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产生卤素的杀生物剂、卤素稳定剂和含氮杀生物剂的混合物
    本申请要求2001年6月29日递交的美国临时申请60/302511的权益，因此所述临时申请在此引入作为参考。

    【发明领域】

    本发明涉及(a)产生游离卤素的杀生物剂、(b)卤素稳定剂和(c)含氮杀生物剂(季铵杀生物剂和/或杀生物的胺)的混合物，所述混合物用于在水溶液中，如在工业和再生水处理以及造纸应用中的水浆中控制微生物的生长或杀灭微生物。

    【发明背景】

    美国专利5,565,109公开了N-H(N-hydrogen)化合物如5，5-二甲基乙内酰脲(DMH)及它们的氯化衍生物可提高次氯酸盐溶液在泥浆中的杀菌功效。

    在水处理和造纸应用中，一直需要改进的用于水溶液的杀生物系统。

    发明概述

    本发明涉及在水溶液如可见于水处理设备和造纸设备中的水溶液中控制(例如抑制)微生物的生长或杀灭微生物地方法。该方法包括向水溶液中加入有效量的(a)产生游离卤素的杀生物剂、(b)卤素稳定剂、(c)季铵化合物、杀生物的胺或其盐或它们的混合物，以及任选地(d)溴源(bromidesource)。季铵化合物可以是：

    (i)具有通式N+R1R2R3R4X-的季铵杀生物剂，其中R1和R2各自独立地为未取代的或羟基取代的直链或支链C1-C4烷基、-(CH2CH2O)mCH2CH2OH或-(CH2CHCH3O)mCH2CHCH3OH，其中m为1至10；R3为取代或未取代的苄基、(C1-C4烷基)苄基(如乙基苄基)、(C1-C4烷基)萘基(如甲基萘基)，或直链或支链C1-C22烷基；R4为-R5(O)n(C6H5)R6，其中n为0或1；R5为取代或未取代的C1-C8烷基或C1-C8烷氧基烷基；R6为氢，或取代或未取代的、直链或支链C1-C12烷基；且X-为阴离子如氯离子、溴离子、丙酸根离子、硫酸根离子、碳酸氢根离子或碳酸根离子；

    (ii)具有通式R19R20R21R22N+X-的季铵杀生物剂，其中R19、R20、R21和R22各自独立地为直链、支链、环状或其任意组合的饱和或不饱和基团，X为阴离子，且R19、R20、R21和R22中的碳原子数总和可宽泛地处于约10至约50的范围内；

    (iii)聚合季铵杀生物剂；或

    (iv)其混合物。

    所述水溶液可以是再生设备、工业冷却系统、水处理设备中的水或为造纸设备中的水浆如循环水浆。本发明的混合物可用作杀粘菌剂。季铵杀生物剂和/或杀生物的胺可增加稳定化卤素杀生物系统的功效。此外，卤素稳定剂可使产生游离卤素的杀生物剂和季铵化合物和/或杀生物胺的光解和氧化稳定性均得到提高。

    发明详述

    产生游离卤素的杀生物剂可以是任何本领域已知的该类杀生物剂，如在此引入作为参考的美国专利5565109中所述的那些杀生物剂。根据一个优选的实施方案，产生游离卤素的杀生物剂是杀粘菌剂。适宜的产生游离卤素的杀生物剂包括但不限于次氯酸盐、次溴酸盐、氯气、溴、氯化溴、卤代氰脲酸盐、二卤代乙内酰脲及其混合物。适宜的次氯酸盐包括但不限于碱金属次氯酸盐(如次氯酸钠)、碱土金属次氯酸盐及其混合物。

    也可向水溶液中加入溴源。溴的化合物显著地较溴稳定。溴源可以是任何含有溴的物质，如溴化钠、溴化钾、溴化铵、氢溴酸等。当混合时，产生游离卤素的杀生物剂可将溴源氧化以生成溴(其也是产生游离卤素的杀生物剂)。

    优选的产生游离卤素的杀生物剂包括但不限于次氯酸钠以及次氯酸钠和溴化钠的混合物。

    卤素稳定剂可以是任何本领域已知的卤素稳定剂，如美国专利5565109中所述的那些卤素稳定剂。例如，卤素稳定剂可以是N-H化合物。适宜的N-H化合物包括但不限于5，5-二甲基乙内酰脲(DMH)、glycouril、硫酰胺、三硫酰胺(trisulfamide)、对甲苯磺酰胺、三聚氰胺、三酰氨基偏磷酸钠、5，5-烷基乙内酰脲(如5-甲基-5-乙基乙内酰脲(MEH))、甲磺酰胺、巴比妥酸、5-甲基尿嘧啶、咪唑啉、吡咯烷酮、N-乙酰苯胺、乙酰胺、N-乙基乙酰胺、苯邻二甲酰亚胺、苯甲酰胺、琥珀酰亚胺、氨腈、脲、N-羟甲基脲、N-甲基脲、乙酰脲、缩二脲、脲基甲酸甲酯、氨基甲酸甲酯、邻苯二甲酰肼(phthalohydrazide)、吡咯、吲哚、甲酰胺、N-甲基甲酰胺、双氰胺、氨基甲酸乙酯、1，3-二甲基缩二脲、甲基苯基缩二脲、4，4-二甲基-2-噁唑烷酮、6-甲基尿嘧啶、2-咪唑烷酮(imidoazolidone)、亚乙基脲、2-嘧啶酮、N-乙基乙酰胺、氮杂环丁-2-酮、2-吡咯烷酮、己内酰胺、苯基亚磺酰亚胺(phenyl sulfinimide)、苯基亚磺酰亚胺酰胺(phenylsulfinimidylamide)、二苯基磺酰亚胺(diphenyl sulfonimide)、二甲基亚磺酰亚胺(dimethyl sulfinimine)、异噻唑(isothiazolene)-1，1-二氧化物、正磷酰三酰胺、焦磷酰三酰胺、苯基磷酰基-双二甲基酰胺、硼酸酰胺、乙内酰脲、吡咯、氨基磺酸、氨、溴化铵以及它们的混合物。优选的卤素稳定剂包括但不限于5，5-二甲基乙内酰脲(DMH)、5-甲基-5-乙基-乙内酰脲(MEH)以及它们的混合物。

    季铵杀生物剂可具有通式N+R1R2R3R4X-，其中R1和R2各自独立地为未取代的或羟基取代的直链或支链C1-C4烷基、-(CH2CH2O)mCH2CH2OH或-(CH2CHCH3O)mCH2CHCH3OH，其中m为1至10；R3为取代或未取代的苄基、乙基苄基、甲基萘基，或直链或支链C1-C22烷基；R4为-R5(O)n(C6H5)R6，其中n为0或1；R5为取代或未取代的C1-C8烷基或C1-C8烷氧基烷基；R6为氢，或取代或未取代的、直链或支链C1-C12烷基；且X-为阴离子如氯离子、溴离子、丙酸根离子、硫酸根离子、碳酸氢根离子或碳酸根离子。

    根据一个优选的实施方案，R5优选为-CH2CH2OCH2CH2-。更优选地，R4为[2-[2-(4-二异丁基苯氧基)乙氧基-乙基]。根据另一个优选的实施方案，R4为苄基。优选的季铵杀生物剂包括但不限于苯甲乙氧铵([2-[2-(4-二异丁基苯氧基)乙氧基]乙基]二甲基苄基铵)的盐，如苯索氯铵(可以是FairLawn，NJ，Lonza公司的Hyamine 1622形式)；以及苄烷铵(苄基烷基二甲基铵)的盐，如苯扎氯铵(可以是Fair Lawn，NJ，Lonza公司的BarquatMB-50和BarquatMB-80的形式)。优选的苄烷铵盐包括但不限于(C12-C18)烷基苄基二甲基铵盐，如(C12-C18)烷基苄基二甲基氯化铵。

    根据另一个优选的实施方案，阴离子X-为碳酸根离子。

    另一种适宜的季铵杀生物剂具有通式R19R20R21R22N+X-，其中R19、R20、R21和R22各自独立地为直链、支链、环状或其任意组合的饱和或不饱和基团，且X为阴离子。R19、R20、R21和R22中的碳原子数总和可在约10至约50的宽范围内变化。R19、R20、R21和R22可以是烷基、链烯基、炔基、环烷基、芳基，或前述任意基团的任意组合。X可以是氯离子、碳酸根离子、碳酸氢根离子、腈、溴离子、碘离子、乙酸根离子、脱氢乙酸根离子、月桂酸根离子、硬脂酸根离子、羧酸根离子或硼酸根离子。适宜的羧酸根和硼酸根阴离子包括但不限于在此引入作为参考的美国专利5641726中所述的那些羧酸根和硼酸根阴离子。

    优选的季铵化合物具有通式R19(CH3)3N+X-，其中R19为直链或支链C10-C20饱和或不饱和基团，如烷基、链烯基或炔基，且X如上所定义。更优选地，R19为直链C16-C18饱和或不饱和基团且X为氯离子、碳酸根离子或乙酸根离子。这种化合物的一个例子为N-十八烷基-N，N，N-三甲基氯化铵。

    另一种优选的季铵化合物具有通式R19R20(CH3)2N+X-，其中R19为直链或支链C6-C20饱和或不饱和基团或C6-C20取代或未取代芳基，R20为直链或支链C1-C20饱和或不饱和基团或C6-C20取代或未取代芳基，且X如上所定义。这里使用的术语“取代”包括但不限于被取代基C1-C4烷基的任何一个或任何组合取代。优选地，R19和R20各自独立地为直链或支链C8-C15饱和或不饱和基团。在一个更为优选的实施方案中，R19和R20各自独立地为直链或支链C8-C12饱和或不饱和基团且X为氯离子、碳酸根离子或乙酸根离子。特别提及的是二癸基二甲基氯化铵，其可以是得自Fair Lawn，NJ，Lonza公司的Bardac2280的形式；二癸基二甲基碳酸氢铵；二癸基二甲基碳酸铵；以及N，N-二(十四烷基/十五烷基)-N，N-二甲基氯化铵，其可以是得自Lonza公司的Carsoquat457的形式。(Carsoquat457是N-十四烷基-N-十五烷基-N，N-二甲基氯化铵、N，N-二(十四烷基)-N，N-二甲基氯化铵和N，N-二(十五烷基)-N，N-二甲基氯化铵的混合物)

    另一种适宜的季铵化合物具有通式R19R20(CH3)2N+X-，其中R19为取代或未取代的苄基，R20为直链C10至C20饱和或不饱和基团，且X如上所定义。根据一个优选的实施方案，R19为苄基，R20为直链C12-C18饱和或不饱和基团，且X为氯离子。这种化合物的例子包括但不限于N-(C12-C16)烷基-N-苄基-N，N-二甲基氯化铵的化合物(其可以是得自Fair Lawn，NJ，Lonza公司的BarquatMB的形式)和N-十八烷基-N-苄基-N，N-二甲基氯化铵(其可以是得自Lonza公司的Carsoquat的形式)的混合物。

    另一种预计用于本发明的季铵化合物具有通式R19R20N+(CH3)(CH2CH2O)nHX-，其中R19为C6-C20直链或支链、取代或未取代的烷基或C6-C20取代或未取代的芳基，R20为C1-C20直链或支链、取代或未取代的烷基或C6-C20取代或未取代芳基，n为1至2的整数，且X如上所定义。优选地，R19和R20为直链或支链C8-C10取代或未取代的基团，且更优选为癸基。X优选为丙酸根离子。这种化合物的例子为N，N-二癸基-N-甲基-N-羟乙基丙酸铵，其可以是Fair Lawn，NJ，Lonza公司的Bardap26的形式。

    另一种适宜的季铵化合物具有通式R19R20R21(CH3)N+X-，其中R19、R20和R21各自独立地为直链或支链C6-C22饱和或不饱和基团。更优选地，R19、R20和R21各自独立地为直链或支链C8-C10饱和或不饱和基团。X优选为氯离子。这种化合物的例子包括但不限于N，N，N-三(辛基/癸基)-N-甲基氯化铵，其可以是得自Milwaukee，WI，Aldrich化学品公司的Aliquat336的形式(Aliquat336是N，N，N-三(辛基)-N-甲基氯化铵、N，N-二(辛基)-N-癸基-N-甲基氯化铵、N-辛基-N，N-二(癸基)-N-甲基氯化铵和N，N，N-三(癸基)-N-甲基氯化铵的混合物)。

    所述聚合季铵杀生物剂可以是本领域已知的任何该类化合物。适宜的聚合季铵杀生物剂包括但不限于聚[氧乙烯(二甲基亚氨基(iminio))乙烯-(二甲基亚氨基)乙烯二氯化物]、表氯醇和二甲基胺的反应产物，以及它们的混合物。

    更优选的季铵杀生物剂包括但不限于苯扎氯铵和二癸基二甲基氯化铵。

    所述杀生物的胺或其盐可以是任何本领域已知的该类化合物。适宜的胺包括但不限于那些具有通式NR7R8R9的化合物，其中R7、R8和R9各自独立地为氢、烷基(如C1-C30烷基)或芳基，且R7、R8和R9任选地被氨基(-NH2)取代。根据一个优选的实施方案，R7为C1-C18烷基且R8和R9为甲基(例如十二烷基二甲基胺)。根据另一个优选的实施方案，R7为C1-C18烷基且R8和R9为-(CH2)3NH2(例如二(3-氨基丙基)十二烷基胺，其可以是得自Fair Lawn，NJ，Lonza公司的Lonzabac12的形式)。适宜的这种胺的盐包括但不限于盐酸盐、氢溴酸盐和硫酸盐。

    可以直接将产生游离卤素的杀生物剂、卤素稳定剂和季铵杀生物剂和/或杀生物的胺以任意顺序或同时加至水溶液中。可在加入至水溶液前将两种或两种以上产生游离卤素的杀生物剂、卤素稳定剂和季铵杀生物剂混合。例如，可将产生游离卤素的杀生物剂与卤素稳定剂和季铵杀生物剂和/或杀生物胺的混合物分别加至水溶液中。卤素稳定剂/杀生物剂混合物优选为单相溶液。如果出现相分离，则卤素稳定剂和/或杀生物剂将不再均匀分散于混合物中。在卤素稳定剂/杀生物剂混合物被保存于一个容器中且从容器的顶部或底部被抽入水溶液的系统中，相分离可导致加入水溶液中的卤素稳定剂和杀生物剂的比例不合乎要求。单相溶液优选为在4℃稳定至少3或5天和/或在50℃稳定至少30天的相。卤素稳定剂/季铵杀生物剂混合物的相稳定性可以通过加入氧化胺如(C8-C22烷基)二甲基氧化胺而得到改善。

    根据一个优选的实施方案，提供了卤素稳定剂和季铵杀生物剂和/或杀生物胺的混合物并在加入至水溶液前将其与产生游离卤素的杀生物剂混合。优选地，将产生游离卤素的杀生物剂与卤素稳定剂/杀生物剂混合物仅在加至水溶液前混合。基于混合物总重的100％，卤素稳定剂和季铵杀生物剂和/或杀生物胺的混合物通常含有以重量计约1％至约50％或99％的卤素稳定剂和约1％至99％的季铵杀生物剂和/或杀生物胺。根据一个其中卤素稳定剂为DMH的实施方案，基于混合物总重的100％，浓缩形式的混合物宽泛地含有以重量计约1％至约50％、优选约2％至约25％、且更优选约5％至约10％的DMH，和以重量计约1％至约99％、优选约2％至约50％、且更优选约5％至约25％的季铵杀生物剂和/或杀生物胺。

    根据另一个优选的实施方案，提供了卤素稳定剂、季铵杀生物剂和/或杀生物胺以及溴源的混合物。所述混合物或者与产生游离卤素的杀生物剂一起直接加至水溶液中，或者在加入水溶液前与产生游离卤素的杀生物剂混合。优选地，混合物含有以重量计约1％至约50％的溴源。

    在加入至水溶液前，产生游离卤素的杀生物剂、卤素稳定剂和季铵杀生物剂的任何一种可与非水溶剂和其它本领域已知的佐剂混合。通过混合适当的组分可制得任意的混合物。可将混合物加热和/或搅拌以加速混合。

    水溶液中存在的产生游离卤素的杀生物剂相对于卤素稳定剂的摩尔比可宽泛地为约20∶1至约0.2∶1，且优选为约10∶1至约0.9∶1。水溶液中存在的卤素稳定剂相对于季铵杀生物剂和/或杀生物胺的摩尔比可宽泛地为约50∶1至约0.02∶1，且优选为约10∶1至约0.1∶1。

    当卤素稳定剂为DMH时，水溶液中存在的DMH相对季铵杀生物剂和/或杀生物胺的重量比可宽泛地为约100∶1至约1∶100，且优选为50∶1至约1∶50。例如当季铵杀生物剂为苯扎氯铵时，水溶液中存在的DMH相对苯扎氯铵的重量比可宽泛地为约100∶1至约1∶100，且优选为约50∶1至约1∶50。当季铵杀生物剂为二癸基二甲基氯化铵时，水溶液中存在的DMH相对二癸基二甲基氯化铵的重量比可宽泛地为约100∶1至约1∶100，且优选为约50∶1至约1∶50。

    水溶液中产生游离卤素的杀生物剂、卤素稳定剂和季铵杀生物剂和/或杀生物胺的浓度为杀生物、灭藻、杀真菌或杀菌有效的量。根据一个实施方案，氧化性卤素杀生物物质的总浓度宽泛地为约0.05至约10ppm，卤素稳定剂的浓度宽泛地为约0.01至约100ppm，且季铵杀生物剂和/或杀生物胺的浓度宽泛地为约0.01至约100ppm。根据一个优选的实施方案，氧化性卤素杀生物物质的总浓度为约0.1至约0.5ppm，卤素稳定剂的浓度为约0.1至约5ppm，季铵杀生物剂的浓度为约0.1至约5ppm。

    水溶液可以是例如游泳池或矿泉浴场、水处理设备、卫生间、浆液、造纸浆、矿石灰泥或白水(white water)中的水。白水通常为分离的液体，其被重新循环至造纸工艺的初始阶段，特别是初次分解阶段，在该阶段，纸、水和化学品被混合。

    通常的纸生产过程中的浆液基于浆液总重的100％含有以重量计约0.2％至约18％的有机物质。所述有机物质一般由木纤维(或浆)和佐剂如胶料和淀粉组成。通常有机物质基于其总重的100％含有以重量计约90％至约99％的木纤维(或浆)。根据一个优选的实施方案，木纤维至少部分地得自回收纸。

    水溶液(例如浆液)还可以含有其它本领域已知的佐剂。这种佐剂的例子包括但不限于其它杀生物剂和/或杀黏菌剂；氢氧化钠(或其它腐蚀性物质)；过氧化物稳定剂如硅酸钠、硫酸镁和多磷酸盐；螯合剂如EDTA；脂肪酸；以及它们的组合。

    以下实施例阐明而非限制本发明。除非另外指明，所有的组分及百分数以重量表示。

    实施例1

    将以下表1中的成分加入至25ml烧瓶中并监测相稳定性和颜色稳定性。如表1所示，DMH与Bardac1552和聚[氧乙烯(二甲基亚氨基)乙烯-(二甲基亚氨基)乙烯二氯化物]可形成相和颜色稳定的溶液。

    表1    含15％(w/w)DMH的水溶    液(pH＝9.5)    季铵杀生物剂           观察结果    颜色    相    7.5g    7.5g Bardac15521    水白色-透明    1    7.5g    7.5g BiolabAlgae All602    浅褐色-透明    1

    1-Bardac1552为可得自Fair Lawn，NJ，Lonza公司、含有50％(w/w)的N-烷基(C14 60％；C16 30％；C12 5％；C18 5％)二甲基苄基氯化铵和二-N-烷基(C14 60％；C16 30％；C12 5％；C18 5％)甲基苄基氯化铵的混合物的水溶液。

    2-BiolabAlgae All 60为可得自Decatur，GA，Bio-Lab公司、含有60％(w/w)聚[氧乙烯(二甲基亚氨基)乙烯(二甲基亚氨基)乙烯二氯化物]的水溶液。

    实施例2

    按照以下方式测定了N-H化合物/季铵水性组合物的低温和中温相稳定性和高温组成稳定性。N-H化合物为乙内酰脲。一些组合物还包含氧化胺。

    将所制备的制剂置于4℃下保存3至5天，随后目视观察，测定低温相稳定性。可接受的制剂仍为单相溶液，无相分离或结晶现象。

    中温相稳定性被定义为在室温下用所述组合物制备单相溶液的能力。

    高温组成稳定性是通过将所制备的制剂置于50℃下保存约30天、随后通过HPLC测定乙内酰脲而确定。可接受的制剂仍为单相溶液，乙内酰脲的回收率高于90％。

    结果示于表2。

    表2  季铵化合物和氧化胺(活性  成分(AI)在总组成中的％)  乙内酰脲(在组成  中的重量％)         温度稳定性  总体评价  低温  中温  高温  Bardac22(25％AI)  7.5％DMH1  不合格  -  -  不合格  WSCP(30％AI)  7.5％DMH1  合格  合格  合格  合格  Barquat1552(25％AI)  7.5％DMH1  合格  合格  合格  合格  Barquat1552(16％AI)  6.0％DMH/MEH4  合格  合格  合格  合格  Barquat1552(32％AI)  11.9％DMH/MEH4  合格  不合格  合格  两者之间  Bardac22(13％AI)  6.4％DMH/MEH4  不合格  -  -  不合格  Bardac22(21％AI)  10.3％DMH/MEH4  不合格  -  -  不合格  Bardac22(13％AI)和辛基  二甲基氧化胺(2％)  6.4％DMH/MEH4  合格  合格  合格  合格  Bardac22(21％AI)和辛基  二甲基氧化胺(2％)  10.3％DMH/MEH4  合格  合格  合格  合格

    1-实验溶液用结晶的DMH制备。

    2-Bardac22为含有50％N，N-二癸基-N，N-二甲基氯化铵、20％异丙醇和30％水的溶液，且可得自Fair Lawn，NJ，Lonza公司。

    3-WSCP为聚[氧乙烯(二甲基亚氨基)乙烯-(二甲基亚氨基)乙烯二氯化物]的60％活性水溶液，其可以是得自Memphis，TN，Buckman LaboratoriesInternational Inc.的Buckman Bulab 6002的形式。

    4-DMH∶MEH的重量比为5∶1。实验溶液是用结晶的DMH和MEH制得。

    实施例3

    使用得自美国northeastern tissue mill的白水，对以下表3中引用的Barquat1552/DMH/NaOCl组合物的杀黏菌功效进行了评价。白水的pH为约7.5。实验微生物是那些白水中固有的微生物。

    Barquat1552杀生物母液按以下方式制备：50ml实验体积加入的季铵储备液体积为0.1至0.2ml。DMH母液与NaOCl以1∶1的摩尔比一起制备，以使50ml实验体积中加入的储备液体积为0.1至0.2ml。使用适当体积的这些储备液以得到以下表3中所列的活性浓度。

    将足量的Barquat 1552杀生物母液和DMH母液加入至白水中以得到表3中所示的白水中Barquat 1552、DMH和NaOCl浓度。然后将白水于37℃下培养3小时。实验条件基于ASTM E 1839-96。使用胰蛋白胨葡萄糖浸出液琼脂、按照已知的倾倒平面培养技术进行微生物记数。使用DIFCO D/E中和培养基作为第一系列稀释液以中和杀生物剂。在ASTM E1839-96的条件下，细菌的减少达到99％(2Logs)，从而证明了杀黏菌功效。

    表3  Barquat1552  (氯化铵的ppm)    DMH    (ppm)    NaOCl    (ppm)    微生物数的对数    值(log cfu/ml)  微生物数对数值的  变化(log cfu/ml)  杀黏菌功效  0    0    0    6.2  -  -  0    0    5.2    4.3  1.9  不合格  0    0    0    6.3  -  -  13.5    4.5    2.6    2.7  3.6  合格  20.3    6.8    3.9    2.3  4.0  合格  0    0    0    7.2  -  -  5.0    4.5    2.6    4.0  3.1  合格  7.5    4.5    2.6    3.3  3.8  合格  7.5    6.8    3.9    3.4  3.8  合格  0    0    0    7.2  -  -  5.0    4.5    2.6    4.0  3.1  合格  7.5    4.5    2.6    3.3  3.8  合格  7.5    6.8    3.9    3.4  3.8  合格

    以上所提及的所有专利、申请、文章、出版物和实验方法均在此引入作为参考。

    根据以上详述，将使本领域技术人员想到本发明的许多变体。这些显而易见的变体处于所附权利要求的保护范围内。