Lignin als nachwachsendes, erneuerbares Biopolymer, welches als Nebenprodukt in der Zellstoffindustrie anfällt, besitzt das Potenzial Materialien auf der Basis von endlichen, fossilen Rohstoffen ganz oder teilweise zu ersetzen.
Ziel der Arbeit war es Adsorptionsmaterialien auf der Basis von Lignin in Form von Hydrogelen herzustellen und ihre Adsorptionseigenschaften zu untersuchen. Hierfür wurden zunächst verschiedene technische Lignine (Kraftlignine, Ligninsulfonate und Sodalignine) eingehend charakterisiert, zu Hydrogelen vernetzt und die Adsorptionseigenschaften an den Metallionen Cu(II), Ni(II) und Zn(II) untersucht.
Weiterhin wurde der Einfluss der Fraktionierung des Lignins auf die Adsorptionseigenschaften der resultierenden Ligninhydrogele untersucht. Hierfür wurde das Kraftlignin mittels Aceton : Wassermischungen über die unterschiedliche Löslichkeit der Fraktionen aufgetrennt. Die Fraktionierung des Ligninsulfonates erfolge über die Membranfiltration, bei der ein Reinigungsschritt mit kleinem Porendurchmesser vorausgesetzt wurde.
Durch chemische Modifizierung des Ausgangslignins konnten die Adsorptionseigenschaften des Ligninhydrogels verändert werden. Hierfür wurden drei verschiedene Synthesewege durchgeführt: Die Einbringung von Dihydroxybenzol über eine sauerkatalysierte Substitutionsreaktion, das Anbinden von Iminodiessigsäure über die Mannich-Reaktion und mittels Epichlorhydrin, sowie die Einbringung von stickstofffunktionellen Gruppen mittels oxidativer Ammonolyse. Ferner wurden weitere Eigenschaften wie die Zyklenstabilität und Selektivität der Ligninhydrogele untersucht.
Die während der Adsorption ablaufenden die Schrumpf- und Quelleigenschaften des Hydrogels konnten ausgenutzt werden, um ein Konzept für ein Sensorsystem zu entwickeln. Dazu wurde das Ligninhydrogel an kovalent an einen ITO-Träger angebunden und die Schrumpf- und Quellprozesse mittels QCM am Beispiel von verschieden konzentrieren Magnesium- und Natriumionenlösungen untersucht.
An Aerogelen, welche durch Gefriertrocknung aus dem Kraftligninhydrogel hergestellt wurden, konnten weiterhin die Adsorption von Rohöl gezeigt werden. Außerdem wurde eine Maßstabsvergrößerung der Hydrogelsynthese von 5 g auf 1 kg durchgeführt.:Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Motivation und Zielstellung
2 Theorie
2.1 Lignin
2.1.1 Aufbau
2.1.2 Isolierungsmethoden
2.1.2.1 Kraftaufschluss
2.1.2.2 Sulfitaufschluss
2.1.2.3 Sodaaufschluss bzw. Alkaliaufschluss
2.1.3 Anwendungspotenzial des Lignins
2.1.4 Fraktionierung des Lignins
2.1.5 Modifizierung des Lignins
2.2 Hydrogele
2.2.1 Ligninhydrogele
2.2.2 Anwendung von Ligninhydrogelen
2.3 Adsorption
2.3.1 Adsorptionsparameter
2.3.2 Ionenaustauscher
2.3.3 Selektivität
2.4 Metallionen
2.4.1 Toxikologie und Abscheidung von Schwermetallen
2.4.2 Adsorption von Metallionen an Materialien auf Ligninbasis
3 Ergebnisse und Diskussion
3.1 Hydrogele aus Ligninen unterschiedlichen Ursprungs
3.1.1 Charakterisierung der Lignine
3.1.2 Synthese und Charakterisierung der Ligninhydrogele
3.1.3 Vergleich der Adsorptionskapazitäten der Ligninhydrogele
3.1.4 Fazit zur Hydrogelsynthese aus unterschiedlichen Ligninen
3.2 Adsorptionseigenschaften der Ligninhydrogele am Beispiel von Ca-HG und LS-HG
3.2.1 Bestimmung thermodynamische Kenngrößen
3.2.2 Bestimmung kinetische Kenngrößen
3.2.3 Äußere Einflussfaktoren
3.2.4 Fazit zur Untersuchung der Adsorptionseigenschaften
3.3 Fraktionierung ausgewählter Lignine
3.3.1 Fraktionierung des Kraftlignins KL mittels Lösungsmittelgradienten
3.3.1.1 Charakterisierung der fraktionierten Lignine
3.3.1.2 Synthese und Charakterisierung der fraktionierten Ligninhydrogele
3.3.1.3 Zwischenfazit Fraktionierung von KL
3.3.2 Fraktionierung des Ligninsulfonates LSE mittels Membranfiltration
3.3.2.1 Entfernung von Zuckern und schwefliger Säure aus der Dicklauge
3.3.2.2 Charakterisierung der fraktionierten Lignine
3.3.2.3 Charakterisierung und Vergleich der Adsorptionskapazitäten der fraktionierten Ligninhydrogele
3.3.2.4 Zwischenfazit zur Fraktionierung von LSE
3.3.3 Fazit zur Fraktionierung von Lignin
3.4 Chemische Modifizierung der Kraftlignine
3.4.1 Modifizierung mit Dihydroxybenzol
3.4.1.1 Charakterisierung der modifizierten Ligninhydrogele
3.4.1.2 Vergleich der Ligninhydrogele aus fraktioniertem Kraftlignin aus KL
3.4.1.3 Fazit der Modifizierung mit Dihydroxybenzenen
3.4.2 Modifizierung durch oxidative Ammonolyse
3.4.2.1 Charakterisierung der modifizierten Lignine
3.4.2.2 Charakterisierung und Vergleich der Adsorptionskapazitäten der modifizierten Ligninhydrogele
3.4.2.3 Fazit der Modifizierung mittels oxidativer Ammonolyse
3.4.3 Modifizierung mit Iminodiessigsäure
3.4.3.1 Charakterisierung der modifizierten Lignine
3.4.3.2 Charakterisierung und Vergleich der Adsorptionskapazitäten der modifizierten Ligninhydrogele
3.4.3.3 Fazit der Modifizierung mittels Iminodiessigsäure
3.5 Vergleich der Aufnahmekapazitäten der hergestellten Ligninhydrogele mit der Literatur
3.6 Anwendungsorientierte Untersuchungen
3.6.1 Ligninhydrogele als Adsorber für die Sorption von Metallionen aus wässrigen Medien
3.6.1.1 Zyklenstabilität des Säulenmaterials
3.6.1.2 Selektive Adsorption von Cu(II)-Ionen
3.6.1.3 Fazit aus der Verwendung von Ligninhydrogelen als Adsorber für Metallionen aus wässrigen Lösungen
3.6.2 Ligninhydrogele für Sensoranwendungen
3.6.2.1 Anbindung des Ligninhydrogels an einen Glasträger
3.6.2.2 Untersuchung des Ansprechverhalten des Ligninhydrogelsensors
3.6.2.3 Fazit der Verwendung von Ligninhydrogelen als Sensormaterial
3.6.3 Aerogele aus Kraftligninhydrogelen für die Sorption von Ölen
3.6.3.1 Synthese und Charakterisierung des Aerogels
3.6.3.2 Vergleich mit anderen Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen
3.6.3.3 Fazit der Verwendung von Aerogelen aus Ligninhydrogelen für die Adsorption von Öl
3.6.4 Upscaling der Hydrogelsynthese
3.6.4.1 Planung und Aufbau der Syntheseanlage
3.6.4.2 Überprüfung der Anforderungen der Hydrogelsyntheseanlage
3.6.4.3 Fazit zum Upscaling der Hydrogelsynthese
4 Zusammenfassung und Ausblick
5 Experimentalteil
5.1 Chemikalien und Materialien
5.2 Lignine und Fraktionierung des Lignins
5.3 Modifizierung des Lignins
5.4 Synthese der Hydrogele, Aerogele und Xerogele
5.5 Anbindung des Ligninsulfonates an den Glasträger
5.6 Synthese von Referenzmaterialien
5.7 Vorversuche für die Herstellung der Hydrogelsyntheseanlage
5.8 Adsorptionsversuche
5.9 Analytische Methoden
6 Anhang
7 Literatur
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:90655 |
| Date | 27 March 2024 |
| Creators | Nong, Johanna Phuong |
| Contributors | Fischer, Steffen, Saake, Bodo, Biesalski, Markus, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | info:eu-repo/grantAgreement/Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft/Förderprogramm Nachwachsende Rohstoffe/2220HV087A//Lignin-Hydrogele für die Sorption von Metallionen und Selten Erden/Lignohydro-4-Metal |
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