Stott, Jonathan (2019)
Funktionalisierung von porösen Aluminiumoxidmembranen für eine elektrodialytische Abtrennung von Oleationen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00011426
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die vorliegende Arbeit behandelt die Funktionalisierung von porösen Aluminiumoxid-membranen und deren Eigenschaften bezüglich einer elektrodialytischen Abtrennung von Oleationen aus einer wässrigen Elektrolytlösung. Die Funktionalisierung der Porenoberfläche der Aluminiumoxidmembranen erfolgt anhand eines "grafting-to"- sowie eines "grafting-from"-Anbindungsprozesses von verschiedenen Polymeren. Die Charakterisierung der angebundenen Polymere sowie die Untersuchung des Ionentransports durch die funktionalisierten Membranen während den elektrodialytischen Messungen bilden die Schwerpunkte dieser Arbeit. Ein selektiver Ionentransport wird durch einen einsetzenden elektroosmotischen Flusses maßgeblich beeinträchtigt. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit behandeln primär die Oberflächenfunktionalisierung der anorganischen Membranen, welche eine vollständige Eliminierung des elektroosmotischen Flusses bewirken kann.

Membranen aus porösem anodisch oxidiertem Aluminiumoxid (PAOX-Membranen) mit einer nominellen Porengröße von 100 Nanometern werden durch eine oberflächeninduzierte ringöffnende Polymerisation von N-Carbonsäureanhydriden (NCAs) funktionalisiert. Die verwendeten Charakterisierungsmethoden (Infrarotspektroskopie, Rasterelektronen-mikroskopie und Kontaktwinkelmessungen) bestätigen eine erfolgreiche Anbindung von Polymeren an die Porenoberflächen. Eine Hydrophobisierung der Porenoberfläche durch eine Funktionalisierung mit Polyphenylalanin (pPA) bewirkt eine Verstärkung des elektroosmotischen Flusses gegenüber einer unmodifizierten PAOX-Membran. Die Ursachen dieser Beobachtung sind eine erhöhte Adsorption von Oleationen an der Porenoberfläche und eine Verringerung der Porengröße durch den angebundenen Polymerfilm. Eine Funktionalisierung mit Polyglutaminsäure--benzylester (pBzG) oder mit verschiedenen Polylysin-Derivaten führt zu einer Blockierung der Poren, welche den Transport von Oleationen durch die Membran behindert.

In einem weiteren Abschnitt der Arbeit werden Membranen aus gesinterten Korundpartikeln (ALOX-Membranen), welche eine mittlere Porengröße von etwa 1.3 μm besitzen, mit NCA-Monomeren funktionalisiert. In den Untersuchungen wird der Befund bestätigt, dass eine Hydrophobisierung der Porenoberfläche durch pBzG oder pPA sowie eine Verringerung der Porengröße der ALOX-Membranen zu einem signifikanten Anstieg des elektroosmotischen Flusses führt. In dieser Arbeit konnte erstmals eine dreidimensionale, netzwerkartige Struktur aus agglomerierten pPA-α-Helices innerhalb des Porenvolumens einer ALOX-Membran realisiert werden. Diese Strukturen ermöglichen in Kombination mit Polyethylenimin (PEI) als Akzeptorkammer Elektrolyt, zumindest zeitweise, eine effektive Eliminierung des EOFs und einen migrationsbasierenden Oleationentransport durch die Membranen. Der einsetzende EOF geht auf eine Deformation der dreidimensionalen Struktur der agglomerierten Polymere zurück. Polymere mit kationischen Seitengruppen aus quartären Tetraalkylammonium- oder Methylimidazolium-Funktionalitäten bewirken eine Eliminierung oder sogar eine Umkehr des EOFs. Im Falle eines ausbleibenden EOFs findet aufgrund der höheren elektrophoretischen Mobilität des Elektrolyten Arginin sowie des vermuteten Transports von Hydroxidionen anhand des Grothuß-Mechanismus kein effektiver Oleationentransport durch die funktionalisierte Membran statt.

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