Untersuchungen zur Oberflächendiffusion und effektiven Porendiffusion in der Umkehrphasenchromatographie mittels molekulardynamischer Simulation

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Tallarek
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397067997

Anliegen des Projekts ist die Etablierung eines konsistenten, molekularen Bildes der Oberflächendiffusion und effektiven Porendiffusion in der am weitesten verbreiteten flüssigchromatographischen Trenntechnik, der Umkehrphasenchromatographie. Diffusion an und in der stationären Phase wird dazu spatiotemporal mithilfe molekulardynamischer Simulationen abgebildet und in einem hierarchischen Diffusionsmodell bis auf die makroskopische Festbettebene verfolgt, so daß sich ein kritischer Vergleich mit chromatographischen Daten anschliessen kann. Repräsentative Analyten sind kleine aromatische Kohlenwasserstoffe wie Ethylbenzol und Benzylalkohol, die sich in ihrer Polarität und folglich ihrer Konzentration, Orientierung und Mobilität an und in der stationären Phase unterscheiden. Damit einhergehend variiert das Ausmaß des Eindringens der Analyten in die hydrophoben Alkylketten der chromatographischen Grenzfläche. Diese Verteilung bildet zusammen mit der Adsorption der Analyten in der Peripherie der Alkylketten die molekulare Grundlage für effektive Diffusion auf Porenebene (Diffusion in und an der stationären Phase sowie in der Bulk-Fluid-Phase der Pore), Retention und Selektivität sowie nichtlineare Effekte aufgrund von Konzentrationsüberladung. Diese Punkte werden bei Variation der Eigenschaften der Analyten (Größe, Polarität) und der mobilen Phase (Zusammensetzung des Wasser/Acetonitril-Gemisches) herausgearbeitet. Weitere Aspekte sind die Polarität der stationären Phase (C18- vs. C8-Ketten als chemische Modifizierung der Oberfläche) und die Porengeometrie (planar vs. zylindrisch). Die Simulationen liefern dringend benötigte Daten zu lokalen Konzentrationen, Verweilzeiten und diffusiven Mobilitäten, sowie Daten zur differentiellen Verteilung und Adsorption auf Porenebene, welche makroskopische (damit auch experimentell zugängliche) Transportdynamiken und Stofftrennungseffekte (Retention, Selektivität) sowie den Verlauf von Adsorptionsisothermen analyt- und eluentspezifisch deuten und sogar vorhersagen könnten. Dafür wird der simulationsbasierte effektive Porendiffusionskoeffizient der Analyten mit verfügbaren physikalischen Rekonstruktionen von Mesoporen- und Makroporenräumen hierarchisch aufgebauter chromatographischer Festbetten kombiniert, um über weiterführende Transportsimulationen zur effektiven Diffusion auf der jeweils nächst höheren Festbettebene zu gelangen: von der einzelnen Mesopore, über den verknüpften Mesoporenraum, bis zur makroskopischen Ebene eines makroporösen-mesoporösen Festbetts. Auf diese Weise sind relevante molekulare Details (stationäre und mobile Phase; Analyten) und resultierende Phänomene (z.B. Diffusion an und in der stationären Phase; Adsorption und Verteilung unter nichtlinearen Bedingungen) auf individueller Porenebene der molekulardynamischen Simulationen repräsentiert und ihr Effekt kann morphologisch bis auf die makroskopische Festbettebene verfolgt und dort experimentell überprüft werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen