生物学空气过滤器.pdf

具体实施方式

所描述的设备和方法至少部分地基于下述发现，即基于植物的空气过滤系统的有效性和寿命能够通过将从设备外部获得的脏空气导引至植物的叶子从而最大化植物的吸收能力以及进一步延长空气过滤设备的寿命而提高。而且，所描述的设备和方法进一步部分地基于下述理解，即穿过或相邻于蓄水池或者可选择地湿空气的空气流通进一步用于提高吸收能力并且延长基于植物的空气过滤系统的寿命。因此，该设备包括空气推进器系统，该系统导引空气，例如接收入该设备的空气的中心质量，相邻于植物的叶子，和/或随后，相邻于或通过蓄水池或湿润空气。

参照图1，自上向下的过滤系统100包括从外壳114中的土壤112生长出的植物110。外壳114也包含蓄水池116。空气穿过入口118进入外壳114并且经过植物110，穿过土壤112进入土壤112与蓄水池116之间的空间120。由于蓄水池116的相邻，所以相比较于该系统其他部分中的空气和/或外部环境中的空气来说，空间120中的空气能够具有较高的含水量/湿度。经处理的空气穿过出口122离开外壳114。通过系统100的空气总体流由箭头A示出。

该系统100也包括推进器系统(未示出)。该空气推进器系统配置成：(1)从设备外部接收空气，(2)将空气导引至植物的叶的表面，穿过叶进入植物根部附近，到达并且穿过土壤基部，以及(3)从设备排出经处理的空气。尤其地，空气推进器系统能够在空气穿过土壤基部之前(例如，植物根部附近)将接收入系统118的空气的质量中心导引至植物110的叶子的表面附近。空气推进器系统可包括例如设置在入口118中的入口风扇和/或设置在出口122的出口风扇。

在这一实施例中，特定序列的部件形成从上到下的过滤系统，提高了每个单独部件的吸收属性。更一般地，将多个过滤部件组合起来被认为能够提升整体过滤能力。虽然植物本身可具有吸收一些化学物的能力，但是其被限制为直接地接触叶、茎、根的空气体积。进入封闭空间内部的空气对流增加了与植物接触的空气体积(在一些时间段上)，增加了与植物接触的程度。离开该空间的空气对流用于抽取空气穿过土壤层以及穿过水层上方，产生额外的过滤步骤。如果仅适用单独的组分，诸如只是植物，那么植物吸收化学物的自然能力将最终变得被压倒，该系统不能够随着时间而有效地过滤空气。但是，该设备的组合能力允许每个组分都贡献于整个过滤有效性和能力而不会导致被压倒和无效的系统。这些组分其中的一些包括土壤、茎、根、叶、水等。

本生物学空气过滤器设备的一个优势在于，其允许改善空气的净化、过滤、加湿和消毒。另外，所描述的生物学空气过滤器设备能够展现更长的操作寿命。不希望局限于任何特定的理论，可以认为，通过在将空气导引通过植物系统的土壤和根之前将空气导引朝向叶子，该设备能够更好地利用叶的过滤、净化和消毒能力。相比较地，在将空气导引至叶子附近之前先导引空气通过根或土壤的装置不太能有效地利用叶子的过滤、净化和消毒能力。实际上，这种现有技术装置的过滤、净化和消毒过程可通过根和土壤而主要地执行或者甚至是专门地执行，因此，随着时间的经过，根和土壤变得更快地被从空气抽取的杂质所污染。随着时间的经过，这种装置最终会重新放出这种杂质并且用于污染该装置设计所清洁的空气。但是，通过在空气接触根和土壤之前将空气导引到植物的叶子附近，植物系统的每个部分，包括但不局限于，叶子、根和土壤，有助于空气的过滤、净化和消毒，由此提高了该设备的有效性并且延长了该设备的寿命。

而且，不希望局限于任何特定理论，可以认为，通过导引空气穿过或者到蓄水池和/或潮湿空气附近，空气不仅会被加湿，而且会被进一步过滤、净化和消毒。这种设计还用于延长该设备的寿命，使得由从空气抽取的杂质污染的蓄水池能够替换干净的水。类似地，潮湿的空气最终会凝聚并且可被替换。

在一个方面，用于净化、过滤、加湿和/或消毒空气的设备包括由叶子和根形成的植物；土壤基部；蓄水池；以及用于接收该设备外部的空气的空气推进器系统，用于循环空气相邻于植物的叶子、植物的根以及土壤基部，用于从该设备排出空气；每个都容纳在外壳中。

植物可以是能够从空气吸收杂质的任何植物。一般地，植物具有吸收和代谢杂质的能力，包括各种形式的有害的由空气传播的物质。传统的家庭植物，以及尤其是与吸收杂质的植物，能够使用在过滤器中。在一些实施例中，植物是吊兰(chlorophytum)植物。其他的示例性植物包括，但不局限于非洲菊、常春藤(英国的ivy)、吊兰(spider plant)、绿萝(吊绿萝)、白鹤芋(仙焰苞)、竹节万年青(中国针叶花)、雪佛里椰子(竹子或竹茎玲珑椰子)、虎尾兰(虎皮兰)、心蔓绒(心叶藤)、裂叶喜林芋(羽裂蔓绿绒)、蔓绿绒(象耳蔓绿绒)、三色铁(彩纹竹蕉)、中斑香龙血树(龙血树属)、竹蕉(朱蕉)、银线龙血树(银线竹蕉)、蝴蝶兰(兰花)、垂叶榕(斑叶垂榕)。

该设备还包括能够从空气吸收杂质的植物的根和突然基部。而且，根也能够使用生物更新过程来更新包含有害物质的空气。在一些实施例中，土壤包含激活的碳和/或豆状砾。选择性地，土壤也可包含各种其他添加物，包括但不局限于，泥煤苔、椰纤维、地面松树皮和无机物，诸如湿沙、珍珠岩或蛭石。在一些实施例中，土壤可额外地或者可选择地包含或者注入土壤细菌，其用于提升已经从其中移除有害物质的空气的更新，进一步破坏病原菌。

如这里所使用的，术语“杂质”指代包含在空气中的任何污染物、毒素、化学或有害物质，包括但不局限于甲醛、一氧化碳、苯和三氯乙烯。在各种实施例中，本发明的设备可移除空气中至少大约20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90或95％的杂质。在各个实施例中，本发明的设备可在少于大约48、24、12、8、6、5、4、3、2、1.5、1或0.5小时中移除特定百分比的杂质。

该设备还包括空气推进系统。如这里使用的术语“空气推进系统”指代配置成将空气接纳入该设备、在该设备中导引空气以及从该设备排出空气的系统。该空气推进器系统可以是任何公知的装置，用于控制空气流入该设备、在该设备中的流动以及从该设备流出。在一些实施例中，空气推进器系统包括至少一个风扇。在一些实施例中，空气推进器系统包括一系列的风扇，例如，以协调的方式工作从而控制空气流入、流过和流出该设备。在一些实施例中，该设备包括“输入风扇”，控制空气流入该设备的内部体积，以及，选择性地，在该设备中的空气方向。在一些实施例中，该设备包括“内部风扇”，控制空气在该设备中的方向。在一些实施例中，该设备包括“输出风扇”，导引空气从该设备流出，可选择地，该设备中空气的方向。

该空气推进器系统设计并且配置成增加该设备的净化、消毒和/或过滤能力。因此，空气推进器系统设计成至少一次导引空气，例如，空气的质量中心，相邻于植物的叶子，穿过土壤，以及相邻于植物的根部。在一些实施例中，空气推进器系统导引空气经过或穿过叶子、根或土壤或者植物系统至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、15或20次。如这里使用的，术语“相邻”或“附近”指代空气质量中心沿着表面或在小于大约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15或20厘米中通过。

在一些实施例中，空气推进器系统设计并且配置成在穿过该植物系统的土壤和根或者经过该植物系统的土壤和根之前导引植物的叶子附近的空气。在其他实施例中，空气推进器系统导引主物的茎杆附近的空气。

在另一实施例中，该设备包括用于控制空气对流装置的速度和/或方向的控制器。在一些实施例中，控制器协调风扇的操作，例如，采用预定的方式或者可选择地由用户控制，从而控制空气流入、流过、流出该装置的流动和方向。该控制器可以是任何控制系统，包括例如，简单的开/关开关、具有预定设置的拨盘(关、低、高等)，或者具有用户调整设置的拨盘。因此，空气推进器系统的速度可按照需要进行调节从而调节空气流入、流过或流出该设备。在一些实施例中，该设备包含入口风扇，导引空气进入封闭的植物空间，以及出口风扇，抽吸空气穿过系统。在各个实施例中，入口和出口风扇的速度可以大概为100、125、150、175、200、225、250、275、300、325、350、375或者400立方米/小时。入口风扇和出口风扇的速度比可以改变并且通过控制器控制。

结合入口风扇和出口风扇的速度，由植物和土壤基部提供的阻力是将会影响输出的关键因素。如果植物/土壤阻力不高，那么入口和出口风扇可能不能够提供足够的空气流通过该系统。如果植物/土壤阻力太低，那么在该系统中循环的空气将不会与系统接触足够长的时间，和/或可能不能与该系统形成足够紧密的接触，从而有效地过滤空气。

在这一领域的先前的发明可能还没有认识到风扇速度的重要性，或者通过该设备的空气的实际输出的重要性。为了能够有效地净化房间中的空气，应当在合理的时间框架内实现，使得与源化学生产相结合的无效的空气翻转不会导致化学物积聚在空气中。通过增加入口和出口的风扇速度，可使得相对大体积的空气流过该系统，允许较大体积的空气通过组合的部件过滤掉。对该设备中各个组成诸如土壤的气流的阻力，可以是重要的因素，影响通过该设备的空气的整体流率。与风扇速度相分离地，可通过改变对这些组成的气流的阻力而优化空气输出，例如通过减小土壤的沿气流总体方向的厚度或紧密度从而降低整体阻力并且增加输出。

如这里所使用的，术语“蓄水池”指对容纳在该设备中的水进行收集，或者指与这种收集的水相关的任何量的水或者这种收集的水的一部分。该蓄水池用于，至少部分地，使土壤成为水合物，使植物的根成为水合物，使植物的叶成为水合物。在一些实施例中，蓄水池容纳在该设备的分隔腔内。在其他实施例中，蓄水池容纳在至少两个分隔腔内，例如，一个分隔腔设计成使土壤和根成为水合物，另一分隔腔设计成使植物的叶成为水合物。在一些实施例中，蓄水池经由芯部而液压连接土壤和/或植物的根。

另外，蓄水池可用作该设备中的湿度源。例如，在一些实施例中，该设备可包括包含潮湿空气的分离分隔腔。可选择地或另外地，该设备可包括围绕植物的叶的潮湿空气。

该设备可配置成使得水滴在空气和湿度源之间的循环速率快于空气通过湿度腔的移动速率。污染物可通过空气中的水滴吸收，然后循环回到水，新的水滴循环回空气中。因此，湿度源，除了为系统提供湿度，也具有净化功能，并且帮助稀释正被过滤的空气中的杂质。

在特定实施例中，空气推进器系统将空气导引通过或者相邻于蓄水池和/或通过潮湿空气，例如，围绕植物的叶的潮湿空气和/或容纳在分离分隔腔中的潮湿空气。在各个实施例中，潮湿空气具有至少50、55、60、65、70、75、80、85、90或95％的相对湿度。在特定实施例中，该设备还包括润湿控制器，从而在该设备的理想区域内产生理想的湿度。

这种设计用于进一步通过从空气移除杂质而提高空气的有效的过滤、净化或消毒。而且，因为蓄水池是可更换的，所以所提取的杂质(例如，从脏空气中吸收的杂质，以及因此容纳在蓄水池中的杂质)可被共同地从该系统移除，由此防止或减少空气再次夹带杂质。类似地，包含杂质的潮湿空气能够凝结并且由此由新的水替换，从而进一步从该系统移除杂质。在特定实施例中，在空气已经通过叶子附近或者可选择地整个植物系统之后，空气推进器系统将空气导引通过或邻近蓄水池和/或潮湿空气。因此，蓄水池和/或潮湿空气能够在移除容纳在空气中的特定剩余杂质时起到辅助性的作用。

在一些实施例中，植物、根、土壤基部和蓄水池的每个都容纳在外壳中。可选择地，只有该设备中的特定组成容纳在外壳中。例如，植物系统(例如叶、根和土壤)可容纳在外壳中，但是能够连接到外壳外部的蓄水池。该外壳可以是一个封闭的环境，除了用于控制空气从外壳输入和输出的空气推进器系统之外。

在一些实施例中，土壤层可包含豆粒砾石、盆装土壤、树皮、被激活的碳等，或者这些物质的任意组合。每种材料可选择成具有某些程度的能力来过滤不同的化学物，不同类型的组合可发展成获得相对于不同的化学物的最大效用。例如，激活的碳能够从空气吸收土壤蒸汽、气味和其他碳氢化合物，但是它的使用必须与植物存活所需的土壤组成相平衡。

外壳也可由坚硬的任何材料形成，防止空气从外壳内部体积的无益的泄漏。在一些实施例中，外壳由透明的塑料件形成，或至少部分地形成，例如，从而允许植物按照需要接收自然和/或人工的光以存活。在一些实施例中，外壳还包含镜子，定位成将自然和/或人工的光朝向该植物反射，由此进一步提供必要的光使得植物存活。实际上，在特定实施例中，镜子可定位成对植物的无法接触光源或者所接收的光不充分的部分提供光。在一些实施例中，人工光源可设置成邻近该植物，例如在外壳中，并且可物理上关联于该设备。

虽然植物大量地容纳在外壳的壁中，但是也存在通向外部环境的出口，从而使得空气通过外部环境到达过滤器，然后离开该过滤器。这些开口可占外壳表面的不同百分比。在一些实施例中，开口代表通向风扇空气流通系统。在一些实施例中，开口可具有瓶状开口的形式。在一些仅存在出口风扇的实施例中，开口可采用瓶状开口的形式。

生物学空气过滤器尤其适用于办公室和家庭。实际上，通过将植物作为一个主要的并且可见的特征引入该设备，该设备还具有美学目的。另外，本发明的装置也可使用在溶液蒸汽少量释放的工作场合，例如，实验室、医生办公室、图形艺术商店等。

下述实例是示意性的并且并不限制本发明的范围。

实例1

参照图2，基于吊兰植物的空气过滤器200构建并且测试为证明在两个同时风扇的操作下“逆向地”使大气中的空气流过叶子周围以及穿过植物的土壤的可能性。该过滤器包括外壳210，小风扇212安装在外壳的入口213和出口214上。将吊兰220种植为根222在土壤基部224中，茎杆和叶子226从土壤基部224向上延伸。空气推进器系统由入口风扇212(在213处)和出口风扇212(在214处)组成，成功地将空气吸入外壳210，通过植物的叶226，并且向下通过土壤基部224，并且离开外壳210返回到环境中。

该过滤器200也包括连接至外壳210的上表面的小开口218的漏斗216，允许在测试期间为植物浇水。该植物过滤器成功地过滤空气一周以上，并且植物没有死亡。

实例2

参照图3A、3B和3C，构建和测试另一个示例性过滤器250从而证明生物学空气过滤器长期持续的可行性。类似于过滤器200，过滤器250具有安装在外壳210的入口213和出口214中的入口风扇和出口风扇212。该外壳210包括下部253，具有容纳可移除托盘228的铝制外部。该可移除托盘228能够填充水从而使得过滤器250在植物252和土壤基部224的下方具有蓄水池。

该植物设置在标准的盆装土壤中，其是在由纤维网支撑的泥土圆砾的上方。该网帮助保持圆砾和土壤。一组芯部通过毛细作用力促进土壤基部的水合作用，该毛细作用力促使水从蓄水池向上流动。在这种情况下，芯部是棉质纤维。除了其他材料，用于保持圆砾和土壤的该芯部和/或网格材料可以是标准纤维，“非编织”材料，或者基于纤维素(合成或天然)的纤维。

外壳210也包括部分254，覆盖植物过滤器250的上部从而允许自然光进入并且有利于植物健康。风扇212的速度使用可调节的控制钮256进行控制。如图3C所示，空气通过入口213直接地进入过滤器250的叶系统258，允许有效的叶吸收。如图3C所示，在被排出出口214之前，空气接着导引经过植物的茎并且穿过芯部根系统和土壤基部224。

实例3

类似于示例性生物学过滤器的生物学空气过滤器的有效性测试在0.512立方米体积的立方形状腔中执行。单独的白鹤芋(Spathypillum)和兰花(Orchidea)蝴蝶兰(phalaenopsis)植物在一个腔中测试，旁边并排有一个空的控制腔。使用液体的甲醛，将甲醛释放进入腔中，直到发现它们具有大概25ppm。然后移除甲醛源，随后常规地以一般为若干小时的时间段对所述腔进行采样，从而确定该过滤装置的有效性。

图4将使用与参照图3A、3B和3C所述的过滤器类似的过滤器来减少0.45立方米体积的封闭体积中的甲醛浓度，与先前描述的NASA过滤器的文字报告的结果进行比较。该过滤器将甲醛浓度在大约1至1.5小时内减小到小于其初始浓度的20％。通过比较，先前描述的NASA过滤器需要大概10小时来减小浓度到小于初始浓度的40％并且大约16个小时减小到20％或更少(1982年12月的NASA TM-84674的NASA技术备忘录，作者为WolvertonBC，McDonald RC；“Foliage Plants for Removing Formaldehyde fromContaminated Air Inside Energy-Efficient Homes and Future Space Stations”)。

这些数字涉及封闭房间或容积中有害气体吸收的速度，以及过滤器移除有害物质的能力。使用我们的相应于0.45平方米的容积获得的初始测试结果，尺寸为4×5×3米的封闭房间能够通过两个设备在大概98小时内或者大约4天内得以清洁。相比较地，两个最好的NASA过滤器将需要大概40天来实现相同等级的降低。对于空气转换的快速性以及通过房间中的源产生的气体产生率，这表明NASA过滤器可能具有相对小的效果(Wolverton BC，McDonald RC)。

实例4

图5的结果揭示入口和出口风扇的强度是设备设计中的重要因素，在该结果中，该设备采用单独部件现有/活动的不同组合进行测试。如果风扇没有进行操作，那么仅通过扩散而吸收有害气体，这是一个缓慢的过程。NASA过滤器全功率运行并且将风扇打开，仅在快速空气净化方面比我们的没有使风扇发挥作用的过滤器设计稍微高效一些，这说明出口风扇的重要性。在这种情况下，出口风扇比NASA过滤器强大6倍(与25-50立方米/小时相比风扇流速为185立方米/小时)。这一因数6非常符合NASA过滤器有效地实现这一净化所需的相对时间。

等同方案

本领域技术人员仅使用常规的实验可知，或者能够确认对于这里所述的具体实施例的许多等同方案。这些等同方案意在由所附的权利要求覆盖。虽然已经描述了许多实施例，但是应当理解，可在不脱离本发明的精髓和范围的情况下做出各种改进。

例如，虽然过滤器200、250具有侧部入口，但是一些过滤器可包括上部入口。参照图6，示例性过滤器300包括在外壳上方的空气入口，空气出口处于外壳的底部。

在另一实例中，虽然较早的过滤器200、250具有外壳，外壳的基本上封闭的内部容积包含过滤器部件，但是一些过滤器也具有侧部打开的外壳。参照图7和8，过滤器400和500具有容纳在朝向周围空气打开的容器中的植物。在两个情况下，空气被吸入、越过并且穿过植物，穿过土壤、跨过水基部，然后向上并且向外穿过出口风扇。

因此，其他实施例处于所附的权利要求的范围内。