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ES2663129B2 - Double-acting electro-spun membranes for water treatment - Google Patents
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María Jesús MARTÍNEZ BUENO
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    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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Abstract

Membranas electrohiladas de doble acción para tratamiento de agua. La presente invención consiste en un procedimiento para la fabricación de membranas activas basadas en fibras submicrométricas que combinan una acción antimicrobiana con la capacidad de retención de contaminantes apolares en solución acuosa. Las membranas se producen mediante un procedimiento de electrohilado en disolución acuosa a partir de mezclas de un poliácido y un polialcohol solubles en agua que se estabilizan mediante un procedimiento de curado y se post-funcionalizan mediante la incorporación de dendrímeros con terminación amino mediante un procedimiento de injertado can ayuda de un agente de acoplamiento. La aplicación del material es la producción de membranas o componentes de membranas multicapa para tratamiento de agua con acción antimicrobiana y con capacidad para retener contaminantes apolares.Double-acting electro-spun membranes for water treatment. The present invention consists of a process for the manufacture of active membranes based on submicron fibers that combine an antimicrobial action with the ability to retain apolar pollutants in aqueous solution. The membranes are produced by an electro-spinning process in aqueous solution from mixtures of a water-soluble polyacid and polyalcohol that are stabilized by a curing process and post-functionalized by incorporating dendrimers with amino termination by a process of grafted with the aid of a coupling agent. The application of the material is the production of membranes or components of multilayer membranes for water treatment with antimicrobial action and with the ability to retain apolar contaminants.

Description

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DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

MEMBRANAS ELECTROHILADAS DE DOBLE ACCIÓN PARA TRATAMIENTO DEDOUBLE ACTION ELECTROWAVE MEMBRANES FOR TREATMENT OF

AGUAWATER

SECTOR DE LA TÉCNICASECTOR OF THE TECHNIQUE

La presente invención se encuadra dentro del sector de la tecnología de materiales, en el subsector de la tecnología de membranas con aplicación en procesos de tratamiento de aguas.The present invention falls within the field of materials technology, in the subsector of membrane technology with application in water treatment processes.

ESTADO DE LA TÉCNICASTATE OF THE TECHNIQUE

Los dendrímeros son poliméricos monodispersos hiperramificados que constan de un núcleo central del que emergen ramificaciones radiales conocidas como dendrones que crecen en capas sucesivas llamadas generaciones (F. Vógtle, G. Richardt, N. Werner, Dendrimer Chemistry: Concepts, Syntheses, Properties, Applications, 2009). Son macromoléculas con una estructura globular y altamente simétrica que expone un gran número de grupos terminales de superficie, lo que les imparte gran versatilidad en términos de funcionalización química. Además, poseen cavidades internas relativamente grandes que les permiten encapsular moléculas en su interior (M. Malkoch, E. Malmstróm, A.M. Nystrom, Dendrimers: Properties and Applications, ¡n: Polymer Science: A Comprehensive Reference, 10, 113-176, 2012). Los dendrímeros se han utilizado y probado para una amplia gama de aplicaciones tales como catalizador, de detección, ambiental y usos biomédicos (D. Astruc, F. Chardac, Chem. Rev., 101, 2991,2001; D. Astruc, E. Boisselier, C. Ornelas, Chem. Rev., 110, 1857, 2010; S. Svenson, D.A. Tomalia, Adv. Drug Del. Rev., 57, 2106, 2005; M.M. Khin, A.S. Nair, V.J. Babu, R. Murugan, S. Ramakrishna, Energy Env. Sc¡., 5, 8075, 2012).The dendrimers are hyperbranched monodispersed polymers that consist of a central nucleus from which radial branches known as dendrons that grow in successive layers called generations emerge (F. Vógtle, G. Richardt, N. Werner, Dendrimer Chemistry: Concepts, Syntheses, Properties, Applications , 2009). They are macromolecules with a globular and highly symmetrical structure that exposes a large number of surface terminal groups, which imparts great versatility in terms of chemical functionalization. In addition, they have relatively large internal cavities that allow them to encapsulate molecules inside (M. Malkoch, E. Malmstróm, AM Nystrom, Dendrimers: Properties and Applications, n: Polymer Science: A Comprehensive Reference, 10, 113-176, 2012 ). Dendrimers have been used and tested for a wide range of applications such as catalyst, detection, environmental and biomedical applications (D. Astruc, F. Chardac, Chem. Rev., 101, 2991,2001; D. Astruc, E. Boisselier, C. Ornelas, Chem. Rev., 110, 1857, 2010; S. Svenson, DA Tomalia, Adv. Drug Del. Rev., 57, 2106, 2005; MM Khin, AS Nair, VJ Babu, R. Murugan , S. Ramakrishna, Energy Env. Sc¡., 5, 8075, 2012).

El anclaje de dendrímeros a superficies se ha propuesto para diversas aplicaciones tales como la preparación de catalizadores soportados mediante la inclusión de metales en las moléculas de dendrímero (J. Ledesma-García, I.L. Escalante García, F.J. Rodríguez, T.W. Chapman, L.A. Godínez, J. Appl. Electrochem., 38, 515, 2008; A. Bukowska, W. Bukowski, K. Bester, S. Flaga, RSC Advances, 5,49036,2015). El procedimiento se ha usado también para la síntesis de catalizadores basados en nanopartículas de oro funcionalizadas con dendrímeros G2 anclados a polipropllenimina (PPI) y para la encapsulación de nanopartículas de rutenio posteriormente inmovilizadas en sílice (E. Murugan, R.The anchoring of dendrimers to surfaces has been proposed for various applications such as the preparation of supported catalysts by including metals in dendrimer molecules (J. Ledesma-García, IL Escalante García, FJ Rodríguez, TW Chapman, LA Godínez, J Appl. Electrochem., 38, 515, 2008; A. Bukowska, W. Bukowski, K. Bester, S. Flaga, RSC Advances, 5,49036,2015). The procedure has also been used for the synthesis of catalysts based on gold nanoparticles functionalized with polypropyleneimine-anchored G2 dendrimers (PPI) and for the encapsulation of ruthenium nanoparticles subsequently immobilized on silica (E. Murugan, R.

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Rangasamy, J. Polym. Sc¡. Polym. Chem., 48, 2525, 2010; N.C. Antonels, M. Benjamin Williams, R. Meijboom, M. Haumann, J. Molec. Catal. Chem., 421, 156, 2016). La elevada densidad de grupos amino terminales se ha aprovechado para preparar catalizadores para la reacción de condensación de Knoevenagel a partir de dendrímeros PPI G3 injertados en polisilano (K. Mangala, K. Sreekumar, J. Appl. Polym. Sci., 132, 11, 2015). También se han propuesto dendrímeros ¿de/con? superficie inmovilizada para la creación de diferentes tipos de sensores dendríticos [Z. Altintas, Y. Uludag, Y. Gurbuz, I. Tothill, Anal. Chim. Acta, 712, 138, 2012; J. Satija, B. Karunakaran, S. Mukherji, RSC Advances, 4, 15841, 2014; O. Valdés, C. Vergara, F.M. Nachtigall, Z. Lopez-Cabaña, J. Tapia, L.S. Santos, Tetrahedron Lett., 57, 2468, 2016). En aplicaciones biomédicas se han propuesto membranas activas modificadas con dendrímeros poliamídoamina (PAMAM) para captura celular incluyendo dendrímeros modificados con ácido fólico para captura de las células cancerosas que sobreexpresan receptores del ácido fólico (P.M. Zhang, M.X. Gao, X.M. Zhang, Talanta, 153, 366, 2016; Y. Zhao, X. Zhu, H. Liu, Y. Luo, S. Wang, M. Shen, M. Zhu, X. Shi, J. Mater. Chem. B, 2, 7384, 2014). Se han propuesto aplicaciones ambientales para dendrímeros PAMAM funcionalizados con complejos porfirina-metal y soportados sobre sílice mesoporosa para la extracción de nitrosaminas de agua (M.M. Sanagi, M.H. Chong, S. Endud, W.A.W. Ibrahim, l. Ali, Micropor. Mesopor. Mater., 213, 68, 2015). Dendrímeros PPI en membranas de celulosa se han utilizado para la retención selectiva de metales pesados en agua (M. Algarra, M.l. Vázquez, B. Alonso, C.M. Casado, J. Casado, J. Benavente, Chem. Eng. J„ 253, 472, 253).Rangasamy, J. Polym. Sc. Polym Chem., 48, 2525, 2010; N.C. Antonels, M. Benjamin Williams, R. Meijboom, M. Haumann, J. Molec. Catal. Chem., 421, 156, 2016). The high density of amino terminal groups has been used to prepare catalysts for the condensation reaction of Knoevenagel from polysilane-grafted PPI G3 dendrimers (K. Mangala, K. Sreekumar, J. Appl. Polym. Sci., 132, 11 , 2015). Dendrimers have also been proposed of / with? surface immobilized for the creation of different types of dendritic sensors [Z. Altintas, Y. Uludag, Y. Gurbuz, I. Tothill, Anal. Chim. Acta, 712, 138, 2012; J. Satija, B. Karunakaran, S. Mukherji, RSC Advances, 4, 15841, 2014; O. Valdés, C. Vergara, F.M. Nachtigall, Z. Lopez-Cabaña, J. Tapia, L.S. Santos, Tetrahedron Lett., 57, 2468, 2016). In biomedical applications, active membranes modified with polyamidoamine dendrimers (PAMAM) have been proposed for cell capture including folic acid modified dendrimers for capturing cancer cells that overexpress folic acid receptors (PM Zhang, MX Gao, XM Zhang, Talanta, 153, 366, 2016; Y. Zhao, X. Zhu, H. Liu, Y. Luo, S. Wang, M. Shen, M. Zhu, X. Shi, J. Mater. Chem. B, 2, 7384, 2014) . Environmental applications have been proposed for PAMAM dendrimers functionalized with porphyrin-metal complexes and supported on mesoporous silica for the extraction of water nitrosamines (MM Sanagi, MH Chong, S. Endud, WAW Ibrahim, L. Ali, Micropor. Mesopor. Mater. , 213, 68, 2015). PPI dendrimers in cellulose membranes have been used for the selective retention of heavy metals in water (M. Algarra, Ml Vázquez, B. Alonso, CM Casado, J. Casado, J. Benavente, Chem. Eng. J „253, 472 , 253).

El electrohilado es la única técnica general disponible para la producción de fibras submicrométricas en el que un chorro de fluido se proyecta desde un capilar gracias a una diferencia de potencial entre la punta del mismo y un electrodo colector conectado a tierra del orden de decenas de miles de voltios. Como resultado, el chorro cargado se acelera hacia el colector a la vez que se evapora el disolvente dando lugar a una fibra sólida que puede formar un conjunto ordenado o una matriz no tejida (P.K. Bhattacharjee, G.C. Rutledge, Electrospinning and polymer nanofibers: Process fundamentáis, in: Comprehensive Biomaterials, 2011, pp. 497-512). Las fibras electrohiladas pueden recibir una amplia gama de aplicaciones gracias a su elevada relación de superficie ¿a? volumen y la versatilidad del método para producir fibras con gran variedad de modificaciones químicas o físicas mediante la incorporación de materiales no hilables (A. Greiner, J.H. Wendorff, Angew. Chem. Int. Ed„ 46, 5670, 2007). La fabricación de fibras bioactivas esElectro-spinning is the only general technique available for the production of submicron fibers in which a fluid stream projects from a capillary thanks to a potential difference between the tip of the capillary and a grounding collector electrode of the order of tens of thousands of volts As a result, the charged jet is accelerated towards the collector while the solvent evaporates resulting in a solid fiber that can form an ordered array or a non-woven matrix (PK Bhattacharjee, GC Rutledge, Electrospinning and polymer nanofibers: Process fundamentáis , in: Comprehensive Biomaterials, 2011, pp. 497-512). Electro-spun fibers can receive a wide range of applications thanks to their high surface ratio. volume and versatility of the method for producing fibers with a wide variety of chemical or physical modifications by incorporating non-spun materials (A. Greiner, J.H. Wendorff, Angew. Chem. Int. Ed „46, 5670, 2007). The manufacture of bioactive fibers is

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una de las áreas más estudiadas incluyendo materiales antimicrobianos, soportes para la ingeniería de tejidos, fibras para la liberación controlada de fármacos o apósitos para heridas entre otras aplicaciones (J. Quirós, K. Boltes, R. Rosal, Polym. Rev., 56,631,2016). Las aplicaciones ambientales de las membranas submicrométricas incluyen su uso como membranas para filtración de agua con mínima caída de presión y las fibras capaces de incorporar funcionalizaciones para remediación (V. Thavasi, G. Singh, S. Ramakrishna, Energy Environ. Sci., 1, 205, 2008).one of the most studied areas including antimicrobial materials, tissue engineering supports, fibers for the controlled release of drugs or wound dressings among other applications (J. Quirós, K. Boltes, R. Rosal, Polym. Rev., 56,631 , 2016). The environmental applications of submicron membranes include their use as membranes for water filtration with minimal pressure drop and fibers capable of incorporating functionalizations for remediation (V. Thavasi, G. Singh, S. Ramakrishna, Energy Environ. Sci., 1 , 205, 2008).

El poli (ácido acrílico) (Poly(acrylic acid), PAA) y alcohol polivinílico (Poly(vínyl alcohol), PVA), son polímeros solubles en agua que pueden ser procesados sin el uso de disolventes orgánicos. En particular, el electrohilado de soluciones de PAA o PVA puede producir materiales fibrosos ultrafinos que no se pueden obtener por técnicas de hilado convencionales. Se han propuesto diversas aplicaciones para fibras electrohiladas de PAA o PVA como materiales de filtración y para ingeniería biomédica (B. Kim, H. Park, S.H. Lee, W.M. Sigmund, Mat. Lett., 59, 829, 2005; C. Zhang, X. Yuan, L. Wu, Y. Han, J. Sheng, Eur. Polym. J., 41, 423, 2005). Las fibras mixtas de PAA y PVA pueden ser reticuladas fácilmente con diferente comportamiento de hinchamiento en función del tiempo y temperatura del procesado, del peso molecular de los polímeros y de su relación de mezcla (K. Kumeta, I. Nagashima, S. Matsui, K. Mizoguchi, J. Appl. Polym. Sci., 90, 2420, 2003). La actividad antimicrobiana de polímeros de PAA ricos se ha documentado recientemente (G. Gratzl, S. Walkner, S. Hild, A.W. Hassel, H.K. Weber, C. Paulik, Colloids Surf. Biointerfaces, 126, 98, 2015; J. Santiago-Morales, G. Amariei, P. Letón, R. Rosal, Colloids Surf. Biointerfaces, 146, 144, 2016).Poly (acrylic acid) (PAA) and polyvinyl alcohol (Poly (vinyl alcohol), PVA), are water soluble polymers that can be processed without the use of organic solvents. In particular, the electro-spinning of PAA or PVA solutions can produce ultrafine fibrous materials that cannot be obtained by conventional spinning techniques. Various applications for PAA or PVA electro-spun fibers have been proposed as filtration materials and for biomedical engineering (B. Kim, H. Park, SH Lee, WM Sigmund, Mat. Lett., 59, 829, 2005; C. Zhang, X. Yuan, L. Wu, Y. Han, J. Sheng, Eur. Polym. J., 41, 423, 2005). The mixed fibers of PAA and PVA can be easily crosslinked with different swelling behavior depending on the time and temperature of the processing, the molecular weight of the polymers and their mixing ratio (K. Kumeta, I. Nagashima, S. Matsui, K. Mizoguchi, J. Appl. Polym. Sci., 90, 2420, 2003). The antimicrobial activity of rich PAA polymers has been recently documented (G. Gratzl, S. Walkner, S. Hild, AW Hassel, HK Weber, C. Paulik, Colloids Surf. Biointerfaces, 126, 98, 2015; J. Santiago- Morales, G. Amariei, P. Letón, R. Rosal, Colloids Surf. Biointerfaces, 146, 144, 2016).

No se encuentran ejemplos de fibras funcionalizadas basadas en combinaciones poiiácido- poliol sobre las que se injerten dendrímeros con la finalidad de obtener membranas activas para tratamiento de agua.There are no examples of functionalized fibers based on poyacid-polyol combinations on which dendrimers are grafted in order to obtain active membranes for water treatment.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓNDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Esta invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de membranas activas para tratamiento de agua basadas en fibras submicrométricas que combinan una acción antimicrobiana con la capacidad de retención de contaminantes apolares. La síntesis consta de un proceso de electrohilado en el que se prepara una matriz no hilada, un proceso de curado térmico que estabiliza las fibras haciéndolas insolubles en agua y unaThis invention relates to a process for the manufacture of active membranes for water treatment based on submicron fibers that combine an antimicrobial action with the ability to retain apolar contaminants. The synthesis consists of an electro-spinning process in which a non-spun matrix is prepared, a thermal curing process that stabilizes the fibers making them insoluble in water and a

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etapa de post-funcionalización de las fibras en las que en éstas se injerta un dendrímero mediante enlaces covalentes.post-functionalization stage of the fibers in which a dendrimer is grafted through covalent bonds.

En la primera etapa, se parte de la disolución acuosa en porcentajes en peso no superiores al 10% de dos polímeros, un poliácido y un polialcohol, ambos solubles en agua con peso molecular superior a 80 kDa y dosificados de tal forma que el número de grupos carboxilo del poliácido sea similar al de los grupos hidroxilo del polialcohol. La preparación tiene lugar mediante la aplicación de una diferencia de potencial entre la punta del capilar de inyección y el colector de 20-25 kV y con una separación entre ambos de al menos 20 cm. El resultado debe de ser una matriz no hilada de fibras rectas, libres de defectos e insolubles en agua con diámetro uniforme y no superior a 350 nm.In the first stage, the aqueous solution is started in percentages by weight not exceeding 10% of two polymers, a polyacid and a polyalcohol, both soluble in water with molecular weight greater than 80 kDa and dosed in such a way that the number of Carboxyl groups of the polyacid are similar to those of the hydroxyl groups of the polyalcohol. The preparation takes place by applying a potential difference between the tip of the injection capillary and the 20-25 kV manifold and with a separation between them of at least 20 cm. The result must be a non-spun matrix of straight fibers, free of defects and insoluble in water with uniform diameter and not exceeding 350 nm.

En una segunda fase tiene lugar el curado térmico de las fibras que se lleva a cabo, tras un secado a 50 °C durante 24 h, mediante calentamiento en estufa a 140 °C durante al menos 30 min. En este proceso tiene lugar la formación de puentes éster entre las fibras de polialcohol y poliácido lo que da lugar a un conjunto insoluble en agua. A continuación, las fibras se lavan abundantemente para eliminar el material que no haya quedado totalmente fijado y se secan a vacío (10 kPa) a 50 °C durante 24 h. Tras esta etapa, la membrana debe de conservar la estructura fibrosa y no debe de desprender materia orgánica tras una primera inmersión en agua por encima de 10 mg de carbono total/g de membrana.In a second phase the thermal curing of the fibers takes place, after drying at 50 ° C for 24 h, by heating in an oven at 140 ° C for at least 30 min. In this process the formation of ester bridges between the polyalcohol and polyacid fibers takes place, which results in a water insoluble assembly. The fibers are then washed thoroughly to remove material that has not been completely fixed and dried under vacuum (10 kPa) at 50 ° C for 24 h. After this stage, the membrane must retain the fibrous structure and must not release organic matter after a first immersion in water above 10 mg of total carbon / g membrane.

La tercera fase del proceso de síntesis es el anclaje de dendrímeros para lo que se utilizan membranas con una densidad de grupos carboxilo libres de al menos 5 mmol/g medidos mediante valoración ácido-base. Los dendrímeros utilizados deben disponer de aminas primarias como grupos de superficie y la unión se produce por formación de enlaces covalentes amida con los grupos carboxilo de la membrana estabilizada. Para llevar a cabo la reacción se utiliza un agente de acoplamiento. La cantidad de dendrímero fijado en la membrana es máxima cuando éste se utiliza en solución acuosa y se emplea un disolvente de fijación no hidroxilado. Los dendrímeros pueden ser de cualquier generación igual o superior a 3 y se dosifican al menos con el equivalente a 0.2 mmol/mol COOH. La duración del proceso de fijación es de al menos 12 h durante las que se mantienen las membranas en contacto con el dendrímero y el agente de acoplamiento bajo ligera agitación orbital. Después, las membranas se lavan cuidadosamente con el disolvente utilizado para laThe third phase of the synthesis process is the anchoring of dendrimers for which membranes with a density of free carboxyl groups of at least 5 mmol / g measured by acid-base titration are used. The dendrimers used must have primary amines as surface groups and the bonding is produced by formation of covalent amide bonds with the carboxyl groups of the stabilized membrane. A coupling agent is used to carry out the reaction. The amount of dendrimer fixed on the membrane is maximum when it is used in aqueous solution and a non-hydroxylated fixing solvent is used. The dendrimers can be of any generation equal to or greater than 3 and are dosed with at least 0.2 mmol / mol COOH equivalent. The duration of the fixation process is at least 12 hours during which the membranes are kept in contact with the dendrimer and the coupling agent under slight orbital agitation. Then, the membranes are carefully washed with the solvent used for the

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reacción y con abundante agua. Finalmente se secan a vacío (10 kPa) a 100 °C durante 24h.reaction and with plenty of water. Finally, they are dried under vacuum (10 kPa) at 100 ° C for 24 hours.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURASDESCRIPTION OF THE FIGURES

Figura 1. Se representa un esquema general de las fibras funcionalizadas en la que se detalla (1) el poliácido representado por poli(ácido acrílico), (2) el polialcohol, representado por polivinil alcohol y (3) el dendrímero injertado mediante enlace amida (•) representado por una molécula de polipropilenimina G4. En la figura se indica el proceso de curado con un enlace éster que une una molécula de poliácido y una de poliol.Figure 1. A general scheme of the functionalized fibers is shown in which (1) the polyacid represented by poly (acrylic acid), (2) the polyalcohol, represented by polyvinyl alcohol and (3) the grafted dendrimer by amide bond is detailed (•) represented by a G4 polypropyleneimine molecule. The figure shows the curing process with an ester bond that links a polyacid molecule and a polyol molecule.

MODO DE REALIZACIÓNMODE OF REALIZATION

A continuación, se describen detalladamente dos ejemplos de preparación de las membranas y funcionalización con un dendrímero. Se indican también los resultados en términos de eficacia antimicrobiana y retención de contaminantes apolares.Next, two examples of membrane preparation and functionalization with a dendrimer are described in detail. The results are also indicated in terms of antimicrobial efficacy and retention of apolar contaminants.

Preparación de las membranasMembrane Preparation

La preparación de un material electrohilado poliácido-polialcohol típico en el que el poliácido es poli(ácido acrílico), PAA, de peso molecular 450000 y el polialcohol es polivinil alcohol, PVA, de peso molecular 89000-98000 tiene lugar como sigue. Se prepara una disolución acuosa para electrohilado a partir de disoluciones al 8 % de PAA y 15 % de PVA en agua hasta alcanzar una relación en peso de PAA a PVA de 35:65 con una concentración total de al menos 9 %. La solución se mantiene en agitación durante 2 h a 25 °C y se desgasifica antes de introducirla en una jeringa de punta roma 23G. El electrohilado utiliza los siguientes parámetros: tensión, 23 kV; distancia desde la punta de la aguja al colector, 23 cm y flujo total 0.8 mL/h. Como colector se puede emplear una placa fija o un cilindro en rotación a baja velocidad (100 rpm). Las condiciones de humedad relativa y temperatura en el aire de la cámara de electrohilado se deben de mantener aproximadamente en un 40 % y 25 °C respectivamente. Las fibras se secan a 50 °C durante 24 h, tras lo cual se someten a un proceso de curado térmico mediante calentamiento en estufa a 140 °C durante al menos 30 min. Las fibras curadas se lavan con abundante agua destilada y se secan en estufa de vacío (10 k Pa) a 50 °C durante 24 h, tras lo cual quedan listas para el proceso de funcionalización con dendrímeros.The preparation of a typical polyacid-polyalcohol electro-spun material in which the polyacid is poly (acrylic acid), PAA, of molecular weight 450000 and the polyalcohol is polyvinyl alcohol, PVA, of molecular weight 89000-98000 takes place as follows. An aqueous solution for electro-spinning is prepared from 8% solutions of PAA and 15% PVA in water until reaching a weight ratio of PAA to PVA of 35:65 with a total concentration of at least 9%. The solution is kept under stirring for 2 h at 25 ° C and degassed before inserting it into a 23G blunt tip syringe. The electro-spinning uses the following parameters: voltage, 23 kV; distance from the tip of the needle to the collector, 23 cm and total flow 0.8 mL / h. As a collector, a fixed plate or a rotating cylinder at low speed (100 rpm) can be used. The conditions of relative humidity and air temperature of the electrowinning chamber must be maintained at approximately 40% and 25 ° C respectively. The fibers are dried at 50 ° C for 24 h, after which they are subjected to a thermal curing process by heating in an oven at 140 ° C for at least 30 min. The cured fibers are washed with abundant distilled water and dried in a vacuum oven (10 k Pa) at 50 ° C for 24 h, after which they are ready for the dendrimer functionalization process.

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Funcionalización con un dendrímeroFunctioning with a dendrimer

La funcionalización de las membranas electrohitadas mediante la unión covalente de un dendrímero cuyos grupos superficiales sean aminas primarias se describe para el caso de un dendrímero PAMAM G3 utilizando para la formación del enlace amida N,N- diciclohexilcarbodiimída (dicyclohexylcarbodiimide, DCC) como agente de acoplamiento. Como disolvente para el agente de acoplamiento se utiliza dimetilformamída, DMF. Para una reacción típica, una mezcla de 8.0 mL de DMF, 41.2 mg de DCC y 1.83 pL de dendrímero PAMAM G3 (9.43 % en agua) equivalentes a 0.2 mmol G3/mol COOH, se mantiene 12 h en agitación a 25 °C. Aproximadamente 25 mg de una membrana PAA-PVA preparada como se indica en el apartado anterior se sumerge en la solución PAMAM/DCC en DMF y se mantiene en agitación en un agitador orbital a 100 rpm durante 24 h. Tras la reacción de funcionalización, se extraen las membranas, se lavan en DMF con abundante agua destilada para eliminar el dendrímero que no haya reaccionado y los restos de reactivos. Finalmente, las membranas se secan en estufa a vacío (10 kPa) a 100 °C durante 24h o hasta alcanzar peso constante.The functionalization of electrohited membranes by the covalent bonding of a dendrimer whose surface groups are primary amines is described in the case of a PAMAM G3 dendrimer using N-N-dicyclohexylcarbodiimide (dicyclohexylcarbodiimide, DCC) as a coupling agent. . Dimethylformamide, DMF, is used as the solvent for the coupling agent. For a typical reaction, a mixture of 8.0 mL of DMF, 41.2 mg of DCC and 1.83 pL of PAMAM G3 dendrimer (9.43% in water) equivalent to 0.2 mmol G3 / mol COOH, is kept 12 hours under stirring at 25 ° C. Approximately 25 mg of a PAA-PVA membrane prepared as indicated in the previous section is immersed in the PAMAM / DCC solution in DMF and kept under stirring in an orbital shaker at 100 rpm for 24 h. After the functionalization reaction, the membranes are extracted, washed in DMF with abundant distilled water to remove the unreacted dendrimer and the reagent residues. Finally, the membranes are dried in a vacuum oven (10 kPa) at 100 ° C for 24 hours or until constant weight is reached.

ResultadosResults

La acción antimicrobiana se determina a partir del contacto de una membrana con un contenido en PAMAM G3 de 6.5 jimol G3/g membrana preparada según las especificaciones descritas en los apartados anteriores. El ensayo consiste en la inhibición de la capacidad de formación de colonias de las bacterias Escherichia coli (CETC 516) y Staphylococcus aureus (CETC 240) en un cultivo con una densidad inicial de 106 células/mL en medio NB 1/500 (NB, 10 g/L peptona, 5 g/L cloruro sódico, 5 g/L extracto de carne, pH 7.0) en contacto con las membranas a 36 °C durante 20 h. La determinación del número de colonias viables se realiza mediante conteo en placas de agar con el mismo medio NB (15 g/L de agar sólido) tras 16 h de exposición de diluciones seriadas en tampón fosfato a 36 °C. La capacidad antimicrobiana para la bacteria S. aureus supone una reducción superior al 99.5% en la capacidad de formar nuevas colonias, mientras que para £. coli la reducción es próxima al 50%.The antimicrobial action is determined from the contact of a membrane with a PAMAM G3 content of 6.5 jimol G3 / g membrane prepared according to the specifications described in the previous sections. The assay consists in the inhibition of the colony formation capacity of the bacteria Escherichia coli (CETC 516) and Staphylococcus aureus (CETC 240) in a culture with an initial density of 106 cells / mL in NB 1/500 medium (NB, 10 g / L peptone, 5 g / L sodium chloride, 5 g / L meat extract, pH 7.0) in contact with the membranes at 36 ° C for 20 h. The determination of the number of viable colonies is done by counting on agar plates with the same NB medium (15 g / L solid agar) after 16 h of exposure of serial dilutions in phosphate buffer at 36 ° C. The antimicrobial capacity for S. aureus bacteria represents a greater than 99.5% reduction in the ability to form new colonies, while for £. coli the reduction is close to 50%.

Retención de contaminantes apolaresRetention of apolar contaminants

La medida de la capacidad de las membranas modificadas con dendrímeros para la retención de contaminantes polares se evalúa utilizando soluciones de tolueno de agua de acuerdo con el siguiente procedimiento. Las membranas que contienen una densidad deThe measurement of the capacity of the modified membranes with dendrimers for the retention of polar contaminants is evaluated using water toluene solutions according to the following procedure. Membranes that contain a density of

dendrímero PAMAM G3 funcionalizado de acuerdo con las especificaciones descritas en los dos primeros apartados y con una densidad de dendrímero de al menos 5 pmol G3/g membrana se ponen en contacto con una solución acuosa conteniendo de 100 pg/L de tolueno hasta alcanzar el equilibrio a temperatura ambiente. La cantidad de membrana 5 utilizada está en el intervalo 10-400 mg/pg de tolueno. La medida de la concentración de tolueno en el agua se lleva a cabo mediante cromatografía de gases capilar acoplada a microextracción en fase sólida (Solid-phase microextraction, SPME). Para esto, 1.8 mL de muestra saturada en NaCI se sometió a extracción con fibras de SPME de 100 pm de polidimetiisiloxano (Polydimethylsiloxane, PDMS) durante 30 min a temperatura ambiente.functionalized PAMAM G3 dendrimer according to the specifications described in the first two sections and with a density of dendrimer of at least 5 pmol G3 / g membrane, they are contacted with an aqueous solution containing 100 pg / L of toluene until equilibrium is reached at room temperature. The amount of membrane 5 used is in the range 10-400 mg / pg of toluene. The concentration of toluene in the water is measured by capillary gas chromatography coupled to solid phase microextraction (SPME). For this, 1.8 mL of saturated NaCI sample was subjected to extraction with 100 pm SPME fibers of polydimethylsiloxane (Polydimethylsiloxane, PDMS) for 30 min at room temperature.

10 El análisis, efectuado según las prácticas habituales, determina la capacidad de retención de tolueno por las membranas que debe de ser superior al 80% en el caso más desfavorable.10 The analysis, carried out according to usual practices, determines the retention capacity of toluene by the membranes that must be greater than 80% in the most unfavorable case.

APLICACIÓN INDUSTRIALINDUSTRIAL APPLICATION

15 Los beneficios derivados de esta patente encontrarían aplicabilidad en el tratamiento de aguas potables, en la regeneración de aguas residuales y en el tratamiento de aguas de proceso en diversas industrias.15 The benefits derived from this patent would find applicability in the treatment of drinking water, in the regeneration of wastewater and in the treatment of process water in various industries.

Claims (6)

55 1010 15fifteen 20twenty 2525 3030 REIVINDICACIONES 1. Un procedimiento para la preparación de membranas electrohiladas de dimensiones submicrométricas caracterizado por las siguientes etapas:1. A procedure for the preparation of electro-spun membranes of submicron dimensions characterized by the following steps: a) Preparación de una membrana electrohilada a partir de una disolución acuosa que contenga dos polímeros disueltos, siendo uno de ellos un poliácido y el otro un polialcohol.a) Preparation of an electro-spun membrane from an aqueous solution containing two dissolved polymers, one of them being a polyacid and the other a polyalcohol. b) Preparación de una membrana no soluble en agua mediante el curado térmico de la membrana obtenida en a).b) Preparation of a non-water soluble membrane by thermal curing of the membrane obtained in a). c) Funcionalización de la membrana obtenida en b) mediante ia incorporación de un dendrímero terminado en grupos amino primarios con la ayuda de un agente de acoplamiento para dar lugar a un enlace amida entre la amina primaria y los grupos carboxilo del material electrohilado descrito en b).c) Functionalization of the membrane obtained in b) by the incorporation of a dendrimer terminated in primary amino groups with the aid of a coupling agent to give rise to an amide bond between the primary amine and the carboxyl groups of the electro-spun material described in b ). 2. Membrana producida según la reivindicación 1 caracterizada porque el poliácido es un polímero soluble en agua con una unidad repetitiva que contiene un grupo carboxilo y que puede ser poli(ácido acrílico), poli(ácido metacrílico), poli(ácido maleico), poli(ácido itacónico) o sus copolímeros entre sí y con otros monómeros copolimerizables como acrilatos o metacriiatos de alquilo.2. Membrane produced according to claim 1 characterized in that the polyacid is a water soluble polymer with a repetitive unit containing a carboxyl group and which can be poly (acrylic acid), poly (methacrylic acid), poly (maleic acid), poly (itaconic acid) or its copolymers with each other and with other copolymerizable monomers such as acrylates or alkyl methacrylates. 3. Membrana producida según la reivindicación 1 caracterizada porque el polialcohol es un polímero soluble en agua con una unidad repetitiva que contiene un grupo hidroxilo y que puede ser polivinil alcohol, celulosa, y otros polisacáridos solubles.3. A membrane produced according to claim 1 characterized in that the polyalcohol is a water soluble polymer with a repeating unit containing a hydroxyl group and which can be polyvinyl alcohol, cellulose, and other soluble polysaccharides. 4. Membrana producida según la reivindicación 1 caracterizada porque el dendrímero es una poliamidoamina (PAMAM) o poipropilenimina (PPI) cuyos grupos terminales son aminas primarias y cuya generación es 3 o superior.4. Membrane produced according to claim 1 characterized in that the dendrimer is a polyamidoamine (PAMAM) or poipropyleneimine (PPI) whose terminal groups are primary amines and whose generation is 3 or higher. 5. Membrana producida según la reivindicación 1 caracterizada porque el agente de acoplamiento es una carbodiimida como N,N'-diciclohexilcarbodlimida (DCC), N,N'- diisopropiicarbodiimida (DIC), 1-etil-3-{3’-dimetilaminopropil)carbodiimida (EDC), N-tert- butil-N’-methilcarbodiimida (BMC), N-tert-butil-N’-etilcarbodiimida (BEC) o bis[[4-(2,2- dimetil-1,3-dioxolil)]metil]-carbodiimida (BDCC) u otros reactivos de acoplamiento basados en la formación de un éster activado que pueden ser sales de fosfonio, uronio o guanidinio,5. Membrane produced according to claim 1 characterized in that the coupling agent is a carbodiimide such as N, N'-dicyclohexylcarbodlimide (DCC), N, N'-diisopropylicarbodiimide (DIC), 1-ethyl-3- {3'-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC), N-tert-butyl-N'-methylcarbodiimide (BMC), N-tert-butyl-N'-ethylcarbodiimide (BEC) or bis [[4- (2,2-dimethyl-1,3-dioxolyl )] methyl] -carbodiimide (BDCC) or other coupling reagents based on the formation of an activated ester which can be phosphonium, uronium or guanidinium salts, triazinas como 1,3,5-triclorotriazina, 2-cloro-4,6-dimetoxi-1l3,5-tr¡azina (CDMT), cloruro de 4-(4,6-d¡methox¡-1,3>5-triazin-2-¡l)-4-met¡lmorfol¡n¡o, (DMTMM) o agentes basados en boro como trimetoxiborano o ácido fenilborónico.Triazines such as 1,3,5-trichlorotriazine, 2-chloro-4,6-dimethoxy-1l3,5-triazine (CDMT), 4- (4,6-d¡methox¡-1,3> 5 chloride -triazin-2-¡) -4-metmorphol, (DMTMM) or boron-based agents such as trimethoxyborane or phenylboronic acid. 5 6. Uso de las membranas producidas según la reivindicación 1 como membranasUse of the membranes produced according to claim 1 as membranes antimicrobianas para procesos de tratamiento de agua o como capas activas de membranas multicapa, donde la membrana electrohilada quede depositada físicamente o injertada químicamente sobre grupos funcionales de una membrana base, preexistentes o inducidos mediante tratamientos de funcionalización.antimicrobials for water treatment processes or as active layers of multilayer membranes, where the electro-spun membrane is physically deposited or chemically grafted onto functional groups of a base membrane, preexisting or induced by functionalization treatments. 1010 7. Uso de las membranas producidas según la reivindicación 1 como membranas para la retención selectiva de compuestos apolares en procesos de tratamiento de agua o como capas activas de membranas multicapa, donde la membrana electrohilada quede depositada físicamente o injertada químicamente sobre grupos funcionales de una 15 membrana base, preexistentes o inducidos mediante tratamientos de funcionalización.7. Use of the membranes produced according to claim 1 as membranes for the selective retention of apolar compounds in water treatment processes or as active layers of multilayer membranes, where the electro-spun membrane is physically deposited or chemically grafted onto functional groups of a membrane. base membrane, preexisting or induced by functionalization treatments.
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