Sorption ausgewählter organischer Modellsubstanzen an Reifenmaterialien

Die vielfältige Verwendungsweise von Plastik, sei es als Gehäuseteile oder als Mikroplastik in Scheuermitteln führte seit den 1950er Jahren zu einem rasanten Anstieg im globalen Bedarf. (Mikro-) Plastik kann durch seine hohen Sorptionskapazitäten organische Substanzen aufnehmen und könnte dadurch zu einem toxikologischen Risiko werden. Zusätzlich führen die hohen Produktionszahlen und der unvorsichtige Einsatz von Plastik zu einem starken Eintrag in die Umwelt. Besonders Reifengranulat (TCR) erfreut sich als günstige Alternative zu elektrochemischen und photochemischen Methoden zur Entfernung von Schadstoffen sowie Aktivkohle als Passivsammler größter Beliebtheit und wird oft auch bewusst in der Bauindustrie als Zement-Verbundstoff und Füllmaterial für Sportplätze in die Umwelt eingetragen. Da TCR als Elastomer in vielen Statistiken nicht als Plastik geführt wird, wird dieses bisher als potentielles Risiko ignoriert und deshalb nur wenig untersucht. Die seltenen Studien zu diesem Thema belegen jedoch große Sorptionskapazitäten. Als Grund wird der hohe Anteil an Kohlenstoff vermutet. Welche molekularen Eigenschaften das Sorptionsverhalten beeinflussen ist weitgehend unerforscht, doch scheinen Hydrophobizität und Polarität der organischen Materialien den größten Einfluss auf die hohen Sorbatkonzentrationen am TCR zu haben. Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, einige dieser Wissenslücken um das TCR und dessen häufigsten Bestandteile Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und Industrieruß (CB) zu untersuchen, die molekularen Wechselwirkungen zu identifizieren und diese mittels Sorptionsisothermen zu beschreiben. Zusätzlich wird mit verschiedenen wissenschaftlichen Methoden versucht, einige der Materialeigenschaften von CB, SBR und TCR zu definieren. Erwartet wird, aufbauend auf der vorhandenen Literatur, dass CB der Hauptträger der Sorptionseigenschaften von TCR ist und dass sich SBR stark davon unterscheidet. Zusätzlich wird Hydrophobizität und Polarität als maßgebliche Wechselwirkungen der Sorption angenommen, die jedoch von weiteren Eigenschaften, wenn auch in einem geringeren Ausmaß, verstärkt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen, dass CB, SBR und TCR eine große Sorptionsaffinität gegenüber den gewählten Sorbaten besitzen, diese jedoch nicht ausschließlich durch die Hydrophobizität und Polarität der organischen Moleküle gesteuert werden. Als sekundäre Sorptionseigenschaften wurden die Molekülstruktur, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, Van-der-Waals-Kräfte und Aromatizität identifiziert. Nicht bestätigt werden konnte die Hypothese, dass der CB-Anteil im TCR die Sorption dominiert. Die Sorptionsisothermen lassen auf ein ähnliches Sorptionsverhalten zwischen SBR und TCR schließen, welches von CB verschieden ist. SBR kann somit als Hauptverursacher der Sorption im TCR identifiziert werden. CB hat auf die Sorption nur einen geringen Einfluss, möglicherweise dadurch bedingt, dass die Poren des CB mit Polymer verfüllt sind. Die Sorptionsisothermen belegen bei allen verwendeten Sorbaten nichtlineare Adsorption durch Überlastung der Bindungsplätze an der Oberfläche des CB. SBR und TCR besitzen bei unpolaren Substanzen lineare Absorption, während bei polaren Substanzen Nichtlinearität überwiegt. Bei Letzteren konnten die exakten Ursachen nicht eindeutig bestimmt werden, sind aber vermutlich durch Wechselwirkungen zwischen polaren Wassermolekülen erklärbar. Dadurch kommt es zu reduzierten Wechselwirkungen mit dem Sorbenten.Since the 1950s the various application area of plastic leads to an increased global plastic production from chassis parts to scouring agents. Due to the high sorption capacity (micro-) plastics can accumulate potential toxic organic substances and potentially become a serious risk for humans and the nature. Additionally, the high production rates and the careless usage of plastics lead to an increased discharge into the environment. Especially tire crumb rubber (TCR) becomes a cheap alternative for various electrochemical and photochemical methods to remove toxic substances and as a replacement for charcoal which is highly in use as passive sampler. The usage of TCR as common filling material for turf fields and additive for concrete leads to an increased discharge into environment. TCR counts as elastomer and therefore it rarely becomes mentioned in statistics. Only few scientists have worked on TCR and its influence on the environment. The few studies which exist confirm high sorption capacities due to the high carbon black (CB) content. Nevertheless, there are no studies which deal with the molecular processes which influences the sorption properties. It seems that the hydrophobicity and polarity of organic substances have the highest influence on the sorbate concentration on the sorbent. Therefore, this work should increase the knowledge of TCR and its most common components styrene-butadiene-rubber (SBR) and CB. The aim of this study will be to identify the sorption properties due to sorption isotherms and the characterisation by common scientific methods. It is expected, that CB has the major influence on the sorption properties of TCR and therefore the sorption isotherms are quite similar. On the other hand, the sorption isotherms of SBR differ from CB and TCR. Hydrophobicity and polarity of a substance are expected to have the highest influence on the overall sorption properties. These sorption gests strengthen or weakened by additional processes. The results confirm that CB, SBR and TCR have a high sorption affinity for the chosen sorbates, which are mostly but not only forced by hydrophobicity and polarity of the molecules. These secondary properties which get identified are the molecular structure, dipole-dipole-interactions, Van-der-Waals-forces and the aromaticity. On the other hand, the results confirm that SBR has the highest influence on sorption properties of TCR and not CB as it is expected by some studies. CB has very less influence on the overall sorption of TCR and can be neglected. The main reason for this behaviour could be that the pores of CB are filled with polymer. The sorption isotherms confirm a nonlinear adsorption on CB for all substances due to the overloading of possible sorption sites on the surface of CB. SBR and TCR have a linear sorption trend for nonpolar substances and a nonlinear sorption trend for polar substances. The reason for nonlinearity for polar substances cannot be fully explained with the used methods but maybe the interaction between (polar) water molecules reduces the overall sorption on the sorbent