本文报道了制备自支撑薄膜和浸渍膜中水凝胶的实用方法，并对它们的物理性质（包括水传输性质）进行表征。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
水凝胶已广泛用于提高水处理膜表面的亲水性，增强其抗污染性能，从而实现膜通量的长期稳定。本文报道了一种基于两性离子制备适用于膜材料的水凝胶的简便方法。通过光聚合反应，可由甲基丙烯酰氧基丙基磺基甜菜碱（SBMA）与二丙烯酸聚乙二醇酯（PEGDA）交联剂制备自支撑薄膜。此外，也可将水凝胶浸渍于疏水性多孔支撑材料中以提高其机械强度。这些薄膜可通过衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）测定（甲基）丙烯酸酯基团的转化率，利用接触角测量仪评估亲水性，并通过差示扫描量热法（DSC）研究聚合物链段的动态行为。本文还报道了在死端过滤系统中测定水通量以及污染物（牛血清白蛋白，BSA）对膜性能影响的实验方案。
引言
为了满足日益增长的需求，迫切需要开发低成本且节能的技术来生产洁净水。聚合物膜因其固有的优势（如高能效、低成本和操作简便）已成为水净化领域的领先技术1。膜能够允许纯水透过，同时截留污染物。然而，膜常常会受到进水中污染物的污染，这些污染物可通过有利的相互作用吸附在膜表面2,3。污染会显著降低膜的水通量，增加所需膜面积以及水净化成本。
一种有效的减轻污染方法是改性膜表面，以提高其亲水性，从而降低膜表面与污染物之间的有利相互作用。其中一种方法是采用具有超亲水性3的水凝胶进行薄膜涂覆。水凝胶通常具有较高的水渗透性；因此，尽管整个膜的传质阻力略有增加，但由于污染减轻，薄膜涂层仍可提高膜的长期水通量。此外，水凝胶也可直接制备成浸渍膜，用于渗透应用中的水净化4。
两性离子材料含有带正电和带负电的功能基团，整体呈电中性，可通过静电诱导的氢键作用实现强烈的表面水合作用5,6,7,
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
1. 预聚体溶液的制备
- 使用水作为溶剂的制备方法
- 将 10.00 g 去离子水（DI）加入含有磁力搅拌子的玻璃瓶中。
- 称取 2.00 g SBMA 并转移至盛有水的玻璃瓶中。搅拌溶液 30 分钟，直至 SBMA 完全溶解。
- 在另一个独立的瓶子中，加入 20.00 g PEGDA（Mn = 700 g/mol）。
- 向 PEGDA 溶液中加入 20.0 mg 光引发剂 1-羟基环己基苯基酮（HCPK），持续搅拌至少 30 分钟。
- 使用一次性移液管将 8.00 g PEGDA-HCPK 溶液转移至 SBMA 水溶液中。持续搅拌混合物，直至溶液均匀。
- 使用水/乙醇混合物作为溶剂的制备方法
- 将 6.00 g 去离子水和 4.00 g 乙醇加入含有磁力搅拌子的棕色玻璃瓶中，搅拌以确保充分混合。
- 向水/乙醇混合物中加入 2.00 g SBMA，搅拌溶液并使 SBMA 完全溶解。
- 使用移液管将 8.00 g PEGDA-HCPK 溶液转移至 SBMA 混合物中，充分搅拌以使溶液混合均匀。
2. 自支撑薄膜的制备
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
使用步骤1.1和1.2中指定的预聚物溶液制备的自支撑薄膜分别称为S50和S30。详细信息见Table 1。步骤1.2中指定的预聚物溶液还用于制备浸渍膜，记为IMS30。由于多孔支撑层由疏水性聚乙烯制成，只有含乙醇的预聚物溶液可浸渍入支撑层并形成透明薄膜，如Figure 14所示。
通过ATR-FTIR光谱法确认了PEGDA和SBMA中（甲基）丙烯酸酯基团的转化。图2展示了多孔支撑体、预聚体溶液、干燥聚合物薄膜（S50和S30）以及干燥浸渍膜（IMS30）的红外光谱。多孔支撑体的光谱（a）在约1,460 cm-1处显示出与弯曲变形相关的特征峰23
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
我们已展示了一种简便的方法，用于制备基于两性离子水凝胶的自支撑薄膜和浸渍膜。(甲基)丙烯酸酯的三个特征峰消失即，810、1,190 和 1,410 cm-1) 在所得聚合物薄膜和浸渍膜的红外光谱中图2）表明单体与交联剂的良好转化4,19,21此外，SO的出现3- 光谱中薄膜和膜的振动峰证实两性离子基团已成功引入水凝胶中。所得共聚物的可溶组分可忽略不计，表明共聚物的组成与预聚物溶液的组成非常接近7.
S30和S50的Tg值相似，表明预聚物溶液中的溶剂类型对Tg影响较小。对于浸渍膜，熔融峰归属于多孔支撑层（聚乙烯），这表明该膜在跨膜承受高温和高压方面具有良好的.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
我们衷心感谢韩国碳捕集与封存研究计划（Korean Carbon Capture and Sequestration R&D中心（KCRC）。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 聚乙二醇二丙烯酸酯 Mn = 700 (PEGDA) | Sigma Aldrich | 455008 | |
| 1-羟基环己基苯基酮，99% (HCPK) | Sigma Aldrich | 405612 | |
| [2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基-(3-磺丙基)氢氧化铵，97% | Sigma Aldrich | 537284 | 剧毒 |
| 乙醇，95% | Koptec, VWR International | V1101 | 易燃 |
| 癸烷，无水，99% | Sigma Aldrich | 457116 | |
| Solupor 膜 | Lydall | 7PO7D | |
| 千分尺 | Starrett | 2900-6 | |
| ATR-FTIR | Vertex 70 | ||
| DSC：TA Q2000 | TA Instruments | ||
| Rame’-hart 接触角测量仪：Model 190 | Rame’-hart Instruments | ||
| 紫外交联仪：CX-2000 | Ultra-Violet Products | 紫外辐射 | |
| 渗透池：Model UHP-43 | Advantec MFS | ||
| 去离子水：Milli-Q 水 | EMD Millipore |
参考文献
- 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.
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
标签
