title: Purification of nanoparticle-containing environmental media
Creators: name: Müller, Ann-Kathrin
Publisher: name: University of Bayreuth
Year: 2022
Subjects: subject: electrospun nanofibrous membranes
subject: filtration
subject: affinity membranes
subject: nanoparticles
subject: 540

description: Diese Arbeit legt eine Grundlage zum umfassenden Verständnis von Mechanismen und Anwendungen von elektrogesponnenen Affinitätsmembranen für die Reinigung von nanopartikelhaltigen Umweltmedien und zeigt neue Strategien zur Separation auch für zukünftige Umweltschadstoffe auf. Basierend auf der Annahme, dass Nanopartikel durch Wechselwirkungen mit der Membranoberfläche adsorbiert werden können, wurden chemischen funktionelle Gruppen zur Herstellung von Affinitätsmembranen genutzt. Auf Adsorption basierende Filtrationsmechanismen sind allgemein als Affinitätsmembranen bekannt und zeichnen sich durch große Vorteile aus, wie z. B. hohe Filtrationseffizienzen und geringe Druckverluste. Diese Membranen wurden aus Copolymeren auf Acrylatbasis hergestellt. Die Copolymere wurden durch radikalische Copolymerisation von Methylmethacrylat und Acrylatmonomeren mit verschiedenen chemischen Funktionsgruppen synthetisiert, die als Adsorptionsstellen für Nanopartikel dienen sollten: Säure (AA), Pyridin (Pyr), Amid (NIPAM) und quaternäres Ammonium (Nplus). Zusätzlich wurde ein Benzophenon-Acrylat-Monomer als ultraviolett (UV)-adressierbare Einheit eingebaut. Die resultierenden Copolymere wurden elektrogesponnen und anschließend mit UV-Licht vernetzt. Die Vernetzung verringerte die Quellung der Fasern und die Schrumpfung der Porengröße in Wasser, und die mechanischen Eigenschaften wurden erheblich verbessert. Darüber hinaus wurde der Druckabfall an der Membran im Wasserdurchfluss bestimmt, welcher eine Korrelation mit der Porengröße der Membran, der mechanischen Festigkeit und der Hydrophilie des Membranmaterials aufzeigte. Goldnanopartikel mit einem hydrodynamischen Radius von ~9 nm wurden als Modellsystem für Filtrationsexperimente hergestellt. Die folgenden Experimente wurden für Membranen mit den vier chemischen Funktionsgruppen durchgeführt und zeigten eine erfolgreiche Filtration für die Nplus und Pyr funktionelle Gruppe. Die Filtrationseffizienz für beide Gruppen nahm mit der Zeit ab, da die Adsorptionsstellen durch Nanopartikel besetzt wurden. Die Gesamtzahl der Adsorptionsstellen bzw. die Filtrationseffizienz kann durch eine höhere Anzahl von funktionellen Gruppen verbessert werden. Es wurden weitere wesentliche Einflussfaktoren auf die Filtrationseffizienz ermittelt, wie die Größe der Nanopartikel, das Material und die Liganden der Nanopartikel. Goldnanopartikel mit Größen im Bereich von 20-150 nm wurden durch eine Partikelwachstums-Methode synthetisiert. Diese Nanopartikel wurden mit der Pyr und Nplus Membran gefiltert. Für beide Membranen wurde eine Abnahme der Filtrationseffizienz mit abnehmender Partikelgröße festgestellt. Um den Einfluss des Nanopartikelmaterials auf die Filtrationseffizienz zu untersuchen, wurden nicht nur Edelmetall-Nanopartikel, sondern auch Metalloxid-Nanopartikel wie Kupferoxid, Zinkoxid, Eisenoxid und Titandioxid synthetisiert. Diese Metalloxid-Nanopartikel besitzen ein positives Zetapotenzial und wurden durch Membranen mit Säure- und Amidfunktionalität mit hoher Effizienz gefiltert. Darüber hinaus wurden verschiedene Liganden wie Polyvinylpyrrolidon, Pyrophosphat und Citrat als Liganden für die Nanopartikel hinzugefügt wobei festgestellt wurde, dass sie den hydrodynamischen Radius und das Zetapotenzial der Nanopartikel verändern. Negativ geladene Nanopartikel, die durch Zugabe von Pyrophosphat- und Citrat-Liganden erhalten werden können, wurden erfolgreich durch die Nplus Membran gefiltert. Somit wurden günstige Kombinationen für das Erzielen einer hohen Filtrationseffizient identifiziert: positiv geladenen Nanopartikeln/Nplus-Membran und negativ geladenen Nanopartikeln/AA-Membran. Hier basiert der Filtrationsmechanismus entweder auf elektrostatischen Wechselwirkung oder Koordinationschemie. Es kann davon ausgegangen werden, dass Umweltmedien aus einer Vielzahl von Materialien bestehen, weshalb eine Membran zur Adsorption verschiedener Nanopartikel von Vorteil sein könnte. Um die gleichzeitige Filtration von Nanopartikeln mit unterschiedlichen Materialien und Eigenschaften zu erreichen, wurden die quaternäre Ammonium- und Säurefunktionalität in einer Janus- oder Mischmembran kombiniert. Beide Kombi-Membranen zeigten hohe Filtrationsleistungen und es konnte nachgewiesen werden, dass keines der Nanopartikel bevorzugt adsorbiert wird. In einem einzigen Filtrationsschritt sind die Adsorptionsstellen der Membranen mit Nanopartikeln gesättigt und die Membran kann ohne einen Regenerationsschritt für die Filtration nicht wiederverwendet werden. Die Membranen wurden nach der Nanopartikelfiltration mit niedrig konzentrierten Säuren gespült. Die Säuren lösten die Nanopartikel auf, wodurch die regenerierten Membranen wiederverwendet werden konnte. Über drei Zyklen von Filtration und Regeneration wurde kein signifikanter Verlust der Filtrationseffizienz festgestellt. Das erworbene Wissen über Filtrationsprinzipien konnte auf relevantere Systeme des täglichen Lebens übertragen werden. Farben, als Beispiel für kommerzielle Quellen von Nanopartikeln, wurden aufgetrennt und analysiert. Die Farbkomponenten wurden auf potenzielle, negative Auswirkungen auf biologische Systeme wie Mikroorganismen und Zellen untersucht, um die Bedeutung der Farbfiltration zu verdeutlichen. Daphnia magna und L929-Zellen wurden als Modellsysteme ausgewählt und beide wurden den erhaltenen Farbfraktionen in unterschiedlichen Konzentrationen ausgesetzt: Polyacrylat-Nanopartikel, Titandioxid-Nanopartikel, Calciumcarbonat-Mikropartikel und dispergiertes Polyacrylat. Für alle Fraktionen wurde eine dosisabhängige negative Auswirkung auf die Vitalität der Wasserflöhe und die Stoffwechselaktivität der Zellen festgestellt. Diese Ergebnisse weisen auf den steigenden Bedarf an hochentwickelten Wasserreinigungsmethoden hin. Daher wurde die Nplus Membran für die Filtration von Farben und Farbfraktionen getestet. Alle Farbfraktionen wurden erfolgreich mit hohen Wirkungsgraden gefiltert, die auf unterschiedlichen Filtrationsmechanismen beruhen. Die Mikropartikel wurden durch einen Größenausschluß-Mechanismus abgetrennt, während die Nanopartikel und das dispergierte Polymer durch elektrostatische Adsorption im Membranvolumen gefiltert wurden. In dieser Arbeit wurden Mechanismen und Anwendungen der Affinitätsmembranen für die Filtration von Nanopartikeln erforscht und das Potenzial von elektrogesponnenen Membranen für Anwendungen in der Filtration von potenziellen Umweltschadstoffen veranschaulicht.