Schwefelreiche Thioorthoester-Polymere als leistungsfähige Metall-Scavenger

Schwefelhaltige Materialien spielen seit Jahrzehnten eine zentrale Rolle in der Koordinationschemie von Edelmetallen sowie in der Umwelt- und Prozessreinigung.

Die hier vorgestellte Technologie nutzt erstmals eine dynamisch-kovalente Thioorthoester-Chemie zur Herstellung netzwerkartiger, unlöslicher Polymere mit extrem hohem Schwefelgehalt von etwa 44–66 Gewichtsprozent. Die Kombination aus chemischer Bindungsstärke, poröser Morphologie und mechanischer Stabilität stellt einen qualitativen Technologiesprung gegenüber bestehenden Lösungen dar. 

1. Palladium-Scavenging in Pharma- und Feinchemie (Lead-Anwendung)

Die Technologie adressiert einen der wirtschaftlich potentiell kritischsten Anwendungsfälle der chemischen und pharmazeutischen Industrie, nämlich die „late-stage“ Entfernung von insbesondere Palladium-Rückständen aus katalytischen Syntheseprozessen: Palladium ist unverzichtbar für moderne C–C- und C–H-Kupplungen, unterliegt jedoch strengen Grenzwerten in pharmazeutischen Wirkstoffen und deren Zwischenprodukten.

Die innovativen Thioorthoester-Polymere ermöglichen:

• hocheffizientes „Polishing“ von Prozess- und Produktströmen,
• Einsatz unter prozessrelevanten Bedingungen (organische Lösungsmittel, moderate Temperaturen),
• Rückgewinnung hochpreisiger Edelmetalle.

2. Antimon-Entfernung aus Wasser- und Prozessströmen

Antimon ist ein toxisches, möglicherweise karzinogenes Halbmetall mit zunehmender regulatorischer Relevanz in industriellen Abwässern und Umweltmedien. Kommerzielle Metall-Scavenger/Adsorbentien sind begrenzt verfügbar und zeigen häufig unzureichende Wiederverwendbarkeit.

Die innovativen Thioorthoester-Polymere ermöglichen:

• selektive Sb-Adsorption bei niedrigen Konzentrationen,
• mehrfache Regeneration mit begrenztem Kapazitätsverlust,
• Einsatz in industriellen Wasseraufbereitungs- und Spezialchemieanwendungen.

3. Rückgewinnung weitere Edel- und industrieprozessrelevanter Metalle

Aufgrund der sehr hohen Schwefeldichte und der porösen Struktur der Thioorthoester-Polymere ist die selektive Bindung weiterer thiophiler Metalle wie z. B. Gold, Silber, Platin möglich. 

Dies eröffnet Anwendungen in:

• Recycling- und Urban-Mining-Prozessen,
• High-Purity-Chemikalien,
• selektiven Trennschritten in komplexen Matrizes.

Bestehende Metal-Scavenger/Adsorbentien zeigen häufig einen Zielkonflikt zwischen Kapazität, Selektivität und Stabilität. 

1. Wirtschaftlich kritische Metallverunreinigungen

• Palladium-Rückstände verursachen hohe Reinigungs- und Validierungskosten.
• Unzureichende Entfernung kann zu Batch-Verlusten oder regulatorischen Risiken führen.

2. Umwelt- und ESG-getriebene Anforderungen

• Antimon und vergleichbare Halbmetalle stehen im Fokus verschärfter Grenzwerte.
• Betreiber benötigen robuste, wiederverwendbare und selektive Materialien.

3. Nachteile existierender Metal-Scavenger/Adsorbentien

• Zielkonflikt zwischen Kapazität, Selektivität und Stabilität.
• Hohe Betriebskosten durch Einwegmaterialien.
• Begrenzte Skalierbarkeit und Differenzierung.

Die innovative Technologie basiert auf einer neuartigen Klasse netzwerkartiger Thioorthoester-Polymere, die durch Eisen-katalysierte Polykondensation aus kommerziell verfügbaren Vorstufen hergestellt werden.

Zentrale Designmerkmale:

• Dynamische kovalente C–S-Bindungen als strukturbildendes Element
• Netzwerkstruktur → vollständige Unlöslichkeit in Wasser und organischen Lösungsmitteln
• Sehr hoher Schwefelgehalt → hohe Affinität zu Edel- und industrieprozessrelevanten Metallen
• Poröse Mikrostruktur → hohe Zugänglichkeit der aktiven Bindungsstellen
• Seltenes Beispiel einer einzigartigen Struktur, die als patentierbares Scavenger-Material fungiert.

Die Materialeigenschaften sind chemisch modular einstellbar (z. B. Art der Dithiol-Bausteine), was eine weitere Anpassung an die unterschiedlichen industriellen Anforderungen erlaubt.

Palladium:

• Experimentell nachgewiesene Adsorptionskapazitäten von 41 mg Pd pro g Polymer unter prozessrelevanten Bedingungen in organischen Lösungsmitteln.
• Die o.g. entspricht etwa dem doppelten des Marktführer-Materials „QuadraPureTU^®“ (22 mg Pd pro g Polymer) im direkten Vergleich unter identischen Bedingungen.
• Hohe Selektivität gegenüber konkurrierenden Metallen.

Antimon:

• Effektive Adsorption 2.2 mg Sb pro g Polymer, auch bei niedrigen Konzentrationen.
• Regeneration mittels mehrmaligem Waschen mit Salzsäure (Sb danach unter 5% Anfangswert) und Wiederverwendung mit nur moderatem Kapazitätsverlust (ca. 20%).
• Vorteilhaft gegenüber vielen bestehenden Materialien, die als Einwegprodukte eingesetzt werden müssen.

Wirtschaftlicher Effekt:

• Reduzierter Sorbensverbrauch,
• geringere Entsorgungskosten,
• Möglichkeit zur Edelmetallrückgewinnung,
• verbesserte Total Cost of Ownership (TCO).

Prozessintegration und Skalierbarkeit:

• Herstellung bei moderaten Temperaturen mit etablierten Katalysatoren.
• Industriell kompatible Fest/Flüssig-Trennung (Filtration, Packbetten).
• Geeignet für unterschiedliche Formfaktoren wie z. B. Pulver/Granulat, Kartuschen, Monolithen oder Verbundmaterialien.
• Weitgehend drop-in-fähig für bestehende Prozesslinien.

Für Industriepartner bietet die Technologie:

• klare Differenzierung gegenüber bestehenden Metal-Scavenger/Adsorbentien,
• wissenschaftlich validierte Performance,
• patentrechtliche Absicherung,
• flexible Lizenzmodelle (exklusiv/anwendungsfeldspezifisch),
• Möglichkeit der Kooperation.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anov.70000

Angewandte Chemie Novit - 2025 - Kraus - Thioorthoester Polymers as Sulfur-Rich Materials in Metal Scavengers and Battery published