Dokument: Steuerung der Trenneigenschaften polymerer Membranen durch supramolekulare Komplexbildung mit Cyclodextrinen
| Titel: | Steuerung der Trenneigenschaften polymerer Membranen durch supramolekulare Komplexbildung mit Cyclodextrinen | |||||||
| Weiterer Titel: | Adjusting the separation properties of polymeric membranes by supramoleculare complexation with cyclodextrines | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=5189 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20070723-082834-5 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Dipl.-Chem. Lamers, Marcel [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Staudt, Claudia [Gutachter] Prof. Dr. Bettermann, Hans [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | Cyclodextrine, Pervaporation, Gaspermeation, Membranen | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie | |||||||
| Beschreibungen: | Kostengünstige und energieeffiziente Methoden zur Auftrennung von Gemischen aus aromatischen/aliphatischen Komponenten bzw. von Isomerengemischen stellen in der Petrochemie eine große Herausforderung dar. Dies gilt insbesondere für Stoffgemische, die azeotrope Gemische bilden oder deren Komponente ähnliche Schmelz- bzw. Siedepunkte aufweisen. Die Trennung dieser Komponenten durch konventionelle Destillation ist mit einem hohen Kosten- und Energieaufwand verbunden. Eine kostengünstigere und energieeffizientere Alternative bilden Membrantrennverfahren.
Ziel dieser Arbeit war es daher, geeignete Membranmaterialien zur Separation solcher Gemische zu entwickeln. Die Eigenschaft der Cyclodextrine mit vielen organischen Substanzen selektive Komplexverbindungen zu bilden, sollte dabei genutzt werden. Die Cyclodextrine wurden als aktive Schicht auf der Membranoberfläche immobilisiert oder direkt ins Membranmaterial einpolymerisiert. Im ersten Fall wurden zunächst Membranen aus Poly(ethylen-co-methacrylsäure) (Methacrylsäureanteil: 27,2/35,5 Gew.-%) hergestellt und anschließend die Oberfläche dieser Membranen mit β-Cyclodextrin modifiziert. Die Membranen wurden zur Auftrennung einer p-Xylol/o-Xylol-Mischung in der Pervaporation und einer 1-Buten/iso-Buten-Mischung in der Gaspermeation verwendet. Um die Membranen in der Pervaporation zur Auftrennung der Xylolisomerengemische verwenden zu können, war eine vorherige Vernetzung im Bulk notwendig. Die Vernetzung erfolgte ionisch mit Aluminiumacetylacetonat oder kovalent mit einem Diepoxid. Die Selektivitäten einer p-Xylol/o-Xylol 50:50-Mischung lagen bei diesen Membranen (Feedtemperatur: 60 °C) bei α = 1,1 bis α = 1,4 und der Gesamtfluss betrug 4 bis 8 kg.µm.m-2.h-1. Membranen aus Poly(ethylen-co-methacrylsäure) (Methacrylsäureanteil: 27,2/35,5 Gew.-%), die nicht mit β-Cyclodextrin oberflächenmodifiziert wurden, zeigten allerdings ähnliche Selektivitäten und Gesamtflüsse. Die Oberflächenmodifikation der Membranen durch β-Cyclodextrin brachte demnach keine signifikante Erhöhung der Selektivtät oder Veränderung im Gesamtfluss. Die aus den Gaspermeationsexperimenten (1-Buten/iso-Buten 50:50) erhaltenen Werte für die Selektivität und Permeabilität zeigten ebenfalls, dass auch hier die Oberflächenmodifikation mit β-Cyclodextrin nicht zu einer Verbesserung der Selektivität führt. Die Selektivität einer unmodifizierten Membran aus Poly(ethylen-co-methacrylsäure) (Methacrylsäureanteil: 27,2 Gew.-%) lag wie auch bei der oberflächenmodifizierten Membran bei α = 1,2. Der Wert für die Gesamtpermeabilität betrug in beiden Fällen 8 barrer. Neben oberflächenmodifizierten Membranen wurden auch Membranen hergestellt, bei denen die Cyclodextrine direkt in das Membranmaterial einpolymerisiert wurden. Das Einpolymerisieren der Cyclodextrine in das Membranmaterial erfolgte durch eine radikalische Reaktion. Dazu musste zunächst eine Acrylierung des Cyclodextrins durchgeführt werden. Die Membranherstellung erfolgte durch UV-Belichtung. Als Comonomere wurden Polyethylenglycoldiacrylate (PEG-DA) verwendet. Membranen aus PEG-DA/β-Cyclodextrinacrylat zeigten sowohl bei der Auftrennung von p-/o-Xylol-Gemischen als auch bei der Auftrennung von 1-Buten/iso-Buten-Gemischen geringe Selektivitäten von α = 0,95 bzw. α = 1,2. Diese Membranen wurden auch zur Auftrennung von Aromaten/Aliphaten-Gemischen (Toluol/Cyclohexan) verwendet. Sie zeigten bei einer Toluolkonzentration von 10 Gew.-% im Feed und bei einer Feedtemperatur von 60 °C eine Selektivität von α = 17 bei einem Gesamtluss von 0,3 kg.µm.m-2.h-1. Zusammenfassend bleibt festzustellen, dass sowohl die mit Cyclodextrin oberflächenmodifizierten Membranen als auch die Membranen, bei denen das Cyclodextrin in das Membranmaterial einpolymerisiert wurde, zur Auftrennung von Isomerengemischen nicht geeignet sind. Dagegen eignen sich die Membranen aus PEG-DA/β-Cyclodextrinacrylat zur Auftrennung von Aromaten/Aliphaten-Gemischen, da sie bereits bei einer geringen Aromatenkonzentration im Feed hohe Selektivitäten aufwiesen.The cost and energy efficient separation of aromatic/aliphatic and isomeric mixtures is a great challenge for the petrochemical industry. Especially separation of azeotropic mixtures and mixtures with compounds having close melting or boiling points using conventional distillation is very expensive and energy consuming. For this systems membrane separation processes are an economic and energy saving alternative. The aim of this study was to find a suitable membrane material for the separation of aromatic/aliphatic and isomeric mixtures. The ability of cyclodextrins to form selective complexes with many organics should be utilized for this. Therefore cyclodextrins were first immobilized on the membrane surface and second involved into the membrane material and examined referring to their separation characteristics. In the first case membranes of poly(ethylene-co-methacrylic acid) were produced and afterwards treated with β-cyclodextrin for surface modification. The surface modified membrane was used for the separation of a 1-buten/iso-buten (50:50 wt.-%) mixture. For the separation of p-xylene/o-xylene (50:50 wt.-%) mixtures the membrane materials were cross-linked ionically using aluminium acetylacetonate or covalently using a diepoxide before surface modification. Selectivities between α = 1,1 and α = 1,4 and total fluxes of 4 and 8 kg.µm.m-2.h-1 were found for p-xylene/o-xylene (50:50 wt.-%) separation. However, not surface modified membranes of poly(ethylene-co-methacrylic acid) showed similar results. Consequently surface modification by β-cyclodextrin does not lead to an enhancement of selectivity or permeability. Also for gas separation experiments with 1-buten/iso-buten surface modification showed no advantages in selectivity. For the non-modified membrane of poly(ethylene-co-methacrylic acid) and the modified one the same selectivity of α = 1,2 and the same permeability of 8 barrer was found. Additionally to the surface modified membranes also membranes with cyclodextrins integrated into the membrane material were produced. The integration of cyclodextrin was reached by radical reaction. First the cyclodextin was acrylated and then polymerized with poly(ethyleneglycoldiacrylate) (PEG-DA) as comonomer. The radical reaction was started by UV radiation. With the received PEG-DA/β-cyclodextrin membranes low selectivities of α = 0,95 and α = 1,2 for p-xylene/o-xylene (50:50 wt.-%) and 1-buten/iso-buten (50:50 wt.-%) mixtures were found. Additionally the PEG-DA/β-cyclodextrin membrane was tested with an aromatic/aliphatic (toluene/cyclohexane) mixture. With a toluene content of 10 wt.-% in the feed a selectivity of α = 17 and a permeability of 0,3 kg.µm.m-2.h-1 was found at 60 °C. In this study it was found that the cyclodextrin modified membranes as well as the membranes including cyclodextins in the membrane material are not suitable for separation of isomeric mixtures. Contrary, the produced PEG-DA/β-cyclodextrin membranes can be utilized for aromatic/aliphatic separation as they show high selectivities already at low aromatic concentrations in the feed. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Organische Chemie und Makromolekulare Chemie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 18.07.2007 | |||||||
| Dateien geändert am: | 18.07.2007 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 18.06.2007 | |||||||
| Datum der Promotion: | 04.07.2007 |
