Syntese av hydrogeler med Bunn Egenskaper som membraner for vannrensing
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
Hydrogeler har funnet utstrakt anvendelse for å øke de overflate hydrofilisiteten av membraner for rensing av vann, noe som øker de grohemmende egenskaper, og således oppnå en stabil permeabilitet for vann gjennom membraner over tid. Her rapporterer vi en lettvint metode for å forberede hydrogeler basert på dobbeltioner for membran applikasjoner. Frittstående filmer kan fremstilles fra sulfobetain metakrylat (SBMA) med et tverrbindingsmiddel av poly (etylenglykol) diakrylat (PEGDA) via fotopolymeriseringen. Hydrogelene kan også fremstilles ved impregnering til hydrofobe porøse bærere for å øke den mekaniske styrke. Disse filmer kan være kjennetegnet ved svekket samlet refleksjons Fourier transform infrarød spektroskopi (ATR-FTIR) for å bestemme graden av omdannelse av (met) akrylatgrupper, under anvendelse Vinkelmålere for hydrofilisitet og differensial scanning kalorimetri (DSC) for polymerkjedeen dynamikk. Vi rapporterer også protokoller for å bestemme permeabiliteten for vann i blind Filtrasjon systemer og virkningen av begroingsmidlene (bovin serum albumin, BSA) på membranytelsen.
Introduction
Det er et stort behov for å utvikle lavprisselskaper og energieffektive teknologier for å produsere rent vann for å møte den økende etterspørselen. Polymeriske membraner har dukket opp som et ledende teknologi for rensing av vann på grunn av deres iboende fordeler, slik som deres høye energi effektivitet, lave kostnader, og enkelhet i operasjon 1. Membraner tillate rent vann å trenge gjennom, og avvise forurensningene. Imidlertid er membraner ofte utsatt for begroing med forurensninger i fødevannet, som kan bli adsorbert på membranoverflaten fra deres fordelaktige interaksjoner 2, 3. Begroing kan dramatisk redusere vannstrømning gjennom membranene, noe som øker membranarealet som kreves, og kostnadene ved rensing av vann.
En effektiv metode for å redusere begroing er å modifisere membranoverflaten for å øke den hydrofile og således redusere gunstigmoter mellom membranoverflaten og begroingsmidlene. En metode er å bruke tynnfilmbelegg med superhydrophilic 3 hydrogeler. Hydrogelene har ofte høy permeabilitet for vann; Derfor, kan en tynn-filmbelegg øke langtids vann permeans gjennom membranen på grunn av det dempet begroing, til tross for den noe større transport motstand over hele membranen. Hydrogelene kan også direkte bearbeides til impregnerte membraner for rensing av vann i osmotiske anvendelser 4.
Zwitterioniske materialene inneholder både positivt og negativt ladede funksjonelle grupper, med en netto nøytral ladning, og har en sterk overflate hydrering gjennom elektro-indusert hydrogenbinding 5, 6, 7, 8, 9. De tett bundet væskelagene virke som fysiskog energibarrierer, hindrer begroingsmidlene fra å feste seg på overflaten, og viser således gode antigroegenskaper 10. Zwitterioniske polymerer, slik som poly (sulfobetain metakrylat) (PSBMA) og poly (karboksybetain-metakrylat) (PCBMA), er blitt anvendt for å modifisere membranoverflaten ved å belegge 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 for å øke overflate hydrofilisitet og dermed antigroegenskaper.
Vi viser her en enkel fremgangsmåte for å fremstille zwitterioniske hydrogeler ved hjelp av sulfobetain-metakrylat (SBMA) via fotopolymeriseringen, som er tverrbundet ved bruk av poly (etylenglykol) diakrylat (PEGDA, Mn = 700 g / mol) for å forbedre den mekaniske styrke. Vi har også presentere enProsedyren for å konstruere robuste membraner ved impregnering av monomeren og tverrbindingsmiddel i et sterkt porøst hydrofobt bærer før den fotopolymeriseringen. De fysiske og vanntransportegenskapene for de frittstående filmer og impregnerte membraner er grundig karakterisert til å belyse struktur / eiendom forhold for vannrensing. De fremstilte hydrogeler kan brukes som et overflatebelegg for å forbedre membran-separasjonsegenskaper. Ved å justere den tverrbindingstetthet, eller ved å impregnere inn i hydrofobe porøse bærere, kan disse materialer også danne tynne filmer med tilstrekkelig mekanisk styrke for osmotiske prosesser, slik som for fremoverrettet osmose eller press-osmose 4.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi har vist en enkel fremgangsmåte til fremstilling av frittstående filmer og membraner impregnert basert på zwitterioniske hydrogeler. Forsvinningen av tre (met) akrylat karakteristiske topper (dvs., 810, 1190 og 1,410 cm-1) i IR-spektrene av de oppnådde polymerfilmer og impregnert membran (figur 2) viser god omsetning av monomerene og tverrbindingsmiddel 4, 19, 21. I tillegg er utseend…
Divulgations
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 |
References
- 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).
