Gewinnung von biomassebasierten polaren Verbindungen aus Wasser durch Adsorption

• Separation of polar biomass-derived compounds from aqueous phase by adsorption

Schroer, Guido; Palkovits, Regina (Thesis advisor); Pich, Andrij (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Prozesses zur Abtrennung von polaren Molekülen, die aus der Wertschöpfung von Biomasse gewonnen werden können und ein vicinales Diolmotiv enthalten, durch Adsorption an boronsäurehaltige Polymere. Die Abtrennung beruht auf dem Prinzip der "molekularen Erkennung". Boronsäuren und Substrate können abhängig von den Reaktionsbedingungen reversibel Boronatdiolester ausbilden. Die Synthese boronsäurehaltiger Polymere mit hohen Borgehalten wurde über eine optimierte Synthese ausgehend von p-Vinylphenylboronsäure (p-VPBA) realisiert. Polymere mit unterschiedlichen Vernetzerarten und Vernetzergehalten konnten über eine freie radikalische Polymerisation in Ausbeuten über 90% hergestellt werden. Die Zusammensetzung und Eigenschaften der Polymere wurden über Elementaranalyse, IR-Spektroskopie, Stickstoffphysisorption, Wasserdampfadsorption, Analyse des Quellverhaltens und Festkörper-NMR überprüft und bestätigt. Die Adsorptionsbedingungen wurden am Beispiel der Fructoseadsorption gescreent und optimiert. Dabei wurde festgestellt, dass ein Kompromiss zwischen maximaler Polymerbeladung bei ausreichender Polymerstabilität notwendig war. Die Zugabe von 20mol% Vernetzer wurde als bester Kompromiss angesehen. Die Adsorption wurde daraufhin auf 22 Diole, Polyole und Saccharide erweitert und basierend auf den Ergebnissen ein Modell zur Beschreibung des Sorptionsverhaltens vorgeschlagen. Dabei wurde ein signifikanter Einfluss des Quellverhaltens des Polymers auf die Adsorption festgehalten. Die Adsorption konnte als ein selbsterhaltender Quell- und Adsorptions-induzierter Prozess beschrieben werden. Substrate mit hohen molekularen Komplexierungskonstanten führten beispielsweise zur Ausbildung mehr negativ geladener Boronatdiolester zu Beginn der Adsorption, was in einer Abstoßung der Polymerketten resultierte und das Aufquellen des Polymers begünstigte. Dadurch wurden weiter innenliegende Bindungszentren zugänglich. Kinetikstudien des Adsorptionsprozesses unterstützten das vorgeschlagene Modell. Der Adsorptionsprozess ließ sich anhand der Ergebnisse in drei Schritte unterteilen: (1) einer schnellen Adsorption an der Polymeroberfläche, die von der molekularen Komplexierung abhängig war, (2) einem Adsorptions-induzierten Quellen des Polymers und einer Adsorption in weiter innenliegenden Bereichen des Polymerpartikels und (3) einer langsamen, diffusionslimitierten Adsorption im Polymerkern. Desorptionsstudien zeigten die Möglichkeit zur effizienten Desorption von Diolen wie Ethylenglykol (EG) oder 2,3-Butandiol (2,3-BDO) in ein neutrales Ethanol-Wassergemisch und zur Desorption von Monosacchariden wie D-Fructose oder D-Galactose durch Nutzung von CO2 in wässrige Lösung. Die Substrate konnten somit in Lösungen desorbiert werden, die keine molekularen Säuren enthielten. Erste Anwendungen der Polymere zur Abtrennung aus realen Lösungen waren vielversprechend. So war es möglich die Fructoseausbeute in einer Adsorptions-assistierten Glucoseisomerisierung von 29% auf 56% zu erhöhen und 2,3-BDO bei hohen Polymerbeladungen von 250 mg(2,3-BDO) pro g(Polymer) aus einer Fermentationsbrühe abzutrennen.