Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Synteza hydrożeli o właściwościach przeciwporostowych jako membran do oczyszczania wody

9.2K wyświetleń

DOI:

10.3791/55426

7 kwietnia 2017

W tym artykule

Podsumowanie

Ten artykuł opisuje praktyczne metody przygotowania hydrożeli w foliach wolnostojących i impregnowanych membranach oraz charakteryzuje ich właściwości fizyczne, w tym właściwości transportu wody.

Streszczenie

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.

Wprowadzenie

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.

Protokół

1. Przygotowanie roztworów prepolimerów

  1. Przygotowanie z użyciem wody jako rozpuszczalnika
    1. Do szklanej butelki z magnetycznym mieszadłem dodać 10.00 g wody dejonizowanej (DI).
    2. Odważyć 2.00 g SBMA i przenieść do szklanej butelki zawierającej wodę. Mieszać roztwór przez 30 min, aż SBMA całkowicie się rozpuści.
    3. W oddzielnej butelce umieścić 20.00 g PEGDA (Mn = 700 g/mol).
    4. Do roztworu PEGDA dodać 20.0 mg 1-hydroksycykloheksylu fenylo-ketonu (HCPK), będącego fotoinicjatorem. Mieszać roztwór przez co najmniej 30 min.
    5. Za pomocą jednorazowej pipety przenieść 8.00 g roztworu PEGDA-HCPK do wodnego roztworu SBMA. Mieszać mieszaninę w sposób ciągły, aż roztwór stanie się jednorodny.
  2. Przygotowanie z użyciem mieszanin wody i etanolu jako rozpuszczalników
    1. Do bursztynowej szklanej butelki z magnetycznym mieszadłem dodać 6.00 g wody DI oraz 4.00 g etanolu. Mieszać roztwór, aby zapewnić dokładne wymieszanie.
    2. Do mieszaniny wody i etanolu dodać 2.00 g SBMA. Mieszać roztwór, aż SBMA całkowicie się rozpuści.
    3. Za pomocą pipety przenieść 8.00 g roztworu PEGDA-HCPK do mieszaniny SBMA. Mieszać w celu dokładnego wymieszania roztworu.

2. Przygotowanie wolnostojących błon

  1. Umieść dwa dystanse o znanej grubości na czystym dysku kwarcowym; grubość dystansów kontroluje grubość otrzymanych filmów polimerowych19.
  2. Przenieś niewielką ilość (~1,0 mL) roztworu prepolimeru na dysk kwarcowy za pomocą jednorazowej pipety.
  3. Połóż drugi dysk kwarcowy na cieczy i upewnij się, że w filmie cieczowym nie ma pęcherzyków powietrza.
  4. Umieść próbkę w kroslinkerze ultrafioletowym (UV) i naświetlaj przez 5 min światłem UV o długości fali 254 nm19.
    UWAGA: W zależności od rodzaju fotoinicjatora można zastosować alternatywne czasy i długości fali naświetlania.
  5. Oddziel film polimerowy od dysków kwarcowych za pomocą ostrego ostrza. Użyj pęsety, aby przenieść film do kąpieli w wodzie DI. Wymień wodę dwukrotnie w ciągu pierwszych 24 h, aby usunąć z filmu rozpuszczalnik, niezreagowany monomer/kroslinker oraz sol.
    UWAGA: Film polimerowy należy przechowywać w wodzie DI, aby zachować strukturę porów, jeśli taka występuje.
  6. Przygotuj wysuszone filmy do analizy ATR-FTIR i DSC.
    1. Wyjmij film z kąpieli wodnej i pozostaw do wyschnięcia na powietrzu przez 24 h.
    2. Umieść film w suszarce próżniowej w temperaturze 80 °C, aby wysuszyć go przez noc w próżni.

3. Przygotowanie membran impregnowanych

  1. Umieść arkusz porowatego podłoża na dysku kwarcowym.
  2. Za pomocą pędzla gąbkowego pokryj każdą stronę podłoża dwukrotnie roztworem prepolimeru opartym na mieszaninie woda/etanol4.
    UWAGA: Ponieważ podłoże jest hydrofobowe, roztwór prepolimeru zawierający etanol może łatwo zwilżyć podłoże.
  3. Umieść drugi dysk kwarcowy na wierzchu podłoża.
  4. Umieść próbkę w sieciującym urządzeniu UV i naświetlaj przez 5 min światłem UV o długości fali 254 nm.
  5. Aby usunąć impregnowaną membranę z dysków kwarcowych, zanurz cały zespół w kąpieli z wody DI na 5 min, a następnie ostrożnie usuń membranę za pomocą ostrego ostrza i pęsety.
  6. Przechowuj membranę w wodzie DI. Wymień wodę dwukrotnie, aby usunąć z membrany rozpuszczalnik, niezreagowany monomer/sieciujący oraz sol.
  7. Przygotuj wysuszone, impregnowane membrany do analiz ATR-FTIR i DSC.
    1. Wyjmij membranę z kąpieli wodnej. Pozostaw membranę do wyschnięcia w warunkach otoczenia przez 24 h.
    2. Susz membranę w piecu próżniowym przez noc w temperaturze 80 °C pod próżnią.

4. Charakterystyka wolnostojących filmów i membran impregnowanych

  1. Analiza ATR-FTIR
    1. Przygotować próbkę roztworu prepolimeru, zgodnie z opisem w kroku 1.1, do analizy FTIR.
    2. Przed skanowaniem próbki należy wykonać skanowanie tła. Ustaw zakres liczb falowych od 600 cm⁻¹-1 do 4 500 cm-1 przy 4 cm-1 rozdzielczość pomiaru
    3. Umieść próbkę w spektrometrze FTIR w celu przeprowadzenia analizy.
    4. Usuń próbkę. Oczyść kryształ oraz końcówkę odpowiednim rozpuszczalnikiem.
    5. Powtórz kroki 4.1.1–4.1.4 dla następujących próbek: nośnika porowatego, roztworu prepolimeru, wysuszonych wolnostojących błon oraz wysuszonych membran impregnowanych.
  2. Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC)
    1. Umieść tygiel DSC wraz z pokrywką na wadze analitycznej i zapisz ich masę.
    2. Umieść niewielką ilość próbki (5–10 mg) w tygielku i zamknij go pokrywką.
    3. Zważ tygielek zawierający próbkę. Na podstawie różnicy masy między zestawem tygielka z pokrywką z próbką a zestawem pustego tygielka z pokrywką oblicz masę próbki.
    4. Za pomocą prasy hermetycznie zamknąć próbkę w tyglu.
    5. Umieść zamknięty tygielek wewnątrz ogniwa DSC, w którym znajduje się wzorzec obojętny.
    6. Wprowadź do programu masę pustej tygielka wraz z pokrywką oraz masę próbki.
    7. Przeprowadź skanowanie za pomocą DSC od -80 °C Proszę podać tekst do przetłumaczenia. 160 °C przy szybkości nagrzewania wynoszącej 10 °C/min.
    8. Przeprowadź analizę DSC zgodnie z protokołem producenta.
    9. Powtórz eksperymenty DSC dla różnych próbek, postępując zgodnie z wyżej wymienionymi krokami.
  3. Pomiar kątów zwilżania metodą kropli wiszącej
    1. Wytnij prostokątny pasek próbki membrany (o wymiarach około 30 mm na 6 mm).
    2. Namocz ten pasek w wodzie dejonizowanej przez 10 min, a następnie wysusz go przez 5 min.
    3. Umieść wysuszoną próbkę na uchwycie do próbek.
    4. Zanurz uchwyt próbki w przezroczystej komorze środowiskowej zawierającej wodę dejonizowaną.20.
    5. Za pomocą strzykawki mikrolitrowej z igłą ze stali nierdzewnej nanieś krople n-dekan (w przybliżeniu 1 µL) na próbkę membrany.
    6. Pozostaw układ w spokoju przez 2 min, aby zapewnić stabilizację kropli.
    7. Należy użyć odpowiedniego oprogramowania do analizy obrazu w celu wyznaczenia kąta zwilżania próbek poprzez pomiar kątów naniesionych kropli na powierzchni membrany.
    8. Oblicz średnią z wartości kąta zwilżania uzyskanych dla poszczególnych kropli.
  4. Charakterystyka przepuszczalności wody z wykorzystaniem systemu filtracji w układzie zamkniętym
    1. Należy użyć wycinaka do otworów napędzanego młotkiem o odpowiedniej średnicy, aby wyciąć próbki wolnostojących filmów oraz membran impregnowanych.
    2. Umieść przygotowany kupon na porowatym wsporniku wewnątrz komory do filtracji w układzie zamkniętym (dead-end).
    3. Umieść oring na górnej części próbki. Skręć obie połowy celi permeacyjnej.
    4. Do komory permeacyjnej należy dodać około 50 ml wody dejonizowanej. Następnie należy przykręcić zakrętkę i ustawić komorę permeacyjną na mieszadle magnetycznym. Prędkość mieszania należy ustawić w zakresie od 300 do 900 obr./min.
    5. Postaw przykryty zlewka na wadze w celu zebrania wody permeatu. Wytaruj wagę.
    6. Otwórz zawór butli z gazem. Obracaj zawór regulatora ciśnienia zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aż do uzyskania pożądanego ciśnienia (45 psig dla wolnostojących błon i 35 psig dla membran impregnowanych).
    7. Otwórz zawór spustowy, aby podać ciśnienie do komory permeacyjnej.
    8. Monitoruj i zapisuj masę zlewki w funkcji czasu.
    9. Oblicz przepuszczalność wody (Aw) oraz przepuszczalność (Pw) z modelem dyfuzji w roztworze przedstawionym poniżej4,21
      Równania aktywności wody i przepuszczalności, wzór matematyczny do analizy transferu masy.
      gdzie Aw czy przepuszczalność wody (L/m2hbar lub LMH/bar), Pw jest przepuszczalność wody (LMH cm/bar), ρw jest gęstość wody (g/L), A czy powierzchnia czynna membrany (m2), Δm jest zmianą masy permeatu wodnego (g) w określonym przedziale czasowym Δt (h), Δp jest różnicą ciśnień na membranie (bar), a l jest grubością napęczniałej błony (cm).
    10. W celu oceny właściwości antyfoulingowych oraz stopnia odrzucenia przez membrany należy zastosować roztwór BSA o stężeniu 0,5 g/L w soli fizjologicznej z buforem fosforanowym (PBS) o pH = 7,4.
    11. Powtórzyć kroki 4.4.5 – 4.4.10, aby określić strumień wody w obecności BSA. Obliczyć stopień odrzucenia BSA za pomocą następującego równania22
      Wzór na odrzut BSA, \( R_{BSA}(\%) = (1 - \frac{C_P}{C_F}) \times 100\% \), metoda obliczeń.
      gdzie RBSA wskaźnik odrzutu BSA przez membranę (%), CP jest stężeniem BSA w permeacie (g/L), a CF jest stężeniem BSA w pożywce (g/L); stężenie BSA można określić za pomocą spektroskopii UV.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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.

Dyskusja

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.

Oświadczenia

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

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.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Diakrylan poli(glikolu etylenowego)                                  Mn = 700 (PEGDA)Sigma Aldrich455008
1-hydroksycykloheksylofenylowy keton, 99% (HCPK)Sigma Aldrich405612
[2-(metakryloyloksy)etylodimetylo-(3-sulfopropylo)amonowy wodorotlenek, 97%Sigma Aldrich537284toksyczny
etanol, 95%Koptec, VWR InternationalV1101Łatwopalny
dekan, bezwodny, 99%Sigma Aldrich457116
Solupor MembranaLydall7PO7D
Mikrometr Starrett2900-6
ATR-FTIRVertex 70
DSC: TA Q2000TA Instruments
Rame'-hart Goniometr: Model 190Rame'-hart Instruments
Ultraviolet Crossender: CX-2000Produktyultrafioletowe Promieniowanie UV 
Komórka przenikająca: Model UHP-43Advantec MFS
Woda dejonizowana: Milli-Q WodaEMD Millipore
ostro

Bibliografia

  1. Qasim, M., Darwish, N. A., Sarp, S., Hilal, N. Water desalination by forward (direct) osmosis phenomenon: A comprehensive review. Desalination. , 47-69 (2015).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Jiang, S., Cao, Z. Ultralow-fouling, functionalizable, and hydrolyzable zwitterionic materials and their derivatives for biological applications. Adv Mat. 22 (9), 920-932 (2010).
  7. Shah, S., et al. Transport properties of small molecules in zwitterionic polymers. J. Polym. Sci. Part B Polym. Phys. 54 (19), 1924-1934 (2016).
  8. Shao, Q., Jiang, S. Y. Molecular Understanding and Design of Zwitterionic Materials. Adv Mat. 27 (1), 15-26 (2015).
  9. Zhang, Z., Chao, T., Chen, S., Jiang, S. Superlow Fouling Sulfobetaine and Carboxybetaine Polymers on Glass Slides. Langmuir. 22 (24), 10072-10077 (2006).
  10. Chen, S., Li, L., Zhao, C., Zheng, J. Surface hydration: principles and applications toward low-fouling/nonfouling biomaterials. Polymer. 51 (23), 5283-5293 (2010).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Chang, C., et al. Underwater Superoleophobic Surfaces Prepared from Polymer Zwitterion/Dopamine Composite Coatings. Adv Mater Inter. , (2016).
  19. 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).
  20. Sagle, A. C., Ju, H., Freeman, B. D., Sharma, M. M. PEG-based hydrogel membrane coatings. Polymer. 50 (3), 756-766 (2009).
  21. 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).
  22. Rahimpour, A., et al. Novel functionalized carbon nanotubes for improving the surface properties and performance of polyethersulfone (PES) membrane. Desalination. 286, 99-107 (2012).
  23. Gulmine, J. V., Janissek, P. R., Heise, H. M., Akcelrud, L. Polyethylene characterization by FTIR. Polym Testing. 21 (5), 557-563 (2002).
  24. 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).
  25. 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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Synteza hydro elihydro ele zwiterionowefotopolimeryzacjamembranowe oczyszczanie wodyanaliza ATR FTIRpomiar k ta zwil aniabadanie przepuszczalno ci wodyr nicowa kalorymetria skaningowafiltracja w uk adzie zamkni tymwolnostoj ce b ony