Биоактивная мембрана фильтра осмотического действия для водоподготовки

Полезная модель относится к средствам для селективной фильтрации и может быть использована в системах водоподготовки.
Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.
Известен способ получения биоцидного сорбента для доочистки питьевой воды на основе углеродного сырья по патенту РФ №2547509, который включает обработку активного угля или вспененного графита раствором бетулина в органическом растворителе или водной суспензией, содержащей бетулин. Недостатком данного сорбента является то, что носителем бетулина является углерод, прочность которого в виде спрессованной массы затрудняет его использование в фильтрах под давлением.
Из патента РФ №2109689 известно применение цеолитсодержащего туфа в качестве фильтрующего материала для очистки воды от микроорганизмов. Промышленная применимость данного сорбента вызывает сомнения в связи с отсутствием сведений о требуемой частоте замены загрузки цеолита и времени его использования.
Известен керамический фильтр для очистки жидкостей по патенту РФ №2248841, содержащий, по крайней мере, одну пластину прямоугольной формы из пористого оксидного материала, имеющую сквозные каналы в теле пластины, на стенках которых сформирован мембранный слой из исходного оксидного материала, и перемычки между каналами, отличающийся тем, что отношение наибольшего размера поперечного сечения канала d к толщине пластины h выполнено составляющим d/h=0,4-0,95, отношение толщины перемычки q к толщине пластины выполнено составляющим q/h=0,2-1,0, отношение ширины перемычки е к ее толщине q выполнено составляющим e/q=0,15-10,0. В данном решении керамического фильтра не указан срок эксплуатации фильтроэлемента из керамического материала с блоком из пористого оксидного материала и нет сведений о его проверке на биоактивность.
2
Из патента РФ №2525936 известна сплошная эластичная мембрана из каучуков или резины, которая используется в способе фильтрации растворов или суспензий микроорганизмов или белков, согласно которому фильтрацию осуществляют через такую мембрану, при этом для начала фильтрации образуют систему пор, не превышающих размеры концентрата, при помощи импульсного лазерного излучения мощностью не более 1 Дж/см, причем материал мембраны обладает способностью к самозатягиванию пор после прекращения импульсного лазерного воздействия. Данное решение сходно с заявленным как по технологии фильтрации водных растворов через пористые мембраны, а также и по конечному назначению фильтрата для использования в области биотехнологии и медицинской промышленности в технологических схемах очистки, стерилизации, концентрирования растворов, содержащих вирусы, бактерии, белки, а также для получения биологических препаратов.
Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа
Недостатком прототипа является низкая длительность использования материала мембраны, который разрушается со временем из-за природы самого материала и требует частой замены, низкая устойчивость к температурным перепадам без нарушения структуры, а также технологическая сложность фильтрации растворов или суспензий микроорганизмов, или белков, заключающаяся в использовании радиоактивного источника тяжелых ионов.
Задачей изобретения является создание биоактивной мембраны длительного использования и устойчивой к температурным перепадам для фильтра осмотического действия для водоподготовки на основе высококремнеземного пористого стекла.
Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.
Биоактивная мембрана фильтра осмотического действия для водоподготовки на основе высококремнеземного пористого стекла, включающая биоактивное соединение, характеризуется тем, что в качестве биоактивного соединения использован полиоксомолибдат кремния, получаемый в результате взаимодействия иона , содержащегося в водном обрабатывающем растворе, подкисленным соляной кислотой до значения водородного показателя рН=1,2, со вторичным кремнеземом порового пространства пористого стекла.
В качестве биоактивного соединения нами был выбран полиокомолибдат кремния, фунгицидные свойства которого были доказаны по отношению к грибу рода Candida, вида Candida albicans, штамм 920, а также грамм-положительным и грамм-отрицательным бактериям.
Известно, что полиоксометаллаты (ПОМ) обладают фунгицидными свойствами по отношению к возбудителям гриппа, лихорадки Денге, вирусу атипичной пневмонии, ВИЧ-19 и вирусу герпес-симплекс [1-6], а пористые стекла (ПС), получаемые в процессе выщелачивания двухфазных щелочеборосиликатных (ЩБС) стекол, являются идеальными матрицами для создания биоактивных мембран, поскольку химически и биологически инертны, обладают хорошей продольной упругостью (модуль Юнга =23,9 ГПа) и имеют поверхность, легко поддающуюся модификации [7-9]. В качестве примера композиционных материалов на основе ПС, полученные в [10] данные позволяют сделать вывод о возможности использования композиционных материалов на основе ПС для селективной фильтрации.
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что образование полиоксомолибдата кремния, представляющего собою насыщенный гетерополианион (ГПА) структуры типа Кеггина в поровом происходит за счет взаимодействия иона , содержащегося в обрабатывающем растворе, со вторичным кремнеземом порового пространства, что способствует увеличению удельного объема пор и выравниванию их по диаметрам и синтезированная таким образом мембрана не деформируется и способна выдержать давление, создаваемое вакуумным насосом. Внедрение полиоксометаллатакремния в поры высококремнеземной матрицы заявленной нами мембраны препятствует росту колоний бактерий и грибов в поровом пространстве, что является ее основным отличием и преимуществом от существующих мембран для фильтров осмотического действия.
4
2
4
Заявленную мембрану получают следующим образом. В начале осуществляют выщелачивание исходного щелочеборосиликатного стекла в растворе 3 М HCl при кипении с целью получения пористой высококремнеземной матрицы с диаметром пор до 10 нм. После промывания в дистиллированной воде для удаления остатков обрабатывающего раствора и продуктов реакции из порового пространства, полученная пористая стеклянная матрица высушивается. Затем внутри пористого стекла получают биоактивный компонент путем обработки полученного ПС 10% раствором молибдата аммония ((NH)MoO) при значении водородного показателя рН=1,2 в течение месяца со сменой обрабатывающего раствора один раз в пять дней. Таким образом, матрица приобретает не только противобактериальные, но и самозащитные свойства.
Заявленная мембрана обладает рядом полезных свойств:
2
2
3
2
12
40
2-
1. Состав пористой матрицы: 96.6 SiO⋅3.20 ВО⋅0.2 NaO (мол. %) + кремнемолибденовыйполианион β-Si[MoO].
3
2. Параметры пористой структуры мембраны: удельный объем пор 0,232 см/г; общая пористость образца 34,4%; средний диаметр пор 7,9 нм, что гораздо меньше размеров бактерий.
3. Наличие внутри порового пространства биоактивного вещества препятствует росту колоний клеточных культур, что повышает качество фильтрации и препятствует биологическому заражению фильтра.
4. Мембрана прошла тест на биоактивность по отношению к низшим грибам Candida albicans, который продемонстрировал полное ингибирование колоний.
5. Жесткий каркас из высококремнеземного стекла позволяет использовать данную мембрану при фильтрации под давлением (модуль Юнга =23,9 ГПа).
2
6. Высокая удельная поверхность 156 м/г повышает каталитические свойства ГПС за счет увеличения количества активных центров (анионные участки ГПС). Кроме того, химическая адсорбция ГПС на разветвленной, химически и биологически устойчивой наноструктурной стеклянной матрице обеспечивает устойчивость ГПС к разрушению в водных и органических растворителях
Основными преимуществами заявленной мембраны заключаются в следующем:
- наличие биоактивного компонента в матрице фильтра позволяет не допустить роста колоний бактерий или грибов внутри пористого пространства фильтра, что намного продлевает срок службы данного фильтра, а так же улучшает качество фильтрата;
- жесткий каркас из высококремнеземного стекла позволяет использовать данную мембрану при фильтрации под давлением;
- Возможность повторного использования матрицы фильтра после ее переработки и использование ее в качестве новой матрицы. Повторное использование матрицы фильтра возможно после удаления отработанного биоактивного компонента проработкой в 3 М соляной кислоте и внедрения нового согласно второму этапу синтеза;
- возможность введения в пористую матрицу практически любого компонента, например, серебросодержащего или молибденсодержащего и пр., для улучшения характеристик фильтра в зависимости от практических задач;
- мембрана применима в фильтрах, работающих как в стационарных условиях для медицинского назначения, так и в полевых условиях.
Заявленное техническое решение применимо в области биотехнологии и медицинской промышленности и может быть использовано в технологических схемах очистки, стерилизации, концентрирования растворов, содержащих вирусы, бактерии, белки, а также для получения биологических препаратов.
Литература
1. Polyoxometallates fonctionnalises: de l'assemblage supramoleculaire vers les nanobiotechnologies. Habilitation a diriger des recherches / B. Hasenknopf. - Paris: Universite Pierre et Marie Curie, 2005. - 160 p.
2. Boudinot, F.D. Cellular localization of antiviral polyoxometalates in J774 macrophages / L. Ni.; P. Greenspan; R. Gutman; C. Kelloes; M.A. Farmer; F.D. Boudinot // Antiviral Res. - 1995. - 32 (3). - P. 141-148
3. Berry, J.P.; Galle, P. Subcellular localization of HPA-23 in different rat organs: electron microprobe study / J.P. Berry, P. Galle // Exp. Mol. Pathol. - 1990. - 53 (3). - P. 255-264.
4. Пат. US 5041576 A; USA, C07F 9/92, C07F 9/90. Antiviral activity on HIV / Sadio H. Wasfi; №07/615,492; заявл. 19 ноя 1990; опубл. 20 авг 1991.
5. Sarafianos, Stefanos G. Mechanism of polyoxometalate-mediated inactivation of DNA polymerases: an analysis with HIV-1 reverse transcriptase indicates specificity for the DNA-binding cleft / Stefanos G. Sarafianos, Ulrich Kortz, Michael T. Pope, Mukund J. Modak // Biochem. J. - 1996. - vol. 319. - P. 619-626.
6. Inouye, Y. Structure-activity correlationship and strain specificity of polyoxometalates in anti-human immunodeficiency virus activity / Y. Inouye, Y. Fujimoto, M. Sugiyama, T. Yoshida, T. Yamase // Biol. Pharm. Bull. - 1995. - Vol. 18(7). - P. 996-1000.
7. Rodrigo , Jon West, Guy LaTorre, Larry Hench, and Anthony Brennan. Effect of Long-Term In Vitro Testing on the Properties of Bioactive Glass-Polysulfone Composites // Biomacromolecules. 2010. №11. P. 657-665.
8. Mehdi Shirazi, Theo G.M. van de Ven, and Gil Gamier. Adsorption of Modified Starches on Porous Glass // Langmuir. 2003. Vol. 19. No. 26. P. 10829-10834.
9. Пак B.H., Гавронская Ю.Ю., Буркат T.M. Пористые стекла и наноструктурированные материалы на их основе: Монография. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2013. - 129 с.
10. Yong Song Park, Yoshihiro Ito, Yukio Imanishi / Photocontrolled Gating by Polymer Brushes Grafted on Porous Glass Filter // Macromolecules 1998, №31, Pp 2606-2610.
11. T.A. Цыганова, В. А. Баянов, Д.С. Шевченко, О.В. Рахимова. Особенности взаимодействия «вторичного» кремнезема в поровом пространстве высококремнеземного стекла с молибдатом аммония в кислой среде // Журнал обшей химии. 2016. Т. 86. Вып. 7. С. 1229-1230.