Dit artikel beschrijft praktische methoden om hydrogels te bereiden in vrijstaande films en geïmpregneerde membranen en om hun fysische eigenschappen te karakteriseren, inclusief watertransporteigenschappen.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Synthese van Hydrogels met Antifouling eigenschappen membranen voor waterzuivering
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Hydrogels worden algemeen gebruikt om het oppervlak hydrofiele membranen voor waterzuivering versterken, waardoor de vervuiling tegengaande eigenschappen en aldus tot een stabiele water permeabiliteit door membranen in de tijd. Hier melden wij een gemakkelijke methode om hydrogels op basis van zwitterionen voor membraan aanvragen voor te bereiden. Vrijstaande films kunnen uit sulfobetaine methacrylaat (SBMA) met een verknopingsmiddel van poly (ethyleenglycol) diacrylaat (PEGDA) via fotopolymerisatie. De hydrogelen kunnen ook worden bereid door impregnatie in poreuze hydrofobe dragers om de mechanische sterkte te verbeteren. Deze films kunnen worden gekenmerkt door verzwakte totale reflectie Fourier transformatie infraroodspectroscopie (FTIR-ATR) om de mate van omzetting van de (meth) acrylaatgroepen vast te stellen volgens goniometers voor hydrofiliciteit en differentiële scanning calorimetrie (DSC) voor polymeerketen dynamiek. We melden ook protocollen bij de waterdoorlaatbaarheid in doodlopende Filtra bepalenlisatiesystemen en het effect van vervuilingen (runderserumalbumine, BSA) aan membraangedrag.
Inleiding
Er is een grote behoefte om lage kosten en energie-efficiënte technologieën te ontwikkelen om schoon water te produceren om aan de toenemende vraag te voldoen. Polymeermembranen zijn een veelvoorkomende leidende technologie voor waterzuivering vanwege hun specifieke voordelen, zoals hun hoge energie-efficiëntie, lage kosten en eenvoud van bediening 1. Membranen laten zuiver water door permeaat en de verontreinigingen af te wijzen. Echter zijn membranen vaak onderworpen aan vervuiling door verontreinigingen in het voedingswater, die kan worden geadsorbeerd aan het membraanoppervlak van hun gunstige wisselwerkingen 2, 3. De vervuiling kan drastisch verminderen water flux door de membranen, waardoor het vereiste membraanoppervlak en de kosten van waterzuivering.
Een effectieve aanpak van vervuiling te beperken is het membraan modificeren om de hydrofiliciteit te verhogen en daarmee het gunstig verlagenteractions tussen het membraanoppervlak en vervuilers. Een methode is om dunne filmbekleding met superhydrofiel 3 hydrogels gebruikt. De hydrogels hebben vaak een hoge waterdoorlaatbaarheid; Daarom kan een dunnefilmbekleding op lange termijn doorlaatbaarheid water door het membraan te verhogen vanwege het getemperde vervuiling, ondanks de enigszins verhoogde resistentie transport over het gehele membraan. De hydrogelen kunnen ook direct worden verwerkt tot geïmpregneerd membranen voor waterzuivering in osmotische toepassingen 4.
Tweezijdig ionogene stoffen, bevatten zowel positief als negatief geladen functionele groepen, met een netto neutrale lading en sterke oppervlaktehydratatie door middel van elektrostatische geïnduceerde waterstofbinding 5, 6, 7, 8, 9. De strak gebonden hydratatielagen werken als fysischeen energiebarrières, waardoor fouling zich hecht aan het oppervlak, hetgeen aantoont uitstekende aangroeiwerende eigenschappen 10. Zwitterionische polymeren, zoals poly (sulfobetaïne methacrylaat) (PSBMA) en poly (carboxybetaine methacrylaat) (PCBMA), zijn gebruikt om het membraan te modificeren door bekleding 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 toenemen oppervlaktehydrofiliciteit en dus vervuiling tegengaande eigenschappen.
We tonen hier een gemakkelijke methode om zwitterionische hydrogels gebruikt sulfobetaine methacrylaat (SBMA) via fotopolymerisatie, die verknoopt toepassing van poly (ethyleenglycol) diacrylaat bereiden (PEGDA, Mn = 700 g / mol) om de mechanische sterkte te verbeteren. We presenteren ook eenprocedure robuuste membranen construeren door het impregneren van het monomeer en verknopingsmiddel in een zeer poreuze hydrofobe drager voor de fotopolymerisatie. De fysische en watertransport eigenschappen van de vrijstaande films en membranen geïmpregneerd worden grondig kenmerk van de structuur / eigenschap relatie voor waterzuivering helderen. De bereide hydrogels kunnen worden gebruikt als oppervlaktelaag op membraanscheiding eigenschappen te verbeteren. Door de verknopingsdichtheid hetzij door impregneren in hydrofobe poreuze dragers, kunnen deze materialen ook vormen dunne films met voldoende mechanische sterkte voor osmotische processen, zoals forward osmose of onderdrukte osmose 4.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Voorbereiding van de prepolymeeroplossingen
- Bereiding onder toepassing van water als oplosmiddel
- Voeg 10,00 g gedeïoniseerd (DI) water in een glazen fles met een magnetische roerstaaf.
- Meet 2,00 g SBMA en overbrengen naar de glazen flacon met het water. Roer de oplossing gedurende 30 min, totdat het SBMA volledig is opgelost.
- In een afzonderlijke kolf, voeg 20,00 g PEGDA (Mn = 700 g / mol).
- Voeg 20,0 mg 1-hydroxycyclohexylfenylketon (HCPK), een foto-initiator aan de oplossing PEGDA. Laat de oplossing roer gedurende ten minste 30 min.
- Gebruik een wegwerpbare pipet 8,00 g PEGDA-HCPK oplossing voor het SBMA waterige oplossing. Continu roer het mengsel tot de oplossing homogeen is.
- Bereiding onder toepassing van water / ethanol mengsels oplosmiddelen
- Voeg 6,00 g DI water en 4,00 g ethanol tot een amberkleurige glazen fles met een magnetische roerstaaf.Roer de oplossing grondig mengen mogelijk.
- Voeg 2,00 g SBMA aan het water / ethanolmengsel. Roer de oplossing en laat het SBMA volledig is opgelost.
- Gebruik een pipet om 8,00 g van de PEGDA-HCPK oplossing dragen aan de SBMA mengsel. Roer de oplossing goed te mengen.
2. Bereiding van de vrijstaande films
- Plaats twee spacers met bekende diktes op een zuiver kwarts schijf; de dikte van de afstandhouders bepaalt de dikte van de verkregen polymeerfilms 19.
- Overbrengen van een kleine hoeveelheid (-1,0 ml) van de prepolymeeroplossing met de kwarts schijf met een wegwerpbare pipet.
- Plaats een kwartsschijf bovenop de vloeistof en zorgen dat er geen luchtbellen in de vloeistoffilm.
- Het monster wordt in een ultraviolet (UV) en crosslinker bestralen gedurende 5 minuten met UV licht met een golflengte van 254 nm 19.
OPMERKING: Alternative bestralingstijds en golflengten kunnen worden gebruikt afhankelijk van het type fotoinitiator. - Scheid de polymeerfilm van quartz schijven met een scherp mes. Gebruik een pincet om de film te dragen aan een DI-waterbad. Verander het water tweemaal tijdens de eerste 24 uur aan het oplosmiddel, ongereageerde monomeer / crosslinker en sol uit de film te verwijderen.
OPMERKING: De polymeerfilm moet DI water worden gehouden om de poriestructuur behouden als er een. - Bereiden gedroogde films voor ATR-FTIR en DSC-analyse.
- Verwijder de folie uit het waterbad en laat het aan de lucht drogen gedurende 24 uur.
- Plaats de film in een vacuümoven bij 80 ° C een nacht drogen onder vacuüm.
3. Bereiding van de geïmpregneerde Membranen
- Plaats een vel poreuze drager op een kwartsschijf.
- Gebruik een schuimborstel, laag weerszijden van de drager twee maal de prepolymeeroplossing basis van water / ethanol mengsel 4.
OPMERKING: Aangezien tHij drager hydrofoob is, kan de prepolymeeroplossing met ethanol gemakkelijk bevochtigen steun. - Plaats een andere kwarts schijf op de top van de drager.
- Het monster wordt in een UV crosslinker en bestraald gedurende 5 minuten met UV licht met een golflengte van 254 nm.
- Het geïmpregneerde membraan uit kwarts schijven verwijdert, dompel het geheel in DI waterbad gedurende 5 minuten en verwijder het membraan met een scherp mes en pincet.
- Houd het membraan in DI-water. Verander het water tweemaal het oplosmiddel, het niet omgezette monomeer / crosslinker en het sol uit het membraan te verwijderen.
- Bereid gedroogde, geïmpregneerde membranen voor ATR-FTIR en DSC analyses.
- Verwijder het membraan uit het waterbad. Laat de folie drogen bij omgevingsomstandigheden gedurende 24 uur.
- Droog het membraan in een vacuümoven overnacht bij 80 ° C onder vacuüm.
4. Karakterisering van de vrijstaande Films en geïmpregneerd Membranes
- ATR-FTIR analyse
- Bereid een monster van de prepolymeeroplossing, zoals in stap 1.1, van FTIR-analyse.
- Voer een achtergrond scan voor het scannen van het monster. Stel het golfgetal traject van 600 cm-1 tot 4500 cm-1 bij een 4 cm-1 resolutie van de meting.
- Het monster wordt in de FTIR machine voor analyse.
- Verwijder het monster. Reinig het kristal en de tip met een geschikt oplosmiddel.
- Herhaal stap 4.1.1 - 4.1.4 de volgende monsters: poreuze drager, prepolymeeroplossing, gedroogd vrijstaande films en gedroogde geïmpregneerde membranen.
- Differentiële scan calorimetrie (DSC)
- Plaats een DSC pan en het deksel in een weegschaal en hun gewicht te nemen.
- Plaats een kleine hoeveelheid monster (5-10 mg) in de pan en sluit het deksel.
- Weeg de pan die het monster bevat. Uit het gewichtsverschil tussen de occupied pan en het deksel en de onbezette pan en het deksel Bereken het gewicht van het monster.
- Met een pers, hermetisch het monster binnenin de pan.
- Plaats de afgedichte pan in de DSC cel waarin het inerte referentie is gelegen.
- Voer het gewicht van de onbezette pan en het deksel en het gewicht van het monster in het programma.
- Scannen met de DSC van -80 ° C tot 160 ° C met een verwarmingssnelheid van 10 ° C / min.
- Voer de DSC-analyse met behulp van het protocol van de fabrikant.
- Herhaal de DSC experimenten met verschillende monsters na de bovengenoemde stappen.
- Meting van contacthoeken onder toepassing van een hangende druppel methode
- Snijd een rechthoekige strook van het membraan monster (ongeveer 30 mm bij 6 mm).
- Genieten deze strook in gedeïoniseerd water gedurende 10 minuten en droog het vervolgens gedurende 5 minuten.
- Leg het gedroogde monster op de monsterhouder.
- Dompel de monsterhouder transparantemilieukamer met DI water 20.
- Gebruik een microliter spuit met een roestvrijstalen naald, afzien druppels n-decaan (ongeveer 1 pi) op het membraan monster.
- Laat de setup ongestoord gedurende 2 min aan de stabilisatie van de druppels te waarborgen.
- Gebruik een geschikte beeldanalyse software om de contacthoek van de monsters te bepalen door het meten van de hoeken van de afgegeven druppels op het membraanoppervlak.
- Bereken het gemiddelde van de contacthoek waarden voor verschillende druppels.
- Karakterisering van waterpermeabiliteit onder toepassing van een dead-end-filtratie systeem
- Gebruik een hamer aangedreven perforeren met een geschikte diameter coupons van vrijstaande films en membranen geïmpregneerd snijden.
- Plaats een coupon opgesteld op de poreuze drager in een doodlopende filtercel.
- Plaats de O-ring op de top van het monster. Draai de twee helftenvan de permeatiecel elkaar.
- Voeg ongeveer 50 ml DI water om de permeatiecel. Schroef de dop en plaats de permeatie cel op een magnetische roerder. Stel de roersnelheid tussen 300 en 900 rpm.
- Plaats een overdekte bekerglas op een saldo aan de permeaat water op te vangen. Tarra de balans.
- Opent het ventiel van de gascilinder. Draai de drukregelklep rechtsom tot de gewenste druk wordt bereikt (45 psig voor vrijstaande films en 35 psig geïmpregneerde membranen).
- Open de uitlaatklep om de druk op de permeatiecel leveren.
- Monitor en het gewicht van de beker op te nemen met de tijd.
- Bereken het permeantie (Aw) en permeabiliteit (Pw) met de oplossing-diffusiemodel 4 hieronder weergegeven, 21
waarin A w the water permeantie (L / m2 hbar of LMH / bar), Pw is de waterpermeabiliteit (LMH cm / bar), ρ w is de dichtheid van water (g / l), A het werkzame oppervlak van het membraan (m 2) Am de verandering in de massa water die doordringt (g) over een tijdsperiode At (h) Ap het drukverschil over het membraan (bar) en l de dikte van de gezwollen film (cm). - Gebruik een BSA-oplossing die 0,5 g / l BSA in fosfaat gebufferde zoutoplossing (PBS) bij pH 7,4 tot de aangroeiwerende eigenschappen en afwijzing tarieven van de membranen te evalueren.
- Herhaal stap 4.4.5 - 4.4.10 de waterflux bij aanwezigheid van BSA bepalen. Bereken de BSA verwerpingstarief met de volgende vergelijking 22
waarbij R BSA BSA verwerpingstarief van het membraan (%)Cp is de concentratie van BSA in het permeaat (g / l) en CF is de concentratie van BSA in de toevoer (g / l); de concentratie van BSA kan worden bepaald via UV spectroscopie.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Vrijstaande films vervaardigd met de prepolymeeroplossingen aangegeven in de stappen 1.1 en 1.2 worden aangeduid als S50 en S30 resp. Gedetailleerde informatie wordt getoond in tabel 1. De prepolymeeroplossing uit stap 1.2 werd ook gebruikt om geïmpregneerde membranen die worden aangeduid als IMS30 fabriceren. Omdat de poreuze drager gemaakt van hydrofoob polyethyleen, kan alleen de prepolymeeroplossing met ethanol worde...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
We hebben gedemonstreerd een gemakkelijke methode om vrijstaande films en geïmpregneerde membranen gebaseerd op tweezijdig hydrogels te bereiden. De verdwijning van drie (meth) acrylaat kenmerkende pieken (dat wil zeggen, 810, 1190 en 1410 cm -1) in het IR-spectrum van het verkregen polymeer films geïmpregneerde membraan (Figuur 2) toont de goede omzetting van de monomeren en verknopingsmiddel 4, 19,
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen hebben.
Dankbetuigingen
Wij danken het Korean Carbon Capture and Sequestration R&D Center (KCRC) voor de financiële ondersteuning van dit werk.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 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 |
Referenties
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
