用于过滤水的膜制造技术

公开了一种新型水膜，其包含引入功能性水通道蛋白的脂质双分子层。该脂质双分子层布置为包括亲水性或疏水性载体材料的夹层结构。还公开了一种包括反渗透过滤装置的水纯化装置/系统，所述反渗透过滤装置/系统包括具有功能性水通道蛋白的膜。还公开了纯化水的方法和制备膜的方法。此外，本发明专利技术提供了一种新型穿孔疏水性聚合物多孔膜和含有引入其它跨膜蛋白而不是水通道蛋白的膜。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】 本申请是中国专利申请CN201110008858. 9的分案申请，后者是中国专利申请 CN200680017301. 9的分案申请，原申请对应于国际申请号PCT/DK2006/000278。
本专利技术涉及一种新型膜，其包含适于过滤纯水和/或甘油的功能性水通道蛋白 (aquaporin)通道或四聚体，包含这种膜的过滤装置/纯化系统，和利用其生产超纯水以及 从含水组合物中提取过量水的方法。本专利技术还涉及新型疏水性聚合物膜。
技术介绍
已经传统地开发了用于纯化天然水源和受污染水源的各种水处理系统和方法，以 获得适于人和/或动物食用的纯化水。而且，半导体和制药工业对超纯水有很高的需求。 超纯水的生产要求更为专业的过滤器和对水源的化学处理。使用了多种技术，例如膜过滤、 离子交换、亚微米粒子过滤器或纳米过滤器、紫外光和臭氧处理等。生产的水非常纯并且只 含有零到非常低浓度的盐、有机成分、溶解的气体例如氧、悬浮固体和微生物例如病毒和细 菌。但是，由于诸如半导体工业中的持续微型化的因素，使得超纯水的规格变得日益严格。 传统上，水通过各种设计用于公共和使用点（point-of-use)应用的可用水处理 装置来纯化或处理，例如基于下列技术：活性碳除有机物；紫外光消毒；离子交换除硬度 (软化水），和膜脱盐例如反渗透（R0)或纳米过滤（NF)。但是，在水处理
中，纳米 过滤相对较新。NF膜通过截留在水中产生硬度的二价离子来产生软水。NF膜允许高百分 率的一价离子例如钠和氯通过，同时其截留高百分率的二价离子。由于一价离子产生渗透 压，所以需要中到高压来将水泵送通过R0膜。因此，纳米过滤膜将水泵送穿过膜所需的压 力要小得多，这是因为水压驱动力不必克服来自一价离子的渗透压。一般而言，用于住宅和 商业水处理应用的R0膜脱除约98%的全部溶解固体，而纳米过滤膜脱除约90%的二价离 子（硬度成分：钙和镁）和约50 %的一价离子（氯化钠）。 使用膜元件（例如R0或NF)的脱盐装置总是在水离开该元件时产生两股水流：脱 盐产品水（其已经穿过膜）和废盐水（其已经流过膜表面）。该废盐水流必须冲走膜上的 盐和矿物质，以防止其在膜表面累积和结垢。如果在对膜的给水中连续发生盐和矿物的累 积，则溶解的物质会沉淀并形成固体膜，使得膜表面结垢。此外，胶体和颗粒污染物也会粘 到膜表面并导致结垢。由于存在许多水生污染物，因此如果膜不可逆地结垢或积垢，则膜不 能被清洁而必须更换。膜法的这种特性尤其对于使用点（P0U)水处理系统带来在减少废物 排放方面的严重问题，使用点水处理系统通常紧凑并建造得尽可能经济。 离子交换装置也用于软化所谓的"硬水"。离子交换水软化系统的问题在于其通过 与钠离子交换而脱除水的硬度成分（钙和镁离子），从而生产所谓的"软水"。当进行离子交 换介质再生时，高浓度的钠、氯、钙和镁离子的水流进入下水道系统，产生环境废弃物处理 问题。这种水纯化系统的例子记载于题为"water purification system having plural pairs of filters and an ozone contact chamber"的美国专利 No. 5, 741，416 中，其公 开了一种水纯化系统，其有效氧化有机污染物并且消灭该水流中的大多数细菌、病毒和其 它微生物。涉及对一价阳离子具有选择性的透析膜系统也已在W02004/099088中公开。 因此，存在对用于一般家庭目的以及用于先进研宄、工业和制药目的的处理被或 可能被化学、生物和/或放射性污染物污染的水的水纯化系统的持续需求。 由于水污染或水污染威胁通常具有高度局部的特征，例如在船舶上或偏远山村或 营地中，因此需要可以迅速而容易地部署在实际或潜在污染场所的固定或便携的水纯化系 统。尤其相关的是能够有效除去例如海水等实际或潜在污染的水源中的污染物，以生产适 合人饮用的处理水。 由于发现了以选择性输送水分子穿过生物膜的能力为特征的水转运蛋白 aquaporin (水通道蛋白），对设计引入这些蛋白的人工水膜存在一定兴趣，参见美国专利 申请No. 20040049230 "Biomimetic membranes"，其涉及描述如何将水转运蛋白嵌入膜中 以实现水的纯化。所描述的优选形式具有常规的滤盘形式。为了制造这种盘，利用LB槽 (Langmuir-Blodgett trough)将5nm厚的合成三嵌段共聚物和蛋白质的单分子层沉积在 25mm商用超滤盘上。随后，利用紫外光照射该聚合物而使盘上的单分子层交联以提高其耐 久性。该装置可以通过将其安装在使加压水源穿过膜的室中来测试。但是，没有关于应该 如何选择合成三嵌段共聚物的指导，也没有嵌入的水通道蛋白实际功能的支持数据。 已经提出可以通过将水通道蛋白表达成脂质双分子层囊泡并将这些膜浇铸在 多孔载体上而创新水纯化技术，参见JamesR.Swartz，主页http：//chemenq. Stanford. edu/OlAbout theDepartment/03Faculty/Swartz/swartz. html〇 本专利技术主要目的在于开发一种包含引入膜中的水通道蛋白的工业用水过滤膜和 装置，其能够纯化最高纯度的水，例如100%。目前没有已知的技术或过滤器能够完成这项 任务。
技术实现思路
一方面，本专利技术涉及一种用于过滤水的膜，该膜利用在脂质囊泡中重组并转换成 支承层的水转运蛋白aquaporin(水通道蛋白），以利用例如Langmuir-Blodgett方法形成 水过滤膜。 本专利技术的水膜的优点包括：海水（97-98%的地球水为海水）的有效除盐，而不需 要除盐化学品和提供便携式除盐过滤器（一种类似于"咖啡过滤器"的能够分离水和盐的 装置），用于半导体工业的高效水纯化、耐用的家庭用水/饮用水纯化和不用电的水纯化， 例如用于第三世界国家。 因此，一方面，本专利技术涉及一种水膜，其包含具有至少两个渗透性载体层和隔开所 述渗透性载体层的至少一个包含功能性水通道蛋白水通道的脂质双分子层的夹层结构。这 样，该渗透性或多孔载体将允许水分子透过载体到达沉积在载体层之间的至少一个脂质双 分子层。然后，包含分散的功能性水通道蛋白通道的脂质双分子层只滤过水，或者在水通道 蛋白为GLpF通道的情况下还滤过甘油，使其到达对侧的多孔载体层，产生由纯水构成的滤 液。优选这种滤过的水为超纯水（UPW)，其是离子、颗粒、有机物和胶体含量低的高度纯化 水。本专利技术的水膜代表了利用已知最具选择性的水运输通道的新一代反渗透膜。 在本文中，"水膜"是指一种允许水通过而同时不允许大多数其它材料或物质通过 的结构。优选本专利技术的水膜基本只透过水（一些情况下透过甘油），而不许溶质和其它溶剂 通过。 本专利技术的第二方面涉及一种水膜，其包含具有至少两个脂单分子层的夹层结构， 当其组合成一个双分子层时，所述夹层结构包含功能性水通道蛋白水通道，并且所述至少 两个脂单分子层被至少一个渗透性载体层隔开。在这个实施方案中，当载体层包括穿孔时， 该渗透性载体层将能够形成脂质双分子层的两个脂单分子层隔开。 本专利技术的另一方面涉及一种水过滤装置，其包含本专利技术的水膜，任选密封在安装 于外壳中的稳定本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于从粗水源或盐水源生产纯化水的反渗透水过滤装置，其中所述装置包含膜，在所述膜中功能性水通道蛋白通道或者水‑甘油通道蛋白通道在脂质囊泡中重组并转换成支承层，以形成水过滤膜，所述粗水源或者盐水源中存在的水分子可穿过所述水过滤膜从而产生纯化水。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·霍姆·延森，达尼埃尔·凯勒，克劳斯·赫利克斯·尼尔森，
申请(专利权)人：水通道蛋白有限公司，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK