Ionenverteilung in geladenen Hydrogelen im Gleichgewicht und unter dem Einfluss externer Stimuli

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Holm; Professor Dr. Manfred Wilhelm
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren ; Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268449726

Als Polyelektrolythydrogele werden hydrophile Polymernetzwerke bezeichnet, die Ladungen entlang des Polymerrückgrates tragen. Diese Gele zeigen eine hohe Absorptionskapazität und werden vielseitig in Hygieneprodukten, Pharmazie, Landwirtschaft und zur erhöhten Lebensmittelsicherheit eingesetzt. In der ersten Förderperiode konnten wir eine weitere Materialeigenschaft nachweisen: Unter Kompression setzen gequollene Polyelektrolythydrogele salzarmes Wasser frei. Wir nutzten diese Eigenschaft für einen alternativen membran-freien Entsalzungsprozess und entwickelten hierzu ein innovatives Verfahren, um die Verteilung von Salzionen zwischen Polyacrylatgelen und einer externen Salzlösung zu studieren. Das fundamentale Prinzip der Ionenverteilung und des Separationsmechanismus basiert auf dem Donnan-Gleichgewicht. Die festen Ladungen am Polymerrückgrat induzieren eine asymmetrische Verteilung von mobilen Ionen zwischen der Gelphase und der überschüssigen wässrigen Phase, wodurch eine Gewinnung von salzfreiem Wasser durch die Kompression der Gele ermöglicht wird. Durch die Kombination von experimentellen Ergebnissen mit Hybrid-Monte-Carlo sowie Molekulardynamik Simulationen wurde die Donnan Theorie zur Vorhersage der Ionenverteilung und der Entsalzungseffizienz als Funktion des Druckes und der Salzkonzentration weiterentwickelt. Der Energiebedarf für die Entsalzung einer 35 g L-1 NaCl Lösung wurde auf 8.9 kWh m-3 berechnet. Im Vergleich dazu liegt das theoretische Limit bei 0.7 kWh m-3. Vorherige Arbeiten zeigten, dass eine hohe Ladungsdichte kombiniert mit geringen mechanischen Modulen der Gele vorteilhaft für eine hohe Entsalzungseffizienz ist, jedoch wurde das Wechselspiel zwischen diesen beiden Parametern noch nicht untersucht. Das Ziel in der zweiten Förderperiode ist diesen Zusammenhang systematisch mittels optimierter Synthese von Gelmodellsystemen und der Korrelation mit Simulationen zu untersuchen. Eine Erhöhung der Ladungsdichte in den Netzwerken wird durch den Einbau flexibler Komponenten, wie freien Kettenenden und makromolekularen Strukturen, z.B. hochmolekulare lineare Polymerketten und Dendrimere, erzielt. Die Charakterisierung dieser komplexen Topologien auf molekularer Ebene stellt derzeit eine Herausforderung dar, da gängige Methoden wie Quellgradmessungen und Rheologie die gemittelten makroskopischen Eigenschaften untersuchen. Um einen Einblick in die molekulare Struktur der Netzwerke erhalten zu können, wird 1H NMR Relaxometrie als alternative Charakterisierungsmethode eingeführt. Hierbei werden verschiedene Topologien mit der spezifischen lokalen Mobilität (≤ 10 nm) der Polymerkettensegmente korreliert. Durch die Kombination mit Simulationsdaten, die die 1H homonukleare dipolare Kopplung mittels Modulation des Abstandes und der Orientierung benachbarter Protonen berechnen, wird ein konsistentes, fundamentales Verständnis über den Einfluss der molekularen Struktur auf makroskopische Eigenschaften und dem Donnan-Gleichgewicht gegründet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen