水凝胶的合成与防污性能作为膜的净水

摘要

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

摘要

水凝胶已被广泛利用，以提高水的净化膜的表面亲水性，增加了防污性，从而通过膜随时间获得稳定的水渗透性。在这里，我们报告一个浅显的方法来制备基于两性离子的膜应用的水凝胶。独立式的薄膜可以由磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯（SBMA）通过光聚合的聚交联剂（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）来制备。水凝胶也可通过浸渍制备成疏水性的多孔载体，以提高机械强度。这些膜可以通过衰减全反射傅立叶来表征变换红外光谱（ATR-FTIR）来确定（甲基）丙烯酸酯基团的转化程度，使用亲水性和差示扫描量热法（DSC）对聚合物链的动态测角器。我们还报告的协议，以确定死胡同FILTRA的透水性灰系统和污垢对膜性能的影响（牛血清白蛋白，BSA）。

引言

有一个非常需要开发低成本和高效节能技术，以满足日益增长的需求，产生干净的水。聚合物膜已成为一个领先的技术水净化由于其固有的优点，诸如它们的高的能量效率，成本低，简单并在操作^1。膜允许纯水渗透通过而拒绝该污染物。然而，膜往往受到由在进料水中的污染物，其可以被吸附在膜表面上从它们的有利的相互作用^2,3结垢。结垢可显着通过膜减少的水通量，增加所需要的薄膜面积和水净化的成本。

以减轻结垢的有效途径是修改膜表面以增加亲水性，从而降低在有利膜表面和污物之间teractions。一种方法是使用薄膜涂层具有超亲水^3倍的水凝胶。水凝胶通常具有高的水渗透性;因此，薄膜涂层可以增加通过膜的长期水渗透率由于减轻的结垢，尽管在整个膜中的略微增加输送阻力。水凝胶也可以直接制作成用于水净化的浸渍膜渗透压应用^4。

两性离子物质同时含有正和负电荷的官能团，具有净中性电荷，并且具有通过静电诱导的氢键^{5，6，7，8，9}强表面水化。紧密结合的水化层用作物理和能垒，从而防止污物附着在表面上，因此证明优异的防污性^10。两性离子聚合物，如聚（磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯）（PSBMA）和聚（羧基甜菜碱甲基丙烯酸酯）（PCBMA），已被用于修饰膜表面通过涂布^{11，12，13，14，15，16，17，18，}以增加表面亲水性，因此防污性。

我们在这里表明了容易的方法，以制备使用经由光聚合，这是使用聚（乙二醇）交联的磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯（SBMA）两性离子水凝胶丙烯酸酯_{（PEGDA，m×n个} = 700克/摩尔），以改善机械强度。我们还提出一个过程通过在光聚合前的高度多孔疏水性载体含浸于单体和交联剂以构建健壮膜。独立式膜和浸渍膜的物理和水输送性质彻底特征在于阐明用于水净化的结构/性质关系。所制备的水凝胶可用于作为表面涂层，以提高膜的分离性能。通过调整交联密度或通过浸渍到疏水性多孔载体，这些材料也能形成薄膜，与用于渗透过程，诸如正向渗透或压力延迟渗透⁴足够的机械强度。

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研究方案

1.预聚物溶液的制备

1. 使用水作为溶剂制备
   1. 10.00克去离子（DI）水添加到玻璃瓶中有磁力搅拌棒。
   2. 测量2.00克SBMA的，并将其转移至含有水的玻璃瓶中。搅拌30分钟的溶液中，直到SBMA完全溶解。
   3. 在一个单独的瓶中，加入20.00克PEGDA的_（m×n个 = 700克/摩尔）。
   4. 添加20.0毫克1-羟基环己基苯酮（HCPK），光引发剂，给PEGDA溶液。让溶液搅拌至少30分钟。
   5. 使用一次性吸管，转移8.00克的PEGDA-HCPK解决SBMA水溶液。连续地搅拌混合物，直到该溶液均匀。
2. 使用水/乙醇混合物作为溶剂制备
   1. 添加6.00克DI水和4.00g的乙醇成琥珀色玻璃瓶有磁力搅拌棒。搅拌溶液，以便充分混合。
   2. 2.00克SBMA添加到水/乙醇混合物。搅拌溶液，并允许SBMA完全溶解。
   3. 使用移液管〜8.00克PEGDA-HCPK溶液转移到SBMA混合物。搅拌至溶液充分混合。

2.独立式膜的制备

1. 放置两个间隔件用干净的石英盘上的已知厚度;间隔件的厚度来控制所获得的聚合物薄膜¹⁹的厚度。
2. 转移预聚物溶液的少量（〜1.0mL）中，使用一个一次性吸石英光盘。
3. 放置在液体顶部另一个石英盘，并确保有在液膜没有气泡。
4. 放置在紫外线（UV）的交联剂的样品和照射了使用UV光以254纳米¹⁹的波长5分钟。
   注:另类照射时间S和波长可根据光引发剂的类型来使用。
5. 使用锋利的刀片的石英盘分离的聚合物膜。用镊子将膜转印到DI水浴。第一个24小时期间换水两次以从膜除去溶剂，未反应的单体/交联剂，和溶胶。
   注意:所述的聚合物膜应保持在去离子水以保持孔结构，如果有的话。
6. 制备用于ATR-FTIR和DSC分析干燥的膜。
   1. 从水浴中取出薄膜，并允许它在空气中干燥24小时。
   2. 放置膜在真空烘箱中在80℃下在真空下干燥过夜。

3.浸渍膜的制备

1. 的多孔性支撑体的片材放置到石英盘。
2. 使用泡沫刷，涂覆支撑的每一侧两次基于水/乙醇混合物⁴的预聚物溶液。
   注意:因为T他支持是疏水性的，含有乙醇的预聚物溶液可以很容易地浸湿载体。
3. 将另一石英盘上的支持之上。
4. 将样品在UV交联剂和照射用于使用UV光的254nm波长的5分钟。
5. 以除去从石英盘上的含浸膜，浸泡在DI水浴整个组件5分钟，并小心地取出用锋利的刀片和镊子的膜。
6. 请去离子水的膜。换水两次以除去溶剂，未反应的单体/交联剂，并从膜的溶胶。
7. 制备干燥的，浸渍的膜为ATR-FTIR和DSC分析。
   1. 取下水浴膜。允许该膜在环境条件下干燥24小时。
   2. 在真空中干燥该膜烘箱中过夜，在真空下80℃。

4.表征独立式薄膜和浸渍的Membranes

1. ATR-FTIR分析
   1. 制备预聚物溶液的样品，如在步骤1.1所述，用于FTIR分析。
   2. 扫描样品之前执行后台扫描。波数范围内设定为600 ^-1至4,500厘米^-1处测量的4 ^-1分辨率。
   3. 将样品在FTIR机进行分析。
   4. 取出样品。清洁晶体并用合适的溶剂的尖端。
   5. 重复步骤4.1.1 - 4.1.4下列样品:多孔质支撑体，预聚物溶液，干燥独立膜，并干燥浸渍的膜。
2. 差扫描量热法（DSC）
   1. 将DSC盘中，并盖在天平称量并记录自己的体重。
   2. 放置盘内样品（5-10毫克）少量，用盖子关闭它。
   3. 称量含有样品的盘。从邻之间的重量差ccupied锅和盖子和未占用的锅和盖，计算样品的重量。
   4. 使用压力机，气密密封所述盘内部的样品。
   5. 放置在其中的惰性参考位于DSC单元内的密封盘。
   6. 进入未占据盘和盖，并在程序中的样本的重量的重量。
   7. 用-80℃的DSC至160℃以10℃/ min的加热速率进行扫描。
   8. 执行使用制造商的协议DSC分析。
   9. 重复以下的上述步骤不同样品的DSC实验。
3. 使用悬滴法接触角的测定
   1. 切膜样品（约30毫米×6mm）的的矩形条。
   2. 浸泡在去离子水中这条10分钟，然后晾干5分钟。
   3. 放置在样本夹持器干燥样品。
   4. 浸没样品架中的透明含有去离子水²⁰的环境室中。
   5. 使用微升注射器用不锈钢针，分配Ñ -癸烷（约1μL）滴在膜样品。
   6. 离开不受干扰2分钟的设置，以确保液滴的稳定化。
   7. 使用适当的图像分析软件通过测量在膜表面上的分配的液滴的角度，以确定样品的接触角。
   8. 采取的各种液滴获得的接触角值的平均值。
4. 使用死端过滤系统的水渗透性的表征
   1. 用锤子驱动打孔器与适当的直径切割独立膜和浸渍的膜的优惠券。
   2. 放置一个制备优惠券上的死端过滤单元内的多孔载体上。
   3. 放在样品的顶部上的O形环。拧两半渗透细胞的一起。
   4. 添加约50mL DI水到渗透细胞。拧上盖子，并将渗透细胞在磁力搅拌器上。组300和900的转速之间搅拌速度。
   5. 放在天平上的覆盖烧杯收集渗透水。去皮。
   6. 打开气瓶阀。顺时针压力调节阀打开，直到达到所需的压力（45psig下为独立式膜和35 psig的用于浸渍的膜）。
   7. 打开释放阀以递送压力，以渗透细胞。
   8. 监测和记录时间的烧杯的重量。
   9. 计算水的渗透率（A _W）和渗透性（P _w）的与所述溶液-扩散模型下面⁴所示^，21
      
      其中，A _w是第È水渗透率（L / m ²的HBAR或LMH /巴），P _w是水渗透率（LMH厘米/巴_），ρw是水的密度（克/升），A是膜的有效面积（m ^2），ΔM为在水渗透物（克）在时间周期Δt（H）的质量变化，ΔP是穿过膜（巴的压力差），并且l是溶胀膜（厘米）的厚度。
   10. 使用含有在pH = 7.4的磷酸盐缓冲盐水（PBS）溶液0.5g / L的BSA一个BSA溶液来评价膜的防污性和废品率。
   11. 重复步骤4.4.5 - 4.4.10确定BSA存在的水通量。计算与下面的等式²²中的BSA废品率
       
       其中R _BSA是膜（％）的BSA排斥率，中c _p是BSA在渗透物（克/升）的浓度，和C _F是BSA的进料（克/升）的浓度; BSA的浓度可通过UV光谱法来确定。

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结果

随着在步骤1.1和1.2中指定的预聚物溶液制备自立式膜分别称为S50和S30。详细信息显示在表1中 。在步骤1.2中指定的预聚物溶液也用于制造浸渍膜，其被表示为IMS30。由于多孔性支撑体是由疏水性的聚乙烯的，仅含有乙醇的预聚物溶液可以浸渍到载体并形成透明膜， 如图1 ^4。

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讨论

我们已经证明了一个浅显的方法来制备独立电影和基于两性离子水凝胶浸渍膜。三（甲基）丙烯酸酯的特征峰的消失（ 即 ，810，1190，和1410厘米^-1）在所得到的聚合物膜的红外光谱和含浸膜（ 图2）表示的单体和交联剂⁴的良好的转化率^{， 19，21。}此外，该SO ₃的外观^-在光谱的膜和膜振...

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材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Poly(ethylene glycol) diacrylate                  Mn = 700 (PEGDA)	Sigma Aldrich	455008
1-Hydroxycyclohexyl phenyl ketone, 99% (HCPK)	Sigma Aldrich	405612
[2-(Methacrloyloxy)ethyl dimethyl-(3-sulfopropyl) ammonium hydroxide, 97%	Sigma Aldrich	537284	Acutely Toxic
Ethanol, 95%	Koptec, VWR International	V1101	Flamable
Decane, anhydrous, 99%	Sigma Aldrich	457116
Solupor Membrane	Lydall	7PO7D
Micrometer	Starrett	2900-6
ATR-FTIR	Vertex 70
DSC: TA Q2000	TA Instruments
Rame’-hart Goniometer: Model 190	Rame’-hart Instruments
Ultraviolet Crosslinker: CX-2000	Ultra-Violet Products		UV radiation
Permeation Cell: Model UHP-43	Advantec MFS
Deionized Water: Milli-Q Water	EMD Millipore