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Die Produktion von Methansulfonsäure (MSA) in Ludwigshafen soll bis Ende des Jahrs 2021 um 65 % steigen. Weltweit erhöht sich damit die MSA-Kapazität des Konzerns auf 50 000 Jahrestonnen. Vor allem aus Asien steigt die Nachfrage. MSA dient der Synthese etwa von Biokraftstoffen und zur industriellen Reinigung oder Behandlung von Metalloberflächen in der Elektronikindustrie.

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BASF: mehr Methansulfonsäure

Die Produktion von Methansulfonsäure (MSA) in Ludwigshafen soll bis Ende des Jahrs 2021 um 65 % steigen. Weltweit erhöht sich damit die MSA-Kapazität des Konzerns auf 50 000 Jahrestonnen. Vor allem aus Asien steigt die Nachfrage. MSA dient der Synthese etwa von Biokraftstoffen und zur industriel...

Ionosilicas sind Funktionsmaterialien für Adsorptionsanwendungen. Ihre Bandbreite zeigt sich vor allem beim Anionentausch für die Aufarbeitung von Industrieabwässern und kontaminierter Lösungen, wie sie beim Rückbau von Kernkraftwerken anfallen können.
In der Materialwissenschaft erlaubt die supramolekulare Chemie über Bottom-up-Strategien, Oberflächeneigenschaften von Feststoffen zu kontrollieren. Insbesondere Soft-Templat-Synthesen machen durch die Verwendung von Porogenen poröse Materialien mit definierten Oberflächeneigenschaften zugänglich, etwa Ionosilicas [Nachr. Chem. 2019, 67 (1), 30].Poröse Silicamaterialien haben wegen ihrer Oberflächeneigenschaften wie hoher Porosität sowie definierter Struktur- und Grenzflächeneigenschaften etliche Anwendungen: als stationäre Phase in der Chromatographie oder als Trägermaterial in Katalyse und Detektion.Silica steht hier für Modifikationen von Siliciumoxiden. Ionosilicas sind besonders vielseitige Materialien, deren Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften sich für unterschiedliche Anwendungen maßschneidern lassen. So lassen sich die Adsorptionseigenschaften modulieren, etwa um Schadstoffe durch Ionenaustauschprozesse zu adsorbieren. Ionosilicas sind daher vielversprechende Materialien für Abwasserreinigung und -aufarbeitung.<h2>Abwasserreinigung</h2>Wir verwenden Ionosilicaphasen in erster Linie für Anionenaustauschprozesse, um Schadstoffe zu eliminieren. Wasseraufbereitung und Abwassereinigung sind Schlüsselthemen in der Umweltdebatte, und nachhaltige Verfahren, welche die Wasserqualität verbessern, werden intensiv erforscht. In Wasser kommen Schadstoffe wie organische Verbindungen vor, darunter Farb- und Wirkstoffe, sowie anorganische Verbindungen, also metallische und nichtmetallische Kationen und Anionen. Die Palette reicht von Pestiziden und Medikamenten sowie deren Abbauprodukten bis hin zu Radionukliden. Vielerorts ist zudem das Grundwasser durch Nitrat belastet, das aus der Landwirtschaft stammt.Die Natur der verwendeten Adsorptionsmaterialien hängt von den zu entfernenden Schadstoffen ab und ist sehr unterschiedlich. Die Materialien können rein mineralisch, rein organisch oder gemischt (hybrid) sein. Allgemein wird zwischen hydrophilen und hydrophoben Adsorbenzien unterschieden. Zu den hydrophilen gehören Zeolithe, Tonerde oder Kieselgele, während als hydrophobes Adsorbens meistens Aktivkohle dient.Man unterscheidet zwischen natürlichen und synthetischen Adsorptionsmaterialien. Natürliche sind in großen Mengen verfügbar, haben aber oft geringe Adsorptionskapazitäten und sind häufig verunreinigt oder heterogen, was den Reinigungsprozess und ihre Wiederverwendbarkeit stört. Im Gegensatz dazu sind synthetische Adsorptionsmaterialien meist teurer, dafür lassen sich ihre Adsorptionskapazitäten sowie Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften besser kontrollieren.Die Tabelle beschreibt die am häufigsten verwendeten Materialklassen für Adsorptionsprozesse.<table-wrap>

<label>Table 1</label><h2>Materialklassen für Adsorptionsprozesse.</h2><img src="https://media.graphcms.com/oPlpYaSOTXWNH44AiKNi">

</table-wrap><h2>Mechanismen</h2>Ein Material, das Schadstoffe bindet, sollte eine hohe Adsorptionskapazität sowie eine hohe Affinität bezüglich der zu adsorbierenden Spezies aufweisen. Die Auswahlkriterien für diese Materialien sind daher zahlreich. Meist sind es Feststoffe mit vielen zugänglichen Adsorptionsstellen und damit hohen Adsorptionskapazitäten.Die Adsorptionsmechanismen basieren entweder auf schwachen Wechselwirkungen zwischen Schadstoff und Adsorptionsmittel (Physisorption), auf Ionenaustausch- oder Komplexierungsmechanismen.Um Physisorption handelt es sich zum Beispiel, wenn Aktivkohle organische Substanzen eliminieren soll.1) Für Komplexierungen müssen die Oberflächen der Adsorptionsmittel mit spezifischen Gruppen funktionalisiert werden, um mit Zielschadstoffen zu wechselwirken.2)<h2>Anionentauscher</h2>Ionentauscher sind Materialien, die mit elektrisch geladenen Gruppen funktionalisiert sind. Diese Ladungen garantieren Austauschkapazitäten für verschiedene ionische Spezies. Ionentauscher sind meist begrenzt selektiv bezüglich der auszutauschenden ionischen Zielspezies. Als Anionentauscher dienen meist ammoniumfunktionalisierte Polystyrolharze. Diese organischen Harze haben geringe Anionenaustauschkapazitäten (etwa 1 mmol·g–1) und sind häufig nur begrenzt wiederverwendbar (weniger als zehn Zyklen).Im Bereich mineralischer Austauschmaterialien beeinflussen Eigenschaften wie spezifische Oberfläche, Porenvolumen und Porengrößenverteilung, ob sich ein Material als Adsorbens eignet.9) Poröse Silicaphasen sind in diesem Zusammenhang besonders interessant: Sie haben häufig hohe spezifische Oberflächen bis zu 1400 m2·g−1; die Porengröße lässt sich mit Templatstrategien effizient zwischen 2 und 30 nm steuern; die Porenvolumina können bis zu 1,2 cm3·g–1 erreichen. Porengröße und -architektur zu bestimmen, ist besonders wichtig, um Diffusion durch das Material sowie Kontaktzeiten zwischen Adsorbens und Adsorbat zu kontrollieren.3)<h2>Ionosilicas</h2>Aufgrund der hohen Anzahl ionischer Gruppen (bis zu 3 mmol·g–1), der chemischen, morphologischen und Strukturvielseitigkeit eignen sich Ionosilicaphasen besonders gut für Anionenaustauschprozesse. Die Sorptions- und Austauschkapazitäten wurden für verschiedene Arten von anionischen Schadstoffen ermittelt, etwa für Chromationen (Abbildung 1, Chromatadsorptionsisotherme).4) Die adsorbierte Chromatmenge beträgt bis zu 2,6 mmol·g–1 und ist höher als mit handelsüblichen Referenzharzen wie Amberlite IRN-78 (1 mmol·g–1). Wie dieses Ergebnis zeigt, sind bis zu 85 Prozent der kationischen Gruppe im Material zugänglich und für den Anionenaustausch verfügbar. Unterschiedliche Synthesestrategien verändern nicht nur die Architekturen der Ionosilicas, sondern auch deren Sorptionseigenschaften.<figure><img src="https://media.graphcms.com/nSoD8XFURKTfSoTUv3Ky"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Adsorptionsisotherme des Chromatanions mit einer Ionosilicaphase (rot) verglichen mit der maximalen Adsorptionskapazität eines konventionellen Anionentauschers (Amberlite IRN-78, blau).</figcaption></figure>
Adsorptionskapazität und -geschwindigkeit sinken mit abnehmender spezifischer Oberfläche. Überraschenderweise haben aber selbst nichtporöse Ionosilicaphasen noch recht hohe Anionenaustauschkapazitäten von bis zu 1,7 mmol·g–1 für Chromationen. Die allgemein hohen Austauschkapazitäten von Ionosilicas lassen sich auf die hohe Hydrophilie der Ionosilicamatrix zurückführen, die Diffusions- und Massenaustauschprozesse in wässrigem Medium beschleunigt.Auch andere anionische Spezies lassen sich mit Ionosilicas austauschen. Aus den Sorptionsisothermen wurden die entsprechenden maximalen Adsorptionskapazitäten ermittelt und für verschiedene Anionenarten verglichen (Abbildung 2, S. 24).<figure><img src="https://media.graphcms.com/R97Ahcm1RvyeyFQCzvMW"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Maximale Adsorptionskapazitäten von Ionosilicaphasen mit anionischen Spezies: Iodid, Methylorange, Diclofenac, p-Aminosalicylat.</figcaption></figure>
Ionosilicas adsorbieren diverse anionische Spezies und erreichen dabei Austauschkapazitäten von 1,5 bis 2,5 mmol·g–1, etwa bei anionischen Farbstoffen (Methylorange) und bei Wirkstoffen (Diclofenac, p-Aminosalicylat),5,6) aber auch bei Halogeniden (Iodid).7) Letztgenanntes ist wichtig für die Aufarbeitung von Abwässern, die mit Radionukliden verunreinigt sind.Darüber hinaus sind Ionosilicamaterialien unter dem Einfluss radioaktiver Strahlung stabil, was sie interessant macht als Adsorptionsmittel für Abwässer, wie sie beim Rückbau von Kernkraftwerken anfallen oder nach zufälliger oder unfallbedingter radioaktiver Verschmutzung auftreten.<h2>Adsorptionszyklen und Regenerierung</h2>Effizienz und Nachhaltigkeit neuer Materialien zu bewerten, umfasst ihren gesamten Gebrauchszyklus, ausgehend von ihrer Synthese über die Anwendung, gegebenenfalls ihre Regenerierung bis hin zu ihrer Beseitigung. Neue Syntheseansätze müssen mit einer Lebenszyklusanalyse bewertet werden. Im Idealfall sollten biobasierte Produkte verwendet werden, die Synthese sollte nachhaltig sein (Ökonomie von Reagenzien, Verwendung ökologisch wenig bedenklicher oder unbedenklicher Lösungsmittel, Energiebilanz), und die hergestellten Produkte sollten wiederverwendbar sein.Um Adsorptionsmaterialien zu regenerieren, müssen sie während mehrerer aufeinanderfolgender Adsorptions- und Desorptionsschritte chemisch, strukturell und morphologisch stabil sein. Für nukleare Anwendungen und die Sorption von Radionukliden ist eines der zu berücksichtigenden Auswahlkriterien die Stabilität der Materialien unter Strahlungseinwirkung. In all diesen Feldern zeigen Ionosilicaphasen vielversprechende Eigenschaften, die in der chemischen Konstitution sich gegenseitig durchdringender Netzwerke begründet sind.Ein entscheidendes Kriterium betrifft schließlich die Herstellungskosten des Materials im Zusammenhang mit dem vorgesehenen Prozess. Gemäß den Prioritäten der Nutzer wird dieses Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistung in Bezug auf die allgemeine Wirkungsbilanz der verwendeten Materialien bewertet.Ionosilicas herzustellen kostet etwa 150 Euro pro Kilogramm. Dieser Preis macht sie zumindest für Nischenanwendungen interessant. Da es sich um ein organisch-anorganisches Hybridmaterial mit oxidischer Matrix handelt, sind Ionosilicas vermutlich leichter abbaubar und somit umweltverträglicher als konventionelle organische Anionentauscher. BBDieser Beitrag ist eine sinnähnliche Übersetzung des zweiten Teils des Artikels „Les matériaux poreux ionosiliciques appliqués à la dépollution“, der in der Juni-Juli-Ausgabe 2018 der Zeitschrift der Société Chimique de France erschienen ist (Actual. Chim. 2018, 430–431, 55–60). Die Autoren danken U. D. Thach, D. Sauvanier und R. Bouchal für die experimentelle Arbeit. Diese Arbeit wurde vom Labex CheMISyst (ANR-10-LABX-05–01) und SATT AxLR (IonEx Initial Maturation / AcOEx Maturation Standard) unterstützt.<figure><img src="https://media.graphcms.com/Zgzojl1ISrkomCqya8SA"><figcaption><label>Abb. 3: </label></figcaption></figure>
<h2>Quergelesen</h2>Poröse Materialien eignen sich dazu, Schadstoffe unterschiedlicher Natur zu adsorbieren.Ionosilicas sind hinsichtlich Sorptionskapazität und -kinetik sowie Wiederverwendbarkeit besonders interessant dafür.Damit eignen sie sich zur Dekontamination und für alle Anwendungen, in denen Adsorptionsprozesse von Interesse sind, etwa in der Feinchemie, Biomedizin oder Verfahrenstechnik.<h2>Die Autoren</h2>Bénédicte Prelot arbeitet am französischen Forschungsinstitut Charles Gerhardt in Montpellier (Chargée de Recherche, Centre national de la recherche scientifique, CNRS). <email><a href="mailto:benedicte.prelot@umontpellier.fr">benedicte.prelot@umontpellier.fr</a></email><div><img src="https://media.graphcms.com/32jNrJWWRt62uyrNlyzO">

</div>Peter Hesemann ist Directeur de Recherche CNRS am Institut Charles Gerhardt in Montpellier. Seine Forschungsinteressen sind funktionelle ionische Systeme, vor allem ionische Flüssigkeiten und Ionosilicas, sowie Phänomene supramolekularer Selbstorganisation zur Herstellung geordneter Phasen. <email><a href="mailto:peter.hesemann@umontpellier.fr">peter.hesemann@umontpellier.fr</a></email><div><img src="https://media.graphcms.com/0HP0SGLRvqY8PdTXAmkX">

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<ul><li>
1 C. Morlay, I. Laidin, M. Chesneau, J.-P. Joly, L. Act. Chim. 2006, 95–99</li><li>
2 A. Walcarius, L. Mercier, J. Mater. Chem. 2010, 20, 4478–4511</li><li>
3 A. Galarneau, A. Sachse, B. Said et al., C. R. Chim. 2016, 19, 231–247</li><li>
4 U.-D. Thach, B. Prelot, S. Pellet-Rostaing, J. Zajac, P. Hesemann, ACS Appl. Nano Mater. 2018, 1, 2076–2087</li><li>
5 R. Bouchal, I. Miletto, U. D. Thach, B. Prelot, G. Berlier, P. Hesemann, New J. Chem. 2016, 40, 7620–7626</li><li>
6 U. D. Thach, B. Prelot, P. Hesemann, Sep. Purif. Technol. 2018, 196, 217–223</li><li>
7 U. D. Thach, P. Hesemann, G. Yang, A. Geneste, S. Le Caër, B. Prelot, J. Colloid Interface Sci. 2016, 482, 233–239</li></ul>

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