从原水制备透析液的方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及用于通过正向渗透来生产即用型透析液的中空纤维膜过滤装置，以及用于通过正向渗透从原水和液体透析浓缩物来制备即用型透析液的成本有效且简单的方法和系统。型透析液的成本有效且简单的方法和系统。型透析液的成本有效且简单的方法和系统。

【技术实现步骤摘要】
从原水制备透析液的方法和系统


[0001]本专利技术涉及用于通过正向渗透来生产即用型透析液的中空纤维膜过滤装置，以及用于通过正向渗透从原水和液体透析浓缩物来制备即用型透析液的成本有效且简单的方法和系统。
[0002]相关技术描述
[0003]终末期肾病(ESKD)是全球发病率和死亡率的主要原因。肾脏替代疗法(RRT)如腹膜透析和血液透析是用于ESKD患者的主要救生疗法。在2010年，全球患者人数估计在4.902至9.701百万之间，并且预计在未来几十年内将大幅增加，包括纯水以及提供此类RRT的中心的供应有限的地区和患者。血液透析是RRT患者最常用的治疗方法，尽管腹膜透析也需要大量的透析液或在消耗纯水的条件下在线生成这种透析液。在血液透析治疗期间，使用大量超纯水来稀释透析浓缩物以制备透析液。在4小时的疗程期间，患者需要约120至200升的液体(Hoenich and Ronco,Blood Purif 2007；25:62-68)，并排出相同量的医用废水。关键操作包括在患者的血液和准备好的称为透析液的液体之间交换液体和溶质。透析液通常通过在线混合透析浓缩物(A部分)和缓冲剂(B部分)与超纯水流而产生，该超纯水流通常由安装在诊所或治疗中心中的单独的反渗透(RO)系统产生。典型的稀释方案是1.0份A部分、1.225份B部分和32.775份超纯水。对于任何患者，大量纯水需要特别注意热原、细菌污染和储存等。如果大大减少用水量，则可开发便携式透析以用于诊所、内部或个人血液透析治疗，并且患者可受益于更大的便利、更多的自由和更好的生活。
[0004]由于仪器成本高、维护成本高和潜在的污染，实际上禁止为每位患者在家中安装生产用于透析的纯水的小型RO机。然而，一些出版物已描述了使用RO从自来水生产纯水以制备透析液(US 10099179 B2)。
[0005]本文所用的表述“纯水”是指经纯化并可用于血液透析的水。要求用于透析的水含有<100菌落形成单位/ml(CFU/ml)(使用敏感的微生物学方法)，以及<0.5，优选<0.25的内毒素单位/ml(EU/ml)(使用鲎变形细胞溶解物(lAl)测定法)。它还通过有毒化学品和透析液电解质的最大允许水平和微量元素的最大允许水平进一步定义，如ISO13959:2014中所述。
[0006]因此，本申请的专利技术人已开始探索正向渗透(FO)作为潜在的低成本、低能量和低维护成本的替代品的潜力。在渗透压梯度的驱动下，FO是静音且理想的医疗器械，特别是在家庭环境中。与压力驱动的RO工艺不同，FO膜不那么容易发生不可逆的积垢和结垢(Chen et al.,Desalination 366(2015):113-120)，因此需要较少的反洗或化学清洁剂。这种方法有可能通过减少从主要诊所中心到患者的纯水分配来取代目前的透析液制备操作。Smith等人(J Mem Sci(2014):469,95-111)报道了使用螺旋缠绕的反渗透聚酰胺膜元件通过将经预处理的自来水作为进料溶液来稀释透析浓缩物，并提供了用于这种应用的一些理论上的考虑。然而，关于使用FO来稀释透析浓缩物的报道在其他方面非常有限，即使高盐水透析液浓缩物和自来水之间的渗透压的巨大差异是将渗透稀释用于该特定应用的坚实理由。到目前为止，主要描述了用于废水管理和脱盐的FO使用(US 9248419 B2)。
[0007]与之相比，在一些出版物中已描述了使用FO来再生用过的透析液。例如，Talaat描述了通过将用过的透析液水通过三乙酸纤维素(CTA)膜正向渗透而成功回收其中的38％(Talaat,Artificial Organs 33(2009):1133-1135)。US 20170065762 A1公开了在肾替代疗法期间将用过的透析液再循环，用FO膜来制备新鲜重构液，其中这些FO膜具有纳米通道，其由例如纳米管或水通道蛋白(aquaporin)水通道(water channel)组成。
[0008]在正向渗透处理中，支撑层中溶质的内部浓度极化对膜的水渗透体积具有主要影响。在正向渗透处理中，经浓缩(汲取)的溶液位于夹住膜的一侧，而稀释(进料)溶液位于另一侧，并且两种溶液之间的渗透压差异用作驱动力，以使水从进料侧迁移到汲取侧。为了在此期间增加正向渗透膜的水渗透体积，重要的是最大限度地减少支撑层(该支撑层增强显示半透膜性能的薄膜层)中溶质的内部浓度极化，以增加薄膜层的有效渗透压差。用于FO应用的膜在本领域中是已知的。常规的RO膜是三乙酸纤维素(CTA膜)，但也描述了基于聚砜的膜，其中多孔层涂覆有薄的聚酰胺膜。因此，它们被称为薄膜复合(TFC)FO膜。
[0009]在WO 2012102678 A1中，描述了一种正向渗透膜，其可以采用中空纤维的形式，并且包括多孔支撑层和在支撑层的外侧上形成的薄膜。该膜用于脱盐、废水处理以及气体和食品生产。
[0010]WO 2017045983 A1描述了由多种基础材料制成的种类繁多的RO、微滤和FO膜，并且一般性地建议其用于水处理应用、脱盐、质壁分离、食品加工和透析。
[0011]US 9193611 B2描述了TFC膜，其包含基于磺化聚合物的基底层和聚酰胺膜层，并建议了它们在FO中例如在废水处理、脱盐、药物和食品加工中的用途以及用于便携式饮用水再利用装置的用途。
[0012]EP 3181215 A1公开了一种正向渗透膜，其中具有半透膜性能的薄膜层被层压在聚酮支撑层上，其中薄膜层由乙酸纤维素、聚酰胺、聚乙烯醇/聚哌嗪酰胺复合膜、磺化聚醚砜、聚哌嗪酰胺或聚酰亚胺制成。建议该膜用于发电应用。
[0013]然而，提供具有成本效益、稳定且有效的FO膜和装置仍然是一个挑战，其中该装置可以简单方式有利地用于医疗应用中的纯水生产，例如由原水生成透析液。
[0014]在本申请中，本专利技术人提供了具有成本效益、易于生产的正向渗透膜，并且其可用于通过使用自来水或原水以令人惊讶的高效率来制备透析液。选择市售CTA膜作为分析在血液透析中使用渗透稀释的可能性的基准，并与基于可商购的涂覆有薄聚酰胺层的中空纤维血液透析膜的薄膜复合FO中空纤维膜进行比较。据我们所知，这项工作是第一个应用基于聚酰胺涂覆的血液透析中空纤维膜的FO膜以可放大的可控的工艺来从原水制备透析液的示例。
[0015]专利技术概述
[0016]本专利技术的一个目的是提供一种简单、成本有效且易于获取和可生产的中空纤维膜过滤装置，该装置可用于例如在没有通过反渗透生成纯水的基础设施的情况下或条件下通过正向渗透产生即用型透析液。专利技术人发现，可使用包括现有技术的高通量的基于聚砜或聚醚砜的中空纤维膜的已知且可商购的血液透析器，在中空纤维的内腔表面上进行间苯二胺和均苯三甲酰氯的公知的界面聚合之后，作为正向渗透膜和装置。在所述改性之后，通过使用原水(例如自来水)作为进料溶液和使用透析浓缩物作为汲取溶液，透析器可有效地用于从所述原水制备即用型透析液的方法中。在所述方法中，将原水进料到并通过过滤装置
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种中空纤维膜过滤装置(1)，其用于通过正向渗透产生用于血液透析的即用型透析液，所述装置包括多个中空纤维(2)，所述中空纤维轴向延伸穿过圆柱形壳体(3)并在其开口端嵌入并保持在模塑料(4)中，由此将所述中空纤维与第一流体室(5)分隔，所述第一流体室由所述中空纤维的外表面和所述壳体的内表面限定，其中所述第一流体室具有第一流体入口(6)和第一流体出口(7)，两者均设置在壳体上；并且所述装置还包括第二流体入口(8)和第二流体出口(9)，其与由中空纤维的内部限定的第二流体室(10)连通，其特征在于，所述中空纤维由包含中空纤维支撑膜和所述中空纤维支撑膜的内腔侧上的聚酰胺层的复合膜组成，所述中空纤维支撑膜由80-99wt％的选自聚砜(PS)、聚醚砜(PES)和聚芳醚砜(PAES)的至少一种疏水性聚合物和1-20wt％的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)组成。2.根据权利要求1所述的中空纤维膜过滤装置，其中所述复合中空纤维膜显示10.0L/hm2至20.0L/hm2的平均渗透流速。3.根据权利要求1或2所述的中空纤维膜过滤装置，其中所述复合中空纤维膜的盐渗透系数为0.14L/m2h至0.24L/m2h。4.根据权利要求1至3中任一项所述的中空纤维膜过滤装置，其中所述复合中空纤维膜的总壁厚为27μm至50μm，且内径为170μm至230μm。5.根据权利要求1至4中任一项所述的中空纤维膜过滤装置，其中所述复合中空纤维膜包括中空纤维支撑膜和存在于中空纤维的内腔侧的致密层上的厚度为5nm至500nm的聚酰胺层，所述中空纤维支撑膜具有不对称三层结构，其由以下组成：中空纤维的内腔侧上的致密层，其厚度小于0.6μm；接着是具有海绵结构的支撑层，其厚度为1至15μm；以及具有指状结构的第三层，其厚度为25至50μm。6.根据权利要求1至5中任一项所述的中空纤维膜过滤装置，其中总的可用膜表面积为1.5至2.8m2，并且所述壳体内的中空纤维的填充密度为45％至70％。。7.一种用于制备根据权利要求1-5中任一项所述的中空纤维膜过滤装置的方法，其中通过界面聚合将聚酰胺层施加到中空纤维支撑膜的内腔侧。8.一种用于制备根据权利要求1至7中任一项所述的中空纤维膜过滤装置的方法，其包括以下步骤：a)使中空纤维支撑膜的内腔侧与间苯二胺(MPD)水溶液接触；b)使所述MPD溶液与表面接触1至4分钟；c)通过用惰性气体吹干纤维的内部来去除过量的MPD溶液；d)使中空纤维膜的内侧与TMC-己烷溶液接触；e)使TMC-己烷溶液与表面接触0.5至2分钟；f)使温度为85℃至95℃的热水在中空纤维膜的内腔中循环3至10分钟，以使新生的聚酰胺层固化；g)在进一步使用之前，任选地将中空纤维膜储存在去离子水中。9.根据权利要求8所述的方法，其中步骤(f)可备选地包括将所述中空纤维膜或所述中空纤维膜过滤装置储存在温度为100℃
±
20℃的烘箱中。10.一种用于通过正向渗透从原水制备即用型透析液的方法，该方法包括以下步骤：
a)提供一种中空纤维膜过滤装置，其包括多个正向渗透中空纤维膜(2)，所述中空纤维膜轴向延伸穿过圆柱形壳体(3)并在其开口端嵌入并保持在模塑料(4)中，由此将...

【专利技术属性】
技术研发人员：何涛，赵书威，窦鹏佳，宋健峰，马库斯，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：