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Charged nanocellulose filters for water treatment

Khatanbaatar Byambatsogt

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Chemie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Chemie

Betreuer*in

Andreas Mautner

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DOI

10.25365/thesis.76108

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-21368.12354.818799-7

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Wasser ist einer der wichtigsten Rohststoffe und Grundlage für Leben auf der Erde. Aufgrund der Klimakrise¬, der industriellen Entwicklung und dem Bevölkerungswachstum nimmt die Belastung des Wassers und der Umwelt durch verschiedene Schadstoffe wie z.B. Schwer-metalle zu. Sie werden hauptsächlich aus dem Bergbau, Abgasemissionen, Energie-erzeugungsanlagen, Metall¬beschichtungen und verschiedenen Industrien in Wasser¬läufe freigesetzt. Die Ver¬schmutzung von Trinkwasserquellen mit Schwermetall-Ionen stellt eine ernsthafte Bedrohung für die Versorgungssicherheit mit Trinkwasser dar und ist eine Hauptursache für zunehmende Wasser¬knappheit, die immer mehr Länder betrifft. Schwermetalle können sich im Grund¬wasser sammeln, anreichern und schlussendlich über die Nahrungs¬kette in den menschlichen Körper gelangen, wo sie Schäden an den Nieren, dem zentralen Nerven¬system, und dem Immunsystem verursachen können. Die Entfernung von Schwer¬metallen aus Wasser stellt daher aufgrund ihrer gefährlichen Aus¬wirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt eine große Herausforderung für die Gesellschaft dar. Als Beispiel und Modell für die Belastung mit Schwermetall¬ionen dient Kupfer. Kupfer wird wegen seiner hervorragenden Eigenschaften wie zum Beispiel der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, sowie der hohen Duktilität in vielen verschiedenen Industrien, ein¬schließlich Bergbau, bei der Kupfer-Messing-Beschichtung, zur Papier¬her-stellung und in der Färberei, eingesetzt, wobei Kupferionen-haltige Abwässer entstehen, wodurch Kupfer in die Umwelt ein¬gebracht wird. Die Verwendung von Kupfer als Pflanzenschutzmittel in der Land¬wirtschaft ist eine der häufigsten Ursachen für erhöhte Kupferwerte in Grundwasser¬vorkommen. Es ist besonders für Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze und Algen sehr giftig, weil es in der Natur nicht zersetzt wird und daher in Pflanzen und Tieren ange¬reichert wird. Daher ist es immer noch eine sehr wichtige und herausfordernde Aufgabe, uner¬wünschte Metall¬ionen effektiv und tiefgreifend aus dem Wassersystem zu entfernen, um in Zukunft sauberes Trink¬wasser und reinere Oberflächengewässer zu gewährleisten. Gegenwärtig sind zahlreiche physik¬alische und chemische Methoden zur effizienten Entfernung von Schwer¬metallen aus Wasser in Entwicklung und Einsatz, einschließlich chemischer Fällung, Ionen¬austausch, Adsorption und elektro¬chemische Technologien. Diese Methoden besitzen verschiedene positive Attribute aber auch Nachteile wie hohe Kosten, niedrige Nachweis¬grenzen und Effektivität. Laut kürzlich veröffentlicheten Untersuchungen stellen Nanofilter (NF) aus leicht verfügbaren und kosten¬günstigen Rohstoffen, wie z.B. Cellulose, ein vielver¬sprechendes Verfahren für die effektive Entfernung organischer und anorganischer Schad¬stoffe aus Wasser dar. Diese Nano¬cellulose-basierten Filter stellen ein energie¬effizientes, billiges, biologisch abbaubares, ungiftiges und umweltfreundliches Medium für die Wasser¬auf¬bereitung dar. Cellulose kann vielseitig chemisch modifiziert und dadurch in ihren Eigen¬schaften verändert werden. Außerdem kann Cellulose durch mechanische oder chem¬ische Behandlung in Cellulose-Nanofasern (CNFs) umgewandelt werden, die hervor¬ragende Eigenschaftung für den Einsatz in der Wasserreinigung besitzen. Um die Adsorptions¬kapazität von unmodifizierter Nanocellulose zu erhöhen, kann eine Vielzahl von funktionellen Gruppen durch chemische oder enzymatische Modifikationen auf die Oberfläche von Nanocellulose aufgebracht werden, beispielsweise mittels Carboxylierung, Sulfonierung, Oxidation, Phosphorylierung und Veresterung. Die Einführung von Carboxylgruppen in Nano¬cellulose bewirkt eine hohe Adsorptions¬kapazität für die Entfernung von Schwermetall-Ionen wie z.B. Kupfer-Ionen aus Wasser. So können z.B. C6-OH Gruppen selektiv 2,2,6,6-Tetra¬methyl¬piperidin-1-oxyl (TEMPO)-katalysiert oxidiert werden ohne dabei die ursprüngliche Struktur und Kristallinität zu verändern. Hauptziel dieser Arbeit war es, in pre-industriellem (Pilot-) Maßstab hergestellte Filter mit TEMPO-CNF als aktivem Adsorbent zur Entfernung von Kupfer-Ionen aus wässrigen Lösungen zu untersuchen. Die Beschichtung von Viscose Vliesen mit TEMPO-CNF erfolgte mittels Guss- oder Schaumaufbringung. Einflussgrößen wie die Grammatur (grammage) der Adsorptions¬schicht auf Absorptionskapazität, Permeabilität, und mechanische Eigenschaften sollten dabei untersucht werden. Ein wichtiger Aspekt war dabei die Wiederverwendung der ein¬ge¬setzten TEMPO-CNF Filter. Es wurde festgestellt, dass die Effizienz von TEMPO-CNF Filter, insbesonders die Absorptionsfähigkeit und mechanische Eigenschaften, mit der Grammatur der Beschichtung zusammenhängen. Gussbeschichtete Filter haben aufgrund ihres höheren Beschichtungsgewichts eine höhere Absorption von bis zu 280 mg/m2 für Cu(II) im Vergleich zu schaumbeschichteten Filtern (25 bis 128 mg/m2). Andererseits war die Adsorptionskapazität (bis zum 52 mg/g) von schaumbeschichteten Filtern mit geringem Beschichtungsgewicht höher. Bis zu 99 % Cu(II) konnten aus den TEMPO-CNF Filtern durch die Verwendung optimierter Regenerations¬bedingungen mit Hilfe von HCl zurückgewonnen werden. Die regenerierten Schaum- und guss¬beschichteten TEMPO-CNF Filter zeigten dabei eine hohe Reabsorption von mehr als 70 % der ursprünglichen Adsorptionskapazität. Zudem haben beide Arten Filter eine große Absorptions¬fähigkeit für Ca(II) gezeigt. Das bedeutet, dass TEMPO-CNF Filter Wasser¬härte reduzieren können. Die Wasserdurchlässigkeit von geschäumten und guss¬be¬schichteten TEMPO-CNF-Filter war etwa 330.000 bis 430.000 l/m2 h MPa und 100.000 bis 380.000 l/m2 h MPa bei 0,2 bar, wodurch ein hoher Wasserdurchsatz für effiziente Wasserreinigung erzielt werden kann.

Autor*innen

Khatanbaatar Byambatsogt

Haupttitel (Englisch)

Charged nanocellulose filters for water treatment

Paralleltitel (Deutsch)

Geladene Nanozellulosefilter zur Wasseraufbereitung

Publikationsjahr

2022

Umfangsangabe

64 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Andreas Mautner

Klassifikation

35 Chemie > 35.99 Chemie: Sonstiges

AC Nummer

AC16589093

Utheses ID

63707

Studienkennzahl

UA | 066 | 862 | |

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