專利名稱：具有改進的吸附容量的磷酸鋯顆粒及其合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請要求2008年10月3日提交的在先美國臨時專利申請61/102，466在35U. S. C § 119(e)下的權(quán)益，其全文通過引用結(jié)合在本文中。本發(fā)明涉及磷酸鋯顆粒，以及通過例如溶膠凝膠合成法制造磷酸鋯顆粒的方法， 所述磷酸鋯顆粒具有改進的孔隙率、BET表面積和/或銨離子吸附性。
背景技術(shù)：
磷酸鋯(&P)顆粒被用作離子交換材料，特別是可用作再生透析(dialysis)用吸附劑材料。磷酸鋯(&P)顆粒可通過采用也稱作氯氧化鋯的二氯氧化鋯(ZOC)作為起始材料的溶膠凝膠工藝合成。由于其儲量豐富且可廉價獲得，因此ZOC是優(yōu)選的起始材料。作為本文所用的術(shù)語，溶膠凝膠沉淀通常是指這樣的形成陶瓷或催化劑的方法， 其中，通過使水合金屬離子(第III和IV族)與沉淀劑反應(yīng)形成膠體顆粒(稱作溶膠)，然后使膠體顆粒聚合形成凝膠顆粒。參見例如Bogdanov SG等人的“Structure of zirconium phosphate gels produced by the sol-gel method，，，J. PHYS. :C0NDENS. MATTER, Vol. 9, 4031-4039(1997)，其通過引用結(jié)合在本文中。由于其為可在室溫下實施的直接、一步轉(zhuǎn)化工藝，因此溶膠凝膠沉淀是由二氯氧化鋯獲得磷酸鋯的特別有利的方法。從而，與其它工藝相比，其在效率和生產(chǎn)成本方面提供了巨大優(yōu)勢。另外，通過溶膠凝膠沉淀得到的磷酸鋯顆粒通常具有高孔隙率和高BET表面積，這提高了其對氨的吸附容量。進一步地，采用溶膠凝膠沉淀法使得能夠控制產(chǎn)物的粒度和形態(tài)，以及控制雜質(zhì)水平。磷酸鋯顆粒的這些特性對于用于透析應(yīng)用的氨吸附和盒設(shè)計是重要的。盡管存在所有這些優(yōu)點，但溶膠凝膠沉淀不容易在制造規(guī)模上實現(xiàn)。難點主要由原材料(如Z0C)的性質(zhì)、難以控制的快的反應(yīng)速率、以及缺少合適的過程控制方法(流速、 攪拌速率、濃度等)導致。這些難點可描述如下。當采用磷酸作為沉淀劑由二氯氧化鋯直接沉淀時，溶膠凝膠磷酸鋯為具有寬粒度范圍的軟凝膠顆粒形式。其發(fā)生的一個原因在于二氯氧化鋯溶液中的鋯離子是高度水合的單體，即，它們被大量的配位水分子包圍。在磷酸鋯形成期間，當產(chǎn)物漿液在反應(yīng)過程中變得更稠時，或者，當軟凝膠顆粒在過濾和干燥過程中被壓緊時，所述軟凝膠顆粒趨于團聚。 作為該團聚的結(jié)果，在干燥后的最終產(chǎn)物中存在大的聚集體，從而需要碾磨或研磨，以得到自由流動的粉末，作為進一步的缺點，碾磨產(chǎn)生了許多過于細小的顆粒。團聚還將粒度提高至對于柱或分離應(yīng)用而言不期望的程度。最終產(chǎn)物中寬的粒度范圍是常規(guī)溶膠凝膠沉淀法的常見結(jié)果，其另外的原因在于，粒度取決于反應(yīng)物的濃度，所述濃度隨著沉淀的進行而逐漸下降，導致形成較小的顆粒。從而，采用單一的反應(yīng)物添加技術(shù)，難以控制粒度。由于大顆粒可導致氨泄漏和較小的吸附容量，而細粒可增加吸附劑盒中的流動阻力和壓力降，從而大顆粒和過于細小的顆粒對于透析應(yīng)用均不是期望的。進一步地，隨著漿液濃度增加，溶膠凝膠磷酸鋯在沉淀過程期間的團聚干擾了反應(yīng)物的攪拌和混合，導致形成過多量的細粒。溶膠凝膠磷酸鋯的粒度可通過增加磷酸的量和濃度(例如通過提供1 3的 ZrO2 PO4比例)來提高，但由于^^中過量的晶格H+與H2O分子結(jié)合，從而，磷酸的增加還增強凝膠化作用。近來，在溶膠凝膠沉淀方面的進展提供避免了軟凝膠顆粒的產(chǎn)生和/或避免了磷酸鋯凝膠顆粒的團聚的合成磷酸鋯顆粒的方法。美國專利申請公布2006/0140840描述了利用有機化學添加劑抑制凝膠化和團聚以控制產(chǎn)物粒度的合成磷酸鋯顆粒的方法，其全文通過引用結(jié)合在本文中。所述添加劑被添加至二氯氧化鋯溶液中，并且可與溶液中的鋯離子形成絡(luò)合物，從而降低鋯離子的水合。然后，可將所述溶液與磷酸或磷酸鹽組合，以通過溶膠凝膠沉淀獲得磷酸鋯顆粒。所述方法可合成具有受控粒度或粒度分布的磷酸鋯顆粒。 通過該方法合成的磷酸鋯顆粒可具有例如在> 60 120微米范圍內(nèi)小于20%，在30 60 微米范圍內(nèi)大于80%，和在小于30微米范圍內(nèi)小于10%的粒度分布。當暴露于100mg/dL 的NH4+-N/g濃度時，所述顆粒在透析液中還可具有約15-20mg NH4+-N/g ZrP的氨容量。盡管粒度受控和粒度分布緊密，所述磷酸鋯顆粒仍可表現(xiàn)出大于期望的粒度和低于預(yù)期的銨離子吸附容量。殘余的有機添加劑可牢固地結(jié)合于ZrP晶格，結(jié)果，顆粒的孔隙率和BET表面積可低于預(yù)期。因此，需要克服一種或多種上述缺點的合成磷酸鋯顆粒的改進方法。需要從溶膠凝膠ZrP產(chǎn)物中除去任何殘余有機添加劑，從而改進孔隙率、BET表面積和NH4+吸附容量的溶膠凝膠沉淀法。特別需要小于約5微米的ZrP顆粒，對于包含便攜式吸附劑透析系統(tǒng)的吸附劑應(yīng)用，該ZrP顆?？删哂性鰪姷腘H4+吸附容量的溶膠凝膠ZrP顆粒。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個特征在于提供避免一種或多種上述缺點的磷酸鋯顆粒。本發(fā)明的一個特征在于提供具有期望的硬度、粒度、粒度范圍、形狀、堆積密度、孔隙率、吸附用BET表面積、和/或吸附容量的磷酸鋯顆粒。本發(fā)明的另一個特征在于提供具有改進的孔隙率、BET表面積和/或銨離子吸附容量的磷酸鋯顆粒。本發(fā)明的另一個特征在于提供具有小于5微米平均粒度的磷酸鋯顆粒。本發(fā)明的進一步特征在于提供通過溶膠凝膠沉淀制備的不具有(或基本不具有) 與顆粒結(jié)合的殘余有機分子的磷酸鋯顆粒。本發(fā)明的一個特征在于提供通過溶膠凝膠技術(shù)合成磷酸鋯顆粒的方法，其避免一種或多種上述缺點。本發(fā)明的另一個特征在于提供通過溶膠凝膠技術(shù)合成磷酸鋯顆粒的方法，其避免了軟凝膠顆粒的產(chǎn)生和/或避免了磷酸鋯凝膠顆粒的團聚，且不導致與顆粒結(jié)合而降低孔隙率、BET表面積和/或氨吸附容量的殘余有機分子。本發(fā)明的另外的優(yōu)點將在以下描述中部分闡明，部分地通過描述而明晰，或可通過本發(fā)明的實踐獲知。本發(fā)明的目的和優(yōu)點將通過在所附的權(quán)利要求書中具體指出的要素而被知曉和獲得。
5
為實現(xiàn)上述目標和根據(jù)本發(fā)明的目的，如在此具體和寬泛地描述的，本發(fā)明提供了在水溶液中包含水溶性的含鋯聚合物絡(luò)合物的組合物，其中所述聚合物絡(luò)合物通過在水性(aqueous，含水)溶劑中使二氯氧化鋯與至少一種低分子量含氧單官能有機添加劑組合而形成。所述添加劑可與溶液中的鋯離子形成絡(luò)合物。本發(fā)明還提供通過溶膠凝膠沉淀合成的不含緊密結(jié)合的殘余有機化合物的磷酸鋯顆粒。本發(fā)明進一步提供具有一項或多項以下特性的磷酸鋯顆粒平均粒度小于5微米，當暴露于100mg/dL的NH4-N時至少15mg NH4-N/g ZrP的在透析液中的氨容量，和/或至少約10m2/g ZrP的BET表面積。本發(fā)明進一步提供包括含有這種磷酸鋯顆粒的容器的便攜式透析系統(tǒng)。本發(fā)明進一步提供包含一項或多項以下特性的磷酸鋯顆粒平均粒度約40-50微米，當暴露于100mg/dL的NH4-N時至少15mg NH4-N/g ZrP的在透析液中的氨容量，和/或至少約10m2/g ZrP的BET表面積。本發(fā)明進一步提供包括含有這種磷酸鋯顆粒的盒的透析盒。本發(fā)明進一步提供包含一項或多項以下特性的磷酸鋯顆粒平均粒度約45-90微米，當暴露于20mg/dL的NH4-N時至少15mg NH4-N/g ZrP的在透析液中的氨容量，和/或至少約2m2/g ZrP的BET表面積。本發(fā)明進一步提供包括含有這種磷酸鋯顆粒的盒的透析盒。本發(fā)明進一步提供包含一項或多項以下特性的磷酸鋯顆?？左w積為至少 0. 0071mL/g，單層體積為至少0. 5mL/g(STP)，和/或20_80nm孔徑的容量為至少30%。這些孔隙率和孔徑性質(zhì)可應(yīng)用于任意粒度，包括本文所述的任意粒度范圍。此外，例如這些顆粒可具有至少約2m2/g &P、或至少約5m2/g&P、或至少約10m2/g ZrP的BET表面積。本發(fā)明進一步提供包括含有這種磷酸鋯顆粒的盒的透析盒。本發(fā)明還提供通過使二氯氧化鋯與至少一種低分子量含氧單官能有機添加劑在水性溶劑中組合以形成溶液來制造磷酸鋯顆粒的方法。所述低分子量含氧單官能有機添加劑可與溶液中的鋯離子形成絡(luò)合物，從而降低鋯離子的水合作用。所述有機添加劑可防止溶膠凝膠沉淀中磷酸鋯顆粒的團聚，從而提高顆粒的孔隙率和/或BET表面積。具有提高的孔隙率和/或BET表面積的磷酸鋯顆粒可具有改進的氨吸附容量。所述低分子量含氧單官能有機添加劑不與磷酸鋯顆粒結(jié)合或不與其緊密結(jié)合。因此，所述方法進一步包括使所述溶液與磷酸或磷酸鹽組合，然后除去所述低分子量含氧單官能有機添加劑，以通過溶膠凝膠沉淀得到不含(或基本不含)殘余添加劑的磷酸鋯顆粒。所述低分子量含氧單官能有機添加劑可例如通過蒸發(fā)所述添加劑除去，以得到不含 (或基本不含)殘余有機添加劑的磷酸鋯顆粒。所述磷酸或磷酸鹽可處于例如溫度為約 900C -100°C、或約96°C的沸騰溫度。所述低分子量含氧單官能有機添加劑還可例如通過諸如用水洗滌磷酸鋯顆粒以除去殘余有機添加劑來除去。可采用其它除去技術(shù)。所述低分子量含氧單官能有機添加劑可通過任意技術(shù)例如通過加熱和/或洗滌等除去。對于本發(fā)明的目的而言，添加劑的“除去”可包括添加劑的完全除去和/或添加劑的基本除去，例如基于除去前所存在的添加劑總重，殘留的添加劑優(yōu)選低于(例如 Owt% -0. 9wt%,0. 000Iwt% -0. 7wt%,0. 00Iwt% -0. 5wt%,0. 01wt% -0. 25wt% )。使磷酸鋯顆粒經(jīng)歷加熱，例如經(jīng)歷磷酸的沸騰溫度，可蒸發(fā)低分子量含氧單官能有機添加劑，并從磷酸鋯顆粒中除去殘余添加劑，從而任選地提高孔隙率和/或BET表面積。加熱步驟可對顆粒具有硬化作用和/或改進顆粒的晶體結(jié)構(gòu)。硬化的磷酸鋯顆粒可在不發(fā)生顆粒坍縮和/或團聚的情況下干燥。所述方法可任選地進一步包括使含有磷酸鋯顆粒的水性漿液在例如約90°C _100°C的溫度下，額外熱處理例如約1-2小時。本發(fā)明進一步提供合成具有受控粒度或粒度分布的磷酸鋯顆粒的方法。所述方法包括使二氯氧化鋯和低分子量含氧單官能有機添加劑的溶液與磷酸或磷酸鹽溶液組合，并蒸發(fā)所述低分子量含氧單官能有機添加劑，以通過溶膠凝膠沉淀得到磷酸鋯顆粒。例如，所述方法可包括提供具有攪拌器的反應(yīng)容器，并例如同時(或以其它添加順序)將二氯氧化鋯溶液和磷酸或磷酸鹽溶液添加至反應(yīng)容器中，使得鋯離子與磷酸或磷酸鹽反應(yīng)，以通過溶膠凝膠沉淀得到磷酸鋯顆粒。所得到的磷酸鋯顆粒的粒度和/或粒度分布可通過控制以下參數(shù)中的至少一個或多個來控制將二氯氧化鋯溶液添加至反應(yīng)容器中的速率，將磷酸或磷酸鹽溶液添加至反應(yīng)容器中的速率，磷酸或磷酸鹽溶液的PH，反應(yīng)容器中各組分(即二氯氧化鋯、低分子量含氧單官能有機添加劑和/或磷酸或磷酸鹽)的濃度，鹽酸(HCl)向反應(yīng)中的添加，攪拌器速度，或者它們的組合。本發(fā)明進一步提供通過如下合成磷酸鋯顆粒的方法使二氯氧化鋯與至少一種低分子量含氧單官能有機添加劑在水性溶劑中組合以形成溶液，其中，所述低分子量含氧單官能有機添加劑可與溶液中的鋯離子形成絡(luò)合物，這可降低鋯離子的水合作用；將所述溶液與磷酸或磷酸鹽組合；和蒸發(fā)所述至少一種低分子量含氧單官能有機添加劑以通過溶膠凝膠沉淀得到磷酸鋯顆粒。該方法可進一步包括使含磷酸鋯顆粒的水性漿液經(jīng)受熱處理。應(yīng)理解，前述概述與下文的詳細說明均僅為示例性的，且不對所要求保護的本發(fā)明進行限制。結(jié)合到本申請中并構(gòu)成本申請一部分的附圖闡述了本發(fā)明的一些實施方式，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。


圖1為用于基于吸附劑盒的NH/-N吸附容量的產(chǎn)物品質(zhì)-盒性能試驗的吸附劑盒的橫截面。圖2為顯示以溶脹體積(cm7kg)表示的顆粒溶脹對在以用于溶膠凝膠生產(chǎn)的磷酸進行沉淀前與二氯氧化鋯組合的添加劑的依賴性的圖。
具體實施例方式本發(fā)明部分涉及具有改進的孔隙率、BET表面積和/或銨離子吸附容量的磷酸鋯顆粒。所述磷酸鋯(&P)顆?？删哂欣缫豁椈蚨囗椧韵绿匦云骄６刃∮?微米，例如約2-4. 9微米、或約1-約3微米、或約0. 5-約4微米；當暴露于100mg/dL NH4-N時， 至少15mg NH4-N/g ZrP的在透析液中的氨容量；和/或至少約10m2/g 例如10m2/g ZrP-100m2/g ZrP 或更高，15m2/gZrP-100m2/g &P，或 20m2/g ZrP-100m2/g ZrP)的 BET 表面積。優(yōu)選地，當暴露于lOOmg/dL NH4-N時，所述^^顆?？删哂兄辽?0mg NH4-N/g &P，且更優(yōu)選至少 25mg NH4-N/g &P，或至少 30mg NH4-N/g ZrP (例如 21-;35mgNH4-N/g ZrP)的在透析液中的氨容量。當暴露于100mg/dL NH4-N時，所述^^顆?？删哂欣缂s23_26mg NH4-N/ g ZrP的在透析液中的氨容量，和/或當暴露于10mg/dL NH4-N時，例如約7_9mg NH4_N/g ZrP的氨容量。對于本發(fā)明，“透析液”是指可用于血液透析或腹膜透析、并例如具有約105mEq氯化鈉濃度和約35mEq碳酸氫鈉濃度的溶液。透析液的鈉濃度可影響的氨容量，ZrP顆粒在純水中的氨容量可大于在透析液中的氨容量。ZrP顆?？删哂欣绱笥?5mg NH4_N/g ZrP (當暴露于 100mg/dL NH4-N 時)、大于 30mg NH4_N/g ZrP 如約 30_38mg NH4_N/g ZrP (當暴露于 20mg/dL NH4-N 時)、和大于 20mg NH4-N/g ZrP 如約 20_28mg NH4-N/g 當暴露于10mg/dLNH4-N時)的在純水中的氨容量。本發(fā)明的磷酸鋯顆?？衫缤ㄟ^如下合成使二氯氧化鋯(ZOC)與至少一種低分子量含氧單官能有機添加劑在水性溶劑中組合以形成溶液(有機添加劑-ZOC溶液)，使所述溶液與磷酸組合，并蒸發(fā)和/或洗去所述低分子量含氧單官能有機添加劑，以通過溶膠凝膠沉淀得到不含(或基本不含)殘余有機添加劑的磷酸鋯顆粒。所述低分子量含氧單官能有機添加劑可例如通過真空和/或加熱來蒸發(fā)。所述有機添加劑-ZOC溶液可與加熱的磷酸在高至足以蒸發(fā)所述有機添加劑的溫度下(例如高達磷酸沸騰溫度的溫度下)組合， 或者，所述有機添加劑-ZOC溶液可與在例如約90°C -100°c的溫度下的磷酸組合。本發(fā)明還部分地涉及具有一項或多項以下特性的磷酸鋯顆粒平均粒度為約 25-65微米，例如約40-50微米；當暴露于100mg/dL NH4-N時，至少15mg NH4-N/g ZrP的在透析液中的氨容量；和至少約10m2/g 例如10m7gZrP-100m2/g ZrP或更高，15m2/g ZrP-100m2/g &P，或 20m2/g ZrP-100m2/g ZrP)的 BET 表面積。優(yōu)選地，所述 ZrP 顆粒當暴露于100mg/dL NH4-N時，可具有至少20mg NH4-N/g &P，更優(yōu)選至少25mg NH4-N/g &P，或至少30mgNH4-N/g (例如25_35mg NH4-N/g ZrP)的在透析液中的氨容量。所述ZrP顆?？删哂欣缂s21-2;3mg NH4-N/g ZrP的在透析液中的氨容量(當暴露于100mg/dL NH4-N 時)禾P /或具有例如約6-8mg NH4-N/g ZrP的氨容量(當暴露于10mg/dL NH4-N時)。本發(fā)明還部分地涉及具有一項或多項以下特性的磷酸鋯顆粒平均粒度約 45-840微米，例如約45-90微米；當暴露于20mg/dL時，至少15mg NH4-N/gZrP的在透析液中的氨容量；和至少約 2m2/g 例如 2m2/g ZrP-100m2/g ZrP 或更高，5m2/g ZrP-IOOm2/ g ZrP，或 10m2/g ZrP-100m2/g ZrP，或 15m2/gZrP-75m2/g ZrP，或 20m2/g ZrP-50m2/g ZrP) 的BET表面積。優(yōu)選地，所述ZrP顆粒當暴露于20mg/dL NH4-N時，可具有至少15mg NH4-N/ g &P，更優(yōu)選至少 20mg NH4-N/g &P，或至少 25mg NH4-N/g (例如 20_35mg NH4-N/ gZrP，或21-30mg NH4_N/g ZrP，或22_25mgNH4-N/g ZrP)的在透析液中的氨容量。所述 ZrP顆粒當暴露于30mg/dL NH4-N時，還可具有至少20mgNH4_N/g &P，或至少25mg NH4-N/ g ZrP，或至少 30mg NH4_N/g ZrP (例如 20_35mg NH4_N/g ZrP，或 22_30mg NH4_N/g ZrP,^ 24-28mgNH4-N/g ZrP)的在透析液中的氨容量。所述ZrP顆粒當暴露于20mg/dL NH4-N時， 還可具有至少 25mg NH4-N/g &P，或至少 30mg NH4-N/g &P，或至少 40mg NH4_N/g&P(例如 25-55mg NH4-N/g &P，或 30_50mg NH4-N/g &P，或;35-45mgNH4-N/g ZrP)的在純水中的氨容量。所述ZrP顆粒當暴露于30mg/dLNH4-N時，還可具有至少30mg NH4-N/g &P，或至少 35mg NH4-N/g ZrP，或至少 45mg NH4_N/g ZrP (例如 30_65mg NH4_N/g ZrP，或 35_60mg NH4-N/g&P，或40-55mgNH4-N/g ZrP)的在純水中的氨容量。
本發(fā)明還部分地涉及具有一項或多項以下特性的磷酸鋯顆?？左w積為至少 0. 0071mL/g(例如 0. 0071-0. 15mL/g、或 0. 0075-0. 125mL/g、或 0. 01-0. lmL/g、或 0. 02-0. 09mL/g)；(朗繆爾)單層體積為至少 0. 5mL/g(STP)(例如 0. 5-lOmL/g(STP)、或 l-8mL/g (STP)、或 2. 5-6. 5mL/g (STP)、或 3_5mL/g (STP))；和 / 或 20_80nm 孔尺寸的含量為至少 30% (例如 30%-60%，或 32%-55%，或 38%-52%，或 42%-50% )。如所指出的， 這些孔隙率和孔尺寸性質(zhì)可應(yīng)用于任何粒度，包括本文中指出的任意粒度范圍。所述孔尺寸含量是指孔尺寸在20-80nm范圍內(nèi)的所有顆粒表面孔的百分數(shù)。對于如本文所述的任意ZrP顆粒(包括但不限于例如具有約45-90微米平均粒度的ZrP顆粒)，具有這些孔隙率和孔尺寸的顆粒還可具有例如如下中的一個或多個BET表面積、在透析液中的氨容量、和/或在純水中的氨容量。本文所述的作為平均粒度的粒度范圍值可另外或替換地涉及粒度級(particle size fraction)。例如本文中給出的45-90微米的粒度還可涉及其顆粒具有在該范圍內(nèi)的絕對粒度的粒狀樣品的部分。本發(fā)明的磷酸鋯顆?？衫缤ㄟ^如下合成使二氯氧化鋯(ZOC)與至少一種低分子量含氧單官能有機添加劑在水性溶劑中組合以形成溶液，向該溶液中添加酸如濃鹽酸(HCl)，然后使所述溶液與酸如磷酸組合，并蒸發(fā)或通過其它方式除去基本上所有低分子量含氧單官能有機添加劑，以通過溶膠凝膠沉淀獲得磷酸鋯顆粒。酸如HCl的添加可影響磷酸鋯平均粒度?？墒沽姿徜嗩w粒的尺寸變化，以獲得期望尺寸(例如約10-100微米、約 10-25微米、約20-40微米、約25-65微米、或約40-50微米平均粒度)的顆粒。不拘泥于任何理論，酸如HCl可通過如下來影響粒度從磷酸鋯聚合反應(yīng)中除去OH-官能團，從而使聚合反應(yīng)繼續(xù)并提高粒度。本發(fā)明進一步涉及通過如前所述使二氯氧化鋯溶液與低分子量含氧單官能有機添加劑組合以形成水溶性聚合物絡(luò)合物而形成的作為本發(fā)明方法中的中間體的組合物。低分子量含氧單官能有機添加劑的量可取決于具體添加劑，并可通過性能研究容易地確定。 所述低分子量含氧單官能有機添加劑的量可以是有效改進產(chǎn)物粒度的最小量。以下提供適宜量的例子。包括含有本文所述磷酸鋯顆粒的盒的透析盒也是本發(fā)明的一部分。所述透析盒可以是包含所述磷酸鋯顆粒的盒，其中磷酸鋯顆?？勺鳛橹辽僖粚哟嬖谇彝肝龊锌蛇M一步包含吸附劑材料的至少一個其它層。包括含有本文所述磷酸鋯顆粒的容器的便攜式透析系統(tǒng)也是本發(fā)明的一部分。所述容器可包含例如如前所述的磷酸鋯顆粒，所述磷酸鋯顆粒例如具有小于5微米如約2-5微米的平均粒度，至少25mg NH4-N/g ZrP的在透析液中的氨容量(當暴露于100mg/dL NH4-N時)，和至少約10m2/g ZrP的BET表面積。本發(fā)明的ZrP可用于其中使用的任何應(yīng)用中，并可用作如下文獻中所述的吸附劑盒中的ZrP層或作為額外的ZrP層美國專利申請公布2002-01U609和美國專利 6，878，283B2，以及 Sorb，s REDY 盒(例如參見 “Sorbent Dialysis Primer", COBE Renal Care, Inc. 1993 年 9 月 4 日出版，和 “RxGuide to Custom Dialysis”，COBE Renal Care, Inc. Revision E，1993年9月)，所有這些文獻均通過引用全文結(jié)合在本文中。在這些公布的申請中的使用ZrP的所有實施方式均為其中采用本發(fā)明的ZrP的本申請實施方式。僅出于舉例說明的目的，在管狀外殼或盒中的各種過濾介質(zhì)部分可與本發(fā)明的ZrP顆粒一起使用。所述外殼或盒可包括吸附劑材料如顆粒狀活性炭部分、固定的酶部分、粉末狀氧化鋁(Al2O3)部分、磷酸鋯、和/或包括乙酸鹽形式的水合氧化鋯與碳酸鋯鈉的混合物或僅包括碳酸鋯鈉的部分。所述透析盒可以是包含作為一個或多個層或區(qū)域的磷酸鋯顆粒的盒， 其中該透析盒具有多個過濾介質(zhì)部分(或?qū)?，其包括由一端向另一端依次為活性炭部分、 固定酶部分、粉末狀氧化鋁部分、磷酸鋯部分以及碳酸鋯鈉或乙酸鹽形式的水合氧化鋯與碳酸鋯鈉的混合物部分的排列。對于血液透析，除非使用高純水作為透析液基體，否則優(yōu)選適于從自來水中除去氯的過濾介質(zhì)。所述介質(zhì)可以是活性炭?；钚蕴靠捎米魇`重金屬、 氧化劑和氯胺的過濾介質(zhì)?？蓪⒐潭溉珉迕赣糜谶^濾介質(zhì)中，以通過酶轉(zhuǎn)化將脲轉(zhuǎn)化成碳酸銨。脲酶可通過吸附、共價鍵合、分子間交聯(lián)、包埋在交聯(lián)聚合物中、微囊化和在半透膜裝置中容納來固定化?？墒褂醚趸X(Al2O3)、活性炭、陰離子交換樹脂和硅藻土作為吸附劑?？墒褂秒迕竵砉矁r鍵合非水溶性聚合物，以形成反應(yīng)性聚合物或者經(jīng)由活化步驟形成酶-聚合物共軛體?？墒褂枚喙倌茉噭┤缥於┖土鶃喖谆酚绊戨迕傅姆肿娱g交聯(lián)。 可將脲酶包埋于交聯(lián)聚合物如聚丙烯酰胺凝膠中。脲酶可采用例如尼龍、硝酸纖維素、乙基纖維素或聚酰胺微囊化?？墒闺迕溉菁{于某些可滲透膜裝置內(nèi)，所述可滲透膜裝置例如為可由 Fisher Scientific，Pittsburgh，PA獲得的 AMICOM超濾池，或來自 The Dow Chemical Co. ,Midland,MI的DOW中空纖維燒杯裝置。若使用活性炭的話，使用活性炭除氯可在所述固定酶介質(zhì)之前，因為氯會使所述酶失活。可使用陽離子交換材料束縛銨、鈣、鎂、鉀和其它陽離子以及自來水中的有毒痕量金屬。這些過濾介質(zhì)的另外的功能可以為通過脲水解作用將碳酸鹽轉(zhuǎn)化成碳酸氫鹽。這種陽離子交換材料可包括磷酸鋯、磷酸鈦、或沸石。陰離子交換過濾介質(zhì)束縛磷酸根、氟離子和其它重金屬。陰離子交換過濾介質(zhì)的副產(chǎn)物可包括乙酸鹽和碳酸氫鹽，其也用于矯正患者血液的代謝性酸中毒。這種過濾介質(zhì)可包括乙酸鹽形式的水合氧化鋯，水合二氧化硅，氧化錫，氧化鈦，銻酸，水合氧化鎢或碳酸鋯鈉。本發(fā)明部分地涉及采用其中已經(jīng)削弱了溶液中鋯離子水合作用的二氯氧化鋯溶液，通過溶膠凝膠技術(shù)合成磷酸鋯顆粒的方法。這可例如通過如下實現(xiàn)在二氯氧化鋯溶液中使用一種或多種添加劑以將溶液中的鋯離子由高度水合單體形式改變?yōu)榫哂写罅烤酆衔飭卧蜏p少的水合水的可溶性聚合物型鋯絡(luò)合物。本發(fā)明涉及制造磷酸鋯顆粒的方法，包括(a)使至少一種低分子量含氧單官能有機添加劑與二氯氧化鋯在水性溶劑中組合以形成溶液，其中，低分子量含氧單官能有機添加劑與溶液中的鋯離子形成絡(luò)合物；和(b)使(a)中得到的溶液與磷酸組合，并蒸發(fā)該低分子量含氧單官能有機添加劑，以通過溶膠凝膠沉淀得到磷酸鋯顆粒。作為典型的非限制性量，所述至少一種低分子量含氧單官能有機添加劑可以二氯氧化鋯重量的約 20wt% -70wt% (例如25wt%-60wt%，30wt%-50wt%添加劑)的量存在，和/或二氯氧化鋯與磷酸的摩爾比可以為1 2.8-1 3.2?？墒褂酶哂诤偷陀谠摲秶钠渌亢湍柋取Ｋ鏊匀軇┛梢允侨ルx子水或反滲透(RO)水?？蓪⒍妊趸喨芙?或以其它方式混合)于水性溶劑中，然后可添加所述低分子量含氧單官能有機添加劑以形成步驟(a) 的溶液?？蓪⒍妊趸喨芙?或以其它方式混合)于水性溶劑中，然后可添加所述低分子量含氧單官能有機添加劑以形成步驟(a)的溶液。所述二氯氧化鋯可以最高達飽和濃度或其它濃度水平存在于水性溶劑中。可將所述低分子量含氧單官能有機添加劑溶解(或以其它方式混合)于水性溶劑中，然后可添加二氯氧化鋯以形成步驟(a)的溶液。所述低分子量含氧單官能有機添加劑可以足以使得溶液中全部或基本全部鋯離子轉(zhuǎn)化成絡(luò)合物的摩爾量存在于步驟(a)的溶液中。所述低分子量含氧單官能有機添加劑可與鋯離子形成可溶性聚合物絡(luò)合物。對低分子量含氧單官能有機添加劑可如何影響在溶膠凝聚工藝中形成的磷酸鋯的特性進行解釋，有助于理解在不存在添加劑的情況下二氯氧化鋯溶液中的鋯離子的性質(zhì)。二氯氧化鋯溶液中的鋯離子本身為高度水合的鋯物質(zhì)，每個鋯(Zr)原子與4-8個氏0 分子配位。取決于溶液的濃度，所述水合離子可形成從單體、ZrOOH+直至四聚體、Zr4(OH)8+8 的聚合單元。隨著將磷酸與二氯氧化鋯溶液在室溫下混合，以極快速率形成溶膠凝膠磷酸鋯沉淀，在凝膠顆粒中捕集大量配位水分子(或水合氫離子，因為晶格H+可與H2O分子組合形成H3O+)，從而形成軟凝膠。如上所述，隨著漿液變得更稠，以及當所述材料在過濾期間堆積于過濾器上或在干燥期間堆積于盛物盤(tray)上時，這些軟凝膠顆?？删哂袌F聚的趨勢。采用至少一種低分子量含氧單官能有機添加劑優(yōu)選地形成在溶液中的具有降低的配位水分子量和高的聚合物單元的新的鋯聚合物型物質(zhì)，使得當這些鋯聚合物型物質(zhì)與磷酸反應(yīng)時，不發(fā)生由過度水合作用導致的上述問題。特別地，減慢了鋯離子與磷酸鹽的反應(yīng)，這使得反應(yīng)物濃度更易于控制，從而能夠控制通過沉淀形成的顆粒的粒度和/或粒度分布。由于水含量降低，通過沉淀形成的顆粒更難和/或較小傾向于團聚和/或具有更精細(refined)的分子結(jié)構(gòu)。如果使用的低分子量含氧單官能有機添加劑還具有乳化劑的性質(zhì)，則可將通過沉淀形成的顆粒形狀由無規(guī)改進為球形或粗略或近似的球形。這樣做可減少或消除干燥期間的團聚問題，使得能夠形成自由流動的粉末。即使粒度保持為小的，也可改進用于柱應(yīng)用的流動性能。除非本文中另外規(guī)定，通過溶膠凝膠工藝的磷酸鋯顆粒合成可根據(jù)已知的溶膠凝膠技術(shù)實施。例如，用于最初溶解二氯氧化鋯的水溶液可以是通過反滲透(R0水)或通過提供磷酸鋯顆粒的預(yù)期最終用途可接受的足夠低的污染物水平的任意其它方法而純化除去離子雜質(zhì)如痕量金屬的水，或者，用于最初溶解二氯氧化鋯的水溶液可以是去離子水。為實施溶膠凝膠沉淀，可使用磷酸或磷酸鹽溶液。在高pH(例如約4pH 或更高)下，磷酸鹽的使用導致了具有降低氨容量的產(chǎn)物。磷酸的例子可包括正磷酸、焦磷酸、三聚磷酸、四聚磷酸、三偏磷酸和/或磷酸酐或其組合。所述磷酸可具有1摩爾/升或更高(例如1. 5摩爾/升-3摩爾/升、或2. 6-2. 8摩爾/升)的摩爾濃度。本發(fā)明中使用的低分子量含氧單官能有機添加劑能夠置換二氯氧化鋯水溶液中與鋯離子配位的水分子，并可優(yōu)選橋聯(lián)鋯離子以形成水溶性聚合物物質(zhì)。可使用超過一種添加劑(例如混合物)。所述添加劑可選擇為在與磷酸鹽或磷酸的形成磷酸鋯的反應(yīng)期間其能夠被從鋯離子置換。所述添加劑可導致形成優(yōu)選可溶于水的聚合物物質(zhì)。從而，本發(fā)明中優(yōu)選的添加劑包括可溶于水的含有一個官能團(即單官能)的羧酸和/或醇。對于本發(fā)明的目的而言，單官能化合物可以是其化學結(jié)構(gòu)具有單個反應(yīng)性位點(如單個反應(yīng)性-OH 基團)的有機化合物?？捎糜诒景l(fā)明的低分子量含氧單官能有機添加劑的例子包括具有式R-OH的醇， 其中R為Cp6烷基，優(yōu)選Cu烷基；和具有式R-COOH的羧酸，其中R為Cp6烷基，優(yōu)選C"烷基。所述醇和羧酸可以是非支化或支化的同分異構(gòu)體。可使用的添加劑的具體的非限制性例子為甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、乙酸、丙酸或其組合。低分子量的例子包括但不限于約 20-80、優(yōu)選約30-60的分子量。
低分子量含氧單官能有機添加劑和在二氯氧化鋯溶液中形成的鋯聚合物絡(luò)合物的典型例子如下 羧化物或羧酸 RCOOH
權(quán)利要求
1.磷酸鋯顆粒的制造方法，包括(a)將二氯氧化鋯與至少一種低分子量含氧單官能有機添加劑在水性溶劑中組合以形成溶液，和(b)將(a)中得到的溶液與磷酸組合，并除去所述至少一種低分子量含氧單官能有機添加劑，以通過溶膠凝膠沉淀得到磷酸鋯顆粒。
2.權(quán)利要求1的方法，其中，步驟(b)中的磷酸具有約90°C-約100°C的溫度。
3.權(quán)利要求1的方法，其中，所述低分子量含氧單官能有機添加劑與所述溶液中的鋯離子形成絡(luò)合物。
4.權(quán)利要求1的方法，其中，將二氯氧化鋯溶解于所述水性溶劑中，然后，添加所述低分子量含氧單官能有機添加劑以形成步驟(a)的溶液。
5.權(quán)利要求1的方法，其中，所述二氯氧化鋯以約1.1-約1. 5g/ml的濃度存在于所述水性溶劑中。
6.權(quán)利要求1的方法，其中，所述二氯氧化鋯以最高達飽和的濃度存在于所述水性溶劑中。
7.權(quán)利要求1的方法，其中，所述低分子量含氧單官能有機添加劑存在于所述水性溶劑中，然后，添加所述二氯氧化鋯以形成步驟(a)的溶液。
8.權(quán)利要求3的方法，其中，所述低分子量含氧單官能有機添加劑以足以使得所述溶液中的基本上所有鋯離子轉(zhuǎn)化成所述絡(luò)合物的摩爾量存在于步驟(a)的溶液中。
9.權(quán)利要求1的方法，其中，所述低分子量含氧單官能有機添加劑與鋯離子形成能溶解的聚合物絡(luò)合物。
10.權(quán)利要求1的方法，其中，所述低分子量含氧單官能有機添加劑為醇、羧化物或其組合。
11.權(quán)利要求1的方法，其中，所述低分子量含氧單官能有機添加劑為甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、乙酸、丙酸或其組合。
12.權(quán)利要求1的方法，其中，所述磷酸包括正磷酸。
13.權(quán)利要求1的方法，進一步包括(c)使由步驟(b)得到的包含磷酸鋯顆粒的水性漿液經(jīng)受在約90°C-約100°C的溫度下實施的熱處理。
14.權(quán)利要求13的方法，其中，步驟(c)的熱處理實施至少1小時。
15.權(quán)利要求13的方法，其中，將步驟(c)的水性漿液在所述熱處理期間進行攪拌。
16.權(quán)利要求1的方法，其中，在步驟(b)中，將步驟(a)中得到的溶液與磷酸溶液組合，使得鋯離子和磷酸根基團以約1-約3的鋯磷酸根摩爾比存在。
17.權(quán)利要求1的方法，其中，所述磷酸具有約1.5摩爾/升-約3摩爾/升的摩爾濃度。
18.權(quán)利要求1的方法，進一步包括使步驟(a)中得到的溶液在步驟(b)之前與HCl組
19.權(quán)利要求1的方法，進一步包括對步驟(b)中得到的磷酸鋯顆粒進行分離和干燥以得到自由流動的粉末。
20.具有受控粒度的磷酸鋯顆粒的制造方法，包括通過權(quán)利要求1的方法，由溶膠凝膠沉淀形成磷酸鋯顆粒，其中所述磷酸鋯顆粒具有通過控制以下參數(shù)中的一個或多個而得到的粒度和粒度分布(a)將二氯氧化鋯和低分子量含氧單官能有機添加劑的溶液加入到反應(yīng)容器中的速率，(b)將磷酸溶液加入到反應(yīng)容器中的速率，(c)磷酸溶液的pH值，(d) 反應(yīng)容器中的二氯氧化鋯、低分子量含氧單官能有機添加劑、或磷酸的濃度，(e)HCl在反應(yīng)容器中的存在，(f)攪拌器速度，或(g)它們的任意組合。
21.包含磷酸鋯顆粒的組合物，其中，所述顆粒通過權(quán)利要求1的方法形成。
22.權(quán)利要求21的組合物，其中，所述至少一種低分子量含氧單官能有機添加劑能夠與鋯離子形成絡(luò)合物。
23.權(quán)利要求21的組合物，其中，所述低分子量含氧單官能有機添加劑為醇、羧化物或其組合。
24.權(quán)利要求21的組合物，其中，所述低分子量含氧單官能有機添加劑為甲醇、乙醇、 丙醇、異丙醇、乙酸、丙酸或其組合。
25.具有以下特性的磷酸鋯(&P)顆粒平均粒度小于約5微米，BET表面積為至少10m2/g &P，和在10mg/dL NH4-N下，透析液中的氨容量為約7-9mg NH4-N/g ZrP0
26.便攜式透析系統(tǒng)，其包括含有權(quán)利要求25的磷酸鋯顆粒的容器。
27.具有以下特性的磷酸鋯(&P)顆粒平均粒度為約25-65微米，BET表面積為至少10m2/g &P，和在10mg/dL NH4-N下，透析液中的氨容量為約6-8mg NH4-N/g ZrP0
28.透析盒，其包括含有權(quán)利要求27的磷酸鋯顆粒的盒。
29.具有以下特性的磷酸鋯(&P)顆粒平均粒度為約45-90微米，BET表面積為至少2m2/g &P，和在20mg/dL NH4-N下，透析液中的氨容量為至少約15mg NH4-N/g ZrP0
30.權(quán)利要求四的顆粒，其具有至少10m2/gZrP的BET表面積。
31.權(quán)利要求四的顆粒，進一步具有至少0.0071mL/g的孔體積、至少0. 5mL/g (STP)的單層體積、和至少30%的20-80nm孔徑的含量。
32.透析盒，其包括含有權(quán)利要求四的磷酸鋯顆粒的盒。
33.具有以下特性的磷酸鋯(&P)顆粒孔體積為至少0. 0071mL/g,單層體積為至少0. 5mL/g(STP)，和20-80nm孔徑的含量為至少30%。
34.透析盒，其包括含有權(quán)利要求33的磷酸鋯顆粒的盒。
全文摘要
通過如下合成磷酸鋯顆粒提供二氯氧化鋯在水性溶劑中的溶液；將至少一種低分子量含氧單官能有機添加劑添加至該溶液中；并將該溶液與加熱的磷酸或磷酸鹽組合以通過溶膠凝膠沉淀得到磷酸鋯顆粒。
文檔編號A61M1/14GK102239113SQ200980148492
公開日2011年11月9日 申請日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月3日
發(fā)明者雷蒙德.J-H.旺格 申請人:弗雷塞尼斯醫(yī)療保健控股公司