Grafting-onto Approaches as Valuable Tool to Access (Bio-Based) Materials for Water Treatment

In den letzten Jahren haben die Verunreinigung von Trinkwasserquellen durch Arzneimittel, Farbstoffe, Proteine, Hormone und Schwermetalle sowie der fortschreitende Klimawandel und eine weitere Zunahme der menschlichen Bevölkerung zu Wasserknappheit auf unserer Erde geführt. Heutzutage haben etwa 2,1 Millionen Menschen nur begrenzten Zugang zu frischem Trinkwasser. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der Synthese von funktionellen (biobasierten) Materialien zur Wasserdekontamination durch die Funktionalisierung durch Polymeren. Um den Wandel des Chemiesektors hin zu einer nachhaltigeren Zukunft zu unterstützen, dienten die zwölf Grundsätze der Grünen Chemie als Orientierungsrahmen. ... mehrIn einem ersten Projekt wurde eine schnelle mikrowellenunterstützte Synthese von kurzkettigen (gemischten) Celluloseestern (CE) mit hohem Molekulargewicht (59 kDa ≤ Mn ≤ 116 kDa) und variabler Acylseitenkettenlänge (2 ≤ C ≤ 8) unter Verwendung eines schaltbaren DMSO/TMG/CO2 Lösungsmittelsystems in homogener Lösung entwickelt. Nach eingehender Untersuchung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der resultierenden Materialien wurden ausgewählte CEs auf ihre Anwendbarkeit in Wasseraufbereitungsmembranen getestet. In einem zweiten Projekt wurden biobasierte Fettsäurecelluloseester (FCE) mit unterschiedlichen Substitutionsgraden (0.38 ≤ DS ≤ 0.62) invers vulkanisiert, um Verbundwerkstoffe mit hohem Schwefelgehalt (~95 Gew.-% Schwefel) zu erhalten. Eine eingehende strukturelle Charakterisierung der vernetzten Abschnitte ergab eine erhöhte Menge an kovalent eingebautem Schwefel (5,67 Gew.-% ≤ Schwefelgew.-% ≤ 56,2 Gew.-%) bei höheren Substitutionsgraden der FCE. Weitere Untersuchungen der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zeigten die Anwendbarkeit der synthetisierten Verbundwerkstoffe bei der Wasseraufbereitung, d.h. der Quecksilberextraktion, und die Abhängigkeit der Extraktionseffizienz von der strukturellen Zusammensetzung, d.h. dem DS, des verwendeten FCE (70 % ≤ Hg2+-Entfernung ≤ 95 %). Im dritten Projekt wurde ein effizienter einstufiger Syntheseweg für Brenzcatechin-haltige Polymere aus flüssigem Polybutadien über einen einfachen Ansatz der nachträglichen Polymermodifizierung unter Verwendung einer säurekatalysierten Friedel-Crafts-Alkylierung (FCA) entwickelt. Nach der Synthese von Modellverbindungen und der eingehenden strukturellen Charakterisierung aller synthetisierten Verbindungen ergaben Tests zur Entfernung von Metallionen aus wässriger Lösung hervorragende Extraktionseffizienzen (86 % ≤ Mn+ Entfernung < 100 %), wenn das Brenzcatechin-haltigen Polymer als Schwermetallsorptionsmittel verwendet wurde, und unterstrich damit deren potenzielle Anwendung in der Wasseraufbereitung. In einem abschließenden Projekt wurde ein vollständig erneuerbares, Brenzcatechin-haltiges Polyol auf Basis von Sonnenblumenöl mit einem hohen Ölsäureanteil mittels säurekatalysierter FCA synthetisiert. Ein thermisch induzierter katalysator- und lösungsmittelfreier Vernetzungsprozess zwischen dem Polyol und einem Divinylether wurde angewandt, um vollständig biobasierte kovalent vernetzte, anpassungsfähige Netzwerke zu erhalten, die zukünftig möglicherweise in der Wasseraufbereitung Anwendung finden können.

In recent years, the contamination of drinking water sources by pharmaceuticals, dyes, proteins, hormones, and heavy metals, among others, together with the ongoing climate change and a further increase of human population, led to water shortages on our planet. Nowadays, approximately 2.1 million people have only limited access to fresh drinking water. Thus, the current thesis focuses on the synthesis of functional (bio-based) materials for water decontamination via grafting-onto approaches. Herein, to support the transformation of the chemical sector towards a more sustainable future the Twelve principles of Green Chemistry acted as a guiding framework. ... mehr
In a first project, a rapid and homogenous microwave assisted synthesis of high molecular weight (59 kDa ≤ Mn ≤ 116 kDa) short chain (mixed) cellulose esters (CEs) with variable acyl side chain length (2 ≤ C ≤ 8) by using a DMSO/TMG/CO2 switchable solvent system was introduced. After investigation of structure-property relationships of the resulting materials, selected CEs were tested regarding their applicability in water purification membranes. In a second project, biobased fatty acid cellulose esters (FACEs) with different degrees of substitution (0.38 ≤ DS ≤ 0.62) were inversely vulcanized to obtain high sulfur content composite materials (~95 wt% sulfur). Detailed structural characterization of the crosslinked sections revealed an increased amount of covalently incorporated sulfur (5.67 wt% ≤ sulfur wt% ≤ 56.2 wt%) with higher DS of FACE. Further investigation of the structure-property relationships showed the applicability of the synthesized composites in water treatment, i.e. mercury extraction, and the dependence of the extraction efficiency on the structural constitution, i.e. DS, of the FACE used (70 % ≤ Hg2+ removal ≤ 95 %). In the third project an efficient one-step synthesis route towards catechol containing polymers from liquid polybutadiene via a simple post polymerization modification approach applying acid catalyzed Friedel-Crafts alkylation (FCA) was developed. After model compound synthesis and structural characterization of all synthesized compounds, metal ion removal tests revealed excellent extraction efficiencies (86 % ≤ Mn+removal < 100%) when using the catechol containing polymer as heavy metal sorbent and thus emphasized the potential application in water treatment. In a final project, a fully renewable catechol containing high oleic sunflower oil-based polyol was synthesized via an acid catalyzed FCA. A thermally induced catalyst and solvent-free crosslinking process using the polyol and a divinyl ether was applied to access fully bio-based covalent adaptable networks which potentially find applications in water treatment in the future.