Síntesis de hidrogeles con propiedades antiincrustantes como membranas de purificación de agua
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
Los hidrogeles se han utilizado ampliamente para mejorar la hidrofilia de la superficie de las membranas de purificación de agua, el aumento de las propiedades antiincrustantes y por lo tanto el logro de la permeabilidad al agua estable a través de membranas con el tiempo. Aquí, se presenta un método fácil para preparar hidrogeles basados en iones híbridos para aplicaciones de membrana. películas de cocción se pueden preparar a partir de metacrilato de sulfobetaína (SBMA) con un agente de reticulación de poli (etilenglicol) diacrilato (PEGDA) a través de fotopolimerización. Los hidrogeles se pueden preparar también por impregnación en soportes porosos hidrófobos para mejorar la resistencia mecánica. Estas películas se pueden caracterizar por atenuada Fourier de reflexión total espectroscopia infrarroja con transformada (ATR-FTIR) para determinar el grado de conversión de los grupos (met) acrilato, usando goniómetros para calorimetría hidrofilia y diferencial de barrido (DSC) para la dinámica de la cadena de polímero. También informamos protocolos para determinar la permeabilidad al agua en filtraci callejón sin salidasistemas ción y el efecto de suciedades (albúmina de suero bovino, BSA) en el rendimiento de la membrana.
Introduction
Hay una gran necesidad de desarrollar tecnologías eficientes y de bajo costo y de energía para producir agua potable con el fin de satisfacer la creciente demanda. Membranas poliméricos han surgido como una tecnología líder para la purificación de agua debido a sus ventajas inherentes, tales como su alta eficiencia energética, de bajo costo y simplicidad en la operación 1. Las membranas permiten que el agua pura para penetrar a través de y rechazar los contaminantes. Sin embargo, las membranas son a menudo sometidos a ensuciamiento por contaminantes en el agua de alimentación, que pueden ser adsorbidos sobre la superficie de la membrana a partir de sus interacciones favorables 2, 3. El ensuciamiento puede disminuir dramáticamente el flujo de agua a través de las membranas, lo que aumenta el área de membrana requerida y el coste de purificación de agua.
Un enfoque eficaz para mitigar el ensuciamiento es modificar la superficie de la membrana para incrementar la hidrofilicidad y por lo tanto disminuir la favorable eninteracciones entre la superficie de la membrana y suciedades. Un método es utilizar recubrimiento de película fina con superhidrófilo 3 hidrogeles. Los hidrogeles a menudo tienen una alta permeabilidad al agua; por lo tanto, un recubrimiento de película delgada puede aumentar la permeabilidad al agua a largo plazo a través de la membrana debido a las incrustaciones mitigada, a pesar del aumento de la resistencia ligeramente transporte a través de toda la membrana. Los hidrogeles también se pueden fabricar directamente en las membranas impregnadas de purificación de agua en aplicaciones osmóticos 4.
Materiales de ion híbrido contener ambos grupos funcionales cargados positiva y negativamente, con una carga neutra neta, y tener una fuerte hidratación de la superficie a través de-electrostática inducida por enlace de hidrógeno 5, 6, 7, 8, 9. Las capas de hidratación fuertemente unidos actúan como físicay barreras de energía, la prevención de incrustantes se adhiera sobre la superficie, lo que demuestra excelentes propiedades antiincrustantes 10. Polímeros de ion híbrido, tales como poli (metacrilato de sulfobetaína) (PSBMA) y poli (metacrilato de carboxibetaína) (PCBMA), se han utilizado para modificar la superficie de la membrana mediante el recubrimiento 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 para aumentar hidrofilia de la superficie y por lo tanto propiedades antiincrustantes.
Demostramos aquí un método fácil para preparar hidrogeles de ion híbrido utilizando metacrilato de sulfobetaína (SBMA) a través de la fotopolimerización, que se reticula usando poli (etilenglicol) diacrilato (PEGDA, M n = 700 g / mol) para mejorar la resistencia mecánica. También se presenta unaprocedimiento para la construcción de membranas sólidas mediante la impregnación del monómero y reticulante en un soporte hidrófobo altamente poroso antes de la fotopolimerización. Las propiedades físicas y de transporte de agua de las películas de cocción y membranas impregnadas se caracterizan a fondo para dilucidar la relación estructura / propiedad para la purificación de agua. Los hidrogeles preparados se pueden utilizar como un recubrimiento de superficie para mejorar las propiedades de separación de membrana. Mediante el ajuste de la densidad de reticulación o por impregnación en soportes porosos hidrófobos, estos materiales también se pueden formar películas delgadas con suficiente resistencia mecánica para los procesos osmóticos, tales como ósmosis u ósmosis 4-presión retrasado hacia adelante.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hemos demostrado un método fácil para preparar películas de cocción y membranas impregnadas basados en hidrogeles de ion híbrido. La desaparición de tres (met) acrilato de picos característicos (es decir, 810, 1.190, y 1.410 cm-1) en los espectros IR de las películas poliméricas obtenidas y se impregna la membrana (Figura 2) indica la buena conversión de los monómeros y agente de reticulación 4, 19,</su…
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).
