DE19914200B4

DE19914200B4 - Membran mit einem leitfähigen Polymer sowie Verfahren zur Herstellung der Membran

Info

Publication number: DE19914200B4
Application number: DE19914200A
Authority: DE
Inventors: Ramadhar Singh; Subhas Chandra; Hawa Singh; Amarjeet Kaur Narula; Shobha Broor
Original assignee: Department OF BIOTECHNOLOGY MINISTER; Council of Scientific and Industrial Research CSIR; Department of Biotechnology of Ministry of Science and Technology India
Current assignee: Department OF BIOTECHNOLOGY MINISTER; Council of Scientific and Industrial Research CSIR; Department of Biotechnology of Ministry of Science and Technology India
Priority date: 1998-05-15
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: DE19914200A1; RO120690B1; US6156202A; MY116022A

Abstract

Eine poröse Membran, die mit einem leitfähigen Copolymer imprägniert ist und die eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 5,9 × 10^–1 – 1,7 × 10^–1 Ω^–1 cm^–1 hat.

Description

Die Erfindung betrifft eine mit einem leitfähigen Polymer imprägnierte, poröse Membran und ein Verfahren zur Herstellung der Membran.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Membran, die als Wasserfilter zum Einfangen von Viren geeignet ist.
Viren, die Wasser verunreinigen, werden zusammen mit Kot oder Urin von Menschen und Tieren abgegeben. Zu diesen Viren gehört der Polio-Virus, Coxsackie-Virus, Echo-Virus und andere Entero-Viren, der Adeno-Virus, Reo-Virus, Rota-Virus, Hepatitis A-Virus usw., welche eine akute infektiöse, nichtbakterielle Gastroenteritis verursachen können. Diese Viren findet man zumeist in recht großer Zahl in verunreinigtem Abwasser oder Grundwasser. Wie die Weltgesundheitsorganisation (World Health Organization (WHO)) empfiehlt, sollte Trinkwasser keine Viren enthalten und folglich sollte kein Virus in einer 100–1000 Liter ausmachenden Trinkwasserprobe nachweisbar sein, wie es ein Bericht der wissenschaftlichen Gruppe der WHO beschreibt, veröffentlicht in WHO Technical Report Series 639, WHO, Genf (1979). Für die allgemeine Gesundheit ist die Entwicklung von zuverlässigen, empfindlichen und praktisch durchführbaren Verfahren zur Detektierung von Viren in großen Wassermengen wichtig. So wurden beispielsweise Verfahren zur Aufkonzentrierung der Viruskonzentration insbesondere für den Polio-Virus entwickelt. Viren kann man in Wasserproben insbesondere durch sogenannte Viradel-Verfahren (Virus-Adsorption/Elution) aufkonzentrieren. Dabei wird der Virus sehr wahrscheinlich über sowohl elektrostatische als auch hydro phobe Wechselwirkungen zwischen dem Virus und einer Filtermatrix adsorbiert.

Die bekannten Verfahren zur Aufkonzentrierung von Entero-Viren aus Wasser erwiesen sich jedoch hinsichtlich der Aufkonzentrierung von Rota-Viren als wenig geeignet. Obgleich die Ultrafiltration ein äußerst brauchbares Verfahren zur Aufkonzentrierung von Viren ist, erweist sich diese nur dann als wirkungsvoll, wenn sie mit relativ kleinen Wassermengen eingesetzt wird, die darüberhinaus nur eine geringe Turbidität haben. Da die Ultrafiltration von der physikalischen Größe der Virusteilchen abhängt, muß die Porengröße im Nanometerbereich liegen. Ein solcher Filter neigt dann schnell dazu, zu verstopfen, so daß große Wasservolumina nicht verarbeitet werden können. Darüberhinaus ist die Ausrüstung zur Aufkonzentrierung von Viren sehr sperrig, was die Probenaufnahme auf Gebiete mit leichter Zugänglichkeit beschränkt, wie beschrieben von G.A. Toranzos und C.P. Gerba in J. Virological Methods, 24, 141 (1989).

Die Aufkonzentrierung von Viren aus Wasser wurde sowohl mittels elektronegativ als auch elektropositiv arbeitender Filter erreicht, wie G. Sansebastiano et al. in L'Igiene Moderna, 93, 785 (1990) berichten. Übliche mikroporöse Adsorptionsfilter (mit negativer Ladung auf der Oberfläche) adsorbieren Viren wirkungsvoller in Gegenwart von mehrwertigen Kationen wie beispielsweise Al³⁺ und Mg²⁺ und/oder bei einem niedrigen pH-Wert, üblicherweise 3,5. Somit wird eine wirkungsvolle Virusadsorption nur mit Wasser erreicht, das zuvor auf einen pH-Wert von 3,5 angesäuert und/oder dem Salze mehrwertiger Kationen zugegeben wurde. Ein besonders großer Nachteil liegt hier darin, daß die Wasserprobe umfangreich modifiziert werden muß. Zur Ausbildung von Ausfällungen während der Rückkonzentrierung werden sowohl stark saure als auch basische pH-Levels eingesetzt.

Sogenannte elektropositive Filter bestehen aus Glas- oder Celluloseacetat-Fasern und einem positiv geladenen, organischen Polymer wie beschrieben in "Standard Methods for the Examination of Water and Waste-Water", herausgegeben von Andrew D. Eaton et al., 19. Auflage, American Public Health Association, Washington D.C., 1995. Mikroporöse Filter mit positiver Ladung sind gegenüber negativ geladenen Filtern vorteilhaft, da bei natürlichem oder Leitungs-Wasser mit einem pH-Wert in einem Bereich von 5–9 eine Virusadsorption stattfindet. Mit anderen Worten, die Zusätze an Säuren oder Salzen, die zur Erzielung einer Virusadsorption erforderlich sind, können vermindert oder eliminiert werden, wie M.D. Sobsey und B.L. Jones in Applied & Environmental Microbiology, 37, 588 (1979) beschreiben.

Bocchi et al. (J. Mater. Sci., 26, 3354 (1991)) berichten, daß eine Glasfasermembran, auf der Polypyrrol abgeschieden wurde, wirkungsvoller Viren einfängt als Papier, auf das Polypyrrol abgeschieden wurde. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch bei einer Wiederholung des gleichen Experimentes festgestellt, daß mit dem Glasfiebersubstrat eine Leitfähigkeit von etwa 10^–2 Ω^–1 cm^–1 anstelle des angegebenen Wertes von 10 Ω^–1 cm^–1 erhalten wird. Weiterhin wurde festgestellt, daß die von Bocchi et al. (1991) in der gleichen Publikation mit 50 Ω^–1 cm^–1 für Filterpapier angegebene Leitfähigkeit bei dem mit Polypyrrol imprägnierten Filterpapier tatsächlich etwa 1 Ω^–1 cm^–1 war. Darüberhinaus war die Haftung des Polypyrrols auf der Glasfaser schlecht, so daß nur eine "flockige Abscheidung" erhalten wurde, die sich beim Kontakt mit Wasser noch dazu leicht ablöste. Darüberhinaus wurde die Membran in der Veröffentlichung, gleich ob es sich um die Glasfaser- oder Papiermembran handelte, mit verdünnter Salzsäure gewaschen, was die Trinkbarkeit des gefilterten Wassers fragwürdig erscheinen läßt.

Übliche mikroporöse Filter unterliegen im allgemeinen den folgenden drei Beschränkungen: (a) suspendiertes Material kann die Adsorptionsfilter verstopfen, so daß nur ein geringes Volumen an Flüssigkeit verarbeitet werden kann; (b) aufgelöste und auch kolloidale organische Substanzen, die in manchen Wasserproben vorhanden sind, können die Virusadsorption auf den Filtern beeinträchtigen, da sehr wahrscheinlich diese Substanzen die Adsorptionsstellen für die Viren besetzen können, darüberhinaus ist eine Interferenz mit der Viruselution möglich; (c) Viren, die auf suspergiertem Material adsorbiert sind, können nach beliebigen Reinigungsverfahren, die vor der Virusadsorption durchgeführt wurden, entfernt werden, wie beschrieben in "Standard Methods for the Examination of Water and Waste-Water", herausgegeben von Andrew D. Eaton et al., 19. Auflage, American Public Health Association, Washington D.C., 1995. Somit können eine große Zahl von im Stand der Technik bekannten Verfahren, die zur Behandlung von Quellen für trinkbares Wasser eingesetzt werden, zwar die Viruszahlen vermindern, wenngleich es auch nicht zu einer vollständigen Desinfektion kommt. Keines dieser Verfahren ist aber dazu in der Lage, unter allen Umständen den Virus zu entfernen.

Bei der gebräuchlichen Wasserbehandlung mit Sandfiltern oder Mikro-Filtern ergibt sich nur eine vernachlässigbare Verminderung der Viruszahlen. Durch Flockungsverfahren, die man im allgemeinen mit schneller Filtration kombiniert, werden 60–99% der Viren entfernt. Die durch Flockung entfernten Viren sind jedoch nicht inaktiv. Eine Kalkflockung, die sehr häufig bei erneuertem Wasser zum Einsatz kommt, ist sehr wirkungsvoll, solange die alkalischen Bedingungen (pH-Wert > 11,5) über mindestens 1 h aufrechterhalten werden. Eine Adsorption mittels aktivem Kohlenstoff kann zu einer Entfernung von Viren führen. Diese werden aber zu einem späteren Zeitpunkt, wenn organische Substanzen die Adsorptionsstellen besetzen, wieder freigesetzt. Desinfizierungsverfahren können Viren zerstören, soweit diese richtig durchgeführt werden. Die am häufigsten eingesetzten Desinfektionsmittel sind Chlor und Ozon. Chlor ist ein sehr wirkungsvolles Virucid, wohingegen kombiniertes Chlor weniger wirksam ist. Die Menge an erforderlichem Chlor hängt von der Wasserqualität, insbesondere dem pH-Wert, dem Gehalt an Ammoniak und organischen Lösemitteln ab. Unter solchen Umständen, bei denen das Trinkwasser sehr wahrscheinlich verunreinigt wird, kann man einen vollständigen Schutz nicht erreichen. Darüberhinaus bilden sich, wenn das Wasser organische Substanzen enthält, bei der Chlorierung karzinogene Verbindungen wie beispielsweise Trihalomethane. Es ist bekannt, daß Ozon ein sehr wirkungsvolles virales Desinfektionsmittel ist, insbesondere für sauberes Wasser. Unter den üblichen Betriebsbedingungen vieler Wasserbehandlungseinrichtungen ist zu erwarten, daß Viren aus verunreinigten Wasserquellen in das Trinkwassersystem eindringen können.

Alle Abwasserbehandlungsverfahren entfernen oder zerstören Viren zu einem gewissen Ausmaß. Eine primäre Sedimentierung führt zu einer Entfernung einer beträchtlichen Virenmenge (bis zu 50%), da diese sich an feste Materie anhaften. Bei sich anschließenden sekundären Verfahren werden bei dem Aktivschlammverfahren 60–99% der vorhandenen Viren entfernt. Die chemische Koagulation wird als die wirksamste Ein-Schritt-Behandlung angesehen. Kalk ist wahrscheinlich am wirksamsten, da dieser nicht nur die Viren physikalisch entfernt, sondern auch dieselben dadurch inaktiviert, daß diese einem hohen pH-Wert ausgesetzt werden. Die Filtration der koagulierten Abwässer ist ein weiterer wichtiger Prozeß. Die Adsorptionsverfahren, bei denen Lehm (oder Bleicherde), Kohle oder aktivierter Kohlenstoff eingesetzt werden, können Viren zu einem gewissen Ausmaß entfernen, wobei diese Verfahren aber nicht wirkungsvoll sind. Das Aufbringen von Abwasser auf das Land kann eine vernünftige Tertiärbehandlung darstellen und sie wird auch zu diesem Zweck erfolgreich in vielen Ländern eingesetzt. Es gibt wenig Beweise darüber, inwiefern Viren in den Ablagerungen oder dem ablaufenden Wasser überle ben. Eine große Zahl von Studien zeigen aber eindeutig, daß diese über lange Zeiträume in den Ablagerungen überleben und durch starken Regenfall ausgewaschen werden können. In diesen Fällen muß eine gewisse Desinfektion durchgeführt werden, um das Abwasser "sicher" zu machen, bevor es in die Umwelt abgegeben wird. Zu diesem Zweck wird sehr häufig Chlor eingesetzt, dessen Wirksamkeit aber wegen des Vorhandenseins von organischen Substanzen, nicht ausreichender Kontaktzeit, nicht ausreichender Dosierung, Temperatur, pH-Wert und dem Vorhandensein von Ammoniak vermindert wird. Wegen dieser Faktoren ist eine Chlorierung ineffektiv. Folglich sind die üblichen Behandlungseinrichtungen nicht zu 100% bei der Entfernung von Viren effizient.

Nimmt man an, daß eine Bevölkerung von 1 Million Personen üblicherweise behandeltes Wasser mit 1 infektiösen Einheit pro 20 Liter aufnimmt, und angenommen, daß jede Person 1 Liter Wasser täglich trinkt, dann nehmen pro Tag 50000 Personen 1 infektiösen Partikel auf. Auch wenn infolge einer gewissen Immunität nur 1% dieser Personen infiziert werden, heißt das doch, daß 500 Personen pro Tag oder 182500 Personen pro Jahr noch als Zwischenträger zu beobachten sind, die ihre weiteren Kontakte anstecken können. Wenn von 500 infizierten Personen 10 krank werden, so bedeutet das, daß 3650 Personen pro Jahr einer klinischen Behandlung bedürfen. Auf der Grundlage dieser Überlegungen hat die WHO gefolgert, daß das Vorhandensein von geringen Mengen enterischer Viren in großen Wassermengen verhindert werden soll, wie es der Bericht der WHO Scientific Group beschreibt, veröffentlicht in WHO Technical Report Series 639, WHO, Genf (1979).

Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Herstellung einer imprägnierten, porösen Copolymer-Membran, die als ein Filter zum Einfangen von Viren in Wasser geeignet ist, so daß dieses 100% virusfrei ist (gemäß der WHO-Anforderungen), bereitzustellen.

Ein anderes Ziel der Erfindung besteht darin, diese Membran mit einem leitfähigen Polymer, mit der Eigenschaft, eine große Zahl von Ladungsträgern in ihrem mehrfach konjugiertem Grundgerüst zu tragen, für die Virusfiltrierung einzusetzen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Membran mit einem leitfähigen polymeren Material bereitzustellen, die zu 100% sicher ist und als Filtermaterial zum Auffangen von Viren in Trinkwasser eingesetzt werden kann.

Die Erfindung geht davon aus, daß in einem sogenannten dotierten Zustand die meisten leitfähigen Polymere die Eigenschaft haben, daß sie eine große Zahl von Ladungen tragen, die über elektrostatische Wechselwirkungen Viren einfangen können. Wenn man ein poröses Substrat wie beispielsweise ein Filterpapier mit diesen leitfähigen Polymeren imprägniert, erhält man Membranfilter, die hinsichtlich ihrer Virusretention mit Vorratslösungen getestet werden, die den Polio 1 Virus enthalten. Solche Lösungen können aber auch andere Viren enthalten, wie sie häufig im Wasser vorkommen, nämlich den Coxsackie B Virus, Rota Virus, Heptatis A Virus und andere. Wenngleich man zur Herstellung der Polymeren zuweilen auch nur Pyrrol einsetzt, hat sich das Vorhandensein von N-Methylgruppen zur Verbesserung der Festigkeit und Stabilität der Membran bewährt. Das für die Virusfiltration und Titration eingesetzte Verfahren wird im folgenden beschrieben.

1 zeigt die FT-IR-Spektren des Copolymers [P(PY-NMPY)], mit dem das Filterpapier imprägniert wird, wobei das Spektrum (a) für die frisch hergestellte Probe erhalten wurde und (b) das Spektrum für die gleiche Probe nach 8 Monaten zeigt.

2 zeigt die FT-IR-Spektren eines mit Polypyrrol (PPY) imprägnierten Filterpapiers, wobei (a) die frisch hergestellte Probe ist und (b) die gleich Probe nach 8 Monaten.

Die in den 1 und 2 gezeigten Spektren wurden mit einem Modell 2000, Perkin Elmer FT-IR-Spektrometer, aufgezeichnet.

Es gibt im wesentlichen drei Verfahren, um die leitfähigen Polymere herzustellen:
(i) chemische Polymerisierung in Lösung, (ii) chemische Dampfabscheidung und (iii) elektrochemische Polymerisierung. Nach dem allgemeinen Schema zur Herstellung von leitfähigen Polymeren kommt es zunächst zu einer oxidativen Kupplung. Die oxidative Kopplung umfaßt die Oxidierung von Monomeren unter Bildung von Kationradikalen, gefolgt von einer Kupplung unter Bildung der di-Kationen und Wiederholung des Verfahrens, bis ein Polymer gebildet wird. Eine oxidative Kupplung kann mittels eines elektrochemischen oder chemischen Verfahrens durchgeführt werden. Durch die Wahl der geeigneten Oxidationsmittel, des Synthesemediums und der Monomeren kommt man zu dem für ein gewünschtes Polymer geeigneten Polymerisierungsverfahren.

Erfindungsgemäß wird eine mit einem leitfähigen Copolymer imprägnierte, poröse Membran erhalten, die eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 5,9 × 10^–1 – 1,7 × 10^–1 Ω^–1 cm^–1 (und eine Lagerfähigkeit von mindestens 8 Monaten) hat, bereitgestellt. Das Verfahren zur Herstellung dieser Membran umfaßt üblicherweise die folgenden Schritte:

i) separate Destillierung von Pyrrol und N-Methylpyrrol nach an sich bekannten Verfahren;
ii) Vermischung von 90–99,9 Vol-% destilliertem Pyrrol und 10 bis 0,1 Vol-% destilliertem N-Methylpyrrol, erhalten in Schritt (i), oben, und anschließendes Abkühlen der Mischung auf eine Temperatur zwischen 4°C und bis zu –10°C;
iii) Vermischen von 60 bis 40 Vol-% Alkylacetat mit 40 bis 60 Vol-% der abgekühlten Pyrrolmischung;
iv) Eintauchen eines porösen Substrats in die zuvor erhaltene Mischung, Abkühlen des imprägnierten Substrates auf eine Temperatur unterhalb von 4°C und Stehenlassen für mindestens 1 h;
v) Behandlung des zuvor erhaltenen, imprägnierten Substrats mit einem Oxidierungsmittel, vorzugsweise Eisen(III)chlorid-Lösung, in einer inerten Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 1°C bis –10°C über einen Zeitraum von 1 bis 5 h, wobei die leitfähige, das Copolymer enthaltende Membran erhalten wird;
vi) Waschen der zuvor erhaltenen Polymermembran und anschließendes Trocknen in sauerstofffreier Atmosphäre, so daß schließlich die gewünschte Membran erhalten wird.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann man die Pyrroldestillation mit an sich bekannten Verfahren durchführen, wie beispielsweise Dampfkondensation.

Nach einer anderen Ausführungsform wird das eingesetzte Alkylacetat, das als Stabilisator zum Einsatz kommt, ausgewählt aus Methylacetat, Ethylacetat und Propylacetat.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das eingesetzte poröse Substrat Filterpapier.

Nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das eingesetzte Oxidierungsmittel Eisen(III)chlorid.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Lösung des Oxidierungsmittels mit sauberem Wasser, wie beispielsweise destilliertem Wasser oder entionisiertem Wasser, hergestellt.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Membran mit dem leitfähigen Polymer mit sauberem Wasser, wie beispielsweise destilliertem Wasser und entionisiertem Wasser, gespült.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wählt man die inerte Atmosphäre aus Stickstoff, Argon und Helium aus.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine poröse Membran bereitgestellt, die mit einem leitfähigen Copolymer imprägniert ist und dazu in der Lage ist, vollständig Polio I Viren aus dem durch diese Membran hindurchgefilterten Wasser zu entfernen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein poröses Substrat, das die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist und das in einem Wasserfiltriersystem eingesetzt werden kann, wobei das Substrat oder die Membran zwischen Trägern eingefaßt ist.

Eine weitere Ausführungsform betrifft eine erfindungsgemäße Membran in einem Miniaturwasserfilter oder in einem Wasserfiltersystem für eine Siedlung.

Die erfindungsgemäße Membran zeichnet sich unter anderem auch dadurch aus, daß man sie leicht austauschen kann.

Membran-Herstellung

Die anschließende Beschreibung des Herstellungsverfahrens der erfindungsgemäßen Membran ist nur beispielhaft und kann nicht dazu dienen, den Schutzbereich der Erfindung einzuschränken.

Zunächst wurde Pyrrolmonomer destilliert und in einem Kühlschrank aufbewahrt. Zugleich wurde N-Methylpyrrol destilliert und kühl gelagert. Beide destillierten Monomere wurden in einer kühlen Umgebung über 1-6 h gelagert. Im Anschluß daran wurden die Monomere miteinander vermischt und das Mischvolumenverhältnis war in einem Bereich von 90–99% für das Pyrrol und 10–0,1% für das N-Methylpyrrol. Im Anschluß daran wurde 60 bis 40 Vol-% Alkylacetat, wie beispielsweise Methylacetat, Ethylacetat, Propylacetat, mit 40 bis 60 Vol-% der zuvor erhaltenen Monomerenmischung vermischt. Schließlich wird die Mischung gespült und Filterpapiere mit unterschiedlichem Durchmesser, je nach Einsatzgebiet, wurden in die Mischung eingetaucht. Das ganze wurde dann in der gekühlten Umgebung unterhalb von 4°C über einen Zeitraum von mindestens 1 h belassen. Schließlich wurde eine Oxidationslösung hergestellt (Eisen(III)chlorid) und zwar in einem molaren Konzentrationsbereich von 0,4–1,5 Mol/l unter Verwendung von reinem Wasser, wie beispielsweise destilliertem Wasser oder entionisiertem Wasser. Dann wurde das Oxidationsmittel in die gekühlte Umgebung eingebracht und zwar über einen Zeitraum von 0,5–3 h. Ein speziell hergestellter, doppelwandiger Glasbehälter wurde zur Polymerisierung eingesetzt. Die Behältertemperatur wurde durch gekühltes Ethylenglykol, das als Kühlbad durch die Glaswände hindurchgeleitet wurde, gekühlt. Die Temperatur des Bades wurde in einem Bereich von –12 bis –1°C gehalten. Dann wurden die Filterpapiere mit der aufgenommenen Mischung in diesen Glasbehälter eingebracht und die Oxidationslösung wurde über die Filterpapiere vergossen, um eine Polymerisierung auszulösen. Bevor das Oxidationsmittel über die mit Flüssigkeit gesättigten Filterpapiere vergossen wurde, wurde die Umgebung des Glasbehälters mittels Inertgas, wie beispielsweise Argon, Stickstoff, Helium usw., inert gemacht. Die Polymerisationszeit betrug mindestens 1 h und die Polymerisation wurde bei Temperaturen im Bereich von –10 bis 1°C unter einer inerten Atmosphäre durchgeführt. Während der Polymerisierung wird der Copolymerfilm P(PY-NMPY) in den Poren und auf beiden Oberflächen der Filterpapiere abgeschieden, so daß eine Kompositstruktur erhalten wurde. Dann wurden die so herstellten Membranfilter, die leitfähige Polymere enthielten, mit reinem Wasser, wie beispielsweise destilliertem Wasser oder entionisiertem Wasser usw., gewaschen. Danach wurden die hergestellten Membranfilter mit den leitfähigen Polymeren in einen Vakuumofen mit einer Temperatur in einem Bereich von 30–60°C über einen Zeitraum von 1–12 h eingebracht.

Eigenschaften der Membran

Die Wirkung der Temperatur auf die Leitfähigkeit des Substrates wurde ermittelt, um die Präparation zu optimieren. Die Tabelle 1 zeigt die Leitfähigkeit der mit Filterpapier als porösem Substrat bei verschiedenen Temperaturen herstellten Membranen, wobei die anderen Herstellungsbedingungen jeweils die gleichen waren. Eine ähnliche Verfahrensweise wurde bei der Herstellung der Glasfasersubstrate angewendet. Hinsichtlich der Leitfähigkeitsmessungen wurde festgestellt, daß 0°C die besten Ergebnisse erbrachte. Die Abscheidung des Copolymers P(PY-NMPY) auf der Glasfaser war etwas "flockig" und darüberhinaus war die erhaltene Leitfähigkeit um eine Größenordnung geringer.

1 zeigt das FT-IR-Spektrum des Copolymers [P(PY-NMPY)], und zwar sowohl das Spektrum der frisch hergestellte Probe als auch ein Spektrum der gleichen Probe nach 8 Monaten. Diese Membranspektren wurden im sog. Reflektionsmodus aufgezeichnet. Obgleich die Peak-Intensität der Proben von dem abgetasteten Bereich der Proben abhängt, zeigen die Peak-Positionen im Vergleich, daß auch nach 8 Monaten praktisch alle Peaks noch vorhanden sind und daß darüberhinaus keine deutliche Veränderung der Peak-Breite oder der Peak-Position beobachtet werden können, was auf eine besondere Stabilität der Probe hinweist. Die Anwesenheit der Dikation-Banden bei 935 cm^–1 in beiden Proben zeigt darüberhinaus, daß die Proben nicht vollständig reduziert wurden. Dieser Umstand wird noch dadurch bestätigt, daß signifikante Merkmale der oxidierten Proben, wie beispielsweise ein relativ starkes, breites Absorptionsband zwischen 1600 und 4500 cm^–1, entsprechend der C-H-Streckschwingungen bei 2900 cm^–1, und deren Abwesenheit bei 3300 cm^–1 beobachtet wurden.

2 zeigt die FT-IR-Spektren von Proben, bei denen lediglich Pyrrol zur Polymerisierung eingesetzt wurde. Der Vergleich der Spektren mit den mit Polypyrrol imprägnierten Filterpapieren und insbesondere mit Proben nach 8 Monaten zeigt, daß es eine drastische Veränderung hinsichtlich der Intensität, der Position und der Breite der Peaks gibt, was auf eine geringe Lagerfähigkeit der mit lediglich Pyrrol herstellten Membrane hinweist. Obgleich es möglich war, Proben zu erhalten, die nur mit Pyrrolmonomer hergestellt wurden, zeigt sich doch beim Vorhandensein von N-Methyl-Gruppen eine verbesserte Festigkeit und Stabilität der Membran.

Virus-Filtration und -Titration

Eine bekannte Menge einer Viruslösung (beispielsweise Polio I Virus – 5 × 10³ bis 2 × 10⁵ pfu/ml) wurde auf 100 ml mit einer Phosphatpuffersalzlösung (PBS), pH-Wert 7,2, verdünnt und durch einen polymeren Membranfilter, der in einem Filtrationssystem eingebracht war, hindurchgeleitet. Das Filtrat und das Eluat wurde erhalten durch Inkubieren der Membran über Nacht bei 4°C in 10%igem fötalem Kalbserum (FCS), das sog. Minimum-Essentialmedium (MEM) (pH-Wert 9,6) enthielt. Aliquote der Ursprungslösung, des Eluats und des Filtrats wurden bei –70°C gelagert, bis eine Quantifizierung des Virus mit einer sog. Plaque Assay Technik durchgeführt wurde. Die Plaque Assay Technik ist das präziseste Verfahren zur Auszählung von Virusmehrheiten, wie beschrieben von W.F. Hill, Jr.; E.W. Akin und W.H. Benton in Water Research, 5, 967 (1971). Die Virusmenge, die in den drei Fraktionen, nämlich der Ursprungslösung, dem Eluat und dem Filtrat, vorhanden war, wurde durch Verteilung der Virusproben auf Platten (mit jeweils 24 Vertiefungen) bestimmt, die jeweils eine Monoschicht mit "Buffalo Green Monkey Kidney"-Zellen (BGMK) enthielten. Unter optimalen Bedingungen zeigt sich ein Plaque von einem einzelnen infektiösen Virusteilchen. Zunächst werden logarithmische Verdünnungsreihen mit Verdünnungsmittel hergestellt (MEM ohne FCS). Dann werden die Platten mit den 24 Vertiefungen, die eine Monoschicht der BGMK-Zellinie enthalten, zweimal mit Phosphatpuffersalzlösung (PBS; pH-Wert 7,4) gewaschen, die Verdünnungen (200 μl) der drei Fraktionen werden zu den Zellmonoschichten hinzugegeben und über 1 h bei 37°C zur Adsorption der Virusteilchen an die Wirtszellen inkubiert. Nach der Inkubation wird überschüssige Virussuspension abgesaugt und die Monoschicht wird mit einem Plaque-Medium überschichtet, das Agarose (0,8%) enthält. Die Virusteilchen, die die Zellen infizieren und in den Zellen repliziert werden, können in der festen Überzugsschicht lokalisiert werden und der Virus breitet sich aus von anfänglich infizierten Zellen zu benachbar ten Zellen, was zu geschlossenen Foci mit zellulärer Degeneration führt. Am dritten Tag wird das verfestigte Medium abgenommen, die Monoschicht wird mit Salzpuffer gewaschen und mit 0,5% Kristall violett eingefärbt. Virusinfizierte Zellen zeigen sich als ungefärbte Bereiche gegen einen Hintergrund von eingefärbten, lebensfähigen Zellen.

Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1
Pyrrol und N-Methylpyrrol wurden separat destilliert. Beide Destillate wurden auf 0°C über 30 min gekühlt. Dann wurde 1 ml des abgekühlten N-Methylpyrrols 99 ml des gekühlten Pyrrols zugegeben und beide wurden miteinander vermischt. 60 ml dieser Pyrrolmischung wurde dann mit 40 ml Ethylacetat vermischt und es wurden zwei Filterpapiere der erhaltenen Mischung in einer Petri-Schale zugegeben und es wurde auf –4°C über 2 h abgekühlt. Es wurde eine 1,1 molare Lösung von Eisen(III)chlorid hergestellt und auf –4°C über 30 min abgekühlt. Zwischenzeitlich wurde die Temperatur der Kühlbades auf –5°C gehalten und die Flüssigkeit des Kühlbades wurde zwischen den Wänden des Behälters hindurchgeleitet, um die Temperatur in dem Behälter bei –3°C zu halten. Die imprägnierten Substrate, d.h. die mit Pyrrol getränkten Filterpapiere wurden herausgenommen und in den doppelwandigen Glasbehälter gehalten. Dann wurde der Behälter mit einem luftdichten Verschluß verschlossen und es wurde trockener Stickstoff durch eine Öffnung in dem Verschluß eingeleitet, um eine inerte Atmosphäre aufrechtzuerhalten. Die abgekühlte Eisen(III)chlorid-Lösung wurde in den Behälter durch eine Öffnung in dem Verschluß des Behälters eingegossen und es schloß sich eine Polymerisierung über 5 h an. Nachdem die hergestellte Membran herausgenommen wurde und mit destilliertem Wasser gewaschen war, wurde diese in einem Vakuumofen bei 39°C über 5 h gehalten. Die Membran mit dem leitfähigen Polymer, wie hier hergestellt, wurde hinsichtlich der Virusretention untersucht, wobei eine Ursprungslösung mit 1 × 10⁴ PFU des Polio I Virus nach dem zuvor beschriebenen Verfahren eingsetzt wurde. Die Testergebnisse waren wie folgt: Virus im Filtrat – 0 PFU.
Beispiel 2
Pyrrol und N-Methylpyrrol wurden separat destilliert. Beide Destillate wurden auf 0°C über 15 min abgekühlt. Dann wurde 2 ml des abgekühlten N-Methylpyrrols zu 98 ml der gekühlten Pyrrols hinzugegeben und diese wurden miteinander vermischt. 33 ml der Pyrrolmischung wurde mit 27 ml Ethylacetat vermischt und zwei Filterpapiere wurden der erhaltenen Mischung in einer Petri-Schale zugegeben. Es wurde über 14 h bei 0°C gekühlt. Es wurde eine 0,95 molare Lösung von Eisen(III)chlorid hergestellt und über 30 min auf –10°C abgekühlt. Zwischenzeitlich wurde die Temperatur des Kühlbades auf –12°C eingestellt und die Flüssigkeit des Kühlbades wurde zwischen den Wänden des Behälters hindurchgeleitet, um die Temperatur in dem Behälter bei –10°C zu halten. Die imprägnierten Substrate bzw. die mit Pyrrol getränkten Filterpapiere wurden herausgenommen und in den doppelwandigen Glasbehälter verbracht. Dann wurde der Behälter mit einem luftdichten Verschluß verschlossen und es wurde durch eine Öffnung in dem Behälter trockener Stickstoff eingeleitet, um eine inerte Atmosphäre zu erhalten. Die abgekühlte Eisen(III)chlorid-Lösung wurde in dem Behälter durch eine Öffnung in dem Verschluß des Behälters eingeführt und es schloß sich eine Polymerisierung über 3 h an. Nachdem man die hergestellte Membran herausgenommen und mit destilliertem Wasser gewaschen hatte, wurde diese in einem Vakuumofen bei 30°C über 12 h gehalten. Die wie hier beschrieben hergestellt Membran mit einem leitfähigen Polymer wurde hinsichtlich der Virusretention untersucht, wobei eine Ursprungslösung mit 2 × 10⁵ PFU des Polio I Virus eingesetzt wurde. Die Ergebnisse zeigen, daß in dem Filtrat 0 PFU Virus war.
Beispiel 3
Pyrrol und N-Methylpyrrol wurden separat destilliert. Beide Destillate wurden auf –4°C über 25 min abgekühlt. Dann wurde 3 ml des abgekühlten N-Methylpyrrols 27 ml des abgekühlten Pyrrols zugegeben. Schließlich wurde 13,5 ml dieser Pyrrolmischung mit 16,5 ml Methylacetat vermischt und es wurde ein Filterpapier der erhaltenen Mischung in einer Petri-Schale zugegeben. Die Temperatur wurde über 6 h bei 0°C gehalten. Es wurde eine 0,8 molare Eisen(III)chlorid-Lösung hergestellt und diese wurde über 30 min auf 0°C abgekühlt. Zwischenzeitlich wurde das Kühlbad auf –1°C eingestellt und die Flüssigkeit des Kühlbades wurde zwischen den Wänden des Behälters hindurchgepumpt, um die Temperatur des Behälters auf 1°C zu halten. Das imprägnierte Substrat, d.h. das mit Pyrrol getränkte Filterpapier, wurde herausgenommen und in den doppelwandigen Behälter eingebracht. Der Behälter war mit einem luftdichten Verschluß versehen und es wurde trockener Stickstoff in den Behälter durch eine Öffnung eingeleitet, um eine inerte Atmosphäre zu erhalten. Die abgekühlte Eisen(III)chlorid-Lösung wurde in den Behälter durch die Öffnung in dem Verschluß des Behälters eingeführt und es schloß sich eine Polymerisierung über 4 h an. Nachdem man die so hergestellte Membran herausgenommen und mit destilliertem Wasser gewaschen hatte, wurde diese in einem Vakuumofen bei 43°C über 5 h getrocknet. Die wie hier beschrieben hergestellte Membran mit einem leitfähigen Polymer wurde hinsichtlich der Virusretention untersucht, und zwar mit einer Ursprungslösung von 5 × 10³ PFU des Polio I Virus. Die Testergebnisse zeigen: Virus in dem Filtrat – 0 PFU.
Beispiel 4
Pyrrol und N-Methylpyrrol wurden separat destilliert. Beide Destillate wurden auf 0°C über 45 min abgekühlt. Dann wurden 2 ml des gekühlten N-Methylpyrrol 48 ml gekühlten Pyrrol hinzugegeben und beide wurden miteinander vermischt. 25 ml dieser Pyrrolmischung wurde mit 25 ml Ethylacetat vermischt und es wurden zwei Filterpapiere der erhaltenen Mischung in einer Petri-Schale zugegeben und es wurde auf –4°C über 6 h abgekühlt. Es wurde eine 1,0 molare Eisen(III)chlorid-Lösung herstellt und diese wurde über 30 min auf 0°C abgekühlt. In der Zwischenzeit wurde das Kühlbad bei –3°C gehalten, um die Tem peratur in dem Behälter auf etwa –1°C einzustellen. Die imprägnierte Substrate, d.h. die mit Pyrrol getränkten Filterpapiere wurden herausgenommen und in den doppelwandigen Glasbehälter eingebracht. Der Behälter war mit einem luftdichten Verschluß versehen und es wurde trockener Stickstoff über eine Öffnung in dem Verschluß in den Behälter eingeleitet, um eine inerte Atmosphäre zu ermöglichen. Die abgekühlte Eisen(III)chlorid-Lösung wurde in den Behälter durch eine Öffnung in dem Verschluß des Behälters eingeleitet und es schloß sich eine Polymerisierung über einen Zeitraum von 1,5 h an. Nachdem die hergestellte Membran herausgenommen und mit destilliertem Wasser gewaschen war, wurde diese in einem Vakuumofen bei 40°C über 4 h belassen. Die so hergestellte Membran mit einem leitfähigen Polymer wurde hinsichtlich der Virusretention untersucht, und zwar mit einer Ursprungslösung mit 1 × 10⁴ PFU des Polio I Virus. Die Testergebnisse waren die folgenden: Virusinfiltrat – 0 PFU.
Beispiel 5
Pyrrol und N-Methylpyrrol wurden separat destilliert. Beide Destillate wurden auf 0°C über 15 min abgekühlt. Dann wurde 2 ml des abgekühlten N-Methylpyrrols zu 48 ml gekühltem Pyrrol zugegeben und beide wurden miteinander vermischt. 24 ml dieser Pyrrolmischung wurde mit 26 ml Ethylacetat vermischt und es wurden zwei Filterpapiere der erhaltenen Mischung in einer Petri-Schale zugegeben und man kühlte über 1 h auf 0°C ab. Es wurde eine 1,0 molare Eisen(III)chlorid-Lösung hergestellt und diese wurde über 30 min auf –2°C abgekühlt. In der Zwischenzeit wurde die Temperatur des Kühlbades auf –2°C eingestellt, um die Temperatur in dem Behälter auf etwa 0°C zu halten. Die imprägnierten Substrate, d.h. die mit Pyrrol getränkten Filterpapiere wurden herausgenommen und in den doppelwandigen Glasbehälter eingebracht. Der Behälter war mit einem luftdichten Verschluß versehen und es wurde trockener Stickstoff über eine Öffnung in dem Verschluß hindurchgeleitet, um eine inerte Atmosphäre zu erreichen. Die abgekühlte Eisen(III)chlorid-Lösung wurde in den Behälter über die Öffnung in dem Verschluß des Behälters zugegeben und es schloß sich eine Polymerisierung über 2 h an. Nachdem die so herstellte Membran herausgenommen und mit destilliertem Wasser gewaschen war, wurde diese in einem Vakuumofen bei 40°C über 4 h belassen. Die so hergestellte Membran mit einem leitfähigen Polymer wurde hinsichtlich der Virusretention untersucht, und zwar mit einer Ursprungslösung von 2 × 10⁴ PFU des Polio I Virus. Die Ergebnisse zeigten: Virus in dem Filtrat – 0 PFU.
Die bei der Virusfiltration mit den zuvor erwähnten Membranen mit leitfähigen Polymeren erzielten Ergebnisse zeigt die Tabelle 3.
Beispiel 6
Pyrrol und N-Methylpyrrol wurden separat destilliert. Beide Destillate wurden bei 0°C über 15 min abgekühlt. Dann wurde 1 ml des abgekühlten N-Methylpyrrols zu 66 ml gekühltem Pyrrol hinzugegeben und diese wurden miteinander vermischt. 33 ml dieser Pyrrolmischung wurde mit 33 ml Ethylacetat vermischt und es wurden zwei Filterpapiere der erhaltenen Mischung in einer Petri-Schale eingebracht und man kühlte auf 0°C über 2 h ab. Es wurde eine 1,05 molare Eisen(III)chlorid-Lösung hergestellt und diese wurde auf –4°C über 30 min abgekühlt. Die Temperatur des Kühlbades wurde auf –2°C eingestellt, um die Temperatur in dem Behälter auf 0°C zu halten. Die imprägnierten Substrate, d.h. die mit Pyrrol getränkten Filterpapiere, wurden herausgenommen und in den doppelwandigen Glasbehälter eingebracht. Der Behälter war mit einem luftdichten Verschluß versehen und es wurde trockener Stickstoff über eine Öffnung in dem Verschluß des Behälters zugeführt, um eine inerte Atmosphäre zu ermöglichen. Es wurde die abgekühlte Eisen(III)chlorid-Lösung in den Behälter durch die Öffnung in dem Verschluß des Behälters eingebracht und es schloß sich eine Polymerisierung über 1,5 h an. Nachdem die Membran herausgenommen und mit destilliertem Wasser gewaschen war, wurde diese in einem Vakuum bei 30°C über 12 h gehalten.
Untersuchung der Membran
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Membran mit einem leitfähigen Polymer wurde hinsichtlich der Trinkbarkeit des durch die Membran hindurch filtrierten Wassers untersucht. Es wurden zwei Wasserproben hinsichtlich der Trinkbarkeit des Wassers durch eine Einrichtung untersucht, die der ISO 9001 Norm entspricht, nämlich dem Sriram Institute for Industrial Research, Delhi, Delhi University, Delhi 110 007, Indien. Bei einer Probe handelte es sich um übliches Leitungswasser aus Rajinder Nagar, New Delhi. Die andere Probe war das gleiche Wasser, nachdem es durch die Membran hindurch filtriert wurde. Es wurde festgestellt, daß das filtrierte Wasser eine für Trinkzwecke ausreichende Qualität hatte. Die Ergebnisse zeigt Tabelle 2.
Die das Copolymere enthaltende Membran wurde auch hinsichtlich der Anwesenheit des Polio I Virus in dem Filtrat untersucht. Die Tabelle 3 zeigt die Konzentration in der Ursprungslösung des Virus und die vollständige Abwesenheit des Virus in dem Filtrat, was zeigt, daß mit der erfindungsgemäßen Membran 100% der Viren eingefangen werden können. Tabelle 1 Untersuchung der mit dem Copolymer imprägnierten porösen Membran
Tabelle 2
Tabelle 3
(Die Tests wurden vom Department of Microbiology, All India Institute of Medical Sciences New Delhi, India, durchgeführt.)
Die erhaltenen Vorteile sind:
Es ist nicht erforderlich, den pH-Wert in den zu filtrierenden Membranfiltern zu modifizieren. Tatsächlich ist keine chemische Behandlung der Wasserproben für die Filtration erforderlich. Die Testergebnisse zeigen, daß etwa 100% Virus leicht in der Membran aufgefangen werden kann. Die Membran kann sehr leicht hergestellt werden, und zwar mit einer Vielzahl von Polymerisierungstemperaturen unter Einsatz eines Kühlbades. Die in einer Kunststoffhülle versiegelte Membran hat eine Lagerfähigkeit über mindestens 8 Monate. Die Membran ist sehr leicht handhabbar. Hier wird weiterhin Bezug genommen auf die Beobachtungen von Garner et al. in J. Mater. Sci., 10, 19 (1999), die zeigen, daß Polypyrrol biokompatibel ist, was die Brauchbarkeit der erfindungsgemäßen Membranen demonstriert.

Claims

Eine poröse Membran, die mit einem leitfähigen Copolymer imprägniert ist und die eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 5,9 × 10^–1 – 1,7 × 10^–1 Ω^–1 cm^–1 hat.
Membran gemäß Anspruch 1, wobei das Copolymer ein Copolymer aus Pyrrol und N-Methylpyrrol ist.
Verfahren zur Herstellung einer Membran nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Temperaturen von 4 bis –10°C eine Mischung bereitgestellt wird, die a) Pyrrol, N-Methylpyrrol und Alkylacetat enthält, b) bei einer Temperatur unterhalb von 4°C poröse Substrate mit der bereitgestellten Mischung imprägniert werden, und c) die imprägnierten Substrate schließlich mit einer Lösung eines Oxidationsmittels unter einer inerten Atmosphäre und bei einer Temperatur zwischen 1°C und –10°C behandelt wird, wobei es zu einer Polymerisierungsreaktion kommt.
Verfahren nach Anspruch 3, worin das Alkylacetat Methylacetat, Ethylacetat oder Propylacetat ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, worin das poröse Substrat Filterpapier ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, worin das Oxidierungsmittel Eisen(III)chlorid ist.