Модифікування поверхні полівініліденфлуоридних мембран поліетиленіміном
Loading...
Date
2022
Authors
Бубела, Галина
Коновалова, Вікторія
Колесник, Ірина
Бурбан, Анатолій
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Завдяки своїй високій механічній міцності, хімічній стійкості та інертності полівініліденфлуоридні мембрани широко використовуються у процесах ультрафільтрації водних розчинів речовин різної хімічної природи. Однак висока гідрофобність полімера створює значні обмеження для практичного застосування таких мембран, тому актуальною є розробка методів модифікування поверхні ПВДФ мембран для покращення їхніх властивостей. Поліетиленімін (ПЕІ), як модифікувальна речовина, вже широко досліджений з метою гідрофілізації поверхні цілою низкою гідрофобних полімерів, проте процес модифікування призводить як до спадання об’ємного потоку, так і до зміни селективності мембран. Це пов’язано із тим, що у процесі модифікування широкопористих мембран ПЕІ прищеплюється не тільки до їхньої робочої поверхні, але також і до поверхні пор мембрани, зменшуючи їхній ефективний радіус. Зважаючи на це, дослідження присвячено розробленню методики модифікування поверхні ПВДФ мембран ПЕІ із попереднім заповненням їхніх пор для максимального збереження морфології початкових мембран та їхніх характеристик. Як заповнювач пор використовували нейоногенну поверхнево-активну речовину Тетронік® 701. Комерційні ультрафільтраційні ПВДФ мембрани (із відсікальною здатністю 150 кДа) спочатку активували карбонатним буфером, далі заповнювали пори Тетронік® 701, після чого здійснювали модифікування поверхні ПВДФ мембрани з використанням ПЕІ. Підтвердження процесу модифікування здійснювали методом ІЧ спектроскопії. Властивості поверхні мембрани досліджено методом сканувальної електронної мікроскопії. Зміну гідрофільності модифікованих мембран досліджували методом вимірювання кутів змочування поверхні мембран водою, гліцерином і дийодометаном. Транспортні властивості мембрани було експериментально вивчено у процесі ультрафільтрації водних розчинів білків (зокрема, лізоциму, ліпази, БСА), визначено коефіцієнти їхнього затримання та коефіцієнти водопроникності мембран. Встановлено, що використання Тетронік® 701 під час процесу модифікування мембрани дозволяє отримати мембрани з вищим коефіцієнтом водопроникності, порівняно із мембраною, модифікованою без попереднього заповнення пор, а гідрофілізація поверхні сприяє зменшенню ефекту концентраційної поляризації.
PVDF membranes are extensively applied in ultrafiltration processes of aqueous solutions of different chemical substances owing to its outstanding properties, such as high mechanical strength, thermal stability, and chemical resistance. However, hydrophobicity of this polymer largely limits the practical application of PVDF. Therefore, it is very important to develop methods of modifying the surface of PVDF membranes with the aim to improve their properties. Polyethyleneimine, as a modifying agent, has already been investigated for hydrophilization of the surface. However, the modification process leads to reduction of the volumetric flow and changes of the membrane selectivity because polymer is grafted not only to the surface, but also into the pores of the membranes, reducing their effective radius. Taking everything into account, this investigation is devoted to the development of a technique for surface modification of PVDF membranes with PEI (with pre-filling of pores) to improve their transport properties, at the same time preserving the morphology of the membrane and its characteristics. Nonionic surfactant Tetronic® 701 is used as a pore-filling agent. Commercial ultrafiltration PVDF membranes (with cut-off of 150 kDa) were firstly activated with a carbonate buffer, then the pores were filled with Tetronic® 701, further surface modification of membranes with PEI was performed. The modification process was confirmed by IR spectroscopy. The surface properties of the membranes were studied by scanning electron microscopy. The changes in the hydrophilicity of the modified membranes were studied by measuring the wetting angles of the membrane surface with water, glycerol, and diiodomethane. The transport properties of the membrane were experimentally studied in the process of ultrafiltration of aqueous protein solution (in particular, lysozyme, lipase, BSA); water permeability coefficients and protein rejection coefficients were determined. It was found that the usage of Tetronic® 701 during the membrane modification process allowed improving the water permeability coefficient compared to the membrane modified without pre-filling the pores; hydrophilization of the surface reduced the effect of concentration polarization.
PVDF membranes are extensively applied in ultrafiltration processes of aqueous solutions of different chemical substances owing to its outstanding properties, such as high mechanical strength, thermal stability, and chemical resistance. However, hydrophobicity of this polymer largely limits the practical application of PVDF. Therefore, it is very important to develop methods of modifying the surface of PVDF membranes with the aim to improve their properties. Polyethyleneimine, as a modifying agent, has already been investigated for hydrophilization of the surface. However, the modification process leads to reduction of the volumetric flow and changes of the membrane selectivity because polymer is grafted not only to the surface, but also into the pores of the membranes, reducing their effective radius. Taking everything into account, this investigation is devoted to the development of a technique for surface modification of PVDF membranes with PEI (with pre-filling of pores) to improve their transport properties, at the same time preserving the morphology of the membrane and its characteristics. Nonionic surfactant Tetronic® 701 is used as a pore-filling agent. Commercial ultrafiltration PVDF membranes (with cut-off of 150 kDa) were firstly activated with a carbonate buffer, then the pores were filled with Tetronic® 701, further surface modification of membranes with PEI was performed. The modification process was confirmed by IR spectroscopy. The surface properties of the membranes were studied by scanning electron microscopy. The changes in the hydrophilicity of the modified membranes were studied by measuring the wetting angles of the membrane surface with water, glycerol, and diiodomethane. The transport properties of the membrane were experimentally studied in the process of ultrafiltration of aqueous protein solution (in particular, lysozyme, lipase, BSA); water permeability coefficients and protein rejection coefficients were determined. It was found that the usage of Tetronic® 701 during the membrane modification process allowed improving the water permeability coefficient compared to the membrane modified without pre-filling the pores; hydrophilization of the surface reduced the effect of concentration polarization.
Description
Keywords
полівініліденфлуоридна мембрана, поліетиленімін, ультрафільтрація, коефіцієнт водопроникності, концентраційна поляризація, стаття, polyvinylidene fluoride membrane, polyethyleneimine, ultrafiltration, water permeability coefficient, concentration polarization
Citation
Модифікування поверхні полівініліденфлуоридних мембран поліетиленіміном / Г. С. Бубела, В. В. Коновалова, І. С. Колесник, А. Ф. Бурбан // Хімія, фізика та технологія поверхні. - 2022. - Т. 13, № 1. - С. 94-104. - https://doi.org/10.15407/HFTP13.01.094