Aminosäure modifizierte Polyvinylidenfluorid-Gewebe für die Adsorption von Schwermetallionen

Schwermetalle und ihre Ionen belasten in vielen Teilen der Welt die Umwelt und Gesundheit. Dabei geht die Gefährdung von der Aufnahme über Luft, Wasser und der Nahrung aus und hat toxikologische Folgen. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Modifikation von kommerziellen Polyvinylidenfluorid-Geweben mit Aminosäuren zur Adsorption von Schwermetallionen aus wässrigen Lösungen. Dabei eröffnet die Geometrie eines Gewebes die Möglichkeit, dieses beispielsweise in Rohrleitungen als Adsorptionsmatrix anzuwenden. Die Modifikation der Polymergewebe zum Aufbau von komplexbildenden Gruppen erfolgte in drei Schritten:
1) Elektronenstrahlbehandlung zur Aktivierung des Gerüstmaterials
2) Modifikation des Gewebes durch Pfropfpolymerisation
3) Einführung von Aminosäuren durch polymeranaloge Umsetzung
Die Aktivierung durch Elektronenstrahlung und die Pfropfpolymerisation hängen stark miteinander zusammen und wurden am Modellsystem der Monomere Acrylsäure und N,N′-Methylenbisacrylamid untersucht. Daraus ergab sich eine zweckmäßige Elektronendosis von 125 kGy und eine Maschenweite des Gewebes von 70 μm. Um die Umwandlung der primären Radikale zu Hydroperoxiden zu nutzen, sollte eine Lagerzeit von 35 Tagen an Luft möglichst eingehalten werden.
Die Pfropfpolymerisation mit lediglich einem Monomer konnte die Schwermetallionen-konzentration nur marginal senken. Deshalb wurden komplexbildende Seitengruppen mittels polymeranaloger Umsetzung über eine Iminbildungsreaktion mit Aminosäuren in das Material eingeführt. Als Ausgangspolymer zur polymeranalogen Reaktion wurde ein Pfropfpolymer aus Acrylsäure und Diacetonacrylamid verwendet, da es eine Keto-Seitengruppe zur Iminbildung beinhaltet. Ein guter Kompromiss zwischen Funktionsdichte des Ketons und einem praktikablem Pfropfgrad ergab sich ein Pfropfgrad von 230 Gew.-% für eine Monomerzusammensetzung von 40 mol % DAAD. Die polymeranaloge Umsetzung erfolgte mit 19 Aminosäuren.
Die Abnahme des Gehalts an Schwermetallionen in einer wässrigen Lösung wurde für Hg2+, Cu2+, Ni2+ und Pb2+ nachgewiesen. Dabei konnte die stärkste Verringerung des Ionengehalts von 97 Gew.-% der Hg2+-Ionen mit L-Histidin erreicht werden. Die insgesamt größte Abnahme der Ionenkonzentration wies Taurin aufgrund der Sulfonsäure-Gruppe auf. Dabei zeigten die an das Gewebe gebundenen Aminosäuren verschiedene Affinitäten für Schwermetallionen aufgrund der unterschiedlichen Seitengruppen. Für die Adsorption der Ionen Pb2+ und Cu2+ an den vier Aminosäuren Glycin, Taurin, L-Leucin und L-Lysin wurde eine Kinetik pseudo zweiter Ordnung bestimmt. Daraus ergibt sich, dass die Ionen kovalent an das Gewebe gebunden werden – sie werden chemisorbiert.
Analog zum Polyvinylidenfluorid-Gewebe wurde Polypropylen als Trägermaterial untersucht und erwies sich als vielversprechende nicht-fluorierte Alternative. Mit der Aminosäure L-Cystein wurde die Adsorptionskinetik für eine Kombination der Ionen Hg2+, Cu2+, Ni2+ und Pb2+ ermittelt. Dabei stellte sich heraus, dass es nach der initialen Beladung über einen Zeitraum von 2 bis 24 h zu einem Ionenaustausch kam, wobei Cu2+ bevorzugt adsorbiert wurde.