CN102186565A - 用作水再利用和蛋白质富集的正向渗透膜的具有增强通量的双层中空纤维 - Google Patents

Abstract

中空纤维，其包含中腔，限定中腔的聚合物膜，和多孔管状基体，该多孔管状基体的圆周表面与聚合物膜的圆周表面接触。聚合物膜包括第一聚合物，该第一聚合物具有分别包含咪唑基团的单体。所述中空纤维能够用于水改良和蛋白质富集。

Description

用作水再利用和蛋白质富集的正向渗透膜的具有增强通量的双层中空纤维

相关申请的交叉引用

本申请要求于2008年10月15日提交的第61/105,556号美国临时申请的优选权的权益，其内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及在正向渗透(FO)方法中用于水改良的双层聚苯并咪唑-聚醚砜(PBI-PES)中空纤维膜。本发明另一方面提出了FO方法能用于从稀介质中富集和浓缩药物产品而不使感兴趣的组分变性。

背景技术

正向(或直接)渗透(FO)，用于水再利用、脱盐以及用于水流脱水的具有非常低能量损耗的新方法，受到了许多学科逐渐增长的关注，所述学科例如水改良、废水处理、海水脱盐、液态食品的浓缩、经由渗透泵的药品的控释、发电和太空中水纯化和再利用。参见，Wang等，Journal of Membrane Science，300(2007)6-12；Cath等，Journal of Membrane Science，281(2006)70-87；Holloway等，Water Research，41(2007)4005-4014；Cornelissen等，Journal of Membrane Science，319(2008)158-168；McCutcheon等，Journal of Membrane Science，278(2006)114-123；Miller等，Tang等，Desalination，224(2008)143-153；Jiao等，Journal of Food Engineering，63(2004)303-324；Petrotos等，Journal of Food Engineering，49(2001)201-206；Dova等，Journal of Food Engineering，78(2007)422-430；Babu等，Journal of Membrane Science，280(2006)185-194；Sotthivirat等，Journal of Pharmaceutical Sciences，96(2007)2364-2374；Verma等，Critical Reviews in Therapeutic Drug Carrier Systems，21(2004)477-520；Seppala等，Journal of Membrane Science，161(1999)115-138；McGinnis等，Journal of Membrane Science，305(2007)13-19；Loeb，Desalination，141(2001)85-91；Cath等，Journal of Membrane Science，257(2005)85-98；和Cath等，Journal of Membrane Science，257(2005)111-119。

与反渗透(RO)类似，FO利用选择性渗透膜以将水与溶解的溶质分子或离子分离。然而，在RO方法中除了采用水压作为驱动力以用于分离以外，FO使用化学势穿过膜，即渗透压梯度引起水净流通过膜进入驱动溶液。因此，与传统的压力驱动膜的方法相比，FO可以提供对宽范围污染物高度截留和较低膜污染趋势的优势。然而，充分开发FO潜能以作为新一代水制备技术的主要障碍是：1)有限数目的具有优秀分离性能的市售FO膜；2)缺乏能够以低能量消耗而容易地并直接地将提取的水分离所期望的驱动溶液；以及3)如何将FO方法优化至其理论的效率。需要开发具有高水通量和高盐截留性质的新的FO膜。

发明内容

在一方面，本发明涉及中空纤维，其包含：中腔(lumen)，限定中腔的聚合物膜和多孔管状基体，所述多孔管状基体的圆周表面与聚合物膜的圆周表面接触。所述聚合物膜包含第一聚合物，所述第一聚合物具有分别包含咪唑基团的单体。

在另一方面，本发明涉及通过本文所述的方法制备的中空纤维。所述方法包括：提供包括第一溶剂和具有分别包含咪唑基团的单体的第一聚合物的第一溶液，提供包括第二溶剂和第二聚合物的第二溶液，以及通过具有至少两个同轴通道的喷丝头将第一和第二溶液共挤入凝固浴中，由此形成中空纤维，其具有中腔、限定中腔的第一管状层和第二管状层，所述第二管状层的圆周表面与第一管状层的圆周表面接触。所述第一管状层包含第一聚合物，并且第二管状层包含第二聚合物并且为多孔的。

以上所述中空纤维的实施方案可以包括一个或多个以下特征。

第二管状层(例如，多孔基体)的外圆周表面与第一管状层(例如，包含第一聚合物的聚合物膜)的内圆周表面接触。所述第一聚合物具有二环-或三环杂芳基单体(即，重复单元)，每种单体分别包含诸如苯并咪唑的咪唑基团。包括在所述第二管状层中的第二聚合物可选自聚砜、聚醚砜、聚芳酯、聚丙烯腈、聚硫化物、聚乙烯醇、聚酮、聚醚酮、聚酰胺-酰亚胺、聚酰亚胺、聚酰胺及其组合(例如，共聚物或共混聚合物)。所述第二层还可以包含与第二聚合物共混的聚乙烯吡咯烷酮(例如，分子量为80KDa至500KDa或150KDa至360KDa)。第一管状层(例如，聚合物膜)的厚度为1μm至100μm。中空纤维的厚度为100μm至1000μm。第一聚合物可以是包含在第一管状层中的唯一的聚合物。第一层可以包含与第一聚合物形成共混聚合物的第三聚合物。第三聚合物可以为聚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、聚芳酯、聚苯乙烯、聚酮、聚醚酮或聚酰胺-酰亚胺。

共挤出能够在20℃至100℃(例如，20℃至50℃)的温度下和/或大气(例如，在空气、氮气、氩气或其它惰性气体中)下进行。用于共挤出的喷丝头优选的尺寸如在图2中所示(具有三个同轴通道)。凝固浴的温度可以为0℃至100℃(例如，20℃至50℃)。凝固浴和喷丝头的气隙可为0.5cm至100cm(例如，1cm至20cm)。

术语“气隙”是指喷丝头出口与凝固浴顶面之间的距离。

术语“杂芳基”是指具有一个或多个杂原子(例如O、N、S或Se)的一价或二价芳香5至8元单环、8至12元二环或11至14元三环环体系。

聚苯并咪唑的实例包括但不限于，聚-2，2’-(间亚苯基)-5，5’-二苯并咪唑(“PBI”)、聚-2，2’-(亚吡啶基-3”，5”)-5，5’-二苯并咪唑、聚-2，2’-(亚呋喃基-2”，5”)-5，5’-二苯并咪唑、聚-2，2-(萘-1”，6”)-5，5’-二苯并咪唑、聚-2，2’-(亚联苯基-4”，4”)-5，5’-二苯并咪唑、聚-2，2’-亚戊基-5，5’-二苯并咪唑、聚-2，2’-1，8-亚辛基-5，5’-二苯并咪唑、聚-2，6-(间亚苯基)-二咪唑并苯、聚-2，2’-环己烯基-5，5’-二苯并咪唑、聚-2，2’-(间亚苯基)-5，5’二(苯并咪唑)醚、聚-2，2’-(间亚苯基)-5，5’-二(苯并咪唑)硫化物、聚-2，2’-(间亚苯基)-5，5’-二(苯并咪唑)砜、聚-2，2’-(间亚苯基)-5，5’-二(苯并咪唑)甲烷、聚-2’-2”-(间亚苯基)-5’，5”-(二(苯并咪唑)丙烷-2，2和聚-2’，2”-(间亚苯基)-5’，5”-二(苯并咪唑)乙烯-1，2，其中在最终的聚合物中乙烯的双键是完整的。

术语“聚酰亚胺”是指常规的和氟化的聚酰亚胺。聚酰亚胺的实例包括但不限于，Matirmid

5218(聚[3，3’4，4’-二苯甲酮四羧酸二酐和5(6)-氨基-1-(4’-氨基苯基-1，3-三甲基二氢化茚)]或BTDA-DAPI)、Torlon

4000T、P84(3，3’4，4’-二苯甲酮四羧酸二酐和80％甲基亚苯基二胺加上20％亚甲基二胺的共聚酰亚胺)和包含六氟异亚丙基(6FDA)基团、均苯四甲酸二酐(PMDA，Kapton)、1，4，5，8-萘四羧酸二酐(NTDA)、二苯甲酮四羧酸二酐(BTDA)或2，4，6，-三甲基-1，3-亚苯基二胺、3，3’，4，4’-联苯四羧酸二酐(BPDA)的聚酰亚胺。

在另一方面，本发明涉及通过正向渗透法从盐溶液中提取水的方法。所述方法包括：将第一盐溶液与上述中空纤维的内圆周表面接触，以及将第二盐溶液与中空纤维的外圆周表面接触，从而用第一和第二盐溶液中之一通过正向渗透法从另一个之中提取水，通过中空纤维将所述第一和第二盐溶液分离，所述第一盐溶液具有第一含水量，并且所述第二盐溶液具有与第一含水量不同的第二含水量，或者两种溶液具有不同的渗透压。

还在本发明范围内的是通过正向渗透法富集水溶液中蛋白质的方法，所述方法包括：将第一水溶液与上述中空纤维的内圆周表面接触，以及将第二水溶液与中空纤维的外圆周表面接触。通过中空纤维将第一和第二水溶液分离。在两种溶液中，一种包含蛋白质并且具有比另一种低的渗透压。当与中空纤维相对的圆周表面接触时，具有比含蛋白质溶液更高渗透压的溶液通过正向渗透法由其提取水，由此富集蛋白质(即，增加溶液中蛋白质的浓度)。

在以下描述中列出本发明一个或多个实施方案的详情。由以下附图、若干实施方案的详述和所附权利要求，本发明的其它特征、目的和优势将变得显而易见。

附图说明

图1显示(A)聚苯并咪唑(PBI)和(B)聚醚砜(PES)的单体结构。

图2为用于纺丝双层中空纤维的喷丝头的原理图。

图3显示PBI-PES双层中空纤维FO膜的SEM图像。

图4(A)至4(C)表明PBI-PES双层中空纤维FO膜的(A)溶质分离；(B)概率密度；和(C)孔径累积分布曲线。

图5(A)至5(B)表明驱动溶液浓度对(A)水和(B)盐通量的影响(22.5℃)。在PRO模式下，将驱动溶液放置相对于选择性PBI外层，在FO模式下，将进料放置相对于选择性PBI外层。

图6(A)至6(C)表明将双层中空纤维正向渗透膜用于蛋白质富集：(A)水输送通过膜的动力学；(B)溶菌酶浓度对时间和(C)富集因子对时间。

图7显示与天然溶菌酶相比，FO富集测试后溶菌酶的圆二色(CD)谱。

具体实施方式

本发明部分基于意料之外的发现，即某些双层中空纤维膜具有非常高的水通量和盐截留性质，使得它们被用作FO膜。

已经证实能够在FO方法中将具有小孔径和窄孔径分布的PBI纳米过滤(NF)中空纤维膜用于水改良。参见，Wang等，Journal of Membrane Science，300(2007)6-12。PBI自具电荷的特性及其优秀的亲水性使其不易于膜污染，并为水再利用提供较大的潜力。然而，上述PBI NF中空纤维膜的水渗透通量不是令人满意的高。用5M MgCl₂作为驱动溶液时，最大通量为约11L/(m²·hr)。不受理论的限制，这归因于稠密的PBI NF选择性层和密实子结构的作用。后者是由PBI涂料(dope)的高粘度性质和PBI分子的高度亲水性质所导致。

因此，本发明的一方面涉及双层膜制备技术与聚醚砜(PES)-聚乙烯吡咯烷酮(PVP)共混物作为内层的分子工程学的协同组合。因此，PBI的子结构阻力基本上降低而保持其高亲水性。通过使用如PBI的极高效或功能性的膜材料作为选择性的层，并采用低成本材料作为支持层，由此显著地降低全部膜材料和制备成本，双层中空纤维膜具有最大化膜性能的优势。参见，Jiang等，Journal of Membrane Science，252(2005)89-100；Li等，Journal of Membrane Science，277(2006)28-37；Li等，Journal of Membrane Science，243(2004)155-175；和Widjojo等，Journal of Membrane Science，294(2007)132-146。

为了适用于水再利用，内层的分子工程学是必须的，以使得其具有基本上亲水性的完全多孔的开孔结构。用于内层的一种适当的聚合物为趋于形成具有良好机械性质的多孔和开孔结构的聚醚砜(PES)。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)可用于形成与PES部分地易混合的共混聚合物从而改性PES的疏水性质，由此使得内层具有稳定的亲水性。

诸如PBI-PES-PVP中空纤维膜的本发明的双层FO中空纤维膜能够不仅用于水的制备，而且用于诸如溶菌酶的有价值的蛋白质的富集。因此，设想能够使本发明的膜用于经由脱水而不是通过热处理来将药物产品浓缩。因为大部分的药物产品为不稳定的并且热敏感，因此优选非热分离方法。与目前用于药物富集的提取、蒸馏和结晶技术相比，FO为简单的，对环境友好的并且较高效的方法。

本发明中采用的经由共挤出技术以用于双层膜制备的现有技术提供具有超薄选择性稠密表面，其下为水通道和多微孔海绵状支持结构的膜产品。外加其窄(sharp)孔径分布，双层中空纤维正向渗透膜能够实现高达24.8升/(m²hr)的水通量，而不升高操作温度并且盐通量低于1.0g/(m²hr)。水通量的高比率和高盐截留归因于经由适当的膜制备技术的期望的双层膜的结构。对于FO方法中确定适当的膜和适当的驱动溶液的前述作用的充分文献评论表明，在本公开内容中开发的双层中空纤维FO膜的水通量通常大于采用RO膜的那些FO方法，并且比得上或者甚至优于使用常规FO膜的大部分FO方法。

此外，能够将本发明的FO膜用于从稀介质中富集并浓缩药物产品。在本公开内容中表明的典型实例是，通过使用MgCl₂作为驱动溶液的双层正向渗透膜来富集溶菌酶蛋白酶溶液。其显示使用有效面积仅为83.2cm²的膜组件能够在三小时内将稀释的溶菌酶富集3.5倍。当进料蛋白质相对于高度亲水PBI外层流动时，在富集方法中确定优选的较少蛋白质污染的行为。该双层膜的低盐通量确保富集的蛋白质产品而没有构象的改变和变性。

没有进一步的细节，相信以上描述已经充分地说明了本发明。因此以下实施例仅为示例性的，并且不以任何方式限制本公开内容的其余部分。本文引用的所有的出版物以引用的方式整体地并入本文中。

实施例

A.材料

由PBI Performance Products Inc.，(NC，USA)购入聚苯并咪唑(PBI)涂料，其组成为25.6wt％的PBI、72.4wt％的N-二甲基乙酰亚胺(DMAc)和2.0wt％的LiCl。由Amoco Company，USA购入聚醚砜(PES，Udel A-300)。图1显示PBI和PES材料的单体化学结构。采用N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和DMAc(Merck，Singapore)作为溶剂并采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP，Mw为360KDa)(Merck，Singapore)作为添加剂以用于双层中空纤维膜的纺丝。将次氯酸钠(NaOCl)(Acros Organics，Singapore)用作后处理剂以除去在膜内层中未共混的PVP。将由Alfa Aesar(MA，USA)提供的MgCl₂溶于不同浓度的去离子水中并用作驱动溶液。将来自Aldrich，USA的甘油、葡萄糖、蔗糖和棉子糖的中性溶质用于表征膜孔径和孔径分布。在Wang等，Journal of Membrane Science，300(2007)6-12中列出中性溶质的分子量、扩散率和斯托克斯半径。将由Aldrich，USA提供的溶菌酶用作通过FO方法浓缩并富集的模型蛋白酶溶液。

B.PBI-PES双层中空纤维膜的制备和表征

在Li等，Journal of Membrane Science，243(2004)155-175中已经描述了中空纤维纺丝系统的详细的原理图。下表1中列出详细的纺丝条件。

表1：PBI-PES双层中空纤维膜的纺丝条件

在图2中显示用于实施例的双层喷丝头。将初生纤维浸入自来水中3天以除去任何溶剂残留。为了除去未共混的PVP并增加膜内层的孔隙率和孔径，在搅拌下将纤维浸渍入8000ppm NaOCl中24小时。然后，在搅拌下将中空纤维膜再浸渍入50wt％的甘油溶液中48小时。于室温下将这些膜充分地空气干燥后，将分别具有约20cm长的20片中空纤维捆扎入Φ3/8英寸的PFA管道(Swagelok，USA)中并将两末端用环氧树脂密封以制成膜组件。

在场发射扫描电子显微镜(FESEM，JEOL JSM-6700)下观察双层中空纤维膜的形态。Li等，Journal of Membrane Science，243(2004)155-175中也描述了具体的SEM样品的制备。对双层膜的横截面(CS)、内层(IL)、内层的内表面(IL-IS)、内层的外表面(IL-OS)、外层(OL)、外层的内表面(OL-IS)、外层的外表面(OL-OS)以及断裂的外表面进行了观察。

通过接触角的测量来表征双层中空纤维膜的疏水性-亲水性。将张力计(Sigma 701，KSV Instruments，Finland)用于测量中空纤维膜外层的接触角。此外，为了评价双层中空纤维膜内PES内层的接触角，将平板膜用与内层所使用的相同涂料溶液涂敷，并浸入与纤维纺丝液具有相同组成的凝结剂中。浸渍入8000ppm NaOCl中24小时后，基于室温下的卧滴法通过测角仪(

First TenUSA)对漂白的平板膜进行接触角测量。已经证实平板测量的接触角能够可靠地评价由相同材料纺丝成的中空纤维。参见Bonyadi等，Journal of Membrane Science，306(2007)134-146。在PBI平板铸膜上进行相同的步骤以用于与通过张力计测量的外PBI层的接触角进行比较。

C.通过纳米过滤实验来表征膜

首先，通过NF膜装置将具有20片PBI-PES双层中空纤维膜的组合的膜组件以L/(m²·hr)(以后缩写为LMH)为单位进行纯水渗透性(PWP)通量的测量(如Wang等，AIChE Journal，52(2006)1363-1377中所述)，但在实施例中总以标准压力(1巴)来操作。此后，用流过膜选择性外层的不同的进料溶液将膜组件进行中性溶质和盐分离测试。由膜组件的中腔侧收集渗透物。用总有机碳分析仪(TOC ASI-5000A，Shimadzu，Japan)测量溶液中中性溶质的浓度。用电导仪(Lab 960，Schott，Germany)测量单盐浓度。将测量的进料(C_f)和渗透物(C_p)浓度用于计算有效的溶质截留系数R(％)：

$R=(1-\frac{C_p}{C_f})\×100\%---\left(1\right)$

参见，Wang等，Journal of Membrane Science，300(2007)6-12；Wang等，AIChE Journal，52(2006)1363-1377；和Yang等，Journal of Membrane Science，313(2008)190-198。

在实施例中，将包含甘油、葡萄糖、蔗糖或棉子糖的200ppm溶液用作用于表征膜孔径和孔径分布的中性溶质。这些中性溶质的斯托克斯半径(r_s，nm)和分子量(MW，g mol^-1)之间的关系能够表达为：

logr_s＝-1.4962+0.4567log MW                        (2)

由等式(2)，能够获得给定MW的假定溶质的半径(r_s)。随后根据传统的溶质输送方法获得平均有效孔径和孔径分布(如在Wang等，Journal of Membrane Science，300(2007)6-12；Michaels，Separation Science and Technology，15(1980)1305-1322；Youm等，Journal of Chemical Engineering of Japan，24(1991)1-7；和Singh等，Journal of Membrane Science，142(1998)111-127中所述)：通过忽略溶质和膜孔之间的空间和流体动力学相互作用，能够假定平均有效孔半径(μ_p)和几何标准偏差(σ_p)与μ_s(当R＝50％时，溶质的几何平均半径)和σ_g(在R＝84.13％而不是在R＝50％时，定义为r_s的比的几何标准偏差)相同。因此，基于μ_p和σ_p，能够将膜的孔径分布表示为以下的概率密度函数：

$\frac{\mathrm{dR}\left(r_p\right)}{{\mathrm{dr}}_p}=\frac{1}{r_p\ln {\mathrm{\σ}}_p\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp [-\frac{{(\ln r_p-\ln {\mathrm{\μ}}_p)}^2}{2{\left(\ln {\mathrm{\σ}}_p\right)}^2}]---\left(3\right)$

D.通过正向渗透测试的水改良

在如Wang等，Journal of Membrane Science，300(2007)6-12所述的实验室规模的装置上在具有有效的膜表面(外表面)面积为83.2cm²的膜组件上进行正向渗透测试。由两蠕动泵(Easy-load

7518-10，Cole Parmer，USA)通过组件将不同浓度的MgCl₂驱动溶液和进料去离子水逆流泵送。使驱动溶液单程通过膜组件，而进料水在另一侧循环。将膜组件中腔和壳中的体积流量固定在100ml/min(分别相当于中腔中1.26m/s的线速度和壳中6.03cm/s的线速度)。测试两不同的膜取向以研究膜结构和浓差极化对水渗透通量的影响：1)当驱动溶液相对于选择性层(在该过程中的PBI外层)流动时的压力延迟渗透(PRO)模式，和2)当驱动溶液相对于多孔的支持层(在该过程中的PES内层)流动时的正向渗透(FO)模式。与计算机连接的天平(EK-4100i，A & D Company Ltd.，Japan)记录了在所选定的一段时间内渗透进入驱动溶液的水的质量。

由进料重量变化除以有效的膜面积(A)的斜率来计算产品的水通量(J_w)。

$J_W=\frac{\mathrm{\Δm}}{\mathrm{\Δt}}\frac{1}{A}---\left(4\right)$

其中，Δm(kg)为在FO过程中预定的时间Δt(hr)内，收集的渗透的水的重量；其中A为有效的膜表面(基于中空纤维的外径)。

使用相对于单盐溶液的校正曲线，由电导率测量来确定进料水中的盐浓度。由此从进料电导率的增加来确定回流的盐通量(J_s，单位为g/(m²·hr)，缩写为gMH)：

$J_s=\frac{\mathrm{\Δ}\left(C_t{V}_t\right)}{\mathrm{\Δt}}\frac{1}{A}---\left(5\right)$

其中C_t和V_t分别是FO测试最后的进料的盐浓度和体积。

E.通过正向渗透测试的蛋白质富集

使400mL进料蛋白质模型溶液(以0.1g/L的浓度和pH～4的溶解于去离子水中的天然溶菌酶)通过壳来循环，而使800mL驱动溶液(3.125M MgCl₂)在膜组件的中腔中循环。在280nm的波长下，通过UV-VIS扫描分光光度计(Libra S32，Biochrom Ltd.，England)每半小时测量进料和驱动溶液中的溶菌酶浓度。还记录产物的水通量和盐通量。FO富集测试后，研究0.4g/L(pH～4.0)的天然溶菌酶溶液和浓缩的溶菌酶溶液的圆二色(CD)谱。将以下评价的蛋白质的α-螺旋含量用于研究在FO方法之后蛋白质构象(如果有)的改变。

其中

为在208nm下每残余物的平均摩尔椭圆率。参见，Greenfield等，Biochemistry，8(1969)4104-4108。

实施例1：PBI-PES-PVP双层中空纤维膜的形态

由此制成的双层膜分别具有522μm的外直径和290μm的内直径(本文未显示SEM图像)。图3显示横截面(CS)形态，其由约20μm的PBI选择性外层(OL)，完全多孔的海绵状PES内层(IL)和无分层界面组成。在PBI选择性层的下面，存在与如图3的OL-IS部分所示的界面直接地并且开放地连接的许多大孔隙，而内层的外表面为多孔的，如在IL-OS部分中所示。

因此，在界面处不存在多少阻力。因为内层和内层表面为如在相应的IL和IL-IS照片中所示的完全的多孔的，则PBI外层为阻力和选择性层。然而，如在其OL照片中所示，选择性层的平均厚度仅为约2.04μm至2.23μm，如果从总外层厚度中扣除大孔隙长度。因此，水能够通过渗透压快速地扩散通过超薄选择性层。

与由Wang等，Journal of Membrane Science，300(2007)6-12制成的前述单层PBI中空纤维相比，PBI-PES-PVP双层中空纤维膜的唯一性在于其不仅具有用于水通过和离子截留的在外部大部分表面上的亚纳米PBI孔，而且通过PVP孔成形剂，具有海绵状开孔PES内层和通过溶剂-富集的纺丝液(80wt％NMP)的延时的分层(delayed demixing)。高度亲水的PBI选择性层与亚纳米孔与完全多孔的和亲水的子结构的组合使其易于以高跨膜通量进行水的渗透。

实施例2：PBI-PES-PVP双层中空纤维膜上的溶质截留

图4(A)至(C)显示溶质分离、概率密度和孔径累积分布曲线。下表II概述双层中空纤维正向渗透膜上溶质截留的结果。

表II：PBI-PES-PVP双层膜的溶质截留表征结果

半径的平均孔径(μ_p)为0.27nm表明在实施例中获得的膜位于纳米过滤膜和反渗透膜之间。在1巴的操作压力下，该膜的纯水渗透性(PWP)仅为0.9LMH。在图4(B)中显示的孔径分布或概率密度曲线表明双层中空纤维膜具有窄孔径分布。这对于截留离子和污染物是必须的。其它特征揭示了其对二价MgCl₂盐显示93％的高截留率，但对一价NaCl盐显示33％的低截留率。对于二价和一价离子截留的差异大部分归因于离子大小排阻和Donnan静电效应(参见Donnan，Journal of Membrane Science，100(1995)45-55)。盐截留数据表明将双层膜用于使用MgCl₂作为驱动溶液的水改良中的FO应用，而其不适于海水和盐水的脱盐，因为其NaCl截留非常低。

实施例3：经由PBI-PES-PVP双层中空纤维膜的水改良

在图5中显示在两种不同操作模式(即FO和PRO)中水和盐通量与MgCl₂浓度的依存关系。其表明随着增加的驱动MgCl₂浓度，水通量升高，而在任何情况下，盐通量足够地低。通常，在FO测试中使用相应的相同驱动溶液时，水通量比盐通量高五倍。认为随着增加的驱动溶液浓度而增加的水通量大部分是由于在两操作模式中增加的渗透压作为驱动力。此外，PRO模式中的水渗透通量比FO模式中更高。这是由于FO模式中净驱动力比PRO模式中更显著地降低，因为剧烈的稀释内浓度极化在多孔的支持层中发生(即，在这些情况下的PES-PVP内层中)。参见Wang等，Journal of Membrane Science，300(2007)6-12；Cath等，Journal of Membrane Science，281(2006)70-87；Ng等，Environmental Science & Technology，40(2006)2408-2413；McCutcheon等，Journal of Membrane Science，284(2006)237-247；和Gray等，Desalination，197(2006)1-8。

下表III显示关于FO膜的目前研究的性能比较。迄今为止，研究人员已经在该领域进行了巨大的努力以在FO方法中确定适当的膜和适当的驱动溶液从而实现高水通量和高盐截留。通常已经使用了多种盐或糖溶液，因为它们高度溶于水并且具有低分子量，从而导致高渗透压。此外，通过沉淀、热分解或RO方法能够容易地实现这些驱动溶液的分离和回收。

表III.关于用不同膜的FO方法的目前研究的总结

[1]K.Y.Wang等，Journal of Membrane Science，300(2007)6-12.

[3]Holloway等，Water Research，41(2007)4005-4014.

[4]Cornelissen等，Journal of Membrane Science，319(2008)158-168.

[5]McCutcheon等，Journal of Membrane Science，278(2006)114-123.

[6]Miller等，Forward Osmosis：A New Approach to Water Purification and Desalination.2006

[7]Tang等，Desalination，224(2008)143-153.

[17]Cath等，Journal of Membrane Science，257(2005)85-98.

[31]Ng等，Environmental Science & Technology，40(2006)2408-2413.

[32]McCutcheon等，Journal of Membrane Science，284(2006)237-247.

[33]Gray等，Desalination，197(2006)1-8.

[34]McCutcheon等，Journal of Membrane Science，318(2008)458-466.

可见，选择用于FO方法的膜的大部分常规方法是简单地使用RO膜。然而，该实践的主要缺点在于实现的有限的通量。在用于海水脱盐的大部分FO方法中其低于10LMH，因为RO膜较厚而必须承受水压。目前已报道从RO膜剥落支持构造以用于FO测试，无构造的该RO膜的通量能够由几LMH显著地升高至36LMH(McCutcheon等，Journal of Membrane Science，318(2008)458-466)。尽管将该策略用于通量的增强，但在用于FO方法的大范围的膜制备实践中是不可行的。

Hydration Technologies Inc.(HTI，以前为Osmotek Inc.)是制备用于FO方法的膜的市场领导者。其通过嵌入聚酯筛来代替传统RO膜中的支持构造(fabric support)，并且开发了具有最佳水通量，同时保持期望的盐截留的特定的FO膜。膜厚度低于50μm，并且在太空中将该膜广泛地测试用于水改良(Cath等，Journal of Membrane Science，257(2005)85-98；和Cath等，Journal of Membrane Science，257(2005)111-119)，用于水回收的渗透膜生物反应器(Cornelissen等，Journal of Membrane Science，319(2008)158-168)，发电(参见McGinnis等，Journal of Membrane Science，305(2007)13-19)和海水脱盐(参见McCutcheon等，Desalination，174(2005)1-11)。目前Elimelech研究小组进行的工作表明当将水用作进料并将1.5M NaCl用作驱动溶液时，通量能够高达40LMH(参见McCutcheon等，Journal of Membrane Science，284(2006)237-247；和McCutcheon等，Journal of Membrane Science，318(2008)458-466)。然而，已报道三乙酸纤维素，HTI FO膜的膜材料在碱性溶液中不稳定，并且在pH 9时将降解(参见Miller等，Forward Osmosis：A New Approach to Water Purification and Desalination.2006，Sandia National Laboratories)。

相反地，在本发明中开发的双层中空纤维膜在苛刻的环境下能够作为正向渗透膜操作，因为PBI和PES材料都具有优秀的耐化学性。图5显示当在PRO模式下操作时，膜几乎能够达到25LMH水通量和10⁵倍以下的盐通量。应提及的是，以蠕动泵能够承受的非常低驱动溶液错流率，并且在未升高的操作温度下，实现了较高通量。该双层FO膜的水通量通常大于由RO膜实现的那些，并且比得上或甚至优于使用市售HTI FO膜的大部分FO方法。期望通过特制的双层膜结构，特别是通过进一步降低其选择性表面厚度并优化FO方法中流体动力流条件，能够进一步增加水通量。

实施例4：在PBI-PES-PVP双层中空纤维正向渗透膜的帮助下的蛋白质富集

将溶菌酶，pI值为约11并在pH为4至6下为最大酶活性的重要的蛋白酶(参见Bonincontro等，Colloids and Surfaces B-Biointerfaces，12(1998)1-5)选择作为用于富集测试的典型的药物稀溶液。

众所周知，基于含水介质的pH值，PBI分子中两性咪唑基团的存在提供了具有不同电性的PBI膜。通常，在较低pH下，PBI膜带正电并且在较高pH下，PBI膜带负电。由此，在溶菌酶富集实验中，进料蛋白质溶液旨在相对于PBI选择性外层特定地流动。pH为4的进料天然蛋白质溶液提供PBI选择性表面和溶菌酶正电荷。由此，能够通过静电斥力和PBI亚纳米孔表面大小排阻来实现由双层膜截留溶菌酶。这确保了FO富集方法中，驱动溶液中没有或非常低的蛋白质损失，这通过以下事实证明：在拓展的实验时间内，在驱动溶液中，通过UV-Vis分光光度计未检测到溶菌酶。

在图6(A)中，进料重量变化的斜率随着时间稍微降低。这是由透过膜的降低的渗透压导致，因为当水从进料蛋白质溶液渗透至驱动溶液时，原始的3.125M MgCl₂驱动溶液随着时间被稀释。蛋白质富集测试中初始的水通量为12.8LMH，其低于使用相应的相同驱动溶液浓度的FO模式下水改良测试中获得的13.7LMH。这是由于在蛋白质富集测试中透过膜的低效驱动力，因为蛋白质溶液自身具有渗透压。此外，发现基于质量平衡而计算的进料溶菌酶浓度稍微高于测量的，特别是在如图6(B)中说明的富集测试的最后阶段。假定在表IV中显示的接触角低于60°的亲水PBI外层大部分归因于发生在第一个一个半小时中的较少污染。然而，膜壳侧进料蛋白质的缓慢的错流率仍导致污染的发生。图6(C)显示3小时后，溶菌酶稀溶液能够富集3.5倍。将富集倍数定义为时间t时蛋白质浓度超过初始进料蛋白质浓度。

表IV 在PBI-PES双层中空纤维膜上测量的接触角

蛋白质富集测试过程中的盐通量为足够低的1.73gMH。图7显示富集测试后溶菌酶的CD谱非常接近于天然蛋白质。这表明测试后的溶菌酶大部分保持其原始结构。此外，图7中插入表表明测试后溶菌酶的螺旋含量非常接近于32％的文献值(Norde等，Colloids and Surfaces，64(1992)87-93)。所有这些表明FO方法非常适于经由脱水来富集药物产品而不使感兴趣的组分变性。

其它实施方案

本说明书中公开的所有特征可以以任何组合来结合。本说明书中公开的每一特征可以被起到相同、相等或类似作用的其它特征所替换。例如，本发明的膜能够用于气体分离。因此，除非另有明确规定，公开的每一特征仅是相等或类似特征的上位系列的一实例。

由以上描述，本领域技术人员能够易于确定本发明的必要特征，并且在不偏离其精神和范围的情况下，能够对本发明进行多种改变和改性以使其适于多种用途和条件。因此，其它实施方案也在所附权利要求的范围内。

Claims (29)

1.中空纤维，其包含：

中腔，

限定中腔的聚合物膜，和

多孔管状基体，该多孔管状基体的圆周表面与聚合物膜的圆周表面接触，

其中聚合物膜包括第一聚合物，该第一聚合物具有分别包含咪唑基团的单体。

2.如权利要求1所述的中空纤维，其中所述基体的外圆周表面与聚合物膜的内圆周表面接触。

3.如权利要求1所述的中空纤维，其中所述第一聚合物具有分别包含咪唑基团的二环或三环杂芳基单体。

4.如权利要求1所述的中空纤维，其中所述第一聚合物为聚苯并咪唑。

5.如权利要求4所述的聚合物膜，其中所述聚苯并咪唑为聚-2，2’-(间亚苯基)-5，5’-二苯并咪唑、聚-2，2’-(亚吡啶基-3”，5”)-5，5’-二苯并咪唑、聚-2，2’-(亚呋喃基-2”，5”)-5，5’-二苯并咪唑、聚-2，2-(萘-1”，6”)-5，5’-二苯并咪唑、聚-2，2’-(亚联苯基-4”，4”)-5，5’-二苯并咪唑、聚-2，2’-亚戊基-5，5’-二苯并咪唑、聚-2，2’-1，8-亚辛基-5，5’-二苯并咪唑、聚-2，6-(间亚苯基)-二苯并咪唑、聚-2，2’-环己烯基-5，5’-二苯并咪唑、聚-2，2’-(间亚苯基)-5，5’二(苯并咪唑)醚、聚-2，2’-(间亚苯基)-5，5’-二(苯并咪唑)硫化物、聚-2，2’-(间亚苯基)-5，5’-二(苯并咪唑)砜、聚-2，2’-(间亚苯基)-5，5’-二(苯并咪唑)甲烷、聚-2’-2”-(间亚苯基)-5’，5”-(二(苯并咪唑)丙烷-2，2、或聚-2’，2”-(间亚苯基)-5’，5”-二(苯并咪唑)乙烯-1，2。

6.如权利要求4所述的聚合物膜，其中所述聚苯并咪唑为聚-2，2’-(间亚苯基)-5，5’-二苯并咪唑。

7.如权利要求4所述的中空纤维，其中所述基体包括第二聚合物，所述第二聚合物选自聚砜、聚醚砜、聚芳酯、聚丙烯腈、聚硫化物、聚乙烯醇、聚酮、聚醚酮、聚酰胺-酰亚胺、聚酰亚胺、聚酰胺及其组合。

8.如权利要求7所述的中空纤维，其中所述基体还包括与第二聚合物共混的聚乙烯吡咯烷酮。

9.如权利要求8所述的中空纤维，其中所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量为80KDa至500KDa。

10.如权利要求8所述的中空纤维，其中所述第二聚合物为聚醚砜。

11.如权利要求1所述的中空纤维，其中所述聚合物膜的厚度为1μm至100μm。

12.如权利要求1所述的中空纤维，其中所述中空纤维的厚度为100μm至1000μm。

13.如权利要求1所述的中空纤维，其中所述第一聚合物为包含在聚合物膜中的唯一的聚合物。

14.通过以下方法制备的中空纤维，该方法包括：

提供包括第一溶剂和具有分别包含咪唑基团的单体的第一聚合物的第一溶液，

提供包括第二溶剂和第二聚合物的第二溶液，以及

通过具有至少两个同轴通道的喷丝头将第一和第二溶液共挤入凝固浴中，由此形成具有中腔、限定中腔的第一管状层和第二管状层的中空纤维，所述第二管状层的圆周表面与第一管状层的圆周表面接触，

其中所述第一管状层包含第一聚合物，并且所述第二管状层包含第二聚合物并且为多孔的。

15.如权利要求14所述的聚合物膜，其中所述第一聚合物为聚苯并咪唑。

16.如权利要求15所述的聚合物膜，其中所述聚苯并咪唑为聚-2，2’-(间亚苯基)-5，5’-二苯并咪唑。

17.如权利要求14所述的中空纤维，其中所述第二聚合物为聚砜、聚醚砜、聚芳酯、聚丙烯腈、聚硫化物、聚乙烯醇、聚酮、聚醚酮、聚酰胺-酰亚胺、聚酰亚胺、聚酰胺或其组合。

18.如权利要求14所述的中空纤维，其中所述第二溶液还包含聚乙烯吡咯烷酮。

19.如权利要求14所述的中空纤维，其中所述第一聚合物为包含在第一管状层内的唯一的聚合物。

20.如权利要求14所述的中空纤维，其中所述共挤出在20℃至100℃的温度下进行。

21.如权利要求14所述的中空纤维，其中所述共挤出在20℃至50℃的温度下进行。

22.如权利要求14所述的中空纤维，其中所述凝固浴的温度为0℃至100℃。

23.如权利要求14所述的中空纤维，其中所述凝固浴的温度为20℃至50℃。

24.如权利要求14所述的中空纤维，其中所述凝固浴和所述喷丝头的气隙为0.5cm至100cm。

25.如权利要求14所述的中空纤维，其中所述凝固浴和所述喷丝头的气隙为1cm至20cm。

26.通过正向渗透法从盐溶液中提取水的方法，所述方法包括：

将第一盐溶液与权利要求1的中空纤维的内圆周表面接触，以及

将第二盐溶液与中空纤维的外圆周表面接触，使得第一和第二盐溶液之一通过正向渗透法从另一个提取水，

其中通过中空纤维将所述第一和第二盐溶液分离，所述第一盐溶液具有第一含水量，并且所述第二盐溶液具有与第一含水量不同的第二含水量。

27.通过正向渗透法从盐溶液中提取水的方法，所述方法包括：

将第一盐溶液与权利要求14的中空纤维的内圆周表面接触，以及

将第二盐溶液与中空纤维的外圆周表面接触，使得第一和第二盐溶液之一通过正向渗透法从另一个提取水，

其中通过中空纤维将所述第一和第二盐溶液分离，所述第一盐溶液具有第一含水量，并且所述第二盐溶液具有与第一含水量不同的第二含水量。

28.通过正向渗透法富集水溶液中蛋白质的方法，所述方法包括：

将第一水溶液与权利要求1的中空纤维的内圆周表面接触，以及

将第二水溶液与中空纤维的外圆周表面接触，使得第一和第二水溶液之一通过正向渗透法从另一个提取水，

其中通过所述中空纤维将所述第一和第二水溶液分离，所述第一和第二水溶液之一包含蛋白质并且比另一个具有更低渗透压。

29.通过正向渗透法富集水溶液中蛋白质的方法，所述方法包括：

将第一水溶液与权利要求1的中空纤维的内圆周表面接触，以及

将第二水溶液与中空纤维的外圆周表面接触，使得第一和第二水溶液之一通过正向渗透法从另一个提取水，

其中通过所述中空纤维将所述第一和第二水溶液分离，所述第一和第二水溶液之一包含蛋白质并且比另一个具有更低渗透压。

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