Fortschrittliche (bio)foulingbeständige Oberflächenmodifikation von PTFE-Hohlräumen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 11871 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Behandlung der Membranoberfläche zur Modifizierung der Anti(bio)fouling-Widerstandsfähigkeit spielt in der Membrantechnologie eine Schlüsselrolle. In diesem Artikel wird über den erfolgreichen Einsatz der luftstimulierten Oberflächenpolymerisation von ZnO-Nanopartikeln (ZnO-NPs) mit eingebautem Dopaminhydrochlorid zur Hemmung der intrinsischen Hydrophobie und des geringen Anti-(Bio-)Fouling-Widerstands von Hohlfasermembranen (HFMs) aus Polytetrafluorethylen (PTFE) berichtet. Die Studie umfasste die Verwendung von makellosen und mit Polydopamin (Pdopa) beschichteten PTFE-HFMs, sowohl mit als auch ohne Luftzufuhr und zugesetzten ZnO-NPs. Zetapotentialmessungen wurden durchgeführt, um die Dispersionsstabilität von ZnO-NPs vor der Immobilisierung zu bewerten, während morphologische Charakterisierung und Zeitabhängigkeit der Pdopa-Wachstumsschicht durch Rasterelektronenmikroskopie veranschaulicht wurden. Die Oberflächenpolymerisation von Pdopa und die Immobilisierung von ZnO-NPs wurden mittels FT-IR- und EDX-Spektroskopie bestätigt. Die Umwandlung der PTFE-HFM-Oberflächenmerkmale in superhydrophile Eigenschaften wurde durch Wasserkontaktwinkelanalyse nachgewiesen und die Stabilität immobilisierter ZnO-NPs wurde durch ICP-Analyse bewertet. Die Antifouling-Kriterien und die (Bio-)Fouling-Widerstandsleistung der oberflächenmodifizierten Membranen wurden durch Bestimmung der Flussrückgewinnung von Rinderserumalbumin in der Dead-End-Filtration sowie durch mikrobielle Bewertung unter dynamischen Kontaktbedingungen gegen Staphylococcus spp. bewertet. bzw. Escherichia coli. Das Filtrationsrückgewinnungsverhältnis und die antimikrobiellen Ergebnisse deuteten auf vielversprechende Auswirkungen der Oberflächenmodifikation auf die Antifouling-Eigenschaften von PTFE HFM hin. Somit stellt die Methode den ersten erfolgreichen Einsatz einer luftstimulierten Pdopa-Beschichtung mit ZnO-NPs dar, um eine superhydrophile PTFE-HFM-Oberflächenmodifikation zu induzieren. Eine solche Methode kann auf andere Membranen im Zusammenhang mit Wasseraufbereitungsprozessen ausgeweitet werden.

Membranen werden aufgrund ihres geringen Platzbedarfs, der angemessenen Betriebskosten, der hohen selektiven Trenneffizienz und der hohen Qualität des Endpermeats häufig in Wasseraufbereitungssystemen eingesetzt1,2,3. Membranfiltration ist eine vielseitige Technologie, die mit anderen Wassertrennsystemen, einschließlich der Mikro- und Ultrafiltration in Bioreaktoren, gekoppelt werden kann und dort einen eigenständigen Ersatz für Nachklärbecken und Nanofiltration bei der Trinkwasseraufbereitung darstellt4,5. Ein wichtiges Hindernis für die Entwicklung von Membranen als primäre Option in Wasseraufbereitungssystemen ist jedoch (Bio-)Fouling4,6.

Membranverschmutzung ist das häufigste Problem, das die Membranproduktivität während der Filtration verringert7. Anlagerung von anorganischem Material, Ablagerung organischer Rückstände, Einschluss partikulärer Substrate und Ansammlung von Mikroorganismen können zu einer Kuchenschicht auf der Membranoberfläche führen, die zu Porenverstopfungen, erhöhtem Transmembrandruck, erhöhtem Energieverbrauch, einer Verringerung des Permeatflusses usw. führt ineffiziente Membranfunktionalität4,7. Durch die Integration praktischer Ergebnisse der Membranultrafiltration in Bioreaktorsystemen mit theoretischen Modellen der Verstopfung von Kuchenschichten gelangten Yang et al.8 zu dem Schluss, dass solche Kuchenschichten der Hauptverschmutzungsstoff von Membranen seien, wobei Wardani et al.9 feststellten, dass die tatsächliche Verschmutzungsrate bei 50 % lag Ergebnis einer Korrelation zwischen den intrinsischen Eigenschaften der Membran und der Fouling-Zusammensetzung.

Aufgrund ihrer hohen physikalischen und chemischen Stabilität werden synthetische organische Polymere zunehmend als Rohstoffe für die Herstellung von Ultrafiltrations-Hohlfasermembranen (HFMs) verwendet9,10. Beispielsweise wird Polytetrafluorethylen (PTFE) aufgrund seiner vergleichsweise höheren inhärenten physikochemischen Eigenschaften häufig verwendet als andere herkömmliche HFMs, die zur Wasseraufbereitung eingesetzt werden. PTFE weist eine hohe chemische Beständigkeit auf und ermöglicht den Einsatz in verschiedenen Wasseraufbereitungsprozessen, selbst wenn es aggressiven oder korrosiven Substanzen ausgesetzt ist. PTFE weist außerdem eine hohe Temperaturtoleranz auf, die dazu beiträgt, erhöhten Temperaturen standzuhalten, ohne seine physikalische Integrität zu beeinträchtigen; und Flexibilität, die es den eingetauchten Membranen ermöglicht, leicht zu schütteln und sich innerhalb des Bioreaktorsystems zu bewegen, ohne dass ein Reißen befürchtet werden muss11. Aus diesen Gründen wurde in dieser Studie PTFE ausgewählt. Dennoch verfügen PTFE-HFMs über hydrophobe Eigenschaften, die die Adsorption von Proteinen, Fettsäuren und den meisten filamentösen Mikroorganismen (MO) in einem Prozess erleichtern, der zur Membranverschmutzung beiträgt11,12. Die dominierende Phase dieser Fouling-Gruppen ist hydrophob, was bedeutet, dass sie von der hydrophoben Oberfläche der organischen Membran angezogen wird13,14,15, wodurch die Fouling-Rate durch Anlagerung an der Membranoberfläche oder durch Einschluss in den Membranporen erhöht wird12.

Die Oberflächenmodifikation von Membranen ist heute eine beliebte Technik zur Herstellung verschmutzungsresistenter, hochfunktioneller Membranen in Abwasseraufbereitungssystemen11,12. Kürzlich wurde in mehreren Studien die Hypothese untersucht, dass hydrophile oberflächenmodifizierte Membranen weniger anfällig für Fouling sind als standardmäßige hydrophobe Membranen16. Galiano et al.17 trugen beispielsweise eine polymerisierte, tensidhaltige Beschichtung auf die Oberfläche einer Polyethersulfon (PES)-Membran auf, um deren Hydrophilie und Fouling-Widerstandsfähigkeit gegenüber organischen Textilfarbstoffen in einem Bioreaktor zu erhöhen. Die Ergebnisse zeigten, dass die modifizierte Membran die Aufrechterhaltung von 65 % ihrer ursprünglichen Permeabilität ermöglichte, was einer deutlichen Verbesserung von 43 % im Vergleich zur unmodifizierten Membran entspricht, die nur eine Erholung von 22 % aufwies17. In einer Folgestudie bestätigten Johnson et al.18, dass hydrophobe Membranen, die in der Abwasseraufbereitung verwendet werden, hohe Adhäsionseigenschaften aufwiesen, die die Wahrscheinlichkeit von Verschmutzung erhöhten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Adhäsionskräfte zwischen den hydrophilisierten Membranen und der Messsonde im Modell-Textilfarbstoffabwasser in den besten Proben weniger als 0,5 mN m−1 lagen, wohingegen die unmodifizierte PES-Membran eine Adhäsionskraft von 1,5 mN m−118 aufwies. Dementsprechend ist die hydrophile Oberflächenbehandlung von HFMs zu einem wesentlichen Modifikationsansatz geworden, insbesondere für Hydrauliksysteme, die erhebliche Mengen an hydrophoben Partikeln enthalten.

Kürzlich wurde eine neue Oberflächenmodifikationstechnik auf Basis von Muschel-inspiriertem Polydopamin (Pdopa) als einfache Methode zur Hydrophilisierung vieler verschiedener Polymermembranoberflächen untersucht19. Die Pdopa-Beschichtung haftet leicht an Membranoberflächen, woraufhin Dopaminhydrochlorid bei geeigneten pH-Werten und Umgebungsbedingungen einen Prozess der oxidativen Polymerisation durchläuft9. Dabei handelt es sich nicht nur um eine bioinspirierte Technik, die in der Trinkwasser- und Abwasseraufbereitung immer wichtiger wird19, sondern die einzigartigen Eigenschaften der Pdopa-Beschichtung machen sie auch für die Oberflächenmodifizierung verschiedener Spezialmembranen von besonderem Interesse19,20. An et al.12 verwendeten beispielsweise Pdopa mit Cystein, um die Oberfläche von Polyvinylidenfluorid (PVDF)-HFMs zu modifizieren, um die Anti-Protein-Adsorption um bis zu 30 % zu steigern und etwa 70 μg cm-2 Rinderserumalbumin (BSA) zu erreichen. Adsorption im Vergleich zur ursprünglichen mit 100 μg cm−2. Ebenso haben Yang et al. berichteten über vielversprechende Ergebnisse für die Pdopa-Beschichtung in Bezug auf die Funktion und die Antifouling-Eigenschaften von Osmosemembranen mit nur einer Reduzierung des Wasserflusses um 3,69 % während des Betriebs (im Vergleich zu einer Reduzierung des Wasserflusses um 20,9 % bei unberührten Membranen) und einer Flussrückgewinnungsrate (FRR) von mehr als 80 %. 20. In ähnlicher Weise berichteten da Silva et al.21 über eine funktionelle Verbesserung von PVDF-Membranen nach Anwendung von Pdopa und TiO2 (1 %), um die Wasserdurchlässigkeit von 462 L m−2 h−1 bar−1 für makellose Membranen auf 1063 L m− zu erhöhen 2 h−1 bar−1. Bonyadi et al.22 steigerten die Rückgewinnungsrate von PES-Membranen durch die Verwendung von Pdopa-integriertem funktionalisiertem SiO2 aufgrund der hervorragenden Hydrophilie von 29,8 auf 97,5 %. Schließlich verwendeten Pakizeh et al.23 Pdopa- und TiO2-Nanopartikel (NPs), um die FRR von Polyphenylsulfonmembranen zu verbessern. Bei der Entfernung des Farbstoffs Direct Orange102 aus wässrigen Lösungen erreichten sie bis zu 87 % FRR im Vergleich zu 60,2 % bei makelloser Membran, hauptsächlich aufgrund der Verbesserung der Hydrophilie und der Trenneigenschaften23. Kim et al.24 schlugen vor, dass die Brenzcatechin- und Amingruppen in der Pdopa-Struktur die Verwendung als einfache Technik zur kovalenten Immobilisierung von NPs und anderen Beschichtungen auf der Oberfläche einer Membran ermöglichen. Darüber hinaus verwendeten Park et al.25 eine Pdopa-Beschichtung als bioinspirierten „Kleber“, um eine Vanillinbeschichtung auf der Oberfläche eines Feed-Spacers anzubringen, um dessen Biofouling-Widerstandsfähigkeit zu modifizieren, während Liu et al.19 Pdopa zur Immobilisierung eines zwitterionischen Copolymers verwendeten die Oberfläche einer PVDF-Membran, um deren Permeabilität und Verschmutzungsbeständigkeit zu verbessern. Schließlich wurde in vielen Studien berichtet, dass Pdopa-Beschichtungen die antimikrobiellen Eigenschaften des Substrats, auf das sie aufgetragen werden, erhöhen26,27.

Aufgrund der Existenz von vier Fluorelementen weisen PTFE-Monomere tendenziell eine hohe Oberflächenspannung auf, wodurch sie gegenüber den meisten der oben beschriebenen Oberflächenmodifikationen beständig sind. Allerdings enthält das Pdopa-Molekül Brenzkatechin- und Amingruppen, die es ihm ermöglichen, sich an nahezu jede nahegelegene Oberfläche zu binden. PTFE hat jedoch eine niedrige Oberflächenenergie, was bedeutet, dass das Pdopa-Wachstum auf der Außenoberfläche tendenziell weniger effektiv ist. Um dieses Problem anzugehen, wurde die Verwendung einer Luftstimulationsmethode vorgeschlagen, um die Oxidation von Dopaminhydrochlorid und die Polymerisation der Pdopa-Beschichtung zu verstärken. Wardani et al.9 berichteten beispielsweise über vorteilhafte Ergebnisse nach der Verwendung von Luftunterstützung für hydrophile Oberflächen Modifikation von Polypropylenmembranen. Folglich könnte die Anwendung einer ähnlichen luftstimulierten, bioinspirierten Technik eine vielversprechende Lösung für die Oberflächenmodifikation von PTFE-HFMs sein. Während eine Pdopa-Oberflächenmodifizierung die Anziehungskraft von Biofoulingstoffen abschwächen könnte, besteht jedoch immer noch Bedarf an einer wirksamen antimikrobiellen Behandlung, um Bakterienwachstum und Biofilmbildung auf Membranoberflächen zu bekämpfen. Eine mögliche Lösung für dieses Problem ist die Immobilisierung anorganischer Partikel mit antimikrobiellen Eigenschaften auf der Membranoberfläche; Tatsächlich wurde in einer Reihe neuerer Studien berichtet, dass die Methode sowohl wirksam als auch langlebig ist23,28,29,30.

Von den verschiedenen anorganischen Partikeln, die für die Anti(bio)fouling-Modifikation von Membranen vorgeschlagen wurden, war die Oberflächenbehandlung mit Zinkoxid (ZnO)-NPs besonders erfolgreich bei der Reduzierung des Mikroorganismenwachstums, wobei Zytotoxizitätsbewertungen anorganischer Materialien bestätigten, dass ZnO-NPs insgesamt eine geringe Toxizität aufweisen hohe Selektivität zur Bakterienbekämpfung bei gleichzeitiger Ungiftigkeit für Zellen31,32,33. Die Verwendung von ZnO-NPs während der Pdopa-Oberflächenmodifizierung von PTFE-HFMs dürfte sich daher als wirksam bei der Wiederherstellung des anfänglichen Flusses bei der Wasseraufbereitung erweisen und gleichzeitig eine lang anhaltende Biofouling-Widerstandsfähigkeit bieten.

Während berichtet wurde, dass einige Modifizierungsmethoden, die auf der Verwendung anorganischer NPs und hydrophiler Oberflächenmodifikation basieren, die Biofouling-Widerstandsfähigkeit von Membranen erhöhen24,34, deuten die Ergebnisse früherer Studien, die oben dargelegt wurden, darauf hin, dass eine Methodik aus superhydrophiler Oberflächenmodifikation von PTFE-HFMs durch hierarchische Methoden besteht Eine luftstimulierte Pdopa-Beschichtung mit ZnO-NPs könnte eine vielversprechende neue Methode zur Modulation des Membranbiofoulings darstellen. Die folgende Studie skizziert daher eine mögliche Methodik für die Durchführung einer solchen Oberflächenmodifikation von PTFE-HFMs unter Verwendung zweier gleichzeitiger Wege, d.

Die oxidative Polymerisation von Pdopa auf der PTFE-HFM-Oberfläche wurde mithilfe eines exklusiven luftstimulierten Verfahrens durchgeführt, das den Einfluss von gelöstem Sauerstoff auf die Autooxidation von Pdopa35 demonstrierte. Zunächst wurden PTFE-HFMs (Dongyang Hanchen Membrane Technology Co. Ltd., China) identischer Länge verwendet, um eine Reihe von Testmodulen vorzubereiten, indem die HFMs in ein Rohr gepackt und dieses an einen Luftkompressor angeschlossen wurden. Dann wurde ein mit einer Klemme ausgestatteter Laborständer verwendet, um das Membranmodul in eine reaktive Lösung einzutauchen, die 2,0 mg mL−1 Dopaminhydrochlorid (99 %, MW = 189,84 g mol−1, Alfa Aesar, USA) enthielt, gelöst in einem pH-Wert eingestellt (pH = 8,5) 10 mmol L−1 Lösung von TRIS-Puffer (Tris(hydroxymethyl)aminomethan, 99,5 %, MW = 121,14 g mol−1, Penta) in entionisiertem (DI) Wasser. Die zugeführte Luft wurde genutzt, um die Oxidationspolymerisation von Dopaminhydrochlorid-Monomeren zu stimulieren und so das Wachstum einer Pdopa-Beschichtung auf der Oberfläche von PTFE-HFMs zu fördern. Die komplexen reaktiven Lösungen wurden über Nacht gerührt und bis zu 28 Stunden lang gerührt. Während dieser Zeit begann die Pdopa-Schicht spontan auf der Membranoberfläche zu wachsen, wobei ihre Dicke von der Zeit abhängt. Der Anstieg der Pdopa-Ablagerung auf der Membranoberfläche wurde visuell durch einen allmählichen Farbwechsel von farblos nach schwarz überwacht. Nach der gewählten Zeit von 4, 14 und 24 Stunden (Tabelle 1), die auf der Grundlage der Umwandlung der Oberflächeneigenschaften bestimmt wurde, wurde das Membranmodul aus der reaktiven Lösung entfernt und vorsichtig mit entionisiertem Wasser gewaschen, um nicht reagierte Wirkstoffe zu entfernen, und dann eingeweicht DI-Wasser.

In der zweiten Modifikationsstufe wurden ZnO-NPs (~ 80 %, MW = 81,39 g mol−1, Sigma-Aldrich, USA) auf der Oberfläche der Pdopa-beschichteten PTFE-HFMs immobilisiert. ZnO-NPs wurden zunächst in Ethanol (EtOH, 96 %, MW = 46,07 g mol−1, Penta) in Konzentrationen von 0,5, 1,0 und 1,5 mg mL−1 (Tabelle 1) dispergiert, verwirbelt und dann mit Ultraschall behandelt (Bandelin). , Sonorex Digitec, Deutschland; 35 kHz) für 30 min bei Labortemperatur. Zu diesem Zeitpunkt wurde das Zeta-Potenzial der Mischungen bewertet, um eine nachhaltige Dispersion der Nanopartikel sicherzustellen (siehe unten). Als nächstes wurde (3-Aminopropyl)riethoxysilan (APTES, 98 %, TCI, USA) mit 2 % v/v zu der Mischung gegeben und dann kräftig verwirbelt. Die Anfangstemperatur der Komplexlösung wurde auf 50 °C eingestellt, anschließend wurden die Membranmodule schnell in die Komplexlösung eingetaucht und eine Stunde lang belassen. Anschließend wurden die Membranmodule herausgenommen und dreimal gewaschen, um die vollständige Entfernung aller nicht reaktiven Stoffe sicherzustellen. Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung der hierarchischen Schritte der Oberflächenmodifikation.

Hierarchische Schritte zur Oberflächenmodifikation durch luftstimulierte Pdopa-Oberflächenpolymerisation und ZnO-NPs-Immobilisierung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die PTFE-HFM-Module in einen pH-eingestellten (pH = 8,5) TRIS-Puffer und eine Dopaminhydrochloridlösung eingetaucht wurden, während auf dem Magnetrührer kontinuierlich mit 100 U/min gerührt wurde. Anschließend wuchs nach und nach eine Pdopa-Beschichtung auf dem PTFE-HFM, gefolgt von Oxidation, Umlagerung und Polymerisation von Dopaminhydrochlorid (siehe Abbildung 2 für eine schematische Darstellung der beteiligten chemischen Prozesse). Tatsächlich werden Dopaminhydrochlorid-Monomere im alkalischen Zustand oxidiert, wonach sie Wasserstoffionen aus Hydroxidgruppen verlieren und Radikale bilden. Nach der Umlagerung in eine 5,6-Dihydroxyindolin (DHI)-Struktur werden kovalente Bindungen aus Kohlenstoff eins (C1) und Kohlenstoff vier (C4) der DHI-Dopachinongruppe und Kohlenstoff eins (C'1) der DHI-Cyclopentangruppe gebildet36 ,37. Darüber hinaus gibt es π-π-Wechselwirkungen zwischen Monomeren, die auf die Wasserstoffbrückenbindung zurückzuführen sind36,37. Kovalente Bindungen und π-Stapel-Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Dopaminmonomeren erzeugen mit zunehmender Polymerisation eine Polydopaminschicht in Form von NPs36,38,39.

Schematischer chemischer Prozess zur Veranschaulichung der Polymerisation von Dopaminhydrochlorid aus Pdopa.

Die Nachhaltigkeit der im EtOH-Träger dispergierten ZnO-NPs wurde für alle Proben durch Messung des Zetapotentials in dreifacher Ausfertigung unter Verwendung eines Zetasizers der Nano-Serie (Malvern Instruments) bewertet. Als nächstes wurde ein NexION 300D induktiv gekoppeltes plasmaoptisches Emissionsspektrometer (ICP-OES; PerkinElmer, USA) mit einer Nachweisgrenze von 1,0 μg L−1 verwendet, um die Stabilität der modifizierten Beschichtung durch Bestimmung der Menge an freigesetzten ZnO-NPs zu bestimmen der Membranoberfläche während der Filtration unter Verwendung eines modifizierten Auslaugungstests40,41. Zuerst wurde das Reservoir mit 5 l entionisiertem Wasser gefüllt, woraufhin das modifizierte HFM-Modul in einer Zelle befestigt wurde, die eine Dead-End-Filtration von entionisiertem Wasser bei einem Transmembrandruck von 1,0 bar ermöglichte. Nach der Filtration von 0,2 l (Schritt 1), 0,5 l (Schritt 2), 1,0 l (Schritt 3), 1,5 l (Schritt 4), 2,0 l (Schritt 5), 2,5 l (Schritt 6), 3,0 l (Schritt 7). ), 3,5 l (Schritt 8), 4,0 l (Schritt 9), 4,5 l (Schritt 10) und 5 l (Schritt 11) entionisiertes Wasser, 10 ml Permeat wurden entnommen und 0,2 ml HNO3 (14,58 mol L−). 1) hinzugefügt, um das Zn zu ionisieren und die Erkennungsgenauigkeit zu erhöhen. Anschließend wurde die Membran aus dem Modul ausgepackt und 2 Stunden bei 105 °C getrocknet. Die verbleibenden ZnO-NPs wurden durch Eintauchen in 60 ml HNO3 (14,58 mol L−1) über Nacht bei Labortemperatur vollständig von der Membranoberfläche ausgelaugt. Die Menge an ZnO-NPs, die an die Permeate abgegeben und in 5-facher Verdünnung aus der Membranoberfläche ausgelaugt wurden, wurde durch ICP-OES-Spektrometrie bewertet. Die Stabilität der ZnO-NPs wurde gemäß Gl. berechnet. (1).

Dabei ist Znr mit der Menge an ZnO-NPs verbunden, die bei jedem Volumen des Wasserfiltrationsintervalls freigesetzt werden, und ZnL mit den ZnO-NPs, die von der Membranoberfläche ausgelaugt werden.

Morphologische Bewertungen der oberflächenbehandelten PTFE-HFMs wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM; TESCAN ORSAY HOLDING as, Tschechische Republik) durchgeführt, während die Oberflächenelementaranalyse der behandelten Membranen mittels energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX) durchgeführt wurde. Anschließend wurde ein Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer (FT-IR) (Perkin Elmer, USA) verwendet, um die chemischen Bindungen jeder Probe zu untersuchen. Die Oberflächenhydrophilie der PTFE-HFMs nach der Oberflächenmodifikation wurde durch Messung des Wasserkontaktwinkels mit einer unberührten Membranprobe verglichen.

Die durchschnittliche Membranporosität (%) wurde basierend auf dem Gewicht des in den Membranporen eingeschlossenen Isopropylalkohols (IPA) bestimmt9,42. Proben der modifizierten und makellosen PTFE-HFMs wurden gewogen (Wdry), anschließend in IPA getaucht und 24 Stunden lang bei Labortemperatur belassen. Anschließend wurden sie entfernt und vertikal angebracht, um den IPA abzuleiten. Sobald das Lösungsmittel verdunstet war, wurde die prozentuale Porosität (ε) gemäß Gl. berechnet. (2)9,42.

Dabei ist ρIPA die IPA-Dichte (0,78 g cm−3) und ρPTFE die PTFE-Dichte (2,20 g cm−3).

In dieser Studie wurde eine Dead-End-Zelle, die mit einem Luftkompressor (Transmembrandruck wird durch einen Luftdurchflussmesser eingestellt) und einem Wasserversorgungstank (gefüllt mit entionisiertem Wasser) verbunden war, verwendet, um die Flussrückgewinnung von PTFE-HFMs vor und nach der Modifikation zu bewerten Alle Filtrationsexperimente finden bei Labortemperatur statt. Die HFM-Module wurden in der Zelle befestigt und die Experimente begannen nach 30 Minuten, als der Fluss jedes HFM bei einem Transmembrandruck von 1,0 bar das Gleichgewicht erreicht hatte, und dauerten 1 Stunde. Der Fluss (J) jedes HFM nach jedem Filtrationsschritt, der anfängliche Wasserfluss (J1), der BSA-Fluss (JBSA) und der sekundäre Wasserfluss (J2) wurden gemäß Gleichung berechnet. (3)10,23,43. Das Membranrückweisungsverhältnis (RR) wurde gemäß Gl. gemessen. (4) nach Filtration von BSA bei einer Konzentration von 1 mg mL−1 für eine weitere Stunde23,44,45. Anschließend wurden die HFMs aus der Zelle ausgeworfen, mit entionisiertem Wasser gewaschen, in der Zelle ersetzt und erneut mit entionisiertem Wasser aufgefüllt, um den sekundären Wasserfluss (J2) für eine letzte Stunde und den Prozentsatz der Flussrückgewinnung nach der Proteinfiltration zu bewerten. Die Antifouling-Fähigkeit der modifizierten PTFE-HFMs wurde durch Messung der FRR gemäß Gl. bewertet. (5)42,43. Der Gesamtprozentsatz der Membranverschmutzung (Rtotal) wurde gemäß Gl. (6)42,46. Da einige der Verschmutzungen durch DI-Waschen entfernt werden können, wurden diese als reversible Verschmutzungen (Rrev) betrachtet und gemäß Gl. quantitativ berechnet. (7)42,46. Abschließend wurde der Prozentsatz des irreversiblen Foulings (Rirr), der nicht entfernt werden kann, nach Gl. berechnet. (8)42,46.

Dabei ist V das Permeatvolumen (L), A die Membranoberfläche (cm2), Δt die Zeit des Filtrationsprozesses (h), Cpermeat und Cfeed sind permeiert und die anfängliche BSA-Konzentration wurde durch UV-Vis-Spektroskopieanalyse gemessen , jeweils.

Die antimikrobiellen Wirkungen von oberflächenbehandelten PTFE-HFMs mit unterschiedlichen Mengen an immobilisierten ZnO-NPs (Probe 1, Probe 2 und Probe 3; gemäß Tabelle 1) wurden unter dynamischen Kontaktbedingungen gemäß der Norm ASTM E2149 durch Inokulation mit grampositiven Staphylococcus spp. quantitativ verglichen . und gramnegative E. coli47,48. Der dynamische Kontaktbedingungstest wurde gewählt, um Probleme zu beseitigen, die dadurch entstehen, dass kein vollständiger Kontakt zwischen den Testproben und dem Bakterieninokulum gewährleistet ist. Der grampositive Staphylococcus spp. (CCM 2446) und gramnegative E. coli (CCM 7395) wurden von der Tschechischen Sammlung von Mikroorganismen (Brünn, Tschechische Republik) bezogen. Die koloniebildenden Einheiten (KBE) jedes Bakteriums wurden mithilfe der Kultivierungstechnik bewertet, wobei die Bakterienbestände kultiviert wurden, um eine exponentielle Zellwachstumsphase zu erreichen (ca. 1 × 105 Zellen in 1 ml). Anschließend wurden die Zellen kultiviert, zehnfach bis zu 1000-fach verdünnt in physiologischer Lösung (0,85 % NaCl) und dann für den Membran-Antimikrobialitätstest auf Plate-Count-Agar-Platten (PCA) (Bio-Rad, Frankreich) vorbereitet. Um die Genauigkeit zu erhöhen, wurden alle Analysen bei Kontaktzeiten von 0 und 24 Stunden dupliziert. Anschließend wurden die KBE nach Kontaktzeiten von 0, 1, 3, 6 und 24 Stunden ausgewertet, um die antimikrobielle Aktivität der Proben über die Zeit zu ermitteln.

Eine 0,5-g-Probe jeder Membran wurde in 25 ml Bakterienkultur eingetaucht und bei 120 U/min bei Labortemperatur geschüttelt. Anschließend wurde 1,0 ml aus der verdünnten Zellsuspension entnommen und auf die PCA-Platten ausgesät, nachdem die Probe bei 0 Stunden (d. h , direkt nach der Probenvorbereitung), 1, 3, 6 und 24 h, wobei die restlichen Proben durchgehend geschüttelt werden. Anschließend wurden die Proben 48 Stunden lang bei 37 °C inkubiert, woraufhin alle KBE bei log10 (KBE mL−1) bestimmt wurden. Der Reduktionswert (RV) und der Reduktionsprozentsatz (R%) der reinen und oberflächenmodifizierten PTFE-HFMs wurden dann basierend auf dem logarithmischen Wert der erhaltenen antibakteriellen Aktivität gemäß Gleichungen bewertet. (9) bzw. (10)49,50.

Dabei sind B und A KBE der Blindprobe bzw. der oberflächenmodifizierten Probe.

In dieser Studie wurden die Membranmodule an einen Luftkompressor angeschlossen, um die oxidaktivierte Selbstpolymerisation von Pdopa zu stimulieren. Eine visuelle Beobachtung bestätigte, dass Pdopa in Abwesenheit von Luft keine erste Schicht auf der Membranoberfläche bilden konnte, was offenbar auf die extrem hydrophoben Eigenschaften des PTFE zurückzuführen ist. Im Vergleich dazu kam es nach 24-stündiger Polymerisation unter belüfteten Bedingungen zu einem deutlichen Anstieg der Pdopa-Wachstumsschicht auf den PTFE-HFM-Modulen (Abb. 3).

Vergleichsbilder von Pdopa-beschichteten PTFE-HFMs unter belüfteten und unbelüfteten Polymerisationsbedingungen in verschiedenen Zeitintervallen: (a) 4 h, (b) 8 h, (c) 14 h und (d) 24 h.

Die Polymerisationszeit von Pdopa wurde schrittweise erhöht, bis zwei Schlüsselparameter erreicht wurden: (1) hohe Hydrophilie und (2) hohe Permeabilität. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Verlängerung der Pdopa-Polymerisationszeit zu einer Steigerung der Hydrophilie führte. Nach Erreichen der 4 Stunden, die als Schwelle für das Erreichen eines Wasserkontaktwinkels (WCA) unter 90° und die Umwandlung der Oberfläche von hydrophob in hydrophil dienten, zeigte die Membran eine erhöhte Permeabilität. Um die Hydrophilie weiter zu verbessern, wurde das Experiment verlängert, bis beobachtet wurde, dass die Oberfläche nach 24 Stunden Oxidationspolymerisation superhydrophil wurde und dennoch eine ausreichende Permeabilität beibehielt. Eine Verlängerung der Polymerisationszeit über 24 Stunden (bis zu 28 Stunden) führte jedoch zu einem übermäßigen Wachstum der Pdopa-Schicht auf der PTFE-Oberfläche, es wurde kein zusätzlicher Effekt auf die Hydrophilie beobachtet. Bemerkenswerterweise nahm die Permeabilität ab, je dicker die Pdopa-Schicht wurde. Dementsprechend zeigte sich, dass eine 24-stündige Pdopa-Polymerisation unter belüfteten Bedingungen die optimale Verarbeitungszeit war, um eine gleichmäßige und homogene Pdopa-Beschichtung auf den PTFE-HFMs zu bilden und dadurch Fasern mit einer hydrophilen Außenschicht zu erzeugen.

Tabelle 2 zeigt das Zetapotential der Proben mit unterschiedlichem ZnO-Gehalt. Anschließend zeigte eine 0,5 mg mL−1 ZnO NP/EtOH-Lösung (Probe 1; Tabelle 2) ein durchschnittliches Zetapotential von 17,97 mV, was darauf hindeutet, dass die Lösung nicht richtig dispergiert war. Lösungen mit 1,0 mg mL-1 (Probe 2) und 1,5 mg mL-1 (Probe 3) lieferten jedoch durchschnittliche Zetapotentiale von 35,03 bzw. 32,2 mV (Tabelle 2). Da man sich allgemein darüber einig ist, dass Lösungen mit einem Zetapotential von ± 28 mV oder höher aufgrund ihrer hohen Dispersionsgrade eine langfristige Nachhaltigkeit aufweisen51,52, scheinen Reaktionslösungen mit 1 mg mL−1 ZnO NP/EtOH ausreichend Dispergiermittel zu enthalten Immobilisierung auf Membranoberflächen.

SEM, das zur Überwachung des inkrementellen Wachstums von Pdopa auf PTFE-HFM-Oberflächen 4 Stunden, 14 Stunden und 24 Stunden nach Beginn der Polymerisation bei höherer Vergrößerung (20kx, Abb. 4a2 – d2) verwendet wurde, ergab, dass die Polymerisationszeit zunahm Bis zu 24 Stunden führten zu einer gleichmäßigen und homogenen Abdeckung der gesamten PTFE-HFM-Oberfläche. Bei geringeren Vergrößerungen (2kx, Abb. 4a1–d1) zeigten die REM-Bilder keinen deutlichen Unterschied in der Bedeckung bei unterschiedlichen Polymerisationszeiten, was auf eine nicht dominante Beeinträchtigung des Pdopa-Wachstums auf die Morphologie der porösen Oberfläche schließen lässt.

Rasterelektronenmikroskopische Bilder von Pdopa-modifizierten PTFE-HFMs bei verschiedenen Polymerisationszeiten und Vergrößerungen {2 kx = a1–d1 & 20 kx = a2–d2}: (a) Unberührtes PTFE (leer), (b) Pdopa4@PTFE HFM (4 h), (c) Pdopa14@PTFE HFM (14 h), (d) Pdopa24@PTFE HFM (24 h).

Die REM-Bilder verdeutlichten auch den positiven Einfluss der Luftstimulation auf das Pdopa-Wachstum, wobei das Pdopa ein schlechtes Wachstum zeigte und dazu neigte, auf der PTFE-Oberfläche zu verklumpen, anstatt gleichmäßig zu wachsen, wenn keine Belüftung und diffuse Luft in der Reaktionslösung vorhanden waren (Abb. 5a,b). Ebenso zeigten SEM-Bilder von mit und ohne APTES-unterstützten immobilisierten ZnO-NPs auf der Membranoberfläche, dass die Pdopa-Beschichtung im Gegensatz zu früheren Studien21,23,25,26, die die Fähigkeit von Pdopa, NPs zu halten, hervorhoben, nicht über die Fähigkeit verfügt Robuste Immobilisierung von ZnO-NPs auf der Oberfläche von PTFE-HFM (Abb. 5). Während die meisten ZnO-NPs offenbar nach dem DI-Waschen während des Probenvorbereitungsprozesses von der Oberfläche ausgewaschen wurden (Abb. 5c), schien die Verwendung von APTES, einem bekannten Vernetzungsmittel, diesen Prozess umzukehren und eine wirksame Immobilisierung zu ermöglichen ZnO-NPs auf den Pdopa-behandelten PTFE-HFMs (Abb. 5d).

Rasterelektronenmikroskopische Bilder und Vergleiche zwischen verschiedenen Verfahren: (a) unbelüftete, (b) belüftete Pdopa-Polymerisation, (c) kein APTES und (d) APTES-unterstützte ZnO-NP-Immobilisierung auf PTFE-HFM.

Die EDX-Analyse bestätigte die SEM-Ergebnisse und bestätigte die minimale Zn-Immobilisierung durch Pdopa auf der Membranoberfläche, während sie gleichzeitig signifikantes immobilisiertes Zn auf den APTES-behandelten Membranen aufdeckte. Der Grad der Zn-Immobilisierung auf der Oberfläche nahm proportional mit zunehmender Konzentration der ZnO-NPs in der Reaktionsmischung zu (Proben 1, 2, 3), wie aus den in Tabelle 3 dargestellten Daten hervorgeht.

Die FT-IR-Analyse zeigte das Vorhandensein sowohl von funktionellen Pdopa-Gruppen als auch einer Silan-vermittelten ZnO-Immobilisierung auf der Oberfläche der PTFE-HFMs, wobei ATR-FTIR-Spektren vor und nach der Oberflächenmodifikation (Abb. 6) zwei sich verjüngende Peaks zeigten, die auf die Streckschwingung zurückzuführen sind der CF-Bindungen um 1140 cm−1 und 1200 cm−153,54. FT-IR-Spektren des Pdopa-beschichteten PTFE-HFM zeigten zwei neue Peaks (Abb. 6), die mit den kovalenten Bindungen von C–H, N–H und O–H zwischen 1300 und 1700 cm–1 und Wasserstoffbrücken von verbunden sind O–H und N–H zwischen 2400 und 3600 cm−143,45,55. Ein Peak bei 1605 cm-1 in der 24-Stunden-Pdopa-modifizierten Probe wurde der Verformungsschwingung der Amin-NH-Bindung zugeschrieben, die sich dann in den Proben mit vernetzten ZnO-NPs auf 1570 cm-1 verschob55. Im Gegensatz zu den unmodifizierten und anderen Pdopa-beschichteten PTFE-HFMs erschien ein neuer breiter Peak bei etwa 1010 cm−1, der auf die Vibration der Si-O-Bindung zurückzuführen ist56. Diese neuen breiten Peaks waren repräsentativ für APTES und konnten nur in Proben beobachtet werden, die ZnO-NPs enthielten. Somit bestätigte die FT-IR-Analyse eine erfolgreiche PTFE-HFM-Oberflächenbehandlung mit Pdopa und Silan-vermittelten ZnO-NPs.

Fourier-Transformations-Infrarot-Analyse von (a) reinem PTFE (Blank), (b) Pdopa24@PTFE HFM, (c) Probe 1 (ZnO 0,5 & Pdopa 24@PTFE HFM), (d) Probe 2 (ZnO 1 & Pdopa 24). @PTFE HFM) und (e) Probe 3 (ZnO 1,5 & Pdopa 24@PTFE HFM).

Der Wasserkontaktwinkeltest, der zur Beurteilung der Auswirkung der Pdopa-Modifikation auf die Oberflächeneigenschaften von PTFE-HFM verwendet wurde, bestätigte eine erhöhte Hydrophilie mit zunehmender Reaktionszeit von belüftetem Pdopa, wobei der Wasserkontaktwinkel nach 24-stündiger belüfteter Polymerisation von 131° auf 0° abnahm (Abb . 7a). Nach 24-stündiger Polymerisation verstärkte die Anlagerung polarer Gruppen an die PTFE-HFM-Oberfläche die Wechselwirkung zwischen Wasser und Membranoberfläche und steigerte deren Hydrophilie auf superhydrophile Werte. Die Ergebnisse des Wasserkontaktwinkels nach 24-stündiger Pdopa-Behandlung stimmen gut mit denen der REM-Bildgebung überein (Abb. 4d und 5d), die eine gleichmäßige Abdeckung der gesamten PTFE-HFM-Oberfläche bestätigten. Die einstündige Immobilisierung von ZnO-NPs mit einer niedrigen APTES-Konzentration (2 % V/V) und die anschließende Entfernung nicht reagierter Wirkstoffe von der Oberfläche hatten keinen negativen Einfluss auf die Hydrophilie der modifizierten Membranoberfläche.

(a) Wasserkontaktwinkel- und Porositätsanalyse; (b) Analyse der Auslaugungsstabilität von immobilisierten ZnO-NPs, die während des Filtrationsverfahrens freigesetzt werden; (c) Membranflussrückgewinnungsdiagramme; und (d) BSA-Ablehnung, FRR-, Rtotal-, Rrev- und Rirr-Werte.

In Übereinstimmung mit den Ergebnissen des Wasserflusses und des Wasserkontaktwinkels führten längere Pdopa-Ablagerungszeiten zu einer leichten Abnahme (von 54 auf 45 %) der Membranporosität, da das Wachstum der Pdopa-Schicht auf der Membranoberfläche die Poren der Membran verengte34,57, (Abb . 7a). Ein bemerkenswerter Vorteil der Verwendung der Pdopa-Modifikationstechnik ist jedoch ihre inhärente Neigung, an der Oberfläche/dem Substrat zu haften und darauf zu wachsen, anstatt innerhalb der Poren19. Diese Eigenschaft erklärt, warum die Membranporen im Vergleich zu anderen Beschichtungen/Techniken nicht vollständig verstopft wurden. Auch hier hatte der Einbau von ZnO-NPs in die Membranoberfläche keinen signifikanten Einfluss auf die Membranporosität, die bei etwa 45 % blieb.

Nach der ICP-OES-Analyse wurden nach anfänglicher Filtration von 200 ml entionisiertem Wasser 97,41 µg L−1 Zn von der Membranoberfläche in das Permeat freigesetzt (Abb. 7b). Mit fortschreitendem Betrieb sank die freigesetzte Zn-Menge allmählich auf einen relativ konstanten Gleichgewichtswert von etwa 40,00 µg L−1. Betrachtet man jedoch das proportional freigesetzte Zn-Element aller immobilisierten Elemente (d. h. 38.721,43 µg L−1), zeigt sich, dass weniger als 0,5 Gew.-% der immobilisierten ZnO-NPs während des Betriebs von der Membranoberfläche freigesetzt wurden, was die Gesamtstabilität der ZnO-NPs auf der Membranoberfläche bestätigt PTFE-HFM-Oberfläche. Darüber hinaus wurde die Stabilitätsbewertung der modifizierten Beschichtung bei einem höheren Transmembrandruck (1,0 bar) im Vergleich zum Standardbetriebsdruck für diese Membranen durchgeführt, der normalerweise 0,3 bar nicht überschritt.

Das FRR-Verhältnis (Flux Recovery Ratio) der Membran entspricht ihrer Fähigkeit, nach Filtrations- und Reinigungszyklen ihren ursprünglichen Fluss wiederherzustellen. Eine höhere FRR zeigt, dass die Membran besser in der Lage ist, ihre Leistung wiederherzustellen und ihre Filtrationseffizienz über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten. Eine Membran mit geeigneten Antifouling-Eigenschaften ist weniger anfällig für Fouling, das auftritt, wenn sich suspendierte Partikel, Mikroorganismen, Proteine ​​oder andere Schadstoffe auf der Membranoberfläche ansammeln, was zu einer Verstopfung der Poren und einer Verringerung des Flusses der Membran führt. Eine Membran mit hohen Antifouling-Eigenschaften kann jedoch dazu beitragen, die Fouling-Schicht leicht zu entfernen und nach der Reinigung oder dem Entspannungszeitzyklus ihren ursprünglichen Fluss wiederherzustellen. Daher ist ein höherer FRR mit einer besseren Fouling-Widerstandsfähigkeit und besseren Antifouling-Eigenschaften verbunden.

Die prozentuale Fähigkeit oberflächenmodifizierter Membranen, sich nach der BSA-Filtration vom anfänglichen Fluss zu erholen, wurde im Vergleich zu einer unberührten Membran bewertet. Der anfängliche Wasserfluss (J1) von unbeschichteten PTFE-HFMs, Pdopa-beschichteten PTFE-HFMs und mit ZnO-NPs modifizierten Proben betrug 307, 97,2 bzw. 81,7 L m-2 h-1 (Abb. 7c). Der anfängliche Wasserfluss der Pdopa-beschichteten Membran war aufgrund des Wachstums der Pdopa-Schicht auf der Membran nach 24-stündiger Polymerisation geringer als der des unbeschichteten PTFE-HFM, was sich auf die Porengröße und Porosität der Membran auswirkte. Aufgrund der Adsorption und Ablagerung von BSA-Molekülen auf der HFM-Oberfläche waren die während des BSA-Filtrationsschritts erhaltenen Flüsse für alle Membranen erheblich niedriger als die für die anfänglichen und sekundären Flüsse, die während der Wasserfiltration erhalten wurden. Diese Beobachtung steht auch im Einklang mit anderen zuvor veröffentlichten Studien12,46 (Abb. 7d).

Während die FRR für Pdopa-modifizierte Membranen und Membranen mit PDA-eingebauten ZnO-NPs 76 bzw. 68 % betrug, erreichte die FRR für reine PTFE-HFMs nur 29 % (Abb. 7d). Die niedrige FRR für reine PTFE-HFMs wurde vermutlich durch die Ablagerung und Adsorption von BSA auf der Membranoberfläche verursacht, was zu einer starken Membranverschmutzung führt. In Übereinstimmung mit früheren Untersuchungen12,16,36 zeigt die Oberflächenpolymerisation unter Verwendung von Pdopa zur Erzielung einer hydrophilen Oberfläche auf PTFE-HFMs eine deutliche Verbesserung der Flussrückgewinnung, indem sie die BSA-Anlagerung an der Membranoberfläche verhindert. Dadurch werden die Antifouling-Eigenschaften verbessert, da Proteinfouling verhindert wird, was dazu beiträgt, die Proteinmoleküle leichter von der modifizierten Membranoberfläche zu entfernen, was ihnen einen höheren FRR12,16,36 verleiht.

Die Werte des sekundären Flusses (J2) waren aufgrund der anhaltenden Verschmutzung der Membranen immer niedriger als die des anfänglichen Flusses (J1) (Abb. 7c). Der anfängliche Membranflussverlust entspricht der gesamten Membranverschmutzung (Rtotal), die sowohl reversible (Rrev) als auch irreversible (Rirr) Verschmutzung42 umfasst, d. h. Verschmutzungen, die durch physikalische Wasserreinigung entfernt werden, und Verschmutzungen, die chemische Mittel zur Reinigung erfordern46. Eine Oberflächenmodifikation würde daher als günstig angesehen, wenn ein proportional niedrigerer Rtotal, Rirr und ein höherer Prozentsatz von Rrev46 erzielt würde. In unserer Studie war der Rtotal-Wert für reines PTFE-HFM (81,9 %) höher als der für Pdopa-modifizierte Membranen (64,6 %) und Pdopa mit ZnO-NPs (49,3 %), was auf eine größere Tendenz zur Verschmutzung hinweist. Mit anderen Worten: Die modifizierten Membranen zeigten eine verbesserte Antifouling-Widerstandsfähigkeit. Darüber hinaus verbesserte sich auch das Membranabstoßungsverhältnis von BSA von 66,0 % für die unberührte Membran auf 85,3 % für die Membran nach Oberflächenmodifikation mit Pdopa und auf 79,8 % nach Oberflächenmodifikation mit Pdopa mit eingebauten ZnO-NPs (Abb. 7d).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Pdopa-Oberflächenmodifikation die Antifouling-Eigenschaften von PTFE-HFM verbesserte, indem sie eine Barriereschicht auf der Oberfläche bildete, die attraktive Stellen für Proteinmoleküle mäßigte und die Entfernung adsorbierter BSA-Moleküle durch Wasserreinigung erleichterte12. Die modifizierten Membranen hatten ein verbessertes Rückhalteverhältnis gegenüber der BSA-Filtration. Während die Antifouling-Eigenschaften von Pdopa-modifizierten Membranen höher waren als diejenigen, die ZnO-NPs enthielten, zeigten ZnO-NP-modifizierte Membranen immer noch verbesserte FRR-Werte gegenüber reinen PTFE-HFMs, was der Antifouling-Neigung der modifizierten Membran entspricht.

Die Auswertung der KBE für reine PTFE-HFMs zeigte keine Hemmwirkung gegen Staphylococcus sp. oder E. coli-Bakterien, was auf eine Anfälligkeit für Biofouling während des Betriebs in einem Bioreaktor hinweist (Abb. 8a, b). Im Gegensatz zu früheren Studien, in denen berichtet wurde, dass Pdopa antibakterielle Eigenschaften verleiht 26, 27, zeigten unsere Pdopa-modifizierten Membranen keine günstige antimikrobielle Aktivität gegen einen der Bakterienstämme (Abb. 8a, b). Dies kann durch eine zusätzliche Modifikation der Pdopa-Beschichtung mit ZnO-NPs erklärt werden, die häufig als ungiftiges anorganisches antimikrobielles Mittel31,33 zur Immobilisierung von HFMs verwendet wird. Die anschließende mikrobielle Bewertung bestätigte eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Bakterien für mit ZnO-NPs modifizierte Membranen (Proben 1, 2, 3; Tabelle 2), selbst bei kurzen Kontaktzeiten (Abb. 8a, b).

Dynamische antimikrobielle Analyseaktivität gegen: (a) Escherichia coli und (b) Staphylococcus sp.

Alle Membranen, die ZnO-NPs enthielten, zeigten unmittelbar nach der Beimpfung mit den Bakterienlösungen eine antimikrobielle Aktivität (Abb. 9a, d). Die Proben 2 und 3, die höhere ZnO-NP-Konzentrationen aufwiesen, zeigten nach 6 bzw. 3 Stunden Kontaktzeit eine 100-prozentige Reduktion gegen E. coli bzw. Staphylococcus spp. Im Gegensatz dazu dauerte es 24 Stunden, bis Probe 1 (mit 0,5 mg mL−1 ZnO-NPs) eine Bakterienreduktion von 99 % gegen E. coli und 100 % gegen Staphylococcus sp. erreichte. (Abb. 9b, e).

Antimikrobielle Aktivität von unberührten und oberflächenmodifizierten PTFE-HFMs: Gesamtzahl der KBE (logarithmische Skala) gegen (a) Escherichia coli und (d) Staphylococcus sp.; Reduktionswert (RV) gegen (b) Escherichia coli und (e) Staphylococcus sp.; und Reduktionsprozentsatz (R%) gegen (c) Escherichia coli und (f) Staphylococcus sp.

Konstante Reduktionswerte (Werte > 2 weisen auf eine wirksame antimikrobielle Wirkung58 hin) bestätigten auch die Wirksamkeit von ZnO-NPs bei der Verbesserung der antimikrobiellen Resistenz, wobei die Proben 2 und 3 beide Bakterienreduktionswerte von > 2 nach nur 6- bzw. 3-stündigem Kontakt gegen E. aufwiesen . coli und 3 h für beide gegen Staphylococcus sp. (Abb. 9c,f). Probe 1 zeigte ebenfalls eine wirksame antimikrobielle Resistenz, jedoch erst nach 24-stündiger Inokulation mit beiden Bakterienstämmen. Nach 24-stündiger Inokulation erreichten alle drei Proben von 1, 2 und 3 Reduktionswerte von 4,53 gegen E. coli und 4,36 gegen Staphylococcus sp. Bakterien. Darüber hinaus bestätigten die Reduktionswerte das Fehlen antimikrobieller Aktivität der Pdopa-modifizierten Membranen, wobei die höchsten Reduktionswerte nach 24-stündiger Kontaktzeit nur 0,74 bzw. 0,1 nach Inokulation mit E. coli bzw. Staphylococcus sp. betrugen. Die Anti(bio)fouling-Leistung der in dieser Studie untersuchten Membranen wurde auch mit anderen Studien verglichen, in denen Pdopa zur Oberflächenmodifizierung von PTFE-Membranen (Flachfolien- und Hohlfasermembranen) eingesetzt wurde (Tabelle 4). Es liegen nur wenige Studien zu superhydrophilem PTFE-HFM vor, die Anti(bio)fouling-Eigenschaften für grampositive und gramnegative Bakterien zeigen. Daher ist die Modifikation von PTFE durch Pdopa eine vielversprechende Option für neue Membranen, die für den Einsatz in (Ab-)Wasseraufbereitungsanwendungen geeignet sind.

In der vorliegenden Studie wurden PTFE-HFMs zum ersten Mal einer luftstimulierten Oberflächenmodifikation unterzogen, die auf der Polymerisation von Pdopa mit ZnO-NPs basierte, um eine superhydrophile Oberflächenmodifikation zu induzieren. Multiskalentests zeigten, dass die optimale modifizierte Beschichtung durch 24-stündige luftstimulierte Polymerisation von Pdopa (2,0 mg mL−1 in Tris-Pufferlösung mit pH = 8,5) und anschließende Immobilisierung von ZnO-NPs (1,0 mg mL−1) hergestellt wurde durch 2 % v/v APTES in EtOH). Die anschließende morphologische Charakterisierung bestätigte den positiven Einfluss der diffusen Belüftung auf die Beschleunigung des homogenen Wachstums einer Pdopa-Schicht auf der PTFE-Membranoberfläche, die aufgrund der gleichmäßigen Pdopa-Bedeckung eine superhydrophile Oberfläche bildet, was durch Werte des Wasserkontaktwinkels bestätigt wurde. Die Immobilisierung von ZnO-NPs wurde durch FT-IR-Spektren und EDX-Analyse bestimmt, und die ICP-Analyse bestätigte die Beschichtungsstabilität während der Membranfiltration. Die funktionelle Verbesserung nach der superhydrophilen Modifikation wurde durch Proteinfiltration und Bewertung der antimikrobiellen Aktivität bewertet. Insgesamt stiegen die Flussrückgewinnungen nach 24-stündiger Beschichtung mit Pdopa auf 76 % und durch den Einbau von ZnO-NPs auf 68 %. Darüber hinaus zeigten die oberflächenmodifizierten Membranen eine geringere Tendenz zur Verschmutzung (64,6 % für die 24-Stunden-Pdopa-Beschichtung und 49,3 % für die Immobilisierung von ZnO-NPs) im Vergleich zu unberührten Membranen (81,9 %). Für die optimal modifizierte Membran wurde bereits nach kurzen Inokulationszeiten von 6 h bzw. 3 h gegen E. coli und Staphylococcus sp. eine Bakterienreduktionsrate von 100 % verzeichnet. Folglich bestätigen unsere Ergebnisse, dass eine luftstimulierte Membranmodifikation auf der Grundlage einer Pdopa-Beschichtung und der Einbindung von ZnO-NPs als antimikrobielles Mittel PTFE-HFMs eine verbesserte Fouling-Beständigkeit und nachhaltige superhydrophile Oberflächeneigenschaften verleiht, was ihre potenzielle Verwendung in (Abwasser-)Wasseraufbereitungsprozessen ermöglicht.

Die Daten für diese Studie sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Kim, S. et al. Überprüfung von Adsorptions-Membran-Hybridsystemen für die Wasser- und Abwasseraufbereitung. Chemosphere 286, 131916. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.131916 (2022).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Sengur-Tasdemir, R. et al. Hohlfaser-Nanofiltrationsmembranen zur Oberflächenwasseraufbereitung: Leistungsbewertung im Pilotmaßstab. J. Water Process Eng. 42, 102100. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2021.102100 (2021).

Artikel Google Scholar

Zakria, HS et al. Entfernung von Bisphenol A aus synthetischem und behandeltem Abwasser mithilfe einer magnetrongesputterten photokatalytischen CuxO/PVDF-Dünnfilm-Hohlfasermembran. J. Water Process Eng. 51, 103425. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2022.103425 (2023).

Artikel Google Scholar

Zhang, L. et al. Die Leistung des Elektroden-Ultrafiltrationsmembran-Bioreaktors bei der Behandlung von Kosmetikabwässern und seine Antifouling-Eigenschaften. Umgebung. Res. 206, 112629. https://doi.org/10.1016/j.envres.2021.112629 (2022).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Isik, O. et al. Einfluss verschiedener Inokulumquellen auf die Leistung von Membranbioreaktoren für die kommunale Abwasserbehandlung: Dynamische Membran versus Ultrafiltrationsmembran. J. Water Process Eng. 46, 102549. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2021.102549 (2022).

Artikel Google Scholar

Kim, I. et al. Ein effizientes kontinuierliches Quorum-Quenching-Feed zur Minderung von Membranbiofouling in Membranbioreaktoren: Stamm 1A1 (extrazellulär) im Vergleich zu Stamm BH4 (intrazellulär). J. Water Process Eng. 52, 103594. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2023.103594 (2023).

Artikel Google Scholar

Dolatkhah, F., Mohammadi, T. & Tofighy, MA Polysulfon-Hohlfasermembran mit Holzkohle-Kohlenstoff-Nanomaterial für die Abwasserbehandlung im Membranbioreaktor. J. Water Process Eng. 50, 103222. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2022.103222 (2022).

Artikel Google Scholar

Yang, Z., Tran, QN & Jin, X. Ultrafiltration des Abwassers eines aeroben körnigen Schlammbioreaktors: Verschmutzungspotenziale und -eigenschaften. J. Water Process Eng. 47, 102805. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2022.102805 (2022).

Artikel Google Scholar

Wardani, AK, Ariono, D., Subagjo, S. & Wenten, IG Hydrophile Modifikation der Polypropylen-Ultrafiltrationsmembran durch luftunterstützte Polydopaminbeschichtung. Polym. Adv. Technol. 30(4), 1148–1155. https://doi.org/10.1002/pat.4549 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Shao, L., Wang, ZX, Zhang, YL, Jiang, ZX & Liu, YY Eine einfache Strategie zur Verbesserung der Leistung der PVDF-Ultrafiltrationsmembran durch selbstpolymerisiertes Polydopamin, gefolgt von der Hydrolyse von Ammoniumfluotitanat. J. Mitglied Wissenschaft. 461, 10–21. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2014.03.006 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Song, H. et al. Dauerhafte hydrophile Oberflächenmodifikation für PTFE-Hohlfasermembranen. Reagieren. Funktion. Polym. 114, 110–117. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2017.03.010 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

An, Z., Dai, F., Wei, C., Zhao, Y. & Chen, L. Polydopamin/Cystein-oberflächenmodifizierte hämokompatible Poly(vinylidenfluorid)-Hohlfasermembranen für die Hämodialyse: Polydopamin/Cystein-oberflächenmodifiziertes hämokompatibles PVDF. J. Biomed. Mater. Res. 106(8), 2869–2877. https://doi.org/10.1002/jbm.b.34106 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Jenkins, D. & Wanner, J. Internationaler Wasserverband. In Belebtschlamm – 100 Jahre und die Geschichte dauert länger: Vorträge auf der Konferenz „Belebtschlamm ... 100 Jahre und die Geschichte dauert noch lange!“ gehalten in Essen, Deutschland, 12. bis 14. Juni 2014, 1 (IWA Publishing, 2014).

Singh, D. et al. Biofouling in Membranbioreaktoren: Mechanismus, Wechselwirkungen und mögliche Abschwächung durch Biotenside. Appl. Biochem. Biotechnologie. https://doi.org/10.1007/s12010-022-04261-4 (2022).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Raszka, A., Chorvatova, M. & Wanner, J. Die Rolle und Bedeutung extrazellulärer Polymere in Belebtschlamm. Teil I: Literaturübersicht. Acta Hydrochim. Hydrobiol. 34(5), 411–424. https://doi.org/10.1002/aheh.200500640 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Miller, DJ et al. Kurzfristige Adhäsions- und langfristige Biofouling-Tests von Polydopamin- und Polyethylenglykol-Oberflächenmodifikationen von Membranen und Futterabstandshaltern zur Biofouling-Kontrolle. Wasserres. 46(12), 3737–3753. https://doi.org/10.1016/j.watres.2012.03.058 (2012).

Artikel MathSciNet CAS PubMed Google Scholar

Galiano, F. et al. Neuartige Membranen mit geringem Fouling vom Labor bis zur Pilotanwendung in der Textilabwasserbehandlung. J. Colloid Interface Sci. 515, 208–220. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2018.01.009 (2018).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Johnson, D. et al. Adhäsionskräfte zwischen mit Huminsäure funktionalisierten kolloidalen Sonden und Polymermembranen zur Beurteilung des Fouling-Potenzials. J. Mitglied Wissenschaft. 484, 35–46. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2015.03.018 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Liu, Z. et al. Verbesserung der Permeabilität und Antifouling-Leistung von PVDF-Membranen durch Dopamin-unterstützte Abscheidung von zwitterionischem Copolymer. Kolloide surfen. Eine Physikochemie. Ing. Asp. 656, 130505. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2022.130505 (2023).

Artikel CAS Google Scholar

Yang, Y. et al. Einblicke in den Einfluss der Polydopamin-Modifikation auf die Permeabilität und Antifouling-Leistung der Vorwärtsosmosemembran. Chemosphere 291, 132744. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.132744 (2022).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

da Silva, AFV et al. Eine schnelle und einfache Methode zur Modifizierung von PVDF-Membranen mit Polydopamin und TiO2 zur Verbesserung der Wasserpermeation. Mater. Lette. 324, 132611. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132611 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Bonyadi, E., Ashtiani, FZ, Ghorabi, S. & Niknejad, AS Bioinspirierte Hybridbeschichtung von mikroporösen Polyethersulfonmembranen durch einstufige Abscheidung von Polydopamin, eingebettet in Amino-funktionalisiertes SiO2, für eine hocheffiziente ölige Abwasserbehandlung. J. Umgebung. Chem. Ing. 10(1), 107121. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.107121 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Pakizeh, M., Azinfar, F., Safarnia, M. & Raji, F. Die Auswirkungen von TiO2-Nanopartikeln und Polydopamin auf die Struktur, Trennung und Antifouling-Eigenschaften der PPSU-Membran. Sep. Sci. Technol. 57(11), 1788–1799. https://doi.org/10.1080/01496395.2021.2006230 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Kim, JH, Joshi, MK, Lee, J., Park, CH & Kim, CS Polydopamin-unterstützte Immobilisierung hierarchischer Zinkoxid-Nanostrukturen auf elektrogesponnener Nanofasermembran für Photokatalyse und antimikrobielle Aktivität. J. Colloid Interface Sci. 513, 566–574. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2017.11.061 (2018).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Park, C. & Kim, J.-O. Leistung von Biofouling-mindernden Feed-Spacern durch Oberflächenmodifikation mit Quorum-Sensing-Inhibitor. Desalination 538, 115904. https://doi.org/10.1016/j.desal.2022.115904 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Czieborowski, M. et al. Ein zweistufiger Biolumineszenztest zur Optimierung der antibakteriellen Beschichtung von Hohlfasermembranen mit Polydopamin in einem integrativen Ansatz. J. Mikrobiol. Methoden 196, 106452. https://doi.org/10.1016/j.mimet.2022.106452 (2022).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Karkhanechi, H., Takagi, R. & Matsuyama, H. Biofouling-Resistenz einer mit Polydopamin modifizierten Umkehrosmosemembran. Entsalzung 336, 87–96. https://doi.org/10.1016/j.desal.2013.12.033 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Zolghadr, E. et al. Ein ultraschallgestützter schneller Ansatz zur nachhaltigen Herstellung von antibakteriellen und Anti-Biofouling-Membranen über metallorganische Gerüste. Mater. Heute Chem. 26, 101044. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2022.101044 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, W., Huang, H. & Bernstein, R. Zwitterionisches Hydrogel modifizierte reduziertes Graphenoxid/ZnO-Nanokomposit-Mischmembran mit hoher Antifouling- und Antibiofouling-Leistung. J. Colloid Interface Sci. 613, 426–434. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.12.194 (2022).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Jahankhah, S., Sabzehmeidani, MM, Ghaedi, M., Dashtian, K. & Abbasi-Asl, H. Herstellung einer Polyvinylchlorid-Mischmatrixmembran durch Einbettung von Fe3O4/Polydopamin/Ag-Nanokomposit zur Wasseraufbereitung. Mater. Wissenschaft. Ing. B 285, 115935. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2022.115935 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Rani, V., Verma, Y. & Rana, SVS Zinkoxid-Nanopartikel verbessern die durch Dimethylnitrosamin induzierte Nierentoxizität bei Ratten. Appl. Biochem. Biotechnologie. 194(4), 1699–1715. https://doi.org/10.1007/s12010-021-03689-4 (2022).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Shen, C. et al. Zusammenhang zwischen Zytotoxizität, Zinkionen und reaktivem Sauerstoff in ZnO-Nanopartikeln ausgesetzten menschlichen Immunzellen. Toxicol. Wissenschaft. 136(1), 120–130. https://doi.org/10.1093/toxsci/kft187 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Raffa, V. et al. Zinkoxid-Nanopartikel als selektive Killer proliferierender Zellen. Int. J. Nanomed. 2011, 1129. https://doi.org/10.2147/IJN.S16581 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Zhou, Q. et al. In-situ-belüftungsunterstützte Polydopamin/Polyethylenimin-Copolymerisation und -Abscheidung für eine schnelle und gleichmäßige Membranmodifikation. J. Mitglied Wissenschaft. 657, 120662. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2022.120662 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Sun, F. et al. Reduktionsmittelunterstützte Polydopamin-modifizierte Membranen für eine effiziente Wasserreinigung. Vorderseite. Chem. Wissenschaft. Ing. 15(1), 109–117. https://doi.org/10.1007/s11705-020-1987-9 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Shahkaramipour, N., Tran, T., Ramanan, S. & Lin, H. Membranen mit oberflächenverstärkten Antifouling-Eigenschaften zur Wasserreinigung. Membranes 7(1), 13. https://doi.org/10.3390/membranes7010013 (2017).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yu, X., Fan, H., Wang, L. & Jin, Z. Bildung von Polydopamin-Nanofasern mit Hilfe von Folsäure. Angew. Chem. Int. Ed. https://doi.org/10.1002/anie.201404947 (2014).

Artikel Google Scholar

Dreyer, DR, Miller, DJ, Freeman, BD, Paul, DR & Bielawski, CW Perspektiven auf Poly(dopamin). Chem. Wissenschaft. 4(10), 3796. https://doi.org/10.1039/c3sc51501j (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Feinberg, H. & Hanks, TW Polydopamin: Eine bioinspirierte Klebstoff- und Oberflächenmodifikationsplattform. Polym. Int. 71(5), 578–582. https://doi.org/10.1002/pi.6358 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Bi, Y. et al. Vier Freisetzungstests zeigen eine unterschiedliche Silberstabilität von Nanopartikel-modifizierten Umkehrosmosemembranen. Wasserres. 143, 77–86. https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.06.036 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Liu, S., Fang, F., Wu, J. & Zhang, K. Die Anti-Biofouling-Eigenschaften von Dünnschicht-Verbund-Nanofiltrationsmembranen, die mit biogenen Silbernanopartikeln gepfropft sind. Entsalzung 375, 121–128. https://doi.org/10.1016/j.desal.2015.08.007 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Sianipar, M., Kim, SH, Min, C., Tijing, LD & Shon, HK Potenzial und Leistung einer Polydopamin-beschichteten mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen/Polysulfon-Nanokompositmembran für Ultrafiltrationsanwendungen. J. Ind. Eng. Chem. 34, 364–373. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2015.11.025 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Sri Abirami Saraswathi, M., Kausalya, R., Kalekkal, NJ, Rana, D. & Nagendran, A. Trennung von BSA und Huminsäure aus wässrigen Strömen unter Verwendung von Polydopamin-beschichteten PVDF-Ultrafiltrationsmembranen. J. Umwelt. Chem. Ing. 5(3), 2937–2943. https://doi.org/10.1016/j.jece.2017.05.051 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, P. et al. Modifikation der PVDF-Hohlfasermembran durch gleichzeitige Abscheidung von PDA/MPC-co-AEMA für Membrandestillationsanwendungen mit Antifouling- und Anti-Scaling-Eigenschaften. J. Mitglied Wissenschaft. 636, 119596. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2021.119596 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Chen, Y., Lu, K.-J., Liang, CZ & Chung, T.-S. Mechanisch starke Janus-Tri-Bore-Hohlfasermembranen mit asymmetrischen Poren zur Antibenetzungs- und Antifouling-Membrandestillation. Chem. Ing. J. 429, 132455. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132455 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Sun, M., Su, Y., Mu, C. & Jiang, Z. Verbesserte Antifouling-Eigenschaft von PES-Ultrafiltrationsmembranen durch Zusatz von Silica-PVP-Nanokomposit. Ind. Eng. Chem. Res. 49(2), 790–796. https://doi.org/10.1021/ie900560e (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Schukow, AM, Solodilow, VI, Tretjakow, IV, Burakova, EA & Yurkov, GYu. Der Einfluss der Struktur eisenhaltiger Nanopartikel auf die funktionellen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen auf Basis von hochdichtem Polyethylen. Russ. J. Phys. Chem. B 16(5), 926–932. https://doi.org/10.1134/S199079312205013X (2022).

Artikel CAS Google Scholar

López-R, M., Barrios, Y., Perez, LD, Soto, CY und Sierra, C. An Baumwollfasern gebundene metallorganische Gerüste (MOFs) zeigen antimikrobielle Aktivität gegen relevante nosokomiale Bakterien. Inorg. Chim. Acta 537, 120955. https://doi.org/10.1016/j.ica.2022.120955 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Fonseca, S. et al. Charakterisierung der antibakteriellen Aktivität einer SiO2-Nanopartikelbeschichtung zur Verhinderung einer bakteriellen Kontamination in Blutprodukten. Antibiotika 11(1), 107. https://doi.org/10.3390/antibiotics11010107 (2022).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Peer, P., Sedlaříková, J., Janalíková, M., Kučerová, L. & Pleva, P. Neuartige Polyvinylbutyral/Monoacylglycerin-Nanofasermembran mit Antifouling-Aktivität. Materialien 13(17), 3662. https://doi.org/10.3390/ma13173662 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Samimi, S., Maghsoudnia, N., Eftekhari, RB & Dorkoosh, F. Lipidbasierte Nanopartikel für Arzneimittelabgabesysteme. In: Charakterisierung und Biologie von Nanomaterialien für die Arzneimittelabgabe 47–76 (Elsevier, 2019).

Kapitel Google Scholar

Selvamani, V. Stabilitätsstudien zu Nanomaterialien, die in Arzneimitteln verwendet werden. In: Charakterisierung und Biologie von Nanomaterialien für die Arzneimittelabgabe 425–444 (Elsevier, 2019).

Kapitel Google Scholar

Liu, W., Lin, H., Wang, J., Han, Q. & Liu, F. Polytetrafluorethylen (PTFE)-Hohlfasern, modifiziert durch hydrophiles Vernetzungsnetzwerk (HCN) für robuste Beständigkeit gegen Verschmutzung und aggressive chemische Reinigung. J. Mitglied Wissenschaft. 630, 119301. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2021.119301 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Mohd Ramli, MR, Ahmad, AL & Leo, CP Oberflächenmodifikation einer Polytetrafluorethylen-Hohlfasermembran für die Direktkontakt-Membrandestillation durch Beschichtung mit einer Lösung aus Polyethylen niedriger Dichte. ACS Omega 6(7), 4609–4618. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c05107 (2021).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Thakur, A. et al. Synthese eines PEGylierten Dopaminesters mit erhöhter antibakterieller und antimykotischer Aktivität. ACS Omega 3(7), 7925–7933. https://doi.org/10.1021/acsomega.8b01099 (2018).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kilic, A., Emin Karatas, M., Beyazsakal, L. & Okumus, V. Herstellung und Spektralstudien von Boronatester-modifizierten Magnetit-Eisen-Nanopartikeln (Fe3O4@APTES-B) als neue Art biologischer Wirkstoffe. J. Mol. Liq. 361, 119602. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2022.119602 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Miller, DJ, Paul, DR & Freeman, BD Eine verbesserte Methode zur Oberflächenmodifizierung poröser Wasserreinigungsmembranen. Polymer 55(6), 1375–1383. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2014.01.046 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Iyigundogdu, Z. et al. Thermoplastische Elastomere mit antimikrobiellen und antiviralen Zusätzen für Mobilitätsanwendungen. Kompositionen. Teil B Eng. 242, 110060. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110060 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Francis, VN, Chong, JY, Yang, G., Che, L. & Wang, R. Robuste Polyamid-PTFE-Hohlfasermembranen für die Nanofiltration rauer organischer Lösungsmittel. Chem. Ing. J. 452, 139333. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139333 (2023).

Li, J. Mitglied Wissenschaft. 555, 237–249. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.03.010 (2018).

Li., Y., Ji, B., Chen, Z. & Zhang, Z. Dopaminfunktionalisierte PTFE-Membranen mit verbessertem Fluss und Antifouling-Eigenschaften für die Membrandestillation von Sekundärabwässern. Sep. Purif. Technol. 310, 123198. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.123198 (2023).

Yu, Y., Zhang, L., Li, J. Umgebung. Chem, Eng. 11(1), 109158. https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.109158 (2023).

Zhang, W. et al. Vorbereitung der Janus-Membran durch Polytetrafluorethylen-Membranmodifikation für eine verbesserte Leistung der Entsalzung durch Vakuummembrandestillation. Sep. Purif. Technol. 313, 123465. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.123465 (2023).

Zhang, Y., Shen, F., Cao, W. & Wan, Y. Hydrophile/hydrophobe Janus-Membranen mit einer Oberflächenbeschichtung mit Doppelfunktion für eine schnelle und robuste Entsalzung durch Membrandestillation. Desalination 491, 114561. https://doi.org/10.1016/j.desal.2020.114561 (2020).

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Diese Arbeit wurde durch das Student Grant Scheme der Technischen Universität Liberec durch Projekt Nr. SGS-2022-3037 unterstützt.

Institut für Nanomaterialien, fortschrittliche Technologien und Innovation, Technische Universität Liberec, Studentská 1402/2, 461 17, Liberec 1, Tschechische Republik

Hadi Taghavian, Miroslav Černík und Lukáš Dvořák

Fakultät für Mechatronik, Informatik und interdisziplinäre Studien, Technische Universität Liberec, Studentská 2, 461 17 Liberec 1, Tschechische Republik

Hadi Taghavian

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Alle Autoren haben zur Entwicklung dieser Arbeit beigetragen; Im Einzelnen sind ihre Beiträge wie folgt: HT entwarf die Experimente, entwickelte die Modifikationstechnik und führte die Messungen durch. LD trug zur Überarbeitung des Manuskripts bei. MC und LD betreuten das Projekt. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Lukáš Dvořák.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Taghavian, H., Černík, M. & Dvořák, L. Fortschrittliche (bio)foulingresistente Oberflächenmodifikation von PTFE-Hohlfasermembranen für die Wasseraufbereitung. Sci Rep 13, 11871 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38764-9

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Eingegangen: 11. Mai 2023

Angenommen: 14. Juli 2023

Veröffentlicht: 22. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38764-9

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