סינתזה של הידרוג עם מאפייני Antifouling ופלטות לטיהור מים
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
הידרוג כבר נוצל נרחב כדי לשפר את פני השטח hydrophilicity של ממברנות לטיהור מים, הגדלה תכונות antifouling ובכך להשיג חדירות מים יציבות דרך ממברנות לאורך זמן. כאן, אנו מדווחים על שיטה קלילה להכין הידרוג'ל בוסס על zwitterions עבור יישומים הממברנה. ניתן להכין סרטים וטוסטר מן methacrylate sulfobetaine (SBMA) עם crosslinker של פולי (אתילן גליקול) diacrylate (PEGDA) באמצעות photopolymerization. הידרוג יכול גם להיות מוכן על ידי הספגה לתוך תומך נקבובי הידרופובי כדי לשפר את החוזק המכאני. סרטים אלה יכולים להיות מאופיינים פורים השתקפות מוחלטת מוחלשת להפוך ספקטרוסקופיה אינפרא אדום (ATR-FTIR) כדי לקבוע את מידת ההמרה של קבוצות acrylate (ספיד), באמצעות מד-זווית עבור סריקת calorimetry hydrophilicity ו דיפרנציאלי (DSC) עבור דינמיקת שרשרת פולימר. בנוסף, אנו מדווחים פרוטוקולים כדי לקבוע את חדירות מי סינון מוצאמערכות tion והשפעת foulants (אלבומין בסרום שור, BSA) על ביצועי הממברנה.
Introduction
יש צורך גדול כדי לפתח טכנולוגיות יעילות עלות אנרגיה נמוכה כדי לייצר מים נקיים כדי לענות על הדרישה הגוברת. ממברנות פולימריות צמחו כטכנולוגיה המובילה לטיהור מים בשל היתרונות שלהם הטבועה, כגון יעילות אנרגיה גבוהה שלהם, בעלות נמוכה, ופשטות תפעול 1. ממברנות לאפשר מים טהורים לחלחל דרך ולדחות את המזהמים. עם זאת, ממברנות קרובות חשופות עכירות ידי מזהמים במים להאכיל, אשר ניתן שנספחו על גבי משטח הממברנה מן האינטראקציות שלהם הנוחות 2, 3. עכירות יכולה להקטין באופן דרמטי שטף מים דרך ממברנות, הגדלת שטח הממברנה הנדרש ועלות טיהור מים.
גישה יעילה כדי להקטין עכירות היא לשנות את פני הקרום להגדיל את hydrophilicity ובכך להקטין את החיוביםteractions בין משטח הממברנה foulants. שיטה אחת היא להשתמש ציפוי דק סרט עם הידרוג'ל הסופר-הידרופילי 3. הידרוג קרובות יש חדירות מים גבוהות; ולכן, ציפוי דק סרט יכול להגדיל את permeance המים לטווח הארוך דרך הממברנה בשל העכירות מתנה, למרות התנגדות התחבורה עלתה מעט דרך הממברנה כולה. הידרוג יכול גם להיות מפוברק ישירות לתוך ממברנות ספוגים לטיהור מים ביישומים אוסמוטי 4.
חומרים zwitterionic מכילים שתי הקבוצות פונקציונלי בעלי מטען חשמלי חיובי וגם שלילי, עם מטען נטו נייטרלי, ויש הידרציה משטח חזק דרך מליטה מימן אלקטרוסטטית המושרה 5, 6, 7, 8, 9. השכבות הידרציה וארוזות לשמש פיזיתומחסומי אנרגיה, מניעת foulants מצירוף גבי המשטח, ובכך הוכחה תכונות antifouling מעולות 10. פולימרים zwitterionic, כגון פולי (methacrylate sulfobetaine) (PSBMA) פולי (methacrylate carboxybetaine) (PCBMA), שימשו כדי לשנות את פני הממברנה על ידי ציפוי 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 להגדיל משטח hydrophilicity ובכך המאפיינים antifouling.
אנחנו מדגימים כאן שיטה קלילה להכין הידרוג'ל zwitterionic באמצעות methacrylate sulfobetaine (SBMA) באמצעות photopolymerization, אשר crosslinked באמצעות פולי (אתילן גליקול) diacrylate (PEGDA, M N = 700 גר '/ mol) כדי לשפר את החוזק המכאני. אנו גם מציגיםהליך לבניית ממברנות חזקות ידי הפריית מונומר ו crosslinker בתוך תמיכה הידרופובי נקבובית ביותר לפני photopolymerization. המאפיינים הפיסיים תחבורת מים של סרטים הבודדים וממברנות ספוגות מאופיינים ביסודיות כדי להבהיר את יחסי המבנה / רכוש לטיהור מים. הידרוג שהוכן יכול לשמש ציפוי משטח כדי לשפר תכונות הפרדה הממברנה. על ידי התאמת צפיפות crosslinking או על ידי הפריית לתוך תומך נקבובי הידרופובי, חומרים אלה יכולים גם ליצור סרטים דקים עם חוזק מכני מספיק תהליכים אוסמוטי, כגון קדימה אוסמוזה או לחץ-מפגר אוסמוזה 4.
Protocol
Representative Results
Discussion
הוכחנו שיטה קלילה להכין סרטים בודדים וממברנות ספוגות המבוססות על הידרוג'ל zwitterionic. היעלמותם של שלוש (ספיד) פסגות מאפיין acrylate (כלומר, 810, 1190, ו 1410 סנטימטר -1) בספקטרום האינפרא האדום של סרטי הפולימר מתקבל ועבר קרום (איור 2) מציין את ההמרה הטובה של מונומ?…
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).
