Surface modification of thin film composite membrane with polydopamine and curcumin to mitigate biofouling

Abstract

Reverse osmosis membrane has been widely used in various water treatment fields as an efficient desalination technology, but serious biofouling problem arises in the actual application process. Curcumin is known as a natural compound that can reduce biofouling by inhibiting the growth of microorganisms based on quorum sensing. However, its application is limited due to its low water solubility and chemical stability. Therefore, in order to apply the curcumin coating to the membrane surface. Dopamine, a biomass molecule with excellent adhesion and high reactivity, deposition modification and functionalization on the material’s surface has high research value. Curcumin degrades under alkaline conditions, whereas dopamine must polymerize under alkaline conditions. At the same time, it was taken into account that coating may adversely affect curcumin. Therefore, a 2-step coating process was considered by self-polymerizing dopamine on the membrane surface and then dip-coating curcumin attached to the polydopamine layer. In addition, by controlling the coating time and curcumin concentration as variables, the effect of time and concentration on the surface modification before and after membrane modification was investigated. Among the samples that have been made, the modified membrane for 1 hour showed the best permeability (1.39L/m2/hr/bar) in the permeability test, but compared to the modified membrane for 2 hours, the biofouling mitigation properties for Gram-positive bacteria were lower. Overall, permeability decreased by 10-15% after 2 h modification. However, in terms of anti-biofouling, modification for 2 hours was more effective in reducing the number of bacteria than modification for 1 hour. In particular, the number of positive bacteria decreased from 6.71 × 106 to 9.67 × 105 CFU/mL. It has an important meaning for anti-fouling through the modification of the membrane surface. Quorum sensing of natural materials can be applied as a technology to reduce biofouling and extend the lifetime of the membrane without pretreatment and membrane cleaning.| 역삼투막은 효율적인 담수화 기술로 다양한 수처리 분야에서 널리 사용되어 왔지만 실제 적용 과정에서 심각한 바이오 파울링 문제가 대두된다.Curcumin 은 quorum sensing 을 기반으로 미생물의 성장을 억제하여 바이오파울링을 저감할 수 있는 천연 화합물으로 알려져있다. 그러나 curcumin 개질멤브레인은 낮은 수용성과 화학적 안정성으로 인해 산업폐수적용에 제한이 있다. 따라서 막 표면에 curcumin 코팅을 적용하기 위해 접착력이 우수하고 반응성이 높은 바이오매스 분자인 dopamine 을 사전코팅한 후에 curcumin 의 개질을 진행하였다. Curcumin 는 알칼리성 조건에서 분해되지만 도파민은 알칼리성 조건에서 중합해야 한다. 동시에 코팅하는 것이 curcumin 에게 악영향을 미칠 수 있다는 점을 고려했다. 따라서 막 표면에 dopamine 을 자가 중합시킨 다음 polydopamine 층에 부착된 curcumin 을 dip-coating 하는 방식으로 2-step 코팅 프로세스를 고려하였다. 또한 코팅 시간과 curcumin 농도를 변수로 조절하여 시간과 농도가 막의 개질 전후 표면 변형에 미치는 영향을 탐구하였다. 제작된 샘플 중 1 시간동안 dopamine 개질된 멤브레인은 투과성 테스트에서 permeability 가 최고의 성능(1.39L/m 2/hr/bar)을 나타내지만 2 시간동안 dopamine 개질된 멤브레인에 비해 그람 양성균에 대한 생물학적 오염 완화 특 성이 낮았다. 전반적으로 2 시간 개질의 투과성은 permeability 가 10-15% 감소하였다. 그러나 Anti-biofouling 의 경우 1 시간의 개질보다 2 시간의 개질이 박테리아 개체수 감소의 효과가 높으며, 특히 양성박테리아의 개체 수의 경우 6.71×106에서 9.67×105 CFU/mL 로 감소하였다. 막 표면의 개질을 통한 anti-fouling 에 중요한 의미를 갖는다. 천연 물질의 quorum sensing 는 biofouling 을 감소시키고 전처리 및 멤브레인 세척없이 멤브레인의 수명을 연장할 수 있는 기술로 적용될 수 있다.