Syntese af Hydrogeler med antitilsmudsningsegenskaber som membraner til vandrensning
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 været udbredt anvendt til at forøge Overfladehydrofiliciteten af membraner til vandrensning, hvilket øger antitilsmudsningsegenskaber og således opnå stabil vandpermeabilitet gennem membraner med tiden. Her rapporterer vi en let metode til fremstilling af hydrogeler baseret på zwitterioner for membrananvendelser. Fritstående film kan fremstilles ud fra sulfobetain methacrylat (SBMA) med et tværbindingsmiddel af poly (ethylenglycol) diacrylat (PEGDA) via fotopolymerisation. Hydrogelerne kan også fremstilles ved imprægnering i hydrofobe porøse bærere, der kan forbedre den mekaniske styrke. Disse film kan karakteriseres ved svækket totalreflekterende Fourier transformation infrarød spektroskopi (ATR-FTIR) for at bestemme omdannelsesgraden af de (meth) acrylatgrupper, anvendelse goniometre for hydrofilicitet og differentialscanningskalometri (DSC) for polymerkædeenheder dynamik. Vi rapporterer også protokoller til at bestemme vandgennemtrængelighed i blindgyde Filtraonssystemer og virkningen af tilstoppende stoffer (bovint serumalbumin, BSA) på membran ydeevne.
Introduction
Der er et stort behov for at udvikle lavprisselskaber og energieffektive teknologier til at producere rent vand for at imødekomme den stigende efterspørgsel. Polymermembraner er dukket op som en førende teknologi til vandrensning på grund af deres iboende fordele, såsom deres høje energieffektivitet, lave omkostninger, og enkelhed i drift 1. Membraner tillader rent vand at trænge igennem og afvise forureningerne. Imidlertid membraner ofte udsat for begroning af forurenende stoffer i fødevandet, som kan adsorberes på membranen overflade fra deres gunstige interaktioner 2, 3. Tilgroning kan dramatisk reducere vandflux gennem membranerne, hvilket øger membranens areal, der kræves og udgifterne til vandrensning.
En effektiv tilgang til afbøde tilsmudsning er at modificere membranoverfladen at øge hydrofilicitet og dermed formindske gunstige iteractions mellem membranoverfladen og begroningsmidler. En metode er at bruge tyndtfilmsovertræk med super-hydrofil 3 hydrogeler. Hydrogelerne har ofte høj vandpermeabilitet; derfor kan en tyndtfilmsovertræk forøge den langsigtede vand permeans gennem membranen på grund af den afbødes tilsmudsning trods den lidt forøget modstand transport over hele membranen. Hydrogelerne kan også direkte forarbejdes til imprægnerede membraner til vandrensning i osmotiske applikationerne 4.
Zwitterioniske materialer indeholder både positivt og negativt ladede funktionelle grupper, med en netto neutral ladning, og har stærk overflade hydratisering gennem elektrostatisk induceret hydrogenbinding 5, 6, 7, 8, 9. De tæt bundne hydrering lag virker som fysiskog energibarrierer, forhindrer tilstoppende stoffer fra knyttet på overfladen, hvilket viser fremragende begroningshæmmende egenskaber 10. Zwitterioniske polymerer, såsom poly (sulfobetain methacrylat) (PSBMA) og poly (carboxybetain methacrylat) (PCBMA), er blevet anvendt til at modificere membranoverfladen ved coating 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 til at udvide overflade hydrofilicitet og dermed begroningshæmmende egenskaber.
Vi demonstrerer her en let metode til fremstilling af zwitterioniske hydrogeler under anvendelse sulfobetain methacrylat (SBMA) via fotopolymerisation, som er tværbundet under anvendelse af poly (ethylenglycol) diacrylat (PEGDA, Mn = 700 g / mol) for at forbedre den mekaniske styrke. Vi præsenterer også enprocedure til konstruktion af robuste membraner ved imprægnering monomeren og tværbinderen i et højporøst hydrofob bærer før fotopolymerisation. De fysiske og vand transportegenskaber de fritstående film og imprægnerede membraner er grundigt karakteriseret for at tydeliggøre strukturen / ejendom forhold til vandrensning. De fremstillede hydrogeler kan anvendes som en overfladecoating at øge membranseparationsprocesser egenskaber. Ved at justere tværbindingsdensiteten eller ved at imprægnere ind hydrofobe porøse bærere, kan disse materialer også danne tynde film med tilstrækkelig mekanisk styrke til osmotiske processer, såsom fremad osmose eller tryk-osmose 4.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi har påvist en let metode til fremstilling af fritstående film og imprægnerede membraner baseret på zwitterioniske hydrogeler. Forsvinden af tre (meth) acrylat karakteristiske toppe (dvs. 810, 1.190 og 1.410 cm-1) i IR-spektrene af de opnåede polymere film og imprægneret membran (figur 2) viser god omdannelse af monomererne og tværbinder 4, 19, 21. Derudover udseendet af SO3</s…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
