CN117897216A - 利用过滤器的空气去污和自更新净化系统 - Google Patents

Abstract

空气净化系统包括在入口和出口之间延伸的导管，入口和出口都与封闭环境流体连通。来自封闭环境的环境空气通过入口进入导管，处理过的空气通过出口从导管排出并进入封闭环境。该系统还包括设置在导管内并配置用于处理环境空气从而产生处理过的空气的纤维式过滤器，以及设置在导管内并配置成用于更新纤维式过滤器的更新单元。

Description

利用过滤器的空气去污和自更新净化系统

本发明是在政府支持下根据美国国家科学基金会授予的合同2026128完成的。政府对发明拥有一定的权利。

本申请要求于2021年6月30日提交名称为“利用反应装置的空气去污和净化系统”的临时专利申请的优先权，其申请号为63/216,897，并进一步要求于2021年10月25日提交名称为“利用反应装置的空气去污和净化系统”的临时专利申请的优先权，其申请号为63/271,326。本申请还要求于2022年1月28日提交名称为“空气去污和净化系统”的临时专利申请的优先权，其申请号为63/304,384。本申请还要求于2022年3月30日提交名称为“利用过滤器的空气去污和自更新净化系统”的非临时专利申请的优先权，申请号为17/709,069。这些申请中的每一个都通过引用完整地并入本文。

技术领域

本公开涉及室内，例如，建筑物内、座舱内或室外的空气净化系统，特别是用于处理空气的系统，例如，用于有效灭活病毒和其他病原微生物，以及去除气态或颗粒污染物。

背景技术

目前市场上有很多室内空气净化装置。此外，还导入了一些改善室外空气质量的新兴技术。此类技术可以包括1)机械式过滤器(例如纤维、金属和陶瓷过滤器)，以机械方式捕获过滤器内的空气中的污染物；2)吸附式过滤器(例如，包括活性炭的过滤器)，通过将空气中的分子与吸附剂进行物理或化学结合，从空气中去除某些气态分子或异味；3)静电式过滤器，当空气中的污染物进入过滤器时，静电式过滤器使它们带电，让这些污染物被吸引并被困在过滤器内；4)光催化式过滤器，通常与紫外线结合使用，以降解空气中的污染物。在实践中，所有这些过滤器都有各种缺点。例如，HEPA过滤器虽然作为颗粒过滤器表现出很高的效率，但对处理挥发性有机化合物(volatile organic compounds；VOCs)无效。此外，许多传统的空气净化系统往往会释放被困污染物，甚至产生有害的副产品。大多数应用需要较长的维护时间和频繁的过滤介质更换。

因此，需要改进的空气净化装置，这些装置可以有效地用于各种环境，例如建筑物、飞机、车辆、户外等。

发明内容

在一个技术方案中，公开了一种空气净化系统，其包括从入口延伸的导管，通过该入口可以将环境空气流接收到出口，处理过的空气可以通过该出口离开导管。在一些实施例中，用于促进空气循环的装置，例如风扇，可用于促进空气流通过导管。过滤器设置在导管内以处理进入的空气。在一些实施例中，过滤器具有主要多孔过滤单元和次级多孔结构，其可以调节主要多孔过滤单元的过滤功能。处理过的空气经由导管的出口离开导管。更新单元，例如加热元件，也可以位在导管中，并可以间歇性地启动，例如，它可以根据预定义的时间表启动，例如每天、每周、每月或其他方式，以便处理通过过滤器捕获或以其他方式处理的污染物，从而更新过滤器。例如，更新单元可以经由热、光、磁场、红外辐射或任何其他合适的能量模式来更新过滤器。在一些实施例中，热可用于更新过滤器。在这些实施例中，热可以传导或对流方式从更新单元传递到过滤器。

在相关技术方案中，公开了一种空气净化系统，其包括具备了具有用于接收环境空气的入口的入口空气导管部份的导管、有过滤器(例如，纤维过滤器)位在其中的更新回路，以及处理过的空气通过其离开导管的空气出口。

在一些实施例中，空气净化系统可以包括一个主要导管，其从入口延伸到一个出口，并有一个过滤器位在其中，以及一个与主要导管耦合的次级导管，并与主要导管以两个流体连接点呈流体耦合，其中一个流体连接点(本文也称为上游连接点)位于过滤器的上游，另一个流体连接点(本文称为下游连接点)位于过滤器的下游。流体连接点允许液体或气体(例如空气)在主要导管和次级导管之间流动。在一些这样的实施例中，一个阀(本文称为上游阀)耦合到上游流体连接点，另一个阀(本文称为下游阀)可操作地耦合到下游流体连接点，使得过滤器位于两个阀之间。在一些实施例中，处理单元位于次级导管内。处理单元可以具有与过滤器相同或不同的结构。作为示例，处理单元可以是吸附式过滤器、催化式过滤器或它们的组合。

在一些实施例中，过滤器可以包括主要多孔结构。主要多孔结构提供过滤功能，使过滤器能够处理含有污染物的进入气流。在一些实施例中，主要多孔结构捕获至少1％或更多的污染物(例如，至少5％、或至少10％、或至少20％、或至少30％、或至少40％、或至少50％、或至少60％、或至少70％、或至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少99％、至少99.9％、或至少99.97％、或至少99.99％、或至少99.999％、或更多的污染物)，其根据过滤器在进入气流中最具穿透力的粒径(most penetrating particle size；MPPS)进行测量。

在一些实施例中，过滤器包括多孔的宏观基质，其包括复数个相互连接的通道。

在一些实施例中，主要多孔结构或多孔宏观基质的孔径范围为约10nm至约3mm。

在一些实施例中，过滤器可以由纤维介质制成，例如，无纺布和/或编织纤维介质。在一些这样的实施例中，过滤器的纤维被分层成网，然后通过压力、化学、机械、热或溶剂处理和/或通过纤维的互锁结合在一起。纤维介质的一个例子是玻璃纤维。

在一些实施例中，过滤器可以包括高效微粒空气(high efficiency particulateair；HEPA)过滤器或超低微粒空气(ultra-low particulate air；ULPA)过滤器。

在一些实施例中，过滤器可以由以下任一个材料制成、包括以下任一个材料、或涂覆有以下任一个材料：玻璃纤维、聚合物纤维、天然纤维(如棉或丝绸)、其它合成材料(如醋酸纤维素、硝酸纤维素(火棉胶)、聚酰胺(尼龙)、聚碳酸酯、聚丙烯和聚四氟乙烯)、不锈钢、铝、镀锌钢、镍合金、铬镍铁合金、FeCrAl合金、二氧化硅、其它金属氧化物或其组合。

如本文所用，纤维式过滤器包括任何编织纤维基质料或无纺布以及无纺布和编织纤维基质料的组合。

在一些实施例中，过滤器可以包括或可以涂覆有反应性介质，以提供不同的功能，例如，用于灭活病原体和分解有机和无机气态污染物。反应性介质的表面可以表现出组合物和/或形态，其被配置成有利于所述至少一种污染物(例如，微粒、病原体)的捕捉或灭活。例如本文所公开的内容，这种涂层可以是例如以连续或不连续的无孔材料的薄涂层的形式。

在一些具体实施例中，反应性介质可以包括有机材料(例如酶)或无机材料(例如金属、金属氧化物，如银、氧化铜、氧化锰)。

在一些实施例中，反应性介质可以包括吸附材料(例如，活性炭、沸石等)。在其它实施例中，反应性介质可以包括金属(例如，金、银、铜等)。在进一步的实施例中，反应性介质可以包括催化材料。在一些实施例中，催化材料可以包括金属纳米颗粒，例如金、银、铂、钯、钌、铑、钴、铁、镍、锇、铱、铼、铜、铬、钨、钼、钒、铌、钽、钛、锆、铪、双金属、金属合金、金属化合物，如钽、氢氧化物、二元盐和络盐，包括杂多酸及其衍生物或其组合。

在一些实施例中，反应性介质包括连续的薄膜。在其他实施例中，反应性介质包括复数个不连续的表面区段。此外，在其它实施例中，反应性介质可以包含分布在过滤器的至少某些部分内的复数个纳米颗粒。这种功能性纳米颗粒的尺寸可以在约0.5nm至约500nm的范围内。整体系统设计可以提高灭活病原体和去除气态污染物或颗粒物的效率。

在一些实施例中，纳米颗粒由金属或金属氧化物组成。在一些实施例中，纳米颗粒包括合成或天然来源的聚合化合物或其组合，例如聚苯乙烯、多胺、蛋白质或多糖基质料、丝心蛋白、甲壳素、紫胶、纤维素、壳聚糖、褐藻胶、明胶。在一些实施例中，纳米颗粒可以包括催化纳米颗粒。在一些实施例中，反应性介质可以通过例如用胺、硫醇或季铵盐的化学官能团进行修饰来改变过滤器的表面化学性质。在一些实施例中，反应性介质可以添加吸附功能。在一些实施例中，反应性介质的功能可以由其组成、形态或两者的组合引起。

在一些实施例中，反应性介质可以调节过滤器的过滤能力，并且可以调节更新过滤器的能力。次级反应性介质可能不会显着增加(并且在某些情况下可能不会增加)背压，即过滤器入口和出口之间的压差(例如，背压低于50倍增加，或低于10倍增加，或低于5倍增加，或低于1倍增加，或低于0.5倍增加，或较小或没有变化)相对于在类似流动条件下(例如，在每分钟0.1至10,000立方英尺(CFM)的范围内，或0.5至1000CFM，或1至500CFM，例如200或400CFM)操作的没有次级多孔涂层的类似过滤器。

在一些实施例中，过滤器可以包括主要多孔结构和与主要多孔结构耦合的次级多孔结构(例如，多孔涂层)。在一些实施例中，次级多孔结构的孔表现出的几何形状、表面形态和/或尺寸配置成促使所述至少一种污染物(例如，颗粒、病原体)的捕捉或灭活。在一些实施例中，次级多孔结构包括连续的薄膜。在其它实施例中，次级多孔结构包括复数个不连续的表面区段。此外，在其他实施例中，次级多孔结构包括分布在过滤器的至少某些部分内的复数个多孔功能颗粒。颗粒的尺寸可以在约0.5μm至约30μm的范围内。

在一些实施例中，涂层的孔隙表现出横截面尺寸在约1nm至约10μm的范围内，例如，在约10nm至约10μm，约80nm至约5μm，约100nm至约5μm，约200nm至约5μm，约250nm至约5μm，约300nm至约2μm，约500nm至约2μm，或在约1至约2μm的范围内。在一些实施例中，次级涂层的孔隙表现出的几何形状、表面粗糙度和/或尺寸配置成便于捕捉所述至少一种污染物(例如，颗粒)。

在一些实施例中，次级多孔结构可以由陶瓷、金属、金属氧化物、混合金属氧化物、高分子材料、生物材料或其任意组合以及其他物等组成。

在一些实施例中，次级多孔结构可以调节过滤器的过滤能力，并且可以调节更新过滤器的能力。二级多孔结构可能不会显着增加(并且在某些情况下可能不会增加)背压，即过滤器入口和出口之间的压差(例如，背压低于50倍增加，或低于10倍增加，或低于5倍增加，或低于1倍增加，或低于0.5倍增加，或更小或没有变化)相对于在类似流动条件下(例如，在每分钟0.1至10,000立方英尺(CFM)的范围内，或0.5至1000CFM，或1至500CFM，例如400或200CFM)操作的没有次级多孔涂层的类似过滤器。

在一些实施例中，次级多孔结构(例如，多孔涂层)可以包括分布在涂层表面和/或整个至少一些孔中的反应性介质。在一些实施例中，反应性介质可以包括有机材料(例如酶)和/或无机材料(例如金属、金属氧化物，如银、氧化铜、氧化锰)。

在一些实施例中，反应性介质可以包括吸附材料(例如活性炭、沸石等)。在其它实施例中，反应性介质可以包括金属(例如，金、银、铜等)。在进一步的实施例中，反应性介质可以包括催化材料。

在一些实施例中，反应性介质可以包括分布在次级多孔结构的至少一些部分内的复数个纳米颗粒。纳米颗粒的大小可以约为0.5nm至约500nm。在一些实施例中，纳米颗粒由金属或金属氧化物组成。在一些实施例中，纳米颗粒包括有机化合物。在一些实施例中，反应性介质可以改变次级多孔涂层的表面化学性质。

在一些实施例中，反应性介质可以添加吸附功能。在一些实施例中，反应性介质可以在次级结构的表面形成均质的涂层或离散的颗粒。在一些实施例中，反应性介质的功能可以由其组成、形态或两者的组合引起。

此外，在一些实施例中，本教导可以通过各种机制帮助保持过滤器的机械完整性，例如，防止脱落或改善可导致微裂纹形成的应力的耗散。

在一些实施例中，将反应性介质施加在具有次级多孔结构的过滤器或过滤器的涂层上会得到功能化过滤器，其中这些涂层为过滤器提供附加功能，并且可以导致对灭活病原微生物和去除气态污染物或颗粒的效率提高。

在许多实施例中，在不堵塞通道或孔隙的情况下，在过滤器的一个或多个内表面上加入具有反应性介质的次级多孔涂层可以提供一种功能化过滤器，该过滤器相对于没有涂层的类似过滤器增加相对较小的背压，因而可以有效地运行。换句话说，功能化过滤器可以处理空气中的至少一些污染物(例如，病毒等病原体、颗粒物或气态污染物)，而不会显着限制空气通过系统。在这方面，功能化过滤器的背压在所需的空气流速范围内可以保持在可接受的范围内，例如，在未涂层过滤器背压的约50倍以内。举例来说，增量背压可以在约50倍、约40倍、或约30倍、或约20倍、或约10倍、或约5倍、或约1倍、或约0.5倍、或更小或无变化的范围内。

空气净化系统还可以包括更新单元，用于至少间歇性地处理过滤器，例如，使灭活、至少部分分解或至少部分去除由过滤器通过例如加热、暴露于光、磁场、电磁场、电离等在一定时间间隔内或基于环境触发而捕获的污染物，例如病原体颗粒。在一些实施例中，更新单元可以包括臭氧发生器或臭氧产生器，其被配置成将臭氧气体释放到通过过滤器的气流中和/或直接进入过滤器本身，以处理释放或捕获在过滤器上的污染物。举例来说，启动过滤器更新的环境触发可以基于对环境空气中污染物浓度、过滤器背压或房间占用率的突然增加或增加超过阈值的检测。

更新单元可以配置为对通过过滤器(即空气净化装置运行期间用于处理(过滤)进入的空气的过滤器)和/或直接到达过滤器本身的空气施加热量和/或电磁辐射(例如微波辐射)、可见光、UV(紫外线)、红外线或其他类型的能量(例如等离子体)，以便释放至少一部分捕获在过滤器上的污染物。作为另一个示例，在一些实施例中，可以向过滤器施加一阵加压空气的喷发来去除过滤器捕获的至少一部分污染物。在本例中，加压空气的喷发以与待过滤空气流动方向相反的方向施加到过滤器上。

在实践本教导时，可以在更新单元内使用各种能量源(例如，热源、光源)。合适的能量源的一些实例可以包括但不限于卷筒加热器、加热线圈、加热带、感应线圈、火焰或电磁发射源中的至少一种，例如，以光(例如，微波辐射、红外辐射或紫外线辐射)，或磁场或其组合的形式。

在一些实施例中，热能可以通过传导或对流方式从更新单元传递到过滤器。例如，更新单元可以分别包括与过滤器直接接触的热源或将能量从热源传递到过滤器的流体介质(例如空气)。

在一些实施例中，能量源可以被配置成将进入空气的温度提高到约20℃至约750℃范围内的值，例如，约50℃至约400℃，或约60℃至约300℃。在一些实施例中，能量源可以包括热交换器或其它热回收装置。

在一些这样的实施例中，更新单元可以位于主要导管或次级导管内，其中可以间歇性地启用更新单元，例如，根据预定的时间表，更新过滤器或启动、停止或调节处理单元的操作。

在一些实施例中，控制器可以控制更新工序，例如，通过根据预定义的标准启用和停用加热器和/或调整加热器提供的加热水平。例如，可以对控制器进行编程，以启用加热器来加热流经过滤器的空气。与控制器通信的温度传感器可用于监测加热器加热时经加热空气的温度。控制器可以调节加热器来响应来自温度传感器的信号，以确保空气温度保持在适合实现过滤器更新的升高范围内，例如，在约50℃至约100℃、或至约150℃、200℃、250℃或300℃的范围内。在一些实施例中，其中过滤器能够耐受更高的温度，例如高温HEPA过滤器，温度可以升高到约450℃至500℃的范围。

在一些实施例中，系统可以分为多个部分，使得每个部分在不同的时间段内更新。例如，该系统可以包括多个更新单元，例如多个加热器，用于更新一个或多个过滤器的不同部分。控制器可以在不同的时间打开不同的更新单元，从而在不同的时间更新过滤器的不同部分。例如，当整个系统的全面更新操作需要许多可能无法获取的资源(例如电力)时，或者当全面更新所需的时间可能超过系统停止其空气净化运行可接受的时间时，可以采用这种更新时间的划分。在后一种情况下，多个更新期可以在多个空气净化操作期之间交错进行。

在某些情况下，上游和下游阀门可以各自在第一位置和第二位置之间移动。在第一位置，阀只允许空气通过主要导管。换句话说，在第一位置，阀抑制空气流入次级导管。在第二位置，阀抑制空气流入和流出位于上游和下游阀之间的主要导管的区段，并进一步打开上游和下游的流体连接，使得位于阀之间的主要导管的一部分和次级导管的组合形成气流回路(此处也称为“更新回路“)。在建立更新回路之前或之后，可以激活更新单元以更新过滤器，以减少并优选为消除过滤器吸附、捕获或以其他方式保留的污染物。随后，上游和下游阀可以返回到一种状态(第一位置)，在该状态下，它们允许环境空气通过主要导管的入口进入主要导管，由过滤器进行处理，并进一步允许处理过的空气通过导管的出口从导管排出。在一些实施例中，阀可以移动到第一和第二位置之间任意数量的位置。这些位置调节主要导管和/或次级导管内的气流。在其他实施例中，当上游阀处于第一位置时，多个下游阀的一个可以移动到第二位置，从而允许环境空气在更新周期内进入导管。

位于过滤器下游或上游的另一个过滤器或处理单元可以处理(例如，灭活、分解或以其他方式消除)在更新期间从过滤器释放的至少一部分污染物，然后再通过出口将气流释放到外部环境。

在一些实施例中，空气净化系统还可以包括设置在进气口上游或下游的风扇，以促进空气流过系统。在一些实施例中，过滤器位在其中的导管可以具有基本线性的配置。这种导管，或空气净化装置的任何其他导管，可以具有各种不同的横截面轮廓，如圆形、方形、矩形等。

该系统还可以包括一个或多个传热元件，这些元件沿着气流路径定位以增加与流动空气的热接触，并配置为改善散热和/或吸热的效率。

此外，在一些实施例中，系统可以包括多个过滤器，例如，串联或并联连接，或串联和并联连接的组合。

该装置可用于空气净化或其他涉及过滤的应用，例如柴油微粒过滤器(DieselParticulate Filter；DPF)、气体过滤膜和液体过滤膜。

附图说明

图1A-1J是根据各种示例性实施例的各种双导管空气净化系统的示意图。

图2A-2K是根据各种示例性实施例的各种单导管空气净化系统的示意图。

图3A和图3B是根据示例性实施例的过滤器的功能性/改性多孔基质的示意图。

具体实施方式

对本教导各个方面的进一步理解可以在以下描述中找到，并结合相关附图，简要描述如下。

本文所用的术语“过滤器”是指通过保留和/或消除污染物来去除空气中的污染物的装置。过滤器包括但不限于高效微粒空气(high efficiency particulate air；HEPA)过滤器、超低渗透空气(ultra-low penetration air；ULPA)过滤器、机械式过滤器、吸附式过滤器、电离和静电式过滤器以及光催化式过滤器。过滤器可以包括用于灭活病原体和/或分解颗粒的反应性介质。在一些实施例中，本文描述的过滤器还可以包括具有主要多孔结构的宏观多孔基质，即使在不具有与主要多孔结构耦合的次级多孔结构的情况下也能提供过滤功能。在进一步的实施例中，过滤器可以包括主要多孔结构和调节过滤器处理能力的次级多孔结构。

术语“纤维式过滤器”和“纤维过滤介质”在此可互换使用，以指包括无纺布和/或编织纤维介质(例如玻璃纤维)的过滤器/过滤介质。纤维过滤器的纤维可以分层成网状，然后通过化学、压力、机械、热或溶剂处理和/或通过纤维互锁结合在一起。

在一些实施例中，过滤器可以由纤维相互重叠的编织纤维介质制成。

“吸附式过滤器”包括吸附材料(例如，活性炭、木炭、沸石、金属氧化物或类似物)。

尽管本文中描述了与空气过滤相关的本教导的各个方面，但应当理解，本文所公开的过滤器也可用于过滤流体，例如各种液体。

本文所用的“功能化过滤器”是指具有涂有活性介质的主要多孔结构或功能化成具有次级多孔结构(例如，多孔涂层)的过滤器，其为过滤器提供附加功能(例如，改进的过滤功能、促进更新功能、吸附、引入抗微生物功能或分解气态沾染物的催化功能等)。次级多孔结构可以包括分布在过滤器的至少某些部分内的连续的薄膜、复数个不连续的表面区段和/或复数个多孔功能颗粒。次级多孔结构的孔径范围可为1nm至10μm，多孔功能颗粒的尺寸范围可为0.5μm至30μm。在一些实施例中，反应性介质分布在过滤器的至少一些孔隙内，或者可以施加到次级多孔涂层中。反应性介质可以包括但不限于生物催化剂(例如酶)、铂族金属(例如铂、钯、铑、铱)、金、银、铜、金属氧化物(例如氧化铜、氧化银、氧化镁)、吸附材料(例如活性炭、沸石等)或其任意组合。反应性介质可以包括连续的薄膜、复数个不连续的表面段和/或分布在过滤器或次级多孔结构的至少一些部分内的复数个纳米颗粒。纳米颗粒的尺寸范围可以在至少一个维度且某些情况下在所有维度上是从约0.5nm到约500nm。

本公开针对的是可用于过滤流体的过滤器。在一些实施例中，这种过滤器可以包括宏观多孔结构和耦合到宏观多孔结构的反应性介质。虽然在一些实施例中，反应性介质是无孔的，但在其它实施例中它可以是多孔的。在一些实施例中，次级多孔结构耦合到宏观多孔结构。在一些这样的实施例中，反应性介质可以耦合到次级多孔结构中。反应性介质和次级多孔结构可以调节宏观多孔结构的过滤特性(例如，过滤效率)和/或调节更新过滤器的能力，例如，通过施加热和/或电磁辐射到流体和/或直接到过滤器。

反应性介质可以使流经过滤器的空气中的有机污染物和气态污染物灭活并分解。在一些实施例中，反应性介质可以包括有机材料(例如酶)或无机材料(例如金属、金属氧化物，如氧化银、氧化铜、氧化锰)。在其他实施例中，反应性介质可以包括吸附材料(例如活性炭、沸石等)或催化颗粒。

术语“污染物”和“沾染物”在此可互换使用，以指各种无机、有机和混合无机和有机的材料结构，包括天然存在的或人造的材料结构，例如各种微生物(例如，细菌和/或病毒)、烟雾或其他类型的颗粒物。污染物可以包括有机、无机和混合来源的颗粒物、气溶胶(包括生物气溶胶)和气态污染物(如挥发性有机化合物(volatile organic compounds；VOCs)。一般来说，污染物可以包括不同类型的颗粒、化学物质或生物体，这些颗粒、化学物质或生物体可能会在过滤器使用过程中积聚并劣化过滤器的性能。劣化可以包括过滤器能够处理空气的速率降低，过滤器在单位时间内可以捕获的污染物的数量或类型，或过滤器背压的增加，使整个系统效率低下或无法用于预期用途。

举例来说，颗粒物的大小可以是约10μm或以下(例如“PM10”)，或约2.5μm或以下(例如“PM2.5”)，或约1μm或以下(例如“PM1”)，或约300纳米或以下。术语“超细颗粒物”通常是指尺寸约为0.1μm(“PM0.1”)或以下的颗粒物。

生物气溶胶可包括细菌、病毒、真菌、藻类、尘螨或其他。此外，花粉、内毒素、蛋白质和动物排泄物等生物材料会形成气溶胶。空气中的病原体几乎总是与各种水平和类型的有机和无机物质一起嵌入飞沫中。这种异质性是一项重大挑战，在开发和评估空气去污技术时需要加以考虑。

术语“更新”和“再生”及其衍生词在此可互换使用。特别是，过滤器的更新可能意味着在过滤器因使用一段时间而功能劣化后改进过滤器功能的过程。例如，过滤器中污染物的积聚可能导致功能劣化。过滤器的更新可包括，例如，从过滤器中去除一些或全部累积的污染物。过滤器的更新可以包括使过滤器的状态基本上恢复到过滤器能够执行其预期功能的状态。本文所公开的空气净化系统可以更新或再生纤维式过滤器。正如将进一步详细讨论的那样，更新过滤器可以包括将过滤器加热到阈值温度。申请人惊讶地发现，纤维过滤器可以被纳入空气净化系统中，其中再生系统用于再生/更新纤维过滤器。因此，本文公开的空气净化系统提供了对现有空气净化系统的改良方案，因为公开的空气净化系统能够更新纤维过滤器和非纤维过滤器。在一些实施例中，更新过程还有助于有效灭活被过滤器捕获的病原体(例如，病毒、细菌、真菌等)。

术语“处理(动词)”和“处理(名词)”在本文用于指从介质(例如，气体或液体介质)(包括流动介质，例如，以污染流的形式)中对污染物(例如，气体、蒸气、颗粒物、气溶胶、生物气溶胶或病原体)的氧化、还原、灭活、降解、过滤、捕捉或吸附(例如，去除、分解)(或其组合)。

本文所用的术语“捕捉”是指根据本教导，通过结构或化学品对污染物进行永久或临时捕获(例如，过滤、吸附等)。

术语“孔隙”、“通道(passage)”、“通道(passageway)”和“通路”在此可互换使用，以指具有至少一个用于接收介质流(例如气流)的开口的材料结构。孔隙可以是球形或非球形，例如线性、曲线、曲折、分叉或分支空腔，能够提供暴露于流体的围隔(enclosure)或表面。在一些具体实施例中，术语孔隙涉及主要多孔结构的复数个交织纤维(例如，一组编织或非织造纤维)之间的空间。

本文中使用的术语“背压”是指介质流过材料结构(例如，在过滤器的入口和出口之间)的压降或压力损失。

本文所用的术语“尺寸”是指横截面尺寸，例如，垂直于孔或通路的加长尺寸(例如，长度)(例如孔或通路的直径)的例如最大尺寸的尺寸，例如，在高长短比孔的情况下(当孔的长尺寸和短尺寸之比大于1.5时)。因此，在下面讨论的实施例中，孔或通路可以通过其一个或多个横截面尺寸及其长度来表征。

术语“纳米颗粒”是指在x、y和z维度中每个尺寸都小于1μm的材料结构，例如，在约0.5nm至约10nm的范围内、在约5nm至约30nm的范围内、在约30nm至约100nm的范围内、或在约100nm至约500nm的范围内。

本文所用的“阀”是指用于控制流体(例如空气、液体等)通过导管的装置。阀包括但不限于二通阀、三通阀等。

如本文所用的术语“约”是指与其一起使用的数字的数值的正负10％。因此，约100μm是指在90μm-110μm的范围内。

图1A-1J示意性地描绘了根据示例性实施例具有更新/再生回路的空气净化系统100。空气净化系统100可以在室外或室内使用(例如，在建筑物、车厢、飞机座舱或其它封闭环境中)。

空气净化系统100包括主要导管102和设置在主要导管102内的过滤器104。主要导管102在入口106和出口108之间延伸。在一些实施例中，过滤器104被配置成处理污染物流，例如，从流经过滤器的空气中通过吸附或催化过程(例如氧化或还原)灭活、减少和优选地去除污染物，例如颗粒、病原体和气态污染物，譬如挥发性有机化合物(volatile organiccompounds；VOCs)。在一些实施例中，过滤器104可以是功能化过滤器。

在空气净化系统100的操作期间，通过入口106进入空气净化系统100的环境空气由过滤器104处理，从而产生“处理过的空气”，并且处理过的空气通过出口108离开空气净化系统100。

空气净化系统100还包括与主要导管102耦合并与之流体连通的次级导管110。次级导管110在第一连接(结)点112和第二连接(结)点114与主要导管102耦合。如图1A-1I所示，第一连接点112位于过滤器104的上游，第二连接(结)点114位于过滤器104的下游。

空气净化系统100还包括第一阀116和第二阀118，它们分别可操作地耦合到第一连结点112和第二连结点114。在一些实施例中，第一阀116和第二阀118中的各者能够实现为单通阀或二通阀。在一些实施例中，第一阀116和第二阀118可以配备机电致动器，从而允许第一阀116和第二阀118的自动化操作。

第一阀116在第一连结点112处耦合到主要导管102和次级导管110，第二阀在第二连结点114处与主要导管102和次级导管110耦合。因此，第一阀116和第二阀118调节通过主要导管102和次级导管110的空气流。第一阀116和第二阀118可各自在第一位置和第二位置之间移动。当第一阀116和第二阀118处于第一位置时，空气仅流过主要导管。换一种方式说明，在第一位置，第一阀116和第二阀118抑制空气流入次级导管110。在第二位置，第一阀116阻断入口106和空气净化系统100的其余部分之间的流体连通。此外，当处于第二位置时，第二阀118阻断空气净化系统100的其余部分与出口108之间的流体连通。在该位置，第一阀116和第二阀118允许在主要导管102位在第一阀116和第二阀118间的一部分和次级导管110之间的流体连通，因此定义了闭合的空气循环回路(本文也称为“更新回路”)。在更新过程中，第一阀116和第二阀118被放置在第二位置，空气可以在更新回路内流动。随后，第一阀116和第二阀118能够返回到第一位置，该位置允许环境空气通过入口106进入主要导管102，并由过滤器104进行处理，并进一步允许处理过的空气通过出口108从主要导管102排出。

由于污染物被截留在过滤器104上，随着时间的推移，过滤器104的有效性可能逐渐降低，横越过滤器104的压差可能增加(例如，由于孔隙堵塞、材料饱和等原因)到超过安全系统限制的水平，并且捕获的污染物可以重新释放到排出的气流中，因而通过处理过的空气将有害的副产品释放到环境中。此外，当过滤器104堵塞时，横越过滤器的背压增加，这可能会对操作空气净化系统100的电动机施加应力并导致其过热。施加在此电动机上的额外应力可能会导致电动机过热，从而损坏电动机。因此，可能需要间歇性地更新过滤器104以从过滤器104中消除和/或去除捕获的污染物。

空气净化系统100包括设置在次级导管110内的更新单元120和处理单元122。处理单元122可以具有与过滤器104相同的结构或不同的结构。作为示例，处理单元可以是吸附式过滤器、催化式过滤器或它们的组合。在“更新过程”期间内，第一阀116和第二阀118被置于第二位置，使得空气流过更新回路，如本文前面所讨论的。更新单元120能够被激活(例如，打开)，使得更新单元120发射能量。在更新过程期间，发射的能量自过滤器104消除和/或释放被捕获的污染物。处理单元122处理在更新过程期间从过滤器104释放的污染物。处理单元122通过捕获、氧化、还原、灭活、降解或过滤污染物来处理从过滤器104释放的污染物。在一些实施例中，处理单元122被配置用于处理，例如，捕获、氧化、还原或吸附气流中的气相污染物和/或，例如，在更新过程期间从过滤器104汽化的污染物。在更新过程完成后(例如，在经过一段时间之后)，更新单元120能够被停用(例如，关闭)，并且第一阀116和第二阀118能够返回到它们的第一位置，从而如本文前面所讨论，允许空气被空气净化系统100处理。

更新过程可以包括直接向过滤器104提供能量(例如，热量)，加热空气并再循环加热的空气通过过滤器104，和/或用更新单元120提供的能量灭活被捕获的污染物(例如，催化氧化/还原、病原体的热灭活)。过滤器更新可以更新过滤器功能、提高过滤效率、对过滤器进行消毒、降低压降。过滤器的更新能够有利地延长每次更换过滤器的时间间隔。

在一些实施例中，更新单元120包括热源，其能够用于在更新过程中将过滤器的温度提高到例如约25℃至约750℃之间的范围的高温。例如，更新过程的温度范围能够在约50℃至约400℃之间，或约60℃至约300℃之间。热源可以包括但不限于电阻加热器(例如，卷筒加热器、加热线圈、加热带、感应线圈、火焰或电磁发射源，例如，以光(例如，红外辐射)或磁场的形式、辐射加热器、感应加热器等)。热源可以包括热交换器或其它类型的热回收装置。

在一些实施例中，更新单元120发出紫外光。在其它实施例中，更新单元120可以释放出加压空气，从而释放出由过滤器104捕捉的污染物。在该实施例中，加压空气在与待过滤空气的流动方向相反的方向上噴發到过滤器上。

在一些实施例中，更新单元120可以包括臭氧发生器或臭氧产生器，其被配置成将臭氧气体释放到通过过滤器104和/或直接释放到过滤器104本身的气流中，以处理释放或捕获在过滤器104上的污染物。

虽然图1A描绘了设置在主要导管102内的更新单元120，但在其它实施例(图1B)中，更新单元120可以位于空气净化系统100内的其他地方(例如，设置在次级导管110内)。在其中有更新单元120直接向过滤器104提供能量的实施例中，更新单元120可以物理耦合到过滤器104。例如，在一些这样的实施例中，过滤器和更新单元可以设置在单个壳体中以提供集成单元。在一个实施例中，更新单元120位于过滤器104的上游(图1C)，而在另一个实施例中，更新单元120位于过滤器104的下游(图1D)。

参考图1E，在一些实施例中，过滤器104可以包括一个或多个过滤元件104a(例如，微粒过滤器、吸附式过滤器等)、传热元件104b和催化元件104c(例如，热催化剂、生物催化剂、光催化剂等)。在一些实施例中，催化剂被涂覆在过滤器104的基质上。传热元件104b沿气流路径定位。传热元件104b增加与流动空气的热接触，并被配置成提高散热和/或吸热效率。

如图1A-1J所示，空气净化系统100可以包括设置在主要导管102和次级导管110中的风扇126。风扇126促进空气通过空气净化系统100。图1A-1J虽将空气净化系统100描述为包括两个风扇126，但是空气净化系统100可以包括较多或较少的风扇126(例如，1、2、5个等)。此外，虽然图1A-1J描绘了风扇126位于第一阀116上游的主要导管102内和位于处理单元122上游的次级导管110内，但在其它实施例中，风扇126可以放置在其它位置(例如，在过滤器104下游的主要导管102中，或在处理单元122下游的次级导管110中)。在更新过程中，位于次级导管110中的风扇126可以被打开，使得被加热的空气可以通过过滤器104再循环，以利于过滤器104的更新。

虽然图1A-1J将风扇126描述为在更新回路内创建顺时针流动方向，但在其它实施例中，设置在更新回路内的一个或多个风扇126可以被配置为在更新期间在更新回路内建立逆时针方向的气流。在一些实施例中，沿逆时针方向移动的气流可以释放储存在过滤器104上的污染物，从而更新过滤器104。

在其他实施例中，通过空气净化系统100的空气流动能够通过外部元件(例如，泵或鼓风机)与另一个系统(例如，HVAC系统)相关联来实现，而空气净化系统能够耦合到此另一个系统。

特别参考图1F和1G，在一些实施例中，空气净化系统100包括另一过滤器130。在一些实施例中，过滤器130可以是本文描述的任何类型的过滤器，包括本文描述的过滤器的组合。另一方面，在一些实施例中，它们可以是不同的类型。在具体的实施例中，过滤器130可以是吸附式过滤器。如图1F所示，在一个实施例中，过滤器130可以设置在过滤器104上游的主要导管102中，而如图1G所示，在另一个实施例中，过滤器130可以设置在过滤器104下游的主要导管102中。虽然图1F和图1G描绘了在其它实施例中过滤器130设置在主要导管102内，但过滤器130可以设置在次级导管110内。

空气净化系统100还可以包括传感器128。传感器128可以包括但不限于温度、湿度、压力、微粒、VOC、CO₂或其它传感器。在一些实施例中，传感器128可以包括光或声音检测器。在这些实施例中，传感器128可以设置在封闭环境(例如，图1H和1I中描绘的封闭环境131)内。虽然图1A-1J将空气净化系统100描述为包括一个传感器128，但在一些实施例中，空气净化系统100包括复数个传感器128。在这些实施例中，复数个传感器128中的每一个可以相同或不同。

在一些实施例中，传感器128可用于监测一个或多个环境因素，以启用更新作业的环境触发、或启动或调节用于空气净化作业的系统。例如，传感器128可以监测温度、空气中污染物的浓度、噪声水平、背压等。

如图1H和1I所示，空气净化系统100可以在封闭环境131(例如，汽车座舱、飞机座舱、房间、建筑物等)内部或与封闭环境131流体相通，使得来自封闭环境131内的空气被空气净化系统100处理并再循环回封闭环境131。在这些实施例中，入口106和出口108与封闭环境131流体连通。来自封闭环境131的环境空气通过入口106进入主要导管102，通过过滤器104并通过出口108离开导管102而成为处理过的空气，并重新进入封闭环境131。在一些这样的实施例中，空气净化系统可以包括一个处理单元，该处理单元能够处理，例如，分解、灭活或消除在更新期间从过滤器中释放的污染物或其残留物，以确保过滤器的更新不会导致沾染物进入环境。

在一个实施例(图1H)中，整个空气净化系统100(包括主要导管102和次级导管110)被设置在封闭环境131内。在另一个实施例(图1I)中，主要导管102和次级导管110在封闭环境131的外部，但与封闭环境保持流体连通。

参考图1J，空气净化系统100还可以包括控制器132，其通过有线或无线连接与第一阀116和第二阀118、更新单元120和风扇126以及传感器128通信。

控制器被配置成移动第一阀116和第二阀118在第一位置和第二位置之间，启用(例如，打开)和停用(例如，关闭)更新单元120和风扇126。以另一种方式说明，控制器132被配置成启动更新过程。在一个实施例中，控制器132被配置成基于预定义的时间表启动更新过程，例如，每天、每周或每月。在另一实施例中，控制器132被配置成基于用户实时的输入启动更新过程。在一些其它实施例中，控制器132可以在从传感器数据中检测到过滤器中污染物的积累已达到阈值后启动更新过程。检测可以基于不同的因素，例如，横越过滤器的压降大于预期压降、过滤器释放的污染物的检测结果、过滤器吸收光谱中可见或不可见部分等。

控制器132可以独立于更新过程操作风扇126，以促进空气流过主要导管102和次级导管110。

此外，控制器132接收来自传感器128的一个或多个信号，这些信号指示由传感器128测量的参数(例如，温度、压力等)。控制器132可以基于接收到的信号修改空气净化系统100的操作(例如，启动或停止更新、增加或降低风扇速度、修改阀位置等)。例如，当传感器128测量的背压超过阈值时，控制器132可以启动更新过程。在另一示例中，控制器132可以在过滤器104中污染物的积累超过阈值时启动更新过程。控制器可以基于压降(如由传感器128所测量)大于横越过滤器上的预期压降、对从过滤器104释放的污染物的检测、过滤器吸收光谱的可见或不可见部分等来确定已超过阈值。

现在参考图2A-2K，示出了根据示例性实施例的空气净化系统200。与空气净化系统100不同，空气净化系统200具有基本上线性的结构，并且不包括次级导管。空气净化系统200可以在室外或室内使用(例如，在建筑物、车厢、飞机座舱或其它封闭环境中)。

空气净化系统200包括导管202和设置在导管202内的过滤器204。导管202延伸在入口206和出口208之间。在一些实施例中，过滤器204被配置成处理污染物，通过催化过程(例如氧化或还原)从通过的空气中灭活、减少和优选地除去污染物，例如病毒和气态污染物，例如VOCs。在一些实施例中，过滤器204可以是功能化过滤器。

在空气净化系统200的操作期间，环境空气通过入口206进入空气净化系统200由过滤器204处理，从而产生“处理过的空气”，处理后的空气通过出口208离开空气净化系统200。

空气净化系统200包括更新单元210。当启用(例如，打开)时，更新单元210发出能量，在更新过程中自过滤器204消除和/或释放捕获的污染物。更新单元210可以类似于更新单元120。在一些实施例(图2B和图2C)中，更新单元210直接耦合到过滤器204。在一些实施例中，更新单元210可以位于过滤器204的上游(图2B)，而在一些实施例中，更新单元210可以位于过滤器204的下游(图2C)。

参考图2D，在一些实施例中，过滤器204可以包括一个或多个过滤元件204a(例如，微粒过滤器、吸附式过滤器等)、传热元件204b和催化元件204c(例如，热催化剂、生物催化剂、光催化剂等)。在一些实施例中，催化剂被涂覆在过滤器204的基质上。传热元件204b沿气流路径定位。传热元件204b增加了与流动空气的热接触，并被配置为改善散热和/或吸热的效率。

空气净化系统200还可以包括风扇212，用于驱动空气通过导管202。在其它实施例中，气流通过空气净化系统200可以通过外部元件来实现，如本文前面关于空气净化系统100的讨论。

现在参考图2E-2H，空气净化系统200还可以包括设置在导管202内的处理单元214。处理单元214可以类似于更新单元110。在一个实施例中，处理单元214设置在过滤器204的上游(图2E)，而在另一个实施例中，处理单元214设置在过滤器204的下游(图2F)。在一些实施例中，(图2G)空气净化系统200可以包括两个处理单元214。在又一个实施例(图2H)中，过滤器204和处理单元214可以包括在同一过滤单元216中。处理单元214可以是吸附式过滤器、催化式过滤器或它们的组合。过滤器204可以在结构上与处理单元214相同，并且在空气净化系统200包括多个处理单元214的实施例中，每个处理单元214在结构上可以相同或不同。

在一些实施例中，更新过程中的气流方向与空气过滤期间的气流方向相反，处理单元214位于过滤器204的上游。并且可以捕捉更新过程中从过滤器释放的污染物。在更新过程中的气流方向与空气过滤期间的气流方向相同的一些实施例中，处理单元214位于过滤器204的下游，并且可以处理更新过程中从过滤器204释放的污染物(或其残留物)。在一些实施例中，处理单元214被配置用于吸附气流中的气相污染物和/或由过滤器204汽化的污染物。

在一些实施例中，空气净化系统200可以不包括处理单元214(图2A)或处理单元214可以不位于过滤器204的下游(图2E)。在一些这样的实施例中，更新单元210和过滤器204可以被配置成使得过滤器204在更新过程中不会释放有害污染物。例如，空气净化系统可以包括在过滤器204下游的阀。阀可以在第一位置(其中允许空气离开导管202)和第二位置(其中不允许空气离开导管202)之间移动。在更新过程中，阀可以置于关闭位置，使得在更新过程中从过滤器204释放的空气和任何污染物都不允许离开导管202。此外，在这些实施例中，通过导管202的气流可以减少(例如，通过停止与空气净化系统200相关联的风扇)，使得气流很少或没有气流。

如图2A-2K所示，空气净化系统200还可以包括传感器218。传感器218可以包括但不限于温度、湿度、压力、微粒、VOC、CO₂或其它传感器。在一些实施例中，传感器218可以包括光或声音检测器。在这些实施例中，传感器218可以设置在封闭环境(例如，图2I和2J中描绘的封闭环境222)内。虽然图2A-2K将空气净化系统200描绘为包括一个传感器218，但在一些实施例中，空气净化系统200包括复数个传感器218。在这些实施例中，复数个传感器218中的每一个可以相同或不同。

如图2I和图2J所示，空气净化系统200可以位于封闭环境222内部，或者可以位于封闭环境的外部并与封闭环境222流体连通。封闭环境222可以是汽车座舱、飞机座舱、房间、建筑物等。在这种配置中，空气净化系统200可以处理来自封闭环境222内的空气，并将处理过的空气再循环到封闭环境222中。在这些实施例中，入口206和出口208与封闭环境222流体连通。来自封闭环境222的环境空气经由入口206进入导管202，通过过滤器204并经由出口208作为处理过的空气离开导管202，并重新进入封闭环境222。

参照图2K，空气净化系统200还可以包括控制器224。控制器224通过有线或无线连接与更新单元210、风扇212和传感器218通信。控制器被配置为启用(例如，打开)和停用(例如，关闭)更新单元210和风扇212。以另一种方式说明，控制器224被配置为启动更新过程。在一个实施例中，控制器224被配置成基于预定义的时间表启动更新过程，例如，每天、每周或每月。在一些其它实施例中，控制器224可以被配置成基于用户实时的输入启动更新过程。

此外，控制器224接收来自传感器218的一个或多个信号，这些信号指示由传感器218测量的参数(例如，温度、压力等)。控制器224可以基于接收到的信号修改空气净化系统200的操作(例如，启动或停止更新、增加或降低风扇速度、修改阀的位置等)。例如，当传感器218测量的背压低于阈值时，控制器224可以结束更新过程。在另一示例中，当过滤器204中污染物的积累超过阈值时，控制器224可以启动更新过程。基于大于横越过滤器的预期压降的压降(由传感器218测量)、基于对过滤器204释放的污染物的检测、或基于过滤器对可见光或不可见光的吸收等，控制器可以确定阈值是否已超过。

控制器224可以独立于更新过程来操作风扇212，以促进空气流过导管202。

虽然图1A-1J和图2A-2K将空气净化系统100和200描述为具有水平定向，但在其它实施例中，空气净化系统100和200可以具有有利于或自然于传热或流动的方向。例如，在一个实施例中，空气净化系统100和200可以具有垂直定向，使得出口108和208垂直配置于入口106和206的上方。在该实施例中，更新单元120和210可以散发热量，并且可以垂直定位在过滤器104和204的下方。随着散发的热量上升，加热的空气通过过滤器104或204，从而更新过滤器104和204。此外，虽然图1A-1J和图2A-2K将空气净化系统100和200描述为包括一个更新单元120或210，但在一些实施例中，空气净化系统100和200可以包括复数个更新单元120或210位于本文描述的位置。

根据本教导，可以在空气净化系统中使用各种过滤器。如上所述，在许多实施例中，过滤器可以具有能够提供过滤功能的主要多孔结构和与主要多孔结构耦合的次级多孔结构，例如，位于与主要多孔结构相关联的孔隙中的涂层或填料，并且可以调节主要多孔结构的过滤能力。

现在参考图3A-B的根据示例性实施例的功能化过滤器300的结构，其包括具有各种类型的表面涂层的宏观多孔基质(例如，纤维过滤器)。图3A描述了功能化过滤器300，包括涂有反应性介质的纤维过滤介质(例如，纤维)301。在一些实施例中，反应性介质包括连续薄膜302。在其他实施例中，反应性介质包括多个不连续的表面区段303或可包含分布在过滤器的至少某些部分内的多个纳米颗粒304。纳米颗粒可以是0.5纳米到500纳米。

在一些实施例中，宏观基质300的一个或多个通路的平均横截面尺寸(例如，在垂直于气流一般方向的平面上)可以在约10nm至约3mm的范围内。作为示例，通路的平均横截面尺寸可以在约100nm至约5μm的范围内，或在约10μm至约100μm的范围内。在一些实施例中，一个或多个通路的长度可以在约1mm至约1m的范围内，例如，在约100mm至约50cm的范围内，或在约200mm至约100cm的范围内。

在一些实施例中，反应性介质可以包括生物来源的材料。生物材料可以包括，例如，化学或物理偶联到过滤器表面部分的蛋白质。举例来说，蛋白质可以是一种酶。

在一些实施例中，反应性介质可以包括吸附材料(例如，活性炭、沸石等)。在进一步的实施例中，反应性介质可以包括催化材料。

举例来说，催化材料可以包括金属纳米颗粒，包括铂族金属(例如，Pd、Pt)，它们在加热时变得具有催化活性，且在进入的气流中诱导对病原体表面的氧化损伤并导致其灭活。

在一些实施例中，反应性介质可以包括金属，例如金、银、铂、钯、钌、铑、钴、铁、镍、锇、铱、铼、铜、铬、钨、钼、钒、铌、钽、钛、锆、铪、双金属、金属合金、金属化合物，如钽、氢氧化物、二元盐和络盐，包括杂多酸及其衍生物或其组合。

在一些实施例中，反应性介质可以包括金属氧化物、混合金属氧化物和/或金属硫化物；一些具体的例子包括钒、二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化锆、哈夫尼亚、氧化镍、氧化钴、氧化锡、氧化锰、氧化镁、贵金属氧化物、铂族金属氧化物、氧化钼、氧化钨、氧化铼、氧化钽、氧化铌、氧化铬、钪、钇、镧、钍、氧化铀、其他稀土氧化物或其组合。

在一些实施例中，反应性介质包括半导体材料，例如硅或锗，其是纯的或掺杂有III族或V族的元素或化合物，或其组合。

在一些实施例中，反应性介质可以包括与碱、碱土和(III)族金属和/或过渡金属盐如镍、铜、钴、锰、镁、铬、铁、铂、钨、锌或其它金属的盐的络盐。在一些实施例中，反应性介质可以包括金属阳离子、金属氧化物、有机金属络合物或其组合。

在某些实施例中，反应性介质可以包括一种或多种有机金属络合物(如金属有机框架)、天然材料、蛋白质或多糖类材料、丝素蛋白、几丁质、虫胶、纤维素、壳聚糖、海藻酸盐、明胶或其混合物，以及它们的混合物。

在一些实施例中，反应性介质可以包括生物材料、有机材料、无机材料或其组合。

在一些实施例中，反应性介质可以利用金属氧化物来促进生物气溶胶和污染物的物理吸附及其破损。

在一些实施例中，反应性介质可以包括纳米颗粒。

在一些实施例中，纳米颗粒具有与上述反应性介质相同的组合物，包括金属、金属氧化物、有机化合物和催化纳米颗粒。

在一些具体实施例中，反应性介质可以进一步设计为提供催化、光催化、电催化、光子、抗微生物、光吸收和/或发射、刺激响应性、吸附和解吸特性。反应性介质可以通过，例如，物理气相沉积、原子层沉积、蒸发、飞溅、湿化学改性、离子浸渍以及它们的组合引入。

图3B描述了根据示例性实施例的功能化过滤器300，其包括用次级多孔结构(例如多孔涂层)305改性的宏观多孔基质(例如，纤维式过滤器)。

在一些实施例中，次级多孔涂层的一个或多个孔的平均横截面尺寸(例如，在垂直于气流的一般方向的平面上)可以在约1nm至约10μm的范围内。作为示例，孔的平均横截面尺寸可以在约10nm至约150nm的范围内，或在约200nm至800nm的范围内，或在约1μm至约5μm的范围内。

次级多孔涂层305可以沉积在纤维301的表面上。在一些实施例中，多孔涂层305的孔的平均横截面尺寸可以具有约1至约200倍于至少一种目标污染物(例如颗粒)的平均尺寸。作为示例，孔的平均横截面尺寸可以在至少一种目标污染物的平均尺寸的约1至约200倍的范围内，或在约1至约100倍的范围内，或在约1.5至约100倍的范围内，或在约2至约100倍的范围内。在一些实施例中，孔的平均横截面尺寸可以在约1nm至约10μm的范围内，或在约50nm至约1μm的范围内，或在约100nm至约10μm的范围内，或在约200nm至约10μm的范围内，或在约250nm至约5μm的范围内，或在约50nm至约300nm的范围内，或在约300nm至约5μm的范围内，或在约1μm至约2μm的范围内。

在实现中，多孔基质300和多孔涂层305的孔径可以被调整和配置，以处理更宽尺寸范围的污染物。对于宏观多孔基质，孔隙率可以预先确定。这可以包括具备具有各种通路尺寸(通常定义为单元密度(每个横截面积的通道数))的直通道的陶瓷单片。在玻璃纤维基质的情况下，材料的密度及其孔隙率可以基于所需的规格。涂层的孔隙率可以通过各种技术进行设计和选择，例如模板化和/或通过材料选择。

在一些实施例中，多孔涂层305包括连续的薄膜。在其他实施例中，多孔涂层包括复数个不连续的表面区段306，和/或可以包含分布在过滤器的至少某些部分内的复数个功能性多孔颗粒307。功能性多孔颗粒的尺寸可以是0.5μm到30μm。

在其他实施例中，次级多孔涂层可包括二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化锆、铈、铪、钒、铍、贵金属氧化物、铂族金属氧化物、二氧化钛、氧化锡、氧化钼、氧化钨、氧化铼、氧化铌、氧化铬、氧化钪、钇、氧化镧、氧化钍、氧化铀、其他稀土氧化物及其组合中的一种。在一些实施例中，涂层可以表现出约0.5至约200μm范围内的厚度，例如，在约10μm至约150μm的范围内，或在约50μm至约100μm的范围内。

在一些实施例中，次级多孔涂层可以包括生物材料，包括硅藻土、花粉、生物来源的二氧化硅基颗粒。

在某些实施例中，涂层可以包括一种或多种有机金属络合物(如金属有机框架)、无机聚合物(如有机硅)、有机金属络合物或其组合、共价、非共价和超分子聚合物(如聚苯乙烯、聚氨酯、水凝胶和有机凝胶)、天然材料、蛋白质或多糖基质料、丝素蛋白、几丁质、虫胶、纤维素、壳聚糖、海藻酸盐、明胶或其混合物，及它们的混合物。

例如，次级多孔涂层可以设计为具有催化活性、刺激响应性、化学稳定性、可降解性和/或表现出特定的光学、热、机械、吸附、过滤、释放和/或声学特性。举例来说，这种涂层可以包括催化活性金属氧化物，如二氧化钛、氧化铜、氧化铈、氧化锆、氧化锰和氧化镍。在某些实施例中，涂层可以与光相互作用，使其对沾染物处理(例如，光催化、光热催化或光电催化)变得活跃。在一些实施例中，涂层的成分可以通过利用机械坚固的材料(如氧化铝、氧化钨和金属合金)来改性，以提供增强的机械性能和坚固性。然而，在其他实施例中，可以通过设计涂层中的孔隙率和孔隙顺序来引入特定的光学性质(例如，诸如逆蛋白石的光子结构)。

在一些实施例中，催化/功能位点的活化可以通过热活化和/或光活化来实现。例如，等离子体纳米颗粒可以对电磁辐射的某些波长做出反应(例如，金纳米颗粒在约530nm处强烈吸收)。

在一些实施例中，次级多孔涂层可以包括一种或多种促进/增强生物气溶胶、颗粒、气态污染物和其他沾染物吸附的材料。在一些具体实施例中，这种增强的吸附性能可以由于如化学官能团的反应性介质在涂层表面的存在(例如，胺或硫醇)和涂层组合物(例如，金属氧化物、二氧化硅、沸石、活性炭)的存在。

在一些具体实施例中，次级多孔涂层可以表现出吸附(吸收和粘附)特性，包括吸附气体(例如，VOCs、CO₂、CO、氨及其衍生物)、污染物和微生物(例如，病原体，如细菌、病毒等)。

在一些实施例中，涂层可以同时表现出吸附和催化活性。例如，涂层可以包括一种或多种金属氧化物，其表面特性设计为对某些沾染物具有更高的亲和力(羟基化表面或具有胺官能团的表面，以改善对例如甲醛、酒精或亲水性颗粒或其组合等极性分子的吸附)，以及对沾染物处理具有催化活性的元素组成(例如，氧化镍、氧化钯、混合金属氧化物)。

在一些实施例中，涂层的功能可以至少部分地源自涂层表面的形态特征，例如其粗糙度。例如，涂层表面可以包括具有代表性尺寸(例如高度、长度、直径等)的尖刺、凸起和/或空腔，范围从约1nm到约50nm。在一些实施例中，涂层的功能可以至少部分地源自涂层表面的结构特征，例如表面结晶度、晶粒尺寸和表面相。在一些实施例中，涂层的功能可以至少部分地源于表面结构和组成的组合。在一些这样的实施例中，表面结构和表面组成可以协同合作以提供增强的捕捉和过滤结果。

在一些实施例中，次级多孔涂层可以利用金属氧化物促进生物气溶胶和污染物的物理吸附及其破损。

在一些实施例中，次级多孔结构(例如，多孔涂层)可以包括分布在涂层表面或整个至少一些孔隙中的反应性介质。

在一些实施例中，反应性介质具有上述组合物。

在一些实施例中，反应性介质可以，例如，在涂层形成期间或通过涂层的后改性引入。

在一些实施例中，后改性可以包括用反应性介质(包括纳米颗粒、化学化合物、配合物)对多孔涂层表面进行化学改性，通过共价键、离子键、范德华键及其组合来附着这些活性组分。

宏观基质300、多孔涂层305和反应性介质302的尺寸和性质可以根据本文描述的功能化过滤器(例如，过滤器104、122、204、214等)被设计用于捕获和/或处理的目标污染物来确定。

在许多实施例中，本文公开的组合物和材料为处理病原体和其他如超细颗粒物、PM1、PM2.5、PM10或其混合物等颗粒提供了多管齐下的机制。在一些实施例中，该目标可以通过设计一种结构来实现，该结构包括具有多孔涂层的多孔宏观基质，该多孔涂层沉积在宏观多孔基质的至少一些孔的内表面上。多孔基质和多孔涂层都可以包括纳米和/或微结构。在一些这样的实施例中，结构可以包括具有基质的分层孔隙，主要具有微观结构孔隙，例如，孔径大于1μm且小于3mm。

根据本教导，所有实施例的涂层都可以由多种材料或材料混合物制成。作为示例，在一些实施例中，材料可以包含一种或多种金属氧化物、沸石、金属(如金、钯、铂、银、铜、铑、钌、铼、钛、锇、铱、铁、钴或镍，或其组合)、半导体(如硅、锗、锡、掺杂有III族或V族元素的硅、掺杂有III族或V族元素的锗、掺杂有III族或V族元素的锡，或其组合)、金属硫化物、金属硫族化物、金属氮化物、金属磷属化物及其组合。

在本教导的一些实施例中，过滤器可以包括多孔基质，包括一个或多个通路，用于允许含有一种或多种污染物的介质(例如，环境空气)流动。在一些实施例中，一个或多个通道可以实现为相互连接的孔隙，提供表面积和孔隙结构以利于污染物的捕捉。在一些实施例中，过滤器可以主要通过物理或机械捕捉来捕获污染物。在一些实施例中，过滤器可以被配置(例如，功能化)以便至少部分灭活、分解和/或捕获污染物。在一些具体实施例中，通过调整孔径，用次级多孔材料对过滤器进行改性/功能化可以更有效地捕捉更宽尺寸范围的污染物。在一些实施例中，可以使用以下步骤实现过滤器结构的修改：

1.将次级多孔结构成分(例如金属氧化物、金属氢氧化物或功能性多孔颗粒的集合)的混合物(例如浆料)施加到未经改性的多孔过滤器支架上；和

2.处理预先形成的次级多孔结构(如干燥)

在一些实施例中，用于本教导的各种实施例的功能性多孔颗粒可以使用喷雾干燥、滚筒干燥或研磨方法制造。

在一些实施例中，在使用中，过滤器可以保持在约15℃至约500℃的高温范围内。在一些实施例中，结构可以保持温度在约20℃、约30℃、约40°C、约50℃、约60℃、约70℃、约80℃、约90℃、约100℃、约125°C、约150℃、约175℃、约200℃、约225℃、约250℃、约275℃、约300℃、约325℃、约350℃、约375℃、约400℃、约425℃、约450°C或约475℃。这种高温可以促进一种或多种沾染物的处理(例如，灭活)，这是由于活性位点的活化和/或宏观结构和涂层内表面的热接触。

尽管已经参照系统和/或装置的实施例描述了某些技术方案，但本教导并不局限于此类实施例，本领域普通技术人员将理解，可以在不脱离本发明范围的情况下对上述实施例进行各种更改。

Claims (29)

1.一种空气净化系统，其特征在于，所述空气净化系统包括：

导管，在入口和出口之间延伸，所述入口和所述出口各自与封闭环境流体连通，其中来自所述封闭环境的环境空气通过所述入口进入所述导管，处理过的空气通过所述出口从所述导管中流出并进入所述封闭环境；

纤维式过滤器，设置在所述导管内并配置为处理所述环境空气从而产生所述处理过的空气；和

更新单元，设置在所述导管内并配置为更新所述过滤器。

2.根据权利要求1所述的空气净化系统，其特征在于，所述过滤器通过氧化、还原、灭活、降解、捕捉和过滤所述环境空气中的污染物中的至少一种来处理所述环境空气。

3.根据权利要求1所述的空气净化系统，其特征在于，所述过滤器包括与所述过滤器耦合的反应性介质。

4.根据权利要求3所述的空气净化系统，其特征在于，所述反应性介质包括有机材料、无机材料、吸附剂材料、催化材料、生物来源材料和其组合中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的空气净化系统，其特征在于，所述过滤器包括与所述过滤器耦合的多孔涂层。

6.根据权利要求5所述的空气净化系统，其特征在于，所述多孔涂层包括有机材料、无机材料、吸附剂材料、催化材料、生物来源材料和其组合中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的空气净化系统，其特征在于，所述多孔涂层包括反应性介质。

8.根据权利要求1所述的空气净化系统，其特征在于，所述更新单元被配置成将能量传递到所述过滤器，以便更新所述过滤器。

9.根据权利要求8所述的空气净化系统，其特征在于，被传递的所述能量包括热、可见光、紫外(UV)光、红外光、电磁辐射、红外辐射、磁场或其组合。

10.根据权利要求1所述的空气净化系统，其特征在于，所述导管位于所述封闭环境中。

11.根据权利要求1所述的空气净化系统，其特征在于，所述空气净化系统还包括：

设置在所述导管内的处理单元，其中，所述处理单元被配置成处理从所述过滤器释放的污染物。

12.根据权利要求11所述的空气净化系统，其特征在于，所述处理单元包括催化式过滤器、吸附式过滤器或其组合，其被配置成保留或处理从所述过滤器释放的污染物。

13.根据权利要求1所述的空气净化系统，其特征在于，所述空气净化系统还包括：

风扇，设置在所述导管内并配置为促进空气通过所述导管。

14.根据权利要求1所述的空气净化系统，其特征在于，所述空气净化系统还包括：

传感器，配置为确定参数；和

控制器，与所述传感器通信并被配置成接收来自所述传感器的信号，该信号指示所确定的所述参数，并且还被配置成基于接收到的所述信号改变所述空气净化系统的操作状态。

15.一种空气净化系统，其特征在于，所述空气净化系统包括：

主要导管，在入口和出口之间延伸，所述入口和所述出口各自与封闭环境流体连通，其中，来自封闭环境的环境空气通过所述入口进入主要导管，处理过的空气通过所述出口从所述主要导管中流出并进入所述封闭环境；

次级导管，与所述主要导管流体连通；

纤维式过滤器，设置在所述主要导管或次级导管内，并配置为处理所述环境空气，从而产生所述处理过的空气；和

更新单元，设置在所述主要导管或所述次级导管内并配置为更新所述过滤器。

16.根据权利要求15所述的空气净化系统，其特征在于，所述过滤器通过氧化、还原、灭活、降解、捕捉和过滤所述环境空气中的污染物中的至少一种来处理所述环境空气。

17.根据权利要求15所述的空气净化系统，其特征在于，所述过滤器包括与所述过滤器耦合的反应性介质。

18.根据权利要求17所述的空气净化系统，其特征在于，所述反应性介质包括有机材料、无机材料、吸附剂材料、催化材料、生物来源材料和其组合中的至少一种。

19.根据权利要求15所述的空气净化系统，其特征在于，所述过滤器包括耦合到所述过滤器的多孔涂层。

20.根据权利要求19所述的空气净化系统，其特征在于，所述多孔涂层包括有机材料、无机材料、吸附剂材料、催化材料、生物来源材料和其组合中的至少一种。

21.根据权利要求19所述的空气净化系统，其特征在于，所述多孔涂层包括反应性介质。

22.根据权利要求15所述的空气净化系统，其特征在于，所述更新单元被配置成传递能量以更新所述过滤器。

23.根据权利要求22所述的空气净化系统，其特征在于，被传递的所述能量包括热、可见光、紫外光、红外光、电磁辐射、红外辐射、磁场或其组合。

24.根据权利要求15所述的空气净化系统，其特征在于，所述过滤器和所述更新单元设置在所述主要导管内，所述空气净化系统还包括：

处理单元，设置在所述次级导管中，其中，所述处理单元被配置成处理从所述过滤器释放的污染物。

25.根据权利要求24所述的空气净化系统，其特征在于，所述处理单元包括催化式过滤器、吸附式过滤器或其组合，其被配置成保留或处理从所述过滤器释放的污染物。

26.根据权利要求15所述的空气净化系统，其特征在于，所述空气净化系统还包括：

风扇，设置在所述主要导管或所述次级导管内，并配置为便于空气通过所述主要导管或所述次级导管。

27.根据权利要求15所述的空气净化系统，其特征在于，所述主要导管和所述次级导管在所述封闭环境中。

28.根据权利要求15所述的空气净化系统，其特征在于，所述空气净化系统还包括：

传感器，配置为确定参数；和

控制器，与所述传感器通信，并被配置成接收来自所述传感器的信号，该信号指示所确定的参数，并且所述控制器还被配置成基于接收到的所述信号改变所述空气净化系统的操作状态。

29.一种更新空气净化系统的纤维式过滤器的方法，其特征在于，所述方法包括：

将能量施加到设置在所述空气净化系统的导管内的所述纤维式过滤器，

所述导管包括被配置成接收来自封闭环境的环境空气的入口和被配置成将处理过的空气释放到所述封闭环境中的出口，且

施加的所述能量释放或破坏所述纤维式过滤器捕获的污染物。