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DE102021200731A1 - core-shell particles - Google Patents

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DE102021200731A1
DE102021200731A1 DE102021200731.7A DE102021200731A DE102021200731A1 DE 102021200731 A1 DE102021200731 A1 DE 102021200731A1 DE 102021200731 A DE102021200731 A DE 102021200731A DE 102021200731 A1 DE102021200731 A1 DE 102021200731A1
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DE
Germany
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shell
core
group
molecules
particles
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Pending
Application number
DE102021200731.7A
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German (de)
Inventor
Marcus Halik
Marco Sarcletti
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HALIK, MARCUS, DE
SARCLETTI, MARCO, DE
Original Assignee
Individual
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/0036Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties showing low dimensional magnetism, i.e. spin rearrangements due to a restriction of dimensions, e.g. showing giant magnetoresistivity
    • H01F1/0045Zero dimensional, e.g. nanoparticles, soft nanoparticles for medical/biological use
    • H01F1/0054Coated nanoparticles, e.g. nanoparticles coated with organic surfactant

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Abstract

Es wird ein Kern-Hülle-Partikel (2) angegeben, dass zur selektiven Entfernung von Mikro- und Nanoplastikpartikeln (32) aus Wasser (34) besonders geeignet ist. Das Kern-Hülle-Partikel (2) umfasst einen Kern (4), der mindestens ein magnetisches Nanopartikel enthält, sowie eine Hülle (6), die den Kern (4) umschließt und aus einer Monolage von Molekülen (8) gebildet ist. Jedes Molekül (8) der Hülle (6) weist eine Ankergruppe (12), ein molekulares Rückgrat (14) und eine Kopfgruppe (16, 16a, 16b) auf. Über die Ankergruppe (12) ist das Molekül (8) dabei mit einer Oberfläche (10) des Kerns (4) verbunden. Das molekulare Rückgrat (14) verbindet die Ankergruppe (12) mit der Kopfgruppe (16, 16a, 16b), die ihrerseits von der Oberfläche (10) des Kerns (4) abgewandt ist. Eine erste Gruppe (20) von Molekülen (8) der Hülle (6) weist unpolare Kopfgruppen (16, 16a) aufweist, die eine lipophile Oberfläche (18) der Hülle (6) bilden. Eine zweite Gruppe (22) von Molekülen (8) der Hülle (6) trägt positive elektrische Ladungen (24), so dass das Kern-Hülle-Partikel (6) insgesamt eine positive elektrische Oberflächenladung aufweist. Das Kern-Hülle-Partikel (6) ist hierdurch trotz der lipophilen Oberfläche (18) der Hülle (6) in wässriger Umgebung dispergierbar.

Figure DE102021200731A1_0000
A core-shell particle (2) is specified that is particularly suitable for the selective removal of micro- and nanoplastic particles (32) from water (34). The core-shell particle (2) comprises a core (4) containing at least one magnetic nanoparticle and a shell (6) which encloses the core (4) and is formed from a monolayer of molecules (8). Each molecule (8) of the shell (6) has an anchor group (12), a molecular backbone (14) and a head group (16, 16a, 16b). The molecule (8) is connected to a surface (10) of the core (4) via the anchor group (12). The molecular backbone (14) connects the anchor group (12) to the head group (16, 16a, 16b), which in turn faces away from the surface (10) of the core (4). A first group (20) of molecules (8) of the shell (6) has non-polar head groups (16, 16a) which form a lipophilic surface (18) of the shell (6). A second group (22) of molecules (8) of the shell (6) carries positive electrical charges (24), so that the core-shell particle (6) has an overall positive electrical surface charge. As a result, the core-shell particle (6) can be dispersed in an aqueous environment despite the lipophilic surface (18) of the shell (6).
Figure DE102021200731A1_0000

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kern-Hülle-Partikel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Kern-Hülle-Partikel ist aus WO 2018/006959 A1 sowie aus DE 20 2018 005 341 U1 bekannt.The invention relates to a core-shell particle according to the preamble of claim 1. Such a core-shell particle is made of WO 2018/006959 A1 as well as off DE 20 2018 005 341 U1 known.

Eines der größten Umweltprobleme der heutigen Zeit stellt die Verschmutzung von Wasser und Luft mit Mikro- und Nanoplastik (also Kunststoffpartikeln mit typischen Größen im Mikrometer- oder Nanometerbereich) dar. Solche Kunststoffpartikel werden einerseits als Zusatzstoffe in der Kosmetikindustrie bewusst hergestellt und eingesetzt, zum Beispiel um die Materialeigenschaften von Cremen und Gelen wie Shampoos oder Peelings einzustellen. Ein wesentlich größerer Anteil der vorhandenen Mikro- und Nanoplastikpartikel entsteht aber unbeabsichtigt durch Abrieb bei der mechanischen Beanspruchung von Kunststoffteilen wie z.B. Autoreifen, oder durch Verwitterung und Zersetzung von Plastikabfall unter Wirkung von Umwelteinflüssen wie Wind, Sonne und Wasser.One of the biggest environmental problems of today is the pollution of water and air with micro- and nanoplastics (i.e. plastic particles with typical sizes in the micrometer or nanometer range). Such plastic particles are deliberately produced and used as additives in the cosmetics industry, for example to to adjust the material properties of creams and gels such as shampoos or peelings. However, a significantly larger proportion of the existing micro- and nanoplastic particles are created unintentionally through abrasion during mechanical stress on plastic parts such as car tires, or through weathering and decomposition of plastic waste under the influence of environmental influences such as wind, sun and water.

Im Fokus der Aufmerksamkeit stehen hierbei derzeit Mikroplastikpartikel im Größenbereich von 1 bis 5000 µm (Mikrometer), zumal durch die Forschung in jüngerer Zeit zunehmend die Akkumulation solcher Plastikpartikel in biologischen Systemen beobachtet wurde. Noch gravierendere Auswirkungen auf biologische Systeme sind von Nanoplastikpartikeln, also Kunststoffpartikeln mit Größen unterhalb von 1 µm zu erwarten. Denn mit der geringeren Größe steigt die Wahrscheinlichkeit, dass solche Partikel in menschliches, tierisches oder pflanzliches Gewebe eindringen und hier Entzündungen oder Vergiftungen hervorrufen, stark an.The focus of attention is currently on microplastic particles in the size range from 1 to 5000 µm (microns), especially since research has recently increasingly observed the accumulation of such plastic particles in biological systems. Even more serious effects on biological systems can be expected from nanoplastic particles, i.e. plastic particles with sizes below 1 µm. The smaller the size, the more likely it is that such particles will penetrate human, animal or plant tissue and cause inflammation or poisoning.

In jüngerer Zeit wurde verschiedentlich der Einsatz von magnetischen Kern-Hülle-Nanopartikeln (oder Kern-Schale-Nanopartikeln, englisch: Magnetic Core Shell Nano Particles, kurz: MCSNP) zur Reinigung von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser oder Ölen, von verschiedenartigen Verunreinigungen vorgeschlagen.Recently, the use of magnetic core-shell nanoparticles (or core-shell nanoparticles, English: Magnetic Core Shell Nano Particles, abbreviated: MCSNP) for cleaning liquids, in particular water or oils, from various contaminants has been proposed on various occasions.

Solche MCSNP bestehen in der Regel aus einem Kern aus einem magnetischen (d.h. magnetisierten oder magnetisierbaren) Material sowie einer Hülle, die den Kern umschließt und aus einer Monolage von kettenförmigen, organischen Molekülen gebildet ist. Jedes Molekül der Hülle ist mit einer Ankergruppe mit der Oberfläche des Kerns verbunden und steht von dieser Oberfläche ab. An ihren zu den Ankergruppen entgegengesetzten Kettenenden tragen die Moleküle der Hülle eine Kopfgruppe, die zur Bindung der jeweils zu entfernenden Verunreinigung funktionalisiert ist.Such MCSNPs usually consist of a core made of a magnetic (i.e. magnetized or magnetizable) material and a shell that encloses the core and is made up of a monolayer of chain-like organic molecules. Each molecule of the shell is connected to the surface of the core with an anchor group and protrudes from this surface. At their chain ends opposite to the anchor groups, the molecules of the shell carry a head group that is functionalized to bind the respective impurity to be removed.

In WO 2018/006958 A1 wird der Einsatz von MCSNP zur selektiven Entfernung von Schwermetall-Ionen und Kationen radioaktiver Isotope aus Wasser empfohlen. Die Hülle dieser MCSNP umfasst dabei Matrix-Moleküle, die eine hydrophile Matrix bilden, sowie eine Anzahl verschiedener funktionalisierter Moleküle, die derart in die Matrix integriert sind, dass die Hülle mit einer dreidimensionalen Käfigstruktur zur selektiven Bindung von metallischen Kationen ausgebildet ist.In WO 2018/006958 A1 the use of MCSNP for the selective removal of heavy metal ions and cations of radioactive isotopes from water is recommended. The shell of this MCSNP comprises matrix molecules that form a hydrophilic matrix and a number of different functionalized molecules that are integrated into the matrix in such a way that the shell is designed with a three-dimensional cage structure for the selective binding of metallic cations.

In WO 2018/006959 A1 wird der Einsatz von MCSNP zur selektiven Bindung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere Erdöl oder anderen fossilen Brennstoffen empfohlen. Die Hülle dieser MCSNP umfasst dabei Matrix-Moleküle, die eine hydrophobe Matrix zur Bindung der Kohlenwasserstoffe bilden. Die Hülle der in WO 2018/006959 A1 beschriebenen MCSNP enthält ferner eine Anzahl verschiedener funktionalisierter Moleküle.In WO 2018/006959 A1 the use of MCSNP for the selective binding of hydrocarbons, in particular crude oil or other fossil fuels, is recommended. The shell of this MCSNP includes matrix molecules that form a hydrophobic matrix for binding the hydrocarbons. The shell of the in WO 2018/006959 A1 The described MCSNP also contains a number of different functionalized molecules.

In DE 20 2018 005 341 U1 wird der Einsatz von MCSNP unter anderem auch zur Entfernung von Mikro- und Nanoplastik diskutiert. Für diese Anwendung wird vorgeschlagen, zur Bildung der Hülle Moleküle mit CH3-Kopfgruppen heranzuziehen, die eine hydrophobe Oberfläche der Hülle ausbilden und mit den zu bindenden Plastikpartikeln über Van-der-Waals-Kräfte wechselwirken. Zur Bindung von Nanopolyester wird alternativ vorgeschlagen, zur Bildung der Hülle Moleküle mit OH-, NH2-, COOH- oder SH-Kopfgruppen heranzuziehen, die mit den zu bindenden Partikeln über Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrücken oder kovalente Verknüpfungen wechselwirken.In DE 20 2018 005 341 U1 the use of MCSNP, among other things, for the removal of micro- and nanoplastics is discussed. For this application, it is proposed to use molecules with CH 3 head groups to form the shell, which form a hydrophobic surface of the shell and interact with the plastic particles to be bound via van der Waals forces. As an alternative to binding nanopolyester, it is proposed to use molecules with OH, NH 2 , COOH or SH head groups to form the shell, which interact with the particles to be bound via van der Waals forces, hydrogen bridges or covalent linkages.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kern-Hülle-Partikel anzugeben, dass eine besonders effektive Bindung von Mikro- und Nanoplastikpartikeln in wässrigen Umgebung ermöglicht und das sich somit besonders effektiv zur Reinigung von mit Mikro- und Nanoplastik verunreinigtem Wasser einsetzen lässt.The invention is based on the object of specifying a core-shell particle that enables particularly effective binding of microplastic and nanoplastic particles in an aqueous environment and which can therefore be used particularly effectively for cleaning water contaminated with microplastic and nanoplastic.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kern-Hülle-Partikel mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Kern-Hülle-Partikel weist danach - grundsätzlich analog zu den aus WO 2018/006959 A1 und DE 20 2018 005 341 U1 bekannten MCSNP - einen Kern auf, der mindestens ein magnetisches, d.h. magnetisiertes oder magnetisierbares, Nanopartikel enthält. Das Kern-Hülle-Partikel weist weiterhin eine Hülle auf, die den Kern umschließt und die aus einer Monolage von (insbesondere kettenförmigen, organischen) Molekülen gebildet ist. Jedes Molekül der Hülle weist eine Ankergruppe, ein molekulares Rückgrat (engl.: molecular back bone) und eine Kopfgruppe auf. Die Moleküle der Hülle sind jeweils über die Ankergruppe mit einer Oberfläche des Kerns verbunden (vorzugsweise über eine kovalente Bindung oder eine Salzbrücke), während die über das molekulare Rückgrat mit der Ankergruppe verbundene Kopfgruppe von der Oberfläche des Kerns abgewandt ist.According to the invention, this object is achieved by a core-shell particle having the features of claim 1. The core-shell particle then has—in principle analogously to FIG WO 2018/006959 A1 and DE 20 2018 005 341 U1 known MCSNP - a core which contains at least one magnetic, ie magnetized or magnetizable, nanoparticle. The core-shell particle also has a shell which encloses the core and which is formed from a monolayer of (especially chain-like, organic) molecules. Each molecule of the shell has an anchor group, a molecular backbone, and a head group. The molecules of the shell are each connected to a surface of the core via the anchor group (preferably via a covalent bond or a salt bridge), while the head group, which is connected to the anchor group via the molecular backbone, faces away from the surface of the core.

Erfindungsgemäß umfasst die Hülle eine erste Gruppe von Molekülen, die jeweils mindestens eine unpolare Kopfgruppe aufweisen. Die Kopfgruppen dieser ersten Gruppe von Molekülen bilden eine lipophile Oberfläche der Hülle. Des Weiteren umfasst die Hülle eine zweite Gruppe von Molekülen, die positive elektrische Ladungen tragen. Jedes Molekül der zweiten Gruppe trägt dabei mindestens eine positive Ladung. Ein verstärkter Ladungseffekt wird optional dadurch erzielt, dass einige oder sogar alle Moleküle der zweiten Gruppe mehrere gleiche und/oder verschiedene positive Ladungsgruppen enthalten. Diese zweite Gruppe von Molekülen ist dabei derart ausgewählt, dass das Kern-Hülle-Partikel insgesamt eine positive elektrische Oberflächenladung aufweist. Insgesamt sind die beiden Gruppen von Molekülen der Hülle derart ausgewählt, dass das Kern-Hülle-Partikel in wässriger Umgebung dispergierbar ist.According to the invention, the shell comprises a first group of molecules, each of which has at least one non-polar head group. The head groups of this first group of molecules form a lipophilic surface of the shell. The shell also includes a second group of molecules that carry positive electrical charges. Each molecule of the second group carries at least one positive charge. An increased charging effect is optionally achieved in that some or even all of the molecules of the second group contain several identical and/or different positive charge groups. This second group of molecules is selected in such a way that the core-shell particle has an overall positive electrical surface charge. Overall, the two groups of molecules of the shell are selected in such a way that the core-shell particle is dispersible in an aqueous environment.

Die Zuordnung der Moleküle der Hülle zu der ersten bzw. zweiten Gruppe ist dabei rein funktional zu verstehen und wird ausschließlich durch die vorstehend beschriebenen Moleküleigenschaften (unpolare Kopfgruppen bzw. positive Ladungen) definiert. Die beiden Gruppen können dabei im Rahmen der Erfindung disjunkt sein (also keine Schnittmenge aufweisen) und somit jeweils aus vollständig verschiedenen Molekülen gebildet sein. Sie können alternativ aber auch überlappen oder sogar vollständig identisch sein und somit ganz oder teilweise aus denselben Molekülen gebildet sein. Ein bestimmtes Molekül der Hülle kann mit anderen Worten sowohl der ersten Gruppe als auch der zweiten Gruppe angehören, nämlich immer dann, wenn dieses Molekül sowohl eine unpolare Kopfgruppe und mindestens eine positive Ladung aufweist.The assignment of the molecules of the shell to the first or second group is to be understood as purely functional and is defined exclusively by the molecular properties described above (non-polar head groups or positive charges). Within the scope of the invention, the two groups can be disjoint (ie have no intersection) and thus each be formed from completely different molecules. Alternatively, however, they can also overlap or even be completely identical and thus be formed entirely or partially from the same molecules. In other words, a specific molecule of the shell can belong both to the first group and to the second group, namely whenever this molecule has both a non-polar head group and at least one positive charge.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass herkömmliche MCSNP mit hydrophober Oberfläche, wie sie an sich aus WO 2018/006959 A1 und DE 20 2018 005 341 U1 bekannt sind, zwar grundsätzlich neben flüssigen Kohlenwasserstoffen wie Erdöl auch Mikro- und Nanoplastikpartikel binden können, dass die herkömmlichen MCSNP für den letztgenannten Einsatzzweck aber vergleichsweise ineffektiv sind. Dies liegt vorrangig daran, dass die zu bindenden Mikro- und Nanoplastikpartikel vergleichsweise groß sind (insbesondere im Vergleich zu einzelnen Kohlenwasserstoffmolekülen einer Flüssigkeit, die mit den aus WO 2018/006959 A1 bekannten MCSNP gebunden werden sollen). Aufgrund ihrer Größe sind Mikro- und Nanoplastikpartikel vergleichsweise großen Kräften (Schwerkraft, Trägheit, Strömungsdruck, etc.) ausgesetzt, so dass die vergleichsweise schwachen Van-der-Wals-Kräfte, über die die Plastikpartikel mit der hydrophoben Oberfläche der MCSNP wechselwirken, nicht ausreichen, um die MCSNP zusammen mit den daran gebundenen Plastikpartikeln effektiv aus der wässrigen Umgebung zu entfernen.The invention is based on the knowledge that conventional MCSNP with a hydrophobic surface, as they are made of WO 2018/006959 A1 and DE 20 2018 005 341 U1 are known, although in principle they can also bind micro- and nanoplastic particles in addition to liquid hydrocarbons such as petroleum, the conventional MCSNP are comparatively ineffective for the latter purpose. This is primarily due to the fact that the micro- and nanoplastic particles to be bound are comparatively large (especially in comparison to individual hydrocarbon molecules in a liquid that are mixed with the WO 2018/006959 A1 known MCSNP should be bound). Due to their size, micro- and nanoplastic particles are exposed to comparatively large forces (gravity, inertia, flow pressure, etc.), so that the comparatively weak van der Wals forces through which the plastic particles interact with the hydrophobic surface of the MCSNP are not sufficient to effectively remove the MCSNP along with the attached plastic particles from the aqueous environment.

Ein weiteres Problem besteht erkanntermaßen darin, dass Mikro- und Nanoplastikpartikel in wässriger Umgebung in der Regel feinverteilt vorkommen und im Gegensatz zu flüssigen Kohlenwasserstoffen wie Erdöl keine separaten Phasen bilden. Die in WO 2018/006959 A1 und DE 20 2018 005 341 U1 bekannten MCSNP ist aber aufgrund ihrer hydrophoben Oberfläche ohne Zugabe von Tensiden nur schwer mit Wasser mischbar. Sie können daher in wässriger Umgebung nicht effektiv mit den zu entfernenden Mikro- und Nanoplastikpartikeln in Kontakt gebracht werden.Another recognized problem is that micro- and nanoplastic particles are generally finely distributed in an aqueous environment and, in contrast to liquid hydrocarbons such as petroleum, do not form separate phases. In the WO 2018/006959 A1 and DE 20 2018 005 341 U1 However, due to its hydrophobic surface, the known MCSNP is difficult to mix with water without the addition of surfactants. Therefore, in an aqueous environment, they cannot be effectively brought into contact with the micro- and nanoplastic particles to be removed.

Zwar sind, z.B. aus WO 2018/006958 A1 , an sich auch MCSNP mit hydrophiler Oberfläche bekannt, die ohne Weiteres mit Wasser mischbar sind. Die Bindungsfähigkeit dieser MCSNP ist aber nicht selektiv für Mikro- und Nanoplastikpartikel. Solche MCSNP würden daher, wenn sie überhaupt Mikro- und Nanoplastikpartikel binden können, auch andere in der wässrigen Umgebung vorkommende Mikro- und Nanopartikel wie z.B. anorganische Sedimentpartikel oder biologische Schwebstoffe binden. Sie könnten daher ebenfalls nicht effektiv zur Entfernung von Mikro- und Nanoplastikpartikel eingesetzt werden.While are, for example, from WO 2018/006958 A1 , per se also known as MCSNP with a hydrophilic surface, which are readily miscible with water. However, the binding ability of these MCSNPs is not selective for micro- and nanoplastic particles. Such MCSNPs, if they can bind micro- and nanoplastic particles at all, would also bind other micro- and nanoparticles occurring in the aqueous environment, such as inorganic sediment particles or biological suspended matter. They could therefore also not be used effectively to remove micro- and nanoplastic particles.

Um dennoch eine effektive Entfernung von Mikro- und Nanoplastikpartikeln mit MCSNP zu ermöglichen, werden bei dem erfindungsgemäßen Kern-Hülle-Partikel gezielt gegensätzlich wirkende Strukturen in die Hülle eingebaut.However, in order to enable an effective removal of micro- and nanoplastic particles with MCSNP, in the case of the core-shell particle according to the invention, structures with opposite effects are purposefully built into the shell.

Durch die unpolaren Kopfgruppen der ersten Gruppe von Hüllen-Molekülen wird eine lipophile (und an sich hydrophobe) Oberfläche der Hülle geschaffen, die eine hinreichende Selektivität für Mikro- und Nanoplastikpartikel gewährleistet und eine Agglomeration von anderen in der wässrigen Umgebung vorkommenden Mikro- und Nanopartikeln (insbesondere anorganischen Sediment-Partikeln) hemmt.The non-polar head groups of the first group of shell molecules create a lipophilic (and per se hydrophobic) surface of the shell, which ensures sufficient selectivity for micro- and nanoplastic particles and prevents agglomeration of other micro- and nanoparticles occurring in the aqueous environment ( especially inorganic sediment particles).

Durch die positiven Ladungen der zweiten Gruppe von Hüllen-Molekülen wird einerseits sichergestellt, dass das Kern-Hülle-Partikel in der wässrigen Umgebung dispergierbar ist, und dass somit ein die Kern-Hülle-Partikel enthaltendes Bindemittel in Wasser lösbar ist. Dadurch dass mittels der positiven Ladungen ein positives Oberflächenpotential des Kern-Hülle-Partikels geschaffen wird, werden andererseits Mikro- und Nanoplastikpartikel zusätzlich durch elektrische Anziehungskräfte (Coulomb-Wechselwirkung) gebunden. Die hierdurch erzielte Bindungsfähigkeit der Kern-Hülle-Partikel hat sich als hinreichend stark herausgestellt, um die Kern-Hülle-Partikel unter Wirkung von Magnetfeldern zusammen mit den anhaftenden Mikro- und Nanoplastikpartikeln zu größeren Agglomeraten zu binden und diese aus der wässrigen Phase zu entfernen.The positive charges of the second group of shell molecules ensure on the one hand that the core-shell particle is dispersible in the aqueous environment and that a binder containing the core-shell particles is soluble in water. Because a positive surface potential of the core-shell particle is created by means of the positive charges, on the other hand, micro- and nanoplastic particles are additionally attracted by electrical forces of attraction (Coulomb interaction) bound. The binding ability of the core-shell particles achieved in this way has turned out to be sufficiently strong to bind the core-shell particles together with the adhering micro- and nanoplastic particles to form larger agglomerates under the effect of magnetic fields and to remove them from the aqueous phase.

Um die gegensätzlichen Eigenschaften des Kern-Hülle-Partikels, nämlich einerseits die lipophile Eigenschaft der Oberfläche der Hülle und andererseits die positive Oberflächenladung und damit die Dispergierbarkeit in Wasser, in besonders effektiver Weise zu gewährleisten, ohne dass sich diese gegensätzlichen Eigenschaften stören oder kompensieren, sind die positiven Ladung vorzugsweise nicht an der Oberfläche der Hülle angeordnet, sondern innerhalb der Hülle.In order to ensure the opposing properties of the core-shell particle, namely on the one hand the lipophilic property of the surface of the shell and on the other hand the positive surface charge and thus the dispersibility in water, in a particularly effective manner, without these opposing properties interfering with or compensating for each other, are the positive charge is preferably not located on the surface of the shell but within the shell.

Um dies zu erreichen, umfasst die Hülle in einer ersten Ausgestaltungsvariante der Erfindung (erste) Moleküle, die sowohl eine unpolare Kopfgruppe aufweisen als auch (unterhalb der Kopfgruppe) positive elektrische Ladungen tragen. In dieser Ausführungsvariante der Erfindung sind somit die erste Gruppe und die zweite Gruppe der Hüllen-Moleküle ganz oder teilweise identisch.In order to achieve this, in a first embodiment variant of the invention, the shell comprises (first) molecules which both have a non-polar head group and (below the head group) carry positive electrical charges. In this variant embodiment of the invention, the first group and the second group of shell molecules are therefore completely or partially identical.

In einer zweiten Ausführungsvariante der Erfindung umfasst die zweite Gruppe der Hüllen-Moleküle (zweite) Moleküle mit einer positiv geladenen Kopfgruppe, wobei diese zweiten Moleküle eine geringere Kettenlänge aufweisen als Moleküle der ersten Gruppe. Durch die geringere Kettenlänge der zweiten Moleküle wird wiederum sichergestellt, dass sich die positiven Ladungen im Inneren der Hülle (also unterhalb der lipophilen Oberfläche der Hülle) befinden.In a second embodiment of the invention, the second group of shell molecules includes (second) molecules with a positively charged head group, these second molecules having a shorter chain length than molecules of the first group. The shorter chain length of the second molecules in turn ensures that the positive charges are located inside the shell (ie below the lipophilic surface of the shell).

Im Rahmen der Erfindung liegen ferner auch Mischformen der beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsvarianten der Erfindung. In solchen Mischformen umfasst die Hülle also sowohl die (ersten) Moleküle mit unpolarer Kopfgruppe und positiven elektrischen Ladungen unterhalb der Kopfgruppe als auch die vergleichsweise kurzkettigen (zweiten) Moleküle mit positiv geladener Kopfgruppe. Mixed forms of the two embodiment variants of the invention described above also lie within the scope of the invention. In such mixed forms, the shell thus includes both the (first) molecules with a non-polar head group and positive electrical charges below the head group and the comparatively short-chain (second) molecules with a positively charged head group.

Zur Realisierung der positiven Ladungen enthalten die Moleküle der zweiten Gruppe vorzugsweise Ammonium-Gruppen, Pyridinium-Gruppen und/oder Imidazolium-Gruppen. Die unpolaren Kopfgruppen der ersten Gruppe von Hüllen-Molekülen sind vorzugsweise durch Alkylketten und/oder Fluoralkylketten mit Kettenlängen größer oder gleich 2 (d.h. mit mindestens zwei Kohlenstoffatomen in der Kette) gebildet.To realize the positive charges, the molecules of the second group preferably contain ammonium groups, pyridinium groups and/or imidazolium groups. The non-polar head groups of the first group of shell molecules are preferably formed by alkyl chains and/or fluoroalkyl chains with chain lengths greater than or equal to 2 (i.e. with at least two carbon atoms in the chain).

In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung - insbesondere in bevorzugten Ausgestaltungen, in denen Kern aus Eisenoxid (FeOx), zum Beispiel Magnetit oder Maghämit, besteht - weist der Kern eine negative elektrische Oberflächenladung auf. In diesem Fall sind die Hüllen-Moleküle stets so ausgewählt, dass die negative Oberflächenladung durch die positiven elektrischen Ladungen der zweiten Gruppe von Hüllen-Molekülen überkompensiert wird. Die negative Oberflächenladung des Kerns wird mit anderen Worten durch die positiven Ladungen der Hülle umgepolt, so dass das Kern-Hülle-Partikel insgesamt eine positive elektrische Oberflächenladung aufweist.In certain embodiments of the invention - particularly in preferred embodiments in which the core consists of iron oxide (FeO x ), for example magnetite or maghemite - the core has a negative electrical surface charge. In this case, the shell molecules are always selected in such a way that the negative surface charge is overcompensated by the positive electrical charges of the second group of shell molecules. In other words, the polarity of the negative surface charge of the core is reversed by the positive charges of the shell, so that the core-shell particle has a positive electrical surface charge overall.

In vorteilhafter Dimensionierung weist das Kern-Hülle-Partikel in wässriger Umgebung ein Zeta-Potential von mehr als 10 mV (Milli-Volt), vorzugsweise mehr als 20 mV, insbesondere mehr als 35 mV auf. Zusätzlich oder alternativ weist die Hülle eine (totale) Oberflächenenergie von weniger als 45 mN/m (Milli-Newton pro Meter), vorzugsweise weniger als 30 mN/m, insbesondere weniger als 25 mN/m, auf. Der polare Anteil der Oberflächenenergie der Hülle beträgt dabei insbesondere weniger als 50%, bevorzugt weniger als 40% und insbesondere weniger als 25% der totalen Oberflächenenergie.In an advantageous dimensioning, the core-shell particle has a zeta potential of more than 10 mV (millivolts), preferably more than 20 mV, in particular more than 35 mV, in an aqueous environment. Additionally or alternatively, the shell has a (total) surface energy of less than 45 mN/m (milli-Newtons per meter), preferably less than 30 mN/m, in particular less than 25 mN/m. The polar proportion of the surface energy of the shell is in particular less than 50%, preferably less than 40% and in particular less than 25% of the total surface energy.

Die Moleküle der Hülle bedecken die Oberfläche des Kerns vorzugsweise mit einer Dichte vom 0,5 bis 7 Molekülen/nm2 (Quadrat-Nanometer)), vorzugsweise mit ungefähr 4 Molekülen/nm2.The molecules of the shell preferably cover the surface of the core at a density of 0.5 to 7 molecules/nm 2 (square nanometers)), preferably about 4 molecules/nm 2 .

Der Kern weist in besonders geeigneten Ausführungen der Erfindung einen Durchmesser von 10 bis 70 nm (Nanometer), insbesondere ungefähr 30 nm, auf. Der durchschnittliche Durchmesser des Kern-Hülle-Partikels vergrößert sich durch die Hülle im Vergleich zum Kerndurchmesser vorzugsweise um 2 bis 10 nm, insbesondere um ungefähr 4 nm.In particularly suitable embodiments of the invention, the core has a diameter of 10 to 70 nm (nanometers), in particular approximately 30 nm. The average diameter of the core-shell particle increases through the shell compared to the core diameter, preferably by 2 to 10 nm, in particular by about 4 nm.

Der Kern kann im Rahmen der Erfindung - je nach dem Einsatzgebiet des Kern-Hülle-Partikels - paramagnetische, diamagnetische, ferromagnetische oder ferrimagnetische Eigenschaften aufweisen. Vorzugsweise ist er superparamagnetisch ausgebildet.Depending on the field of application of the core-shell particle, the core can have paramagnetic, diamagnetic, ferromagnetic or ferrimagnetic properties within the scope of the invention. It is preferably designed to be superparamagnetic.

Die Hüllen-Moleküle sind vorzugsweise durch Phosphonsäurederivate gebildet. Die Ankergruppe der Hüllen-Moleküle ist also bevorzugt durch eine Phosphonsäure-Gruppe gebildet. Die Hüllen-Moleküle haben in dieser Ausführungsform insbesondere die verallgemeinerte chemische Struktur R-PO(OH)2, wobei OH auch durch OR' mit R'=Me, Et substituiert sein kann. Die Abkürzungen „Me“ und „Et“ stehen hierbei für eine Methyl-Gruppe bzw. eine Ethyl-Gruppe. In der vorstehend genannten Summenformel bezeichnet „R“ das molekulare Rückgrat und die Kopfgruppe, allgemein also eine (insbesondere durch Alkylketten gebildete) molekulare Kettenstruktur, wobei die Kettenlänge dieser Struktur vorzugsweise zwischen 2 und 20 liegt. In dem molekularen Rückgrat zumindest eines Teils der Hüllen-Moleküle können im Rahmen der Erfindung ein oder mehrere Kohlenstoffatome durch Heteroatome wie Sauerstoff oder Schwefel oder durch Phenylgruppen ersetzt sein. Das das molekulare Rückgrat und die Kopfgruppe können weiterhin ganz oder teilweise fluoriert sein. Die Hüllen-Moleküle stehen insbesondere in einem durchschnittlichen Neigungswinkel von 90° zur Oberfläche des Kerns. Variationen in der durchschnittlichen Molekülneigung sind in Abhängigkeit der verwendeten Moleküle möglich und liegen bei bis zu 45°.The shell molecules are preferably formed by phosphonic acid derivatives. The anchor group of the shell molecules is therefore preferably formed by a phosphonic acid group. In this embodiment, the shell molecules have in particular the generalized chemical structure R—PO(OH) 2 , where OH can also be substituted by OR′ with R′=Me, Et. The abbreviations “Me” and “Et” stand for a methyl group and an ethyl group, respectively. In the molecular formula mentioned above, "R" designates the molecular backbone and the head group, ie generally one molecular chain structure (particularly formed by alkyl chains), the chain length of this structure preferably being between 2 and 20. Within the scope of the invention, one or more carbon atoms in the molecular backbone of at least some of the shell molecules can be replaced by heteroatoms such as oxygen or sulfur or by phenyl groups. The molecular backbone and the head group can also be fully or partially fluorinated. In particular, the shell molecules are at an average angle of inclination of 90° to the surface of the core. Variations in the average molecular inclination are possible depending on the molecules used and are up to 45°.

Größen, deren Werte mit Zusätzen wie „ungefähr“, „etwa“, etc. unscharf angegeben sind, können insbesondere um ±10%, vorzugsweise ±5%, von dem jeweils angegebenen Wert abweichen.Values whose values are given with suffixes such as “approximately”, “approximately”, etc. can deviate in particular by ±10%, preferably ±5%, from the value given in each case.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

  • 1 im Querschnitt ein grob schematisch dargestelltes Kern-Hülle-Partikel mit einem Kern aus einem superparamagnetischen Nanopartikel und einer Hülle aus kettenförmigen Hüllen-Molekülen,
  • 2 in einem grob schematischen Querschnitt einen Ausschnitt einer ersten Ausführungsform des Kern-Hülle-Partikels gemäß 1, wobei eine erste Gruppe der Hüllen-Moleküle jeweils eine unpolare Kopfgruppe tragen und eine zweite Gruppe von Hüllen-Molekülen jeweils mindestens eine elektrisch positiv geladene Kopfgruppe tragen, und wobei die Moleküle der zweiten Gruppe eine geringere Kettenlänge aufweisen als die Moleküle der ersten Gruppe,
  • 3 fünf Strukturformeln von Hüllen-Molekülen, die alternativ oder in Kombination zur Bildung der Hülle des Kern-Hülle-Partikels gemäß 2 einsetzbar sind, nämlich in 3(a) bis 3(d) vier Phosponsäurederivate mit jeweils eine positiv geladenen Kopfgruppe, die alternativ oder in Kombination als Moleküle der zweiten Gruppe einsetzbar sind sowie in 3(e) ein Phosphonsäurederivat mit einer unpolaren Kopfgruppe, das als Molekül der ersten Gruppe einsetzbar ist,
  • 4 in Darstellung gemäß 2 einen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform des Kern-Hülle-Partikels gemäß 1, wobei hier alle Hüllen-Moleküle jeweils eine unpolare Kopfgruppe tragen, und wobei eine Untergruppe dieser Hüllen-Moleküle unterhalb der Kopfgruppe mindestens eine positive Ladung tragen,
  • 5 drei Strukturformeln von Hüllen-Molekülen in Form von Phosponsäurederivaten mit einer unpolaren Kopfgruppe und mindestens einer positiven Ladung, die alternativ oder in Kombination zur Bildung der Hülle des Kern-Hülle-Partikels gemäß 4 einsetzbar sind, und
  • 6 in schematischer Darstellung eine Reinigungsvorrichtung zur Entfernung von Mikro- und Nanoplastikpartikeln aus Wasser unter Verwendung der Kern-Hülle-Partikel, und
  • 7 in schematischer Darstellung die Bindung von Mikro- und Nanoplastikpartikeln mittels der Kern-Hülle-Partikel.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing. show:
  • 1 in cross section, a roughly schematic core-shell particle with a core of a superparamagnetic nanoparticle and a shell of chain-like shell molecules,
  • 2 in a roughly schematic cross section a section of a first embodiment of the core-shell particle according to FIG 1 , wherein a first group of shell molecules each carry a non-polar head group and a second group of shell molecules each carry at least one electrically positively charged head group, and the molecules of the second group have a shorter chain length than the molecules of the first group,
  • 3 five structural formulas of shell molecules, alternatively or in combination to form the shell of the core-shell particle according to 2 can be used, namely in 3(a) until 3(d) four phosphonic acid derivatives, each with a positively charged head group, which can be used alternatively or in combination as molecules of the second group, and in 3(e) a phosphonic acid derivative with a non-polar head group, which can be used as a molecule of the first group,
  • 4 in representation according to 2 according to a section of a second embodiment of the core-shell particle 1 , where all shell molecules each carry a non-polar head group, and where a subgroup of these shell molecules below the head group carry at least one positive charge,
  • 5 three structural formulas of shell molecules in the form of phosphonic acid derivatives with a non-polar head group and at least one positive charge, which alternatively or in combination to form the shell of the core-shell particle according to 4 can be used, and
  • 6 a schematic representation of a purification device for removing micro- and nanoplastic particles from water using the core-shell particles, and
  • 7 a schematic representation of the binding of micro- and nanoplastic particles by means of the core-shell particles.

Einander entsprechende Teile, Größen und Strukturen sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts, sizes and structures are given the same reference numerals throughout the figures.

1 zeigt ein (Kern-Hülle-)Partikel 2 (wie zuvor auch als „MCSNP“ bezeichnet) in einem grob schematischen Querschnitt. Das Kern-Hülle-Partikel 2 umfasst einen Kern 4 sowie eine den Kern 4 umschließende Hülle 6. Der Kern 4 ist durch ein superparamagnetisches Nanopartikel aus Magnetit (Fe3O4) gebildet. Alternativ kann der Kern 4 auch aus einem anderen superparamagnetischem Material bestehen. Geeignete magnetische Nanopartikel werden beispielsweise von GetNanoMaterials (St-Cannat, Frankreich; www.getnanomaterials.com) oder Comar Chemicals (Südafrika, www.comarchemicals.com) hergestellt und vertrieben. Der Kern 4 hat beispielsweise einen Durchmesser von 30 nm. 1 shows a (core-shell) particle 2 (as previously also referred to as “MCSNP”) in a roughly schematic cross section. The core-shell particle 2 comprises a core 4 and a shell 6 enclosing the core 4. The core 4 is formed by a superparamagnetic nanoparticle of magnetite (Fe 3 O 4 ). Alternatively, the core 4 can also consist of another superparamagnetic material. Suitable magnetic nanoparticles are manufactured and marketed, for example, by GetNanoMaterials (St-Cannat, France; www.getnanomaterials.com) or Comar Chemicals (South Africa, www.comarchemicals.com). The core 4 has a diameter of 30 nm, for example.

Die Hülle 6 ist durch eine selbstorganisierende Monolage (Self-Assembled Monolayer, kurz SAM) aus kettenförmigen organischen (Hüllen-)Molekülen 8 gebildet, die jeweils von einer Oberfläche 10 des Kerns 4 abstehen. Der durchschnittliche Durchmesser des Kern-Hülle-Partikels 2 vergrößert sich im Vergleich zum Kerndurchmesser um ungefähr 4 nm, so dass das Kern-Hülle-Partikel 2 insgesamt einen Durchmesser von ungefähr 34 nm aufweist.The shell 6 is formed by a self-organizing monolayer (self-assembled monolayer, SAM for short) of chain-shaped organic (shell) molecules 8 which each protrude from a surface 10 of the core 4 . The average diameter of the core-shell particle 2 increases by approximately 4 nm compared to the core diameter, so that the core-shell particle 2 has a total diameter of approximately 34 nm.

Wie aus 2 ersichtlich ist, umfassen die Hüllen-Moleküle 8 allgemein jeweils eine Ankergruppe 12, ein molekulares Rückgrat 14 und mindestens eine Kopfgruppe 16. Mit der Ankergruppe 12 ist jedes der Hüllen-Moleküle 8 mit der Oberfläche 10 des Kerns 4 verbunden. Die Kopfgruppe 16 ist dagegen von der Oberfläche 10 des Kerns 4 abgewandt. Die Kopfgruppen 16 der Hüllen-Moleküle 8 oder - wenn die Hülle 6 unterschiedliche lange Hüllen-Moleküle 8 enthält - zumindest die Kopfgruppen 16 der längeren Hüllen-Moleküle 8 bilden dabei eine Oberfläche 18 der Hülle 6 (und somit des gesamten Kern-Hülle-Partikels 2). Das molekulare Rückgrat 14 verbindet die Ankergruppe 12 eines jeden Kern-Hülle-Partikels 2 mit der jeweils zugehörigen Kopfgruppe 16.How out 2 As can be seen, the shell molecules 8 generally each comprise an anchor group 12, a molecular backbone 14 and at least one head group 16. The anchor group 12 connects each of the shell molecules 8 to the surface 10 of the core 4. In contrast, the head group 16 faces away from the surface 10 of the core 4 . The head groups 16 of the shell molecules 8 or - if the shell 6 contains shell molecules 8 of different lengths - at least the head groups 16 of the longer shell molecules 8 form a surface 18 of the shell 6 (and thus of the entire core-shell particle 2). The molecular backbone 14 connects the anchor group 12 of each core Shell particle 2 with the associated head group 16.

Die Hüllen-Moleküle 8 sind durch Phosphonsäurederivate gebildet. Sie umfassen somit als Ankergruppe 12 jeweils eine Phosphonsäure-Gruppe mit der allgemeinen chemischen Summenformel -PO(OH)2, die über eine kovalente Bindung an der Oberfläche 10 des Kerns 4 gebunden ist. Das molekulare Rückgrat 14 eines jeden Hüllen-Moleküls 8 ist im Wesentlichen durch eine Alkan-Kette gebildet.The shell molecules 8 are formed by phosphonic acid derivatives. They therefore each comprise a phosphonic acid group with the general chemical molecular formula --PO(OH) 2 as the anchor group 12, which is bonded to the surface 10 of the core 4 via a covalent bond. The molecular backbone 14 of each shell molecule 8 is essentially formed by an alkane chain.

In dem Beispiel gemäß 2 sind die Hüllen-Moleküle 8 in zwei - hinsichtlich ihrer Struktur und Wirkung - verschiedenartige Gruppen 20 bzw. 22 gegliedert. Die Hüllen-Moleküle 8 einer ersten Gruppe 20 enthalten jeweils mindestens eine unpolare Kopfgruppe 16, die im Folgenden auch als Kopfgruppe 16a bezeichnet ist und die insbesondere durch eine Ethyl-Gruppe oder durch einen längeren Alkan-Rest gebildet ist. Im Beispiel gemäß 2 werden das molekulare Rückgrat 14 und die Kopfgruppe 16a der Hüllen-Moleküle 8 der ersten Gruppe 20 durch eine einzige Alkan-Kette gebildet. In diesem Fall gehen das molekulare Rückgrat 14 und die Kopfgruppe 16a somit übergangslos ineinander über.In the example according to 2 the shell molecules 8 are divided into two groups 20 and 22 which are different in terms of their structure and effect. The shell molecules 8 of a first group 20 each contain at least one non-polar head group 16, which is also referred to below as the head group 16a and which is formed in particular by an ethyl group or by a longer alkane radical. In the example according to 2 the molecular backbone 14 and the head group 16a of the shell molecules 8 of the first group 20 are formed by a single alkane chain. In this case, the molecular backbone 14 and the head group 16a thus merge seamlessly into one another.

Die Hüllen-Moleküle 8 einer zweiten Gruppe 22 enthalten jeweils mindestens eine Kopfgruppe 16, die mindestens eine positive elektrische Ladung 24 trägt. Die positiv geladenen Kopfgruppen 16 (nachfolgend auch als Kopfgruppen 16b bezeichnet) sind beispielsweise durch Ammonium-Gruppen, durch Pyridinium-Gruppen und/oder - wie in 2 dargestellt - durch Imidazolium-Gruppen gebildet.The shell molecules 8 of a second group 22 each contain at least one head group 16 which carries at least one positive electrical charge 24 . The positively charged head groups 16 (hereinafter also referred to as head groups 16b) are, for example, by ammonium groups, by pyridinium groups and / or - as in 2 shown - formed by imidazolium groups.

Wie aus 2 ersichtlich ist, haben die Hüllen-Moleküle 8 der zweiten Gruppe 22 eine geringere Kettenlänge und longitudinale Ausdehnung als die Hüllen-Moleküle 8 der ersten Gruppe 20. Somit wird die Oberfläche 18 der Hülle 6 durch die unpolaren Kopfgruppen 16a der ersten Gruppe 20 von Hüllen-Molekülen 8 gebildet, wodurch die Oberfläche 18 eine niedrige Oberflächenenergie, und mithin eine lipophile Wirkung erhält. Die positiv geladenen Kopfgruppen 16b der zweiten Gruppe 22 von Hüllen-Molekülen 8 ist dagegen (unterhalb der Oberfläche 18) im Inneren der Hülle 6 aufgenommen. Die positiv geladenen Kopfgruppen 16b überkompensieren dabei eine negative elektrische Oberflächenladung des Kerns 4 und bewirken somit eine insgesamt positive Oberflächenladung des Kern-Hülle-Partikels 2. Diese positive Oberflächenladung ermöglicht eine Dispergierbarkeit der Kern-Hülle-Partikels 2 in wässriger Umgebung, ohne die lipophile Eigenschaft der Oberfläche 18 zu zerstören.How out 2 As can be seen, the shell molecules 8 of the second group 22 have a smaller chain length and longitudinal extent than the shell molecules 8 of the first group 20. Thus, the surface 18 of the shell 6 is covered by the non-polar head groups 16a of the first group 20 of shell Molecules 8 formed, whereby the surface 18 has a low surface energy, and consequently a lipophilic effect. The positively charged head groups 16b of the second group 22 of shell molecules 8, on the other hand, are accommodated inside the shell 6 (below the surface 18). The positively charged head groups 16b overcompensate for a negative electrical surface charge of the core 4 and thus bring about an overall positive surface charge of the core-shell particle 2. This positive surface charge enables the core-shell particle 2 to be dispersible in an aqueous environment without the lipophilic property of the surface 18 to destroy.

Durch Variation der jeweiligen Dichte der Hüllen-Moleküle 8 der ersten Gruppe 20 und der Hüllen-Moleküle 8 der zweiten Gruppe 22 auf der Oberfläche 10 des Kerns 4, durch Variation der Kettenlängen der Hüllen-Moleküle 8 der ersten Gruppe 20 und der Hüllen-Moleküle 8 der zweiten Gruppe 22 sowie durch Auswahl der Kopfgruppen 16a und 16b (und somit insbesondere durch Variation der positiven Ladungen pro Hüllen-Molekül 8 der zweiten Gruppe 22) können die positive elektrische Oberflächenladung und die Oberflächenenergie der Oberfläche 18 eingestellt werden.By varying the respective density of the shell molecules 8 of the first group 20 and the shell molecules 8 of the second group 22 on the surface 10 of the core 4, by varying the chain lengths of the shell molecules 8 of the first group 20 and the shell molecules 8 of the second group 22 and by selecting the head groups 16a and 16b (and thus in particular by varying the positive charges per shell molecule 8 of the second group 22), the positive electrical surface charge and the surface energy of the surface 18 can be adjusted.

Beispielsweise weist das Kern-Hülle-Partikel 2 in wässriger Umgebung ein Zeta-Potential von 20 mV und eine (totale) Oberflächenenergie von weniger als 30 mN/m mit einem polaren Anteil von 25 % auf.For example, the core-shell particle 2 in an aqueous environment has a zeta potential of 20 mV and a (total) surface energy of less than 30 mN/m with a polar fraction of 25%.

In den 3(a) bis 3(d) sind beispielhaft vier verschiedene Moleküle dargestellt, die in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung alternativ oder in beliebiger Kombination als Hüllen-Moleküle 8 der zweiten Gruppe 22 verwendet werden. Im Einzelnen dargestellt sind in

  • - 3(a): 1-Methyl-3-(( )n-Phosphonsäure)-Imidazoliumbromid, wobei ( )n für verschiedene Alkan-Kettenlängen des molekularen Rückgrats steht, z.B. 1-Methyl-3-(Dodecylphosphonsäure)-Imidazoliumbromid (Cas N ° [2230266-36-9]; MW: 411,32), 1-Methyl-3-(Hexylphosphonsäure)-Imidazoliumbromid (Cas N ° [1852452-65-3]; MW: 327,16), 1-Methyl-3-(Propylphosphonsäure)-Imidazoliumbromid (Cas N ° [1373155-57-7]; MW: 285,08) oder 1-Methyl-3-(Butylphosphonsäure)-Imidazoliumbromid (MW: 299,1),
  • - 3(b): (( )n-Phosphonsäure)-Pyridinbromid, wobei ( )n wiederum für verschiedene Alkan-Kettenlängen des molekularen Rückgrats steht, z.B. (12-Dodecylphosphonsäure)-Pyridinbromid (Ref: SIK7712-10; MW: 408,12),
  • - 3(c): (1,3-Diaminopropan-N,N,N,N',N'-Pentamethyl-N'-( )n-Phosphonsäure)-Dichlorid, wobei ( )n wiederum für verschiedene Alkan-Kettenlängen des molekularen Rückgrats steht, z.B. (1,3-Diaminopropan-N,N,N,N',N'-Pentamethyl-N'-Dodecylphosphonsäure)-Dichlorid (Ref : SIK7728-10; MW: 465,48), und
  • - 3(d): (1-Methyl-4,4'-Bipyridin-1,1'-Diium -1'-( )n-Phosphonsäure)-Dichlorid, wobei ( )n wiederum für verschiedene Alkan-Kettenlängen des molekularen Rückgrats steht, z.B. (1-Methyl-4,4'-Bipyridin-1,1'-Diium-1'-Dodecylphosphonsäure)-Dichlorid (Ref: SIK7733-10; MW: 491,43).
In the 3(a) until 3(d) four different molecules are shown as examples, which are used in various embodiments of the invention alternatively or in any combination as shell molecules 8 of the second group 22. Shown in detail are in
  • - 3(a) : 1-methyl-3-(( ) n -phosphonic acid)-imidazolium bromide, where ( ) n stands for different alkane chain lengths of the molecular backbone, e.g. 1-methyl-3-(dodecylphosphonic acid)-imidazolium bromide (Cas N ° [2230266- 36-9]; MW: 411.32), 1-methyl-3-(hexylphosphonic acid)-imidazolium bromide (Cas N°[1852452-65-3]; MW: 327.16), 1-methyl-3-(propylphosphonic acid )-imidazolium bromide (Cas N ° [1373155-57-7]; MW: 285.08) or 1-methyl-3-(butylphosphonic acid)-imidazolium bromide (MW: 299.1),
  • - 3(b) : (( ) n -phosphonic acid) pyridine bromide, where ( ) n in turn stands for different alkane chain lengths of the molecular backbone, e.g. (12-dodecylphosphonic acid) pyridine bromide (Ref: SIK7712-10; MW: 408.12),
  • - 3(c) : (1,3-diaminopropane-N,N,N,N',N'-pentamethyl-N'-( ) n -phosphonic acid) dichloride, where ( ) n in turn stands for different alkane chain lengths of the molecular backbone, e.g (1,3-diaminopropane-N,N,N,N',N'-pentamethyl-N'-dodecylphosphonic acid) dichloride (Ref : SIK7728-10; MW: 465.48), and
  • - 3(d) : (1-Methyl-4,4'-bipyridine-1,1'-diium -1'-( ) n -phosphonic acid) dichloride, where ( ) n in turn stands for different alkane chain lengths of the molecular backbone, e.g. (1 -Methyl 4,4'-bipyridine-1,1'-diium-1'-dodecylphosphonic acid) dichloride (Ref: SIK7733-10; MW: 491.43).

Das Hüllen-Molekül 8 aus 3(a) trägt hierbei eine positiv geladene Kopfgruppe 16b in Form einer Imidazolium-Gruppe. Bei den Hüllen-Molekülen 8 aus 3(b) und 3(d) sind die positiv geladenen Kopfgruppen 16b jeweils durch eine Pyridinium-Gruppe bzw. zwei Pyridinium-Gruppen gebildet. Das Hüllen-Molekül 8 aus 3(c) hat eine positiv geladene Kopfgruppe 16b in Form einer Ammonium-Gruppe (-NR3 +). Eine weitere Ammonium-Gruppe (-NR2 +-) und damit eine weitere positive Ladung 24 sind hier in dem molekularen Rückgrat 14 angeordnet.The shell molecule 8 out 3(a) carries a positively charged head group 16b in the form of an imidazolium group. At the shell molecule len 8 off 3(b) and 3(d) the positively charged head groups 16b are each formed by a pyridinium group or two pyridinium groups. The shell molecule 8 out 3(c) has a positively charged head group 16b in the form of an ammonium group (-NR 3 + ). Another ammonium group (-NR 2 + -) and thus another positive charge 24 are arranged in the molecular backbone 14 here.

In 3(e) ist beispielhaft ein Molekül dargestellt, das im Beispiel gemäß 2 für die Hüllen-Moleküle 8 der ersten Gruppe 20 verwendet wird, nämlich n-( )n-Phosphonsäure, wobei ( )n wiederum für verschiedene Alkan-Kettenlängen des molekularen Rückgrats steht, z.B. n-Oktadecylphosphonsäure (Cas N ° [4724-47-4]; MW: 334,48) oder n-Dodecylphosphonsäure (Cas N ° [5137-70-2]; MW: 250,32) .In 3(e) a molecule is shown as an example, which in the example according to 2 is used for the shell molecules 8 of the first group 20, namely n-( ) n -phosphonic acid, where ( ) n in turn stands for different alkane chain lengths of the molecular backbone, e.g. n-octadecylphosphonic acid (Cas N ° [4724-47- 4]; MW: 334.48) or n-dodecylphosphonic acid (Cas N° [5137-70-2]; MW: 250.32).

In weiteren (nicht explizit dargestellten Ausführungsbeispielen werden anstelle des in 3(e) dargestellten Moleküls fluorierte Phosphonsäure-Derivate eingesetzt, z.B.

  • - 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-Tridecafluoroktylphosphonsäure (Ref: SIK7112-10; Cas N ° [252237-40-4]; MW: 428,08),
  • - 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-Heptadecafluordecylphosphonsäure (Ref.: SIK7114-10; Cas N ° [80220-63-9]; MW: 528,1),
  • - 12,12,13,13,14,14,15,15,15,15-Nonafluorpentadecylphosphonsäure (Ref : SIK7120-10; CAS Nr. [627909-21-1]; MW: 454,31),
  • - 12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,17,17-Tridecafluorseptadecylphosphonsäure (Ref : SIK7121-10; Cas N° [1980085-69-5]; MW: 554,33),
  • - 2,12,13,13,14,14,15,15,16,16,17,17,18,18,19,19,19-Heptadecafluornonadecylphosphonsäure (Ref : SIK7122-10; Cas N ° [625095-76-3]; MW: 654,34),
  • - 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,11,12,12,12-Henicosafluordodecylphosphonsäure (Ref: SIK7130-10; Cas N ° [252237-39-1]; MW: 628,12), und
  • - 12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,17,17,18,18,18-Pentadecafluoroctadecylphosphonsäure (Ref : SIK7134-10; Cas N ° [1258004-90-8]; MW: 604,34).
In further (not explicitly shown) exemplary embodiments, instead of the 3(e) Molecule shown fluorinated phosphonic acid derivatives used, eg
  • - 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-Tridecafluorooctylphosphonic acid (Ref: SIK7112-10; Cas N ° [252237-40-4]; MW: 428, 08),
  • - 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-Heptadecafluorodecylphosphonic acid (Ref.: SIK7114-10; Cas N ° [80220- 63-9]; MV: 528.1),
  • - 12,12,13,13,14,14,15,15,15,15-nonafluoropentadecylphosphonic acid (Ref : SIK7120-10; CAS No. [627909-21-1]; MW: 454.31),
  • - 12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,17,17-tridecafluoroseptadecylphosphonic acid (Ref : SIK7121-10; Cas N° [1980085-69-5]; MW: 554.33) ,
  • - 2,12,13,13,14,14,15,15,16,16,17,17,18,18,19,19,19-heptadecafluorononadecylphosphonic acid (Ref : SIK7122-10; Cas N ° [625095-76 -3]; MV: 654.34),
  • - 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,11,12,12,12-henicosafluorododecylphosphonic acid (Ref: SIK7130-10 ; Cas N° [252237-39-1]; MW: 628.12), and
  • - 12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,17,17,18,18,18-pentadecafluorooctadecylphosphonic acid (Ref : SIK7134-10; Cas N ° [1258004-90-8]; MV: 604.34).

Die 4 zeigt eine alternative Ausführungsform des Kern-Hülle-Partikels 2, das hinsichtlich seines prinzipiellen Aufbaus der vorstehend beschriebenen Ausführungsform des Kern-Hülle-Partikels 2 entspricht. Abweichend hiervon weisen bei dem Beispiel gemäß 4 aber alle Hüllen-Moleküle 8 eine unpolare Kopfgruppe 16a auf. Somit gehören alle Hüllen-Moleküle 8 der vorstehend beschriebenen ersten Gruppe 20 an, die der Oberfläche 18 der Hülle 6 aufgrund der unpolaren Kopfgruppen 16a eine lipophile Wirkung verleihen.the 4 shows an alternative embodiment of the core-shell particle 2, which corresponds to the above-described embodiment of the core-shell particle 2 in terms of its basic structure. Deviating from this, according to the example 4 but all shell molecules 8 have a non-polar head group 16a. Thus, all the shell molecules 8 belong to the first group 20 described above, which give the surface 18 of the shell 6 a lipophilic effect due to the non-polar head groups 16a.

Im Beispiel gemäß 4 enthält eine Untergruppe der Hüllen-Moleküle 8 unterhalb der oder jeder Kopfgruppe 16a und/oder innerhalb des molekularen Rückgrats 14 mindestens eine positive elektrische Ladung 24. Diese Hüllen-Moleküle 8 gehören somit auch der vorstehend beschriebenen zweiten Gruppe 22 an, die aufgrund der positiven Ladungen 22 die insgesamt positive Oberflächenladung des Kern-Hülle-Partikels 2 und somit die Dispergierbarkeit des Kern-Hülle-Partikels 2 in wässriger Umgebung bewirken.In the example according to 4 contains a subgroup of the shell molecules 8 below the or each head group 16a and/or within the molecular backbone 14 at least one positive electrical charge 24. These shell molecules 8 thus also belong to the second group 22 described above, which due to the positive charges 22 bring about the overall positive surface charge of the core-shell particle 2 and thus the dispersibility of the core-shell particle 2 in an aqueous environment.

Wie in 4 dargestellt ist, weist die Hülle 6 optional zusätzlich zu den Hüllen-Molekülen 8 der zweiten Gruppe 22 auch weitere Hüllen-Moleküle 8 ohne positive Ladungen 24 auf. Diese weiteren Hüllen-Moleküle 8 weisen vorzugsweise eine ähnliche oder größere Kettenlänge und longitudinale Ausdehnung auf wie die Hüllen-Molekülen 8 der zweiten Gruppe 22.As in 4 is shown, the shell 6 optionally has further shell molecules 8 without positive charges 24 in addition to the shell molecules 8 of the second group 22 . These further shell molecules 8 preferably have a similar or greater chain length and longitudinal extent than the shell molecules 8 of the second group 22.

In einem weiteren (nicht explizit dargestellten) Ausführungsbeispiel enthält die Hülle 6 nur Hüllen-Moleküle 8 mit unpolaren Kopfgruppen 16a und mindestens einer positiven Ladung unterhalb der Kopfgruppe 16a. Die erste Gruppe 20 von Hüllen-Molekülen 8 ist in diesem Fall identisch mit der zweiten Gruppe 22.In a further exemplary embodiment (not shown explicitly), the shell 6 contains only shell molecules 8 with non-polar head groups 16a and at least one positive charge below the head group 16a. In this case, the first group 20 of shell molecules 8 is identical to the second group 22.

Durch Variation der jeweiligen Dichte der Hüllen-Moleküle 8 der zweiten Gruppe 20 und gegebenenfalls der Hüllen-Moleküle 8 ohne positive Ladungen 24, durch Variation der Kettenlängen des molekularen Rückgrats 14 und der Kopfgruppe 16a der Hüllen-Moleküle 8 der zweiten Gruppe 22 sowie durch Variation der positiven Ladungen pro Hüllen-Molekül 8 der zweiten Gruppe 22 können die positive elektrische Oberflächenladung und die Oberflächenenergie der Oberfläche 18 der Hülle 6 eingestellt werden.By varying the respective density of the shell molecules 8 of the second group 20 and optionally the shell molecules 8 without positive charges 24, by varying the chain lengths of the molecular backbone 14 and the head group 16a of the shell molecules 8 of the second group 22 and by variation of the positive charges per shell molecule 8 of the second group 22, the positive electrical surface charge and the surface energy of the surface 18 of the shell 6 can be adjusted.

Beispielsweise weist das Kern-Hülle-Partikel 2 gemäß 4 in wässriger Umgebung ein Zeta-Potential von 25 mV und eine (totale) Oberflächenenergie von weniger als 23 mN/m mit einem polaren Anteil von 12 % auf.For example, the core-shell particle 2 according to 4 in an aqueous environment, it has a zeta potential of 25 mV and a (total) surface energy of less than 23 mN/m with a polar fraction of 12%.

In 5 (a) bis 5 (c) sind beispielhaft drei verschiedene Moleküle dargestellt, die in verschiedenen Varianten des Kern-Hülle-Partikels 2 gemäß 4 alternativ oder in beliebiger Kombination als Hüllen-Moleküle 8 der zweiten Gruppe 22 verwendet werden. Im Einzelnen dargestellt sind in

  • - 5(a): (( )n-Phosphonsäure)-N,N-Dimethyl-N-( )m-Ammonium-Bromid, wobei ( )n und ( )m für verschiedene Alkan-Kettenlängen des molekularen Rückgrats bzw. der unpolaren Kopfgruppe stehen, z.B. (12-Dodecylphosphonsäure)-N,N-Dimethyl-N-Octadecylammonium-Bromid (Ref: SIK7716-10; MW: 626,79), (3-Propylphosphonsäure)-N,N-Dimethyl-N-Octadecylammonium-Bromid (Ref: SIK7716-11; MW: 500,54), (6-Hexylphosphonsäure)-N,N-Dimethyl-N-Tetradecylammonium-Bromid (Ref: SIK7716-12; MW: 486,52), (3-Propylphosphonsäure)-N,N-Dimethyl-N-Tetradecylammonium-Bromid (Ref: SIK7716-13; MW: 444,43) oder (12-Dodecylphosphonsäure)-N,N-Dimethyl-N-Dodecylammonium-Bromid (Ref: SIK7716-14; MW: 542,62),
  • - 5(b): (12-Dodecylphosphonsäure)-Triethylammonium Bromid (Ref: SIK7709-10; MW: 430,41) und
  • - 5(c): Mono(1-Decyl-1'-(12-Phosphonododecyl)-[4,4'-Bipyridin]-1,1'-Diium) Dichlorid.
In 5 (a) until 5(c) three different molecules are shown as an example, which according to different variants of the core-shell particle 2 4 alternatively or in any combination tion as shell molecules 8 of the second group 22 are used. Shown in detail are in
  • - 5(a) : (( ) n -phosphonic acid)-N,N-dimethyl-N-( ) m -ammonium bromide, where ( ) n and ( ) m stand for different alkane chain lengths of the molecular backbone or the non-polar head group, e.g. ( 12-dodecylphosphonic acid)-N,N-dimethyl-N-octadecylammonium bromide (ref: SIK7716-10; MW: 626.79), (3-propylphosphonic acid)-N,N-dimethyl-N-octadecylammonium bromide (ref: SIK7716-11; MW: 500.54), (6-hexylphosphonic acid)-N,N-dimethyl-N-tetradecylammonium bromide (Ref: SIK7716-12; MW: 486.52), (3-propylphosphonic acid)-N, N-dimethyl-N-tetradecylammonium bromide (ref: SIK7716-13; MW: 444.43) or (12-dodecylphosphonic acid)-N,N-dimethyl-N-dodecylammonium bromide (ref: SIK7716-14; MW: 542 ,62),
  • - 5(b) : (12-dodecylphosphonic acid)-triethylammonium bromide (Ref: SIK7709-10; MW: 430.41) and
  • - 5(c) : Mono(1-decyl-1'-(12-phosphonododecyl)-[4,4'-bipyridine]-1,1'-diium) dichloride.

Zusätzlich oder alternativ zu dem in 5(b) dargestellten Molekül kann auch 12-Dodecylphosphonsäure)-Tripropylammonium-Iodid (Ref: SIK7724-10; MW: 519,24) eingesetzt werden.In addition or as an alternative to the in 5(b) The molecule shown can also be used with 12-dodecylphosphonic acid)-tripropylammonium iodide (Ref: SIK7724-10; MW: 519.24).

Die in den 3 und 5 gezeigten und vorstehend beschriebenen Moleküle werden beispielsweise von Sikemia (Montpellier, Frankreich; www.sikemia.com) vertrieben.The in the 3 and 5 Molecules shown and described above are marketed, for example, by Sikemia (Montpellier, France; www.sikemia.com).

Das Hüllen-Molekül aus 5(b) trägt hierbei drei kurzkettige unpolare Kopfgruppen 16a in Form von Ethyl-Gruppen, die an ein positiv geladenes Ende des molekularen Rückgrats 14 angrenzen. Das positiv geladene Ende des molekularen Rückgrats 14 ist hier durch eine Ammonium-Gruppe (-NR3 +) gebildet. Bei den Hüllen-Molekülen 8 aus 5(a) und 5(c) ist die unpolare Kopfgruppe 16a dagegen jeweils durch eine längerkettige Alkankette gebildet. Die positiven Ladungen 24 sind hier im Fall des Hüllen-Moleküls 8 gemäß 5(a) wiederum durch eine Ammonium-Gruppe (-NR3 +) sowie im Fall des Hüllen-Moleküls 8 gemäß 5(c) durch zwei Pyridinium-Gruppen am Ende des jeweiligen molekularen Rückgrats 14 gebildet.The shell molecule out 5(b) has three short-chain, non-polar head groups 16a in the form of ethyl groups, which are adjacent to a positively charged end of the molecular backbone 14. The positively charged end of the molecular backbone 14 is formed here by an ammonium group (-NR 3 + ). With the shell molecules 8 out 5(a) and 5(c) the non-polar head group 16a, on the other hand, is in each case formed by a longer-chain alkane chain. The positive charges 24 are here in the case of the shell molecule 8 according to 5(a) again by an ammonium group (-NR 3 + ) and in the case of the shell molecule 8 according to 5(c) formed by two pyridinium groups at the end of each molecular backbone 14.

Die Herstellung des Kern-Hülle-Partikels 2 (Funktionalisierung), das heißt die Aufbringung der Hüllen-Moleküle 8 auf dem Kern 4, erfolgt beispielsweise durch einen nass-chemischen Prozess oder durch einen Gasphasen-Prozess.The production of the core-shell particle 2 (functionalization), that is to say the application of the shell molecules 8 to the core 4, takes place, for example, by a wet-chemical process or by a gas-phase process.

Bei der nass-chemischen Herstellung werden die den Kern 4 bildenden magnetischen Partikel und die Hüllen-Moleküle 8 in Lösungsmittel gegeben und gemischt. Die Funktionalisierung erfolgt in der Mischung spontan und selbstterminiert. Optional erfolgt eine Ultraschall-Behandlung der Mischung zur besseren Verteilung und Verstärkung der Funktionalisierung. Anschließend werden die Partikel mittels Magnetfeldern und/oder Zentrifugation aus dem Lösungsmittel separiert und mehrfach in Lösungsmitteln gewaschen. Zum Abschluss werden die Partikel entweder wieder vom Lösungsmittel separiert und als Pulver gelagert oder als Dispersion in Lösungsmittel aufbewahrt. Das grundlegende Herstellungsprinzip ist in L. Portilla, M. Halik, „Smoothly Tunable Surface of Aluminium Oxide Core-Shell Nanoparticles By a Mixed-Ligand Approach“, ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 8, 5977-5982 (DOI: 10.1021/am501155e) beschrieben.In the wet-chemical production, the magnetic particles forming the core 4 and the shell molecules 8 are added to the solvent and mixed. The functionalization occurs spontaneously and self-terminated in the mixture. Optionally, the mixture is treated with ultrasound for better distribution and reinforcement of the functionalization. The particles are then separated from the solvent using magnetic fields and/or centrifugation and washed several times in solvents. Finally, the particles are either separated from the solvent again and stored as a powder or stored as a dispersion in solvent. The basic manufacturing principle is described in L. Portilla, M. Halik, "Smoothly Tunable Surface of Aluminum Oxide Core-Shell Nanoparticles By a Mixed-Ligand Approach", ACS Appl. mater Interfaces 2014, 6, 8, 5977-5982 (DOI: 10.1021/am501155e).

Bei Herstellung im Gasphasen-Prozess werden die den Kern 4 bildenden magnetischen Partikel und die Hüllen-Moleküle 8 in Lösungsmittel dispergiert bzw. gelöst. Die Partikeldispersion und die Moleküllösung werden separat, aber parallel in einen heißen Gasstrom gespritzt. Dadurch verdampfen die Lösungsmittel; die Stoffe liegen gemischt in der Gasphase vor und treten dort in Kontakt. In der Gasphase erfolgt die kovalente Oberflächenabscheidung der Hüllen-Moleküle 8 spontan und selbstterminiert. Die solchermaßen funktionalisierten Kern-Hülle-Partikel 2 werden mit dem Gasstrom in eine Abscheidevorrichtung transportiert. In dieser werden die Kern-Hülle-Partikel 2 mittels Magnetfeldern und/oder durch Filtern aus dem Gasstrom separiert.In the case of production in the gas phase process, the magnetic particles forming the core 4 and the shell molecules 8 are dispersed or dissolved in solvent. The particle dispersion and the molecular solution are injected separately but in parallel into a hot gas stream. This causes the solvents to evaporate; the substances are mixed in the gas phase and come into contact there. In the gas phase, the covalent surface deposition of the shell molecules 8 takes place spontaneously and in a self-terminated manner. The core-shell particles 2 functionalized in this way are transported with the gas flow into a separation device. In this, the core-shell particles 2 are separated from the gas flow by means of magnetic fields and/or by filtering.

In 6 ist grob schematisch eine Reinigungsvorrichtung 30 dargestellt, mit der ein Verfahren zur kontinuierlichen Entfernung von (Mikro- oder Nano-)Plastikpartikeln 32 aus Wasser 34 durchgeführt wird. Die Reinigungsvorrichtung 30 umfasst ein rohrförmiges Reinigungsaggregat 36. An einer Einlassseite 38 dieses Reinigungsaggregats 36 wird das mit den Mikro- oder Nanoplastikpartikeln 32 verunreinigte Wasser 34 eingeleitet. Die Mikro- oder Nanoplastikpartikel 32 sind in der schematischen 6 im Vergleich zu den Dimensionen des Reinigungsaggregats 36 stark vergrößert dargestellt. Bei dem verunreinigten Wasser 34 handelt es sich beispielsweise um Abwasser aus einer Kläranlage. Alternativ kann das verunreinigte Wasser 34 auch der Umwelt entnommen sein, insbesondere aus dem Untergrund oder aus Flüssen, Seen oder dem Meer, beispielsweise um die Umweltbelastung mit Mikro- oder Nanoplastik zu verringern oder um dieses Wasser 34 für eine Nutzung aufzubereiten.In 6 a cleaning device 30 is shown roughly schematically, with which a method for the continuous removal of (micro- or nano-)plastic particles 32 from water 34 is carried out. The cleaning device 30 comprises a tubular cleaning unit 36. The water 34 contaminated with the microplastic or nanoplastic particles 32 is introduced at an inlet side 38 of this cleaning unit 36. The micro or nano plastic particles 32 are in the schematic 6 shown greatly enlarged in comparison to the dimensions of the cleaning unit 36. The contaminated water 34 is, for example, waste water from a sewage treatment plant. Alternatively, the contaminated water 34 can also be taken from the environment, in particular from the subsoil or from rivers, lakes or the sea, for example in order to reduce the environmental pollution with microplastics or nanoplastics or to prepare this water 34 for use.

Weiterhin werden dem Reinigungsaggregat 36 über einen MCSNP-Einlass 40 auch die vorstehend beschriebenen (und ebenfalls stark vergrößert dargestellten) Kern-Hülle-Partikel 2 zugeführt. Die Kern-Hülle-Partikel 2 werden dabei beispielsweise einem Vorratsbehälter 41 entnommen und dem Reinigungsaggregat 36 vorzugsweise in wässriger Lösung zugeführt. Alternativ können die Kern-Hülle-Partikel 2 auch mittels Druckluft in das Reinigungsaggregat 36 eingeblasen werden .Furthermore, the core-shell particles 2 described above (and also shown greatly enlarged) are also supplied to the cleaning unit 36 via an MCSNP inlet 40 . The core-shell particles 2 are, for example removed from a reservoir 41 and preferably fed to the cleaning unit 36 in an aqueous solution. Alternatively, the core-shell particles 2 can also be blown into the cleaning unit 36 by means of compressed air.

In dem Reinigungsaggregat 36 werden die Kern-Hülle-Partikel 2 an der Oberfläche der Plastikpartikeln 32 adsorbiert. Durch die lipophile Wirkung der Oberfläche 18 der Hülle 6 wird dabei erreicht, dass die Kern-Hülle-Partikel 2 selektiv an den Plastikpartikeln 32 anhaften, nicht aber an biologischen Schwebstoffen oder anorganischen Sedimentpartikeln. Der überwiegende Anteil der Adhäsionskraft, die die Kern-Hülle-Partikel 2 an die Oberfläche der Plastikpartikel 32 binden, wird dabei aber durch elektrische Wechselwirkung der in der Hülle 6 verborgenden positiven Ladungen 24 mit einer negativen Oberflächenladung der Plastikpartikel 32 erzielt. Die Kern-Hülle-Partikel 2 binden dabei in der Praxis auch an Harze und Lacke mit einem hohen Stickstoffanteil (z.B. Melaminlacke) und anderen Kunststoffmaterialien, die in neuem Zustand an sich ein positives Oberflächenpotential hätten, da auch solche Kunststoffpartikel erkanntermaßen bei längerer Lagerung in Wasser durch Oberflächenoxidation ein negatives Oberflächenpotential entwickeln.The core-shell particles 2 are adsorbed on the surface of the plastic particles 32 in the cleaning unit 36 . The lipophilic effect of the surface 18 of the shell 6 ensures that the core-shell particles 2 adhere selectively to the plastic particles 32, but not to biological suspended matter or inorganic sediment particles. However, the majority of the adhesive force that binds the core-shell particles 2 to the surface of the plastic particles 32 is achieved through the electrical interaction of the positive charges 24 concealed in the shell 6 with a negative surface charge of the plastic particles 32 . In practice, the core-shell particles 2 also bind to resins and paints with a high nitrogen content (e.g. melamine paints) and other plastic materials which, in their new state, would have a positive surface potential, since such plastic particles are also known to degrade when stored in water for a long time develop a negative surface potential through surface oxidation.

Zur Entfernung der Plastikpartikeln 32 und der daran anhaftenden Kern-Hülle-Partikel 2 umfasst die Reinigungsvorrichtung 30 eine Entnahmeeinheit 42, mittels der in dem Reinigungsaggregat 36 - unter Verwendung mindestens eines Permanent oder Elektromagneten - ein Magnetfeld erzeugt wird. Durch dieses Magnetfeld werden die superparamagnetischen Kerne 4 der Kern-Hülle-Partikel 2 magnetisiert und ziehen sich somit magnetisch an. Die Plastikpartikel 32 mit den daran anhaftenden Kern-Hülle-Partikeln 2 werden - wie auch in 7 schematisch verdeutlicht ist - somit zu größeren Agglomeraten 44 verbunden. Diese Agglomerate 44 werden durch einen Filter und/oder einen Fördermechanismus der Entnahmeeinheit 42 aus dem Reinigungsaggregat 36, und damit aus dem Wasser 34, entfernt. Infolge der elektrischen Wechselwirkung der positiv geladenen Kern-Hülle-Partikel 2 mit den negativ geladenen Plastikpartikeln 32 wird dabei ein hinreichend starker Verbund der Agglomerate 44 erzielt, der es erlaubt, die Agglomerate 44 aus dem Wasser 34 zu entnehmen, ohne die Agglomerate 44 zu zerstören.To remove the plastic particles 32 and the core-shell particles 2 adhering thereto, the cleaning device 30 comprises a removal unit 42 by means of which a magnetic field is generated in the cleaning unit 36 using at least one permanent magnet or electromagnet. The superparamagnetic cores 4 of the core-shell particles 2 are magnetized by this magnetic field and thus attract each other magnetically. The plastic particles 32 with the core-shell particles 2 adhering thereto are - as also in 7 is illustrated schematically - thus connected to larger agglomerates 44. These agglomerates 44 are removed from the cleaning unit 36 and thus from the water 34 by a filter and/or a conveying mechanism of the removal unit 42 . As a result of the electrical interaction of the positively charged core-shell particles 2 with the negatively charged plastic particles 32, a sufficiently strong bond of the agglomerates 44 is achieved, which allows the agglomerates 44 to be removed from the water 34 without destroying the agglomerates 44 .

Das von den Plastikpartikeln 32 gereinigte Wasser 34 wird an einer Auslassseite 46 aus dem Reinigungsaggregat 36 ausgeleitet. Überschüssige Kern-Hülle-Partikel 2, die in dem gereinigten Wasser 34 verbleiben, sind unschädlich, da die Kern-Hülle-Partikel 2 für Mensch und Umwelt ungiftig sind.The water 34 cleaned from the plastic particles 32 is discharged from the cleaning unit 36 on an outlet side 46 . Excess core-shell particles 2 remaining in the purified water 34 are harmless because the core-shell particles 2 are non-toxic to humans and the environment.

Die Plastikpartikel 32 mit den daran anhaftenden Kern-Hülle-Partikeln 2 werden nach der Entfernung aus dem Wasser 34 einer Trenneinheit 48 zugeführt, die beispielsweise durch eine Zentrifuge gebildet ist. In der Trenneinheit 48 werden die Kern-Hülle-Partikel 2 von den Plastikpartikeln 32 getrennt. Die Plastikpartikel 32 werden anschließend entsorgt. Die von den Plastikpartikeln 32 getrennten Kern-Hülle-Partikel 2 werden dagegen zur Wiederverwendung in den Vorratsbehälter 41 zurückgeführt.After removal from the water 34, the plastic particles 32 with the core-shell particles 2 adhering thereto are fed to a separating unit 48, which is formed, for example, by a centrifuge. The core-shell particles 2 are separated from the plastic particles 32 in the separating unit 48 . The plastic particles 32 are then disposed of. In contrast, the core-shell particles 2 separated from the plastic particles 32 are returned to the storage container 41 for reuse.

In alternativer Ausführung kann das vorstehend beschriebene Reinigungsverfahren auch diskontinuierlich betrieben werden. Dabei wird in einem (nicht explizit dargestellten) Behälter das mit den Plastikpartikeln 32 verunreinigte Wasser 34 mit den Kern-Hülle-Partikeln 2 vermischt, wobei die Kern-Hülle-Partikel 2 wiederum an der Oberfläche der Plastikpartikel 32 adsorbiert werden. Anschließend werden die Plastikpartikel 32 mit den daran anhaftenden Kern-Hülle-Partikeln 2 durch Anlegen eines Magnetfelds agglomeriert. Das Wasser 34 wird schließlich aus dem Behälter entleert. Vor oder während des Entleerens werden die Agglomerate 44, zum Beispiel durch Filtern, aus dem Wasser 34 entfernt. Die Kern-Hülle-Partikel 2 werden daraufhin wiederum, zum Beispiel durch Zentrifugieren, von den Plastikpartikeln 32 getrennt und somit für eine erneute Verwendung wiedergewonnen.In an alternative embodiment, the cleaning process described above can also be operated discontinuously. In this case, the water 34 contaminated with the plastic particles 32 is mixed with the core-shell particles 2 in a container (not explicitly shown), the core-shell particles 2 in turn being adsorbed on the surface of the plastic particles 32 . The plastic particles 32 are then agglomerated with the core-shell particles 2 adhering thereto by applying a magnetic field. The water 34 is eventually emptied from the container. Before or during emptying, the agglomerates 44 are removed from the water 34, for example by filtering. The core-shell particles 2 are then in turn separated from the plastic particles 32, for example by centrifugation, and thus recovered for reuse.

Die Erfindung wird anhand der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele besonders deutlich, ist auf diese Beispiele aber keineswegs beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung aus den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.The invention is particularly clear from the exemplary embodiments described above, but is in no way limited to these examples. Rather, further embodiments of the invention can be derived from the claims and the above description.

BezugszeichenlisteReference List

22
(Kern-Hülle-)Partikel(core-shell) particles
44
Kerncore
66
HülleCovering
88th
(Hüllen-)Moleküle(shell) molecules
1010
Oberfläche (des Kerns)surface (of the core)
1212
Ankergruppeanchor group
1414
(molekulares) Rückgrat(molecular) backbone
16, 16a, 16b16, 16a, 16b
Kopfgruppehead group
1818
Oberfläche (der Hülle)surface (of the shell)
2020
(erste) Gruppe(first) group
2222
(zweite) Gruppe)(second) group)
2424
(positive) Ladung(positive) charge
3030
Reinigungsvorrichtungcleaning device
3232
(Mikro- oder Nano-)Plastikpartikel(Micro or nano) plastic particles
3434
Wasserwater
3636
Reinigungsaggregatcleaning unit
3838
Einlassseiteinlet side
4040
MCSNP-EinlassMCSNP inlet
4141
Vorratsbehälterreservoir
4242
Entnahmeeinheitextraction unit
4444
Agglomeratagglomerate
4646
Auslassseiteoutlet side
4848
Trenneinheitseparation unit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • WO 2018/006959 A1 [0001, 0007, 0010, 0013, 0014]WO 2018/006959 A1 [0001, 0007, 0010, 0013, 0014]
  • DE 202018005341 U1 [0001, 0008, 0010, 0013, 0014]DE 202018005341 U1 [0001, 0008, 0010, 0013, 0014]
  • WO 2018/006958 A1 [0006, 0015]WO 2018/006958 A1 [0006, 0015]

Claims (12)

Kern-Hülle-Partikel (2) mit einem Kern (4), der mindestens ein magnetisches Nanopartikel enthält, sowie mit einer Hülle (6), die den Kern (4) umschließt und aus einer Monolage von Molekülen (8) gebildet ist, - wobei jedes Molekül (8) der Hülle (6) eine Ankergruppe (12), ein molekulares Rückgrat (14) und eine Kopfgruppe (16, 16a, 16b) aufweist, wobei das Molekül (8) über die Ankergruppe (12) mit einer Oberfläche (10) des Kerns (4) verbunden ist, wobei das molekulare Rückgrat (14) die Ankergruppe (12) mit der Kopfgruppe (16, 16a, 16b) verbindet und wobei die Kopfgruppe (16, 16a, 1b) von der Oberfläche (10) des Kerns (4) abgewandt ist, und - wobei eine erste Gruppe (20) von Molekülen (8) der Hülle (6) unpolare Kopfgruppen (16, 16a) aufweist, wobei die Kopfgruppen (16, 16a) der ersten Gruppe (20) von Molekülen (8) der Hülle (6) eine lipophile Oberfläche (18) der Hülle (6) bilden, dadurch kennzeichnet, - dass eine zweite Gruppe (22) von Molekülen (8) der Hülle (6) positive elektrische Ladungen (24) tragen, so dass das Kern-Hülle-Partikel (6) insgesamt eine positive elektrische Oberflächenladung aufweist, und - dass das Kern-Hülle-Partikel (6) in wässriger Umgebung dispergierbar ist.Core-shell particles (2) with a core (4) containing at least one magnetic nanoparticle and with a shell (6) which encloses the core (4) and is formed from a monolayer of molecules (8), - Wherein each molecule (8) of the shell (6) has an anchor group (12), a molecular backbone (14) and a head group (16, 16a, 16b), the molecule (8) having an anchor group (12) with a surface (10) of the core (4), wherein the molecular backbone (14) connects the anchor group (12) to the head group (16, 16a, 16b) and wherein the head group (16, 16a, 1b) is connected from the surface ( 10) facing away from the core (4), and - wherein a first group (20) of molecules (8) of the shell (6) has non-polar head groups (16, 16a), wherein the head groups (16, 16a) of the first group (20) of molecules (8) of the shell (6 ) form a lipophilic surface (18) of the shell (6), characterized in that - that a second group (22) of molecules (8) of the shell (6) carry positive electrical charges (24), so that the core-shell particle (6) has an overall positive electrical surface charge, and - That the core-shell particle (6) is dispersible in an aqueous environment. Kern-Hülle-Partikel (2) nach Anspruch 1, wobei die erste Gruppe (20) und die zweite Gruppe (22) ganz oder teilweise identisch sind, indem die Hülle (6) erste Moleküle (8) umfasst, die sowohl eine unpolare Kopfgruppe (16, 16a) aufweisen als auch positive elektrische Ladungen (24) tragen.core-shell particles (2). claim 1 , wherein the first group (20) and the second group (22) are wholly or partially identical in that the shell (6) comprises first molecules (8) which have both a non-polar head group (16, 16a) and positive electrical charges (24) wear. Kern-Hülle-Partikel (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Gruppe (22) von Molekülen (8) der Hülle (6) zweite Moleküle (8) mit positiv geladene Kopfgruppen (16, 16b) umfasst, die im Vergleich zu den Molekülen (8) der ersten Gruppe (20) eine geringere Kettenlänge aufweisen.core-shell particles (2). claim 1 or 2 , Wherein the second group (22) of molecules (8) of the envelope (6) comprises second molecules (8) with positively charged head groups (16, 16b) which, in comparison to the molecules (8) of the first group (20) have a have a shorter chain length. Kern-Hülle-Partikel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kern (4) eine negative elektrische Oberflächenladung aufweist, die durch die positiven elektrischen Ladungen (24) der zweiten Gruppe (22) von Molekülen (8) der Hülle (6) überkompensiert wird.Core-shell particles (2) according to one of Claims 1 until 3 , wherein the core (4) has a negative electrical surface charge which is overcompensated by the positive electrical charges (24) of the second group (22) of molecules (8) of the shell (6). Kern-Hülle-Partikel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das in wässriger Umgebung ein Zeta-Potential von mehr als mehr als 10 mV, vorzugsweise mehr als 20 mV, insbesondere mehr als 35 mV aufweist.Core-shell particles (2) according to one of Claims 1 until 4 , which has a zeta potential of more than more than 10 mV, preferably more than 20 mV, in particular more than 35 mV in an aqueous environment. Kern-Hülle-Partikel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Hülle eine Oberflächenenergie von weniger als 45 mN/m, vorzugsweise weniger als 30 mN/m, insbesondere weniger als 25 mN/m, aufweist.Core-shell particles (2) according to one of Claims 1 until 5 , wherein the shell has a surface energy of less than 45 mN/m, preferably less than 30 mN/m, in particular less than 25 mN/m. Kern-Hülle-Partikel (2) nach Anspruch 6, wobei der polare Anteil der Oberflächenenergie der Hülle (6) weniger als 50%, bevorzugt weniger als 40% und insbesondere weniger als 25% beträgt.core-shell particles (2). claim 6 , wherein the polar portion of the surface energy of the shell (6) is less than 50%, preferably less than 40% and in particular less than 25%. Kern-Hülle-Partikel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die positiven elektrischen Ladungen der zweiten Gruppe (22) von Molekülen (8) der Hülle (6) durch Ammonium-Gruppen, Pyridinium-Gruppen und/oder Imidazolium-Gruppen gebildet sind.Core-shell particles (2) according to one of Claims 1 until 7 , wherein the positive electric charges of the second group (22) of molecules (8) of the shell (6) are formed by ammonium groups, pyridinium groups and/or imidazolium groups. Kern-Hülle-Partikel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die unpolare Kopfgruppen (16, 16a) der ersten Gruppe (20) von Molekülen (8) der Hülle (6) durch Alkylketten und/oder Fluoralkylketten mit Kettenlängen größer oder gleich 2 gebildet sind.Core-shell particles (2) according to one of Claims 1 until 8th , wherein the non-polar head groups (16, 16a) of the first group (20) of molecules (8) of the shell (6) are formed by alkyl chains and/or fluoroalkyl chains with chain lengths greater than or equal to 2. Kern-Hülle-Partikel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Moleküle der Hülle (6) die Oberfläche (10) des Kerns (4) mit einer Dichte vom 0,5 bis 7 Molekülen/nm2, vorzugsweise ungefähr 4 Molekülen/nm2 bedecken.Core-shell particles (2) according to one of Claims 1 until 9 , the molecules of the shell (6) covering the surface (10) of the core (4) with a density of 0.5 to 7 molecules/nm 2 , preferably about 4 molecules/nm 2 . Kern-Hülle-Partikel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Kern (4) einen Durchmesser von 10 bis 70 nm, insbesondere ungefähr 30 nm, aufweist.Core-shell particles (2) according to one of Claims 1 until 10 , wherein the core (4) has a diameter of 10 to 70 nm, in particular approximately 30 nm. Kern-Hülle-Partikel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Kern (4) aus Magnetit oder Maghämit besteht.Core-shell particles (2) according to one of Claims 1 until 11 , wherein the core (4) consists of magnetite or maghemite.
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