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Kolloidchemie - allgemein
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Kolloide
(Nano-Partikel) sind allgegenwärtig, sei es in der Industrie (z.B. hochfunktionale
Nanowerkstoffe), der Biotechnik (z.B. Nahrungsmittel, Pharmazeutika), der
Landwirtschaft (z.B. Tonteilchen), der Medizin (z.B. Plasmaproteine) oder in
der Natur (z.B. Trübstoffe in Gewässern). Sie können sehr unterschiedlich sein
hinsichtlich Parametern wie Größe, Dichte, chemischer Zusammensetzung, Form und
Oberflächenladung. Aufgrund ihrer sehr
geringen Größe (1 nm - 1 µm) weisen Nano-Partikel im
Verhältnis zu ihrer Masse eine große
Oberfläche auf, die für hohe Sorptionskapazitäten gegenüber zahlreichen
Stoffen verantwortlich ist.
Dies bedingt technisch nutzbare Eigenschaften, aber auch
eine mögliche Stabilisierung von Schadstoffen über die thermodynamische
Löslichkeit der jeweiligen Verbindung in Lösung hinaus. Kolloide an sich können
unerwünschte und schwer detektierbare partikuläre
Verunreinigungen darstellen, welche die Produktqualität in vielen Bereichen
der modernen Produktionstechnik (z.B. Halbleiterindustrie, Pharmaindustrie)
maßgeblich beeinträchtigen. Darüber hinaus können Kolloide biologischer Natur
(z.B. Bakterien, Sporen, Viren) sein – häufig als Bio-Kolloide
bezeichnet – und damit einen entscheidenden Einfluss auf die
Qualität von z.B. Pharmaka oder dem wichtigsten Nahrungsmittel
– Trinkwasser – haben. Die Auswirkung von Nano-Partikeln
auf die Migration von Schadstoffen, die langfristige Trinkwassergewinnung
(Qualität) und der technische Einsatz
von Kolloiden bei einer Sanierung stark kontaminierter Wässer
(Fe(0)-Kolloide zur Steuerung innovativer Redoxzonen) sind wichtige
Gesichtspunkte in der modernen Umweltforschung.
Eine hochempfindliche
Quantifizierung und Charakterisierung aquatischer Nano-Partikel
hinsichtlich Parametern wie Teilchenzahl, Größenverteilung, Form,
Oberflächeneigenschaften und chemische Zusammensetzung ist nicht nur aus oben
genannten Gründen zwingend erforderlich,
sondern ist auch für alle nano-technologischen Projekte grundsätzlich von
Bedeutung.
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Schwerpunkte der
Arbeiten: |
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4.1.1 Analyse/Quantifizierung
von Kolloiden
Mit eine der schwierigsten Aufgaben in der Kolloidchemie ist eine
eindeutige Charakterisierung von Nano-Partikeln hinsichtlich ihrer Größe und
Form in Lösung.
Die verfügbaren analytischen Methoden zur Charakterisierung von Nano-Partikeln
sind oft im Teilchenbereich kleiner ca. 0,5 µm zu unempfindlich bzw.
erfordern Aufkonzentrations- und Abtrennprozeduren, die Arteffekte bei der sehr
empfindlichen Kolloidcharakterisierung hervorrufen können. Folgende Techniken
werden von uns eingesetzt:
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Fraktionierungstechniken: Ultrafiltration,
Ultrazentrifugation, Feldflußfraktionierung, Größenausschlußchromatographie
·
Spektroskopische Methoden:
Photonen-Korrelations-Spektroskopie (PCS), Mehrwinkel-Laserlichtstreuung
(MALLS)
·
Mikroskopische Methoden: REM, TEM,
Röntgenmikroskopie, AFM
·
Weitere Methoden: Laser-induzierte-Breakdown-Detektion
(LIBD), Laserlicht-Abschattung (LLO)
Die Anisotropie von Nano-Partikeln wie z.B. bei Tonen und Metalloxiden
ist naturgegeben; die eindeutige Charakterisierung von aquatischen
Nano-Partikeln hinsichtlich ihrer Größe und Form ist selbst für monodisperse
Systeme mit definierter Partikelform schwierig und liefert je nach Meßmethode
unterschiedliche Ergebnisse. Bei den
meisten Methoden wird nicht der tatsächliche Durchmesser, sondern nur ein Äquivalentdurchmesser
bestimmt, der je nach Partikelform (z.B. bei plättchenförmigen Tonkolloiden)
nur bedingt die tatsächlichen Größenverhältnisse beschreibt (z.B.
hydrodynamischer Durchmesser, Projektionsradius) und der die
entsprechend der Meßmethode analogen physikalischen Eigenschaften aufweist.
Um den Einfluss von Kolloiden auf
die Trinkwasserbeschaffenheit oder die Stoffmigration abzuschätzen ist die
Bestimmung der Größe und Konzentration und möglichst auch der
Oberflächeneigenschaften notwendig. Bisher existiert noch keine Methode, die in
allen relevanten Größenbereichen simultan und ohne Probenaufbereitung Größe,
chemische Zusammensetzung und Konzentration gleichzeitig bestimmen kann. Für
eine vollständige und zuverlässige Systembeschreibung müssen deshalb mehrere
Methoden angewendet werden, um die Ergebnisse zu überprüfen oder den
Messbereich zu erweitern.
4.1.2 Schadstofftransport
Ziel der
Untersuchungen ist das geochemische Langzeitverhalten
von Reststoffsystemen unter dem Aspekt der Mobilisierbarkeit von Kolloiden.
Im Vordergrund steht die Bewertung einer kolloidalen Schadstoffmobilisierung
und ihr Einfluss auf die Umwelt. Reststoffe beinhalten in der Regel
thermodynamisch instabile Phasen, die eine zusätzlich Komplexität des Systems
bewirken.
Zu diesem
Zweck werden folgende Fragestellungen bearbeitet:
• Eingehende
Charakterisierung der physikalisch-chemischen Eigenschaften des
Reststoffsystems hinsichtlich Parameter wie Beurteilung von Art und
Konzentration der Schadstoffe, allgemeine Elementzusammensetzung sowie
Phasenbestand und ihre Langzeitstabilität.
• Überprüfung
einer Mobilisierbarkeit von Kolloiden und Ableitung von
Mobilisierungsmechanismen.
• Charakterisierung
der eluierten Kolloide hinsichtlich ihrer Größe, Stabilität,
Elementzusammensetzung und dem Anteil an kolloidgebundenen Schadstoffen.
• Untersuchungen
zur Abschätzung von Transportreichweiten von Kolloiden in einer
Reststoffmatrix.
Nach dieser
Methode wurde bereits das Gefährdungspotential von Schlacken aus der
Hausmüllverbrennung hinsichtlich einer kolloidgetragenen Mobilisierung der
stark angereicherten Schwermetalle Kupfer, Zink, Blei und Chrom untersucht (Dissertation
Dr. W. Ferstl). Dabei wurde festgestellt, dass zwar eine derartige Freisetzung
stattfinden kann, dass aber die Transportreichweite anorganischer Kolloide zu
gering ist, um eine Gefährdung für die Umwelt darzustellen.
4.1.3 Magnetische Enzymträger
Objective of this work is to optimize the
functionalizing procedures for magnetic micro carriers (with diameter in range
of a few micrometers), which are going to be used for the immobilization of
enzymes. The superior kinetic behavior and the easy recycling of these micro
particles by magnetic separation will be demonstrated.
Conventional immobilized biocatalysts are mainly used
in fixed beds. However, this comparatively cheap and simple separation involves
several disadvantages, e.g. the mass transfer resistance inside the particles
in the bed is high and often only the outer shell of the particle contributes
substantially to the enzyme reaction. The best way to overcome these problems
is to reduce the particle size and to switch from a fixed bed to a fluidized or
stirred batch reactor. In the case of very small particles (diameter in the
range of micrometers) and suspensions containing other insoluble compounds a magnetic
carrier technology is a novel and convenient way to selectively seperate
the immobilized enzyme carrier.
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Different synthesis options based
on functionalized polyvinylalcohol with incorporated magnetic particles are
performed. One investigated demonstration system with practical interest is
the use of immobilized penicillin amidase (penicillin acylase). |
4.1.4 Kolloide im Trinkwasser
Natürliche Wässer weisen je nach Art, Herkunft und Entnahmeort
eine Vielzahl von gelösten und partikulären Inhaltsstoffen in zeitlich und
räumlich wechselnder Konzentration auf. Insbesondere die kolloidal (dp < 1
µm) bzw. suspendiert (dp > 1 µm) vorliegenden Feststoffe sind dabei für die
in einem aquatischen System ablaufenden Prozesse von großer Bedeutung, da eine
Vielzahl von Vorgängen (z.B. Adsorptions-, Desorptions- und
Ionenaustauschvorgänge, Komplexierungsvorgänge oder die Wirkung von Teilchen
als Primärkeime bei der Fällung und Kristallisation) durch die spezifischen
Eigenheiten der partikulären Wasserinhaltsstoffe signifikant beeinflusst
werden. Zudem stellen Mikroorganismen selbst partikuläre Wasserinhaltsstoffe
dar, deren Quantifizierung zur Bereitstellung eines hygienisch einwandfreien
Trinkwassers erforderlich ist.
Herkömmliche
Analysenmethoden
wie die Photonenkorrelationsspektroskopie (PCS) vermögen Kolloide bei den zum Teil in natürlichen Aquifern
vorherrschenden geringen Größen und Konzentrationen nicht zu erfassen.
Daher werden Tiefenprofile der Ausgangsgewässer, die Effektivität von
Filtrationsprozessen bei der Aufbereitung sowie die Änderung der
Kolloidpopulation bei Lagerung und Transport von Trinkwasser mittels der im
ITC-WGT weiterentwickelten Methode der Laser-induzierten Breakdown
Detektion (LIBD) untersucht.
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