Synthese van Hydrogels met Antifouling eigenschappen membranen voor waterzuivering
Summary
This paper reports practical methods to prepare hydrogels in freestanding films and impregnated membranes and to characterize their physical properties, including water transport properties.
Abstract
Hydrogels worden algemeen gebruikt om het oppervlak hydrofiele membranen voor waterzuivering versterken, waardoor de vervuiling tegengaande eigenschappen en aldus tot een stabiele water permeabiliteit door membranen in de tijd. Hier melden wij een gemakkelijke methode om hydrogels op basis van zwitterionen voor membraan aanvragen voor te bereiden. Vrijstaande films kunnen uit sulfobetaine methacrylaat (SBMA) met een verknopingsmiddel van poly (ethyleenglycol) diacrylaat (PEGDA) via fotopolymerisatie. De hydrogelen kunnen ook worden bereid door impregnatie in poreuze hydrofobe dragers om de mechanische sterkte te verbeteren. Deze films kunnen worden gekenmerkt door verzwakte totale reflectie Fourier transformatie infraroodspectroscopie (FTIR-ATR) om de mate van omzetting van de (meth) acrylaatgroepen vast te stellen volgens goniometers voor hydrofiliciteit en differentiële scanning calorimetrie (DSC) voor polymeerketen dynamiek. We melden ook protocollen bij de waterdoorlaatbaarheid in doodlopende Filtra bepalenlisatiesystemen en het effect van vervuilingen (runderserumalbumine, BSA) aan membraangedrag.
Introduction
Er is een grote behoefte om lage kosten en energie-efficiënte technologieën te ontwikkelen om schoon water te produceren om aan de toenemende vraag te voldoen. Polymeermembranen zijn een veelvoorkomende leidende technologie voor waterzuivering vanwege hun specifieke voordelen, zoals hun hoge energie-efficiëntie, lage kosten en eenvoud van bediening 1. Membranen laten zuiver water door permeaat en de verontreinigingen af te wijzen. Echter zijn membranen vaak onderworpen aan vervuiling door verontreinigingen in het voedingswater, die kan worden geadsorbeerd aan het membraanoppervlak van hun gunstige wisselwerkingen 2, 3. De vervuiling kan drastisch verminderen water flux door de membranen, waardoor het vereiste membraanoppervlak en de kosten van waterzuivering.
Een effectieve aanpak van vervuiling te beperken is het membraan modificeren om de hydrofiliciteit te verhogen en daarmee het gunstig verlagenteractions tussen het membraanoppervlak en vervuilers. Een methode is om dunne filmbekleding met superhydrofiel 3 hydrogels gebruikt. De hydrogels hebben vaak een hoge waterdoorlaatbaarheid; Daarom kan een dunnefilmbekleding op lange termijn doorlaatbaarheid water door het membraan te verhogen vanwege het getemperde vervuiling, ondanks de enigszins verhoogde resistentie transport over het gehele membraan. De hydrogelen kunnen ook direct worden verwerkt tot geïmpregneerd membranen voor waterzuivering in osmotische toepassingen 4.
Tweezijdig ionogene stoffen, bevatten zowel positief als negatief geladen functionele groepen, met een netto neutrale lading en sterke oppervlaktehydratatie door middel van elektrostatische geïnduceerde waterstofbinding 5, 6, 7, 8, 9. De strak gebonden hydratatielagen werken als fysischeen energiebarrières, waardoor fouling zich hecht aan het oppervlak, hetgeen aantoont uitstekende aangroeiwerende eigenschappen 10. Zwitterionische polymeren, zoals poly (sulfobetaïne methacrylaat) (PSBMA) en poly (carboxybetaine methacrylaat) (PCBMA), zijn gebruikt om het membraan te modificeren door bekleding 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 toenemen oppervlaktehydrofiliciteit en dus vervuiling tegengaande eigenschappen.
We tonen hier een gemakkelijke methode om zwitterionische hydrogels gebruikt sulfobetaine methacrylaat (SBMA) via fotopolymerisatie, die verknoopt toepassing van poly (ethyleenglycol) diacrylaat bereiden (PEGDA, Mn = 700 g / mol) om de mechanische sterkte te verbeteren. We presenteren ook eenprocedure robuuste membranen construeren door het impregneren van het monomeer en verknopingsmiddel in een zeer poreuze hydrofobe drager voor de fotopolymerisatie. De fysische en watertransport eigenschappen van de vrijstaande films en membranen geïmpregneerd worden grondig kenmerk van de structuur / eigenschap relatie voor waterzuivering helderen. De bereide hydrogels kunnen worden gebruikt als oppervlaktelaag op membraanscheiding eigenschappen te verbeteren. Door de verknopingsdichtheid hetzij door impregneren in hydrofobe poreuze dragers, kunnen deze materialen ook vormen dunne films met voldoende mechanische sterkte voor osmotische processen, zoals forward osmose of onderdrukte osmose 4.
Protocol
Representative Results
Discussion
We hebben gedemonstreerd een gemakkelijke methode om vrijstaande films en geïmpregneerde membranen gebaseerd op tweezijdig hydrogels te bereiden. De verdwijning van drie (meth) acrylaat kenmerkende pieken (dat wil zeggen, 810, 1190 en 1410 cm -1) in het IR-spectrum van het verkregen polymeer films geïmpregneerde membraan (Figuur 2) toont de goede omzetting van de monomeren en verknopingsmiddel 4, 19, <sup class="…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We gratefully acknowledge the financial support of this work by the Korean Carbon Capture and Sequestration R&D Center (KCRC).
Materials
| Poly(ethylene glycol) diacrylate Mn = 700 (PEGDA) | Sigma Aldrich | 455008 | |
| 1-Hydroxycyclohexyl phenyl ketone, 99% (HCPK) | Sigma Aldrich | 405612 | |
| [2-(Methacrloyloxy)ethyl dimethyl-(3-sulfopropyl) ammonium hydroxide, 97% | Sigma Aldrich | 537284 | Acutely Toxic |
| Ethanol, 95% | Koptec, VWR International | V1101 | Flamable |
| Decane, anhydrous, 99% | Sigma Aldrich | 457116 | |
| Solupor Membrane | Lydall | 7PO7D | |
| Micrometer | Starrett | 2900-6 | |
| ATR-FTIR | Vertex 70 | ||
| DSC: TA Q2000 | TA Instruments | ||
| Rame’-hart Goniometer: Model 190 | Rame’-hart Instruments | ||
| Ultraviolet Crosslinker: CX-2000 | Ultra-Violet Products | UV radiation | |
| Permeation Cell: Model UHP-43 | Advantec MFS | ||
| Deionized Water: Milli-Q Water | EMD Millipore |
Referencias
- Qasim, M., Darwish, N. A., Sarp, S., Hilal, N. Water desalination by forward (direct) osmosis phenomenon: A comprehensive review. Desalination. , 47-69 (2015).
- Geise, G. M., et al. Water purification by membranes: The role of polymer science. J. Polym. Sci. Part B Polym. Phys. 48 (15), 1685-1718 (2010).
- Miller, D. J., Dreyer, D., Bielawski, C., Paul, D. R., Freeman, B. D. Surface modification of water purification membranes: A review. Angew Chem Int Ed Engl. , (2016).
- Zhao, S. Z., Huang, K. P., Lin, H. Q. Impregnated Membranes for Water Purification Using Forward Osmosis. Ind. Eng. Chem. Res. 54 (49), 12354-12366 (2015).
- Ostuni, E., Chapman, R. G., Holmlin, R. E., Takayama, S., Whitesides, G. M. A survey of structure-property relationships of surfaces that resist the adsorption of protein. Langmuir. 17 (18), 5605-5620 (2001).
- Jiang, S., Cao, Z. Ultralow-fouling, functionalizable, and hydrolyzable zwitterionic materials and their derivatives for biological applications. Adv Mat. 22 (9), 920-932 (2010).
- Shah, S., et al. Transport properties of small molecules in zwitterionic polymers. J. Polym. Sci. Part B Polym. Phys. 54 (19), 1924-1934 (2016).
- Shao, Q., Jiang, S. Y. Molecular Understanding and Design of Zwitterionic Materials. Adv Mat. 27 (1), 15-26 (2015).
- Zhang, Z., Chao, T., Chen, S., Jiang, S. Superlow Fouling Sulfobetaine and Carboxybetaine Polymers on Glass Slides. Langmuir. 22 (24), 10072-10077 (2006).
- Chen, S., Li, L., Zhao, C., Zheng, J. Surface hydration: principles and applications toward low-fouling/nonfouling biomaterials. Polymer. 51 (23), 5283-5293 (2010).
- Bengani, P., Kou, Y. M., Asatekin, A. Zwitterionic copolymer self-assembly for fouling resistant, high flux membranes with size-based small molecule selectivity. J Membr Sci. 493, 755-765 (2015).
- Chiang, Y. C., Chang, Y., Chuang, C. J., Ruaan, R. C. A facile zwitterionization in the interfacial modification of low bio-fouling nanofiltration membranes. J Membr Sci. 389, 76-82 (2012).
- Mi, Y. F., Zhao, Q., Ji, Y. L., An, Q. F., Gao, C. J. A novel route for surface zwitterionic functionalization of polyamide nanofiltration membranes with improved performance. J Membr Sci. 490, 311-320 (2015).
- Shafi, H. Z., Khan, Z., Yang, R., Gleason, K. K. Surface modification of reverse osmosis membranes with zwitterionic coating for improved resistance to fouling. Desalination. 362, 93-103 (2015).
- Yang, R., Goktekin, E., Gleason, K. K. Zwitterionic Antifouling Coatings for the Purification of High-Salinity Shale Gas Produced Water. Langmuir. 31 (43), 11895-11903 (2015).
- Yang, R., Jang, H., Stocker, R., Gleason, K. K. Synergistic Prevention of Biofouling in Seawater Desalination by Zwitterionic Surfaces and Low-Level Chlorination. Adv Mat. 26 (11), 1711-1718 (2014).
- Azari, S., Zou, L. D. Using zwitterionic amino acid L-DOPA to modify the surface of thin film composite polyamide reverse osmosis membranes to increase their fouling resistance. J Membr Sci. 401, 68-75 (2012).
- Chang, C., et al. Underwater Superoleophobic Surfaces Prepared from Polymer Zwitterion/Dopamine Composite Coatings. Adv Mater Inter. , (2016).
- Lin, H., Kai, T., Freeman, B. D., Kalakkunnath, S., Kalika, D. S. The Effect of Cross-Linking on Gas Permeability in Cross-Linked Poly(Ethylene Glycol Diacrylate). Macromolecules. 38 (20), 8381-8393 (2005).
- Sagle, A. C., Ju, H., Freeman, B. D., Sharma, M. M. PEG-based hydrogel membrane coatings. Polymer. 50 (3), 756-766 (2009).
- Wu, Y. -. H., Park, H. B., Kai, T., Freeman, B. D., Kalika, D. S. Water uptake, transport and structure characterization in poly(ethylene glycol) diacrylate hydrogels. J Membr Sci. 347 (1-2), 197-208 (2010).
- Rahimpour, A., et al. Novel functionalized carbon nanotubes for improving the surface properties and performance of polyethersulfone (PES) membrane. Desalination. 286, 99-107 (2012).
- Gulmine, J. V., Janissek, P. R., Heise, H. M., Akcelrud, L. Polyethylene characterization by FTIR. Polym Testing. 21 (5), 557-563 (2002).
- Araújo, J. R., Waldman, W. R., De Paoli, M. A. Thermal properties of high density polyethylene composites with natural fibres: Coupling agent effect. Polym. Degrad. Stab. 93 (10), 1770-1775 (2008).
- McCloskey, B. D., et al. Influence of polydopamine deposition conditions on pure water flux and foulant adhesion resistance of reverse osmosis, ultrafiltration, and microfiltration membranes. Polymer. 51 (15), 3472-3485 (2010).
