Nanoporöse hochvernetzte Polymere und Aktivkohlen in selektiven Adsorptions- und Nanofiltrationsprozessen zur Anwendung in biogenen Wertschöpfungsketten

• Nanoporous hypercrosslinked polymers and activated carbons in selective adsorption and nanofiltration processes for bio based value streams

Schute, Kai; Palkovits, Regina (Thesis advisor); Rose, Marcus (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Hochvernetzte, poröse Polymere (Hypercrosslinked porous polymers, HCP) aus aromatischen Strukturelementen sowie polymerbasierte, sphärische Aktivkohlen (Polymer based spherical activated carbon) bilden eine vielversprechende Materialbasis zum Einsatz in verschiedenen Trennprozessen, insbesondere in Adsorptionsprozessen wie auch in Membranverfahren. Gerade biogene Wertschöpfungsketten liefern häufig herausfordernde Trennprobleme, die durch klassische Trennkonzepte nur schwer gelöst werden können. Deshalb entwirft die vorliegende Arbeit exemplarische Lösungsansätze in diesem Feld der Anwendungsforschung. Aufbauend auf einem neuartigen Syntheseansatz wurden zunächst verschiedene HCP mithilfe kommerzieller Brønsted-Säuren hergestellt und hinsichtlich der Oberflächeneigenschaften charakterisiert. Es resultierten hoch hydrophobe Polymere mit spezifischen Oberflächen von über 1800 m² g-1. Die Adsorptionsanwendung dieser Polymere sowie PBSAC wurde daraufhin an den Systemen 5-Hydroxymethylfurfural (5-HMF)/Fructose sowie Itaconsäure/Glucose untersucht. Sowohl satzweise als auch kontinuierliche Sorptionsversuche zeigten hierin ausgesprochen hohe Selektivitäten für 5-HMF und Itaconsäure bei Verwendung der HCP und PBSAC. Selbst bei Nutzung realer Fermentationslösungen bleibt die Selektivität erhalten; wenn auch auf reduziertem Niveau. Untersuchungen der Oberflächenpolarität ermöglichten darüber hinaus die Erklärung für das beobachtete Adsorptionsverhalten. Dies gelang durch gezielte Adsorptionsversuche an strukturell ähnlichen Dicarbonsäuren variierender Polarität. Ein gegenläufiger Trend zwischen Kapazität und Dipolmoment zeichnete sich darin ab und ermöglichte in semi-quantitativer Weise die Abschätzung von Adsorptionsselektivität unter konkurrierenden Bedingungen. Schließlich wurde das Mixed-Matrix-Konzept genutzt, um HCP zu Membranfilmen zu verarbeiten. Der Einsatz erfolgte in Nanofiltrationsanwendungen und wurde erstmals im wässrigen System angewendet. Moderate Rückhalte konnten für verschiedene Farbstoffe gezeigt werden. Mittels Lösemittelwahl wurde darüber hinaus ein schaltbares Retentions-verhalten beobachtet. Begründet lag dies im vorherrschenden flexiblen Porengerüst des verwendeten HCP.