방법 논문

한외 여과 / 나노 멤브레인 성능 테스트 용 삼차원 인쇄물 미세 유체 교차 유동 시스템

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⸱

DOI:

10.3791/53556

⸱

2016년 2월 13일

 , 
1Department of Desalination and Water Treatment, Zuckerberg Institute for Water Research, Jacob Blaustein Institutes for Desert Research, Ben-Gurion University of the Negev, Sede-Boqer Campus

이 논문에서

요약

설계 및 삼차원 (3-D)의 제조 인쇄 미세 크로스 플로우 여과 시스템이 설명된다. 시스템 성능을 테스트하고 나노 여과 및 한외 여과 (박막 복합체) 막의 오염을 관찰하는데 사용된다.

초록

최소화 및 막 오염의 관리는 다양한 산업 공정 및 멤브레인 기술을 활용하여 다른 관행에 강력한 도전이다. 오염 과정을 이해하는 것은 최적화 및 막 여과 기반의 높은 효율로 이어질 수 있습니다. 여기서 우리는 병렬로 4 막까지 테스트 할 자동 입체적 (3-D) 인쇄 미세 크로스 플로우 여과 시스템의 설계 및 제조를 나타낸다. 미세 세포를 미세 셀 바디 투명 경질 중합체를 사용하고 작동 중에 누출 방지 얇은 고무질 중합체 층을 포함 멀티 감광 재료 3 차원 프린팅 기술을 사용하여 인쇄 하였다. 한외 여과 성능 (UF) 및 나노 여과 (NF) 막을 시험 하였다 및 막 오염이 모델 foulant 소 혈청 알부민 (BSA)으로 관찰 할 수있다. BSA를 함유하는 공급 용액을 멤브레인의 자속 감소를 보였다. 이 프로토콜은 연장 될 수있다에드는 다른 많은 유기, 무기 또는 미생물 포함 된 용액으로 오염 또는의 생물 연료를 측정합니다. 미세 유체 설계는 테스트중인 때문에 멤브레인의 작은 면적에 예 다당류, 단백질 또는 지질에 대한, 비용 또는 소량에서만 사용할 수 있습니다 시험 물질에 특히 유리하다. 이 모듈러 시스템은 쉽게 막을 높은 처리량 테스트에 확장 될 수있다.

서론

멤브레인 기술은 벌크 용액에서 용질의 분리를 요구하는 산업 및 다른 프로세스 일체 그러나 막 오염이 큰 지속적인 도전이다. 막 오염 폐수의 크기 기반 분리 한외 여과막의 사용을 포함 발생 하나 일반적인 예로, 염수 또는 해수 이온 큰 용질의 분리 2 박막 복합체 멤브레인. 파울 3 특성 표시는 차압 상승 플럭스의 감소를 포함한다. 이것은 멤브레인의 생산성을 감소 의한 화학적 또는 기타 세정 프로토콜의 수명을 단축시킨다. 따라서 멤브레인 성능은 오염 평가 및 메커니즘과 오염,의 생물 연료와 세포막에 biofilm 형성의 효과를 이해하는 좋은 지표이다. 또한, 성능 평가는 새로운 막의 설계 또는 수정 중요하다.

EFT ">

미세 유체 장치의 멤브레인의 사용에 대한 관심은 지난 10 년 동안 성장하고있다. (4) 최근에, 우리는 나노 멤브레인의 표면을 오염의 미생물 구성 요소 리포 폴리 사카 라이드의 효과 및 글리을 공부하고, 미생물에 조절 된 표면의 후속 감수성 첨부. 5 미세 횡류 장치 나노 막의 성능을 평가하기 위해 사용되었다. 막 표면적이 작고 때문에 막 표면의 오염에 대한 소량로만 특수 비상업적 지질 성분의 사용을 허용했다. 시스템의 크기는 멤브레인 소재와 솔루션의 낮은 볼륨의 효율적인 사용을 허용했다. 이러한 프로토콜에서는, 막 성능 테스트를위한 미세 유체 소자의 설계 및 제조를 설명하고, 압력 유동 시스템에 장치의 결합을 설명합니다. 장치의 데모는 전기 및 전자 테스트에 의해 표시됩니다모델 foulant, BSA를 이용하여 한외 여과 막 및 나노 막의 성능 겨. -6,7-

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프로토콜

1. 디자인 및 미세 유체 테스트 시스템의 제작

  1. 상단 및 CAD 프로그램의 하단 부분 (그림 1) : 두 개의 분리 된 부분으로 미세 유체 장치를 설계합니다.
  2. 60mm 사각형으로 40mm를 그릴 사각형 도구를 사용하여 바닥 부분을 시작합니다.
  3. 원 도구를 사용하여 한 구석에서 6.2 mm 직경의 원형은 가장자리에서 10mm를 중심으로 만듭니다. 선형 패턴 도구 6 홀의 총 20mm의 간격으로 사각형 구멍에 걸쳐 복제.
  4. 필렛 도구를 사용하면 1mm의 반경 사각형을 필렛.
  5. 밀어 내기 도구 (10) mm의 돌출.
  6. 상면의 중앙에 직사각형 도구를 1mm로하고, 돌출 절단 도구를 30mm 직사각형을 만들기 유로 0.2 mm를 잘라.
  7. 원 도구를 사용하여 유로의 단부에 직경 1mm의 원을 만든다. 그런 다음 줄 도구를 사용하여 가장 가까운 원을 연결하는 경로를 구성필렛 도구로 만든 4mm 반경을 포함하여 10mm 얼굴로 40mm. 스윕 컷 도구를이 경로를 따라 절단합니다.
  8. 원 도구 유로의 중앙에 3.9 mm 직경의 원형을 만들고 피팅 있도록 돌출 절단 도구 8mm 잘라.
  9. 반복 1.7 유로의 반대편 1.8 단계.
  10. 상단 부분의 반복으로 1.2-1.5 단계를 반복합니다. 이어서 상면의 중앙에 사각형을 1mm 씩 30mm를 만들 직사각형 도구를 사용하여 투과 채널을 만들고 돌출 절단 공구를 사용하여 0.5 mm를 잘라.
  11. 끝에서 투과 채널 5mm의 중앙에 1mm 원을 만들기 위해 원 도구를 사용합니다. 선 도구를 사용하여 필렛 도구로 만든 4mm 반경을 포함 6cm면에 의해 1cm의 하나 원을 연결하는 경로를 구성. 스윕 컷 도구를 사용하여 경로를 따라 절단합니다.
  12. 원 도구를 전 8 mm의 투과 경로를 중심으로 추가로 3.9 mm 직경의 원을 만들고 잘라trude이 도구를 잘라.
  13. 부분이 사각형 도구로 40mm 가장자리를, 상단에, 필렛 도구를 사용하여 4mm 반경을 추가 5mm로 사각형을 40mm를 만듭니다. 핸들 하향 3mm를 돌출 돌출 도구를 사용합니다.
  14. 채널을 포함하는 각 부분의 얼굴에 부드러운 고무 폴리머로 도장 0.05 mm를 포함하는 하드 투명 폴리머를 사용하여 복합 소재 감광 3-D 프린터와 인쇄 부품. 제조업체의 표준 프로토콜, 교정 및 설정을 사용합니다.
  15. 탭 스레드 (M5) 피드, 잔류 물에 넣고 구멍을 침투. 투과에 피팅 "사료 및 보유 및 1/16에 피팅"1/8을 연결하는 배관공의 테이프를 사용합니다.
  16. 1/8 "튜브 (그림 2)과 미세 유체 펌프 장치, 밸브, 압력 변환기 및 배압 조절기를 연결합니다.
  17. 튜브 입구하기 위해 0.45 μm의 필터를 연결합니다.
  18. 흐름 미터하고 비커를 균형에 1/16 "튜브로 침투 방전입니다.
    19. 넥타이 와이어와 3 방향 밸브 나사와 표준 서보와 레귤레이터를 배압에 연속 회전 서보를 연결합니다.
  19. 서보 방패에 서보 및 전원 공급 장치를 연결합니다.
  20. 마이크로 압력 센서, 스위치 및 서보 실드를 연결합니다.
  21. 데이터 로깅 및 시스템 제어를위한 PC에 마이크로 컨트롤러, 균형, 플로우 미터와 펌프를 연결합니다.
  22. 시리얼 포트에 데이터를 인쇄 균형을 구성합니다.

2. 테스트 할 막 준비

  1. X 8mm 40mm로 세포막을 잘라.
  2. 초음파로 초순수 (3 × 10 분)에서 막을 적시.
  3. 그런 다음 1 시간 동안 50/50 초순수 / 에탄올 막을 담가.
  4. 4 ° C에서 초순수에서 초순수 및 저장과 세포막을 씻어. (8)

3. 준비 솔루션은 나노 여과 막으로 테스트 할

  1. 삼각 플라스크에 초순수 물 500㎖를 추가합니다. 그런 다음 BSA의 0.04 g을 추가염화나트륨의 D 0.29 g.
  2. 별도의 삼각 플라스크에 초순수 물 500㎖를 추가합니다. 그런 다음 황산 0.6 g을 추가합니다.
  3. 세 번째 삼각 플라스크에 초순수 물 500㎖를 추가합니다. 그런 다음 염화나트륨 0.29 g을 추가합니다.
  4. 삽입 볶음 접시에 각각의 플라스크와 장소 플라스크에 막대를 저어. 500 rpm에서 5 분 동안 혼합한다.

4. 나노 오염 실험을 수행

참고 : RT (약 24 ° C)에서 실험을 수행합니다. 제 유량계에 연결되지 않은 세포를 유동 밸브를 폐쇄하여 단일 막을 측정하기위한 시스템을 구성.

  1. 초순수 저장하고 황산 용액에 다른 입구 관 (그림 2)에 하나의 펌프 입구 튜브를 삽입합니다.
  2. 시스템에서 모든 공기 방울을 제거하기 위해 튜브를 통해 물과 황산 용액을 그리 주사기를 사용한다.
  3. 더불어, 플로우 셀의 하단 부분에 나노 막을 삽입플로우 셀의 상단 부분에 공급 채널​​과 장소를 향해 활성면.
  4. 손으로 너트를 고정 누출을 최소화하기 위해 다음 렌치로 균일하게 조입니다.
  5. 저장 선택 스위치와 초순수를 선택한다.
  6. 2 ml / 분으로 펌프 유량을 설정하고 펌프를 시작합니다.
  7. 4 줄에 압력 조절기를 조정합니다.
  8. 저수지에게 물이 저수지로 시작하는 모든 45 분을 전환하는 실험 매개 변수를 설정합니다.
  9. 자동으로 저장 스위치를 설정하고 실험을 시작합니다.
  10. 60 분에서 다음 30 분 동안 튜브에 황산 투과를 수집합니다.
  11. 91 분에 플라스크 BSA와 염화나트륨 용액을 함유 황산 플라스크를 교체합니다.
  12. 신속하게 펌프를 중지하고 튜브에 황산 남은을 제거하기 위해 입구 튜브를 통해 BSA 솔루션을 그릴 주사기를 사용합니다. 그런 다음 다시 펌프를 시작합니다.
  13. 150 분에서 BSA는 다음 30 분 동안 튜브에 침투 수집합니다.
  14. 225 분 후, 시스템을 종료하고 나노 제거 플로우 셀로부터 여과막.
  15. 주사기를 사용하여, 초순수로 시험 용액 유입 관을 세척.
  16. 반복 테스트를 각 추가 막에 대한 4.1-4.15 단계를 반복합니다.
  17. 염화나트륨 만 시험, 반복 4.1-4.10 및 4.14-4.16 NaCl 용액에 황산 용액을 교체하고 90 분 대신 225 분 후 실험을 종료 단계를 반복합니다.

나노 여과 막 5. 계산 소금 거부

  1. 초순수 텐쇼 시험 셀의 전극을 헹군다.
  2. 피펫, 시험 전지 전극 상에 황산 용액 5 μL 입금.
  3. 용액 녹음 저항.
  4. 반복 5.1-5.3 네 번 단계 평균값을 계산한다.
  5. 반복 각 솔루션 수집 침투 염화나트륨 및 BSA / 염화나트륨 솔루션뿐만 아니라에 대한 5.1-5.4 단계를 반복합니다.
  6. 식 (1)과 염 제거율을 계산합니다 :
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    여기서 Ω들 시험 용액의 저항이며, Ω p를 투과의 저항이다. 저항 직접 염 농도에 상관 용액의 도전율에 반비례한다.

6. 솔루션을 준비 한외 여과 막으로 테스트 할

  1. 4 L 비커에 초순수의 1 L를 추가합니다. 그런 다음 BSA의 0.32 g을 추가합니다.
  2. 볶음 접시에 비커와 장소에 교반 막대를 삽입합니다. 500 rpm에서 5 분 동안 혼합한다.
  3. 비커 500 rpm에서 5 분간 다시 혼합하는 초순수의 추가 3 L을 추가합니다.

7. 한외 여과 오염 실험을 수행

참고 : RT (약 24 ° C)에서 실험을 수행합니다. 먼저 세포를 흐르게 모든 밸브를 개방함으로써 병렬 사 멤브레인을 측정하도록 시스템을 구성.

  1. 번째로 초순수 저장조 및 기타 흡입 튜브로 한 펌프 입구 튜브를 배치전자 BSA 용액 (그림 2).
  2. 시스템에서 모든 공기 방울을 제거하기 위해 튜브를 통해 물과 BSA 용액을 그리 주사기를 사용한다.
  3. 공급 채널​​을 향해 활성 측면으로 유동 세포의 하단 부분에 한외 여과막을 삽입하고, 미세 유체 소자의 상부 반쪽 전지를 닫는다.
  4. 고정 너트는 손으로 후 렌치로 균일하게 조입니다. 부적절한 체결 누수가 발생할 수 있습니다.
  5. 저장 스위치를 사용하여 초순수를 선택합니다.
  6. 8 ㎖ / 분으로, 펌프 유량을 설정하고 펌프를 시작한다.
  7. 0.4 술집에 압력 조절기를 조정합니다.
  8. 제조사의 프로토콜에 따라 데이터 수집 소프트웨어 막의 플럭스 값을 모니터한다.
  9. 플럭스의 평균 ± 10 % 200 LMH 때까지 압력 조정기를 조정한다.
  10. 플럭스는 20 % ± 200 LMH이 아닌 경우 개인 멤브레인을 교체합니다.
  11. 실험 실행 매개 변수를 입력합니다. 먼저 초순수 rese을 선택200 ± 20 LMH의 일정한 유속으로 60 분 동안 rvoir. 그리고, 압력 조정기의 수동 제어와 420 분간 BSA 저장조를 선택한다. 마지막으로, 실험의 끝에 세척 시스템 압력 조정기의 수동 제어와 함께 15 분 동안 초순수 저장조를 선택한다.
  12. 자동으로 저장 스위치를 설정하고 실험을 시작합니다.
  13. 실행 완료 후, 아래로 시스템을 종료하고 유동 세포에서 세포막을 제거합니다.
  14. 초순수 주사기 세척 펌프 도입 관.

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결과

미세 유동 세포는 다중 재료 감광 3 차원 (3-D) 프린터를 사용하여 CAD 프로그램을 사용하여 설계 및 인쇄 하였다. 세포막을 쉽게 (도 1)를 삽입하고 장치로부터 제거 될 수 있도록 이러한 셀은, 두 부분으로 설계 하였다. 각 부분은 구조적 무결성 하드 명확 중합체 인쇄 1cm 두께이고, 막 대향 측면 무상 중합체의 매우 얇은 50㎛의 층으로 오버 코팅되었다. 도장 물 누설을 방지하는 밀봉 기능을 가진 세포를 제공하기 위해 수행 하였다. 유로는 0.2 mm, 깊이 1mm 폭 막의 면적이 30mm 시험 30 mm 길이로 설계되었다. 8mm 세척 프로토콜 40mm로 절단 한 후 멤브레인, 멤브레인은 테스트 장치에 삽입 하였다. 여섯 스테인리스 볼트와 너트 (M6)는 장치를 강화하기 위해 사용하고, 그것은 시스템 (도 2)에 연결되었다. 이와 같이, 셀은 PE 인세포막을 쉽게 교체 할 수 있지만 rmanently 시스템에 연결된다. 하나의 셀은 나...

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토론

이 프로토콜은 나노 여과 및 한외 여과 막 테스트 삼차원 미세 인쇄 횡류 장치의 설계를 설명한다. 최근에는 나노 여과막 컨디셔닝이 프로토콜의 변화의 성공을 나타내는 후속 세균 배양 분사 글리 고스 및 리포 폴리 사카 라이드 및 막 성능 차이 오염있다.이 기술을 채용 한 5 미래의 애플리케이션은 다른 foulants와 막 성능의 변화를 평가하는데 사용될 수있다 . 큰 흐름 세포에 비해이 미세 유체 장치는 훨씬 덜 테스트 솔루션을 필요로 크게 foulants 및 화합물, 한정된 수량 만 사용할 수 있습니다이 특히에 대한 비용을 줄일 수 있습니다. 작은 형식은 실험실 규모의 시험에 편리하게 및 높은 처리량 테스트에 순종 할 수있다.

미세 횡류 장치의 디자인 THR 이루어졌다입체 인쇄의 중요한 이점이다 깨닫지 못하고 있거나 남의 반복 프로토. 일반 장치 설계 기능을 나노 막 용도에 사용 이전에 발행 된 미세 횡류 장치에 기초 하였다. 9,10-...

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공개 사항

저자는 공개 아무것도 없어.

감사의 글

저자는 장치의 입체 인쇄 Stratasys의 (레호 보트, 이스라엘) 감사합니다. 우리는 막 샘플 Microdyne-디르 (독일)에 감사하고 있습니다. 이 연구는 CJA에 이스라엘 과학 재단 (부여 1천4백74에서 13 사이)에 의해 지원되었다

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
BSASIGMA-ALDRICHA6003
NaCl대중7548-4100
MgSO4EMSURE1058861000
NF 멤브레인FilmtecNF200
30 kDa UF 멤브레인MICRODYN NADIRUH030
50 kDa UF 멤브레인MICRODYN NADIRUH050
압력 변환기Midas43006711
볼 밸브AV-RFQ91SA-PN6.4
3방향 밸브iLife Medical Devices902.071
압력 조절기SwagelokKCB1G0A2A5P20000
유량계BronkhorstL01-AGD-99-0-70S
밸런스MRCBBA-1200
펌프Cole-ParmerEW-00354-JI
1/8" 튜빙Cole-ParmerEW-06605-27
1/16" 튜빙Cole-ParmerEW-06407-41
1/16" 피팅Cole-ParmerEW-30486-70
1/8" 피팅KiowaQSM-B-M5-3-20
마이크로컨트롤러Adafruit50Arduino UNO R3
연속 회전 서보Adafruit154
표준 서보Adafruit1142
전원 공급 장치Adafruit658
서보 실드SainSmart20-011-905
스위치부품 익스프레스060-376
0.45 미크론 필터EMD MilliporeSLHV033RS
PotentiostatGamryPCI4
SonicatorMRCDC-150H
Connex 3D 프린터StratasysObjet Connex
Veroclear 스트라타시스RGD810 플로우 셀(Flow Cell) 인쇄를 위한 투명 폴리머
Tangoblack-plusStratasysFLX980플로우 셀의 개스킷 층용 연질 고무 폴리머

참고문헌

  1. Guo, W., Ngo, H. -H., Li, J. A mini-review on membrane fouling. Bioresource technol. 122, 27-34 (2012).
  2. Fane, A. G., Fell, C. J. D. A review of fouling and fouling control in ultrafiltration. Desalination. 62, 117-136 (1987).
  3. Tang, C. Y., Chong, T. H., Fane, A. G. Colloidal interactions and fouling of NF and RO membranes: a review. Adv. colloid interfac. 164 (1-2), 126-143 (2011).
  4. De Jong, J., Lammertink, R. G. H., Wessling, M. Membranes and microfluidics: a review. Lab on a chip. 6 (9), 1125-1139 (2006).
  5. Haas, R., Gutman, J., et al. Glycosphingolipids Enhance Bacterial Attachment and Fouling of Nanofiltration Membranes. Environ. Sci. Technol. Lett. 2, (2015).
  6. Nabe, A. Surface modification of polysulfone ultrafiltration membranes and fouling by BSA solutions. J. Membr. Sci. 133 (1), 57-72 (1997).
  7. Ang, W., Elimelech, M. Protein (BSA) fouling of reverse osmosis membranes: Implications for wastewater reclamation. J. Membr. Sci. 296 (1-2), 83-92 (2007).
  8. Bernstein, R., Belfer, S., Freger, V. Surface modification of dense membranes using radical graft polymerization enhanced by monomer filtration. Langmuir. 26 (14), 12358-12365 (2010).
  9. Kaufman, Y., Kasher, R., Lammertink, R. G. H., Freger, V. Microfluidic NF/RO separation: Cell design, performance and application. J. Membr. Sci. 396, 67-73 (2012).
  10. Kaufman, Y., et al. Towards supported bolaamphiphile membranes for water filtration: Roles of lipid and substrate. J. Membr. Sci. 457, 50-61 (2014).

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