Langenhagen, Uwe:

Synthese und Charakterisierung von porengefüllten Kompositmembranen aus Kernspurmembranen

Duisburg, Essen (2008), XIV, 274 Bl.
Dissertation / Fach: Chemie
Fakultät für Chemie » Technische Chemie
Ulbricht, Mathias (Doktorvater, Betreuerin)
Siesler, Heinz Wilhelm (GutachterIn)
Dissertation
Abstract:
In der hier vorliegenden Dissertation sollten porengefüllte, verschlossene MIP-Kompositmembranen aus unterschiedlichen Kernspurmembranen synthetisiert werden, bei denen auf der äußeren Membranoberfläche die MIP-Schicht so gering wie möglich gehalten werden sollte. Bei einem MIP handelt es sich um ein molekular geprägtes Polymer (molecularly imprinted polymer). Die so hergestellten MIP-Kompositmembranen sollten in der kontinuierlichen Stofftrennung von Enantiomeren eingesetzt werden, so dass der Trennmechanismus ein erleichterter „fixierter Carrier“-Transport eines der beiden Enantiomere sein sollte.
Bei der dem Porenfüllen von Kernspurmembranen zu Grunde liegenden Strategie ist davon ausgegangen worden, dass die verwendeten Kernspurmembranen eine einheitliche Porenstruktur mit nur einer Porengröße besitzen. Die Charakterisierung der unterschiedlichen Typen von Kernspurmembranen hat aber gezeigt, dass dies nicht der Fall ist. Bei allen Typen liegen mehr oder weniger breite Porengrößenverteilungen mit uneinheitlicher Porenverteilung /-struktur und Porosität vor. Dies hat dann auch Auswirkungen auf die späteren Kompositmembranen gehabt.
Um die Polymerschicht auf der äußeren Membranoberfläche so weit wie möglich zu reduzieren, ist eine neue Synthesestrategie, die so genannte Sandwich-Schutzmethode entwickelt worden, bei der die zu modifizierende Kernspurmembran zwischen zwei Filterpapieren liegt. Bei den gewählten Synthesebedingungen garantiert diese Methode eine Modifizierung der Kernspurmembran; ohne die Filterpapiere als Schutz findet dagegen keine Modifizierung statt. Außerdem gewährleistet die Sandwich-Schutzmethode, dass die äußere Polymerschicht sehr dünn gehalten werden kann.
Mit der Sandwich-Schutzmethode konnte eine neue Synthesestrategie zur MIP-Kompositmembran-Herstellung bei guter Reproduzierbarkeit der Modifizierung etabliert werden. Dies gilt für unterschiedliche Porendurchmesser der Kernspurmembranen und eingesetzte Lösungsmittel. Über die UV-Bestrahlungszeit kann ein gewünschter Funktionalisierungsgrad gut vorgegeben und eingestellt werden.
Um eine kontinuierliche Stofftrennung der Enantiomere in den Kompositmembranen zu erreichen, müssen alle Poren mit dem MIP verschlossen werden. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Syntheseverfahren kann ein vollständiges Verschließen aller Poren erreicht werden. Dies gelingt entweder in einem Einschritt- oder einem Mehrschritt-Verfahren abhängig von der verwendeten Kernspurmembran und dem verwendeten Lösungsmittel. Zum aktuellen Zeitpunkt kann ein partielles Füllen der Porenkanäle bei sehr dünnen äußeren MIP-Schichten garantiert werden.
Die Ergebnisse der Diffusionsexperimente haben gezeigt, dass Enantiomerentrennungen mit den in diesem Verfahren synthetisierten MIP-Kompositmembranen in Abhängigkeit vom verwendeten Lösungsmittel beim Prägen möglich sind. Die Ergebnisse zeigen jedoch auch, dass bei Wiederholungsmessungen der Trennfaktor der MIP-Kompositmembran abnimmt. Eine permanente Trennfähigkeit konnte noch nicht erreicht werden, da es mit der Zeit zum Verlust der geprägten Erkennungsstellen („Imprints“) infolge einer zu geringen Fixierung dieser im zu wenig vernetzten Polymer kommt.
Mit der in dieser Arbeit entwickelten Synthesestrategie können Kompositmembranen hergestellt werden, bei denen der effektive Diffusionskoeffizient gegenüber den unmodifizierten Kernspurmembranen nur geringfügig abnimmt.
Die Untersuchungen der geprägten Polymere haben gezeigt, dass die spezifische Oberfläche recht gering ist. Dies wirkt sich negativ auf Trennungen aus, weil nur eine geringe Anzahl an „Imprints“ für den „fixierten Carrier“-Transport zur Verfügung stehen. Die im MIP vorliegende feinporige Polymerstruktur begünstigt dagegen den Lösungs-Diffusions-Mechanismus mit „fixiertem Carrier“-Transport.
Da sich gezeigt hat, dass die Stabilität zwischen Polymer und Kernspurmembran mit steigendem Druck abnimmt, wurde die Oberfläche der Kernspurmembran vor der eigentlichen Polymer-Modifizierung mit einer „Bürsten“-Struktur vormodifiziert. Dadurch sollte eine bessere Verankerung des Polymers mit der Kernspurmembran erzielt werden. Die anschließenden druckabhängigen Messungen haben signifikant eine verringerte Polymerentfernung aus der Kompositmembran nachgewiesen. Diese Arbeit zeigt also, dass durch eine „Bürsten“-Struktur auf der Oberfläche die druckabhängige Stabilität der Kompositmembranen erhöht werden kann.

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