Loading…
Thumbnail Image

Porous materials for water and air purification: from synthetic ordered mesoporous silica COK-12 to natural fungi

Henning, Laura Marie

Advanced Ceramic Materials

Clean water and air are major cornerstones of a healthy life and environment. However, an increase in population and living standards strains our resources and causes high pollution levels. At the same time, tightened emission laws necessitate advancements in the fields of water and air purification. Promising approaches for the treatment of wastewater and polluted air include adsorption and filtration. While currently mostly inexpensive petroleum-based polymeric compounds are processed into adsorbents, filters, and membranes, they are at best scarcely regenerable and recyclable. This dissertation pursues two particularly promising approaches regarding the establishment of more sustainable materials in the fields of water and air purification. Firstly, the utilization of ceramic materials, coming with higher initial costs but offering longer lifetimes and higher resistances, is explored. To this regard, the ordered mesoporous silica material COK-12 offers tremendous possibilities in tailoring its structural and chemical properties, leading to highly optimized purification results. Secondly, the targeted cultivation of natural fungi represents a simple, sustainable, and economic option for pollutant removal. The incorporation of varying amounts of the swelling agent p-xylene and the combination with a thermal aging step during the synthesis of COK-12 is studied to tailor the resulting mesostructure. A mesocellular foam with ink-bottle shaped pores and significantly enhanced cell and window sizes is obtained using low amounts of swelling agent, paving the way for enhanced mass transfer and the immobilization of larger compounds, e.g., for adsorptive applications. Graphene oxide (GO) is grafted onto thermally aged large-pore COK-12 powder to enhance the adsorption of the cationic dye methylene blue from aqueous solutions. Due to the GO’s abundant oxygenated functional surface groups, facilitating the formation of strong negative surface charges, the composite material displays a remarkably high adsorption capacity surpassing that of COK-12 and similar composite adsorbents, even under simulated dye effluent conditions. To circumvent nanopowder handling and obtain hierarchically micro-/ meso-/ macroporous and mechanically robust silica monoliths for filtration applications, the influence of additive-free spark plasma sintering (SPS) as well as conventional sintering on COK-12 is investigated. Within the studied parameter range, the overall mesostructure prevails for both SPS and conventional sintering. The simultaneous application of pressure and temperature during SPS results in a more distinct decrease in porosity and deviations from the theoretical lattice, but a higher preservation of the mesopore size and lattice parameter compared to the conventional sintering method. Furthermore, the higher mechanical values at comparable porosities allow to successfully use the SPS processed monoliths for the filtration of an oil-in-water emulsion in a dead-end water filtration setup. Although a higher macroporosity is desirable to decrease the pressure drop, estimations on the true gas permeability of the COK-12 monoliths place them in suitable permeability range for aerosol filtration applications. The suitability of the fungus Fomes fomentarius as a biosorbent and the effect of its growth conditions on the adsorption performance for dyes from aqueous solutions is studied as an alternative pathway to highly engineered synthetic materials. Lab-cultivated mycelia, grown on hemp shives or in liquid medium, exhibit a superior adsorption performance over the naturally grown fruiting body. Accordingly, the fungal cultivation conditions allow to tune the fungal properties and adsorption performance. Thereby, the utilization of cheap agricultural waste materials as growth substrates is particularly promising. Overall, both synthetic and highly engineered COK-12 as well as natural and renewable F. fomentarius represent sustainable alternatives to petroleum-based polymeric materials in the field of water and air purification, suitable for demanding and long-term or simple and economically friendly applications.
Sauberes Wasser und saubere Luft sind fundamental für ein gesundes Leben in einer lebenswerten Umwelt. Eine wachsende Erdbevölkerung mit steigenden Lebensstandards beansprucht jedoch zunehmend Ressourcen und belastet die Umwelt mit Schadstoffen. Gleichzeitig erfordern verschärfte Emissionsgesetze die Weiterentwicklung von Technologien und Materialien im Bereich der Wasser- und Luftreinigung. Zur Reinigung kontaminierten Wassers und verschmutzter Luft sind Adsorption und Filtration vielversprechende Ansätze. Für Adsorbentien, Filter und Membranen kommen derzeit überwiegend preisgünstige, erdölbasierte Polymerwerkstoffe zur Anwendung, trotz ihrer geringen Recyclier- und Regenerierbarkeit. Diese Dissertation beleuchtet zwei besonders erfolgversprechende Ansätze, nachhaltigere Materialien im Bereich der Wasser- und Luftreinigung zu etablieren. Das ist zum einen der Einsatz anorganischer Materialien, die mit höheren Anschaffungskosten einhergehen, aber verbesserte Beständigkeiten und längere Lebensdauern ermöglichen. Diesbezüglich wird das geordnete, mesoporöse Siliziumdioxid COK-12 untersucht, welches zahlreiche Möglichkeiten bietet, die strukturellen und chemischen Eigenschaften einzustellen und dadurch optimierte Reinigungsergebnisse zu erzielen. Zum anderen wird die Kultivierung von natürlichen Pilzmaterialien als einfache, ökologische und ökonomische Alternative für die Entfernung von Schadstoffen untersucht. Für die gezielte Modifikation der Mesostruktur des COK-12 wird der Effekt der Einlagerung von p-Xylol als Quellmittel in verschiedenen Konzentrationen und die Kombination mit einem thermischen Alterungsschritt während der Synthese analysiert. Es werden mesozelluläre Schäume mit Tintenfassporen und maßgeblich vergrößerten Poreninnendurchmessern und -eingängen erzeugt, welche die Immobilisierung von größeren Substanzen und zugleich einen erhöhten Massetransport ermöglichen – wünschenswert zum Beispiel für Adsorptionsanwendungen. Zur Verbesserung der Adsorption des kationischen Farbstoffs Methylenblau aus wässriger Lösung wird Graphenoxid mittels Grafting auf thermisch gealtertes, großporiges COK-12 appliziert. Die zahlreichen sauerstoffhaltigen, funktionalen Oberflächengruppen mit negativer Ladung ermöglichen eine hohe Adsorptionskapazität des Materials, welche die des reinen COK-12 und vergleichbarer Kompositadsorbentien übersteigt und überdies unter simulierten Industrieabwasserbedingungen Bestand hat. Um die Exposition gegenüber Nanopulvern zu reduzieren und mechanisch stabile Siliziumdioxidmonolithe mit hierarchischer Porenstruktur aus Mikro-, Meso- und Makroporen für Filtrationsanwendungen zu erhalten, werden additivfreies Spark Plasma Sintern (SPS) und konventionelles Sintern von COK-12 untersucht. Für beide Sinterverfahren bleibt die Mesostruktur im analysierten Parameterbereich erhalten. Im Vergleich der Sinterverfahren geht die gleichzeitige Einwirkung von Druck und Temperatur während des SPS-Verfahrens mit stärkeren Verlusten der Porosität und Abweichungen vom theoretischen Gitter einher, während zugleich die Größe der Mesoporen und Gitterparameter besser erhalten bleiben. Auf Grund der besseren mechanischen Eigenschaften bei vergleichbarer Porosität sind die SPS-prozessierten Monolithe für die Filtration einer Öl-in-Wasser-Emulsion mittels Dead-End-Filtration geeignet. Abschätzungen der tatsächlichen Gaspermeabilität der COK-12 Monolithe verorten die Monolithe zudem in einem für die Aerosolfiltration geeigneten Permeabilitätsbereich. Um den Druckabfall zu reduzieren, scheint zukünftig eine höhere Makroporosität erstrebenswert. Als Alternative zu hochentwickelten, synthetischen Materialien wird die Eignung des Pilzes Fomes fomentarius als Biosorbens untersucht. Im Zentrum der Untersuchung steht der Einfluss der Wachstumsbedingungen auf die Adsorptionsleistung gegenüber Farbstoffen aus wässrigen Lösungen. Im Vergleich zu natürlichen Fruchtkörpern weisen die im Labor auf Hanfschäben bzw. in einem Flüssigmedium kultivierten Myzelien Unterschiede in der Zusammensetzung sowie Hyphengröße und -form auf, wodurch sich höhere Adsorptionsleistungen ergeben. Die Kultivierungsbedingungen von Pilzmaterialien können also genutzt werden, um die Eigenschaften und Adsorptionsleistungen anzupassen. Dabei ist die Nutzung günstigen, landwirtschaftlichen Abfalls als Wachstumssubstrat besonders zukunftsträchtig. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation nachhaltigere Alternativen zu erdölbasierten Polymermaterialien für die Wasser- und Luftreinigung auf. Synthetisches, hoch technisiertes COK-12 sowie natürlicher, nachwachsender F. fomentarius werden als geeignete Materialien für herausfordernde und langfristige sowie einfache und ökonomische Reinigungsanwendungen präsentiert.