Усовершенствованная модификация поверхности полого ПТФЭ, устойчивая к (био)обрастанию

Том 13 научных докладов, номер статьи: 11871 (2023) Цитировать эту статью

358 Доступов

Подробности о метриках

Обработка поверхности мембраны для изменения сопротивления (био)обрастания играет ключевую роль в мембранных технологиях. В этой статье сообщается об успешном использовании стимулируемой воздухом поверхностной полимеризации гидрохлорида дофамина с включенными наночастицами ZnO (НЧ ZnO) для предотвращения внутренней гидрофобности и низкой устойчивости к (био)обрастанию половолоконных мембран из политетрафторэтилена (ПТФЭ) (HFM). В исследовании использовались нетронутые HFM из ПТФЭ с покрытием из полидопамина (Pdopa), как с наличием подачи воздуха, так и без него, а также с добавлением наночастиц ZnO. Измерения дзета-потенциала были выполнены для оценки стабильности дисперсии НЧ ZnO перед иммобилизацией, а морфологические характеристики и зависимость от времени слоя роста Pdopa были проиллюстрированы с помощью сканирующей электронной микроскопии. Поверхностная полимеризация Pdopa и иммобилизация НЧ ZnO были подтверждены с помощью ИК-Фурье и EDX-спектроскопии. Преобразование поверхностных свойств ПТФЭ HFM в супергидрофильные было продемонстрировано с помощью анализа угла смачивания водой и стабильности иммобилизованных НЧ ZnO, оцененной с помощью ICP-анализа. Критерии предотвращения обрастания и характеристики сопротивления (био)обрастанию поверхностно-модифицированных мембран оценивали посредством определения восстановления потока бычьего сывороточного альбумина при тупиковой фильтрации, а также микробиологической оценки в условиях динамического контакта против Staphylococcus spp. и Escherichia coli соответственно. Коэффициент восстановления фильтрации и антимикробные результаты свидетельствуют о многообещающем влиянии модификации поверхности на противообрастающие свойства PTFE HFM. Таким образом, этот метод представляет собой первое успешное использование стимулированного воздухом покрытия Pdopa, включающего наночастицы ZnO, для индукции супергидрофильной модификации поверхности PTFE HFM. Такой метод можно распространить на другие мембраны, связанные с процессами очистки воды.

Мембраны обычно используются в системах очистки воды из-за их небольшой занимаемой площади, разумных эксплуатационных затрат, высокой эффективности селективного разделения и высокого качества конечного пермеата1,2,3. Мембранная фильтрация — это универсальная технология, которую можно сочетать с другими системами разделения воды, включая микро- и ультрафильтрацию в биореакторах, где она представляет собой автономную замену вторичным осветлителям и нанофильтрации при очистке питьевой воды4,5. Однако важным препятствием, препятствующим развитию мембран в качестве основного варианта систем очистки воды, является (био)обрастание4,6.

Загрязнение мембраны является наиболее распространенной проблемой, снижающей производительность мембраны во время фильтрации7. Присоединение неорганических веществ, отложение органических остатков, захват частиц субстрата и накопление микроорганизмов могут создать слой осадка на поверхности мембраны, что приводит к закупорке пор, увеличению трансмембранного давления, увеличению потребления энергии, снижению потока пермеата и неэффективная функциональность мембран4,7. Объединив практические результаты мембранной ультрафильтрации в биореакторных системах с теоретическими моделями закупорки слоев корки, Ян и др.8 пришли к выводу, что такие слои корки являются основным загрязнителем мембран, при этом Вардани и др.9 отметили, что фактическая скорость загрязнения была результат корреляции между внутренними свойствами мембраны и составом загрязняющего вещества.

Благодаря высокой физической и химической стабильности синтетические органические полимеры все чаще используются в качестве сырья для производства ультрафильтрационных половолоконных мембран (HFM)9,10. Например, часто используется политетрафторэтилен (ПТФЭ) из-за его сравнительно более высоких физико-химических свойств, чем у других традиционных HFM, применяемых для очистки воды. ПТФЭ обладает высокой химической стойкостью, что позволяет использовать его в различных процессах очистки воды, даже при воздействии агрессивных или коррозионно-активных веществ. ПТФЭ также демонстрирует высокую термостойкость, что помогает выдерживать повышенные температуры без ущерба для его физической целостности; и гибкость, которая позволяет погруженным мембранам легко встряхиваться и перемещаться внутри биореакторной системы, не опасаясь разрыва11. По этим причинам в данном исследовании был выбран ПТФЭ. Тем не менее, HFM из ПТФЭ обладают гидрофобными характеристиками, которые облегчают адсорбцию белков, жирных кислот и большинства нитчатых микроорганизмов (МО) в процессе, который способствует загрязнению мембран11,12. Доминирующая фаза этих групп загрязнений является гидрофобной, то есть она притягивается к гидрофобной поверхности органической мембраны13,14,15, тем самым увеличивая скорость загрязнения за счет прикрепления к поверхности мембраны или застревания внутри пор мембраны12.