Ten artykuł opisuje praktyczne metody przygotowania hydrożeli w foliach wolnostojących i impregnowanych membranach oraz charakteryzuje ich właściwości fizyczne, w tym właściwości transportu wody.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Ten artykuł opisuje praktyczne metody przygotowania hydrożeli w foliach wolnostojących i impregnowanych membranach oraz charakteryzuje ich właściwości fizyczne, w tym właściwości transportu wody.
Hydrożele są szeroko stosowane do zwiększenia hydrofilowości powierzchni membran do oczyszczania wody, zwiększając właściwości przeciwporostowe i osiągając w ten sposób stabilną przepuszczalność wody przez membrany w miarę upływu czasu. W tym miejscu przedstawiamy łatwą metodę przygotowania hydrożeli na bazie zwitterionów do zastosowań membranowych. Folie wolnostojące można przygotować z metakrylanu sulfobetainy (SBMA) z środkiem sieciującym diakrylan poli(glikolu etylenowego) (PEGDA) poprzez fotopolimeryzację. Hydrożele można również przygotować przez impregnację w hydrofobowe porowate podłoża w celu zwiększenia wytrzymałości mechanicznej. Warstwy te można scharakteryzować za pomocą spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera z całkowitym odbiciem (ATR-FTIR) w celu określenia stopnia konwersji grup (meta)akrylanowych, przy użyciu goniometrów do hydrofilowości i różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) do dynamiki łańcucha polimerowego. Raportujemy również protokoły określające przepuszczalność wody w systemach filtracji ślepych zaułków oraz wpływ zanieczyszczeń (albumina surowicy bydlęcej, BSA) na wydajność membrany.
Istnieje wielka potrzeba opracowania niskokosztowych i energooszczędnych technologii produkcji czystej wody, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu. Membrany polimerowe stały się wiodącą technologią oczyszczania wody ze względu na ich nieodłączne zalety, takie jak wysoka efektywność energetyczna, niski koszt i prostota obsługi1. Membrany umożliwiają przenikanie czystej wody i odrzucanie zanieczyszczeń. Jednak membrany są często narażone na zanieczyszczenie przez zanieczyszczenia w wodzie zasilającej, które mogą być adsorbowane na powierzchni membrany w wyniku ich korzystnych interakcji2,3. Zanieczyszczenie może radykalnie zmniejszyć przepływ wody przez membrany, zwiększając wymaganą powierzchnię membrany i koszt oczyszczania wody.
Skutecznym podejściem do ograniczenia zanieczyszczenia jest modyfikacja powierzchni membrany w celu zwiększenia hydrofilowości i tym samym zmniejszenia korzystnych interakcji między powierzchnią membrany a zanieczyszczeniami. Jedną z metod jest użycie cienkowarstwowej powłoki z hydrożelami superhydrofilowymi3. Hydrożele często mają wysoką przepuszczalność wody; W związku z tym powłoka cienkowarstwowa może zwiększyć długotrwałą przepuszczalność wody przez membranę ze względu na złagodzone zanieczyszczenie, pomimo nieznacznie zwiększonego oporu transportu na całej membranie. Hydrożele mogą być również bezpośrednio wytwarzane w impregnowanych membranach do oczyszczania wody w zastosowaniach osmotycznych4.
Materiały jonowe zawierają zarówno dodatnio, jak i ujemnie naładowane grupy funkcyjne, z ładunkiem neutralnym netto, i mają silne uwodnienie powierzchni dzięki wiązaniom wodorowym indukowanym elektrostatycznie5,6,7,8,9. Ściśle związane warstwy hydratacyjne działają jak bariery fizyczne i energetyczne, zapobiegając osadzaniu się zanieczyszczeń na powierzchni, wykazując w ten sposób doskonałe właściwości przeciwporostowe10. Polimery jonowe typu Studterterion, takie jak poli(metakrylan sulfobetainy) (PSBMA) i poli(metakrylan karboksybetainy) (PCBMA), zostały użyte do modyfikacji powierzchni membrany poprzez powlekanie11,12,13,14,15,16,17,18 w celu zwiększenia hydrofilowości powierzchni, a tym samym właściwości przeciwporostowych.
Pokazujemy tutaj łatwą metodę przygotowania hydrożeli jonowych przy użyciu metakrylanu sulfobetainy (SBMA) poprzez fotopolimeryzację, która jest sieciowana za pomocą diakrylanu poli(glikolu etylenowego) (PEGDA, Mn = 700 g/mol) w celu poprawy wytrzymałości mechanicznej. Przedstawiamy również procedurę konstruowania wytrzymałych membran poprzez impregnację monomeru i środka sieciującego w wysoce porowatym podłożu hydrofobowym przed fotopolimeryzacją. Właściwości fizyczne i transportowe wody folii wolnostojących i impregnowanych membran są dokładnie scharakteryzowane, aby wyjaśnić zależność między strukturą a właściwościami w procesie oczyszczania wody. Tak przygotowane hydrożele mogą być stosowane jako powłoka powierzchniowa w celu poprawy właściwości separacji membranowej. Dostosowując gęstość usieciowania lub impregnując hydrofobowymi porowatymi nośnikami, materiały te mogą również tworzyć cienkie warstwy o wytrzymałości mechanicznej wystarczającej do procesów osmotycznych, takich jak osmoza do przodu lub osmoza opóźniona ciśnieniowo4.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie roztworów prepolimerów
2. Przygotowanie wolnostojących błon
3. Przygotowanie membran impregnowanych
4. Charakterystyka wolnostojących filmów i membran impregnowanych


Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Samonośne filmy przygotowane z roztworów prepolimerów określonych w krokach 1.1 i 1.2 nazywane są odpowiednio S50 oraz S30. Szczegółowe informacje przedstawiono w Tabeli 1. Roztwór prepolimeru określony w kroku 1.2 został również wykorzystany do wytworzenia membran impregnowanych, oznaczonych jako IMS30. Ponieważ porowate podłoże składa się z hydrofobowego polietylenu, tylko roztwór prepolimeru zawierający etanol może zos...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Pokazaliśmy łatwą metodę przygotowania folii wolnostojących i membran impregnowanych na bazie hydrożeli jonowych. Zniknięcie trzech charakterystycznych pików (meta)akrylanu (tj. 810, 1,190 i 1,410 cm-1) w widmach IR otrzymanych warstw polimerowych i impregnowanej membrany (ryc. 2) wskazuje na dobrą konwersję monomerów i środka sieciującego 4,19,21. Dodatkowo, pojawienie się piku wibracyjnego ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.
Z wdzięcznością dziękujemy za finansowe wsparcie tej pracy przez Koreańskie Centrum Badawczo-Rozwojowe ds. Wychwytywania i Sekwestracji Dwutlenku Węgla (KCRC).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Diakrylan poli(glikolu etylenowego) Mn = 700 (PEGDA) | Sigma Aldrich | 455008 | |
| 1-hydroksycykloheksylofenylowy keton, 99% (HCPK) | Sigma Aldrich | 405612 | |
| [2-(metakryloyloksy)etylodimetylo-(3-sulfopropylo)amonowy wodorotlenek, 97% | Sigma Aldrich | 537284 | toksyczny |
| etanol, 95% | Koptec, VWR International | V1101 | Łatwopalny |
| dekan, bezwodny, 99% | Sigma Aldrich | 457116 | |
| Solupor Membrana | Lydall | 7PO7D | |
| Mikrometr | Starrett | 2900-6 | |
| ATR-FTIR | Vertex 70 | ||
| DSC: TA Q2000 | TA Instruments | ||
| Rame'-hart Goniometr: Model 190 | Rame'-hart Instruments | ||
| Ultraviolet Crossender: CX-2000 | Produkty | ultrafioletowe Promieniowanie UV | |
| Komórka przenikająca: Model UHP-43 | Advantec MFS | ||
| Woda dejonizowana: Milli-Q Woda | EMD Millipore |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.