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Adsorbed Layers of Natural Organic Macromolecules on Solid Substrates: Structure, Interactions, and Mechanisms of Growth

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Das Verständnis der Adsorption in Wassersystemen

Eine Forschergruppe setzte sich das Ziel, die Effizienz von Engineeringsystemen wie z.B. Kläranlagen zu erhöhen. Hierfür sollte die Oberflächenadsorption von großen organischen Molekülen gesteuert werden.

Klimawandel und Umwelt

Adsorption tritt auf, wenn Moleküle an eine Oberfläche anhaften oder binden, wodurch ein dünner Film entsteht. Die Art der Bindung hängt von dem Adsorbermolekül und dem Substrat ab, aber entsteht im Allgemeinen durch physikalische oder chemische Kräfte oder elektrostatische Anziehung. Die Adsorption von organischen Molekülen auf Oberflächen wie etwa in membranbasierten Wasseraufbereitungsanlagen kann die Effizienz der Membranen beeinträchtigen und eine Kontamination mit Mikroben fördern. Um dies in aquatischen Systemen einzudämmen, wollte das von der EU finanzierte Projekt ADSORPLAYERS (Adsorbed layers of natural organic macromolecules on solid substrates: Structure, interactions, and mechanisms of growth) feststellen, wie als Polymere bezeichnete große organische Moleküle an verschiedenen Oberflächen adsorbieren. ADSORPLAYERS betrachtete zunächst den bekannten Mechanismus der elektrostatischen Anziehung, bei der geladene Polymere, so genannte Polyelektrolyte, an eine Oberfläche mit einer entgegengesetzten Ladung binden. Die Forscher fanden hierin die Erklärung, wie Chitosan, eine positiv geladenes Polymer auf Zuckerbasis mit vielen industriellen und therapeutischen Verwendungen, an negativ geladenen Silica-Substraten adsorbiert. Interessanterweise entdeckten die Forscher, dass Polystyrolsulfonat, ein negativ geladener Polyelektrolyt mit mehreren technischen oder medizinischen Verwendungen, in Gegenwart von mehrwertigen Gegenionen auch an einer negativ geladenen Silicaoberfläche adsorbiert. Daher ist dies ein alternativer Weg, wie Polyelektrolyte an gleich geladene Oberflächen adsorbieren können. Ein zum Abschluss von ADSORPLAYERS untersuchter Mechanismus umfasste die Adsorption in der Abwesenheit von elektrostatischer Anziehung. In diesem Fall adsorbierten Moleküle spontan an Oberflächen unter Bedingungen, bei denen attraktive nicht-elektrostatische Kräfte die elektrostatische Barriere für Adsorption überwanden. Sobald diese Mechanismen bekannt sind, können diese Bedingungen durch Anpassung der chemischen Zusammensetzung der Lösung erreicht werden. ADSORPLAYERS verwendete dieses Wissen, um mehr darüber zu erfahren, wie umweltrelevante Prozesse durch Adsorption betroffen sind. Dazu gehört die Wechselwirkung von organischem Material auf Huminsäurebasis mit Wasserreinigungssystemen sowie Nanopartikel auf Eisenbasis, die für die Dekontamination von Grundwasserleitern entwickelt wurden. Die Erkenntnisse der Forschung wurden in mehreren hochkarätigen Peer-Review-Fachzeitschriften veröffentlicht. Die Anwendung der Ergebnisse verspricht, die Effizienz von Technologien für sauberes Wasser zu steigern.

Schlüsselbegriffe

Oberflächenadsorption, elektrostatische Anziehung, organische Moleküle, Membran, Polymere

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