量相等的滤网过滤系统相比，本发明的总能量消耗显著降低，这是由于减少了从外部环境吸入的空气需要以及由于过滤循环中低的压损失情况较多。本发明通过使从外部环境引入的空气在单一路径上连续穿过多层夹层结构，效果相当于将空气通过截留微生物所需的多循环过滤比。过滤外部环境的空气时，通过整体气孔量级由大到小的凝胶过滤材质来稳定层与层之间的压力和负荷分布，从而通过从外部环境过滤器的入口层开始将寿命短的通道与其它寿命的通道的寿命均匀分布，来延长总的过滤器系统的更换寿命。通过起伏来扩大总表面积，从而增加了过滤元件能够有效地用于单位空气流的气孔的数目，并且较低的内部流速截留效率，获得了较高的总空气流率。通过从出口进风口处的至少两个体积中取出间歇空气，在每个体积中分别进行多圈减少操作，并从通过阈值过滤循环获得的体积中依次将空气送到内部环境中，可保证微生物过滤，并且确保新鲜空气在内部环境中的连续性。在有害气体，特别是有机混合气体和NBC(核、生物、化学)试剂在空气中的排放中，纳米多孔表面还增加了涵盖分子级的不同级别的表面截留，从而确保了从较大有害分子和颗粒混合物中物理分解空气中的载气，例如氧气。在多层UGMA过滤器面罩中，当人通过吸入空气而使空气通过空气通道并循环空气时，由于纳米孔和微孔结构对有害气体排放的广谱截留效果增加，并且对NBC试剂的广谱截留增加，因此可以确保对于常规有害气体或试剂的广谱截留效果，而不是常规的面罩和周围环境过滤器应用的截留效果。
相反，本发明针对滤网型和暴露的气体或有害化学品使用特殊材质，由于在使用UGMA的面罩或环境过滤时，纳米孔隙和微孔结构没有重大的化学相互作用或筛分机理，所以其寿命比常规短期过滤器高100％以上。在UGMA过滤中，在环境过滤之前，根据所确定的微生物负荷生产率得出的统计数字来确定平衡标准，再根据平衡标准得出总循环能力和生产率的物理分布，继而确定装置的放置位置和数量，并且由于UGMA滤筒更换周期是根据反复不断降低的微生物负荷稳定率确定的，并且通过在UGMA过滤空气驱动装置的控制单元中使用与该值对应的倒计时率作为自动寿命估算器，因此提供了不超过环境的微生物负荷上限的操作安全性。通过在UGMA过滤元件被用作多个的环境中匹配装置和过滤器生产序列号，根据环境中的所有装置和环境的总微生物过滤性能来控制寿命控制，通过屏蔽不呈现相同性能的其他过滤器或使用过的特性不同的过滤器来确保测量验证的UGMA过滤性能。改变添加到混合物中的物质的比例以提供粘附、粘度和弹性，其中凝胶材料根据使用环境的工作温度范围提供高微生物过滤性能，并且通过添加额外的化学品用于高温环境，增加熔融温度，并且用于低温环境，降低冻结温度，可以提供适合于环境的目标物理特性。
改变添加到混合物中的物质的比例以提供粘附、粘度和弹性，其中凝胶材料根据使用环境的相对湿度范围提供高微生物过滤性能，并且通过添加额外的化学品用于高温环境，增加熔融温度，并且用于低温环境，降低冻结温度，可以提供适合于环境的目标物理特性。由于UGMA过滤器仅使用有机和无毒物质，意外摄食没有有害影响。UGMA过滤器可以按标准的处置过程处理，因为优选的是其框架6和紧固件源自天然材料(例如纸板或木材)制造，其废物处置的便易性包括焚化，以针对在其使用过程中与其中已经截留的微生物负荷的直接接触的问题。由于UGMA空气过滤器的微生物截留高于常规滤网过滤器，高细菌截留能力确保食品的保质期增加，而不增加添加剂(如有的话)或在食品生产环境或使用其的食物链中不使用任何添加剂。在储存，舱室和货架系统没有完全隔离下，当与根据环境得出的过滤平衡极限的循环一起使用时，UGMA型过滤器延长腐化时间，这是因为其微生物选择性和高能量效率，或者，替代地，不必降低温度来减少常规的摄氏4度的细菌生长，其相反地在较高温度下实现等效的繁殖限制，从而进一步节能。
借助于这些特性，在不使用添加剂的情况下，在食物产品(例如乳品)的生产中减少空气中的微生物污染可以使产品的保质期增加超过100％。类似地，在环境敏感的环境(例如医院)和拥挤的环境(例如公共交通和学校)中，由于可以降低空气中的微生物负荷，包括大量的细菌和病毒，这与具有低能量损失的其他常规过滤器不同，从而可以大大降低感染性和过敏原效应。
在进行封闭循环空气过滤的环境中使用HEPA常规滤网型空气过滤器和UGMA过滤器的情况下，在图7中可以看出环境的微生物负荷水平随时间相对于初始值成比例的变化。因此，如在HEPA中那样，虽然传统的滤网型过滤器随着滤网孔变得更小而以渐近线的下降显示环境中微生物负荷水平的下降，但是UGMA型过滤器随着其工作时间增加而使微生物负荷水平变为零。因为微生物负荷可以通过悬挂在比其本身更大的颗粒上而输送到其它周围环境，所述颗粒通常悬浮在空气中。最小的结构是病毒，其尺寸小于0.1微米。细菌在0.15-0.30微米范围内。霉菌尺寸达到0.35微米。微生物剂由于其蛋白质结构而具有柔性结构。因此，它们可以借助高流量空气通过比自身小的孔。也就是说，由于传统的过滤器结构由无机材料组成，因此大部分有机结构剂能够通过这些孔。当检查HEPA过滤器的微生物负荷比随时间的降低水平时，它容易使仅在一定水平被截留的较小结构(病毒、细菌、酵母菌、霉菌)通过。
在使用UGMA过滤器的情况下，当下测量的微生物负荷水平大约每小时减半并且最终达到0kbb的水平。
在图8中可以看到在UGMA、HEPA和ULPA过滤器的封闭循环操作下环境空气中加权平均颗粒尺寸随时间的变化。图8显示的图表是在封闭环境中使用HEPA过滤器、ULPA过滤器和UGMA过滤器后首5小时内测量各种尺寸的颗粒的减少水平而获得。HEPA过滤器的孔径为0.33微米，可截留0.33微米或更大的颗粒。在较小尺寸的ULPA过滤器中，可以截留达0.12微米的颗粒。UGMA过滤器可通过其包含的凝胶过滤技术在首4小时内截留达0.1微米的颗粒。长期运行的降低率超出了商品型式出售的常规滤网型过滤器的应用。
在滤网过滤器中，滤网孔由EPA降低到ULPA，但压力损失增加。考虑到记载了HEPA过滤器特征分类的EN 779标准中规定的参数，差值-压力测量值根据通过过滤器的空气流量而变化。随着空气流增加，阻力增加，因此差值-压力比将增加。HEPA过滤器在空气测试柜中在0.983m3/s的空气流速下可以达到450帕斯卡。为了截留较小尺寸的颗粒，必须减小孔径。换句话说，它产生更大的差值-压力比，以便截留更小尺寸的颗粒。当在提供达0.12微米截留的ULPA过滤器中产生的压力最大为450帕斯卡级时，根据此比率，在UGMA过滤器中将环境空气的颗粒减少至相同颗粒尺寸时，获得最大压力仅为110帕斯卡级。
图9示出了根据加权平均颗粒尺寸得出的过滤器部件上的气流阻力而确定的压差降低，其中UGMA过滤器和滤网型空气过滤器(HEPA/EPA/ULPA)的环境空气将缩至封闭循环操作。随着颗粒尺寸增大，压力损失减小。MJH过滤器的压力损失率在30-120帕斯卡之间。该比率显着地低于传统过滤器的比率。由于其结构不同于其他机理，因此其透气性高。
由于在EPA、HEPA和ULPA过滤器中截留的颗粒堵塞孔隙，因此随着使用时间的增加，可通过相对侧的空气流减少，从而增加压差损失。因此，随着使用天数的增加，电力消耗增加，因此日常能量消耗也增加。然而，在UGMA过滤器中，不会存在随着使用时间增加而阻止空气流的任何阻塞。随着天数的增加，UGMA过滤器使用增加。由于主过滤元件中的压力损失没有变化，并且由于粗过滤器和非织造过滤层引起的变化非常小，因此与EPA/HEPA/ULPA过滤器相比，其每日能量消耗变化率显著较低。图10示出了功耗量(每单位)随UGMA过滤器和Hepa过滤器的使用时间的改变，并且约化为根据随时间移动在相应首次操作时刻的值。
此外，常规过滤器过滤来自外部的空气并对其进行调节并将其提供给内部环境。每小时进行至少6次改变。换言之，由于改变的次数，加热或冷却的并提供给环境的空气被排出。这导致额外的能量消耗以及压力损失。由于UGMA过滤器系统中的内部环境空气在循环中被过滤并与HEPA过滤相比完全地或者以更高的比率被带回周围环境中，经调节的空气的主要部分停留在周围环境中，使排放和气候化的能量消耗减少。
UGMA滤筒的一个重要特征是：在海绵状胎体中随机分布的有机凝胶3上的纳米多孔材质11层的平均密度取决于待使用的位置在10-50ppi的范围内，并且空气从夹层结构的UGMA滤筒1的内部表面穿过进气通道9，通过在海绵状结构的空气流动通道10内产生微湍流而擦拭纳米孔，确保尺寸小于0.1μm的微生物负荷被孔截留，其中所述夹层结构的UGMA滤筒1是在海绵状胎体内具有随机分布的有机凝胶3，里面通过覆盖具有随机分布的孔的海绵状胎体的内表面形成微生物截留器。因此，可以在过滤器中截留小至不限于HEPA、ULPA等滤网型过滤器的滤网孔所截留的细菌和病毒。
UGMA滤筒1的另一特征是：由于作为微生物截留器的海绵状胎体中随机分布的有机凝胶3中的海绵状孔的进气孔大小在0.5-2.5mm(10-50ppi)之间，比待截留的最小微生物负荷的直径大1000倍，擦拭低至纳米级的纳米多孔材质11孔时，气流渗透性高，压力损失低。因此，相对于随着待截留的颗粒尺寸减小而增加的能量损失，像在滤网型过滤器如EPA/HEPA/ULPA中，UGMA过滤器提供了能量节省，不论待截留的颗粒或微生物负荷尺的大小。图9示出了根据加权平均颗粒尺寸得出的过滤器部件上的气流阻力而确定的压差降低，其中滤网型空气过滤器(HEPA/EPA/ULPA)的环境空气将缩至在封闭循环操作。
本主题的UGMA滤筒1的另一个特征是：在海绵状胎体中随机分布的有机凝胶3所在的胎体的孔数为10-50ppi(每英寸的孔)。更优选地，通常使用15-25ppi的多孔材料。标准单层过滤器中最常用的20ppi孔密度对应于1.2mm的平均孔径。由于胎体的孔径为mm级别(0.5-2.5mm)，且空气悬浮物达不到该尺寸，如滤网型过滤器般，根据使用时间，由堵塞引起的功率消耗增加引起日常能量消耗变化，但与常规HEPA和ULPA过滤器相比，本发明的日常能量消耗变化处于可忽略不计的水平(图10)。
UGMA滤筒1的另一特征是，其包含纳米多孔材质11，其由有机明胶、甘油、水和葡萄糖的混合物获得的水凝胶制成。以薄膜的方式覆盖海绵状结构过滤元件的内表面；由此获得完全天然源的微生物截留器空气通道结构，该空气通道结构无毒，孔隙分布由混合物中基质的比例决定。
本文的纳米多孔材质11通过向其混合物中供给由葡萄糖或其它有机营养物截留的微生物负荷而变得不可移动，而其可经由可选的碳酸盐弃置。
过滤器元件的内表面含有小孔以将进入空气中的气味分子截留，并且可以通过将天然芳香气味添加到水凝胶-甘油混合物，即纳米多孔材质11中，将期望的芳香气味混合到出口空气中。因此，可以在不使用除臭剂抑制化学品的情况下提供期望的气味，同时去除空气中的不期望的气味。此外，可以向包含在UGMA滤筒1中的纳米多孔材质11添加有机着色剂。
本主题的UGMA滤筒1的另一个特征是：若在相同的环境内部，使用内部循环空气擦拭的装置18提供连续的封闭循环环境空气循环，则海绵状胎体中随机分布的有机凝胶3的内表面上随机分布的纳米多孔材质11其针对一定尺寸的颗粒或微生物截留的可能性与擦拭的总空气体积成比例，因此，随着使用时间的增加，其能够截留的颗粒和微生物负荷尺寸逐渐向零变小；因此，尽管UGMA过滤器不能将空气过滤颗粒尺寸减小到小于如HEPA等滤网型过滤器的过滤孔，但也可以随着系统在闭合循环中的运行时间增加，从而减小环境中较小的微生物负荷(如图7-图8所示)。
UGMA滤筒1的另一特征是：在海绵状肽体中较大颗粒降解纳米有机随机分布的有机凝胶3的能量损失通过附着到其出口的毡型粗过滤器2相对截留在低入口层中。
UGMA滤筒1的另一特征是：截留从海绵状胎体中随机分布的有机凝胶3材质和非织造颗粒截留器层4中分裂的颗粒，从而防止在其中具有微生物负荷的颗粒混入周围环境中。
提供一种UGMA滤筒1的生产方法1，其特征在于将未涂覆凝胶的海绵16浸入纳米多孔材质11的加热和表面浸渍池13中，其中，纳米多孔材质11是通过加热超过55℃而熔融的基于水凝胶的混合物，然后通过从辊14拉出来，使所有内表面覆盖纳米多孔材质11，并且包含干燥15处理步骤。
UGMA滤筒1的制造方法的另一特征在于：将从非纺织颗粒截留器层4拉出的材料和毡型粗过滤器2材料从辊共拉，并通过自动切割来生产所需尺寸的UGMA滤筒1，通过超声波缝合17防止过滤空气在滤筒内的边缘侧漏，并将此三层结构沿空气入口方向通过在框架上具有起伏结构5的起伏状结构截留线7放置在截留器框架6上，由此，随着总表面增加，根据能量消耗的截留性能提高。
本发明主题的UGMA滤筒1的另一个显著特征是：在覆盖海绵状材质的水凝胶材料，即纳米多孔材质11中加入甘油、水、糖等添加剂，可以控制纳米-微米范围内的孔隙尺寸分布。因此，可以根据要实施的场所的活动时间、寿命和最小颗粒水平之间执行性能最优化。
UGMA滤筒1的另一特征是：增加起伏结构5内的过滤器表面面积和UGMA滤筒1的体积，从而在增加空气流量的同时减少基于压差的能量损失。
UGMA滤筒1的另一特征是：在呼吸自由空气流的实施例中，本发明不使用多圈循环来减少微生物和颗粒负荷，相反，本发明包含从大到小的不同孔径的海绵状层，使用了个人防护面罩过滤器从入口到出口的海绵状空气间隙的大层状有机凝胶过滤层30、中层状有机凝胶过滤层31以及小层状有机凝胶过滤层32。因此，在诸如防护面罩的应用中，确保在单次空气通过中使空气过滤达到期望的水平。
UGMA滤筒1的显著特征是：它包含外部空气处理单元25，当需要将新鲜外部空气添加到环境中时，外部空气处理单元25用于在外部空气入口处进行UGMA过滤。作为通过在分开的部分中的多圈循环来减少微生物和颗粒负荷的替代方案，本发明确保了涂覆有凝胶的海绵状层内表面空气通道与多部件串联的滤筒外壳26一起使用多于一次。因此，除了凭借单次的空气通过降低内部环境中的空气微生物负荷维持在目标净化水平之外，还通过孔径变化确保了层间相等的压力降低。
用于所述UGMA过滤的外部空气处理单元25的一个重要特征是：从空气入口到出口的海绵层的孔径和厚度按大小排序，使得每一层的压降分布保持平衡在相等的气流下，从而通过避免由于输入层的进一步磨损而缩短寿命，进而延长过滤器部件的综合寿命。
根据第一入口处的总层数，孔间隔在8ppi至15ppi的范围内。如果层数大于6，则以最大为12ppi开始。每个层上的ppi值从入口到出口增加。在最后一层中，根据系统空气流速的上限，孔密度在20-25ppi之间。当标准生产中没有中间孔层时，也可以采用分组还原法。例如，从入口到出口可以分别以10ppi，10ppi，15ppi，15ppi，15ppi，20ppi，20ppi，20ppi，20ppi的方式制造9层。在多层外部空气入口过滤器应用中孔径从大到小排序的情况下，根据等孔径情况，防止了由于输入层中的压力不平衡而导致的比平均时间更早的磨损。根据层数确定孔径减少量。层数最大为12。外部入口处的层数为12时的情况是等于标准中每小时的内部循环数的情况。在具有少于12个入口层的情况下，剩余的循环将缩为内部的封闭循环。图5中示出的层表示来自外部单元的入口。

Claims (19)

1.一种UGMA过滤器，即超高效有机凝胶微生物空气过滤器，其具有UGMA滤筒(1)，其特征在于：所述UGMA滤筒包含在海绵状胎体中随机分布的有机凝胶(3)作为微生物截留器，所述微生物截留器由覆盖所述海绵状胎体内表面的所述有机凝胶的层产生，所述海绵状胎体具有在0.5-2.5mm范围内的随机分布的孔；也包括在具有随机分布的海绵状胎体孔直径的有机凝胶(3)上的纳米多孔材质(11)；也包括允许空气进入夹层结构的UGMA滤筒(1)的进气通道(9)；并且也包括空气流动通道(10)，以便通过在其中产生微湍流，使空气擦拭纳米孔，从而使小于0.1μm的微生物负荷被孔和截留。
2.根据权利要求1所述的UGMA过滤器，其特征在于包含在随机分布的所述海绵状胎体中的所述有机凝胶，所述海绵状胎体在其上具有mm级的海绵孔的气流孔，形成所述微生物截留器，并且所述海绵状胎体的气流孔与待截留的最小微生物负荷直径相比大1000倍。
3.根据权利要求1所述的UGMA过滤器，其特征在于所述UGMA滤筒(1)中的所述纳米多孔材质(11)由有机明胶、甘油、水和葡萄糖的混合物获得的水凝胶制成。
4.根据权利要求1或3所述的UGMA过滤器，其特征在于所述纳米多孔材质(11)含有碳酸盐。
5.根据权利要求1所述的UGMA过滤器，其特征在于所述UGMA过滤器的内表面含有小孔以将流入的空气中的气味分子截留。
6.根据权利要求1或3所述的UGMA过滤器，其特征在于所述纳米多孔材质(11)具有含有天然芳香气味的水凝胶-甘油混合物。
7.根据权利要求1或3所述的UGMA过滤器，其特征在于所述纳米多孔材质(11)含有三羟基和葡萄糖源营养物(12)。
8.根据权利要求1所述的UGMA过滤器，其特征在于为了确保随着使用时间的增加，所截留的颗粒和微生物负荷尺寸逐渐向零变小，确保一定尺寸的颗粒或微生物的截留可能性与总擦拭空气体积成比例，若使用在相同环境用于内部循环空气擦拭的装置(18)，提供环境空气在连续封闭循环中的循环流动，则在所述海绵状胎体中的随机分布的所述有机凝胶(3)的内表面上包含随机分布的所述纳米多孔材质(11)。
9.根据权利要求1所述的UGMA过滤器，其特征在于所述UGMA滤筒(1) 也包含毡型粗过滤器(2)，所述粗过滤器(2)截留在海绵状肽体中较大颗粒降解纳米有机随机分布的有机凝胶(3)在入口处的能量损失。
10.根据权利要求1所述的UGMA过滤器，其特征在于所述UGMA滤筒(1)包含在所述UGMA滤筒(1)的出口处的非织造颗粒截留器层(4)，确保将从随机分布的海绵状胎体中的有机凝胶(3)材质分裂出来的颗粒截留。
11.根据权利要求1所述的UGMA过滤器，其特征在于所述纳米多孔材质(11)含有有机着色剂。
12.根据权利要求1所述的UGMA过滤器，其特征在于所述在海绵状胎体中随机分布的有机凝胶(3)所位于的胎体的孔数为10-50ppi。
13.根据权利要求1所述的UGMA过滤器，其特征在于，以个人防护面罩过滤器的形式呼吸自由空气流时，所述UGMA滤筒(1)包含从大到小的不同孔径的海绵状层，而不是使用多圈循环来减少微生物和颗粒负荷，其中使用了在所述个人防护面罩过滤器从入口到出口的海绵状空气间隙的大层状有机凝胶过滤层(30)、中层状有机凝胶过滤层(31)以及小层状有机凝胶过滤层(32)。
14.根据权利要求1所述的UGMA过滤器，其特征在于，所述UGMA滤筒(1)包含外部空气处理单元(25)，当需要将新鲜外部空气添加到环境中时，所述外部空气处理单元(25)用于在外部空气入口处进行UGMA过滤。
15.根据权利要求14所述的UGMA过滤器，其特征在于，所述外部空气处理单元(25)从空气入口到出口的海绵结构层的孔径在第一入口处在8-15ppi的范围内。
16.根据权利要求14所述的UGMA过滤器，其特征在于，所述外部空气处理单元(25)从空气入口到出口的海绵结构层的孔径在最后一层处在20-25ppi的范围内。
17.根据权利要求1所述的UGMA过滤器，其特征在于，作为通过多圈循环来减少微生物和颗粒负荷的替代方案，确保可使用多于一次的涂覆有凝胶的海绵状层内表面空气通道包含多部件串联的滤筒外壳(26)。
18.一种UGMA过滤器的UGMA滤筒(1)的生产方法，其特征在于，将未涂覆凝胶的海绵(16)浸入纳米多孔材质(11)的加热和表面浸渍池(13)中，其中所述纳米多孔材质(11)是通过加热超过55℃而熔融的基于水凝胶的混合物，然后其通过从辊(14)拉出来使其所有内表面覆盖有所述纳米多孔材质(11)；并且也包含干燥(15)处理步骤。
19.根据权利要求18所述的UGMA过滤器的UGMA滤筒(1)的生产方法，其特征在于包含以下处理步骤：将从非纺织颗粒截留器层(4)拉出的材料和毡型粗过滤器(2)材料从辊一起共拉，并通过自动切割来生产所需尺寸的UGMA滤筒(1)，通过超声波缝合(17)防止已过滤空气在所述滤筒内的边缘侧漏，并将此三层结构沿所述空气入口方向放置在具有起伏结构(5)的截留器框架(6)上。
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