Synthèse des hydrogels avec des propriétés antisalissure Membranes pour la purification de l'eau
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
Hydrogels ont été largement utilisés pour améliorer le caractère hydrophile de la surface des membranes pour la purification de l'eau, ce qui augmente les propriétés antisalissure et réalisant ainsi la perméabilité à l'eau stable à travers des membranes au fil du temps. Nous rapportons ici une méthode facile pour préparer des hydrogels à base de zwitterions pour les applications de la membrane. films autoportants peuvent être préparés à partir de méthacrylate de sulfobétaïne (SBMA) avec un agent de réticulation de poly (éthylène glycol) diacrylate (PEGDA) via photopolymérisation. Les hydrogels peuvent également être préparés par imprégnation dans des supports hydrophobes poreux pour améliorer la résistance mécanique. Ces films peuvent être caractérisés par Fourier de réflexion totale atténuée spectroscopie infrarouge à transformée (ATR-FTIR) pour déterminer le degré de conversion des groupes (méth) acrylate, en utilisant des goniomètres pour l'analyse calorimétrique hydrophilie et différentiel (DSC) pour la dynamique de la chaîne polymère. Nous présentons également des protocoles pour déterminer la perméabilité à l'eau dans filtra impassesystèmes et l'effet tion de antisalissures (albumine de sérum bovin, BSA) sur les performances de la membrane.
Introduction
Il y a un grand besoin de développer des technologies efficaces à faible coût et de l'énergie pour produire de l'eau propre afin de répondre à la demande croissante. Membranes polymères ont émergé comme une technologie de pointe pour la purification de l' eau en raison de leurs avantages inhérents, tels que leur haute efficacité énergétique, à faible coût, et la simplicité dans le fonctionnement 1. Les membranes permettent à l'eau pure pour passer à travers et de rejeter les contaminants. Cependant, les membranes sont souvent soumises à un encrassement par les contaminants présents dans l'eau d'alimentation, qui peuvent être adsorbés sur la surface de la membrane à partir de leurs interactions favorables 2, 3. L'encrassement peut réduire considérablement le flux d'eau à travers les membranes, augmentant la surface de la membrane requise et le coût de purification de l'eau.
Une approche efficace pour atténuer l'encrassement consiste à modifier la surface de la membrane pour augmenter l'hydrophilie et de diminuer ainsi le favorableteractions entre la surface de la membrane et de salissures. Une méthode consiste à utiliser le revêtement à film mince avec superhydrophiles 3 hydrogels. Les hydrogels ont souvent haute perméabilité à l'eau; Par conséquent, un revêtement mince film peut augmenter la perméabilité à l'eau à long terme à travers la membrane en raison de l'encrassement mitigée, en dépit de la résistance au transport légèrement augmenté à travers la membrane entière. Les hydrogels peuvent également être fabriqués directement dans des membranes imprégnées d'épuration d'eau dans des applications osmotiques 4.
Matériaux zwitterioniques contiennent à la fois positivement et négativement chargées des groupes fonctionnels, avec une charge nette neutre, et ont l' hydratation de la surface solide par liaison hydrogène électrostatique induite par 5, 6, 7, 8, 9. Les couches d'hydratation fortement liés agissent comme physiqueet les barrières d'énergie, la prévention de salissures de se fixer sur la surface, ce qui démontre d' excellentes propriétés anti – salissures 10. Les polymères zwitterioniques, tels que le poly (méthacrylate de sulfobétaïne) (PSBMA) et de poly (méthacrylate de carboxybétaïnes) (PCBMA), ont été utilisés pour modifier la surface de la membrane en revêtant 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 pour augmenter hydrophilie de surface et donc des propriétés anti-salissures.
Nous démontrons ici une méthode facile pour préparer des hydrogels en utilisant le méthacrylate de zwitterioniques sulfobétaïne (SBMA) par photopolymérisation, qui est réticulé à l' aide de poly (éthylène glycol) diacrylate (PEGDA, M n = 700 g / mol) pour améliorer la résistance mécanique. Nous présentons également uneProcédure pour la construction de membranes solides par imprégnation du monomère et agent de reticulation dans un support hydrophobe hautement poreux avant la photopolymérisation. Les propriétés physiques et de transport d'eau des films autonomes et des membranes imprégnées sont bien caractérisés pour élucider la structure / relations de propriété pour la purification de l'eau. Les hydrogels préparés peuvent être utilisés comme revêtement de surface pour améliorer les propriétés de séparation à membrane. En ajustant la densité de réticulation ou par imprégnation dans des supports poreux hydrophobes, ces matériaux peuvent également former des films minces ayant une résistance mécanique suffisante pour les processus osmotiques, tels que l' osmose directe ou osmose retardée pression 4.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nous avons fait preuve d'une méthode facile pour préparer des films éléctriques et membranes imprégnées sur la base hydrogels zwitterioniques. La disparition de trois (méth) des pics caractéristiques acrylate ( par exemple, 810, 1190 et 1410 cm -1) dans le spectre IR des films de polymère obtenues et de la membrane imprégnée (Figure 2) indique la bonne conversion des monomères et agent de réticulation 4, 19,</…
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).
