Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Синтез гидрогелей с противообрастающей недвижимостью в качестве мембран для очистки воды

9.2K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/55426

⸱

7 апреля 2017 г.

 ,  , 
1Department of Chemical and Biological Engineering, University at Buffalo, The State University of New York at Buffalo

В этой статье

Краткое содержание

В этой статье представлены практические методы получения гидрогелей в отдельно стоящих пленках и пропитанных мембранах, а также характеристика их физических свойств, включая свойства переноса воды.

Аннотация

Гидрогели широко использовались для повышения поверхностной гидрофильности мембран для очистки воды, увеличивая свойства противостоять обрастанию и, таким образом, достижение стабильной проницаемости воды через мембрану с течением времени. Здесь мы приводим легкое способа получения гидрогелей на основе цвиттера для мембранных приложений. Автономные пленки могут быть получены из сульфобетаин метакрилата (SBMA) с сшивающим агентом поли (этиленгликоль) диакрилат (PEGDA) через фотополимеризацию. Гидрогели также могут быть получены путем пропитки в гидрофобные пористые носитель, чтобы повысить механическую прочность. Эти пленки могут быть охарактеризованы с помощью нарушенного полного внутреннего отражения ИК-фурье-спектроскопии (ATR-FTIR), чтобы определить степень превращения (мет) акрилатные группы, используя гониометры для гидрофильность и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) на динамику полимерных цепей. Мы также сообщаем протоколы для определения проницаемости для воды в тупиковой FiltraСистемы Тион и эффект foulants (бычий сывороточный альбумин, БСА) на производительность мембраны.

Введение

Существует большая потребность в разработке недорогих и энергоэффективных технологий для производства чистой воды для того, чтобы удовлетворить растущий спрос. Полимерные мембраны появились в качестве ведущей технологии для очистки воды из - за присущие им преимущества, такие как их высокая энергетической эффективность, низкая стоимость и простота в эксплуатации 1. Мембраны позволяют чистой воды проникать через и отказаться от загрязнений. Тем не менее, мембраны часто подвергаются обрастанию загрязняющих веществ в питающей воде, которые могут быть , адсорбированных на поверхности мембраны из своих благоприятных взаимодействий 2, 3. Обрастания могут значительно уменьшить поток воды через мембрану, что увеличивает площадь мембраны, необходимую и стоимость очистки воды.

Эффективный подход для уменьшения засорения состоит в модификации поверхности мембраны, чтобы увеличить гидрофильность, и, таким образом, снизить благоприятный вteractions между поверхностью мембраны и foulants. Один из способов заключается в использовании тонкопленочных покрытий с superhydrophilic 3 гидрогелей. Эти гидрогели часто имеют высокую проницаемость для воды; Таким образом, покрытие тонкой пленки может увеличить долгосрочную проницаемость воды через мембрану за счетом подслащенного обрастания, несмотря на слегка повышенную устойчивость транспортной поперек всей мембраны. Гидрогели также могут быть непосредственно изготовлены в пропитанные мембраны для очистки воды , в осмотических приложениях 4.

Цвиттерионные материалы содержат как положительно , так и отрицательно заряженные функциональные группы, с чистым нейтральным зарядом, и имеют сильное поверхностное увлажнение за счет электростатического-индуцированной водородной св зи 5, 6, 7, 8, 9. Плотно связанные гидратации слои действуют как физическиеи энергетические барьеры, предотвращая foulants от прикрепляться к поверхности, таким образом , демонстрируя отличные противообрастающие свойства 10. Цвиттерионные полимеры, такие как поли (сульфобетаин метакрилата) (PSBMA) и поли (карбоксибетаинов метакрилата) (PCBMA), были использованы для модификации поверхности мембраны путем покрытия 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 , чтобы увеличить поверхность гидрофильность, и, таким образом, свойство, препятствующее обрастание.

Покажет здесь легкий способ получения цвиттерионные гидрогелей с помощью сульфобетаин эфира метакриловой кислоты (SBMA) через фотополимеризацию, который является сшитой с использованием поли (этиленгликоль) диакрилатом (PEGDA, М н = 700 г / моль) , чтобы повысить механическую прочность. Мы также представляемПроцедура для построения надежных мембран путем пропитки мономера и сшивающего агента в условиях жесткого пористой гидрофобной подложки до фотополимеризации. Физические и водные транспортные свойства автономных пленок и пропитанные мембран тщательно характеризуются, чтобы выяснить структуру отношения / свойств для очистки воды. Подготовленные гидрогели могут быть использованы в качестве поверхностных покрытий для повышения мембранных разделительных свойств. Регулируя плотность сшивания или путем пропитки в гидрофобные пористые носитель, эти материалы могут также образовывать тонкие пленки с достаточной механической прочностью для осмотических процессов, таких как пр моего осмоса или давление-запаздывающим осмос 4.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Получение форполимера Solutions

  1. Приготовление с использованием воды в качестве растворителя
    1. Добавить 10,00 г деионизированной (ДИ) воды в стеклянной бутылке с магнитной мешалкой.
    2. Мера 2,00 г SBMA и передать его в стеклянную емкость, содержащую воду. Раствор перемешивают в течение 30 мин, до тех пор пока SBMA полностью не растворится.
    3. В отдельном флаконе, добавьте 20.00 г PEGDA (Мn = 700 г / моль).
    4. Добавить 20,0 мг 1-гидроксициклогексилфенилкетон (HCPK), фото-инициатора к раствору PEGDA. Пусть размешать раствор в течение по крайней мере 30 мин.
    5. Пипетка, передавать 8.00 г PEGDA-HCPK раствора к водному раствору SBMA. Постоянно перемешивать смесь до тех пор, пока раствор не станет однородным.
  2. Приготовление с использованием смесей воды / этанола в качестве растворителей
    1. Добавьте 6,00 г деионизированной воды и 4,00 г этанола в Амбер Гласс колбу с магнитной мешалкой.Раствор перемешивают, чтобы обеспечить тщательное смешивание.
    2. Добавьте 2,00 г SBMA к смеси вода / этанол. Раствор перемешивают и позволяют SBMA до полного растворения.
    3. С помощью пипетки для передачи 8,00 г раствора PEGDA-HCPK к смеси SBMA. Перемешайте тщательно перемешать раствор.

2. Получение самоустойчивых пленок

  1. Поместите две распорки с известной толщиной на чистом кварцевом диске; толщина распорок контролирует толщину полученных полимерных пленок 19.
  2. Передача небольшого количества (~ 1,0 мл) раствор предполимера с кварцевым диском с использованием одноразовой пипетки.
  3. Поместите другой кварцевый диск на верхней части жидкости и гарантировать, что нет никаких пузырей в жидкой пленке.
  4. Поместите образец в ультрафиолетовой (УФ) сшивающего агента и облучают в течение 5 мин с помощью УФ - света с длиной волны 254 нм 19.
    Примечание: Альтернативное время облученияс и длинами волн могут быть использованы в зависимости от типа фотоинициатора.
  5. Отделить полимерную пленку из кварцевых дисков, используя острое лезвие. Используйте пинцет, чтобы передать пленку на ДИ водяной бане. Изменение воды дважды в течение первых 24 часов, чтобы удалить растворитель, непрореагировавший мономер / сшивающий агент, и золь из фильма.
    Примечание: Полимерная пленка должна храниться в деионизированной воде, чтобы сохранить структуру пор, если есть.
  6. Подготовьте высушенные пленки для ATR-FTIR и ДСК-анализа.
    1. Удалите пленку из водяной бани и дать ему высохнуть на воздухе в течение 24 ч.
    2. Поместите пленку в вакуумной печи при 80 ° C, чтобы высушить в течение ночи под вакуумом.

3. Получение Пропитанный мембран

  1. Поместите лист пористого носителя на кварцевый диск.
  2. Использование пены кисти, пальто с каждой стороны опоры дважды с раствором форполимера на основе смеси вода / этанол 4.
    Примечание: Так как тон поддержка является гидрофобной, форполимер раствор, содержащий этанол, может легко смачивать поддержку.
  3. Поместите другой кварцевый диск на верхней части опоры.
  4. Поместите образец в УФ сшивателя и облучают в течение 5 мин с помощью УФ-света с длиной волны 254 нм.
  5. Для того, чтобы удалить пропитанную мембрану из кварцевых дисков, погружать весь узел в водяной бане DI в течение 5 мин и осторожно удалить мембрану, используя острое лезвие и пинцет.
  6. Держите мембрану в деионизированной воде. Изменение воды в два раза, чтобы удалить растворитель, непрореагировавший мономер / сшивающий агент, и золь от мембраны.
  7. Подготовьте высушенные, пропитанные мембраны для ATR-ИК и ДСК анализа.
    1. Удалить мембрану из водяной бани. Дайте мембрану высохнуть при температуре окружающей среды в течение 24 ч.
    2. Сухие мембраны в вакуумной печи в течение ночи при 80 ° С в вакууме.

4. Характеристики самоустойчивых пленок и пропитывают Membranes

  1. Анализ ATR-FTIR
    1. Подготовьте пробу раствора форполимера, как указано в пункте 1.1, для анализа ИК-Фурье.
    2. Выполнение фонового сканирования перед сканированием образца. Установите диапазон волновых чисел от 600 см -1 до 4500 см -1 в 4 см -1 разрешение измерений.
    3. Поместите образец в аппарате ИК-Фурье для анализа.
    4. Удалить образец. Очистите кристалл и наконечник с соответствующим растворителем.
    5. Повторите шаги 4.1.1 - 4.1.4 для следующих образцов: пористый носитель, форполимера раствором, сушат отдельно стоящих пленок и сушат пропитанных мембран.
  2. Дифференциальная калориметрия сканирования (ДСК)
    1. Поместите DSC кастрюлю и крышку в весах, и записать их вес.
    2. Поместите небольшое количество образца (5-10 мг) внутри лотка и закройте его крышкой.
    3. Взвесьте кастрюлю, содержащую образец. От разницы в весе между Occupied панорамирования и крышка и незанятый поддон и крышка, вычислить вес образца.
    4. С помощью пресса, герметизировать образец внутри кастрюли.
    5. Поместите запечатанную кастрюлю внутри клетки DSC, в котором инертные эталонном находится.
    6. Введите вес незанятого поддона и крышки и вес образца в программе.
    7. Сканирование с DSC от -80 ° С до 160 ° С со скоростью нагрева 10 ° С / мин.
    8. Проведение анализа DSC с использованием протокола производителя.
    9. Повторите эксперименты ДСК для различных образцов следующих вышеупомянутых этапов.
  3. Измерение контактных углов с использованием методы кулона падения
    1. Вырезать прямоугольную полоску образца мембраны (приблизительно 30 мм на 6 мм).
    2. Замачивание этой полосы в деионизированной воде в течение 10 мин, а затем высушить его в течение 5 мин.
    3. Поместите высушенный образец на держателе образца.
    4. Погрузите держатель образца в прозрачномокружающая камера , содержащая DI воды 20.
    5. Использование микролитровый шприц с иглой из нержавеющей стали, обойтись капель н декан (приблизительно 1 мкл) на образец мембраны.
    6. Оставьте установку в покое на 2 мин, чтобы обеспечить стабилизацию капель.
    7. С помощью соответствующего программного обеспечения для анализа изображений для определения угла контакта образцов путем измерения углов разливаемых капель на поверхности мембраны.
    8. Возьмем среднее значение контактного угла, полученные для различных капель.
  4. Характеристика проницаемости воды с использованием системы фильтрации тупиковой
    1. Используйте молоток с приводом дырокол с соответствующим диаметром, чтобы вырезать купоны отдельно стоящие пленок и пропитанные мембран.
    2. Поместите подготовленный купон на пористой подложке внутри мертвой клетки конец фильтрации.
    3. Поместите уплотнительное кольцо на верхней части образца. Винт две половинкиот проникания клетки вместе.
    4. Добавить около 50 мл дистиллированной воды в проницаемой ячейке. Винт на крышке и поместите ячейку инфильтрации на магнитной мешалкой. Установка скорости перемешивания между 300 и 900 оборотов в минуту.
    5. Поместите покрытую мензурку на весах, чтобы собрать проницаемую воду. Тарирования.
    6. Открыть кран на газовом баллоне. Поверните клапан регулятор давления по часовой стрелке до тех пор, желаемое давление не будет достигнуто (45 фунтов на квадратный дюйм для автономных пленок и 35 фунтов на квадратный дюйм для пропитанных мембран).
    7. Открытие выпускного клапана, чтобы доставить давление к проницаемой чейке.
    8. Мониторинг и запись веса в стакан со временем.
    9. Вычислить воды проницаемость (A W) и проницаемость (Р ш) с моделью раствора-диффузии , показанной ниже 4, 21
      figure-protocol-1
      где А ш ее воды Проницаемость (л / м 2 HBAR или LMH / бар), Р ш проницаемость воды (LMH см / бар), ρ ш плотность воды (г / л), А эффективная площадь мембраны (м 2), Am является изменение массы воды пермеата (г) в течение периода времени & Delta ; t (час), P представляет собой разность давлений на мембране (бар), а л толщина набухшей пленки (см).
    10. Используют раствор BSA, содержащий 0,5 г / л БСА в растворе фосфатно-солевого буферного раствора (PBS) с рН = 7,4 для оценки свойств обрастания и скорости отказа от мембран.
    11. Повторите шаги 4.4.5 - 4.4.10, чтобы определить поток воды в присутствии бычьего сывороточного альбумина. Рассчитывают процент отказов БСА со следующим уравнением 22
      figure-protocol-2
      где R БС является скоростью отторжения БСА мембраны (%),C P представляет собой концентрацию БСА в пермеата (г / л), и С Р представляет собой концентрацию БСА в корм (г / л); концентрация БСА может быть определено с помощью УФ-спектроскопии.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Корпусная пленки , полученные с использованием форполимера решений , указанных в пунктах 1.1 и 1.2, упоминаются как S50 и S30, соответственно. Подробная информация приведена в таблице 1. Форполимер раствор , указанный в шаге 1.2 был также использован для изготовления пропитанных мембран, которые обозначены как IMS30. Так как пористый носитель изготовлен из гидрофобного полиэтилена, только форполимер раствор , содержащий ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Мы продемонстрировали легкое способа получения Корпусной пленок и мембран, пропитанные на основе цвиттерионных гидрогелей. Исчезновение трех (мет) акрилат характеристических пиков (то есть, 810, 1190 и 1410 см -1) в ИК - спектрах , полученных полимерных пленок и мембран пропитывают (рисунок 2) указывает на хорошую конверсию мономеров и сшивающего 4, 19, 21. Кроме того, появление SO 3

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

Мы с благодарностью признательны за финансовую поддержку этой работы Корейским центром исследований и разработок по улавливанию и секвестрации углерода (KCRC).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Поли(этиленгликоль) диакрилат                                  Mn = 700 (PEGDA)Sigma Aldrich455008
1-гидроксициклогексилфенилкетон, 99% (HCPK)Sigma Aldrich405612
[2-(Methacrloyloxy)этилдиметил-(3-сульфопропил) гидроксид аммония, 97%Sigma Aldrich537284остротоксичный
этанол, 95%Koptec, VWR InternationalV1101легковоспламеняющийся
декан, безводный, 99%Sigma Aldrich457116
Solupor MembraneLydall7PO7D
Micrometer Starrett2900-6
ATR-FTIRVertex 70
DSC: TA Q2000TA Instruments
Угломер: модель 190Rame'hart Instruments
Ультрафиолетовый сшиватель: CX-2000Ультрафиолетовые продукты 
Проникающая ячейка: модель UHP-43Advantec MFS
Деионизированная вода: Milli-Q WaterEMD Millipore
УФ-излучение

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Синтез гидрогелейцвиттер-ионные гидрогелифотополимеризациямембранная очистка водыанализ методом ИК-фурье-спектроскопии (ATR-FTIR)измерение краевого угла смачиванияопределение водопроницаемостидифференциальная сканирующая калориметрияфильтрация в тупиковом режимесвободностоящие пленки
Синтез гидрогелей с противообрастающей недвижимостью в качестве мембран для очистки воды
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.