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"ボタンとボタンホール"超分子構造は、浸透圧発電のための機能化ポリエーテルスルホン膜の自己修復挙動を可能にします
"Button and Buttonhole" Supramolecular Structure Enables the Self-Healing Behaviors of Functionalized Poly(ether sulfone) Membranes for Osmotic Power Generation.
PMID: 31664807 DOI: 10.1021/acsami.9b16895.
抄録
浸透圧発電は、地球規模の水質汚濁に対処するための水エネルギーのネクサスに向けた先進技術として浮上しています。浸透圧発電は、水資源からの塩分濃度勾配を持続的に利用することができる一方で、耐圧防汚浸透膜のファウリングが大きな障害となっています。防汚性に優れた膜は広く研究されていますが、運転中の物理的な損傷や、水や腐食性防汚剤による化学的な劣化により、傷や剥離が発生すると、防汚機能が失われやすくなります。そのため、自律的な自己修復機能を有する防汚膜の開発が重要である。ここでは，ポリエーテルスルホン(PES)の自己修復性機能性防汚膜を，ツビタイオン性ランダム共重合体[ポリ(1-(1-(1-アダマンチルカルボニルオキシ)メチル)-3-ビニルイミダゾリウムブロミド-1(3-スルホプロピル)-3-ビニルイミダゾリウム-ビニルアミン]（P(ADVI--SBVI--VA）]を順次共役させることで作製した。と直鎖状シクロデキストリンポリマー（LPCD）をポリドーパミンで活性化したPES支持体上に配置した。この自己修復挙動は、慎重に設計された"ボタンとボタンホール"超分子ネットワークに依存している。具体的には、LPCDのβ-シクロデキストリンとPASVのアダマンチンがそれぞれ「ボタン穴」と「ボタン」として機能する。物理的・化学的な損傷を受けると、β-シクロデキストリンの「ボタンホール」がPASVのアダマンチンの「ボタン」から犠牲的に剥離することがありますが、その後、別のアダマンチンを再キャップして保護機能を回復させることができます。機能化されたままのPES--PASV-LPCD膜の防汚性および自己修復特性は、優れた抗タンパク質の挙動および非老化および老化サンプルの両方で改善された抗菌性能によって実証された。PROプロセスでは、改良膜は有機ファウリングの軽減に効果的であり、都市廃水試験では非改良膜(初期値の47%)よりも高い出力密度(初期値の79%)を示した。本質的に治癒可能で防汚性のある膜を工学的に設計する戦略は、浸透圧発電のための持続可能な膜の開発に新たな道を切り開いた。
Osmotic power generation has emerged as an advanced technology toward water-energy nexus to tackle global water pollution. It provides a sustainable use of salinity gradient from water resources yet encounters major obstacles caused by pressure-retarded osmosis (PRO) membrane fouling. Although membranes with good antifouling properties are widely studied, their antifouling functions are readily lost when scratches or detachments occur through physical damage during operation and chemical degradation by water and corrosive foulants. Consequently, it is important to develop antifouling membranes with autonomous self-healing capabilities. Herein, self-healable functionalized poly(ether sulfone) (PES) antifouling membranes have been fabricated via the sequential conjugation of the zwitterionic random copolymer [poly(1-(1-(1-adamantylcarbonyloxy)methyl)-3-vinylimidazolium bromide--1-(3-sulfopropyl)-3-vinylimidazolium--vinylamine)] (P(ADVI--SBVI--VA), abbreviated as PASV copolymer) and linear cyclodextrin polymer (LPCD) on polydopamine-preactivated PES supports. The self-healing behaviors rely on the judiciously designed "button-and-buttonhole" supramolecular network. Specifically, β-cyclodextrins in LPCD and adamantines in PASV act as "buttonholes" and "buttons", respectively. Under physical and chemical damages, the β-cyclodextrin "buttonhole" may sacrificially detach from the adamantine "button" of PASV but then recap another adamantine to restore the protective function. The antifouling and self-healing traits of as-functionalized PES--PASV-LPCD membranes were demonstrated by the superior antiprotein behaviors and improved antimicrobial performances on both nonaged and aged samples. In the PRO process, the modified membranes were effective in mitigating organic fouling and exhibited higher power density (79% of the initial value) than the nonmodified ones (47% of the initial value) in municipal wastewater testing. The strategy for engineering inherently healable and antifouling membranes paves a new pathway for the development of sustainable membranes for osmotic power production.