Herstellung und Funktionalisierung poröser Polymere mit Metallopolymeren zur reversiblen Adsorption von perfluorierten Alkylsubstanzen

Abstract

Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) stehen aufgrund ihrer Persistenz und Toxizität zunehmend im Fokus der Trinkwasseraufbereitung. Sie sind biologisch nicht abbaubar und reichern sich in Umwelt und Wasser an. Konventionelle Adsorptionsmaterialien sind nur schwer regenerierbar und erfordern energieintensive Entsorgung. In dieser Arbeit wurden neuartige, wiederverwendbare Adsorptionsmaterialien auf Basis von Cobaltocenium entwickelt und untersucht. Cobaltocenium, ein permanentes aromatisches Kation, besitzt eine hohe Affinität zu PFAS. Im ersten Teil der Arbeit wurden Cobaltocenium-haltige Blockcopolymere synthetisiert und in anisotropen Membranen verarbeitet. Rückhaltungsexperimente zeigten eine hohe Effizienz bei der Entfernung von PFAS und Schwermetallen. Im zweiten Teil wurde Cobaltocenium auf poröse Polystyrol-Divinylbenzol-Partikel immobilisiert. Die Materialien wurden hinsichtlich Adsorption und Desorption im Gleichgewicht und im Fluss getestet. Dabei zeigten sich eine deutlich erhöhte Adsorptionskapazität und sehr gute Regenerierbarkeit im Vergleich zum Basismaterial. Die Ergebnisse bestätigen das Potential von Cobaltocenium-basierten Materialien für eine nachhaltige und effiziente PFAS-Entfernung in der Trinkwasseraufbereitung.

In recent years, perfluorinated alkyl substances (PFAS) have become a key concern in drinking water quality monitoring due to their persistence and environmental accumulation. These synthetic compounds are resistant to biological degradation and are increasingly found in drinking water. While current treatment methods exist, the required disposal of single-use materials is energy- and resource-intensive. Modern materials with high adsorption capacity and reusability through controlled PFAS release could offer a solution. Metallocene-based materials, particularly cobaltocenium—a stable aromatic cation—show strong affinity for surfactant-like PFAS and are promising candidates. This work investigated the covalent modification of porous architectures with cobaltocenium for PFAS adsorption. Anisotropic membranes and porous polystyrene-divinylbenzene particles were selected to ensure continuous adsorption. In the first part, cobaltocenium-containing block copolymers were synthesized and processed into membranes. Retention experiments confirmed high PFAS binding efficiency and applicability in heavy metal removal. The second part focused on maximizing adsorption and regeneration by anchoring cobaltocenium onto porous particles and testing PFAS uptake and release under static and flow conditions. Varying matrix parameters revealed key insights into adsorption mechanisms, high capacity, and excellent reusability. The results demonstrate the strong potential of cobaltocenium-based materials for sustainable PFAS removal in water treatment.