PTFE中空の高度な（生物）耐汚染性表面改質

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11871 (2023) この記事を引用

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耐（生物）汚れ抵抗率を変更する膜表面処理は、膜技術において重要な役割を果たします。 この論文では、ドーパミン塩酸塩が組み込まれた ZnO ナノ粒子 (ZnO NP) の空気刺激による表面重合を利用して、ポリテトラフルオロエチレン (PTFE) 中空糸膜 (HFM) の固有の疎水性と低い耐 (生物) 汚染抵抗性を妨げることに成功したことについて報告します。 この研究には、空気供給と ZnO NP の存在の有無にかかわらず、未使用の PTFE HFM とポリドーパミン (Pdopa) でコーティングされた PTFE HFM の使用が含まれていました。 ゼータ電位測定は、固定化前の ZnO NP の分散安定性を評価するために実行され、一方、Pdopa 成長層の形態学的特徴と時間依存性は走査型電子顕微鏡によって示されました。 Pdopa の表面重合と ZnO NP の固定化は、FT-IR および EDX 分光法を使用して確認されました。 PTFE HFM 表面特徴の超親水性への変化は、水接触角分析および ICP 分析によって評価された固定化 ZnO NP の安定性によって実証されました。 表面改質膜の防汚基準および（生物）防汚性能は、デッドエンドろ過におけるウシ血清アルブミンの流束回収率の測定およびブドウ球菌属に対する動的接触条件の微生物評価を通じて評価されました。 と大腸菌、それぞれ。 濾過回収率と抗菌性の結果は、表面改質が PTFE HFM の防汚特性に与える有望な影響を示唆しました。 このように、この方法は、超親水性 PTFE HFM 表面改質を誘導するために、ZnO NP を組み込んだ空気刺激 Pdopa コーティングの使用に初めて成功したことを示しています。 このような方法は、水処理プロセスに関連する他の膜にも拡張できます。

膜は設置面積が小さく、合理的な運転コスト、高い選択分離効率、および最終透過水の高品質により、水処理システムで一般的に使用されています1、2、3。 膜ろ過は、バイオリアクターでの精密ろ過や限外ろ過など、他の水分離システムと組み合わせることができる多用途の技術であり、飲料水の処理における二次浄化装置やナノろ過の自律的な代替手段となります4,5。 しかし、水処理システムの主要な選択肢としての膜の開発を妨げる重要な障害は、（生物）汚れです4,6。

膜の汚れは、濾過中の膜の生産性を低下させる最も一般的な問題です7。 無機物の付着、有機残留物の堆積、粒子状基質の捕捉、および微生物の蓄積はすべて、膜表面にケーキ層を形成し、細孔の閉塞、膜間圧力の増加、エネルギー消費の増加、透過流束の減少、および非効率的な膜機能4,7。 バイオリアクターシステムにおける膜限外濾過の実際の結果とケーキ層閉塞の理論モデルを統合することにより、Yang ら 8 はそのようなケーキ層が膜の主な汚れであると結論付け、Wardani ら 9 は実際の汚れの速度は次のとおりであると指摘した。これは、膜の固有の特性と汚染物質の組成との間の相関関係の結果です。

物理的および化学的安定性が十分に高いため、合成有機ポリマーは限外濾過中空糸膜 (HFM) の製造用の原料として使用されることが増えています9,10。 たとえば、ポリテトラフルオロエチレン (PTFE) は、水処理に適用される他の従来の HFM よりも固有の物理化学的特性が比較的高いため、よく使用されます。 PTFE は高い耐薬品性を備えているため、攻撃性または腐食性の物質にさらされた場合でも、さまざまな水処理プロセスで使用できます。 PTFE はまた、物理的完全性を損なうことなく高温に耐えるのに役立つ高温耐性も示します。 また、浸漬膜が破れることを恐れることなく、バイオリアクター システム内で簡単に揺れたり移動したりできる柔軟性を備えています11。 これらの理由から、本研究では PTFE を選択しました。 それにもかかわらず、PTFE HFM は、膜ファウリングの原因となるプロセスにおいて、タンパク質、脂肪酸、およびほとんどの糸状微生物 (MO) の吸着を促進する疎水性の特性を持っています 11,12。 これらのファウラントグループの主相は疎水性であり、有機膜の疎水性表面に引き寄せられることを意味し13、14、15、それにより膜表面への付着または膜細孔内に捕捉されることによってファウリング速度が増加します12。