抗生物膜和抗微生物功能性膜间隔物制造技术

本文公开了用于在液体中(例如，水性介质)对抗生物积垢的方法，其通过在所述水性介质中提供至少一个激光诱导的石墨烯(LIG)层涂覆的表面。本文特别优选地公开了用于处理水的方法和装置，包括使水流通过装配有至少一个间隔物的膜模块，所述间隔物涂覆有至少一个LIG层，并且任选地，通过向所述至少一个LIG层施加电势以实现水流中的杀菌作用。具体地，本文公开了水处理应用中适合在膜模块中用作间隔物的聚合网，所述网至少部分地涂覆有LIG。

Anti-biofilm and anti-microbial functional membrane spacer

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】抗生物膜和抗微生物功能性膜间隔物本专利技术一般涉及防止液体介质中(例如在水处理技术中)的表面积垢。更具体地，本专利技术涉及预防积垢、生物积垢和细菌或微生物生长的方法，例如在固体表面上，例如在水处理装置(例如膜或隔离物)中，涉及在这些应用中使用石墨烯(例如激光诱导的石墨烯)以及可进一步适于防止所述积垢的抗微生物和/或抗生物膜间隔物(spacer)组件，例如通过原位提供电流，尤其用于产生反应性物质，例如活性氯物质和活性氧物质，并且通过电效应直接杀伤微生物，或与石墨烯表面接触。平板膜目前用于许多水处理应用，包括微滤，超滤，纳米过滤和反渗透。这些平板膜通常配置成螺旋缠绕元件。螺旋缠绕模块元件的一个关键组件是织造或非织造网间隔物(功能性间隔物)，其对膜提供了关键的机械支持，提供了缠绕膜片和组件之间的物理分离，并通过涡流和不同的流动模式来增强进料通道中溶液的混合。已经投入了大量精力来研究间隔物几何形状用于优化质量传递和机械能耗方面的性能；然而，尚未解决的主要问题是在间隔物上或在间隔物附近的膜上形成生物膜(biofilm)。因此，研发低积垢的间隔物将大大增加膜模块元件寿命，通过减少膜就地清洗过程的数量和频率来降低操作成本并提高膜的生产率，总体减少能量的成本和膜更换成本。石墨烯具有许多显著的机械和电气性能。其在相同尺寸下比钢强得多，并且是可拉伸的。其导热性和导电性非常高，并且可以用作柔性导体(“2010年诺贝尔物理学奖的科学背景——石墨烯”(ScientificBackgroundontheNobelPrizeinPhysics2010,GRAPHENE)，瑞典皇家科学院(TheRoyalSwedishAcademyofScience))。通常，石墨烯含有不超过10个碳层。已经建议将石墨烯作为水-过滤膜涂层组件，如例如美国专利申请20160023167中所述。相似地，已经公开了碳纳米管作为水-过滤组分，例如在美国专利申请20120234694中所述，并且也建议将其用于通过喷墨印刷的膜涂层中，如例如PCT公开WO2015/079442中所述。此外，PCT公开WO2013/050595描述了通过10毫秒100V的20Hz脉冲10分钟将涂覆有碳纳米管的生物膜电穿孔，并且PCT公开WO2014/117255描述了通过逸出气体(evolvinggas)清洁碳纳米管涂覆的膜。已经公开了激光诱导的石墨烯(LIG)，例如在WO2015/175060中。LIG可以使用激光切割设备在聚合表面产生，例如，聚酰亚胺片材。由于该方法的设备的性质，LIG可以图案应用。该石墨烯薄层是导电的并且可以用作电化学反应的电极(JianLin等2015，来自商业聚合物的激光诱导的多孔石墨烯薄膜(Laser-inducedporousgraphenefilmsfromcommercialpolymers).Nat.Commun.；5:5714.doi:10.1038/ncomms6714)。本领域需要提供用于水处理系统有效地防止生物积垢的间隔物组件。本领域还需要提供一种清洁水处理膜的方法。本领域还需要提供在生物积垢微生物群附近产生足够量的活性氯或活性氧物质(例如H2O2)以在不降解膜本身的情况下除去或抑制生物积垢的方法。本专利技术的专利技术人已经发现，激光诱导的石墨烯(LIG)具有抗微生物和抗生物膜(anti-biofilm)性能。LIG包含一个或多个层，例如，平均约3层，它通常是乱层的，意味着层之间没有顺序。LIG可以在聚合物片材(例如，聚酰亚胺片材)的聚合物表面形成，并且取决于制造条件，可以呈现不同的形状和形态，包括LIG纳米纤维或卷曲的石墨烯结构(LIG)。术语“LIG”涵盖所有这些形状和形态。通常，LIG是单层或几片多晶碳层，例如小于10层，其中原子以多个多边形构型排列，例如五边形、六边形和七边形结构，这与仅由sp2-氢化碳六边形组成的“经典”石墨烯不同。因此，术语“激光诱导的石墨烯”和/或“LIG”涵盖这样的分子，其以多晶乱层碳层作为结构，以五边形、六边形和七边形构型排列，处于任何形状或形态。我们已经发现在LIG或LIG涂覆的组件存在的情况下细菌不会附着或产生生物膜，并且，细菌与LIG表面接触将会导致细胞失活，这可以被称为被LIG涂层“被动抗生物积垢”。本专利技术人另外发现，将电流施加到水处理装置组件(例如，间隔物组件)的表面(例如，LIG涂覆的组件的表面)的留置电极提供了有效的生物积垢控制。不受理论的束缚，据信在离子存在下的情况下，例如存在于例如海水或盐水中的氯离子的情况下，电流以可控的方式产生如下文所定义的活性氯和活性氧物质，和/或将微生物吸引至LIG涂覆组件的附近。该方面可称为“主动抗生物积垢”。
技术实现思路
在一些方面中，本专利技术提供了在液体介质中(例如，在水性或非水性介质中)对抗生物积垢的方法，包括在所述液体介质中提供至少一个包含激光诱导的石墨烯的表面。包含激光诱导的石墨烯的表面可以是用至少一个激光诱导的石墨烯(LIG)层涂覆的表面。在一些实施方式中，包含激光诱导的石墨烯的表面可以是在被LIG涂覆之前易于形成生物膜的表面。有时，表面包括聚合材料。在这些实施方式中，该方法包括将LIG层施用于所述聚合物材料上，例如，用至少一层LIG涂覆所述聚合材料，以在其上形成LIG层。附加地或替代地，该方法包括用激光束照射所述表面以在其上形成LIG层。在一些实施方式中，易于形成生物膜的表面是管道、船只、燃料储存罐或水处理装置中的元件的表面。在一些特别优选的实施方式中，水处理装置中的元件是膜间隔物。在其他实施方式中，方法包括向所述LIG膜施加电势。优选地，所述电势介于0.5V和5V之间的范围，例如，介于1.1V和4.5V之间，或更优选，介于1.1V至3.5V之间的范围，例如，介于1.5V和3.5V。可以将电势连续施用指定时间段。时间段优选至少1秒长。另一方面，本文提供了处理水的方法。该方法包括使水流通过装配有至少一个间隔物的膜模块，所述间隔物涂覆有至少一层LIG。该方法还包括向所述至少一个LIG层施加电势以在所述水流中实现杀菌作用。在其他方面，本文提供了聚合网间隔物，其适合用于水处理应用中用于膜模块中。该膜间隔物至少部分地涂覆有激光诱导的石墨烯(LIG)。该网间隔物包含聚合物，优选聚酰亚胺，例如，该网间隔物包含聚(4,4'-氧二亚苯基-均苯四甲酰亚胺)。在一些实施方式中，网间隔物涂覆有至少两个单独间隔开的LIG图案。在其他一些实施方式中，网可以包括用于电连接LIG层的机构。优选地，这些层电连接至至少一个电源。在其他方面，本文提供了处理水装置。该水处理装置可以包括膜模块和设置其中的间隔物，例如，膜间隔物。优选地，间隔物可以包括电极材料，更优选地是该电极材料由LIG组成。在一些实施方式中，电极材料可以置于间隔物上以形成至少两个间隔开的电极。附图说明图1a显示了在气体辅助下制造LIG。图1b显示了用气体箱制造LIG。图2显示了在不同气氛下制备的LIG样品的俯视SEM图像。从喷嘴吹过：(a)空气，(b)3％H2/Ar；从气体箱流过：(c)O2，(d)空气，(e)Ar(氩)，(f)H2(氢气)。比例尺：2μm。插入的突变是液滴在LIG表面扩散和站立。图3显示了在不同气氛下制备的L本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在水性介质中对抗生物积垢或控制微生物的方法，其包括在所述水性介质中提供至少一个激光诱导的石墨烯(LIG)层涂覆的表面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.16 US 62/336,794;2017.02.05 US 62/454,8111.一种用于在水性介质中对抗生物积垢或控制微生物的方法，其包括在所述水性介质中提供至少一个激光诱导的石墨烯(LIG)层涂覆的表面。2.如权利要求1所述的方法，其包括用至少一个LIG层涂覆易于形成生物膜的表面。3.如权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，所述表面包括聚合物材料，其中所述方法包括将所述激光诱导的石墨烯的层施加到所述聚合物材料上以在其上形成LIG层。4.如权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，所述表面包括聚合物材料，其中所述方法包括用激光束照射所述表面以在其上形成LIG层。5.如权利要求2-4中任一项所述的方法，其中，所述易于形成生物膜的表面是管道、船只、燃料储存罐或水处理装置中的元件的表面。6.如权利要求5所述的方法，其中，所述水处理装置中的元件是膜间隔物。7.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括向所述LIG层施加电势。8.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·J·阿娜什，S·P·辛格，F·萨古纳拉，Y·奥伦，J·M·托尔，李亦伦，
申请(专利权)人：本古里安大学BG内盖夫科技和应用有限公司，威廉马歇莱思大学，
类型：发明
国别省市：以色列,IL