Within this dissertation, surfactant-free microemulsions (SFME) were investigated regarding potential applications as solvents for solubilisation, extraction, separation processes and chemical reactions. SFME studied in this work consist of a short-chain amphiphilic molecule (hydrotrope, e.g. a short-chain aliphatic alcohol) and two liquids, both of them being fully miscible with the hydrotrope ...
Zusammenfassung (Englisch)
Within this dissertation, surfactant-free microemulsions (SFME) were investigated regarding potential applications as solvents for solubilisation, extraction, separation processes and chemical reactions. SFME studied in this work consist of a short-chain amphiphilic molecule (hydrotrope, e.g. a short-chain aliphatic alcohol) and two liquids, both of them being fully miscible with the hydrotrope but immiscible or only partially miscible with each other (e.g. water and a hydrophobic component). Dynamic light scattering, X-ray and neutron scattering as well as conductivity measurements were performed considering structural investigations of the used SFME.
General conclusions could be drawn for SFME formulation, regarding the choice of suitable hydrotropes for efficient solubilisation of different hydrophobic compounds in water. Based on this knowledge different applications of SFME were tested. Regarding separation and extraction processes, a surfactant-free alternative to classical microemulsion electrokinetic chromatography was eveloped, enabling for the first time its combined usage together with electrospray ionisation-mass spectrometry detection. In addition, two concepts were investigated particularly interesting for extraction purposes using SFME with cleavable constituents as well as (ultra)centrifugation techniques.
The second part of this thesis concentrates on the use of SFME as reaction media. A systematic study was performed providing an in-depth analysis of the structure-reactivity relationship between the kinetics of a model reaction and the mesoscale structuring of the reaction media. Furthermore, so-called reactivity “on water” was investigated in different SFME and surfactant-free emulsions as well as the enzyme activity of horse radish peroxidase in differently composed SFME. In addition, it was demonstrated that the use of mesoscale structured SFME has a decisive impact on the kinetic size control of growing polymers during polymerisation of methyl methacrylate used as model system.
Each study was carefully evaluated regarding the suitability of the used SFME for the desired application including proof of concept experiments, where necessary. It could be shown that subtle mesoscale structuring, meaning fluctuating ill-defined aggregation typically occurring in SFME, may have serious consequences on chemical reactivity, enzyme activity and polymer formation.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Im Rahmen dieser Dissertation wurden tensidfreie Mikroemulsionen (TFME) hinsichtlich potentieller Anwendungen als Lösungsmittel für Solubilisierungs-, Extraktions-, Trennverfahren und chemische Reaktionen untersucht. Die in dieser Arbeit untersuchten TFME bestehen aus einem kurzkettigen Amphiphil (Hydrotrop, z.B. ein kurzkettiger aliphatischer Alkohol) und zwei Flüssigkeiten, die beide mit dem ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Im Rahmen dieser Dissertation wurden tensidfreie Mikroemulsionen (TFME) hinsichtlich potentieller Anwendungen als Lösungsmittel für Solubilisierungs-, Extraktions-, Trennverfahren und chemische Reaktionen untersucht. Die in dieser Arbeit untersuchten TFME bestehen aus einem kurzkettigen Amphiphil (Hydrotrop, z.B. ein kurzkettiger aliphatischer Alkohol) und zwei Flüssigkeiten, die beide mit dem Hydrotrop komplett mischbar, miteinander jedoch nicht oder nur teilweise mischbar sind (z.B. Wasser und eine hydrophobe Komponente). Dynamische Licht-, Röntgen- und Neutronenstreuung, sowie Leitfähigkeitsmessungen wurden zur Strukturaufklärung der verwendeten TFME durchgeführt.
Es konnten allgemeine Schlussfolgerungen für die Wahl geeigneter Hydrotrope zur TFME-Formulierung hergeleitet werden, die eine hohe Löslichkeit verschiedener hydrophober Verbindungen in Wasser erzielen. Aufbauend darauf wurden verschiedene Anwendungen von TFME untersucht. Zum einen konnte eine tensidfreie Variante zur klassischen mikroemulsionselektrokinetischen Chromatographie entwickelt werden, mit deren Hilfe es zum ersten Mal möglich ist, diese Technik mit der Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie zu koppeln. Des Weiteren wurden zwei Konzepte basierend auf der Verwendung von TFME mit spaltbaren Komponenten und der (Ultra-)Zentrifugation von TFME untersucht, die von besonderem Interesse für Extraktionsverfahren sind.
Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Verwendung von TFME als Reaktionsmedien. Dazu wurde eine systematische Studie erstellt, die den Zusammenhang zwischen der Struktur von TFME und der Kinetik einer darin ablaufenden chemischen Modelreaktion im Detail behandelt. Des Weiteren wurden sogenannte „on water-Reaktionen“ in verschiedenen TFME und tensidfreien Emulsionen, sowie die Enzymaktivität von Meerrettichperoxidase in TFME verschiedener Zusammensetzungen untersucht. Darüber hinaus konnte anhand der Polymerisation von Methylmethacrylat gezeigt werden, dass die mesoskopische Struktur von TFME einen entscheidenden Einfluss auf die kinetische Größenkontrolle von wachsenden Polymeren hat.
Jede einzelne Studie wurde sorgfältig auf die Tauglichkeit der TFME für die gewünschte Anwendung untersucht und gegebenenfalls mittels eines Proof of Concept bestätigt. Desweitern konnte gezeigt werden, dass die schwach ausgeprägte mesoskopische Strukturierung von TFME einen signifikanten Einfluss auf chemische Reaktionen, Enzymaktivitäten und Polymerisationen haben kann.
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