持続可能で機械的に安定な膜のための反応性コポリマーの水相分離

Aqueous Phase Separation of Responsive Copolymers for Sustainable and Mechanically Stable Membranes.

• Wouter M Nielen
• Joshua D Willott
• Wiebe M de Vos

抄録

膜は、環境に優しい用途や、従来のプロセスに代わる持続可能な代替品として、しばしば使用されています。残念ながら、高分子膜の大部分は、-メチル-2-ピロリジノンやジメチルホルムアミドのような大量の生殖毒性のある化学物質を必要とする、持続不可能で環境に優しくないプロセスで製造されています。本研究では、電荷がpHに依存する弱いポリ電解質（弱いポリ電解質）を用いて膜を製造する水相分離（APS）システムを検討しています。具体的には、共重合体であるポリスチレン--マレイン酸（ＰＳａＭＡ）が用いられる。PSaMAには、APSに必要な応答性モノマーと、得られる膜に機械的安定性を与える非応答性疎水性モノマーが含まれています。本研究では、PSaMAの沈殿を制御することで、油性排水の処理が可能な精密ろ過膜から、微小汚染物質の保持性に優れ、機械的安定性に優れた高密度ナノろ過型の膜まで、幅広い膜を調製できることを実証しました。これまでの研究では、同様の材料は4バールにしか耐えられなかったが、ここで発表された膜は20バールまで安定した動作を実証している。このAPSシステムで使用される溶媒は水とグリーン溶媒である酢酸のみであり、従来の製膜方法と比較して大幅に持続可能で環境に優しいプロセスとなっています。

Membranes are often used in environmentally friendly applications and as a sustainable alternative to conventional processes. Unfortunately, the vast majority of polymeric membranes are produced via an unsustainable and environmentally unfriendly process that requires large amounts of harsh reprotoxic chemicals such as -methyl-2-pyrrolidinone and dimethylformamide. In this work, we investigate an aqueous phase separation (APS) system that uses weak polyelectrolytes, whose charge is dependent on the pH (weak polyelectrolytes), to produce membranes. Specifically the copolymer polystyrene--maleic acid (PSaMA) is used. PSaMA contains responsive monomers, required for APS, and also unresponsive hydrophobic monomers that provide mechanical stability to the resultant membranes. This work demonstrates that by controlling the precipitation of PSaMA, it is possible to prepare a wide range of membranes; from microfiltration membranes capable of treating oily waste water to dense nanofiltration-type membranes with excellent micropollutant retentions and high mechanical stability. While similar materials in prior work could only withstand 4 bar, the membranes presented here demonstrate stable operation up to 20 bar. The only solvents used in this APS system are water and the green solvent acetic acid, thus making our APS process significantly more sustainable and environmentally friendly as compared to the conventional membrane fabrication methods.

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