توليف الهلاميات المائية مع خصائص المضادة للحشف والأغشية لتنقية المياه
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
وقد استخدمت الهلاميات المائية على نطاق واسع لتعزيز hydrophilicity سطح الأغشية لتنقية المياه، وزيادة الخصائص المضادة للحشف وبالتالي تحقيق الاستقرار نفاذية الماء من خلال الأغشية مع مرور الوقت. هنا، ونحن التقرير طريقة سطحي لإعداد الهلاميات المائية على أساس أيون مزدوج لتطبيقات الغشاء. الأفلام قائما بذاته يمكن أن تكون مستعدة من ميتاكريليت sulfobetaine (SBMA) مع crosslinker بولي (جلايكول الإثيلين) diacrylate (PEGDA) عن طريق بلمرة ضوئية المنشأ. الهلاميات المائية ويمكن أيضا عن طريق تلقيح أعدت في دعم مسامية مسعور لتعزيز القوة الميكانيكية. هذه الأفلام يمكن وصف مخفف إجمالي فورييه انعكاس تحويل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (ATR-FTIR) لتحديد درجة تحويل (ميث) مجموعة اكريليت، وذلك باستخدام المنقل مقياس الزوايا لالكالوري hydrophilicity والتفضيلية المسح الضوئي (DSC) لديناميات سلسلة البوليمر. نحن أيضا الإبلاغ عن بروتوكولات لتحديد نفاذية المياه في ترشيح مسدودنظم نشوئها وتأثير foulants (الزلال المصل البقري، BSA) على أداء الأغشية.
Introduction
وهناك حاجة كبيرة لتطوير تكنولوجيات كفاءة منخفضة التكلفة والطاقة لإنتاج المياه النظيفة من أجل تلبية الطلب المتزايد. ظهرت الأغشية البوليمرية باعتبارها الرائدة في مجال التكنولوجيا لتنقية المياه بسبب المزايا الكامنة، مثل كفاءتها العالية الطاقة، وانخفاض التكلفة، والبساطة في عملية 1. أغشية تسمح للماء نقية لتتخلل من خلال ورفض الملوثات. ومع ذلك، غالبا ما يتعرض الأغشية لقاذورات من الملوثات في مياه التغذية، والتي يمكن أن كثف على سطح غشاء من التفاعلات مواتية لهم 2 و 3. القاذورات يمكن أن تقلل بشكل كبير تدفق المياه من خلال الأغشية، وزيادة مساحة غشاء المطلوبة والتكلفة لتنقية المياه.
نهج فعال للتخفيف من قاذورات هو تعديل سطح الغشاء لزيادة hydrophilicity وبالتالي تقليل مواتية فيteractions بين سطح الغشاء وfoulants. أسلوب واحد هو استخدام طلاء الأغشية الرقيقة مع superhydrophilic 3 الهلاميات المائية. وغالبا ما يكون الهلاميات المائية نفاذية عالية للمياه. لذلك، يمكن أن يكون طلاء الأغشية الرقيقة زيادة منافذة المياه على المدى الطويل من خلال الغشاء بسبب القاذورات الملطفة، على الرغم من زيادة طفيفة المقاومة النقل عبر الغشاء كله. ويمكن أيضا أن تكون ملفقة الهلاميات المائية مباشرة إلى الأغشية المشبعة لتنقية المياه في تطبيقات التناضحي 4.
تحتوي على مواد Zwitterionic كل من المجموعات الوظيفية المشحونة سلبا وإيجابا، مع متعادلة الشحنة الصافي، ولها ترطيب سطح قوي من خلال الكهربائي الناجم عن الرابطة الهيدروجينية 5، 6، 7، 8، 9. طبقات الماء بإحكام بمثابة البدنيةوالحواجز الطاقة، تمنع foulants من الالتصاق على السطح، مما يدل على الخصائص المضادة للحشف ممتازة 10. البوليمرات Zwitterionic، مثل بولي (ميتاكريليت sulfobetaine) (PSBMA) وبولي (ميتاكريليت carboxybetaine) (PCBMA)، وقد استخدمت لتعديل سطح الغشاء بواسطة طلاء 11، 12، 13، 14، 15، 16، 17، 18 لزيادة hydrophilicity السطح وبالتالي الخصائص المضادة للحشف.
علينا أن نظهر هنا طريقة سطحي لإعداد الهلاميات المائية zwitterionic باستخدام ميتاكريليت sulfobetaine (SBMA) عن طريق بلمرة ضوئية المنشأ، التي عبر ربط باستخدام بولي (جلايكول الإثيلين) diacrylate (PEGDA، M ن = 700 جم / مول) لتحسين القوة الميكانيكية. نقدم أيضاإجراءات لبناء الأغشية قوية من قبل تشريب مونومر وcrosslinker في دعم مسعور مسامية عالية قبل بلمرة ضوئية المنشأ. تتميز الخصائص الفيزيائية ونقل المياه من الأفلام قائما بذاته والأغشية المشبعة جيدا لتوضيح الهيكل / علاقة الملكية لتنقية المياه. الهلاميات المائية إعداد ويمكن استخدام طلاء السطح لتعزيز خصائص الغشاء الفاصل. عن طريق ضبط كثافة يشابك أو تشريب إلى الدعم مسامية مسعور، يمكن لهذه المواد أيضا تشكيل الأغشية الرقيقة مع القوة الميكانيكية الكافية لعمليات التناضحي، مثل التناضح إلى الأمام أو الضغط المتخلفين التناضح 4.
Protocol
Representative Results
Discussion
لقد أثبتت طريقة سطحي لإعداد قائما بذاته الأفلام والأغشية المشبعة على أساس الهلاميات المائية zwitterionic. اختفاء ثلاثة (ميث) قمم مميزة اكريليت (أي، 810، 1190، و 1410 سم -1) في أطياف الأشعة تحت الحمراء من الأفلام البلاستيكية والتي تم الحصول عليها والمشرب غشاء (الشكل…
Disclosures
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 |
References
- 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).
