Antifouling Thin-Film Composite Membranes by Controlled Architecture of Zwitterionic Polymer Brush Layer

薄膜复合膜 化学工程 原子转移自由基聚合 生物污染 聚合物刷 聚合物 高分子化学 吸附 聚合 材料科学 结垢 化学 反渗透 有机化学 工程类 生物化学
作者
Caihong Liu,Jongho Lee,Jun Ma,Menachem Elimelech
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:51 (4): 2161-2169 被引量:273
标识
DOI:10.1021/acs.est.6b05992
摘要

In this study, we demonstrate a highly antifouling thin-film composite (TFC) membrane by grafting a zwitterionic polymer brush via atom-transfer radical-polymerization (ATRP), a controlled, environmentally benign chemical process. Initiator molecules for polymerization were immobilized on the membrane surface by bioinspired catechol chemistry, leading to the grafting of a dense zwitterionic polymer brush layer. Surface characterization revealed that the modified membrane exhibits reduced surface roughness, enhanced hydrophilicity, and lower surface charge. Chemical force microscopy demonstrated that the modified membrane displayed foulant-membrane interaction forces that were 1 order of magnitude smaller than those of the pristine TFC membrane. The excellent fouling resistance imparted by the zwitterionic brush layer was further demonstrated by significantly reduced adsorption of proteins and bacteria. In addition, forward osmosis fouling experiments with a feed solution containing a mixture of organic foulants (bovine-serum albumin, alginate, and natural organic matter) indicated that the modified membrane exhibited significantly lower water flux decline compared to the pristine TFC membrane. The controlled architecture of the zwitterionic polymer brush via ATRP has the potential for a facile antifouling modification of a wide range of water treatment membranes without compromising intrinsic transport properties.
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