RU2803126C2 - Мембрана из полых волокон для фильтрации жидкости - Google Patents

Abstract

Группа изобретений принадлежит к области техники изобретения фильтрации жидкости, а именно к мембранам, модули которых обладают встроенными антибактериальными свойствами с конфигурацией движения фильтруемого материала от периферии к центру. Мембрана может быть использована в портативных устройствах для фильтрации воды в установках многоцелевого назначения, работающих под давлением во всасывающем трубопроводе, с водоводом под давлением или под гравитационным напором жидкости. Представлена половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами для фильтрации жидкостей, содержащая множество пористых полых мембранных волокон, причем полые мембранные волокна включают полимер или смесь полимеров, включающую антимикробное вещество, физически заключенное и химически связанное в месте образования перекрестных связей между цепочками полимеров, придавая волокнам антимикробную природу, и при этом половолоконная мембрана выполнена так, чтобы жидкость затекала снаружи волокон мембраны и проходила через пористую мембрану внутрь и вдоль полости волокон, чтобы ретентат оставался снаружи мембраны и чтобы отфильтрованная жидкость (фильтрат) вытекала из полого конца волокон. В другом воплощении обеспечивается способ изготовления половолоконной мембраны, обладающей неотъемлемыми антимикробными свойствами, включающий следующие стадии: a) смешивание полимера с внедренным антимикробным веществом или смеси полимеров с внедренным антимикробным веществом с полимером или смесью полимеров без антимикробного вещества, с порообразователем, содержащим полиэтиленгликоль и другие добавки, с растворителем для всех компонентов; б) пропускание смеси, полученной на стадии а), через фильеру вместе с осадителем для полимеров. Также представлено устройство для фильтрации жидкости, содержащее половолоконную мембрану, причем устройство включает корпус для мембраны, где корпус содержит по меньшей мере один канал подачи и по меньшей мере один канал слива. Группа изобретений обеспечивает улучшение качества отфильтрованной воды и потока воды, уменьшение необходимого давления при всасывании, давления при проходе или гравитационном напоре. 3 н. и 31 з.п. ф-лы, 9 ил., 3 табл., 3 пр.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ:

Данное изобретение принадлежит к области техники изобретения фильтрации жидкости, например, это такие мембраны, модули которых обладают встроенными антибактериальными свойствами с конфигурацией движения фильтруемого материала от периферии к центру. Мембрана может быть использована в портативных устройствах для фильтрации воды в установках многоцелевого назначения, работающих под давлением во всасывающем трубопроводе, с водоводом под давлением или под гравитационным напором жидкости. В частности, пример исполнения данного изобретения также относятся к гидрофобным внешним сторонам или наружным стенам полого волокна и гидрофильным внутренним стенкам мембраны из полого волокна с отличной водопроницаемостью на долгий срок и без дополнительной промывки.

ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Чистая питьевая вода всегда была востребована во всем мире. 663 миллиона людей зависят от неусовершенствованных источников воды, а 160 миллионов зависят от наземной воды. Во всем мире как минимум 2.1 миллиарда людей используют источники питьевой воды, загрязненные испражнениями. Загрязненная вода может быть переносчиком болезней и стать причиной заболевания диареей, холерой, дизентерией, брюшным тифом и полиомиелитом. Около 842000 людей умирают каждый год от диареи из-за зараженной питьевой воды, санитарной гигиены и гигиены рук. Диарея - болезнь, которую можно предотвратить, как и смерть от нее 361000 детей возрастом до 5 лет, которые умирают каждый год из-за вышеупомянутых проблем. Почти 240 миллионов людей страдают бильгарциозом в острой и хронической форме, вызванным паразитическими червями, заражение которыми происходит от водных источников, согласно исследованиям Всемирной организации здравоохранения.

В Пакистане 44% населения не имеют доступ к чистой питьевой воде в течение всей своей жизни. В 2015 году 311 детей умерло только в Таре из-за недостатка чистой питьевой воды. В Хайбер-Пахтунхве и Федерально управляемых зонах племен (ФУЗП) 40% смертей происходят вследствие заболеваний, переносимых водой. Каждую минуту из-за загрязненной воды в Пакистане умирает ребенок. В Пакистане зарегистрирован 1 миллион случаев заболеваний диареей в год. Пакистан в настоящее время тратит 1,3 миллиард долларов на устранение заболеваний, переносимых водой. Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, 25-30%) Пакистанцев поступают на лечение в больницы вследствие заражения бактериями, переносимыми водой, а 60% всех смертей в младенческом возрасте происходят из-за загрязненных водных источников.

Чистая вода - большая проблема в хозяйстве и на индивидуальном уровне. Для людей без постоянного места жительства вода очень дорогой ресурс. Существует потребность в устройстве, которое может фильтровать любую воду на месте в случае потребности. В среднем более 70% свежей доступной воды загрязнено и не подходит для питья. Современные технологии, которые используются для фильтрации воды слишком дорогие, не портативные, требуют большой мощности или недолговечны.

Во время стихийных бедствий, экстренных ситуаций, несчастных случаев, спасательные службы или военные используют дезинфицирующие медикаменты, коагулирующие таблетки или, при возможности, устанавливают водофильтровальную установку. Первые два варианта не достаточно эффективны и ненадежны, поскольку они наносят вред организму человека, а последний вариант требует слишком больших затрат. Поставка чистой воды также достаточно затруднительна.

Традиционные мембраны для фильтрации воды потребляют много электричества для того, чтобы качать воду через мембрану. Эти мембраны имеют поры неопределенного или большого размера, что обычно приводит к утечке биологических загрязнителей на другую сторону мембраны в очищенную воду. Поэтому, многие существующие системы фильтрации воды с использованием мембран оснащены либо ультрафиолетовым светом, системой озонирования или хлорирования (для дезинфекции). Первые два варианта нуждаются в электропитании, а последний оказывает канцерогенное воздействие на организм человека.

Фильтры, на песочных/гранитных/углевых/адсорбирующих основах имеют низкую скорость фильтрации и низкий уровень продуктивности в плане устранения биологических загрязнителей (особенно вирусов). Для производства отфильтрованной воды в массовом порядке, необходима более объемная установка, а также постоянная смена абсорбента для поддержания высокой скорости фильтрации. Также необходима установка для последующей обработки для устранения оставшихся биологических загрязнителей.

Керамические мембраны, которые используются для портативных устройств фильтрации воды, недостаточно износостойкие. Они быстро повреждаются при ударе и весят намного больше. Также, для их производства необходимы высокие температуры. Достаточно сложно добиться подходящего размера пор в таких мембранах для эффективного устранения биологических загрязнителей. Агломерационный процесс, используемый для производства керамических мембран, недостаточно хорошо налажен для уменьшения пор до размера 20 нм и ниже.

Мембраны из полых волокон широко используются в бытовом и индустриальном секторе для микрофильтрации и ультрафильтрации. Когда вода проходит из одной стороны через мембрану на другую сторону, происходит процесс фильтрации, который пропускает только молекулы воды и частицы, которые имеют меньший размер, чем размер пор на мембране. Таким образом, поверхность мембраны и толщина волокна создают границу, которая отделяет нефильтрованную воду от фильтрованной. Полиэтилен, ацетатная целлюлоза, полисульфон, поливинилиден фторид, поликарбонат, полиакрилонитрил и т.д. используются в качестве материала для создания волокна мембраны. Этот метод требует высокой пористости полых волокон и маленького размера пор для улучшения процесса фильтрации и его точности. Также, мембрана должна иметь поры соответствующего размера, подходящего для объекта фильтрации для эффективного устранения бактерий, задержки твердых веществ и плотных компонентов. В то же время, волокна мембран должны обладать высокой прочностью и пропускной способностью для воды, чтобы обеспечить долговременное использование в условиях химически загрязненной среды и высокого рабочего давления. Поскольку существующие мембраны из полых волокон и вышеперечисленных материалов были разработаны для улучшения процесса фильтрации, были обнаружены некоторые несоответствия требованиям. Например, стандартные мембраны из полых волокон предоставляют низкий уровень производительности процесса фильтрации, требуют обратной промывки и могут быть загрязнены бактериями и другими микроорганизмами.

Было предпринято несколько неудачных попыток для решения вышеописанных проблем, например, было предложено увеличить пористость мембран. Но мембраны из полых волокон с высоким коэффициентом фильтрации, микробиоцидными свойствами и долговременной устойчивостью еще не были разработаны.

В настоящее время используются три технологии фильтрации: 1) Ультрафильтрация (УФ) 2) Нано фильтрация 3) Фильтрация методом обратного осмоса. Самыми распространенными для пресной воды являются мембраны с ультрафильтрацией. Современные портативные мембраны из полых волокон основываются на УФ технологии и поэтому не могут эффективно удалять разжиженные металлы, такие как мышьяк, хромий, железо и т.д. Для эффективного устранения таких металлов необходимо уменьшить размер пор до 2 нм и меньше.

С другой стороны, часто практикуется метод увеличения диаметра пор на мембране для большей водопроницаемости и производительности, но это в свою очередь приводит к ухудшению способности фракционирования у мембраны и ее прочности.

Мембраны из полых волокон обычно используются для микрофильтрации и ультрафильтрации воды. Такие модули используются в различных областях: от больших заводов промышленных масштабов до портативных водных фильтров. Одна из известных нам конфигурация модуля мембраны из полых волокон показывается в US 4,435,289, где пористые полые волокна запечатаны в отвержденной смоле на обоих концах волокон, что также служит в качестве поддержки для мембраны. Вода поступает в волокна из отверстий на концах мембраны и переходит вовнутрь, а затем происходит процесс фильтрации, когда вода протекает через микропоры стенок полых волокон. Это фильтрующий элемент с обратным направлением потока, где чистая вода двигается через просветы волокон, а фильтрат образовывается на внутренней части волокон. Такие волокна чистятся с помощью промывки водой через внутреннюю часть волокон, а также возможной повторной или обратной промывки, как описано в WO 2008/101172 Вестергаардом Франдсеном.

Этот принцип также объясняется концепцией питьевых трубочек, как описано в ЕР 2235502 В1. Это устройство содержит ротовой мундштук, используемый для всасывания воды через трубочку, содержащий определенное количество полых волокон в виде скобы с микропористыми стенами мембраны, которые поддерживаются обоими концами, запечатанными в верхней части под мундштуком. Когда человек всасывает воду ртом, поток воды идет снаружи вовнутрь. Фильтрат остается снаружи стенок мембраны, а чистая вода проходит через внешние волокна сквозь микропористые стены. Затем, чистая вода выходит через запечатанные концы возле мундштука для питья.

Это устройство описывается в ЕР 2235502 В1 и сталкивается с распространенной проблемой, характерной для таких фильтров полые волокна сделаны из гидрофильного материала, который доставляет воду через мембрану, сформировав нескользкий слой воды на ней. Благодаря этому феномену, воздух не может (или практически не может) пройти через стены мембраны, когда они мокрые (например, когда они используются для фильтрации воды). Это приводит к риску задержания воздуха в больших количествах возле волокон, что уменьшает поток воды, так как воздух не дает ей пройти через мембрану. В связи с этим, необходима более мощная откачка воды для получения оптимального потока из модуля.

Это достаточно распространенная проблема в устройствах фильтрации данного типа и ранее уже предлагалось решение данной проблемы, как указано в ранее упомянутой секции US 4,636,307, несколько гидрофобных волокон добавляются в модуль для отталкивания воды и образования нескользкого слоя вокруг волокон для предотвращения проникновения воздуха. Однако, в плане производства, это сложное и дорогое решение.

Вместо дугообразных полых волокон в модуле мембраны можно использовать другую конфигурацию модуль, который проходит во входную водную камеру, с волокнами, у которых есть открытый конец, который поддерживается и запечатан в верхней части устройства, а также закрытый конец, который проходит во входную водную камеру, как описано в ЕР 0938367 и в ЕР 2235502 В1. Принцип аналогичен и создает такую же проблему.

Другая конфигурация описана в US 2004/078625, где две дугообразных модуля мембраны расположены в одной трубе, а загнутые части повернуты друг к другу. Вода течет изнутри наружу из первого модуля, открытые концы которого поддерживаются и запечатываются возле мундштука. Система подвержена накоплению воздуха в отделе между двумя модулями, что может привести к ухудшению водного потока или необходимости увеличить давление при откачке воды.

В отличие от конфигурации, описанной выше, в методе, описанном в US 8,852,439 В2, используется один дугообразный модуль с полыми волокнами во избежание задержки воздуха в гидрофильных волокнах. Открытые концы поддерживаются и запечатываются возле мундштука, а согнутые части смотрят на мундштук. Эта конфигурация обратная той, что описана в ЕР 2235502 В1. Эта конфигурация, по описанию, уменьшает риск накопления воздуха, так как объем внутри волокон гораздо меньше, чем объем внутри самого отделения. Вода течет изнутри наружу. Чистка накопленного фильтрата производится с помощью выдувания воздуха ртом, что приводит к образованию обратного потока.

Поток воды изнутри наружу через мембрану из полых волокон (как описано в US 8,852,439 В2) приводит к тому, что крупные частицы застревают внутри полых волокон мембраны. Из-за этого возникает необходимость в дополнительном давлении при всасывании или давлении при проходе, или гравитационном напоре. Также, при проходе через мембрану крупные частицы приводят к образованию трещин в стене волокон.

Эти фильтры с мембранами из полых волокон сталкиваются с общей проблемой. Бактерии попадают в модуль фильтра и полые волокна, например, когда воздух вдувается изо рта для обратного промывания, когда обратное промывание происходит из-за внешнего компонента, вследствие загрязнения чистой стороны бактериями, из-за недостаточной санитарии или из-за загрязнения окружающей среды. Бактерии остаются на стенках волокон и начинают образовывать целые колонии. Колонии бактерий растут на стороне мембраны с отфильтрованной водой, когда через мундштук фильтра вдувается воздух, когда происходит обратное промывание внешним компонентом, вследствие контакта бактерий с очищенной стороной или из-за плохой дезинфекции и загрязненной среды. Это приводит к загрязнению отфильтрованной жидкости и неудачной фильтрации.

Для решения этой проблемы применяется метод, описанный в US 8,852,439 В2. Бактериостатический/биоцидный слой наносится на внешние стенки фильтра, чтобы бактерии не распространялись, и не происходило загрязнения отфильтрованной воды. Однако, проблема в том, что биоцидный слой наносится только на блок фильтра (например, на внешнюю стенку блока фильтра), а не на мембрану. Из-за этого мембрана может загрязниться (на чистой стороне). Также, этот биоцидный слой вымывается из-за эрозии и вытекает вместе с отфильтрованной жидкостью. Это уменьшает долговечность антимикробной функции. Биоцидные материалы (если они вымываются с отфильтрованной водой) могут нанести вред организму человека при употреблении.

Существует еще один метод уменьшения риска роста и распространения бактерий внутри фильтра (например, вследствие обратного промывания или контакта чистой стороны с бактериями, загрязненной средой или плохой дезинфекции). Речь идет об использовании нано частиц серебра. Серебро -антибактериальный материал, который убивает 99% микробов. Нано частицы серебра со временем вымываются из мембраны и оставляют большие полости в ее стенках, что приводит к проникновению микробов в мембрану. Из-за миграции нано частиц серебра, со временем, антимикробные свойства пропадают (см. US 7,390,343 и 9,200,086).

Во всех фильтрационных устройствах, описанных выше, пористость полых волокон доходит до 80%, поэтому для осуществления процесса фильтрации возникает необходимость в дополнительном давлении при всасывании или давлении при проходе, или гравитационном напоре и возникает риск накопления воздуха внутри фильтра.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ:

Таким образом, целью данного изобретения является улучшение качества фильтрации с помощью внедрения в мембрану новых встроенных антимикробных функций. По желанию, можно также добиться дополнительных улучшений при использовании данного изобретения, например, таких как улучшение потока воды с помощью устранения проблемы накопления воздуха и закупоривание отверстий с помощью воздушных пузырей; уменьшение необходимого давления при всасывании, давления при проходе, или гравитационном напоре для полых волокон в системе водной фильтрации. Данное изобретение в особенности направлено на улучшение качества отфильтрованной воды и потока воды, уменьшение необходимого давления при всасывании, давления при проходе или гравитационном напоре.

На удивление, изобретатели обнаружили, что существует возможность создания новой мембраны с встроенными антибактериальными свойствами. Такая мембрана может использоваться в многофункциональных портативных установках с несколькими отверстиями, где жидкость, например, вода, течет снаружи вовнутрь через мембранный фильтр. Это значит, что изобретенная мембрана обладает встроенными антибактериальными функциями и способна предоставить безопасную для употребления жидкость, например, воду, чистую от микробов.

Другой целью данного изобретения является предоставление метода производства полых волокон мембран с большой прочностью и отлично работающей функцией фракционирования и водопроницаемостью.

В связи с этим, первым аспектом данного изобретения является представление мембраны из полых волокон, обладающей антибактериальными свойствами для фильтрации жидкостей, в которой жидкость затекает извне и проходит через пористую часть мембраны в просвет между полыми волокнами, оставляя фильтрат вне мембраны, а затем отфильтрованная жидкость вытекает из другого конца мембраны, проходя через полые волокна.

Мембрана из полых волокон, представленная в данном изобретении, характеризуется тем, что внешняя ее поверхность или внешняя стенка полых волокон обладает гидрофобными свойствами, а внутренняя поверхность или внутренняя стенка мембраны обладает гидрофильными свойствами.

Мембрана из полых волокон, представленная в данном изобретении, может иметь размер пор от 0.1 нанометра до 25 нанометров.

Мембрана из полых волокон может иметь диаметр волокна от 0.2 мм до 0.6 мм.

Мембрана из полых волокон может иметь толщину стенки от 1 мм до 2 мм.

Мембрана из полых волокон, представленная в данном изобретении, может быть охарактеризована тем, что внешняя поверхность или внешняя стенка полого волокна обладает гидрофобными свойствами, а внутренняя поверхность или внутренняя стенка мембраны обладает гидрофильными свойствами, может иметь размер пор от 0.1 нанометра до 25 нанометров, диаметр волокна от 0.2 мм до 0.6 мм и толщину стенки от 1 мм до 2 мм.

Полые волокна могут быть сделаны из полимера или термореактивного полимера. Например, волокна могут быть сделаны из полисульфона, полиэфирсыльфона, поливинилидена фторида, полиакриллонитрила, политемакриловой кислоты, полиамида, полиимида, полиэфирного имида и ацетил целлюлозы, а также из смеси этих материалов. Изобретатели обнаружили, что выбор полимеров или смесь полимеров влияет на формирование пор и Проходимость Чистой Воды (ПЧВ) и Критический Поток Воды (КПВ). Производство волокон из полимеров позволяет добиться формирования большого количества пор на заданной площади стенки волокна, а также большего процентного количества пробелов на стенке волокна. Например, волокна мембраны состоят из полиэфирсульфона на 16-20% по весу, или на 5-20% из поливинилпирролидона по весу, или из н-метил-2-пирролидона на 70-90% по весу, или на 10-45% из полиоксиэтиленгликоля по весу. Как вариант, волокна также могут состоять из поликарбонатов, полиамидов, водного изопропила или любой комбинации этих веществ. Например, волокна мембраны состоят на 10-25%) из полисульфона по весу, на 5-15% из поливинила пирролидона по весу. Например, волокна состоят на 3-25% из полиэфирсульфона по весу и на 5-15% из поливинилпирролидона по весу.

Волокна могут состоять из полиэфирсульфона, а также из ультрасон полиэфирсульфона с градацией 6020р. Например, волокна состоят на 12-25% из полиэфирсульфона, на 40-90% из н-метил пирролидона и на 10-45% из полиэфира гликоля. Такой состав может также содержать хлорид лития (например, от 0.5 до 1.5%).

Волокна могут быть представлены в различных составах. Например, волокна могут формировать однослойную мембрану, мембрану, состоящую из нескольких слоев, или же образовывать двойной слой (например, два дугообразных набора волокон напротив друг друга в закрытой системе).

Несколько слоев могут обладать другими свойствами, представленными в каждом отдельном слое.

Однослойная мембрана может быть либо гидрофобной, либо гидрофильной. Внешняя стенка слоя мембраны (например, сторона, которая контактирует с фильтруемой водой) может быть гидрофобной, а внешняя сторона слоя или стенка (например, сторона, которая контактирует с волокнами и фильтруемой жидкостью) - гидрофильной. Гидрофобный слой уменьшает накопление воздуха и давление при всасывании. Гидрофобный слой увеличивает поток жидкости.

Гидрофильный слой позволяет поддерживать капиллярное действие жидкости, проходящей через поры на стенках волокна в сторону полости волокна, и уменьшает количество необходимого давления при всасывании, давления при проходе или гравитационном напоре.

Жидкость может течь снаружи внутрь (например, жидкость для фильтрации предоставлена вне просвета протока волокон и проходит внутри просвета во время фильтрации). В качестве альтернативы, жидкость может течь изнутри наружу.

Если жидкость течет изнутри наружу, фильтрат остается вне мембраны. Для легкой чистки мембрана может быть моющейся.

Волокна, определяющие мембрану, имеют поры в стенках, через которые проходит вода. Многочисленные поры могут привести к тому, что в волокне будет полость с просветами от 70-90% или 80-90%) от общего объема стенки волокна. Размер пор может колебаться от 0.1 нм до 25 нм в диаметре. Для использования под всасывающим давлением, размер пор может колебаться от 50 нм до 150 нм в диаметре.

Волокна мембраны в данном изобретении могут иметь Проходимость Чистой Воды (ПЧВ) более 1800 л/м2/час под давлением меньше 1 бара и Критический Поток Воды (КПВ) более 900 л/м2/час.

Полые волокна могут формировать дугообразные модули мембраны с открытыми концами, где жидкость затекает в мембрану для фильтрации, а отфильтрованная жидкость вытекает через открытые концы волокон. Например, как описано в американском патенте US №5160673.

В предпочтительном варианте реализации, волокна должны быть антибактериальными по своей природе. Это значит, что они не просто покрыты антибактериальным веществом. В таком случае, антибактериальную сущность мембраны изменить нелегко, и пропадает риск того, что она может повредить пользователю фильтра при попадании в организм. Такого результата можно добиться методом внедрения антибактериального вещества внутри полимерной системы, которая образовывает волокна. Антибактериальное вещество можно физически заключить в месте образования перекрестных связей между цепочками полимеров. Антибактериальное вещество можно химически внедрить на месте образования перекрестных связей между цепочками полимеров. Внедрение антибактериального вещества внутри полимера приведет к формированию полимера с внедренными антибактериальными свойствами.

Антибактериальное вещество может быть металлом, солью металла или оксидом метала с антибактериальными свойствами. Например, это может быть оксид цинка, цинк или соль цинка. Таким образом, к примеру, волокна данного изобретения могут считаться неустранимо антибактериальными при добавлении хотя бы одной соли цинка к раствору или суспензии мономеров, которые используются для синтезирования полимера, из которого формируются волокна, в водный или органический растворитель. В качестве альтернативного варианта, по крайней мере, одно антибактериальное вещество (например, соль цинка) можно добавить во время реакции полимеризации начальных мономеров.

Когда соль цинка используется для модификации полимера для того, чтобы внедрить в него антибактериальные свойства, соль может состоять или состоит из любой комбинации соли цинка пирролидонкарбоновой кислоты, оксида цинка, гидроксида цинка, пирролидона цинка и пиритиона цинка.

Полимер или смесь полимеров, в которую внедряется антибактериальное вещество, может быть комбинацией веществ, перечисленных выше для создания волокна. Например, полимер может быть Полиэфирсульфоном, или смесью полимеров, которая содержит Полиэфирсульфон.

Антибактериальный полимер в данном изобретении может быть охарактеризован тем, что в нем происходит выброс ионов цинка ниже допустимых пределов 21 м.д.

Антибактериальный полимер данного изобретения эффективен для осуществления контроля или устранения быстрого распространения грамположительных и грамотрицательных бактерий, например, кишечная палочка или Escherichia coli (грамотрицательная) и/или Золотистый стафилококк Staphylococcus aureus (грамположительная). Другие примеры: кишечная палочка или Escherichia coli, Золотистый стафилококк или Staphylococcus aureus, Синегнойная палочка или Pseudomonas aeruginosa, Акинетобактерия бауманна или Acinetobacter baum, Энтеробактер клоаки или Enterobacter cloacae, Кандида белая или Candida albicans и виды Клостридий или Clostridium species, а также их комбинации.

Для того чтобы ограничить количество дорогого антибактериального вещества и остаточные потери антибактериального вещества при попадании в отфильтрованную воду, все волокно не должно быть сделано из антибактериального полимера. Практически вся внешняя сторона каждого волокна может содержать антибактериальное вещество внутри вещества самого полимера или смеси полимеров, которые формируют волокно. Модифицированный полимер смешан так, что 99% всей площади поверхности мембраны имеют антибактериальную природу. Смесь делается с использованием процесса, который обеспечивает сохранение антибактериальных свойств на 99% всей площади поверхности новой созданной мембраны даже в том случае, если небольшое количество, от 2,5 до 3% модифицированного полимера смешивается с остальным количеством полимера или смеси полимеров для ее создания. Таким образом, волокна имеют антибактериальные свойства снаружи и внутри.

Антибактериальное вещество может быть оксидом металла или металлом. Это могут быть частицы металла или оксида металла. Антибактериальное вещество, внедренное в полимер или смесь полимеров, может составлять от 2-5% веса волокна. Полимер или смесь полимеров без антибактериального вещества может составлять 95-98% веса волокна. Полимер или смесь полимеров без антибактериального вещества может быть тем же полимером или смесью полимеров.

Метод формирования такой мембраны может привести к формированию волокна с внедренными вышеописанными характеристиками.

Например, изобретатели обнаружили, что возможно добиться высокого % коэффициента пористости волокна, выбрав подходящее формирующее поры устройство для участия в процессе создания волокна.

Следовательно, другим аспектом данного изобретения является процесс создания мембраны из полых волокон с внедренной антибактериальной функцией методом принятия следующих мер:-

а) создание смеси полимеров или добавление полимера в смесь с использованием формирующего поры устройства из полиэтиленгликоля (молекулярный вес 300);

б) протекание смеси, созданной в пункте а) через фильеру вместе с осадителем для полимеров.

Полимеры или смесь полимеров для создания волокон можно выбрать из предложенных выше вариантов в первом аспекте данного изобретения. В качестве примера, волокна могут состоять на 12-25%) из полиэфирсульфона, или на 40-90%) из н-метил пирролидона, или на 10-45% из полиэтиленгликоля. Такой состав может также содержать хлорид лития (например, от 0.5 до 1.5%).

Полиэтиленгликоль может быть представлен в растворе; например, водном растворе (например, 9:1 полиэтиленгликоля: Водный раствор, или +/-10%).

Осадитель, используемый в пункте б) может быть водой.

Кроме оптимизации формирования пор, изобретатели также обнаружили, что существует возможность создания волокон с антибактериальными свойствами возле внешней части стенки, также внедренными в волокно; таким образом, сохраняется вещество, используемое для внедрения антибактериальных функций. Этот метод состоит из следующих шагов:

а) смесь антибактериального вещества, внедренного в полимер или в смесь полимеров, полимера или смеси полимеров без антибактериальных свойств, раствора для обоих полимеров или смесей полимеров и устройство для формирования пор из полиэтиленгликоля (молекулярный вес 300);

б) протекание смеси, созданной в предыдущем шаге через фильеру вместе с осадителем для полимеров.

В следующем аспекте данного изобретения представлен процесс создания мембраны из полых волокон с внедренной антибактериальной функцией методом принятия следующих мер:-

а) смесь антибактериального вещества, внедренного в полимер или в смесь полимеров с полимером или смесью полимеров без антибактериальных свойств с использованием растворителя для обоих полимеров;

б) протекание смеси, созданной в предыдущем шаге через фильеру вместе с осадителем для полимеров.

Шаг б) для всех процессов данного изобретения может быть осуществлен при температуре от 25 до 80 градусов по Цельсию, или от 40 до 60 градусов по Цельсию (при атмосферном давлении). Фильера необходима для работы на высоких скоростях. Например, он может работать на скорости от 350 до 600 оборотов в минуту, или от 450 до 550 оборотов в минуту, или при 500 оборотах в минуту.

Полимеры обладают более высокой способностью формировать раствор с растворителем, чем с осадителем. Следовательно, растворитель и осадитель контактируют друг с другом в шаге б), происходит выброс полимеров из растворителя и их отвердевание. Быстрое отвердевание полимера на скорости во время выброса из фильеры формирует поры в созданных волокнах. В то же время, центробежная сила, созданная крутящейся фильерой и влияющая на формирование волокон, тянет полимер с внедренным антибактериальным веществом на внешнюю поверхность формирующегося волокна, этот полимер имеет большую плотность, чем полимер без антибактериального вещества. Таким образом, волокно формируется с порами, а внешняя часть волокна содержит преимущественную часть полимера с внедренным антибактериальным полимером, а остальное формируется из полимера без антибактериального вещества.

Этот процесс для обоих аспектов данного изобретения может быть использован для формирования мембраны первого аспекта данного изобретения. Следовательно, все характеристики первого аспекта данного изобретения могут применяться также и для следующих аспектов данного изобретения. Например, антибактериальное вещество может быть оксидом металла или металлом. Полимер или смесь полимеров с внедренным антибактериальным веществом может составлять от 2-5% от общего веса полимеров в смеси, созданной в пункте а).

Полимер или смесь полимеров без антибактериального вещества может составлять от 95 до 98% общего веса волокна.

Полимер может также содержать или состоять из полиэфирсульфона. В качестве растворителя может быть использован н-метил-2-пирролидон.

Антибактериальное вещество, внедренное в полимер, может быть полиэфирсульфоном (например, ультрасон® полиэфирсульфон с градацией 6020р), а полимер или смесь полимеров без антибактериального вещества может состоять из полиэфирсульфона (например, ультрасон® полиэфирсульфон с градацией 6020р), полимеры могут быть представлены в весовом соотношении 3% к 97%.

Полимер или смесь полимеров без антибактериального вещества может быть тем же полимером или смесью полимеров. Антибактериальный полимер может содержать частицы оксида металла, внедренные методом сшивания полимерных цепей.

Мембрана может быть встроена в стандартные устройства для фильтрации жидкости, например, устройства, описанные в обзоре иллюстративных материалов, представленном выше.

Соответственно, еще один аспект данного изобретения включает устройство фильтрации жидкости, состоящее из половолоконной мембраны, как описано в первом аспекте данного изобретения, где мембрана помещается в устройство с хотя бы одним питающим каналом и хотя бы одним сливным каналом. Мембрана может быть помещена в устройство с несколькими отверстиями для залива, выхода и обратной промывки. Гидрофильный слой мембраны поддерживает капиллярное действие жидкости через отверстия в стенках волокна и направляет ее к просветам в волокнах и уменьшает необходимое давление при всасывании, давление при проходе или гравитационном напоре.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ

Настоящее изобретение описано здесь путем примера и со ссылкой на следующие рисунки.

На рисунке 1 изображены полые волокна (2), концы волокон, закупоренные и загерметизированные (3), и герметическая модульная секция (4).

На рисунке 2 показаны нанопоры на стенке волокна, через которые жидкость поступает во внутренний канал полого волокна (1) и полых волокон (2).

На рисунке 3 изображены нанопоры на стенке волокна, через которые жидкость поступает во внутренний канал полого волокна; (1), фильтрованная жидкость (5), полости в стенках волокна (6), гидрофильный слой (7), точка соприкосновения обоих слоев (8), пространство между жидкостью и волокном, образованное гидрофобным слоем (9), крупные частицы, сорные примеси, механические примеси (Ю), гидрофобный слой, обращенный к нефильтрованной жидкости (11), и нефильтрованная жидкость (12)

На рисунке 4 показаны нанопоры на стенках волокна, через которые поступает жидкость (1), полые волокна (2), концы волокон, закупоренные и загерметизированные (3), герметическая модульная секция (4), фильтрованная жидкость (5), полости в стенках волокна (6), гидрофильный слой (7), точка соприкосновения обоих слоев (8), пространство между жидкостью и волокном, образованное гидрофобным слоем (9), крупные частицы, сорные примеси, механические примеси (10), гидрофобный слой, обращенный к нефильтрованной жидкости (11), и нефильтрованная жидкость (12).

На рисунке 5 изображены концы полых волокон, из которых выходит отфильтрованная жидкость (13), стенка герметической модульной секции (14), герметик между концами волокон (15).

На рисунке 6 показано изображение стенки волокна в увеличенном масштабе, сделанное с помощью сканирующей растровой электронной микроскопии (РЭМ).

На рисунке 7 изображено поперечное сечение стенки волокна, сделанное с помощью РЭМ.

На рисунке 8 показана диаграмма потока воды в динамике по времени, полученная в результате исследования 10 мембран, изготовленных в соответствии с настоящим изобретением.

На рисунке 9 показаны результаты антибактериального исследования волокнистого материала по настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРОДЕМОНСТРИРОВАННЫХ ВАРИАНТОВ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже предпочтительные варианты внедрения настоящего изобретения будут подробно описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи. Перспективы и возможности настоящего изобретения и способы достижения этих перспектив и возможностей станут очевидны со ссылкой на примерные варианты осуществления, которые будут подробно описаны с отсылкой к прилагаемым чертежам. Однако настоящее изобретение не ограничивается приведенными и раскрытыми ниже вариантами осуществления, но может быть реализовано в различных формах. Вопросы, определенные в описании, такие, как подробная конструкция и элементы, не являются ничем кроме конкретных деталей, представленных для того, чтобы помочь специалистам в данной области техники в полном понимании изобретения, и примерные варианты внедрения определены только в пределах возможностей прилагаемой формулы изобретения. На чертежах размеры и относительные величины слоев и участков могут быть увеличены для ясности в пояснении.

Термин "на", который используется для обозначения того, что элемент находится на другом элементе, расположенном на другом слое, включает в себя как случай, когда элемент расположен непосредственно на другом элементе или слое, так и случай, когда элемент расположен на другом элементе через другой слой или еще один элемент. Напротив, термин "непосредственно на" означает, что элемент находится непосредственно на другом элементе или слое без вмешательства какого-либо другого элемента или слоя. Во всем описании настоящего изобретения одни и те же позиционные обозначения используются для одних и тех же элементов на различных чертежах. Кроме того, термин "и/или" включает в себя соответствующие описанные элементы и их комбинации.

Пространственно-ориентационные формулировки «ниже», «выше», «верхний», и т.д, как изображено в рисунках, могут использоваться, чтобы облегчить описание отношений между элементом или составляющими элементами, и другим элементом, или другим составляющим элементом. Пространственно-ориентационные формулировки следует понимать как формулировки, которые включают в себя различные направления использования или функционирования элемента в дополнение к руководству, проиллюстрированному на чертежах.

В последующем описании настоящего изобретения будет приведен примерный вариант осуществления настоящего изобретения со ссылкой на горизонтальную проекцию и боковую проекцию (разрез), которые являются идеальными схематическими изображениями. Форма, приводимая в качестве примера, может быть изменена с учетом производственных технологий и/или допустимых ошибок. Соответственно, примерные варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются их конкретной формой,приведенной в качестве примера, но предусматривают изменения в форме, вносимые в соответствии с производственными процессами.

Следовательно, места, изображенные на рисунках, имеют приблизительные размеры, а формы различных секторов на рисунках указаны примерно для каждого элемента, формы и сектора, и никаким образом не ограничивают сферу применения и предмет данного изобретения.

Ниже, со ссылкой на прилагаемые чертежи будет объяснен типичный пример конструкции половолоконной фильтрующей мембраны (в дальнейшем иногда называемой просто "мембраной") настоящего изобретения. РИС. 1 - увеличенная фотография поперечного сечения, перпендикулярного продольному направлению мембраны, и РИС. 2 - увеличенная фотография внутренней поверхности мембраны.

Мембрана, согласно настоящему изобретению, состоит из ряда полых волокон, каждое из которых имеет внутреннюю и внешнюю поверхность, и включает в себя сетчатую структуру, которая интегрально простирается от одной поверхности (например, внутренней поверхности) к другой поверхности (например, внешней поверхности), как показано на рис. 3. Сетчатая структура в мембране не имеет пустых участков полимера, таких, как пальцевидный структурный слой, имеющий полости и пустотный слой.

Мембрана настоящего изобретения содержит сетчатую структуру, имеющую анизотропию по диаметру пор, таким образом, что мембрана на своей наружной поверхности или вблизи наружной поверхности имеет слой с меньшим средним диаметром пор (далее - "средний диаметр пор наружной поверхности"), по сравнению со средним диаметром пор, расположенных на внутренней поверхности мембраны (далее - "средний диаметр пор внутренней поверхности"). Диаметр пор, как правило, постепенно увеличивается по направлению к внутренней поверхности мембраны. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения обеспечивается, что более 99% пор имеют размер указанного диаметра на внешней поверхности (здесь и далее называемого "средний диаметр пор наружной поверхности").

Мембрана настоящего изобретения имеет пористость (содержание пустот) 70-90%, в том случае, когда материалом мембраны является полиэфирсульфон, и, в зависимости от содержания пустот, напряжение разрыва IS находится в диапазоне от 2 до 3,5 бар, и относительное удлинение при разрыве составляет до 70%.

В качестве материалов для половолоконной мембраны данного изобретения можно указать, например, полимеры полисульфона, полиэфирсульфона, поливинилиденфторида, полиакрилонитрила, полиметакриловой кислоты, полиимида, полиэфирамида, и ацетилцеллюлозы. Особенно предпочтительными являются ароматические полисульфоны, полиакрилонитрильные сополимеры, поливинилиденфторид и ароматические полиэфиримиды. Ряд полиэфирсульфона является особо предпочтительным.

В другом аспекте настоящего изобретения также описано фильтрующее устройство для фильтрации жидкости, содержащее половолоконную мембрану согласно изобретению, где мембрана размещена в оболочке с, по меньшей мере, одним подающим каналом и, по меньшей мере, одним сливным каналом. В соответствии с замыслом изобретения, гидрофильный слой мембраны поддерживает капиллярное воздействие жидкости через отверстия на стенках волокон в направлении полости волокон и уменьшает норму всасывающего давления, проходного давления и гравитационного напора.

В сущности, антимикробную половолоконную мембрану получают путем формования полимерной смеси с высокой скоростью вращения, размещая указанную полимерную смесь по окружности базовых полимеров, где полимерная смесь содержит 3% антимикробного внедренного полиэфирсульфона 6020р в основном полиэфирсульфоне, не содержащем антимикробного вещества, что делает антимикробной около 99,9% площади поверхности конечного продукта. Поскольку антимикробный внедренный полимер имеет более высокую плотность, центробежная сила выталкивает его наружу и помещает на окружность основного полимера, что снижает стоимость производства продукта. Антимикробный полимер разрабатывают химическим путем встраиванием частиц оксида металла в полимеры посредством сшивания между полимерными цепями. При этом образуется антимикробный по своей природе полимер, присущие которому антимикробные свойства никогда не выщелачиваются и не мигрируют из полимера в какое-либо другое контактирующее вещество.

Примеры настоящего изобретения будут показаны ниже, но настоящее изобретение не ограничивается этими примерами. Методы исследования свойств следующие:

Мембраны из полых волокон, используемые в качестве образцов для исследования свойств, находятся в состоянии достаточной пропитки водой. Что касается мембраны, полученной с использованием поливинилпирролидона в качестве добавки, то мембрану погружали в водный раствор гипохлорита натрия и затем промывали горячей водой, получая мембрану, в которой по существу не было поливинилпирролидона.

Проходимость воды через мембрану из полых волокон выражается количеством отфильтрованной воды 25 градусов по Цельсию, которое прошло через образец полого волокна.

ПРИМЕР 1

Хотя предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения были описаны с целью иллюстрации, специалистам в данной области техники будет очевидно, что в настоящее изобретение могут быть внесены изменения, дополнения и замены без отклонения от сущности или объема изобретения. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение охватывает модификации и вариации данного изобретения при условии, что они входят в объем прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.

Устройство по настоящему изобретению представляет собой половолоконную мембрану со встроенной антибактериальной функцией. Мембрана получила существенное изменение в микрометрическом масштабе, что привело к антисептическим и антибактериальным свойствам. Адгезия и пролиферация бактерий на поверхности объекта замедляются, и количество микроорганизмов и бактерий сильно уменьшается. Эта антисептическая/антимикробная природа материала является свойством мембраны полимера, которое никогда не мигрирует/выщелачивается фильтрованной жидкостью и никогда не уменьшается со временем.

Полое волокно состоит из двух слоев. Внешний слой является гидрофобным, а внутренний слой по своей природе гидрофильный. Гидрофобный слой никогда не позволяет воде войти в физический контакт с мембраной, следовательно, останавливает сцепление любого вида с ней. Гидрофобный слой делает воздухозабор минимальным, поскольку наружное прохождение воздуха облегчается отсутствием слоя воды снаружи, следовательно, уменьшая требуемое всасывающее давление и увеличивая поток жидкости. При этом внутренний гидрофильный слой поддерживает капиллярное воздействие жидкости через отверстия на стенках волокон в направлении полости волокон, тем самым уменьшая требуемое всасывающее давление, проходное давление или гравитационный напор. Жидкость течет во внешней ориентации, т.е. фильтрация происходит, когда жидкость снаружи стенки волокна проходит через ее отверстие и отфильтрованная жидкость выходит из полого конца волокна. Следовательно, удерживание нефильтрованной жидкости снаружи стенок волокна и удерживание фильтрованной жидкости внутри полого волокна делают мембрану настоящего изобретения единственной мембраной, используемой с наружным направлением потока и имеющей гидрофобный слой снаружи и гидрофильный слой внутри.

Поры на стенках волокон могут иметь размеры в пределах от 0,1 нм до 25 нм. Жидкость, особенно вода, фильтруется, когда проходит в полость волокна из отверстий в стенках волокна снаружи. Волокна образуют дугообразные мембранные модули с открытыми концами, запечатанные и поддерживаемые таким образом, что дугообразная сторона всегда обращена к жидкости, поступающей для фильтрации, и отфильтрованная жидкость всегда выходит через открытые концы волокон. Пористость волокон находится в диапазоне от 70% до 90%.

Антимикробный внедренный полимер разрабатывают путем химического связывания частиц оксида металла в полимерном ультрадисперсном полиэфирсульфоне марки BASF, производящей действительно антимикробный полимер, антимикробные свойства которого никогда не вымываются и никогда не мигрируют из полимера в любое другое вещество, контактирующее с поверхностью полимера, в отличие от существующих антимикробных мембран, на поверхности которых антимикробность была создана путем ее покрытия антимикробным веществом, которое может вымываться и загрязнять входящие с ним в контакт вещества. Полиэфирсульфон полимер, из которого изготавливают полые волокна мембраны.

Пористость достигается в процессе изготовления половолоконной мембраны. Способ предполагает использование 2 резервуаров, соединенных с фильерой через расходомерные трубки с шестеренчатым насосом. Резервуар для уплотнительного раствора и резервуар для осаждающего раствора. Полимеры смешивают с растворителем, и они полностью растворяются в резервуаре для уплотнительного раствора. Как только через фильеру начинает идти поток уплотнительного и осаждающего раствора (называемого также осадителем), начинается процесс фазовой инверсии (полимер, который был растворен в растворителе, теперь начнет затвердевать). Это явление можно объяснить простым процессом массопереноса, как только осадитель и растворитель вступают в контакт, взаимодействие между ними срабатывает как движущая сила, выталкивающая растворенный основной полимер из растворителя и, что приводит к его повторному затвердеванию. Во время этого процесса поры создаются из-за мгновенного (очень короткого, менее секунды) демикширования, слишком короткого для полного затвердевания полимера. Следовательно, по мере того, как полимер начинает выходить из растворителя и затвердевать, мгновенное демикширование приводит к некоторым разрывам в затвердевающей полимерной структуре и этими разрывами (промежутками), в конечном счете, являются поры, и вся эта совокупность пор придает волокну пористость. Процесс формирования волокна осуществляют при 50 градусах Цельсия, при атмосферном давлении, и при работе фильеры 500 об/мин. 3% от общей массы полимера получают из полимера с внедренными антибактериальными свойствами, в то время как 97% является полимером без внедренных антибактериальных свойств.

Пример 2: Формирование пор

Уплотнительный раствор / полимерный раствор создан с помощью смешивания компонентов, указанных в таблице ниже. Нижеописанный осаждающий раствор / внутренний раствор был добавлен в смесь и хорошо размешан. Затем, смесь прошла через фильеру вместе с водой для формирования полых волокон.

Уплотнительный раствор / Полимерный раствор

Полиэфирсульфон 15%

Полиэфирсульфон Ультрасон® Е6020Р

Полиэтиленгликоль 38%

Хлорид Лития 1.5%

Н2О 2%

Н-метил-2-Пирролидон 43.5%

Осаждающий раствор / Внутренний раствор

Полиэтиленгликоль (9:1)

Коагулянт

100% вода

Посредством тестирования и благодаря сопоставительному анализу эффективности данных волокон было обнаружено, что волокна, созданные с использованием вышеописанного процесса, по качеству гораздо превосходят волокна, используемые в настоящее время и описанные в иллюстративных материалах выше.

Когда полиэтиленгликоль используется в качестве осаждающего раствора и для формирования пор в уплотнителе, благодаря высокой вязкости и текучести он придает определенные структурные качества образовывающимся волокнам. В особенности, волокна обычно имеют хорошо выраженную пальцеобразную пористую структуру, и поэтому имеют прямые и хорошо выраженные каналы по всей толщине волокна, как показано на Рис. 6 и Рис. 7, рисунке, где показана толщина стенки с помощью технологии РЭМ (Растровой сканирующей электронной микроскопии), где волокна изучаются в местах поперечного сечения.

Проходимость Чистой Воды (ПЧВ): Проходимость чистой воды, также известна под названием поток чистой воды, определяется объемом воды, который проходит через мембрану за единицу времени, на единицу площади и единицу междумембранного давления. Это свойство указывает на усилия, необходимые для создания проходимости в мембране и может быть использовано для сравнения начальной производительности мембраны. Этот анализ, однако, не предоставляет никаких данных по производительности материала в течение длительных периодов времени, поэтому полезно также смотреть на Критический поток воды (см. Перссон, Кеннет М., Вассилис Гекас и Гун Трагард. «Изучение уплотнения мембран и его влияние на проходимость воды во время ультрафильтрации». Журнал Мембраны и мембранные технологии 100, выпуск 2 (1995): 155-162).

Критический Поток Воды (КПВ): Либо поток воды, при котором междумембранное давление начинает отклоняться от линии чистой воды (сильная форма критического потока), либо когда первый поток воды образует необратимое загрязнение на поверхности мембраны. Критический поток может иметь такое общее определение: «первый» поток воды, при котором загрязнение становится преобладающим; он отличается от Ограничивающего потока («последний» доступный поток воды), (см. Баччин, Патрис, Пьер Аймар и Роберт В. Филд «Критический и устойчивый поток: теория, эксперименты и применение». Журнал Мембраны и мембранные технологии 281, номер 1-2 (2006): 32-69).

Было создано и использовано 10 отдельных образцов волокон, сделанных в соответствии с вышеописанным методом, для 10 различных мембран. Мембраны затем прошли тестирование для установления Проходимости Чистой Воды (ПЧВ) и Критического Потока Воды (КПВ). Мембраны были проверены следующим образом:

Эксперименты с проходимостью чистой воды были проведены с использованием деионизированной воды. Каждый модуль был погружен в деионизированную воду на 24 часа, а затем проводился эксперимент длительностью 1,5 часа для устранения эффекта остаточного глицерина на половолоконной мембране перед забором образца. Фильтрационное устройство УФ разработано для оценки проходимости чистой воды и коэффициента задержания белков, что подробно показано (см. К.С. Фенг, Б. Ши, Г. Ли, Я. By, Подготовка и свойства микропористой мембраны из поливинилидена фторида оксида углерода-тетрафторэтилена) (F2.4) для дистилляции мембраны, Журнал Мембраны и мембранные технологии 237 (2004) 15-24). Междумембранное давление в размере 1 бара и исходный раствор при температуре 20 градусов по Цельсию, все эксперименты были проведены в модулях из полых волокон с системой перекрестных потоков. Два модуля были подготовлены для каждого образца с полыми волокнами.

Проходимость чистой воды была получена следующим образом:

Когда чистая вода проходит через мембрану и производится расчет параметров с использованием уравнения, приведенного выше, каждый параметр сводиться в таблицу и создается диаграмма соотношения времени и параметров. Для длительного периода времени (в нашем случае это более 5 часов), проходимость чистой воды начинает стабилизироваться и выражать значение критического потока воды для мембраны. Аппарат, используемый для тестирования проходимости чистой воды на волокнах, может быть представлен следующей схемой:

Результаты и важные условия теста предоставлены в Таблице 1, приведенной ниже. Тест был осуществлен при нормальной температуре и давлении.

В Таблице 2 предоставлен обзор Потока чистой воды при 5-минутных интервалах в течение 120-минутного периода для каждой мембраны. Результаты описаны на Рисунке 8.

Из этих результатов видно, что существует определенная последовательность для всех образцов. Также, можно сделать вывод, что первоначальная проходимость чистой воды выше по сравнению со стандартными волокнами. Однако после длительного тестирования параметры начинают ухудшаться и стабилизируются в одной точке (где график становится прямым и следует кривой постоянного склона), что определяет критический поток воды для каждой мембраны, а значение критического поток воды используется в качестве расчетного коэффициента, когда такие мембраны находят практическое применение. Однако можно заметить, что во всех образцах критический поток воды колеблется между значениями 800 и 900 л/м2/час, что является преимуществом волокон, описанных в данном изобретении, так как в таком случае требуется меньше давления для протока такого же количества воды через волокна по сравнению со стандартными вариантами, что помогает уменьшить затраты.

Пример 3: Тестирование антибактериальных свойств поверхности волокон мембраны

Мембрана из полых волокон была создана в соответствии с Примером 2, но внутрь полимера была добавлена соль цинка.

Затем мембрана прошла проверку на возможность блокирования двух типов бактерий (Кишечная палочка или Escherichia Coli АТСС 8739 (грамотрицательная) и Золотистый стафилококк или Staphylococcus Aureus 6538 (грамположительный)) с использованием стандартных международных методов оценки антибактериальных свойств поверхности полимеров. Результаты можно найти в рисунках бактериальных культур, выращенных на чашках Петри и показанных на Рис.9. Результаты приведены ниже.

Таблица 3

По таблице можно увидеть, что зона блокирования бактерий в тестах, которые проводились на полимерном волокне (например, полимер с солью цинка) совпадают с геометрией образца волокна, помещенного в чашу Петри; здесь показано почти полное устранение бактерий на порциях диска, где было применено волокно. Это подтверждается уменьшением КОЕ/мл, что представлено в Таблице 3 для первоначального инокулума по сравнению со значением для крученого полимерного волокна.

Аналитический метод:

Полое волокно, полученное в результате кручения антибактериального полимера Полиэфирсульфона, подготовлено в соответствии с вышеприведенным описанием, было проанализировано для определения эффективности полимера против основных штаммов микроорганизмов, определенных законодательством, определяющем стандарты для пластика, который контактирует с кожей.

Продукт был проанализирован с использованием 2 штаммов микроорганизмов (Кишечная палочка или Escherichia Coli АТСС 8739 (грамотрицательная) и Золотистый стафилококк или Staphylococcus Aureus 6538 (грамположительный)) с использованием стандартных международных методов оценки антибактериальных свойств непористой пластиковой поверхности.

Создан первоначальный инкубационный контрольный полимер МИКРОБНЫЙ инокулум при температуре 37° по Цельсию, Уменьшение штаммов бактерий (КОЕ/мл) за 24 ч (КОЕ/мл) (КОЕ/мл) уменьшение количества микроорганизмов Vo Escherichia (Кишечная палочка) 2.5×106 6.2×107 1.0×107 0.79 83.87% coli Staphylococcus (Стафилококк золотистый) 1.7×106 2.3×107 1.4×106 1.2 93.91% Aureus

Первоначальный бактериальный раствор был разбавлен для того, чтобы добиться известной бактериальной концентрации, выраженной колонией формирующихся групп КОЕ/мл. Проанализированные волокна были поделены на части для обеспечения оптимальных размеров для проведения анализа. Эти части были обработаны против микробных штаммов, покрыты стерильной полиэтиленовой пленкой и помещены в инкубатор при температуре 37±1°С на 24 часа. В конце инкубационного периода образцы были промыты нейтрализующим раствором, на котором было обнаружено число микробов.

Полученные результаты показали, что после 24 часов инкубации при 37 градусах по Цельсию, полимеры, обработанные цинком, уменьшили количество бактерий на 83.870 (в случае с кишечной палочкой Escherichia coli) и на 93.91%) (в случае с Золотистым стафилококком Staphylococcus aureus)

Рисунок 9. Объяснение:

Как показано на рисунке, всего было взято 6 чаш Петри - 2 набора по 3 штуки.

Три чаши сверху были пропитаны нано частицами серебра для антибактериального эффекта, а три чаши снизу были оснащены образцом волокон из данного изобретения (мембраны из крученого полого волокна). Как видно на рисунке, нано частицы серебра вымылись в трех чашах Петри и мигрировали вне пределов вещества для устранения бактерий вокруг образца. Однако рост бактерий на трех нижних чашах Петри был заблокирован на поверхности образца, что подкрепляет доказательствами утверждение, что вещество с антибактериальными свойствами не вымывается из материала, используемого в данном изобретении.

Claims (36)

1. Половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами для фильтрации жидкостей, содержащая множество пористых полых мембранных волокон, причем полые мембранные волокна включают полимер или смесь полимеров, включающую антимикробное вещество, физически заключенное и химически связанное в месте образования перекрестных связей между цепочками полимеров, придавая волокнам антимикробную природу, и при этом половолоконная мембрана выполнена так, чтобы жидкость затекала снаружи волокон мембраны и проходила через пористую мембрану внутрь и вдоль полости волокон, чтобы ретентат оставался снаружи мембраны и чтобы отфильтрованная жидкость (фильтрат) вытекала из полого конца волокон.

2. Половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами, по п. 1, где полые волокна формируются из полимера или из термореактивного полимера.

3. Половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами, по п. 1 или 2, где полимер или смесь полимеров, из которых образованы полые мембранные волокна, состоит из или содержит от 12 до 25% полиэфирсульфона, или 5-20% поливинилпирролидона, или 70-90% раствора Н-метил-пирролидона, или 10-45% полиэтиленгликоля, или же волокна содержат поликарбонаты, полиамиды и водный изопропил или любую комбинацию вышеописанных веществ.

4. Половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами, по п. 1 или 2, где волокна состоят из или содержат 10-25% полисульфона или 5-15% поливинилпирролидона.

5. Половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами, по п. 1 или 2, где волокна состоят из или содержат 3-25% полиэфирсульфона или 5-15% поливинилпирролидона.

6. Половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами, по любому из пп. 1-5, где волокна формируют однослойную мембрану.

7. Половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами, по любому из пп. 1-5, где волокна формируют мембрану из более чем одного слоя.

8. Половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами, по любому из пп. 1-5, где волокна формируют двухслойную мембрану.

9. Половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами, по п. 6, где однослойная мембрана либо гидрофильная, либо гидрофобная.

10. Половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами, по п. 8, где двухслойная мембрана либо гидрофильная, либо гидрофобная.

11. Половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами, по любому из пп. 6-8, где внешняя сторона или стенка слоя мембраны гидрофобная, а внутренняя сторона или стенка слоя мембраны гидрофильная.

12. Половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами, по любому из пп. 9-11, где гидрофобный слой уменьшает необходимость накопления воздуха и давление при всасывании.

13. Половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами, по любому из пп. 9-12, где гидрофобный слой увеличивает поток воды.

14. Половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами, по любому из пп. 9-13, где гидрофильный слой поддерживает капиллярное действие жидкости через поры на стенках волокна в направлении полости волокон и уменьшает необходимое давление при всасывании, давление при проходе или гравитационном напоре.

15. Половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами, по любому из пп. 1-14, где мембрана является моющейся.

16. Половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами, по любому из пп. 1-15, где половолоконная мембрана содержит волокна, имеющие диапазон пористости от 80 до 90% от объема стенки волокна.

17. Половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами, по любому из пп. 1-16, отличающаяся тем, что поры половолоконной мембраны находятся в диапазоне от 0,1 до 25 нм в диаметре.

18. Половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами, по любому из пп. 1-16, отличающаяся тем, что поры половолоконной мембраны находятся в диапазоне от 50 до 150 нм в диаметре для использования под всасывающим давлением.

19. Половолоконная мембрана, обладающая неотъемлемыми антимикробными свойствами, по любому из пп. 1-18, в которой полые волокна образуют дугообразный мембранный модуль с открытыми концами, где жидкость, поступающая в мембрану для фильтрации, и фильтрованная жидкость выходят через открытые концы волокон.

20. Половолоконная мембрана, обладающая антимикробными свойствами, по п. 1, отличающаяся тем, что антимикробное вещество представляет собой оксид металла, соль металла или металл, например соль цинка.

21. Половолоконная мембрана, обладающая антимикробными свойствами, по п. 20, отличающаяся тем, что антимикробное вещество встроено в полимер или смесь полимеров.

22. Половолоконная мембрана, обладающая антимикробными свойствами, по любому из пп. 20 или 21, в которой полимер или смесь полимеров с антимикробным веществом составляют от 2 до 5% веса волокна.

23. Половолоконная мембрана, обладающая антимикробными свойствами, по любому из пп. 20-22, дополнительно включающая полимер или смесь полимеров, в котором или в которой отсутствует антимикробное вещество, в количестве от 95 до 98% от массы волокна.

24. Половолоконная мембрана, обладающая антимикробными свойствами, по п. 23, в которой полимер или смесь полимеров с антимикробным веществом и без него представляет собой один и тот же полимер или смесь полимеров.

25. Способ изготовления половолоконной мембраны, обладающей неотъемлемыми антимикробными свойствами, по любому из пп. 1-24, включающий следующие стадии:

a) смешивание полимера с внедренным антимикробным веществом или смеси полимеров с внедренным антимикробным веществом с полимером или смесью полимеров без антимикробного вещества, с порообразователем, содержащим полиэтиленгликоль и другие добавки, с растворителем для всех компонентов;

б) пропускание смеси, полученной на стадии а), через фильеру вместе с осадителем для полимеров.

26. Способ по п. 25, в котором стадию б) осуществляют при температуре от 25 до 80 градусов Цельсия.

27. Способ по любому из пп. 25 или 26, в котором антимикробное вещество представляет собой оксид металла, соль металла или металл.

28. Способ по любому из пп. 25-27, в котором полимер или смесь полимеров, в состав которых входит антимикробное вещество, составляет от 2 до 5% от общей массы полимеров в смеси, образованной на стадии а).

29. Способ по любому из пп. 25-28, в котором полимер или смесь полимеров, в которой отсутствует антимикробное вещество, составляет от 95 до 98% от массы волокна.

30. Способ по любому из пп. 25-29, в котором полимер, в который внедрено антимикробное вещество, представляет собой полиэфирсульфон и полимер или смесь полимеров, в которой отсутствует антимикробное вещество, представляет собой полиэфирсульфон, причем полимеры представлены в массовом соотношении от 3 до 97%.

31. Способ по любому из пп. 25-30, в котором полимер или смесь полимеров с антимикробным веществом и без него представляет собой один и тот же полимер или смесь полимеров.

32. Способ по любому из пп. 25-31, в котором антимикробное вещество содержит частицы оксида металла, внедренные в него посредством перекрестной сшивки между полимерными цепями.

33. Устройство для фильтрации жидкости, содержащее половолоконную мембрану по пп. 1-24, причем устройство включает корпус для мембраны, где корпус содержит по меньшей мере один канал подачи и по меньшей мере один канал слива.

34. Устройство по п. 33, в котором корпус содержит множество отверстий для впускного, выпускного и обратного сливных каналов.