[发明专利]防生物结垢材料和制备该材料的方法

说明书

发明人：Isabel C.Escobar，Tilak Gullinkala，Richard T.Hausman

相关申请的交叉引用以及关于资助研究的声明

本发明要求2008年6月12日提交的美国临时专利申请61/061,099的权益，其公开内容在此全文引入作为参考。本发明是在政府的资助下完成的，资助号为NSF CBET 0714539和NSF CBET 0754387。政府对本发明具有某些权利。

技术领域

本发明涉及膜过滤的领域，并且更具体地涉及防生物结垢的纳米复合材料。

背景技术

没有任何关于本部分中公开的背景技术构成法律意义上的现有技术的承认。

膜技术在满足饮用水生产中日益严格的管理要求方面具有远大的前景。作为其物理和化学性质的功能，当施加驱动力时膜能够分离颗粒材料，并且它们能够滤除悬浮的固体、胶体、生物细胞和分子等等。

虽然，其它技术能够实现类似的处理目的，使用膜的过滤系统具有显著的优点。例如，现在，纳滤(NF)和反渗透(RO)膜使得替代的水回收(即盐味水和海水)和废水再利用成为解决日益增长的全球常规水资源匮乏的可行的解决办法。各种过滤系统可制成各种构造，其中膜材料通常临近支撑体，或者在过滤系统中形成流动通道的进料隔板(spacer)。通常，所述进料隔板同时充当流动通道几何结构的机械稳定器和过滤系统内的湍流促进器。

NF和RO方法应用在常规水源处理中能够提供稳态水平的颗粒材料去除，这消除了对诸如离子交换树脂或颗粒活性炭的纯化材料的再生操作的需求。此外，通过对海水和盐味水脱盐，RO能够帮助满足饮用水的需求。

虽然，在以前，NF和RO膜过滤系统并未被用于消毒，但是这类膜过滤系统能够给病毒和细菌去除提供额外的屏障，这对于间接饮用、废水再利用是至关重要的。

虽然，膜过滤系统的使用是有利的，但是仍然需要解决各种技术和成本上的问题。在这些问题中，过滤系统中的膜和进料隔板被从进料源中滤出的颗粒材料的结垢持续地引起广泛关注。由于通量损失、压力上升和频繁清洗，这种结垢会对膜性能和成本造成不利的影响。

生物结垢是一个通称，用于指保留在过滤系统内部的表面(如膜和/或进料隔板)上的不希望的微生物、细菌、酵母、细胞碎片或代谢产物沉积物。当出现生物结垢时，所述沉积物通常难以去除。导致生物结垢的颗粒材料会发展和/或形成群落，这些群落会在膜和/或进料隔板上发展为黏泥(slime)沉积物。这些生物结垢材料的积聚会导致过滤系统失效，因为压力升高的不断发展会消耗更多能量、需要更多清洁、减小通量并且降低回收率。

特别是，在通过RO膜过滤进行的水处理中，过滤系统的生物结垢是严重的问题。生物结垢降低了膜性能，并且由于通量损失、压力升高和频繁清洁导致成本上升。此外，试图通过改造RO膜本身来克服生物结垢基本上是不可能的，因为RO膜必须具有特定的组成以保持所需的特性。

目前，在生物结垢防治领域中，主要的研究和开发都集中在诸如进料水预处理、强化洗涤液、清洗步骤和沾污膜替换等方法上。

由于任何过滤系统的成功都受限于确保从进料源收集的渗透物具有非常高的纯度水平(例如非常低的细胞计数)，以及所述过滤系统能够成本高效地在安全的流动参数下运行，因此需要一种改进的过滤系统。

同样，还需要开发也可在其它应用中使用的防生物结垢组合物。这类终端应用的非限制性的例子包括食品包装、医疗应用、纺织品等等。

发明内容

一方面，本文提供了一种防生物结垢聚合物反应产物，包括防生物结垢反应产物，其包含至少一种聚合物、至少一种金属螯合配位体与至少一种螯合金属离子部分的反应产物，其中所述金属螯合配位体包括具有反应性亲和基团的间隔臂侧链。所述配位体的反应性亲和基团与所述螯合金属离子部分形成配位(并且可以认为是化学结合)。

在某些实施方式中，所述反应产物形成为以下形式中的一种或多种：纤维、膜或成型制品。并且，所述反应产物可散布作为涂层。

在另一方面，本文提供了用于在过滤系统中的生物污染物的去除中使用的防生物结垢反应产物，其中所述反应性部分能够与所述金属离子配位，并与所述生物污染物反应。