Forschung
- Polymere
- Membranen und Membrantrennverfahren
- Pervaporation
- Aromaten/Aliphaten-Trennung
- Isomerentrennung
- Prozesswasseraufbereitung
- Facilitated Transport
- SFB 663
- Optische Materialien
- Abreicherung schwefelhaltiger Aromaten
- Thermostabile Funktionsmaterialien
Polymere
In unserer Arbeitsgruppe werden funktionale Polymere synthetisiert, charakterisiert und in verschiedenen Bereichen, z.B. zur Auftrennung gasförmiger und flüssiger Stoffgemische eingesetzt. Bei der Herstellung funktionaler Polymere ist es besonders wichtig, dass die Zusammensetzung des Polymers und die Verteilung der funktionellen Gruppen gut reproduziert werden können.
Abb. 1: Copolyimid 6FDA-4MPD/DABA 4:1
Als Basismaterialien werden 6FDA-Copolyimide(=Hexafluoroisopropyliden diphthalsäureanhydrid) verwendet, da diese nicht nur eine herausragende chemische und thermische Beständigkeit aufweisen und deshalb in verschiedensten Anwendungen u. a. auch in der Halbleitertechnik eingesetzt werden, sondern auch in gängigen Lösungsmitteln gut löslich sind und somit die Verarbeitung zu Membranen in Form von freitragenden Filmen bzw. Compositen ermöglichen.
Um Copolyimide mit einer definierten Anzahl funktioneller Gruppen herzustellen, wird das Dianhydrid (6FDA) mit einem oder mehreren Diaminen und der Diaminobenzoesäure (DABA) in einer Polykondensationsreaktion umgesetzt (siehe Abb. 1). Die Carboxylgruppe der Diaminobenzoesäure bleibt als funktionelle Gruppe während der Polymerisationsreaktion erhalten, da ihre Reaktivität im Vergleich zum Dianhydrid am 6FDA-Monomeren gering ist.
Abb. 2: Polykondensationsreaktion zur Herstellung funktionalisierter Copolyimide
Der Vorteil bei der hier dargestellten
Methode ist, dass die Anzahl der vernetzbaren Gruppen durch die
Stöchiometrie in der Polykondensationsreaktion, d.h. durch das
Verhältnis der Diamine, bestimmt werden kann.
Beispielsweise wird bei einem Verhältnis der
Diamine 4MPD/DABA von 9:1 in der Synthese
ein Copolyimid erhalten, das statistisch verteilt in jeder 10.
Polymereinheit eine Carboxylgruppe aufweist.
Durch Variation der Diamine können Copolyimide mit unterschiedlichen Eigenschaften, z.B. Glasübergangstemperatur und charakteristische Trenneigenschaften bezüglich bestimmter Stoffe, synthetisiert werden, da die Struktur der Diamine die Flexibilität aber auch die Polarität des Polymergrundgerüsts beeinflusst. Die so erhaltenen funktionalisierten Copolyimide können als Basiswerkstoffe für neue Membranmaterialien eingesetzt werden.
Durch Variation der Diamine können Copolyimide mit unterschiedlichen Eigenschaften, z.B. Glasübergangstemperatur und charakteristische Trenneigenschaften bezüglich bestimmter Stoffe, synthetisiert werden, da die Struktur der Diamine die Flexibilität aber auch die Polarität des Polymergrundgerüsts beeinflusst. Die so erhaltenen funktionalisierten Copolyimide können als Basiswerkstoffe für neue Membranmaterialien eingesetzt werden.
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Membranen und Membrantrennverfahren
Als Membranen bezeichnet man hinreichend dünne Schichten, die unterschiedliche Durchlässigkeiten für verschiedene Komponenten aufweisen und sich aus diesem Grund zur Trennung von Stoffgemischen eignen. Man unterscheidet zwischen porösen Membranen und Lösungs-Diffusions-Membranen. Poröse Membranen besitzen Poren, deren Durchmesser größer als 2 nm sind, wohingegen die Poren von Lösungs-Diffusions-Membranen wesentlich kleiner als 2 nm sind. Poröse Membranen werden aus anorganischen Materialien wie Zeolithe, Glas und Metallen teilweise aber auch aus Polymeren hergestellt. Ihre Trenneigenschaften beruhen auf der unterschiedlichen Teilchengröße der zu trennenden Komponenten im Vergleich zum Porendurchmesser der Membran. Die großen Moleküle werden wie von einem Sieb zurückgehalten, die kleinen Moleküle permeieren durch die Membran.
Poröse Membranen (Abb. 1) finden zum Beispiel Anwendung in Funktionskleidung (Goretex), in der Abwasserbehandlung und in der Dialyse.
a) b)
Abb. 1 : a) schematische Darstellung und b) elektronenmikroskopische Aufnahme einer porösen Membran, mit freundlicher Genehmigung von Prof. Dr. Werner A. Goedel, TU Chemnitz
Lösungs-Diffusions-Membranen (Abb. 2) werden aus speziellen Polymeren hergestellt. Die Trennung des Stoffgemisches beruht auf dem Lösungs-Diffusions-Mechanismus. Die Komponente mit einer großen Löslichkeit und einer hohen Diffusionsgeschwindigkeit im Membranpolymer permeiert bevorzugt durch die Membran, so dass auch Stoffgemische aus Komponenten gleicher Größe aufgetrennt werden, oder sogar auch die größeren Moleküle bevorzugt permeieren können.
Lösungs-Diffusions-Membranen werden zum Beispiel zur Sauerstoffanreicherung aus der Luft, zur Wasserstoffabtrennung bei der Ammoniaksynthese, zur Monomerrückgewinnung aus Abluftströmen, zur Entwässerung von Alkoholen und Ketonen und zur Erdgasaufbereitung eingesetzt.
a) b)
Abb. 2 : a) schematische Darstellung und b) elektronenmikroskopische Aufnahme einer Lösungs-Diffusions-Membran
Membrantrennverfahren
Die Gewinnung möglichst reiner Produkte in großen Ausbeuten in großtechnischem Maßstab ist in der chemischen Industrie von großer Bedeutung. Die klassischen Stofftrennungsverfahren wie Destillation, Rektifikation, Extraktion und Kristallisation sind sehr energieaufwändig und teuer und stoßen bei immer komplizierteren Trennproblemen an ihre Grenzen.
Mit Membranverfahren sind Stofftrennungen durchführbar, bei denen die konventionellen Methoden nicht ohne weiteres einsetzbar sind. Zum Beispiel ist die Trennung azeotroper Gemische oder temperaturempfindlicher Substanzen mit Membrantrennverfahren ohne weiteres möglich, während mit konventionellen Methoden Hilfsstoffe, z.B. Schleppmittel im Falle der Azeotropdestillation eingesetzt werden müssen, die dann wieder von den gewünschten Produkten abgetrennt werden müssen.
Membrantrennverfahren können mit klassischen Trennmethoden in so genannten Hybridprozessen kombiniert werden oder diese komplett ersetzen. Sie sind schneller, wirtschaftlicher, benötigen weniger Energie und sich daher umweltfreundlicher als die klassischen Trennverfahren.
Membrantrennverfahren sind für die Trennung von gasförmigen, dampfförmigen und flüssigen Mischungen geeignet und bieten vielseitige Anwendungsmöglichkeiten, die in Tab. 1 aufgelistet sind.
Tab. 1: Membranprozesse und ihre Anwendungen [Lit.1]
|
Membrantrennverfahren |
Membrantyp |
Anwendung |
|
Mikrofiltration |
porös |
Farbpartikelrückgewinnung
in der Lackindustrie, Klärung und Konzentrierung in der
Getränkeindustrie |
|
Ultrafiltration |
porös |
Abwasseraufbereitung,
Trinkwasseraufbereitung |
|
Nanofiltration |
porös |
Abwasseraufbereitung |
|
Umkehrosmose |
porös |
Abwasseraufbereitung,
Trinkwassergewinnung durch Meer- und Brackwasserentsalzung |
|
Elektrodialyse |
Lösungs-Diffusions-Membran |
Trinkwassergewinnung
durch
Meer- und Brackwasserentsalzung, Rückgewinnung von Nickel aus
Galvanikbädern |
|
Dialyse |
porös /
Lösungs-Diffusions-Membran |
Blutwäsche
(„künstliche Niere“) |
|
Dampfpermeation |
Lösungs-Diffusions-Membran |
Benzindampfrückgewinnung |
|
Gaspermeation |
Lösungs-Diffusions-Membran |
Trennung von
O2/N2,
CO2/CH4, H2/N2 |
|
Pervaporation |
Lösungs-Diffusions-Membran |
Entwässerung
von
Lösungsmitteln, Abwasseraufbereitung, Aromaten/Aliphaten-Trennung |
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Pervaporation
Prinzip der Pervaporation
Der Begriff Pervaporation wurde erstmalig von Kober [1] im Jahre 1917 in der Literatur erwähnt. Als Pervaporation bezeichnet er ein Membrantrennverfahren, das einen Phasenübergang beinhaltet.
Abb.
1: Schematische Darstellung der Pervaporation
Bei der Pervaporation wird das flüssige zu trennende Gemisch, der sogenannte Feed, durch eine Lösungs-Diffusions-Membran aufgetrennt (siehe Abb. 1). Beim Durchtritt durch die Membran kommt es zu einem Phasenübergang und man erhält das dampfförmige Permeat. Die für den Phasenübergang benötigte Verdampfungsenergie wird im Allgemeinen von außen in Form von Wärme zugeführt.
Die Komponente, die gut durch die Membran diffundiert, wird im Permeat angereichert. Dementsprechend wird die Komponente, die schlecht durch die Membran permeiert im Retentat angereichert. Welche der Komponenten bevorzugt durch die Membran permeiert, hängt von ihrer Löslichkeit und ihrer Diffusionsgeschwindigkeit im Membranmaterial ab. Eine Komponente weist eine gute Löslichkeit im Membranpolymer auf, wenn sie eine hohe Affinität zu diesem besitzt.
Die Triebkraft der Permeation beruht auf der Differenz der chemischen Potentiale der einzelnen Komponenten zwischen Feed- und Permeatseite. Diese Potentialdifferenz kann durch einen Konzentrationsgradienten, eine Druckdifferenz oder einen Temperaturgradienten erzeugt werden. Beim Pervaporations-Prozess wird die Potentialdifferenz durch Unterdruck auf der Permeatseite hergestellt.
Animation zum Prinzip der Pervaporation
(Copyright: Andrew Smith, zur Wiedergabe werden Divx-Codecs benötigt.
Das Lösungs-Diffusions-Modell
Das Lösungs-Diffusions-Modell beschreibt den Mechanismus, der dem Stofftransport durch die Membran zu Grunde liegt. Es wurde 1866 von Graham [2] zur Erklärung der Permeation von flüssigen und gasförmigen Stoffen durch Kautschukfilme entwickelt.
Abb.
2: Darstellung des Lösung-Diffusions-Mechanismus
Der Stofftransport der Komponenten durch die Membran hängt von ihrer Löslichkeit im Membranpolymer und ihrer Diffusionsgeschwindigkeit ab.
Stofftransport bei Membranprozessen
Polymere können kristalline oder amorphe Eigenschaften aufweisen. Während kristalline Polymere auf Grund ihrer Linearität und der sich ausbildenden Wasserstoffbrückenbindungen dicht gepackt sind, liegen amorphe Polymere geknäult vor, so dass sich zwischen den einzelnen Polymerketten Hohlräume befinden, die auf Grund konformativer Einschränkungen nicht ausgefüllt werden können. Die Gesamtheit dieser Hohlräume wird als freies Volumen bezeichnet. Es ist ein Maß für den Raum, der dem Polymer für Translation und Rotation zur Verfügung steht.
Um den Stofftransport durch die Membran zu veranschaulichen, haben Pace und Datyner [3] ein Modell entwickelt. Danach werden die Teilchen vom Feed- zum Permeatraum transportiert, indem sie sich über Kanäle von einem Mikrohohlraum zum nächsten bewegen. Diese Kanäle kommen kurzzeitig durch thermisch ausgelöste Segmentbewegungen der Polymerketten zustande. In Abb. 3 ist in einer Computersimulation die Bewegung eines Sauerstoffmoleküls in einer Polyethylenmatix dargestellt [4].
Abb.
3: Computersimulation der
Bewegung eines Sauerstoffmoleküls in einer Polyethylenmatrix nach
6 (I), nach 12,1 (II), nach 13,3 (III) und nach 16,1ps (IV) [4]
Die Größe der Kanäle beeinflusst die Selektivität. Durch große Segmentbewegungen werden weite Kanäle geöffnet und fast alle Moleküle, sogar große, sperrige können die Membran passieren. Dieser Fall trifft auf gummiartige Polymere zu. Die Selektivität ist dann gering.
Finden dagegen wie bei kettenstarren Polymeren nur kleine Segmentbewegungen statt, die enge Kanäle freilegen, ist die Diffusion selektiver, so dass bevorzugt die Moleküle mit der größeren Affinität zum Membranpolymer permeieren. In diesem Fall ist die Selektivität groß.
Die Trennleistung einer Membran – Charakteristische Größen
Die Trennleistung einer Membran wird durch ihre Permeabilität und ihre Selektivität beschrieben.
Die Permeabilität lässt sich in Form des Masseflusses messen. Der Fluss gibt die Masse der durchtretenden Substanz pro Fläche und Zeit an und hat die Einheit kg·m-2·h-1.
Um verschiedene Membranen miteinander vergleichen zu können, verwendet man den normierten Fluss, der zusätzlich die Dicke der Membran mit einbezieht. Der normierte Fluss hat demnach die Einheit µ·kg·m-2·h-1
Die Selektivität beschreibt die Qualität der Trennung. Die Selektivität a einer binären Mischung kann mit Hilfe der Gewichtsbrüche der Komponenten im Feed und Permeat bestimmt werden.
mit
wi = Gewichtsbruch der Komponente ii = bevorzugt permeierende Komponente
Im technischen Bereich und bei der Untersuchung von Multi-Komponenten-Mischungen wird häufig der Anreicherungsfaktor b zur Beschreibung der Trennleistung einer Membran verwendet.
[1] P.A. Kober, Pervaporation, Perstillation and Percrystallization, J. Am. Chem. Soc. 39, 1917, 944-948
[2] T. Graham, Philos. Mag. 32, 1866, 401
[3] R.J. Pace, A. Datyner, Statistical Mechanical Model for Diffusion of Simple Penetrants in Polymers, J. Polym. Sci. Polym. Phys. Ed. 17, 1979, 437
[4] H. Takeuchi, A jump of small molecules in glassy polymers by photochromatic and fluorescence technique, Macromolecules 20, 1990, 2241-2250
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Aromaten/Aliphaten-Trennung
Schon seit 25 Jahren wird auf dem Gebiet der Aromaten/Aliphaten-Trennung geforscht. Der erste Durchbruch gelang Brun und Larchet[1] 1983, als sie bei der Trennung eines Benzol/n-Heptan-Gemisches mit elastomeren Membranen aus Acrylnitil-Butadien-Kautschuk (NBR) und Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) exzellente Aromatenselektivitäten erzielten. Seit diesem Zeitpunkt werden vermehrt elastomere Membranmaterialien und ihre Modifizierungsmöglichkeiten untersucht.
Die Aromaten/Aliphaten-Trennung ist industriell aus zwei Gründen besonders interessant: Erstens zur Kraftstoffaufbereitung und zweitens zur Aufbereitung von Naphtha-Schnitten, wobei sich bei diesen beiden Anwendungen die aufzutrennenden Gemische deutlich in ihrem Aromatengehalt unterscheiden. Bei der Kraftstoffaufbereitung liegt der Aromatengehalt bei 5 bis 10 %, bei Naphtha-Schnitten bei 50 bis 60 %. Dies hat zur Folge, dass unterschiedliche Membranmaterialien notwendig sind.
In der Literatur findet man fast ausschließlich Untersuchungen zu binären Mischungen, da sich diese leicht analysieren lassen. Bei der Kraftstoffaufbereitung und der Aufbereitung von Naphtha-Schnitten, handelt es sich aber um Multi-Komponenten-Systeme. Fraglich ist, inwieweit sich die bei den binären Systemen erzielten Ergebnisse auf Multi-Komponenten-Systeme übertragen lassen.
Ein weiteres Problem ist, dass in fast allen bislang veröffentlichten Ergebnissen Toluol oder Benzol als Aromat eingesetzt wurden. Gerade für die Kraftstoffaufbereitung wäre es aber von großem Interesse, auch größere mehrkernige Aromaten abtrennen zu können.
Aus diesem Grund werden die Permeabilitäten und Selektivitäten von ein- und mehrkernigen Aromaten in binären und in Multi-Komponenten-Systemen in unserem Arbeitskreis untersucht. Hierbei werden unter Variation von Temperatur, Druck und Vorbehandlung verschiedene teilweise modifizierte und vernetzte Membranen eingesetzt.
[1] J.P. Brun, Process for separating hydrocarbons, US Patent 3,930,990, 1976
D. Katarzynski, F. Pithan, C. Staudt, Pervaporation of multi component aromatic/aliphatic mixtures through copolyimide membranes, Separation Science and Technology 43, 59-70 (2008).
D. Katarzynski, C. Staudt, Permeation properties of different aromatic substances in multicomponent aromatic/aliphatic pervaporation experiments, Desalination, 2006, 200, 23.
D. Katarzynski, C. Staudt-Bickel, Separation of multi component aromatic/aliphatic mixtures by pervaporation with copolyimide membranes, Desalination, 2006, 189, 81.
Poster:
D. Katarzynski, C. Staudt, Polymermembranen zur Trennung von Aromaten/Aliphaten-Gemischen durch Pervaporation, proceedings of Tag des wissenschaftlichen Nachwuchses 2007, 22. Juni, Düsseldorf
D. Katarzynski, A. Mixa, C. Staudt, Permeation properties of different aromatic substances in multi component aromatic/aliphatic pervaporation experiments, proceedings of Euromembrane 2006, 24.-28. September, Taormina, Italien
D. Katarzynski, C. Staudt, Separation of multi component aromatic/aliphatic mixtures by pervaporation with copolyimide membranes, proceedings of Jülich Soft Matter Days 2005, 1.-4. November, Bonn
D. Katarzynski, C. Staudt, Separation of multi component aromatic/aliphatic mixtures by pervaporation with copolyimide membranes, proceedngs of 10. Aachener Membran Kolloquium 2005, 16.–17. März, Aachen
Bei Fragen zu diesem Thema wenden Sie sich bitte an Daniela Katarzynski.
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Isomerentrennung
Eine effektive Trennung von Isomeren im industriellen Maßstab ist immer noch eine große Herausforderung. Da sich Isomere nur geringfügig in ihren physikalischen Eigenschaften wie Schmelz- und Siedepunkte unterscheiden, können sie nicht durch eine einfache Destillation getrennt werden. Konventionelle Trennmethoden wie Rektifikation, Adsorptions- oder Kristallisationsprozesse sind komplex und mit einem hohen Energieaufwand verbunden.
Die Verwendung von Polymermembranen zur Isomerentrennung ist dagegen eine kostengünstige und umweltfreundliche Alternative. In der Auftrennung von gesättigten und ungesättigten Kohlenwasserstoffen, Olefin/Paraffingemischen oder Aromaten/Aliphatengemischen, liefern Membrantrennverfahren bereits Erfolg versprechende Ergebnisse. Das Ziel des Projekts im Rahmen einer Doktorarbeit ist die Entwicklung geeigneter Membranen zur Auftrennung flüssiger und gasförmiger Isomerengemische. Untersucht werden sollen die Löslichkeitseingenschaften und das Permeationsverhalten von p-Xylol/o-Xylol[1] und 1-Buten/iso-Buten.
Als Basispolymere werden verschiedenen Methacrylsäurecopolymere und Carboxylgruppen tragende Polyimide eingesetzt, die durch den Einbau von chiralen Hilfsstoffen in ihren Trenneigenschaften verbessert werden sollen.
[1] Marcus Schleiffelder and Claudia Staudt-Bickel, Crosslinkable copolyimides for the membrane-based separation of p-/o-xylene mixtures, Reactive and Functional Polymers, 49/3, 2001, 27-35
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Prozesswasseraufbereitung
Bei industriellen Prozessen treten oft große Abwasserströme auf, welche mit biologisch schwer abbaubaren und oft endokrin wirksamen Organika verunreinigt sind. Vor der Freisetzung in die Umwelt müssen diese Abwasserströme innerhalb einer Kläranlage unterschiedliche Verfahren durchlaufen, bis letztendlich das Wasser in die Umwelt abgegeben werden kann. Am Ende der herkömmlichen Klärung steht dann die Verbrennung des Klärschlammes, wobei gleichzeitig wertvolle Rohstoffe verloren gehen.
Durch den Einsatz geeigneter Polymermembranen bei der Pervaporation in einem prozessintegrierten Recycling werden diese organischen Schadstoffe abgetrennt und können in vielen Fällen als Rohstoffe wieder eingesetzt werden (Abb. 1). Das Abwasseraufkommen kann auf diese Weise deutlich gesenkt oder sogar gänzlich unterbunden werden, da auch das gereinigte Wasser wieder in den Prozess eingebracht werden kann.
Abb.
1: Prozessschema für die Abrennung von Phenol aus Prozesswasser
Im Hinblick auf derartige Anwendungen werden Methacrylsäure-Copolymere, Copolyimide und andere Polymere an unterschiedlichen Trennproblemen untersucht. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Abtrennung von Phenolen aus wässrigen Lösungen, wobei auch andere Organika (Anilin, Styrol, chlorierte Kohlenwasserstoffe) auf diese Weise abgetrennt werden können. Der Einfluss von Temperatur, Druck, pH-Wert und hohen Salzkonzentrationen in der Feedlösung auf die Trennleistung wird ebenfalls untersucht.
Die Leistungsfähigkeit der untersuchten Polymere soll durch geeignete Modifikationen wie Vernetzung und Funktionalisierung gesteigert werden. Somit können einige wenige Basispolymere entsprechenden Trennproblemen angepasst werden.
Bei Fragen zu diesem Thema wenden Sie sich bitte an Alexander Mixa.
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Facilitated Transport
Eines der wichtigsten Trennprobleme in der Chemischen Industrie ist die Auftrennung von gasförmigen Olefin/Paraffin-Gemischen. Olefine, wie Ethen und Propen, zählen aufgrund ihrer hohen Reaktivität zu den bedeutendsten Produkten der Petrochemie. Sie dienen als Grundchemikalien zur Herstellung von Polymeren, Säuren, Alkoholen, Estern und Ethern. Industriell werden die Gasgemische hauptsächlich durch die kosten- und energieintensive Tieftemperaturdestillation getrennt.
Als Alternative zur kryogenen Destillation wird die Stofftrennung in der Gasphase mittels Lösungs-Diffusions-Membranen untersucht, die auf der unterschiedlichen Löslichkeit und Diffusionsgeschwindigkeit der einzelnen Komponenten im Membranmaterial basiert. Wichtige Größen bei der Gaspermeation sind die Permeabilität, die im Grunde ein Maß für die Geschwindigkeit des Stofftransports durch die Membran ist, sowie die Selektivität, die das Trennvermögen der Membran beschreibt.
Eine vielversprechende Methode zur Verbesserung der Selektivität und Permeabilität stellt die Fixierung von Silberionen in der Membran dar. Silberionen können mit Olefinen einen reversiblen Komplex bilden, wodurch zum einen die Löslichkeit des Olefins im Membranmaterial erhöht wird und zum anderen der Olefintransport nun auch über die fixierten Silberionen stattfindet. Die Permeationsrate des Olefins wird also durch diesen Facilitated-Transport-Mechanismus erhöht, während die Paraffine die Membran weiterhin nur aufgrund des Lösungs-Diffusionsmechanismus passieren können.
Ein erfolgreicher Faciltated-Transport hängt jedoch davon ab, ob Silberionen in ausreichender Anzahl für die Komplexbildung der Olefine zur Verfügung stehen. Bei der Entwicklung einer stabilen, industriell einsetzbaren Membran besteht die größte Herausforderung deshalb darin, die unerwünschte Reduktion der Silberionen zu elementarem Silber, welches keine Olefin-Komplexe ausbilden kann, zu vermeiden.
In unserem Arbeitskreis werden neue Konzepte für hochselektive und langzeitstabile Facilitated-Transport-Membranen auf Basis von Vinylpyrrolidon-Copolymeren erarbeitet.
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SFB 663: Immobilisierung von chromophoren Gruppen an funktionalisierten Copolyimiden
Funktionale Polymere sind wissenschaftlich besonders interessant, weil an den reaktiven Gruppen Modifizierungen durchgeführt werden können, die zu Werkstoffen mit völlig neuen Eigenschaften führen. Werden geeignete polymere Oberflächen beispielsweise mit Cyclodextrinen modifiziert, können spektroskopisch interessante Moleküle wie Carotinoide immobilisiert werden. Die Anbindung erfolgt dabei, wie in der oben stehenden Abbildung gezeigt, über eine Wirt-Gast-Beziehung.
In unserer Arbeitsgruppe werden Trägermaterialien entwickelt, die es erlauben, Singulett- und Triplett-Übergänge an Chromophoren ohne Aggregation in der Flüssigphase zu untersuchen. Aggregatbildungen bei photoprotektiven Carotinoiden könnten damit sogar in sehr stark verdünnten Lösungen (10-19 M) nachgewiesen werden. Untersuchung dieser Chromophore sollen mittels Fluoreszenz-, Raman- und Absorptionsspektroskopie in Zusammenarbeit mit der Physikalischen Chemie (Arbeitsgruppe Prof. Dr. Karl Kleinermanns, Prof. Dr. Claus Seidel) eingesetzt werden.
Funktionale Polymere können aber auch in polymeranalogen Reaktionen mit photovernetzbaren Gruppen umgesetzt werden, so dass neue, homogen vernetzte, photostabile und temperaturbeständige Membranwerkstoffe für die Stofftrennung erzeugt werden, die sich einfach und kostengünstig verarbeiten lassen. Dabei soll die Entwicklung von Vernetzungsstrategien ohne Photoinitiatoren durch direkte photoinduzierte Reaktion der Vernetzermoleküle im Zentrum stehen.
Poster:
Alexander Mixa, Patrick Rölling, Claudia Staudt, Immobilizing of Chromophoric Groups on Functionalized Polymers, SFB 663 Meeting, Bad Münstereifel, Germany, 16-18.04.2007
N. Schmeling, K. Hunger, C. Staudt and K. Kleinermanns, Photo cross-linking of ethylene methacrylic acid copolymers functionalized with maleimide side groups, Jahrestagung der Fachgruppe Photochemie der GDCh, Bielefeld, October 2008
Bei Fragen zu diesem Thema wenden Sie sich bitte an Alexander Mixa oder Nadine Schmeling.
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Optische Materialien
Die Zunahme der akustischen und visuellen Kommunikation zeigt sich durch den stark wachsenden Umsatz an Mobiltelefonen und Digitalkameras. Damit steigen auch die Ansprüche der Endanwender, der Trend geht zu immer kleineren und leichteren Geräten. Dies lässt sich einerseits durch Veränderungen der Konstruktion aber auch durch die Verwendung neuer Werkstoffe realisieren, die leichter und günstiger sind. So können eine Gewichtsreduktion und eine Kostensenkung erreicht werden, indem die in Digitalkameras eingesetzten Glaslinsen durch Polymerlinsen ersetzt werden.
Abb. 1: Linsen
Die Herstellung von Massenartikeln ist mit Polymeren einfacher als mit Glas. Bei Objektiven der in Mobiltelefonen eingebauten Digitalkameras mit Festbrennweite haben sich Polymerlinsen bereits etabliert. Bei Vario-Objektiven, wie sie in konventionellen Fotokameras zum Einsatz kommen, werden heute ausschließlich Glaslinsen eingesetzt, da die momentan zugänglichen Polymere noch nicht die benötigten optischen Eigenschaften liefern. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die optischen Eigenschaften kommerziell erhältlicher Polymere im Vergleich zum Glas sehr viel stärker von der Temperatur oder der Luftfeuchtigkeit abhängen, was unerwünschte Effekte wie Unschärfe oder den typischen „Blaustich“ am Bildrand zur Folge hat.
Das Ziel soll deshalb sein, neue Materialien zu schaffen, die Gläser mit hohem Brechungsindex ersetzen können und für die Fertigung von qualitativ hochwertigen Linsen für Digitalkameras geeignet sind. Um dies zu erreichen, sollen an funktionalisierte schwefelhaltige Polymere modifizierte Nanopartikel gebunden werden. Die Erhöhung der Brechungsindizes soll dabei sowohl durch den Schwefelgehalt des Polymers als auch durch die hohe Brechkraft der Nanopartikel erreicht werden.
Poster:
Miroslav Mrsevic und Claudia Staudt, Funktionspolymere zur Herstellung von Polymerlinsen für bildgebende Optiken in digitalen Anwendungen, Posterpräsentation K Düsseldorf 2007, Düsseldorf, 26.10.2007
M. Mrsevic and C. Staudt, Functionalized, sulphur containing polyimides for optical applications, MAM 08, Düsseldorf, September 2008
Bei Fragen zu diesem Thema wenden Sie sich bitte an Miroslav Mrsevic.
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Abreicherung schwefelhaltiger Aromaten
Neben diversen Schwefelverbindungen stehen insbesondere Aromaten, wie Thiophen und dessen polycyclische Derivate im Verdacht, Katalysatoren in Raffinerien und Kraftfahrzeugen zu vergiften und damit zur Partikelbildung im Abgas beizutragen. Das bei der Verbrennung des Kraftstoffes gebildete Schwefeldioxid reagiert zudem mit dem in der Atmosphäre enthaltenem Wasser zu Säuren, welche als „saurer Regen“ zurück auf die Erde gelangen.
Abb. 1: Schwefelhaltige Aromaten
Die Abreicherung schwefelhaltiger Aromaten aus Kraftstoffen ist daher Bestandteil verschärfter gesetzlicher Auflagen und von forschungsorientiertem und industriellem Interesse. Das heute noch gebräuchliche Verfahren zur Entschwefelung von Kraftstoffen ist die so genannte Hydrodesulfurierung (engl. hydrodesulphurization HDS) mittels katalytischer Hydrierung. Der Nachteil dieses Prozesses ist jedoch die bei der Hydrierung eintretende Sättigung der olefinischen Bestandteile und die damit verbundene Erniedrigung der Oktanzahl des Kraftstoffes. Zudem ist diese Methode energie- und kostenintensiv. Die Pervaporation könnte eine wichtige Alternative zur Abtrennung schwefelhaltiger Verbindungen mittels HDS sein oder im Hybridverfahren ergänzend eingesetzt werden.
Ziel unserer Arbeit soll demnach die Abreicherung von schwefelhaltigen Aromaten wie Thiophen und Benzothiophen sowie deren methylsubstituierte Derivate von Aliphaten mittels Pervaporation sein. Das Permeationsverhalten der Schwefelverbindungen soll untersucht und durch Variation verschiedener Parameter, wie beispielsweise der Feedtemperatur, Monomerstruktur und Polymerzusammensetzung optimiert werden.
Ines Bettermann, Removal of sulphur containing aromatics by pervaporation, Proceedings of NYM9, NYM9 Network Young Membrains, Thessaloniki, Greece, 26-28 September 2007
Poster:
I. Bettermann and C. Staudt, Removal of sulfur containing aromatics by pervaporation, MAM 08, Düsseldorf, September 2008
Bei Fragen zu diesem Thema wenden Sie sich bitte an Ines Bettermann.
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Thermostabile Funktionsmaterialien
Poster:
J. U. Wieneke and C. Staudt, Aging of polyimides in high temperature environments, MAM 08, Düsseldorf, September 2008
Bei Fragen zu diesem Thema wenden Sie sich bitte an Jan Wieneke.
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Donnerstag, 18. 03. 2010
Verantwortlich für den Inhalt: Daniel Sieffert
Letzte Änderung: 05.03.2010, 12:42
