Selvsamlet membran med vandkontinuerlige transportveje til præcis nanofiltrering

Selvsamlede materialer er attraktive for næste generations materialer, men deres potentiale til at samles på nanoskala og danne nanostrukturer (cylindre, lameller osv.) forbliver udfordrende. I en nylig rapport, Xundu Feng og kolleger ved de tværfaglige afdelinger for kemi- og miljøteknik, biomolekylær teknik, kemi og center for avancerede lavdimensionelle materialer i USA, Frankrig, Japan og Kina, foreslået og demonstreret en ny tilgang til at forhindre de eksisterende udfordringer. I undersøgelsen, de udforskede størrelseselektiv transport i det vandkontinuerlige medium af en nanostruktureret polymerskabelon dannet ved hjælp af en selvsamlet lyotropisk H ₁ (sekskantet cylindrisk formet) mesofase (en stoftilstand mellem væske og fast stof). De optimerede mesofase-sammensætningen for at lette high-fidelity-retention af H ₁ struktur på fotoinduceret tværbinding.

Det resulterende nanostrukturerede polymermateriale var mekanisk robust med internt og eksternt tværbundne nanofibriller omgivet af et kontinuerligt vandigt medium. Forskerholdet fremstillede en membran med størrelsesselektivitet på 1 til 2 nm længdeskala og vandpermeabiliteter på ~10 liter m ⁻² time ⁻¹ bar ⁻¹ μm. Membranerne udviste fremragende antimikrobielle egenskaber til praktisk brug. Resultaterne er nu offentliggjort på Videnskabens fremskridt og repræsenterer et gennembrud for den potentielle brug af selvsamlet membranbaseret nanofiltrering i praktiske anvendelser af vandrensning.

Membranseparation til filtrering er meget udbredt i forskellige tekniske applikationer, herunder afsaltning af havvand, gasadskillelse, fødevareforarbejdning, brændselsceller og de nye områder inden for bæredygtig elproduktion og destillation. Under nanofiltrering, opløste eller suspenderede opløste stoffer i størrelsesordenen 1 til 10 nm kan fjernes. Nye nanofiltreringsmembraner er af særlig interesse til billig rensning af spildevand for at fjerne organiske forurenende stoffer, herunder pesticider og metabolitter af farmaceutiske lægemidler. State-of-the-art membraner lider i øjeblikket af en afvejning mellem permeabilitet og selektivitet, hvor øget permeabilitet kan resultere i nedsat selektivitet og vice versa. Da afvejningen stammer fra de iboende strukturelle grænser for konventionelle membraner, materialeforskere har indarbejdet selvsamlede materialer som en attraktiv løsning til at realisere meget selektiv adskillelse uden at gå på kompromis med permeabiliteten.

For eksempel, blokcopolymerer (BCP'er) og flydende krystaller med små molekyler (LC'er) kan selv samle til en række mesofaseformer med periodiske nanoskala-domæner for at indeholde termodynamisk definerede størrelser og former. De velordnede nanostrukturer, der findes i BCP'er og LC'er i form af cylindre, lameller og gyroider er attraktive skabeloner til at fremstille nanopore-membraner. Selvsamlende materialer kunne give nyttige skabeloner til at kontrollere organiseringen af ​​diskrete objekter såsom vandkanalproteiner eller nanorør, at fungere som nanofiltreringsporer. Selvom nanoporemembranerne viste høj selektivitet og permeabilitet for nanofiltrering og ultrafiltrering, forskere er stødt på udfordringer under deres praktiske udvikling.

I nærværende arbejde, Feng et al. udviklet en skalerbar tilgang til at opnå meget permeable og selektive nanofiltreringsmembraner med attraktive anti-biobegroningsegenskaber til antimikrobielle aktiviteter. Membranen indeholdt hexagonalt ordnede molekylære nanofibriller realiseret ved at tværbinde en direkte cylindrisk lyotropisk LC. Membranen var mekanisk robust og modstandsdygtig mod både dehydrering og hævelse af overskydende vand. Den selvsamlede struktur gav ensartet og veldefineret afstand mellem nanofibriller for høj membranselektivitet og reduceret membrankompleksitet, afviger fra tidligere rapporteret arbejde. De nye egenskaber adskiller membranerne fra nanostrukturerede membraner afledt af lyotrope LC'er rapporteret til dato, at tilbyde en vej mod praktisk nanofiltrering.

For at danne et polymeriserbart H ₁ mesofase med vand, forskerholdet brugte et kationisk overfladeaktivt stof, 2-(methacryloyloxy)ethyltetradecyldimethylammoniumbromid (METDAB) sammen med yderligere tværbindere af ethylenglycoldimethacrylat (EG-DMA) og oligo(ethylenglycol)dimethacrylat (OEG-DMA). Forskerholdet syntetiserede den overfladeaktive monomer eller surfmer i en enkelt-trins Menshutkin-reaktion og dannede H ₁ faser ved stuetemperatur under anvendelse af METDAB-koncentrationer i området fra 55 til 80 vægtprocent.

De udførte detaljerede strukturelle karakteriseringer ved hjælp af højopløsnings small-angle røntgenspredning (SAXS) med højopløsningsmikroskopi for at verificere tilbageholdelsen af ​​H ₁ mesofase efter UV-initieret tværbinding. De optimerede sammensætningen til at udvikle 70 vægtprocent METDAB med 22,8 vægtprocent vand, 5,4 vægtprocent OEG-DMA og 1,8 vægtprocent EG-DMA med fotoinitiator for at danne en stabil, homogen H ₁ mesofase gel. Den resulterende gelprøve viste fremragende gennemsigtighed for at bevare integriteten efter nedsænkning i vand i 24 timer for modstand mod strukturelt sammenbrud på grund af vandopsvulmning. Feng et al. opnåede et højopløseligt TEM-billede af prøven for at observere et ordnet array af sekskantet pakkede nanofibriller, der viser en seksdobbelt symmetri.

De selvsamledes vandkontinuerlige natur, tværbundet H ₁ mesofase og dens mekaniske elasticitet var attraktiv til membranpåføring, hvilket Feng et al. testet som et proof-of-concept. For det, de producerede en membran ved at tværbinde en tynd film af H ₁ mesofase med UV-eksponering, på en kommercielt indkøbt, polyacrylonitril (PAN) ultrafiltreringsmembran. De afbildede derefter H ₁ /PAN-kompositmembran ved hjælp af et scanningselektronmikroskop (SEM) og testede overflademorfologien ved hjælp af atomkraftmikroskopi (AFM). Under forsøgene, de sammensatte membraner viste stærk størrelsesselektivitet over for ladede organiske farvestofmolekyler. Baseret på transportdata, Feng et al. viste, at membranen effektivt kunne adskille opløste stoffer på basis af deres størrelse og ladning.

Forskerne foreslår yderligere undersøgelser for at fremhæve grænsen mellem porøse og opløsningsdiffusionsmekanismer i polymermembraner. For eksempel, vandpermeabiliteten faldt med op til 50 procent, når de filtrerede ladede opløste stoffer, men forblev uændret i nærværelse af naturlige opløste stoffer. Permeabiliteten og funktionen af ​​de selvsamlede nanomembraner udviklet i undersøgelsen sammenlignet positivt med kommercielle nanofiltreringsmembraner såsom Dow FILMTEC NF90-400. Forskerholdet observerede vandvendte kvaternære ammoniumgrupper på nanofibrillerne for at repræsentere anti-biofouling-adfærd på grund af veletablerede antimikrobielle egenskaber af de funktionelle grupper. De undersøgte potentialet for anti-biofouling-adfærd hos H ₁ membraner under anvendelse af en standard kolonidannende enhed (CFU) optællingsassay.

Under forsøgene, de beholdt PAN-membraner (kontrolgruppe) eller H ₁ membraner i kontakt med gram-negative bakterier (Escherichia coli) i suspension i 3 timer. Da de sonikerede membranerne mildt i saltvandsopløsning, bakterierne løsnede sig fra overfladerne til efterfølgende dyrkning på agar og inkubation natten over. Resultaterne viste antallet af levedygtige E. coli-celler på H ₁ membranen skal være 3 størrelsesordener mindre end kontrollen, beviser anti-biofouling aktivitet af membranerne. Resultaterne bekræftede et stærkt antimikrobielt respons for H ₁ , som forventet på grund af tilstedeværelsen af ​​kvaternære ammoniumgrupper.

På denne måde Xundu Feng og kolleger rapporterede en simpel tilgang til at konstruere polymer nanofiltreringsmembraner med en unik struktur af ordnede nanofibril-arrays. I tilgangen de brugte en tværbindelig, vandkontinuerlig lyotropisk H ₁ mesofase skabelon for at skabe morfologien af ​​interesse. De fulgte det tekniske trin med systematiske, materialekarakteriseringsteknikker for at bekræfte dannelsen af ​​højt ordnede nanostrukturer med høj pålidelighed for mekanisk robusthed. Det nuværende arbejde var det første, der direkte afbildede det polymeriserede lyotropiske H ₁ mesofase.

Forskerne syntetiserede hovedbestanddelen af ​​systemet METDAB i et enkelt trin, ved hjælp af let tilgængelige og billige reagenser. Ved hjælp af membranen, de viste klart, størrelsesbaseret selektivitet med molekylære farvestoffer som modelopløste stoffer, ved siden af ​​vandgennemtrængeligheder på ca. 10 liter m ⁻² time ⁻¹ bar ⁻¹ μm. Forskerholdet sigter mod at optimere fremstillingsprocedurerne for at give tyndere selektive lag ved at modificere overfladekemien af ​​nanofibrillerne til vand nanofiltrering og behandling ved hjælp af antimikrobielle membraner i praktiske applikationer.

© 2019 Science X Network