Синтез гидрогелей с противообрастающей недвижимостью в качестве мембран для очистки воды
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
Гидрогели широко использовались для повышения поверхностной гидрофильности мембран для очистки воды, увеличивая свойства противостоять обрастанию и, таким образом, достижение стабильной проницаемости воды через мембрану с течением времени. Здесь мы приводим легкое способа получения гидрогелей на основе цвиттера для мембранных приложений. Автономные пленки могут быть получены из сульфобетаин метакрилата (SBMA) с сшивающим агентом поли (этиленгликоль) диакрилат (PEGDA) через фотополимеризацию. Гидрогели также могут быть получены путем пропитки в гидрофобные пористые носитель, чтобы повысить механическую прочность. Эти пленки могут быть охарактеризованы с помощью нарушенного полного внутреннего отражения ИК-фурье-спектроскопии (ATR-FTIR), чтобы определить степень превращения (мет) акрилатные группы, используя гониометры для гидрофильность и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) на динамику полимерных цепей. Мы также сообщаем протоколы для определения проницаемости для воды в тупиковой FiltraСистемы Тион и эффект foulants (бычий сывороточный альбумин, БСА) на производительность мембраны.
Introduction
Существует большая потребность в разработке недорогих и энергоэффективных технологий для производства чистой воды для того, чтобы удовлетворить растущий спрос. Полимерные мембраны появились в качестве ведущей технологии для очистки воды из – за присущие им преимущества, такие как их высокая энергетической эффективность, низкая стоимость и простота в эксплуатации 1. Мембраны позволяют чистой воды проникать через и отказаться от загрязнений. Тем не менее, мембраны часто подвергаются обрастанию загрязняющих веществ в питающей воде, которые могут быть , адсорбированных на поверхности мембраны из своих благоприятных взаимодействий 2, 3. Обрастания могут значительно уменьшить поток воды через мембрану, что увеличивает площадь мембраны, необходимую и стоимость очистки воды.
Эффективный подход для уменьшения засорения состоит в модификации поверхности мембраны, чтобы увеличить гидрофильность, и, таким образом, снизить благоприятный вteractions между поверхностью мембраны и foulants. Один из способов заключается в использовании тонкопленочных покрытий с superhydrophilic 3 гидрогелей. Эти гидрогели часто имеют высокую проницаемость для воды; Таким образом, покрытие тонкой пленки может увеличить долгосрочную проницаемость воды через мембрану за счетом подслащенного обрастания, несмотря на слегка повышенную устойчивость транспортной поперек всей мембраны. Гидрогели также могут быть непосредственно изготовлены в пропитанные мембраны для очистки воды , в осмотических приложениях 4.
Цвиттерионные материалы содержат как положительно , так и отрицательно заряженные функциональные группы, с чистым нейтральным зарядом, и имеют сильное поверхностное увлажнение за счет электростатического-индуцированной водородной св зи 5, 6, 7, 8, 9. Плотно связанные гидратации слои действуют как физическиеи энергетические барьеры, предотвращая foulants от прикрепляться к поверхности, таким образом , демонстрируя отличные противообрастающие свойства 10. Цвиттерионные полимеры, такие как поли (сульфобетаин метакрилата) (PSBMA) и поли (карбоксибетаинов метакрилата) (PCBMA), были использованы для модификации поверхности мембраны путем покрытия 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 , чтобы увеличить поверхность гидрофильность, и, таким образом, свойство, препятствующее обрастание.
Покажет здесь легкий способ получения цвиттерионные гидрогелей с помощью сульфобетаин эфира метакриловой кислоты (SBMA) через фотополимеризацию, который является сшитой с использованием поли (этиленгликоль) диакрилатом (PEGDA, М н = 700 г / моль) , чтобы повысить механическую прочность. Мы также представляемПроцедура для построения надежных мембран путем пропитки мономера и сшивающего агента в условиях жесткого пористой гидрофобной подложки до фотополимеризации. Физические и водные транспортные свойства автономных пленок и пропитанные мембран тщательно характеризуются, чтобы выяснить структуру отношения / свойств для очистки воды. Подготовленные гидрогели могут быть использованы в качестве поверхностных покрытий для повышения мембранных разделительных свойств. Регулируя плотность сшивания или путем пропитки в гидрофобные пористые носитель, эти материалы могут также образовывать тонкие пленки с достаточной механической прочностью для осмотических процессов, таких как пр моего осмоса или давление-запаздывающим осмос 4.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы продемонстрировали легкое способа получения Корпусной пленок и мембран, пропитанные на основе цвиттерионных гидрогелей. Исчезновение трех (мет) акрилат характеристических пиков (то есть, 810, 1190 и 1410 см -1) в ИК – спектрах , полученных полимерных пленок и мембран пропитывают <…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
