title: Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles as a Sustainable Platform for the Removal of Hydrocarbons from Water
title: Superparamagnetische Eisenoxid-Nanopartikel als nachhaltige Plattform für die Entfernung von Kohlenwasserstoffen aus Wasser
Creators: name: Gaß, Henrik
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024

description: Clean water is essential for a healthy and sustainable life. However, traditional water purification methods are limited in their ability to effectively address the many emerging contaminants that are present in all water sources as a result of human activities. Consequently, new, effective and sustainable water treatment methods are needed. In recent years, superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) have developed into a promising platform for this purpose. These nanoparticles can be coated with specific molecules that form a self-assembled monolayer (SAM). The molecules can introduce an interaction motif between SPIONs and the respective water contaminant, which leads to adsorption and agglomeration. As a result, the contaminants can be magnetically removed from the water phase. The choice of molecular coating has a strong influence on the extent and type of interaction and, thus, enables an enormous versatility in the application of water treatment. This versatility is examined in more detail in this work. It is demonstrated on the simplest hydrocarbons: n-alkanes. These can be removed from water using SPIONs regardless of their molar mass (212.42 - "∞" g/mol), aggregate state (liquid, waxy, solid), and morphology (precipitates, waxy flakes, or solid spheres). Furthermore, micro- and nanoplastic particles of different chemical structures (polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), melamine resin (MR)) and sizes (105 nm – 101 µm) can also be efficiently collected. The functionalized SPIONs can bind up to 5 times their own weight in micro- and nanoplastics. In these terms, polymers sized between 2.5 and 5 µm are most efficiently collected. If the number is considered instead of the mass, nanoplastics with a size of 500 nm or smaller can be collected most efficiently. However, it is not only the size, but also the type of polymer and the SAM that significantly determine the efficiency. Based on that data, a semi-empirical model was developed that could support the design of SPIONs for a certain size range of a certain polymer in the future. Another point that determines the performance of the SPIONs is the concentration of micro- and nanoplastics. All experiments were conducted in saturation to exploit the maximum capacity of the SPIONs. However, this concentration is not realistic. Therefore, the concentration was reduced and quantified using fluorescence spectroscopy in a first attempt. It was shown that the concentration can be reduced by at least 3 orders of magnitude (down to at least 105 1/mL) compared to previous laboratory standards for this method and that SPIONs still have removal efficiencies of over 90 %. At the same time, the sustainability of this platform was also demonstrated. The collected plastic “waste" was upcycled as a sorbent for surface oil. Finally, it was shown that the SPIONs can be recovered from this SPION/polymer/oil compound and also be reused, thus enabling a complete recycling loop.
description: Sauberes Wasser ist eine Grundvoraussetzung für ein gesundes und nachhaltiges Leben. Herkömmliche Wasseraufbereitungsverfahren sind jedoch nur begrenzt in der Lage, die vielen neuen Schadstoffe anthropogenen Ursprungs effektiv zu entfernen. Daher werden neue wirksame und nachhaltige Methoden der Wasseraufbereitung benötigt. Hier haben sich in den letzten Jahren superparamagnetische Eisenoxid-Nanopartikel (SPIONs) zu einer vielversprechenden Plattform entwickelt. Diese Nanopartikel können mit bestimmten Molekülen beschichtet werden, die eine selbstorganisierte Monolage (SAM) bilden. Die Moleküle können dabei ein Wechselwirkungsmotiv zwischen SPIONs und der jeweiligen Kontamination einführen. Diese attraktiven Wechselwirkungen führt zu Adsorption und Agglomeration, sodass die SPIONs mitsamt der Kontamination magnetisch aus dem Wasser entfernt werden können. Die Wahl der molekularen Beschichtung hat dabei einen starken Einfluss auf das Ausmaß und die Art der Wechselwirkung und ermöglicht so, eine enorm vielseitige Anwendbarkeit dieser Nanopartikel. Diese Vielseitigkeit wird in dieser Arbeit näher beleuchtet und unter anderen an den einfachsten Kohlenwasserstoffen gezeigt: n-Alkane. Diese können unabhängig ihrer Molmasse (212.42 - „∞“ g/mol), unabhängig ihres Aggregatszustands (flüssig, wachsartig, fest) und unabhängig ihres Erscheinungsbildes (Ausscheidungen, Wachskristalle oder feste Kugeln) mit Hilfe von SPIONs aus dem Wasser entfernt werden. Des Weiteren können auch Mikro- und Nanoplastikpartikel unterschiedlicher chemischer Struktur (Polystyrol (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Melaminharz (MR)) und Größe (105 nm - 101 µm) effizient eingesammelt werden. Dabei zeigt sich, dass die funktionalisierten SPIONs das bis zu 5-fache ihres Eigengewichts an Polymer binden können. Dies gilt insbesondere für Größen zwischen 2.5 und 5 µm. Betrachtet man nicht die Masse, sondern die Anzahl der eingesammelten Plastikpartikel, lässt sich vor allem Nanoplastik mit einer Größe von 500 nm oder kleiner am effizientesten einsammeln. Aber nicht nur die Größe, sondern auch die Art des Polymers und der SAM bestimmen die Effizienz maßgeblich. Auf Basis dieser Daten wurde ein semi-empirisches Modell entwickelt, dass in Zukunft beim Design von SPIONs für einen bestimmten Größenbereich eines bestimmten Polymers helfen könnte. Ein weiterer Punkt, der die Performance der SPIONs bestimmt, ist die Konzentration an Mikro- und Nanoplastik. In allen Experimenten wurde in einer Sättigung gearbeitet, um die maximale Kapazität der SPIONs auszuschöpfen. Diese Konzentration ist jedoch nicht realitätsnah. Deshalb wurde in einem ersten Versuch, die Konzentration verringert und über Fluoreszenzspektroskopie quantifiziert. Dabei wurde gezeigt, dass die Konzentration um mindestens 3 Größenordnungen (bis mindestens 105 1/mL) im Vergleich zu vorherigen Laborstandards für diese Methode reduziert werden kann und SPIONs weiterhin Effizienzen von über 90 % aufweisen. Gleichzeitig wurde auch die Nachhaltigkeit dieser Plattform demonstriert. Der eingesammelte „Plastikmüll“ wurde als Sorptionsmittel für oberflächiges Öl upgecyclet. Anschließend wurde gezeigt, dass die SPIONs aus diesem SPION/Polymer/Öl-Gemisch wiedergewonnen und auch erneut genutzt werden können, sodass ein kompletter Recyclingkreislauf ermöglicht wird.