JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

This paper reports practical methods to prepare hydrogels in freestanding films and impregnated membranes and to characterize their physical properties, including water transport properties.

Abstract

وقد استخدمت الهلاميات المائية على نطاق واسع لتعزيز hydrophilicity سطح الأغشية لتنقية المياه، وزيادة الخصائص المضادة للحشف وبالتالي تحقيق الاستقرار نفاذية الماء من خلال الأغشية مع مرور الوقت. هنا، ونحن التقرير طريقة سطحي لإعداد الهلاميات المائية على أساس أيون مزدوج لتطبيقات الغشاء. الأفلام قائما بذاته يمكن أن تكون مستعدة من ميتاكريليت sulfobetaine (SBMA) مع crosslinker بولي (جلايكول الإثيلين) diacrylate (PEGDA) عن طريق بلمرة ضوئية المنشأ. الهلاميات المائية ويمكن أيضا عن طريق تلقيح أعدت في دعم مسامية مسعور لتعزيز القوة الميكانيكية. هذه الأفلام يمكن وصف مخفف إجمالي فورييه انعكاس تحويل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (ATR-FTIR) لتحديد درجة تحويل (ميث) مجموعة اكريليت، وذلك باستخدام المنقل مقياس الزوايا لالكالوري hydrophilicity والتفضيلية المسح الضوئي (DSC) لديناميات سلسلة البوليمر. نحن أيضا الإبلاغ عن بروتوكولات لتحديد نفاذية المياه في ترشيح مسدودنظم نشوئها وتأثير foulants (الزلال المصل البقري، BSA) على أداء الأغشية.

Introduction

وهناك حاجة كبيرة لتطوير تكنولوجيات كفاءة منخفضة التكلفة والطاقة لإنتاج المياه النظيفة من أجل تلبية الطلب المتزايد. ظهرت الأغشية البوليمرية باعتبارها الرائدة في مجال التكنولوجيا لتنقية المياه بسبب المزايا الكامنة، مثل كفاءتها العالية الطاقة، وانخفاض التكلفة، والبساطة في عملية 1. أغشية تسمح للماء نقية لتتخلل من خلال ورفض الملوثات. ومع ذلك، غالبا ما يتعرض الأغشية لقاذورات من الملوثات في مياه التغذية، والتي يمكن أن كثف على سطح غشاء من التفاعلات مواتية لهم 2 و 3. القاذورات يمكن أن تقلل بشكل كبير تدفق المياه من خلال الأغشية، وزيادة مساحة غشاء المطلوبة والتكلفة لتنقية المياه.

نهج فعال للتخفيف من قاذورات هو تعديل سطح الغشاء لزيادة hydrophilicity وبالتالي تقليل مواتية فيteractions بين سطح الغشاء وfoulants. أسلوب واحد هو استخدام طلاء الأغشية الرقيقة مع superhydrophilic 3 الهلاميات المائية. وغالبا ما يكون الهلاميات المائية نفاذية عالية للمياه. لذلك، يمكن أن يكون طلاء الأغشية الرقيقة زيادة منافذة المياه على المدى الطويل من خلال الغشاء بسبب القاذورات الملطفة، على الرغم من زيادة طفيفة المقاومة النقل عبر الغشاء كله. ويمكن أيضا أن تكون ملفقة الهلاميات المائية مباشرة إلى الأغشية المشبعة لتنقية المياه في تطبيقات التناضحي 4.

تحتوي على مواد Zwitterionic كل من المجموعات الوظيفية المشحونة سلبا وإيجابا، مع متعادلة الشحنة الصافي، ولها ترطيب سطح قوي من خلال الكهربائي الناجم عن الرابطة الهيدروجينية 5، 6، 7، 8، 9. طبقات الماء بإحكام بمثابة البدنيةوالحواجز الطاقة، تمنع foulants من الالتصاق على السطح، مما يدل على الخصائص المضادة للحشف ممتازة 10. البوليمرات Zwitterionic، مثل بولي (ميتاكريليت sulfobetaine) (PSBMA) وبولي (ميتاكريليت carboxybetaine) (PCBMA)، وقد استخدمت لتعديل سطح الغشاء بواسطة طلاء 11، 12، 13، 14، 15، 16، 17، 18 لزيادة hydrophilicity السطح وبالتالي الخصائص المضادة للحشف.

علينا أن نظهر هنا طريقة سطحي لإعداد الهلاميات المائية zwitterionic باستخدام ميتاكريليت sulfobetaine (SBMA) عن طريق بلمرة ضوئية المنشأ، التي عبر ربط باستخدام بولي (جلايكول الإثيلين) diacrylate (PEGDA، M ن = 700 جم / مول) لتحسين القوة الميكانيكية. نقدم أيضاإجراءات لبناء الأغشية قوية من قبل تشريب مونومر وcrosslinker في دعم مسعور مسامية عالية قبل بلمرة ضوئية المنشأ. تتميز الخصائص الفيزيائية ونقل المياه من الأفلام قائما بذاته والأغشية المشبعة جيدا لتوضيح الهيكل / علاقة الملكية لتنقية المياه. الهلاميات المائية إعداد ويمكن استخدام طلاء السطح لتعزيز خصائص الغشاء الفاصل. عن طريق ضبط كثافة يشابك أو تشريب إلى الدعم مسامية مسعور، يمكن لهذه المواد أيضا تشكيل الأغشية الرقيقة مع القوة الميكانيكية الكافية لعمليات التناضحي، مثل التناضح إلى الأمام أو الضغط المتخلفين التناضح 4.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. إعداد حلول Prepolymer

  1. إعداد باستخدام الماء كمذيب
    1. إضافة 10.00 غرام من (DI) منزوع الأيونات الماء إلى زجاجة مع شريط مغناطيسي.
    2. قياس 2.00 غرام من SBMA وتحويلها إلى زجاجة تحتوي على الماء. تحريك الحل لمدة 30 دقيقة، حتى يتم حل SBMA تماما.
    3. في زجاجة منفصلة، إضافة 20.00 غرام من PEGDA (M ن = 700 جم / مول).
    4. إضافة 20.0 ملغ من 1 hydroxycyclohexyl فينيل كيتون (HCPK)، صورة في المبادرة، إلى حل PEGDA. السماح للضجة حل لمدة 30 دقيقة على الأقل.
    5. باستخدام ماصة للتصرف، نقل 8.00 غرام من الحل PEGDA-HCPK إلى حل SBMA مائي. يحرك باستمرار الخليط حتى يصبح المحلول متجانس.
  2. إعداد باستخدام خليط الماء / الايثانول كما المذيبات
    1. إضافة 6.00 غرام من الماء DI و 4.00 غرام من الإيثانول إلى زجاجة العنبر مع شريط مغناطيسي.تحريك الحل للسماح خلط دقيق.
    2. إضافة 2.00 غرام من SBMA إلى خليط الماء / الايثانول. تحريك الحل والسماح للSBMA لتذوب تماما.
    3. استخدام ماصة لنقل 8.00 غرام من الحل PEGDA-HCPK إلى خليط SBMA. يحرك المزيج إلى حل شامل.

2. إعداد الأفلام طليق

  1. وضع اثنين من الفواصل مع سمك المعروفة على قرص الكوارتز النظيفة؛ سمك الفواصل يتحكم سمك الأفلام البلاستيكية والتي تم الحصول عليها 19.
  2. نقل كمية صغيرة (~ 1.0 مل) من حل prepolymer إلى القرص الكوارتز باستخدام ماصة المتاح.
  3. ضع القرص الكوارتز آخر على رأس السائل وضمان عدم وجود فقاعات في الفيلم السائل.
  4. وضع العينة في (UV) crosslinker الأشعة فوق البنفسجية وأشرق لمدة 5 دقائق باستخدام الأشعة فوق البنفسجية مع الطول الموجي من 254 نانومتر (19).
    ملاحظة: البديل وقت التشعيعالصورة وموجات يمكن استخدام هذا يتوقف على نوع من photoinitiator.
  5. فصل فيلم البوليمر من أقراص الكوارتز باستخدام شفرة حادة. استخدام ملاقط لنقل الفيلم إلى حمام الماء DI. تغيير الماء مرتين خلال 24 ساعة الأولى لإزالة المذيبات، غير المتفاعل مونومر / crosslinker، وسول من الفيلم.
    ملاحظة: يجب أن تبقى الفيلم البوليمر في الماء DI للحفاظ على بنية المسام، إذا كان هناك أي.
  6. إعداد الأفلام المجففة لATR-FTIR وتحليل DSC.
    1. إزالة الفيلم من الحمام المائي والسماح للهواء الجاف لمدة 24 ساعة.
    2. وضع الفيلم في فرن فراغ في 80 ° C لتجف بين عشية وضحاها في ظل فراغ.

3. إعداد الأغشية مشربة

  1. وضع ورقة من دعم يسهل اختراقها على قرص الكوارتز.
  2. باستخدام فرشاة الرغوة، ومعطف كل جانب من الدعم مرتين مع حل prepolymer على أساس المياه / الإيثانول المخلوط 4.
    ملاحظة: منذ ركان الدعم مسعور، والحل prepolymer تحتوي على الإيثانول يمكن الرطب بسهولة الدعم.
  3. ضع القرص الكوارتز آخر على الجزء العلوي من الدعم.
  4. وضع العينة في crosslinker الأشعة فوق البنفسجية وأشرق لمدة 5 دقائق باستخدام الأشعة فوق البنفسجية مع الطول الموجي من 254 نانومتر.
  5. لإزالة غشاء مشربة من أقراص الكوارتز، وتزج التجمع كله في حمام مائي DI لمدة 5 دقائق وإزالة بعناية الغشاء باستخدام شفرة حادة وملاقط.
  6. الحفاظ على غشاء في المياه DI. تغيير الماء مرتين لإزالة المذيب، مونومر المتفاعل / crosslinker، وسول من الغشاء.
  7. إعداد المجففة، والأغشية المشبعة ليحلل ATR-FTIR وDSC.
    1. إزالة غشاء من حمام الماء. السماح للغشاء لتجف في الظروف المحيطة لمدة 24 ساعة.
    2. يجف الغشاء في فراغ فرن بين عشية وضحاها في 80 درجة مئوية تحت فراغ.

4. توصيف الأفلام طليق ومشربة عنيmbranes

  1. تحليل ATR-FTIR
    1. تحضير عينة من حل prepolymer، كما جاء في الخطوة 1.1 لتحليل FTIR.
    2. إجراء فحص الخلفية قبل مسح العينة. تعيين نطاق متجه مموج موجه من 600 سم -1 إلى 4500 سم -1 في قرار -1 4 سم من القياس.
    3. وضع العينة في الجهاز FTIR لتحليلها.
    4. إزالة عينة. تنظيف الكريستال وغيض مع مذيب مناسب.
    5. كرر الخطوات من 4.1.1 - 4.1.4 للنماذج التالية: دعم يسهل اختراقها، حل prepolymer المجفف قائما بذاته الأفلام، والأغشية المشبعة المجففة.
  2. التفاضلي الكالوري المسح الضوئي (DSC)
    1. وضع وعاء DSC وغطاء في توازن وزنها وتسجيل وزنهم.
    2. ضع كمية صغيرة من عينة (5-10 ملغ) داخل المقلاة وإغلاقه مع غطاء.
    3. الموازنة بين عموم تحتوي على العينة. من فارق الوزن بين سعموم ccupied وغطاء وعاء غير مأهولة وغطاء، وحساب وزن العينة.
    4. عن طريق الصحافة، وختم بإحكام العينة داخل المقلاة.
    5. ضع عموم مختومة داخل الخلية DSC التي يقع الإشارة الخاملة.
    6. أدخل وزن عموم غير مأهولة وغطاء ووزن العينة في البرنامج.
    7. مسح مع DSC من -80 درجة مئوية إلى 160 درجة مئوية في معدل التسخين من 10 ° C / دقيقة.
    8. إجراء تحليل DSC باستخدام بروتوكول الشركة المصنعة.
    9. تكرار التجارب DSC لعينات مختلفة باتباع الخطوات المذكورة أعلاه.
  3. قياس زوايا الاتصال باستخدام طريقة قلادة قطرة
    1. قطع شريط مستطيل من العينة غشاء (حوالي 30 مم 6 مم).
    2. نقع هذا الشريط في الماء DI لمدة 10 دقيقة ثم جففه لمدة 5 دقائق.
    3. ضع العينة المجففة على صاحب العينة.
    4. غمر صاحب العينة بشكل شفافغرفة البيئية التي تحتوي على الماء DI 20.
    5. باستخدام حقنة ميكروليتر مع ابرة من الفولاذ المقاوم للصدأ، الاستغناء عن قطرات ن -decane (حوالي 1 ميكرولتر) على عينة الغشاء.
    6. ترك الإعداد دون عائق لمدة 2 دقيقة لضمان استقرار قطرات.
    7. استخدام برمجيات تحليل الصور المناسبة لتحديد زاوية الاتصال من العينات عن طريق قياس زوايا قطرات الاستغناء على سطح الغشاء.
    8. أخذ متوسط ​​قيم زاوية الاتصال التي تم الحصول عليها لمختلف قطرات.
  4. توصيف نفاذية المياه باستخدام نظام الترشيح مسدود
    1. استخدام لكمة ثقب يحركها مطرقة مع القطر المناسب لخفض كوبونات من قائما بذاته الأفلام والأغشية المشبعة.
    2. وضع قسيمة أعدت على دعم مسامية داخل خلية نهاية الترشيح الميتة.
    3. ضع O-عصابة على رأس من العينة. المسمار نصفيالخلية تخلل معا.
    4. أضف حوالي 50 مل من الماء DI إلى الخلية تخلل. المسمار على الغطاء ووضع خلية تخلل على محرك مغناطيسي. تعيين معدل اثارة بين 300 و 900 دورة في الدقيقة.
    5. وضع دورق غطت على توازن لجمع المياه تتخلل. الفارغة التوازن.
    6. فتح صمام اسطوانة الغاز. تحويل منظم ضغط صمام اتجاه عقارب الساعة حتى يتم الوصول إلى الضغط المطلوب (45 رطل لكل بوصة مربعة للأفلام قائما بذاته و 35 رطل لكل بوصة مربعة لأغشية مشربة).
    7. فتح صمام الافراج عن لايصال الضغط على خلية تخلل.
    8. رصد وتسجيل وزن الدورق مع مرور الوقت.
    9. حساب منافذة المياه (A ث) والنفاذية (P ث) مع نموذج الحل القائم على نشر هو مبين أدناه 4، 21
      figure-protocol-9628
      حيث A w غير المنافذة المياه ه (L / م 2 شبار أو LMH / بار)، P w غير نفاذية الماء (LMH سم / بار)، ρ ث هو كثافة الماء (ز / L)، A هي مساحة فعالة للغشاء (م 2)، Δm هو التغيير في كتلة تتخلل المياه (ز) على مدى فترة زمنية Δt (ح)، Δp هو الفرق الضغط عبر الغشاء (بار)، ولام هو سمك من الفيلم تورم (سم).
    10. استخدام حل BSA تحتوي على 0.5 غرام / L BSA في محلول الفوسفات مخزنة المالحة (PBS) مع درجة الحموضة = 7.4 لتقييم الخصائص المضادة للحشف ومعدلات الرفض للأغشية.
    11. كرر الخطوات من 4.4.5 - 4.4.10 لتحديد تدفق المياه في وجود BSA. حساب معدل الرفض BSA مع المعادلة التالية 22
      figure-protocol-10504
      حيث R BSA هو معدل الرفض BSA الغشاء (٪)،C P هو تركيز BSA في تتخلل (ز / L)، وC F هو تركيز BSA في تغذية (ز / L)؛ تركيز BSA يمكن تحديد عن طريق التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

ويشار الأفلام طليق أعدت مع حلول prepolymer المحدد في الخطوات 1.1 و 1.2 و كما S50 S30 و، على التوالي. وترد معلومات مفصلة في الجدول 1. تم استخدام حل prepolymer المحدد في الخطوة 1.2 أيضا لصنع أغشية المشبع، والتي يرمز لها IMS30. لأنه مصنوع ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

لقد أثبتت طريقة سطحي لإعداد قائما بذاته الأفلام والأغشية المشبعة على أساس الهلاميات المائية zwitterionic. اختفاء ثلاثة (ميث) قمم مميزة اكريليت (أي، 810، 1190، و 1410 سم -1) في أطياف الأشعة تحت الحمراء من الأفلام البلاستيكية والتي تم الحصول عليها والمشرب غشاء (الشكل...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

The authors declare that they have no competing financial interests.

Acknowledgements

We gratefully acknowledge the financial support of this work by the Korean Carbon Capture and Sequestration R&D Center (KCRC).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Poly(ethylene glycol) diacrylate                  Mn = 700 (PEGDA)Sigma Aldrich455008
1-Hydroxycyclohexyl phenyl ketone, 99% (HCPK)Sigma Aldrich405612
[2-(Methacrloyloxy)ethyl dimethyl-(3-sulfopropyl) ammonium hydroxide, 97%Sigma Aldrich537284Acutely Toxic
Ethanol, 95%Koptec, VWR InternationalV1101Flamable
Decane, anhydrous, 99%Sigma Aldrich457116
Solupor MembraneLydall7PO7D
Micrometer Starrett2900-6
ATR-FTIRVertex 70
DSC: TA Q2000TA Instruments
Rame’-hart Goniometer: Model 190Rame’-hart Instruments
Ultraviolet Crosslinker: CX-2000Ultra-Violet ProductsUV radiation 
Permeation Cell: Model UHP-43Advantec MFS
Deionized Water: Milli-Q WaterEMD Millipore

References

  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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

122 zwitterionic

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved