סינתזה של הידרוג עם מאפייני Antifouling ופלטות לטיהור מים

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

הידרוג כבר נוצל נרחב כדי לשפר את פני השטח hydrophilicity של ממברנות לטיהור מים, הגדלה תכונות antifouling ובכך להשיג חדירות מים יציבות דרך ממברנות לאורך זמן. כאן, אנו מדווחים על שיטה קלילה להכין הידרוג'ל בוסס על zwitterions עבור יישומים הממברנה. ניתן להכין סרטים וטוסטר מן methacrylate sulfobetaine (SBMA) עם crosslinker של פולי (אתילן גליקול) diacrylate (PEGDA) באמצעות photopolymerization. הידרוג יכול גם להיות מוכן על ידי הספגה לתוך תומך נקבובי הידרופובי כדי לשפר את החוזק המכאני. סרטים אלה יכולים להיות מאופיינים פורים השתקפות מוחלטת מוחלשת להפוך ספקטרוסקופיה אינפרא אדום (ATR-FTIR) כדי לקבוע את מידת ההמרה של קבוצות acrylate (ספיד), באמצעות מד-זווית עבור סריקת calorimetry hydrophilicity ו דיפרנציאלי (DSC) עבור דינמיקת שרשרת פולימר. בנוסף, אנו מדווחים פרוטוקולים כדי לקבוע את חדירות מי סינון מוצאמערכות tion והשפעת foulants (אלבומין בסרום שור, BSA) על ביצועי הממברנה.

Introduction

יש צורך גדול כדי לפתח טכנולוגיות יעילות עלות אנרגיה נמוכה כדי לייצר מים נקיים כדי לענות על הדרישה הגוברת. ממברנות פולימריות צמחו כטכנולוגיה המובילה לטיהור מים בשל היתרונות שלהם הטבועה, כגון יעילות אנרגיה גבוהה שלהם, בעלות נמוכה, ופשטות תפעול ^1. ממברנות לאפשר מים טהורים לחלחל דרך ולדחות את המזהמים. עם זאת, ממברנות קרובות חשופות עכירות ידי מזהמים במים להאכיל, אשר ניתן שנספחו על גבי משטח הממברנה מן האינטראקציות שלהם הנוחות ^{2, 3.} עכירות יכולה להקטין באופן דרמטי שטף מים דרך ממברנות, הגדלת שטח הממברנה הנדרש ועלות טיהור מים.

גישה יעילה כדי להקטין עכירות היא לשנות את פני הקרום להגדיל את hydrophilicity ובכך להקטין את החיוביםteractions בין משטח הממברנה foulants. שיטה אחת היא להשתמש ציפוי דק סרט עם הידרוג'ל הסופר-הידרופילי ^3. הידרוג קרובות יש חדירות מים גבוהות; ולכן, ציפוי דק סרט יכול להגדיל את permeance המים לטווח הארוך דרך הממברנה בשל העכירות מתנה, למרות התנגדות התחבורה עלתה מעט דרך הממברנה כולה. הידרוג יכול גם להיות מפוברק ישירות לתוך ממברנות ספוגים לטיהור מים ביישומים אוסמוטי ^4.

חומרים zwitterionic מכילים שתי הקבוצות פונקציונלי בעלי מטען חשמלי חיובי וגם שלילי, עם מטען נטו נייטרלי, ויש הידרציה משטח חזק דרך מליטה מימן אלקטרוסטטית המושרה ^{5, 6, 7, 8, 9.} השכבות הידרציה וארוזות לשמש פיזיתומחסומי אנרגיה, מניעת foulants מצירוף גבי המשטח, ובכך הוכחה תכונות antifouling מעולות ^10. פולימרים zwitterionic, כגון פולי (methacrylate sulfobetaine) (PSBMA) פולי (methacrylate carboxybetaine) (PCBMA), שימשו כדי לשנות את פני הממברנה על ידי ציפוי ^{11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18} להגדיל משטח hydrophilicity ובכך המאפיינים antifouling.

אנחנו מדגימים כאן שיטה קלילה להכין הידרוג'ל zwitterionic באמצעות methacrylate sulfobetaine (SBMA) באמצעות photopolymerization, אשר crosslinked באמצעות פולי (אתילן גליקול) diacrylate (PEGDA, M _N = 700 גר '/ mol) כדי לשפר את החוזק המכאני. אנו גם מציגיםהליך לבניית ממברנות חזקות ידי הפריית מונומר ו crosslinker בתוך תמיכה הידרופובי נקבובית ביותר לפני photopolymerization. המאפיינים הפיסיים תחבורת מים של סרטים הבודדים וממברנות ספוגות מאופיינים ביסודיות כדי להבהיר את יחסי המבנה / רכוש לטיהור מים. הידרוג שהוכן יכול לשמש ציפוי משטח כדי לשפר תכונות הפרדה הממברנה. על ידי התאמת צפיפות crosslinking או על ידי הפריית לתוך תומך נקבובי הידרופובי, חומרים אלה יכולים גם ליצור סרטים דקים עם חוזק מכני מספיק תהליכים אוסמוטי, כגון קדימה אוסמוזה או לחץ-מפגר אוסמוזה ^4.

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

Protocol

1. הכנת פתרונות prepolymer

1. הכנה באמצעות מים כממיס
   1. להוסיף 10.00 גרם של deionized (DI) מים בבקבוק זכוכית עם בר ומערבבים מגנטי.
   2. מדוד 2.00 גרם של SBMA ולהעביר אותו אל בקבוק זכוכית המכיל את המים. מערבבים את הפתרון עבור 30 דקות, עד SBMA נמס לגמרי.
   3. בשנת בקבוק נפרד, להוסיף 20.00 גרם של PEGDA (M _N = 700 גר '/ mol).
   4. להוסיף 20.0 מ"ג של קטון פניל ​​1-hydroxycyclohexyl (HCPK), יוזם-צילום, לפתרון PEGDA. תן ומערבב הפתרון דק 30 לפחות.
   5. בעזרת פיפטה חד פעמי, העברת 8.00 גרם של פתרון PEGDA-HCPK אל בתמיסה המימית SBMA. ברציפות ומערבבים את התערובת עד הפתרון הוא הומוגני.
2. הכנה באמצעות מים / תערובות אתנול כמו ממסים
   1. מוסיף 6.00 גרם של מי DI ו 4.00 גרם של אתנול בקבוק זכוכית ענבר עם בר ומערבבים מגנטי.מערבבים את הפתרון כדי לאפשר ערבוב יסודי.
   2. מוסיפים 2.00 גרם של SBMA לתערובת מים / אתנול. מערבבים את הפתרון ולאפשר SBMA להתמוסס לחלוטין.
   3. השתמש פיפטה להעביר 8.00 גרם של הפתרון PEGDA-HCPK לתערובת SBMA. מערבבים לערבב הפתרון ביסודיות.

2. הכנת הסרטים והטוסטר

1. מניח שני מפרידים עם עוביים ידועים על דיסק קוורץ נקי; העובי של המפרידים שולט עובי שכבות פולימריות השיגו ^19.
2. עבר כמות קטנה (~ 1.0 מיליליטר) של פתרון prepolymer לדיסק קוורץ בעזרת פיפטה חד פעמית.
3. מניחים עוד דיסק קוורץ על גבי הנוזל ולהבטיח כי אין בועות בסרט נוזלי.
4. מניח את המדגם באופן crosslinker אולטרה סגול (UV) ו מקרין עבור 5 דקות באמצעות אור UV באורך גל של 254 ננומטר ^19.
   הערה: זמן הקרנה אלטרנטיביים ו אורכי גל ניתן להשתמש תלוי בסוג של photoinitiator.
5. הפרד את סרט הפולימר מתקליטורי קוורץ באמצעות סכין חד. להשתמש בפינצטה כדי להעביר את הסרט כדי באמבט מים DI. להחליף את המים פעמיים במהלך 24 h הראשון להסיר את מונומר / crosslinker הממס, unreacted, וסול מהסרט.
   הערה: סרט הפולימר צריך להישמר במי DI לשמר את המבנה הנקבובי, אם יש.
6. הכן סרטים יבשים עבור ATR-FTIR וניתוח DSC.
   1. הסר את הסרט מן האמבטיה במים ולאפשר לו אוויר יבש עבור 24 h.
   2. מניחים את הסרט בתנור ואקום ב 80 מעלות צלזיוס לייבוש למשך הלילה תחת ואקום.

3. הכנה של ממברנות מוספגים

1. מניח יריעת תמיכה נקבובית גבי דיסק קוורץ.
2. בעזרת מברשת ספוג, מעיל בכל צד של תמיכה פעמיים עם פתרון prepolymer מבוסס על תערובת מים / אתנול ^4.
   הערה: מאחר tהוא התמיכה היא הידרופובי, פתרון prepolymer המכיל אתנול יכול בקלות להרטיב את התמיכה.
3. מניחים עוד דיסק קוורץ על גבי תמיכה.
4. מניחים את המדגם crosslinker UV ו מקרינים עבור 5 דקות באמצעות אור UV באורך גל של 254 ננומטר.
5. כדי להסיר את קרום ספוג מתקליטורי קוורץ, לטבול כל הנאספים באמבט מים DI עבור 5 דקות ובזהירות להסיר את הקרום באמצעות סכין ולאחר פינצטה חדה.
6. שמור את הקרום במי DI. להחליף את המים פעמיים כדי להסיר את הממס, מונומר / crosslinker unreacted, ואת סול מן הקרום.
7. כן יבשים, ממברנות ספוגות עבור ATR-FTIR ו DSC מנתח.
   1. הסר את הקרום מן האמבטיה במים. אפשר הממברנה להתייבש בכל תנאי הסביבה עבור 24 h.
   2. לייבש את הממברנה בחלל ריק בתנור לילה בשעה 80 ° C תחת ואקום.

אפיון 4. של הסרטים והטוסטר ועבר אותיmbranes

1. ניתוח ATR-FTIR
   1. כן מדגם של פתרון prepolymer, כאמור בשלב 1.1, לצורך ניתוח FTIR.
   2. בצע סריקה ברקע לפני סריקת המדגם. הגדר את טווח wavenumber מ 600 ס"מ ^-1 עד 4500 ס"מ ^-1 ברזולוציה ^-1 4 ס"מ המדידה.
   3. הנח את הדוגמה המכונה FTIR לניתוח.
   4. סר המדגם. נקה את קריסטל הקצה עם ממס מתאים.
   5. חזור על שלבי 4.1.1 - 4.1.4 עבור הדגימות הבאות: תמיכה נקבובית, פתרון prepolymer, מיובשים בודדי סרטים, וממברנות ספוגות יבשות.
2. Calorimetry סריקה דיפרנציאלי (DSC)
   1. מניחים בסיר DSC ומכסה ב במאזניים ולהקליט את משקלם.
   2. מניחים כמות קטנה של המדגם (5-10 מ"ג) בתוך מחבת ולסגור אותו עם מכסה.
   3. לשקול את הסיר שהכיל המדגם. מתוך ההבדל במשקל בין oמחבת במכסה ccupied ואת המחבת במכסה הפנויה, לחשב את המשקל של המדגם.
   4. באמצעות עיתונות, הרמטית לאטום המדגם בתוך המחבת.
   5. מכניסים את התבנית אטום בתוך התא DSC שבו ההתייחסות אינרטי ממוקם.
   6. הזן את המשקל של פאן הפנוי ו המכסה ואת המשקל של המדגם בתכנית.
   7. סרוק עם DSC מ -80 מעלות צלזיוס עד 160 מעלות צלזיוס בקצב חימום של 10 ° C / min.
   8. לבצע את ניתוח DSC באמצעות הפרוטוקול של היצרן.
   9. חזור על ניסויי DSC עבור מדגמים שונים ביצוע הפעולות הנ"ל.
3. מדידה של זוויות מגע בשיטת טיפת תליון
   1. חותכים רצועה מלבנית של המדגם הממברנה (כ 30 מ"מ על ידי 6 מ"מ).
   2. משרי רצועה זו במי DI עבור 10 דקות ולאחר מכן לייבש אותו למשך 5 דקות.
   3. מניח את המדגם מיובש על בעל המדגם.
   4. לצלול בעל המדגם בתוך שקוףבתא סביבתי המכיל את מי DI ^20.
   5. באמצעות מזרק מיקרוליטר עם מחט נירוסטה, לוותר טיפות -decane n (כ 1 μL) על מדגם הממברנה.
   6. השאירו את ההתקנה מופרעת עבור 2 דקות כדי להבטיח התייצבות טיפות.
   7. השתמש תוכנת ניתוח התמונה המתאימה כדי לקבוע את זווית המגע של דגימות ידי מדידת הזוויות של טיפות לוותר על משטח הממברנה.
   8. קח את הממוצע של ערכי זווית המגע המתקבל עבור טיפות שונות.
4. אפיון של חדירות מים באמצעות מערכת סינון ללא מוצא
   1. השתמש ניקוב חורים מונחה פטיש עם קוטר מתאים לחתוך קופונים של סרטים בודדים וממברנות ספוגות.
   2. מניח קופון שהוכן על התמיכה הנקבובית בתוך תא סינון למבוי סתום.
   3. מניחים את טבעת O על גבי המדגם. הבריגו את שני החצאיםתא החלחול יחד.
   4. להוסיף כ 50 מ"ל מים DI לתא חלחול. ברגי הכובע ומקום בתא החלחול על stirrer מגנטי. הגדר את קצב הערבוב בין 300 לבין 900 סל"ד.
   5. מניחים בכוס מכוסה על איזון כדי לאסוף את המים לחלחל. טרה את האיזון.
   6. פתח את השסתום על בלון הגז. סובב את השעון שסתום ווסת לחץ עד הלחץ הרצוי הוא הגיע (45 psig לסרטים בודדים ו 35 psig עבור ממברנות ספוגות).
   7. פתח את שסתום השחרור, כדי לספק את הלחץ אל תא החלחול.
   8. לנטר ולהקליט את המשקל של הכוס עם זמן.
   9. חשב את המים permeance (א _w) וחדירות _(w P) עם מודל פתרון-דיפוזיה המוצג להלן ^{4, 21}
      
      כאשר A _w הוא הדואר מים permeance (L / m ² hbar או LMH / בר), _w P הוא חדירות מים (ס"מ LMH / בר), ρ _w היא צפיפות המים (g / L), הוא שטח אפקטיבי של הממברנה (מ ' ^2), Δm הוא שינוי המסה של לפעפע מים (ז) על פני תקופת זמן Δt (ח), Δp ההבדל לחץ על פני הממברנה (ברה), ואני הוא העובי של הסרט הנפוח (סנטימטר).
   10. להשתמש בפתרון BSA המכיל BSA 0.5 g / L בתוך בופר פוספט פתרון (PBS) עם pH = 7.4 כדי להעריך את המאפיינים antifouling ושיעורי דחייה של ממברנות.
   11. חזור על שלבים 4.4.5 - 4.4.10 לקבוע את שטף מים בנוכחות BSA. לחשב את שיעור דחיית BSA עם המשוואה הבאה ²²
       
       כאשר R _BSA הוא שיעור הדחייה BSA של הממברנה (%),C _P הוא ריכוז של BSA ב לפעפע (g / L), ו- C _F הוא ריכוז של BSA בהזנה (g / L); הריכוז של BSA יכול להיקבע באמצעות ספקטרוסקופיית UV.

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

תוצאות

סרטים וטוסטר מוכנים עם פתרונות prepolymer המפורטים צעדים 1.1 ו 1.2 מכונים S50 ו- S30, בהתאמה. מידע מפורט מוצג בטבלה 1. פתרון prepolymer שצוין בשלב 1.2 שמש גם לפברק ממברנות ספוגות, אשר מסומנות כמו IMS30. כיוון שהתמיכה הנקבובית עשויה פול...

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

Discussion

הוכחנו שיטה קלילה להכין סרטים בודדים וממברנות ספוגות המבוססות על הידרוג'ל zwitterionic. היעלמותם של שלוש (ספיד) פסגות מאפיין acrylate (כלומר, 810, 1190, ו 1410 סנטימטר ^-1) בספקטרום האינפרא האדום של סרטי הפולימר מתקבל ועבר קרום (איור 2) מציין את ההמרה הטובה של מונומ?...

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

Materials

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