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Article de méthode

Synthèse des hydrogels avec des propriétés antisalissure Membranes pour la purification de l'eau

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⸱

DOI :

10.3791/55426

⸱

7 avril 2017

 ,  , 
1Department of Chemical and Biological Engineering, University at Buffalo, The State University of New York at Buffalo

Dans cet article

Résumé

Cet article présente des méthodes pratiques pour préparer des hydrogels dans des films autoportants et des membranes imprégnées et pour caractériser leurs propriétés physiques, y compris les propriétés de transport de l’eau.

Résumé

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.

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Protocole

1. Préparation des solutions prépolymères

  1. Préparation en utilisant l' eau comme solvant
    1. Ajouter 10,00 g d'eau désionisée (DI) à une bouteille en verre avec une barre d'agitation magnétique.
    2. Mesurer 2,00 g de SBMA et de le transférer à la bouteille en verre contenant l'eau. On agite la solution pendant 30 min, jusqu'à ce que le SBMA soit complètement dissous.
    3. Dans un flacon séparé, ajouter 20,00 g de PEGDA (M n = 700 g / mol).
    4. Ajouter 20,0 mg de 1-hydroxycyclohexylphénylcétone (de HCPK), un photo-initiateur, à la solution PEGDA. Laissez le malaxage de la solution pendant au moins 30 min.
    5. En utilisant une pipette jetable, le transfert de 8,00 g de la solution PEGDA-HCPK à la solution aqueuse SBMA. mélanger en continu le mélange jusqu'à ce que la solution soit homogène.
  2. Préparation en utilisant des mélanges eau / éthanol comme solvants
    1. Ajouter 6,00 g d'eau DI et de 4,00 g d'éthanol dans un flacon en verre ambré d'une barre d'agitation magnétique.On agite la solution pour permettre un mélange complet.
    2. Ajouter 2,00 g de SBMA au mélange eau / éthanol. Incorporer la solution et permettre au SBMA de se dissoudre complètement.
    3. Utiliser une pipette pour transférer 8,00 g de la solution PEGDA-HCPK au mélange SBMA. Bien mélanger la solution.

2. Préparation des films autoportants

  1. Placer deux entretoises d'épaisseurs connues sur un disque de quartz propre; l'épaisseur des entretoises contrôle l'épaisseur des films de polymères obtenus 19.
  2. Transférer une petite quantité (~ 1,0 ml) de la solution de prépolymère sur le disque de quartz à l'aide d'une pipette jetable.
  3. Placer un autre disque de quartz au-dessus du liquide et faire en sorte qu'il n'y ait pas de bulles dans le film liquide.
  4. Placer l'échantillon dans un rayonnement ultraviolet (UV) agent de réticulation et irradier pendant 5 min à l' aide de la lumière UV avec une longueur d' onde de 254 nm 19.
    REMARQUE: Le temps d'irradiation alternatives et des longueurs d'onde peuvent être utilisés en fonction du type de photoinitiateur.
  5. Séparer le film de polymère à partir des disques de quartz à l'aide d'une lame tranchante. Utiliser des pinces pour transférer le film dans un bain d'eau DI. Changer l'eau deux fois au cours de la première 24 h pour éliminer le solvant, le monomère qui n'a pas réagi / agent de réticulation, et un sol à partir du film.
    NOTE: Le film de polymère doit être conservé dans l'eau DI pour préserver la structure des pores, en cas de.
  6. Préparer films séchés pour ATR-FTIR et l'analyse DSC.
    1. Retirez le film du bain d'eau et laissez sécher à l'air pendant 24 h.
    2. Placer le film dans une étuve sous vide à 80 ° C pendant une nuit pour sécher sous vide.

3. Préparation des Membranes Imprégné

  1. Placer une feuille de support poreuse sur un disque de quartz.
  2. En utilisant une brosse en mousse, le manteau de chaque côté du support deux fois avec la solution de prépolymère sur la base du mélange eau / éthanol 4.
    REMARQUE: Puisque til support est hydrophobe, la solution de prépolymère contenant de l'éthanol peut facilement mouiller le support.
  3. Placez un autre disque de quartz au-dessus du support.
  4. Placer l'échantillon dans un agent de réticulation aux UV et irradier pendant 5 min à l'aide de la lumière UV avec une longueur d'onde de 254 nm.
  5. Pour retirer la membrane imprégnée à partir des disques de quartz, immerger tout l'ensemble dans un bain d'eau DI pendant 5 minutes et enlever soigneusement la membrane en utilisant une lame tranchante et une pince à épiler.
  6. Gardez la membrane dans l'eau déminéralisée. Changer l'eau deux fois pour éliminer le solvant, le monomère / agent de réticulation qui n'a pas réagi, et le sol de la membrane.
  7. Préparer séchées, membranes imprégnées d'analyses ATR-FTIR et DSC.
    1. Retirer la membrane du bain d'eau. Laisser la membrane sécher dans les conditions ambiantes pendant 24 h.
    2. Sécher la membrane dans un four à vide pendant une nuit à 80 ° C sous vide.

4. Caractérisation des films éléctriques et moi Imprégnémbranes

  1. Analyse ATR-FTIR
    1. Préparer un échantillon de la solution de prépolymère, comme indiqué à l'étape 1.1, pour l'analyse FTIR.
    2. Effectuer une analyse de fond avant de numériser l'échantillon. Définir la plage de nombre d' ondes de 600 cm -1 à 4500 cm -1 avec une résolution de 4 cm -1 de la mesure.
    3. Placer l'échantillon dans la machine FTIR pour l'analyse.
    4. Retirez l'échantillon. Nettoyer le cristal et la pointe avec un solvant approprié.
    5. Répéter les étapes 4.1.1 - 4.1.4 pour les échantillons suivants: support poreux, la solution de prépolymère, de films secs, autoportante et des membranes imprégnées séchées.
  2. Calorimétrie de balayage différentiel (DSC)
    1. Placez un bac de DSC et le couvercle dans une balance et enregistrer leur poids.
    2. Placer une petite quantité d'échantillon (5-10 mg) à l'intérieur de la casserole et le fermer avec le couvercle.
    3. Peser le moule contenant l'échantillon. De la différence de poids entre le ocasserole et le couvercle ccupied et le plateau et le couvercle inoccupé, calculer le poids de l'échantillon.
    4. En utilisant une presse, sceller hermétiquement l'échantillon à l'intérieur du moule.
    5. Placez le moule étanche à l'intérieur de la cellule DSC dans laquelle la référence est situé inerte.
    6. Entrez le poids de la casserole et le couvercle inoccupé et le poids de l'échantillon dans le programme.
    7. Balayer avec le DSC de -80 ° C à 160 ° C à une vitesse de chauffage de 10 ° C / min.
    8. Effectuer l'analyse DSC en utilisant le protocole du fabricant.
    9. Répétez les expériences de DSC pour différents échantillons en suivant les étapes ci-dessus.
  3. La mesure des angles de contact en utilisant une méthode goutte pendante
    1. Couper une bande rectangulaire de l'échantillon de membrane (environ 30 mm par 6 mm).
    2. Faire tremper cette bande dans de l'eau DI pendant 10 minutes, puis le sécher pendant 5 minutes.
    3. Placez l'échantillon séché sur le porte-échantillon.
    4. Immerger le porte-échantillon dans un transparentchambre d' environnement contenant de l'eau DI 20.
    5. En utilisant une seringue microlitre avec une aiguille en acier inoxydable, distribuer des gouttes de n décane (environ 1 ul) sur l'échantillon de la membrane.
    6. Laissez la configuration non perturbée pendant 2 minutes pour assurer la stabilisation des gouttelettes.
    7. Utiliser un logiciel d'analyse d'image appropriée pour déterminer l'angle de contact des échantillons en mesurant les angles des gouttelettes distribuées sur la surface de la membrane.
    8. Prendre la moyenne des valeurs d'angle de contact des gouttelettes obtenues pour différentes.
  4. Caractérisation de la perméabilité à l'eau en utilisant un système de filtration frontale
    1. Utiliser un poinçon entraîné par un marteau avec un diamètre approprié pour couper des coupons de films autonomes et des membranes imprégnées.
    2. Placer un coupon préparé sur le support poreux dans une cellule de filtration d'extrémité morte.
    3. Placer le joint torique sur le dessus de l'échantillon. Visser les deux moitiésde la cellule de permeation ensemble.
    4. Ajouter environ 50 ml d'eau déminéralisée à la cellule de perméation. Visser le bouchon et placer la cellule de perméation sur un agitateur magnétique. Régler la vitesse d'agitation entre 300 et 900 tours par minute.
    5. Placez un récipient couvert sur un équilibre pour recueillir l'eau de perméat. Tarer la balance.
    6. Ouvrez le robinet de la bouteille de gaz. Tourner la valve régulateur de pression dans le sens horaire jusqu'à ce que la pression désirée soit atteinte (45 psig pour des films autonomes et 35 psig de membranes imprégnées).
    7. Ouvrez la vanne de sortie pour fournir la pression à la cellule de perméation.
    8. Surveiller et enregistrer le poids du gobelet avec le temps.
    9. Calculer la perméabilité à l'eau (A w) et la perméabilité (P w) avec le modèle de solution-diffusion 4 ci - dessous, 21
      figure-protocol-1
      où A w est eperméance e de l' eau (L / m 2 hbar ou LMH / bar), P w est la perméabilité à l'eau (LMH cm / bar), ρ w est la densité de l' eau (g / L), A est la surface effective de la membrane (m 2), Δm est le changement dans la masse de perméat d'eau (g) sur une période de temps At (h), AP est la différence de pression à travers la membrane (bar), et l est l'épaisseur du film gonflé (cm).
    10. Utiliser une solution BSA contenant 0,5 g / L de BSA dans une solution saline tamponnée au phosphate (PBS) à pH = 7,4 pour évaluer les propriétés anti-salissures et les taux de rejet des membranes.
    11. Répétez les étapes 4.4.5 - 4.4.10 pour déterminer le flux d'eau en présence de BSA. Calculer le taux de rejet de BSA avec l'équation suivante 22
      figure-protocol-2
      où R BSA est le taux de rejet de la membrane BSA (%),C P est la concentration de BSA dans le perméat (g / L), et C F est la concentration en BSA dans la charge (g / L); la concentration de la BSA peut être déterminée par spectroscopie UV.

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Résultats

Films autoportants préparés avec les solutions de prépolymère spécifiées dans les étapes 1.1 et 1.2 sont considérés comme des S50 et S30, respectivement. Des informations détaillées sont présentées dans le tableau 1. La solution de prépolymère spécifié à l' étape 1.2 a également été utilisé pour fabriquer des membranes imprégnées, qui sont désignés comme IMS30. Du fait que le support poreux est constitué de polyéthyl...

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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,

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Déclarations de divulgation

Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents.

Remerciements

Nous remercions le Centre coréen de R&D sur la capture et la séquestration du carbone (KCRC) pour son soutien financier à ce travail.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Diacrylate de poly(éthylène glycol)  ;   ;   ;   ;   ;   ;   ;   ;   ;   ;   ;   ;   ;   ;   ;   ;   ; Mn = 700 (PEGDA)Sigma Aldrich455008
1-Hydroxycyclohexyl phénylcétone, 99 % (HCPK)Sigma Aldrich405612
[2-(Methacrloyloxy)ethyl dimethyl-(3-sulfopropyl) ammonium hydroxyde, 97Sigma Aldrich537284à toxicité aiguë
, 95Koptec, VWR InternationalV1101Décane-inflammable
, anhydre, 99 %Sigma Aldrich457116
Solupor MembraneLydall7PO7D
Micromètre  ;Starrett2900-6
ATR-FTIRVertex 70
DSC : TA Q2000TA Instruments
Goniomètre Rame'-hart : Modèle 190Rame'-hart Instruments
Réticulant ultraviolet : CX-2000Ultra-Violet ProductsRayonnement UV  ;
Cellule de perméation : Modèle UHP-43Advantec MFS
Désionisée Eau : Milli-Q EauEMD Millipore
 % éthanol  %

Références

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