Name: Synteza hydrożeli o właściwościach przeciwporostowych jako membran do oczyszczania wody (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-07T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 32 s
Description: Poznaj metodę przygotowania i charakteryzacji hydrożeli zwitterionowych jako membran do oczyszczania wody. Technika ta jest prosta, szybka i łatwa do przeskalowania w produkcji przemysłowej.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Z wdzięcznością dziękujemy za finansowe wsparcie tej pracy przez Koreańskie Centrum Badawczo-Rozwojowe ds. Wychwytywania i Sekwestracji Dwutlenku Węgla (KCRC).

1. Przygotowanie roztworów prepolimerów
<ol>
	<li>Przygotowanie z użyciem wody jako rozpuszczalnika
	<ol>
		<li>Do szklanej butelki z magnetycznym mieszadłem dodać 10.00 g wody dejonizowanej (DI).</li>
		<li>Odważyć 2.00 g SBMA i przenieść do szklanej butelki zawierającej wodę. Mieszać roztwór przez 30 min, aż SBMA całkowicie się rozpuści.</li>
		<li>W oddzielnej butelce umieścić 20.00 g PEGDA (Mn = 700 g/mol).</li>
		<li>Do roztworu PEGDA dodać 20.0 mg 1-hydroksycykloheksylu fenylo-ketonu (HCPK), będącego fotoinicjatorem. Mieszać roztwór przez co najmniej 30 min.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie z użyciem mieszanin wody i etanolu jako rozpuszczalników
	<ol>
		<li>Do bursztynowej szklanej butelki z magnetycznym mieszadłem dodać 6.00 g wody DI oraz 4.00 g etanolu. Mieszać roztwór, aby zapewnić dokładne wymieszanie.</li>
		<li>Do mieszaniny wody i etanolu dodać 2.00 g SBMA. Mieszać roztwór, aż SBMA całkowicie się rozpuści.</li>
		<li>Za pomocą pipety przenieść 8.00 g roztworu PEGDA-HCPK do mieszaniny SBMA. Mieszać w celu dokładnego wymieszania roztworu.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Przygotowanie wolnostojących błon
<ol>
	<li>Umieść dwa dystanse o znanej grubości na czystym dysku kwarcowym; grubość dystansów kontroluje grubość otrzymanych filmów polimerowych19.</li>
	<li>Przenieś niewielką ilość (~1,0 mL) roztworu prepolimeru na dysk kwarcowy za pomocą jednorazowej pipety.</li>
	<li>Połóż drugi dysk kwarcowy na cieczy i upewnij się, że w filmie cieczowym nie ma pęcherzyków powietrza.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Przygotuj wysuszone filmy do analizy ATR-FTIR i DSC.
	<ol>
		<li>Wyjmij film z kąpieli wodnej i pozostaw do wyschnięcia na powietrzu przez 24 h.</li>
		<li>Umieść film w suszarce próżniowej w temperaturze 80 °C, aby wysuszyć go przez noc w próżni.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Przygotowanie membran impregnowanych
<ol>
	<li>Umieść arkusz porowatego podłoża na dysku kwarcowym.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Umieść drugi dysk kwarcowy na wierzchu podłoża.</li>
	<li>Umieść próbkę w sieciującym urządzeniu UV i naświetlaj przez 5 min światłem UV o długości fali 254 nm.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Przechowuj membranę w wodzie DI. Wymień wodę dwukrotnie, aby usunąć z membrany rozpuszczalnik, niezreagowany monomer/sieciujący oraz sol.</li>
	<li>Przygotuj wysuszone, impregnowane membrany do analiz ATR-FTIR i DSC.
	<ol>
		<li>Wyjmij membranę z kąpieli wodnej. Pozostaw membranę do wyschnięcia w warunkach otoczenia przez 24 h.</li>
		<li>Susz membranę w piecu próżniowym przez noc w temperaturze 80 °C pod próżnią.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Charakterystyka wolnostojących filmów i membran impregnowanych
<ol>
	<li>Analiza ATR-FTIR
	<ol>
		<li>Przygotować próbkę roztworu prepolimeru, zgodnie z opisem w kroku 1.1, do analizy FTIR.</li>
		<li>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</li>
		<li>Umieść próbkę w spektrometrze FTIR w celu przeprowadzenia analizy.</li>
		<li>Usuń próbkę. Oczyść kryształ oraz końcówkę odpowiednim rozpuszczalnikiem.</li>
		<li>Powtórz kroki 4.1.1–4.1.4 dla następujących próbek: nośnika porowatego, roztworu prepolimeru, wysuszonych wolnostojących błon oraz wysuszonych membran impregnowanych.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC)
	<ol>
		<li>Umieść tygiel DSC wraz z pokrywką na wadze analitycznej i zapisz ich masę.</li>
		<li>Umieść niewielką ilość próbki (5–10 mg) w tygielku i zamknij go pokrywką.</li>
		<li>Zważ tygielek zawierający próbkę. Na podstawie różnicy masy między zestawem tygielka z pokrywką z próbką a zestawem pustego tygielka z pokrywką oblicz masę próbki.</li>
		<li>Za pomocą prasy hermetycznie zamknąć próbkę w tyglu.</li>
		<li>Umieść zamknięty tygielek wewnątrz ogniwa DSC, w którym znajduje się wzorzec obojętny.</li>
		<li>Wprowadź do programu masę pustej tygielka wraz z pokrywką oraz masę próbki.</li>
		<li>Przeprowadź skanowanie za pomocą DSC od -80 °C Proszę podać tekst do przetłumaczenia. 160 °C przy szybkości nagrzewania wynoszącej 10 °C/min.</li>
		<li>Przeprowadź analizę DSC zgodnie z protokołem producenta.</li>
		<li>Powtórz eksperymenty DSC dla różnych próbek, postępując zgodnie z wyżej wymienionymi krokami.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pomiar kątów zwilżania metodą kropli wiszącej
	<ol>
		<li>Wytnij prostokątny pasek próbki membrany (o wymiarach około 30 mm na 6 mm).</li>
		<li>Namocz ten pasek w wodzie dejonizowanej przez 10 min, a następnie wysusz go przez 5 min.</li>
		<li>Umieść wysuszoną próbkę na uchwycie do próbek.</li>
		<li>Zanurz uchwyt próbki w przezroczystej komorze środowiskowej zawierającej wodę dejonizowaną.20.</li>
		<li>Za pomocą strzykawki mikrolitrowej z igłą ze stali nierdzewnej nanieś krople n-dekan (w przybliżeniu 1 µL) na próbkę membrany.</li>
		<li>Pozostaw układ w spokoju przez 2 min, aby zapewnić stabilizację kropli.</li>
		<li>Należy użyć odpowiedniego oprogramowania do analizy obrazu w celu wyznaczenia kąta zwilżania próbek poprzez pomiar kątów naniesionych kropli na powierzchni membrany.</li>
		<li>Oblicz średnią z wartości kąta zwilżania uzyskanych dla poszczególnych kropli.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Charakterystyka przepuszczalności wody z wykorzystaniem systemu filtracji w układzie zamkniętym
	<ol>
		<li>Należy użyć wycinaka do otworów napędzanego młotkiem o odpowiedniej średnicy, aby wyciąć próbki wolnostojących filmów oraz membran impregnowanych.</li>
		<li>Umieść przygotowany kupon na porowatym wsporniku wewnątrz komory do filtracji w układzie zamkniętym (dead-end).</li>
		<li>Umieść oring na górnej części próbki. Skręć obie połowy celi permeacyjnej.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Postaw przykryty zlewka na wadze w celu zebrania wody permeatu. Wytaruj wagę.</li>
		<li>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).</li>
		<li>Otwórz zawór spustowy, aby podać ciśnienie do komory permeacyjnej.</li>
		<li>Monitoruj i zapisuj masę zlewki w funkcji czasu.</li>
		<li>Oblicz przepuszczalność wody (Aw) oraz przepuszczalność (Pw) z modelem dyfuzji w roztworze przedstawionym poniżej4,21 
		<img alt="Równania aktywności wody i przepuszczalności, wzór matematyczny do analizy transferu masy." src="/files/ftp_upload/55426/55426eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie"> 
		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).</li>
		<li>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.</li>
		<li>Powtórzyć kroki 4.4.5 – 4.4.10, aby określić strumień wody w obecności BSA. Obliczyć stopień odrzucenia BSA za pomocą następującego równania22 
		<img alt="Wzór na odrzut BSA, \( R_{BSA}(\%) = (1 - \frac{C_P}{C_F}) \times 100\% \), metoda obliczeń." src="/files/ftp_upload/55426/55426eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie"> 
		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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Qasim, M., Darwish, N. A., Sarp, S., Hilal, N. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916415300242">Water desalination by forward (direct) osmosis phenomenon: A comprehensive review.</a> Desalination. , 47-69 (2015).</li>
<li>Geise, G. M., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/polb.22037/full">Water purification by membranes: The role of polymer science.</a> J. Polym. Sci. Part B Polym. Phys. 48 (15), 1685-1718 (2010).</li>
<li>Miller, D. J., Dreyer, D., Bielawski, C., Paul, D. R., Freeman, B. D. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201601509/full">Surface modification of water purification membranes: A review.</a> Angew Chem Int Ed Engl. , (2016).</li>
<li>Zhao, S. Z., Huang, K. P., Lin, H. Q. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.5b03241">Impregnated Membranes for Water Purification Using Forward Osmosis.</a> Ind. Eng. Chem. Res. 54 (49), 12354-12366 (2015).</li>
<li>Ostuni, E., Chapman, R. G., Holmlin, R. E., Takayama, S., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/la010384m">A survey of structure-property relationships of surfaces that resist the adsorption of protein.</a> Langmuir. 17 (18), 5605-5620 (2001).</li>
<li>Jiang, S., Cao, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultralow-fouling%2C+functionalizable%2C+and+hydrolyzable+zwitterionic+materials+and+their+derivatives+for+biological+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Mat%22%5BJournal%5D)">Ultralow-fouling, functionalizable, and hydrolyzable zwitterionic materials and their derivatives for biological applications.</a> Adv Mat. 22 (9), 920-932 (2010).</li>
<li>Shah, S., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/polb.24096/abstract">Transport properties of small molecules in zwitterionic polymers.</a> J. Polym. Sci. Part B Polym. Phys. 54 (19), 1924-1934 (2016).</li>
<li>Shao, Q., Jiang, S. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+Understanding+and+Design+of+Zwitterionic+Materials%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Mat%22%5BJournal%5D)">Molecular Understanding and Design of Zwitterionic Materials.</a> Adv Mat. 27 (1), 15-26 (2015).</li>
<li>Zhang, Z., Chao, T., Chen, S., Jiang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Superlow+Fouling+Sulfobetaine+and+Carboxybetaine+Polymers+on+Glass+Slides%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Superlow Fouling Sulfobetaine and Carboxybetaine Polymers on Glass Slides.</a> Langmuir. 22 (24), 10072-10077 (2006).</li>
<li>Chen, S., Li, L., Zhao, C., Zheng, J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032386110006968">Surface hydration: principles and applications toward low-fouling/nonfouling biomaterials.</a> Polymer. 51 (23), 5283-5293 (2010).</li>
<li>Bengani, P., Kou, Y. M., Asatekin, A. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376738815300533">Zwitterionic copolymer self-assembly for fouling resistant, high flux membranes with size-based small molecule selectivity.</a> J Membr Sci. 493, 755-765 (2015).</li>
<li>Chiang, Y. C., Chang, Y., Chuang, C. J., Ruaan, R. C. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376738811007678">A facile zwitterionization in the interfacial modification of low bio-fouling nanofiltration membranes.</a> J Membr Sci. 389, 76-82 (2012).</li>
<li>Mi, Y. F., Zhao, Q., Ji, Y. L., An, Q. F., Gao, C. J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376738815004111">A novel route for surface zwitterionic functionalization of polyamide nanofiltration membranes with improved performance.</a> J Membr Sci. 490, 311-320 (2015).</li>
<li>Shafi, H. Z., Khan, Z., Yang, R., Gleason, K. K. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916415000855">Surface modification of reverse osmosis membranes with zwitterionic coating for improved resistance to fouling.</a> Desalination. 362, 93-103 (2015).</li>
<li>Yang, R., Goktekin, E., Gleason, K. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Zwitterionic+Antifouling+Coatings+for+the+Purification+of+High-Salinity+Shale+Gas+Produced+Water%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Zwitterionic Antifouling Coatings for the Purification of High-Salinity Shale Gas Produced Water.</a> Langmuir. 31 (43), 11895-11903 (2015).</li>
<li>Yang, R., Jang, H., Stocker, R., Gleason, K. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synergistic+Prevention+of+Biofouling+in+Seawater+Desalination+by+Zwitterionic+Surfaces+and+Low-Level+Chlorination%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Mat%22%5BJournal%5D)">Synergistic Prevention of Biofouling in Seawater Desalination by Zwitterionic Surfaces and Low-Level Chlorination.</a> Adv Mat. 26 (11), 1711-1718 (2014).</li>
<li>Azari, S., Zou, L. D. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376738812000701">Using zwitterionic amino acid L-DOPA to modify the surface of thin film composite polyamide reverse osmosis membranes to increase their fouling resistance.</a> J Membr Sci. 401, 68-75 (2012).</li>
<li>Chang, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Underwater+Superoleophobic+Surfaces+Prepared+from+Polymer+Zwitterion%2FDopamine+Composite+Coatings%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Mater+Inter%22%5BJournal%5D)">Underwater Superoleophobic Surfaces Prepared from Polymer Zwitterion/Dopamine Composite Coatings.</a> Adv Mater Inter. , (2016).</li>
<li>Lin, H., Kai, T., Freeman, B. D., Kalakkunnath, S., Kalika, D. S. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ma0510136">The Effect of Cross-Linking on Gas Permeability in Cross-Linked Poly(Ethylene Glycol Diacrylate).</a> Macromolecules. 38 (20), 8381-8393 (2005).</li>
<li>Sagle, A. C., Ju, H., Freeman, B. D., Sharma, M. M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032386108010884">PEG-based hydrogel membrane coatings.</a> Polymer. 50 (3), 756-766 (2009).</li>
<li>Wu, Y. -H., Park, H. B., Kai, T., Freeman, B. D., Kalika, D. S. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376738809007674">Water uptake, transport and structure characterization in poly(ethylene glycol) diacrylate hydrogels.</a> J Membr Sci. 347 (1-2), 197-208 (2010).</li>
<li>Rahimpour, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916411009271">Novel functionalized carbon nanotubes for improving the surface properties and performance of polyethersulfone (PES) membrane.</a> Desalination. 286, 99-107 (2012).</li>
<li>Gulmine, J. V., Janissek, P. R., Heise, H. M., Akcelrud, L. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142941801001246">Polyethylene characterization by FTIR.</a> Polym Testing. 21 (5), 557-563 (2002).</li>
<li>Araújo, J. R., Waldman, W. R., De Paoli, M. A. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141391008002516">Thermal properties of high density polyethylene composites with natural fibres: Coupling agent effect.</a> Polym. Degrad. Stab. 93 (10), 1770-1775 (2008).</li>
<li>McCloskey, B. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032386110004106">Influence of polydopamine deposition conditions on pure water flux and foulant adhesion resistance of reverse osmosis, ultrafiltration, and microfiltration membranes.</a> Polymer. 51 (15), 3472-3485 (2010).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

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 ...

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.

<table><tbody><tr><td>Diakrylan poli(glikolu etylenowego)&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; Mn = 700 (PEGDA)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>455008</td><td></td></tr><tr><td>1-hydroksycykloheksylofenylowy keton, 99% (HCPK)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>405612</td><td></td></tr><tr><td>[2-(metakryloyloksy)etylodimetylo-(3-sulfopropylo)amonowy wodorotlenek, 97%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>537284</td> ostro <td>toksyczny</td></tr><tr><td>etanol, 95%</td><td>Koptec, VWR International</td><td>V1101</td><td>Łatwopalny</td></tr><tr><td>dekan, bezwodny, 99%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>457116</td><td></td></tr><tr><td>Solupor Membrana</td><td>Lydall</td><td>7PO7D</td><td></td></tr><tr><td>Mikrometr&nbsp;</td><td>Starrett</td><td>2900-6</td><td></td></tr><tr><td>ATR-FTIR</td><td>Vertex 70</td><td></td><td></td></tr><tr><td>DSC: TA Q2000</td><td>TA Instruments</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Rame'-hart Goniometr: Model 190</td><td>Rame'-hart Instruments</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ultraviolet Crossender: CX-2000</td><td>Produkty</td><td></td><td>ultrafioletowe Promieniowanie UV&nbsp;</td></tr><tr><td>Komórka przenikająca: Model UHP-43</td><td>Advantec MFS</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Woda dejonizowana: Milli-Q Woda</td><td>EMD Millipore</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

synteza hydrożeli o właściwościach przeciwporostowych jako membran do oczyszczania wody

Synthesis of Hydrogels with Antifouling Properties As Membranes for Water Purification

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.

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...

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

Synteza hydrożeli o właściwościach przeciwporostowych jako membran do oczyszczania wody

Hydrogels have been widely utilized to enhance the surface hydrophilicity of membranes for water purification, increasing the antifouling properties and ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest przygotowanie i charakterystyka samodzielnych filmów oraz membran impregnowanych na bazie hydrożeli zwiterionowych do oczyszczania wody. Metoda ta dostarcza wytycznych dotyczących naprawy samodzielnego filmu na bazie hydrożelu w membranie impregnowanej, a także charakterystyki ich właściwości fizycznych i transportowych. Główną zaletą tej techniki jest jej prostota, szybkość oraz łatwość skalowania w produkcji przemysłowej.Wizualna demonstracja tej metody jest kluczowa, ponieważ zintegrowane etapy przygotowania i charakterystyki hydrożelu są trudne do opanowania ze względu na wykorzystanie niestandardowej aparatury oraz wymóg posiadania umiejętności interdyscyplinarnych. Aby przygotować samodzielne filmy, należy najpierw umieścić dwa dystanse o znanej grubości na czystym dysku kwarcowym. Grubość dystansów kontroluje grubość otrzymanych filmów polimerowych.Za pomocą jednorazowej pipety przenieś niewielką ilość roztworu prepolimeru na dysk kwarcowy. Na powierzchni cieczy połóż drugi dysk kwarcowy, upewniając się, że w filmie cieczy nie ma pęcherzyków powietrza. Następnie umieść próbkę w urządzeniu do sieciowania UV (crosslinker) i naświetlaj ją przez pięć minut światłem UV o długości fali 254 nanometrów.Podczas zdejmowania filmu polimerowego z dysku kwarcowego należy pracować powoli, aby uniknąć rozerwania filmu. Oddzielić film polimerowy od dysków kwarcowych za pomocą ostrego ostrza. Użyć pincety, aby przenieść film do kąpieli w wodzie dejonizowanej.Wymień wodę dwukrotnie w ciągu pierwszych 24 godzin, aby usunąć rozpuszczalnik, nieprzereagowany monomer oraz sieciujący i wypłukać je z filmu. W celu przygotowania wysuszonych filmów do analizy, wyjmij film z łaźni wodnej i pozostaw do wyschnięcia na powietrzu przez 24 godziny. Umieść film w suszarce próżniowej w temperaturze 80 °C, aby wysuszyć go przez noc w próżni.Umieść arkusz porowatego podłoża na dysku kwarcowym. Za pomocą pędzla gąbkowego pokryj każdą stronę podłoża dwukrotnie roztworem prepolimeru opartym na mieszaninie wodno-etanolowej. Na wierzchu podłoża umieść kolejny dysk kwarcowy.Następnie umieść próbkę w crosslinkerze UV i naświetlaj ją przez pięć minut światłem UV o długości fali 254 nanometrów. Aby usunąć impregnowaną membranę z dysków kwarcowych, zanurz cały zestaw w kąpieli z wody dejonizowanej na pięć minut, a następnie ostrożnie oddziel membranę za pomocą ostrego ostrza i pęsety. Przechowując membranę w wodzie dejonizowanej, wymień wodę dwukrotnie, aby usunąć z membrany rozpuszczalnik, nieprzereagowany monomer i crosslinker oraz sol.Aby przygotować wysuszone, impregnowane membrany do analizy, należy wyjąć membranę z łaźni wodnej i pozostawić ją do wyschnięcia w warunkach otoczenia przez 24 godziny. Następnie membranę należy suszyć w piecu próżniowym przez noc w temperaturze 80 °C pod próżnią. Aby zmierzyć kąty zwilżania metodą kapiącej kropli, należy najpierw wyciąć prostokątny pasek z próbki membrany.Namocz ten pasek w wodzie dejonizowanej przez 10 minut. Następnie susz go przez pięć minut. Umieść wysuszoną próbkę na uchwycie do próbek.Następnie zanurz uchwyt próbki w przezroczystej komorze środowiskowej zawierającej wodę dejonizowaną. W kolejnym kroku kluczowe jest, aby pracować powoli i nanosić krople n-dekanu na membrany. Używając strzykawki mikrolitrowej z igłą ze stali nierdzewnej, nanieś krople n-dekanu na próbkę membranową.Pozostaw układ bez zmian przez dwie minuty, aby zapewnić stabilizację kropli. Następnie, przy użyciu odpowiedniego oprogramowania do analizy obrazu, wyznacz kąt zwilżania próbek, mierząc kąty rozwarcia naniesionych kropli na powierzchni membrany. Aby scharakteryzować przepuszczalność wody przy użyciu systemu filtracji końcowej (dead-end), należy najpierw wyciąć kupony z wolnostojących filmów i membran impregnowanych, używając wybijaka do otworów o odpowiedniej średnicy.Umieść przygotowany kupon na porowatym wsporniku wewnątrz komory do filtracji w układzie zamkniętym. Następnie nałóż oring na górę próbki. Skręć obie połowy komory do permeacji.Następnie należy dodać około 50 milliliters wody dejonizowanej do komory permeacyjnej. Przykręcić nasadkę i umieścić komorę permeacyjną na mieszadle magnetycznym. Ustawić prędkość mieszania w zakresie od 300 do 900 RPM.Następnie należy postawić na wadze zlewkę z pokrywą w celu zbierania permeatu i wytarować wagę. Otwórz zawór butli z gazem. Obracaj pokrętło regulatora ciśnienia zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aż do osiągnięcia pożądanego ciśnienia.Na koniec otwórz zawór spustowy, aby przekazać ciśnienie do komory permeacyjnej. Monitoruj i zapisuj wagę zlewki w funkcji czasu. Przedstawione tutaj zdjęcia ukazują wolnostojącą błonę, porowate podłoże oraz membrany zaimpregnowane.Wykazano, że po wypełnieniu porowatego podłoża hydrożelem, zmienia ono swoją barwę z nieprzezroczystej na przezroczystą. Widma podczerwieni wskazują na niemal całkowitą konwersję grup akrylanowych w hydrożelach, co wynika z braku charakterystycznych pików akrylanowych w widmach.Temperatura przejścia szklistego hydrożeli jest wyznaczana za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej, jak pokazano tutaj. Niższe kąty zwilżania w wolnostojących filmach i impregnowanych membranach wskazują na większą hydrofilowość niż w przypadku porowatego podłoża. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać gruntowną wiedzę na temat tego, jak naprawiać materiały bazowe hydrożeli i charakteryzować ich właściwości.Niniejsza praca opisuje szybszą metodę wytwarzania materiału na bazie hydrożelu za pomocą fotopolimeryzacji, a także sposób jego charakteryzacji pod kątem oczyszczania wody. Metoda i materiał te mogą być również wykorzystywane do naprawy membran w procesach gazowych, takich jak wychwyt CO2. Należy pamiętać, że praca z odczynnikami chemicznymi i promieniowaniem UV może być niezwykle niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania tej procedury należy zawsze stosować środki ostrożności, takie jak osobiste środki ochrony indywidualnej.

synthesis-hydrogels-with-antifouling-properties-as-membranes-for

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Prezentujemy syntezę hydrożelu białkowego, w którym pośredniczy rozszczepiona inteina. Budulcem tego hydrożelu są dwa kopolimery białkowe, z których każdy zawiera podjednostkę białka trimerycznego, która służy jako środek sieciujący i połowę rozszczepionej inteiny. Zmieszanie dwóch kopolimerów białkowych wyzwala reakcję splicingu trans-inteinowego, w wyniku której powstaje jednostka polipeptydowa, która samoorganizuje się w hydrożel. Ten hydrożel jest wysoce stabilny pod względem pH i...

Synteza sztucznego hydrożelu białkowego za pośrednictwem inteiny

Procedura polimeryzacji indukowanej plazmą jest opisana dla inicjowanej powierzchniowo polimeryzacji na membranach polimerowych. Dalsza postmodyfikacja szczepionego polimeru substancjami fotochromowymi została przedstawiona wraz z protokołem przeprowadzenia pomiarów przepuszczalności membran reagujących na światło.

Przygotowanie membran reagujących na światło w połączonym procesie szczepienia powierzchniowego i postmodyfikacji

Dwu- i trójwymiarowe superhydrofobowe materiały polimerowe są przygotowywane przez elektroprzędzenie lub elektronatryskiwanie biodegradowalnych polimerów zmieszanych z polimerem o niższej energii powierzchniowej o podobnym składzie.

Wytwarzanie superhydrofobowych materiałów polimerowych do zastosowań biomedycznych

Pokazano projekt i wykonanie trójwymiarowego (3D) drukowanego mikroprzepływowego systemu filtracji krzyżowej. System służy do testowania wydajności i obserwacji zanieczyszczenia membran ultrafiltracyjnych i nanofiltracyjnych (kompozytów cienkowarstwowych).

Trójwymiarowo drukowany mikroprzepływowy system przepływu krzyżowego do testowania wydajności membran ultrafiltracyjnych/nanofiltracyjnych

Opisane są protokoły wytwarzania degradowalnych termoresponsywnych hydrożeli opartych na sieciowaniu hydrazonów polimerowych oligomerów na skalę masową, mikroskalową i nanoskalę, przy czym ta ostatnia służy do przygotowania zarówno nanocząstek żelowych, jak i nanowłókien.

Wytwarzanie degradowalnych termoczułych hydrożeli w różnych skalach długości za pomocą wytłaczania reaktywnego, mikrofluidyki, samoorganizacji i elektroprzędzenia

Przedstawiono proste, powtarzalne i wszechstronne podejście do syntezy przerośniętych, polikrystalicznych metaloorganicznych membran szkieletowych na szerokiej gamie niemodyfikowanych porowatych i nieporowatych podpór.

Krystalizacja elektroforetyczna ultracienkich, wysokowydajnych membran metaloorganicznych

Prezentowany tutaj jest stopniowy protokół do realizacji membran zatrzymujących gaz (GEMs) z płytek SiO2/Si przy użyciu technologii mikrofabrykacji układów scalonych. Gdy krzemionka-GEM jest zanurzona w wodzie, zapobiega się wnikaniu wody, pomimo kochającego wodę składu krzemionki.

Dowód słuszności koncepcji membran zatrzymujących gazy pochodzących z kochających wodę wafli SiO2/Si/SiO2 do ekologicznego odsalania

Przedstawiamy protokół wytwarzania hybrydowej błony lipidowej na granicy woda/powietrze poprzez domieszkowanie dwuwarstwy lipidowej cząsteczkami miedzi (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-ftalocyjaniny (CuPc). Powstała hybrydowa błona lipidowa ma strukturę warstwową lipid/CuPc/lipid. Protokół ten może być również stosowany do tworzenia innych funkcjonalnych nanomateriałów.

Samoorganizacja hybrydowych błon lipidowych domieszkowanych hydrofobowymi cząsteczkami organicznymi na granicy faz woda/powietrze

Zgłoszono użycie fotodegradowalnych hydrożeli do izolowania komórek bakteryjnych za pomocą narzędzia do próbkowania światła o wysokiej rozdzielczości. Dokonano przeglądu podstawowych procedur eksperymentalnych, wyników i zalet procesu. Metoda ta umożliwia szybką i niedrogą izolację docelowych bakterii wykazujących rzadkie lub unikalne funkcje z heterogenicznych społeczności lub populacji.

Fotodegradowalne interfejsy hydrożelowe do badań przesiewowych, selekcji i izolacji bakterii

Tutaj prezentujemy dwa protokoły do osadzania bezkomórkowych reakcji syntezy białek w makroskalowych matrycach hydrożelowych bez potrzeby stosowania zewnętrznej fazy płynnej.

Metody osadzania bezkomórkowych reakcji syntezy białek w hydrożelach w makroskali

Poznaj metodę przygotowania i charakteryzacji hydrożeli zwitterionowych jako membran do oczyszczania wody. Technika ta jest prosta, szybka i łatwa do przeskalowania w produkcji przemysłowej.

Synteza hydrożeli o właściwościach przeciwporostowych jako membran do oczyszczania wody

Przeglądaj więcej filmów