Covalent grafting of phenolics on the surface of the membrane by UV-based modification method

Abstract

Membranes have been frequently used in various water treatment processes, and biofouling remains as one of their biggest challenges. A possible solution to mitigate membrane biofouling could be covalently binding antimicrobial phenolics onto membrane surfaces. This thesis explored the possibility of covalently attaching quercetin, myricetin, baicalein, resveratrol, and piceatannol on commercial polyethersulfone membrane surfaces via UV-grafting.

Membranes were modified through phenolics’ adsorption and UV-grafting. Used UV-grafting conditions were decided based on a literature review. Data was collected through dead-end filtration, FT-IR spectroscopy, contact angle measurement, Raman spectroscopy, UV/Vis spectrophotometry, nuclear magnetic resonance spectroscopy, and bacterial growth assay. These experiments were used to characterize differences in chemical and physical properties of the membranes after their modification.

Quercetin, myricetin, resveratrol, and piceatannol were successfully adsorbed onto commercial UH004 P polyethersulfone membrane surface. Adsorbed phenolics stayed on the membrane after 24 hours of flushing with pure water. Adsorption and UV-grafting treatments with phenolics increased membranes’ pure water permeability by 15–93 %. UV-grafting of resveratrol increased the hydrophilicity of the membrane by 35 % and resulted in new peaks found in NMR spectra of the membrane, indicating possible covalent bond formation. UV-grafting resveratrol and quercetin on the membrane showed potential in inhibiting growth of both S. aureus and E. coli on the membrane surface.

Membraaneja käytetään laajasti erilaisissa vedenkäsittelyprosesseissa, ja niiden biolikaantuminen on yksi niiden käytön suurimmista haasteista. Mahdollinen ratkaisu kalvojen biolikaantumisen ehkäisemiseen voisi olla antimikrobiaalisten fenolien kiinnittäminen kovalenttisesti membraanin pintaan. Tässä diplomityössä tutkittiin mahdollisuutta kiinnittää kversetiini, myrisetiini, baikaleiini, resveratroli ja pikeatannoli kovalenttisesti kaupallisen polyeetterisulfonimebraanin pintaan UV-graftauksen avulla.

Membraanien pintaa muokattiin fenoliadsorptiolla ja UV-graftauskäsittelyllä. Olosuhteet graftaukselle määritettiin kirjallisuusselvityksen perusteella. Pintamuokkausten aiheuttamia kemiallisia ja fysikaalisia muutoksia tutkittiin dead end -suodatuskokeilla, FT-IR spektroskopialla, kontaktikulmamittauksilla, Raman spektroskopialla, UV/Vis spektrofotometrialla, ydinmagneettisella resonanssispektroskopialla sekä bakteerikokeilla.

Kversetiini, myrisetiini, resveratroli ja pikeatannoli adsorboituivat onnistuneesti tutkittujen kaupallisten kalvojen pintaan. Adsorboituneet fenolit pysyivät membraanin pinnalla 24 tunnin vesipesun jälkeenkin. Fenolien adsorptio- ja UV-graftauskäsittelyt nostivat membraanin puhtaan veden läpäisevyyttä 15–93 %. Resveratrolin UV-graftaus nosti membraanin hydrofiilisyyttä 35 % ja lisäsi membraanin NMR-spektriin uusia piikkejä, jotka voivat viitata kovalenttisten sidosten muodostumiseen. Lisäksi resveratrolin ja kversetiinin UV-graftaus membraanin pinnalle näyttivät hidastavan sekä S. aureus -bakteerin että E. coli -bakteerin kasvua membraanin pinnalla.