물 정화를위한 막으로 방오 특성을 가진 히드로 겔의 합성

요약

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

초록

하이드로 겔은 시간 경과에 널리 막을 통해 안정된 투수 달성 따라서 방오성을 증가시키고, 정수용 막 표면의 친수성을 향상시키기 위해 사용되어왔다. 여기, 우리는 막 애플리케이션에 양쪽 성 이온에 따라 하이드로 젤을 준비하는 손쉬운 방법을보고합니다. 프리 스탠딩 필름은 광중합 통해 폴리 가교제 (에틸렌 글리콜) 디 아크릴 레이트 (PEGDA)와 메타 크릴 술 포베 타인 (SBMA)로부터 제조 될 수있다. 하이드로 겔은, 기계적 강도를 향상시키는 소수성 다공성 지지체에 함침시켜 제조 할 수있다. 이들 필름은 중합체 쇄 역학 친수성 및 시차 주사 열량계 (DSC)에 대한 고니 오 미터를 이용하여, (메트) 아크릴 기의 전화율을 결정하기 위해 적외선 분광법 (ATR-FTIR)을 변형 감쇄 전반사 푸리에 특징으로 할 수있다. 우리는 또한 막 다른 FILTRA에서 투수를 결정하기 위해 프로토콜을보고기 시스템 및 막 성능에 foulants 효과 (소 혈청 알부민, BSA).

서문

증가하는 수요를 충족하기 위해 깨끗한 물을 생산하기 위해 저렴한 비용 및 에너지 효율적인 기술을 개발하는 중대한 필요가있다. 고분자 멤브레인은 작업 ^1의 높은 에너지 효율, 낮은 비용, 단순성으로 인해 자신의 고유 한 장점 정수에 대한 선도적 인 기술로 등장했다. 막 순수한 물을 통해 침투와 오염 물질을 거부 할 수 있습니다. 그러나, 멤브레인은 종종 유리한 작용 ^{(2, 3)에서} 막 표면에 흡착 될 수있는 공급 물 오염 물질에 의해 오염을 실시한다. 오손 극적 필요한 멤브레인 면적 정수 비용을 증가 막을 통해 물 흐름을 감소시킬 수있다.

오염을 줄일 수있는 효과적인 방법은 친수성을 증가시키고 이에에서 유리한 감소 막 표면을 수정하는 것막 표면 사이 foulants 고유 상호 작용. 하나의 방법은 ³ 초 친수성 하이드로 겔로 박막 코팅을 사용하는 것이다. 하이드로 겔은 종종 높은 물 투과성을 가지고, 따라서, 박막 코팅은 막 전체에 걸쳐 약간 증가 반송 저항 불구 인해 완화 된 오염을 막을 통한 장기간의 물 투과도를 증가시킬 수있다. 하이드로 겔은 또한 직접 침투 응용 ⁴ 정수용 막 함침으로 제조 될 수있다.

양쪽이 온성 물질은 순 중성 전하와 양 양 및 음으로 하전 된 작용기를 포함하고, 정전 유도 수소 결합 ^{5, 6, 7, 8, 9를} 통해 강한 표면 수분을 갖는다. 단단히 결합 된 수화 층은 물리적 역할에너지 장벽은, 표면에 부착로부터 foulants 방지 따라서 우수한 방오성 ^{10 시연.} 폴리 (술 포베 타인 메타 크릴 레이트) (PSBMA) 및 폴리 (carboxybetaine 메타 크릴 레이트) (PCBMA)와 같은 양쪽이 온성 중합체, ^{11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18가} 증가 도포하여 막 표면을 수정하는데 사용되어왔다 표면 친수성 때문에 방오성.

우리는 여기에 폴리 (에틸렌 글리콜)을 사용하여 가교 광중합 통해 술 포베 타인 메타 크릴 레이트 (SBMA)를 사용하여 양쪽이 온성 하이드로 디 아크릴 레이트를 제조하기위한 용이 한 방법을 설명 (PEGDA가 M _N = 700g / 몰)은 기계적 강도를 향상시킬 수있다. 우리는 또한 존재하는절차는 광중합 전에 다공성 지지체에 소수성 단량체와 가교제를 함침 견고한 막을 구성한다. 프리 스탠딩 필름을 함침 막의 물리적 해상 수송 성질은 충분히 정수용 구성 / 속성의 관계를 규명하는 것을 특징으로한다. 제조 된 하이드로 겔은 막 분리 특성을 향상시키기 위해 표면 코팅으로서 사용될 수있다. 가교 밀도를 조절하여 소수성 다공성 지지체에 함침시킴으로써, 이들 물질은 또한 순방향 또는 삼투 압력 지연 삼투 ⁴ 삼투압 공정에 대한 충분한 기계적 강도를 갖는 박막을 형성 할 수있다.

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프로토콜

프레 폴리머 솔루션 1. 준비

1. 조제 물을 용매로 사용하여
   1. 자기 교반 막대로 유리 병에 탈 이온수 (DI) 물 10.00 g을 추가한다.
   2. SBMA 2.00 g을 측정하고, 물을 함유하는 유리 병으로 옮긴다. SBMA가 완전히 용해 될 때까지 30 분 동안 용액을 교반 하였다.
   3. 별도의 병에, PEGDA의 20.00 g _{(M, N} = 700g / 몰)을 추가한다.
   4. PEGDA 용액에, 1- 히드 록시 시클로 헥실 페닐 케톤 (HCPK) 광개시제 20.0 mg을 추가. 적어도 30 분 동안 솔루션 저어 보자.
   5. 일회용 피펫을 사용하여, SBMA 수용액에 PEGDA-HCPK 용액 8.00 g을 전송. 용액이 균질해질 때까지 혼합물을 계속 교반 하였다.
2. 제조 용매로서 물 / 에탄올 혼합물을 사용하여
   1. DI 물 6.00 g 및 자기 교반 막대와 앰버 글래스 병에 에탄올 4.00 g을 추가합니다.철저하게 혼합 할 수 있도록 솔루션을 저어.
   2. 물 / 에탄올 혼합물에 SBMA의 2.00 g을 추가합니다. 솔루션을 저어하고 SBMA이 완전히 용해 할 수 있습니다.
   3. SBMA 혼합물에 PEGDA-HCPK 용액 8.00 g을 전송하기 위해 피펫을 사용한다. 철저 솔루션을 섞어 저어.

프리 스탠딩 필름의 제조 2

1. 깨끗한 석영 디스크에 공지 두께의 두 개의 스페이서로; 스페이서의 두께는 수득 된 폴리머 필름 ^(19)의 두께를 제어한다.
2. 일회용 피펫을 사용하여 석영 디스크에 프레 폴리머 용액을 소량 (~ 1.0 ml)에 옮긴다.
3. 액체 위에 다른 석영 디스크를 놓고 액막에 기포가 없도록.
4. 자외선 (UV) 가교 결합제의 샘플을 놓고, 254 나노 미터 ^(19)의 파장을 갖는 UV 광을 사용하여 5 분 동안 조사한다.
   참고 : 대체 조사 시간S 및 파장 광개시제의 종류에 따라 사용할 수있다.
5. 날카로운 칼날을 사용하여 석영 디스크로부터 고분자 필름을 분리한다. DI 물을 욕조에 필름을 전송하는 핀셋을 사용합니다. 필름으로부터 용매, 미 반응 모노머 / 가교제, 졸을 제거 후 24 시간 동안 두 번 수분을 변경한다.
   주 :이 경우, 고분자 필름, 기공 구조를 유지하기 위해 DI 물에 보관해야합니다.
6. ATR-FTIR 및 DSC 분석 건조 필름을 준비한다.
   1. 수조에서 필름을 제거하고 24 시간 동안 공기 건조 할 수 있습니다.
   2. 진공 하에서 밤새 건조 80 ℃의 진공 오븐에서 필름을 놓는다.

함침 막의 제조 3

1. 석영 디스크 상에 다공성 지지체 시트를 배치했다.
2. 발포체 브러시 코팅 물 / 에탄올 혼합물 ^(4)에 기초하여, 프레 폴리머 용액으로 두 지지체의 각각의 측면을 사용.
   참고 : 이후 t그는 지원이 소수성, 에탄올을 포함하는 예비 중합체 솔루션은 쉽게 지원을 적시 할 수 있습니다.
3. 지원 위에 또 다른 석영 디스크를 넣습니다.
4. 자외선 가교제에 샘플을 놓고, 254 nm의 파장을 갖는 UV 광을 사용하여 5 분 동안 조사한다.
5. 석영 디스크에서 충진 된 멤브레인을 제거하고, 5 분 동안 DI 수조의 전체 어셈블리를 담그고 신중 날카로운 블레이드와 핀셋을 사용하여 막을 제거한다.
6. DI 물에서 막 보관하십시오. 용매, 미 반응 모노머 / 가교제, 멤브레인의 졸을 제거하기 위해 두 번 수분을 변경한다.
7. ATR-FTIR 및 DSC 분석 건조 함침 세포막을 준비한다.
   1. 수조에서 막을 제거합니다. 멤브레인을 24 시간 동안 주위 조건에서 건조 할 수있다.
   2. 오븐에서 밤새 진공하에 80 ℃에서 진공에서 건조 막.

자립 필름 및 수태 나 4. 특성mbranes

1. ATR-FTIR 분석
   1. FTIR 분석 단계 1.1에 기재된 바와 같이, 프레 폴리머 용액의 샘플을 준비한다.
   2. 샘플을 스캔하기 전에 백그라운드 검색을 수행합니다. 600cm ^-1 4,500 cm로 파수 범위를 설정 ^-1 측정 4 cm ^-1 해상도.
   3. 분석을 위해 FTIR 기계에서 샘플을 놓습니다.
   4. 샘플을 제거합니다. 결정과 적당한 용매로 끝을 청소한다.
   5. 다공성 지지체, 프레 폴리머 용액, 자립 막을 건조하고, 건조 된 함침 막은 다음 샘플 4.1.4 - 반복 4.1.1 단계.
2. 시차 주사 열량계 (DSC)
   1. 무게 균형에 DSC 팬에 뚜껑을 놓고 자신의 체중을 기록합니다.
   2. 팬 내부에 샘플 (5-10 mg)의 소량을 넣고 뚜껑을 닫는다.
   3. 샘플을 포함하는 팬의 무게를. 오 사이의 중량 차이로부터ccupied 팬 뚜껑과 빈 냄비와 뚜껑, 샘플의 무게를 계산한다.
   4. 기자를 사용하여 밀봉 팬 내부의 샘플을 봉인.
   5. 불활성 기준이 위치한 DSC 셀 안에 밀봉 팬에 놓는다.
   6. 비어있는 냄비와 뚜껑과 프로그램의 샘플의 무게의 무게를 입력합니다.
   7. 10 ℃ / 분의 가열 속도로 160 ℃ ~ -80 ° C에서 DSC 스캔.
   8. 제조업체의 프로토콜을 사용하여 DSC 분석을 수행합니다.
   9. 상기 단계에 따라 다른 샘플에 대한 DSC 실험을 반복한다.
3. 펜던트 드롭 방법을 사용하여 접촉각을 측정
   1. 막 샘플 (6mm 약 30mm)의 직사각형 스트립을 절단.
   2. 10 분 동안 DI 물이 스트립을 적시 한 다음 5 분 동안 건조시킨다.
   3. 샘플 홀더에 건조 된 샘플을 놓습니다.
   4. 투명한의 샘플 홀더 잠수함탈 이온수 ^(20)를 포함하는 환경 챔버.
   5. 스테인리스 바늘으로 마이크로 리터 주사기를 이용하여 막에 N 개의 샘플 -decane (약 1 μL)의 액 적을 분주.
   6. 방울의 안정을 보장하기 위해 2 분 동안 방해받지 설정을 둡니다.
   7. 막 표면 상에 분배 된 방울의 각도를 측정함으로써 시료의 접촉각을 결정하는 적당한 화상 해석 소프트웨어를 사용한다.
   8. 다양한 방울 얻은 접촉각 값의 평균을 가져 가라.
4. 투수의 특성 막 다른 여과 시스템을 사용하여
   1. 프리 스탠딩 필름을 함침 막의 쿠폰 잘라 적절한 직경 해머 중심 펀치 구멍을 사용한다.
   2. 데드 엔드 여과 셀 내부의 다공성 지지체 상에 제조 된 쿠폰을 놓는다.
   3. 샘플의 상단에있는 O 링을 놓습니다. 두 부분을 나사투과 셀의 서로.
   4. 투과 셀에 DI 물 약 50 mL를 넣고. 뚜껑에 나사와 자석 교반기에 투과 셀을 배치합니다. (300) 900 회전의 교반 속도를 설정합니다.
   5. 투과 물을 수집하는 균형에 덮여 비커를 놓습니다. 균형을 용기.
   6. 가스 실린더의 밸브를 연다. 원하는 압력 (프리 스탠딩 필름을 45 psig로 함침 멤브레인 psig의 35)에 도달 할 때까지 압력 조절 밸브를 시계 방향으로 돌려.
   7. 투과 셀에 압력을 제공 할 수있는 릴리스 밸브를 엽니 다.
   8. 모니터와 시간 비커의 무게를 기록한다.
   9. ^{21 (4)} 아래의 액 확산 모델 수분 투과도 (A _w)과 투자율 (P의 _w)를 계산
      
      어디 _w는 토륨물의 밀도 (g / L) _w는, A는 멤브레인의 유효 면적 (m은 ρ E 물 투과도 (L / m ² hbar 또는 LMH / 바), P _(W)를, 투수 (LMH의 cm / 바)이다 ^2), ΔM은 시간주기 ΔT (H 위에 물 투과 (g))의 질량 변화이고, ΔP)은 멤브레인 (바를 가로 지르는 압력 차이며 L은 팽윤 된 필름 (cm)의 두께이다.
   10. 막의 방오성 및 제거 속도를 평가하기 위해, pH는 7.4와 인산 완충 용액 (PBS) 용액에 0.5 g / L의 BSA를 함유하는 BSA 용액을 사용한다.
   11. BSA의 존재 하에서 물 플럭스를 결정하기 위해 4.4.10 - 반복 4.4.5 단계를 반복합니다. 하기 식 ^(22)과 BSA 배제 율을 계산
       
       여기서 _{R은 BSA} 막 (%)의 BSA 배제 율이고,C _P는 투과 (g / ℓ)에서 BSA의 농도이고, _{C는 F} 공급 (g / L)의 BSA의 농도이고; BSA의 농도는 UV 분광법을 통해 결정될 수있다.

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결과

단계 1.1 및 1.2에 규정 된 프리폴리머 용액으로 제조 된 프리 스탠딩 필름을 각각 S50 및 S30로 지칭된다. 자세한 내용은 표 1에 나타낸다. 단계 1.2에 명시된 프레 폴리머 용액은 IMS30로 표시되는 함침 멤브레인을 제조하는데 사용 하였다. 다공성 지지체는 친수성 폴리에틸렌 때문에도 ^1-4에 나?...

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토론

우리는 자립 영화와 양쪽 성 하이드로 젤을 기반으로 함침 세포막을 준비하는 손쉬운 방법을 증명하고있다. 세 (메트) 아크릴 레이트 특성 피크의 소멸 (즉, 810, 1,190 및 ^1,410cm-1) 얻어진 폴리머 필름의 IR ^{스펙트럼과는} 막 (도 2) 단량체 및 가교제 ^(4)의 우수한 전환을 나타낸다 함침 ^{19 (21).} 또한, SO _(...

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자료

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