Bioinspired N-Oxide-Based Zwitterionic Polymer Brushes for Robust Fouling-Resistant Surfaces

结垢 化学工程 生物污染 膜 氧化物 化学 聚合物 高分子科学 材料科学 高分子化学 纳米技术 有机化学 生物化学 工程类
作者
Zimou Feng,Xunda Feng,Xinglin Lu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (18): 7298-7308 被引量:50
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c00128
摘要

Fouling-resistant surfaces are needed for various environmental applications. Inspired by superhydrophilic N-oxide-based osmolytes in saltwater fish, we demonstrate the use of a trimethylamine N-oxide (TMAO) analogue for constructing fouling-resistant surfaces. The readily synthesized N-oxide monomer of methacrylamide is grafted to filtration membrane surfaces by surface-initiated atom transfer radical polymerization (SI-ATRP). Successful grafting of the amine N-oxide brush layer as confirmed by material characterization endows the surface with increased hydrophilicity, reduced charge, and decreased roughness. Notably, the introduction of the N-oxide layer does not compromise transport properties, i.e., water permeability and water-salt selectivity. Moreover, the modified membrane exhibits improved antifouling properties with a lower flux decline (32.1%) and greater fouling reversibility (18.55%) than the control sample (45.4% flux decline and 3.26% fouling reversibility). We further evaluate foulant-membrane interaction using surface plasmon resonance (SPR) to relate the reduced fouling tendency to the synergic effects of surface characteristic changes after amine N-oxide modification. Our results demonstrate the promise and potential of the N-oxide-based polymer brushes for the design of fouling resistance surfaces for a variety of emerging environmental applications.
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