Stofftrennung, Überblick
In der Natur liegen die meisten organischen und anorganischen Stoffe als Stoffgemische vor. Auch in der chemischen Industrie handelt es sich bei Ausgangsstoffen und Reaktionsprodukten von Stoffsynthesen fast immer um verunreinigte Substanzen. Deshalb sind Verfahren zur Stofftrennung sowohl im chemischen Labor, in der Technik und im Alltag von außerordentlicher Bedeutung.
Die Trennung der Stoffgemische beruht auf der Ausnutzung der physikalischen und chemischen Eigenschaften der beteiligten Reinstoffe.
Filtrieren
Grundprinzip: Trennung von Stoffgemischen aus Stoffen unterschiedlicher Aggregatzustände aufgrund unterschiedlicher Teilchengröße
Will man eine Flüssigkeit von einem in ihr unlöslichen Feststoff trennen, wählt man das Filtrieren. Die Flüssigkeit, die aus sehr kleinen Teilchen besteht, fließt ohne Probleme durch das Filterpapier oder Filtertuch. Dabei ist auf die Porengröße des verwendeten Filtermaterials zu achten. Zurück bleibt der aus größeren Teilchen bestehende Filterrückstand.
Die beschriebene einfache Filtration mithilfe eines Papierfilters ist insofern nachteilig, da sie sehr langsam verläuft und stets Flüssigkeit am Filterrückstand haften bleibt. Dies kann man verbessern, wenn man mit Saugflaschen und Büchnertrichtern arbeitet.
Durch die Verwendung einer Vakuumpumpe und den entstehenden Unterdruck verläuft das Filtrieren weitaus schneller und der Filterrückstand wird durch die nachgesogene Luft getrocknet.
Weitere Trennmöglichkeiten bietet die Filtration mithilfe bestimmter Membranen mit sehr kleiner Porengröße (Molekularfilter) zu betrachten. Durch diese Filter werden beispielsweise Wassermoleküle oder andere kleine Moleküle durchgelassen, jedoch Verunreinigungen (teilweise sogar lösliche Salze) zurückgehalten.
Anwendungsgebiete dieses Verfahrens sind beispielsweise die Meerwasserentsalzung zur Trinkwassergewinnung, aber auch die Reinigung des Bluts von Patienten mit geschädigten Nieren durch Dialyse. Auch bei der Herstellung von alkoholfreiem Bier wird der Alkohol über eine Membran abgetrennt.
Anwendungsbeispiele der Filtration von Flüssigkeiten:
- Filtrieren von aufgebrühtem Tee und Kaffee
- Trennung von Feststoff und Flüssigkeit im Labor oder in der Technik zur Gewinnung eines synthetisierten Stoffs
- Reinigung von kaltgepresstem Olivenöl durch Filtration
- Meerwasserentsalzung
- Dialyse bei Nierenpatienten
Beispiele für die Filtration von Feststoffen aus Gasen:
- Abtrennung der Russpartikel aus den Abgasen von Dieselmotoren durch Rußpartikelfilter
- Abtrennung von Pollen und anderen Festpartikeln aus der Luft mithilfe eines Pollenfilters in Klimaanlagen
- Abtrennung von Staub und Feinstaub mithilfe von Staubfilter in Hightech-Laboratorien zur Chipherstellung
- Trennen von Staub und Luft durch den Filter im Staubsauger
Der angelegte Glasstab verhindert bei der einfachen Filtrationein Herausspritzen der Lösung.
Stofftrennung - Stofftrennung
Stofftrennung
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Dekantieren
Grundprinzip: Trennung von einer Flüssigkeit und eines darin unlöslichen Feststoffs aufgrund unterschiedlicher Dichten
Hat sich ein unlöslicher Feststoff unterhalb einer Flüssigkeit abgesetzt, sodass sich zwei Schichten bilden, kann die oben befindliche Flüssigkeit (der Überstand) vorsichtig abgegossen werden. Allerdings kann man durch Dekantieren das Gemisch nicht vollständig trennen, da immer eine Teil der Flüssigkeit an dem Feststoff anhaften bleibt und oftmals auch einige Feststoffpartikel in der abgegossenen Flüssigkeit nachweisbar sind.
Anwendungsbeispiele:
- auf Baustellen werden Wasser-Sand-Gemische in der Regel durch Dekantieren (Abgießen)getrennt
- Abgießen von in der Tasse bzw. in der Kanne gebrühtem Kaffeesatz oder Tee
- Qualitätsweine werden vor dem Genuss dekantiert, um eventuell vorhandenen Bodensatz (Weisntein) abzutrennen
- Abgießen einer Lösung über einem schwer löslichen Niederschlag z. B. Calciumcarbonat im Labor
Beim Dekantieren trennt man die überstehende Lösung von einem festen Bodensatz oder von einer Flüssigkeit höherer Dichte.
Stofftrennung - Stofftrennung
Stofftrennung
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Sieben
Grundprinzip: Trennung von Feststoffen aufgrund unterschiedlicher Korngröße
Die Trennung erfolgt, indem das Stoffgemisch über eines oder mehrere Siebe mit definierter Größe der Löcher gegeben wird (Bild 3). Das Sieben wird in der Regel dadurch beschleunigt, dass die Siebe geschüttelt werden.
Anwendungsbeispiele:
- mithilfe des Gitterrost im Kamin oder Ofen werden Brennmaterial und Asche voneinander getrennt
- Feststellen der Anteile an Feinsand und anderen Bestandteilen an einer Bodenprobe durch Sieben der Probe mithilfe eines Siebsatzes
- Trennung von Kiesen und Sanden und Herstellen von entsprechendem Baumaterial mit definierter Korngröße
- Sieben von Sedimenten bei archäologischen Ausgrabungen um kleinere Fundstücke zu bergen
Das Sieben ist in der Technik, z. B. zur Vorbereitung der Ausgangsstoffe von Synthesen, von Bedeutung.
Zentrifugieren
Prinzip des Verfahrens: Trennen nicht mischbarer Stoffe (meist Feststoff/Flüssigkeit) aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichte und der sich daraus ergebenden Fliehkräfte
Ist ein unlöslicher Feststoff in einer Flüssigkeit sehr fein verteilt, ist eine Trennung durch Filtration oftmals ungeeignet. Der fein verteilte Feststoff würde bei der geringen Filtrationsgeschwindigkeit die Poren eines Filterpapiers verstopfen. In diesem Fall benutzt man eine Zentrifuge. Dieses Gerät erzeugt durch eine hohe Umdrehungszahl Fliehkräfte, durch die die Feststoffteilchen an den Boden der Reagenzgläser gedrückt werden und sich so von der ebenfalls im Reagenzglas befindlichen Flüssigkeit trennen. Nach dem Entnehmen der Reagenzgläser kann man die Flüssigkeit einfach dekantieren.
Anwendungsbeispiele:
- Schleudern nasser Wäsche (Abtrennen von Wasser)
- Schleudern von Honig, um diesen von den Wachswaben zu trennen
- Gewinnung von Sahne (Rahm), indem Fett und Magermilch in speziellen Geräten (Entrahmungsseparatoren) getrennt werden
- Trennung zellulärer Blutbestandteile vom Blutplasma in der Medizin
- schnelle Abtrennung eines Niederschlags wie Silberchlorid von einer wässrigen Lösung
Durch die Fliehkraft in der rotierenden Zentrifuge wird die Trennung von Feststoffen und Flüssigkeiten viel effektiver.
Stofftrennung - Blutzentrifuge
Blutzentrifuge
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Abscheiden
Prinzip des Verfahrens: Trennung von Stoffen (oft Flüssigkeiten), die nicht ineinander löslich sind, aufgrund unterschiedlicher Dichte
Sind zwei Flüssigkeiten ineinander unlöslich, bilden sich beim Entmischen zwei Phasen. Die untere Schicht enthält immer die Flüssigkeit mit der größeren Dichte, die obere Schicht die Flüssigkeit mit der geringeren Dichte. Durch einen Scheidetrichter können solche Stoffgemische im Labor problemlos getrennt werden.
Anwendungsbeispiele:
- Trennung von Benzin-/ Ölresten und Wasser mithilfe eines entsprechenden Abscheiders in Autowaschanlagen
- Trennung der fetthaltigen Reste und des Wassers durch spezielle Fettabscheider in Großküchen
- Trennung von wässriger Soße und Fett bei Bratensaucen mithilfe von Spezialsaucieren
Trennen von zwei nicht ineinander löslichen Flüssigkeiten unter Nutzung eines Scheidetrichters
Stofftrennung - Separatorstrichter
Separatorstrichter
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Extrahieren
Grundprinzip: Trennung von Stoffgemischen aufgrund der unterschiedlichen Löslichkeit der enthaltenen Reinstoffe in einem Lösungsmittel
Bei der Extraktion nutzt man die unterschiedliche Löslichkeit der im Gemisch enthaltenen Komponenten in einem geeigneten Lösungsmittel aus. Das Lösungsmittel (Wasser, Alkohol oder andere organische Lösungsmittel) sollte eine Komponente möglichst gut und die andere möglichst schlecht lösen. Der gewonnene Extrakt kann direkt genutzt werden oder weiterverarbeitet, z. B. indem das Lösungsmittel zurück gewonnen und der im Extrakt enthaltene Reinstoff abgetrennt wird. Das hat den Vorteil, dass das (oft teure) Lösungsmittel erneut zum Einsatz kommen kann.
Man kann beispielsweise lösliche Feststoffe aus anderen Feststoffen bzw. Flüssigkeiten extrahieren.
Anwendungsbeispiele der Fest-Flüssig-Extraktion:
- Brühen von Tee oder Kaffee (Lösungsmittel Wasser)
- Herauslösen des Zuckers aus Zuckerrüben (Lösungsmittel Wasser)
- Gewinnung von Heilpflanzenextrakten aus Kräutern zur Herstellung von Medikamenten (Lösungsmittel oft Alkohol)
- Extraktion von Duftstoffen aus Pflanzenteilen (beispielsweise Rosenblätter) mithilfe von geruchsneutralem Fett (sogenannte Enfleurage)
- Behandlung der Pressrückstände, die bei der Herstellung von kaltgepresstem Olivenöl anfallen, mit Lösungsmitteln – dadurch kann auch das restliche Öl gewonnen werden
- Entkoffeinierung von Kaffee mithilfe von verflüssigtem Kohlenstoffdioxid unter Druck
Andererseits kann mithilfe der Extraktion auch ein Gemisch flüssiger Stoffe trennen. Meist wird dieses Verfahren im Labor als „Ausschütteln“ bezeichnet. Dazu wird eine Lösungsmittel (Extraktionsmittel), in der sich ein Bestandteil gut löst, zu dem Gemisch gegeben. Durch kräftiges Schütteln wird der gewünschte Bestandteil aus dem ursprünglichen Gemisch abgetrennt, indem es sich in dem Lösungsmittel löst. Nach der Bildung von zwei Phasen, kann die Trennung der Phasen durch im Scheidetrichter erfolgen.
Anwendungsbeispiele der Flüssig-Flüssig-Extraktion:
- Abtrennung von Fett aus Emulsionen wie Milch mithilfe von organischen Lösungsmitteln (z. B. Waschbenzin)
- Trennung von flüssigen Stoffgemischen, die sehr temperaturempfindlich sind, z. B. in der Biotechnologie
- Abtrennung von Benzen, Toluen und Xylen bei der petrochemischen Gewinnung der Aromaten aus Pyrolysebenzin
Extraktion der Inhaltsstoffe aus Teeblätter durch Überbrühen mit heißem Wasser
Stofftrennung - Extraktion
Extraktion
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Destillieren
Grundprinzip: Trennen von flüssigen Stoffgemischen aufgrund unterschiedlicher Dampfdrücke bzw. Siedetemperaturen
Bei der Destillation wird die unterschiedliche Flüchtigkeit der im Stoffgemisch enthaltenen Reinstoffe zur Trennung genutzt. Bei diesen Gemischen handelt es sich um Lösungen (meist Gemische von flüssigen Stoffen bzw. Gemische aus festen und flüssigen Stoffen). Bei der Erwärmung in einer Destillationsapparatur (Bild 7) verdampft zuerst der Stoff mit der niedrigeren Siedetemperatur, kondensiert am Kühler und kann in einer Vorlage aufgefangen werden. Die Siedetemperaturen der Stoffe im Gemisch sollten relativ weit auseinanderliegen, damit das Verfahren zur Anwendung kommen kann.
Anwendung:
- Abtrennung von ätherischen Ölen (Duftstoffen) aus Pflanzenteilen durch Wasserdampfdestillation
- Trennung von Alkohol und Wasser zur Bereitung hochprozentiger Getränke wie Whisky und Branntwein
- Entsalzung von Meerwasser in entsprechenden Anlagen und Gewinnung von Trinkwasser
- Reinigung der Produkte organischer Synthesen im Labor
- Recycling verunreinigter Lösungsmittel in der Industrie
Eine spezielle Variante stellt die fraktionierte Destillation dar. Sie dient der Trennung von Substanzen, deren Siedepunkte nahe beieinander liegen (ca. 5-10 °C), aus einem Gemisch. Hier besteht der Dampf nicht nur aus der Substanz mit dem tieferen Siedepunkt, es sind auch je nach Siedepunktsdifferenz mehr oder weniger große Anteile der Substanzen mit höherem Siedepunkt im Dampf enthalten.
Zur Trennung benutzt man eine Kolonne, die auf den Destillierkolben aufgesetzt ist. In dieser kühlt sich der Dampf langsam ab und kondensiert kontinuierlich teilweise.
Der aufsteigende Dampf nimmt nun aus dem herablaufenden Kondensat bevorzugt den Stoff mit dem tieferen Siedepunkt mit und umgekehrt wäscht das Kondensat aus dem Dampf bevorzugt den höher siedenden Stoff aus. Auf diese Weise reichert sich der tiefer siedende Stoff nach oben in der Kolonne immer weiter an und kann rein abdestilliert werden.
Durch Erhöhung der Temperatur im Destillationskolben können so nacheinander mehrere Stoffe (Fraktionen) in steigender Reihe der Siedepunkte abdestilliert werden.
Anwendungsbeispiele:
- Rohöldestillation und Gewinnung der verschiedenen Erdölfraktionen zur weiteren Verarbeitung
- fraktionierte Destillation von flüssiger Luft zur Gewinnung der Edelgase neben Stickstoff und Sauerstoff
Aufbau einer einfachen Destillationsapparatur
Stofftrennung - Destillation
Destillation
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Eindampfen/ Eindunsten/ Kristallisieren
Grundprinzip: Trennen eines Feststoffs aus einer Lösung durch Ausnutzung der höheren Flüchtigkeit des Lösungsmittels
Beim Eindampfen will man – anders als bei der Destillation – den schwerer flüchtigen Feststoff aus einer Lösung isolieren. Dazu wird die Lösung stark auf Temperaturen deutlich oberhalb des Siedepunkts des Lösungsmittels erwärmt. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels und eventueller Verunreinigungen bleibt der gelöste Feststoff zurück.
Dazu muss der Feststoff jedoch thermisch stabil sein und darf sich nicht zersetzen. Anderenfalls muss man das Lösungsmittel bei Temperaturen unterhalb der Siedetemperatur verdunsten lassen. Dabei bleibt zwar der Feststoff erhalten und es wird wenig Energie verbraucht, aber die Trennung dauert viel länger. In beiden Fällen geht das Lösungsmittel bei der Trennung verloren.
Sind in der Lösung mehrere Stoffe gelöst (beispielsweise Meerwasser), kann man durch teilweises Eindampfen der Lösung erreichen, dass nur der Stoff mit der geringeren Löslichkeit auskristallisiert, während die oft unerwünschten Stoffe mit besserer Löslichkeit in der abfiltrierten oder dekantierten Lösung verbleiben.
Anwendungsbeispiele:
- Einengen einer Analyselösung, um die Konzentration der nachzuweisenden Stoffe in der Lösung zu erhöhen
- Salzgewinnung aus einer Sole
- Gewinnung von Natriumchlorid aus Meerwasser
- Trocknen von Wäsche entweder auf der Leine oder mittels eines Trockenautomaten
- Papierherstellung
Beim Eindampfen oder Eindunsten geht das Lösungsmittel verloren.
Stofftrennung, Überblick - Verdunstung
Verdunstung
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Adsorption
Unter Adsorption versteht man die Anlagerung eines Stoffs, der sich z. B. im Wasser oder in der Luft befindet, an der Oberfläche eines Feststoffs, des Adsorptionsmittels. Um eine hohe Wirksamkeit zu erreichen, verfügen diese über eine große spezifische Oberfläche pro Masseneinheit. Wichtige Adsorptionsmittel sind z. B. Aktivkohle, Kieselgel oder Zeolithe (Alumosilicate). Die adsorbierten Stoffe können dann bei höherer Temperatur wieder desorbiert und damit gewonnen werden, was bei verschiedenen technischen Anwendungen wichtig ist.
Anwendungsbeispiele
- Abtrennung von Lösungsmitteldämpfen mit Aktivkohle aus der Abluft beispielsweise von Lackierereien und deren Rückgewinnung
- Trennung von unverzweigten und verzweigten Kohlenwasserstoffen bei der Erdölaufbereitung mittels Alumosilikaten
- Entfernung von Schadstoffen bei der Trinkwasseraufbereitung mit Aktivkohle bei Bedarf (z. B. Insektizidrückstände bei Nutzung von Uferfiltrat als Rohwasser)
- Analytische Trennung von Stoffgemischen (z. B. Aminosäuren) an Kieselgel bei der Dünnschicht-Chromatographie
Chromatografie
Grundprinzip: Die Chromatografie bezeichnet verschiedene physikalische Trennverfahren, bei denen die Stofftrennung auf der unterschiedlichen Verteilung der Reinstoffe zwischen einer stationären und einer mobilen Phase beruht. Die stationäre (fest stehende) und die mobile (bewegliche) Phase sind nicht miteinander mischbar.
Es gibt unterschiedliche chromatografische Verfahren, deren grundlegende Prinzipien in einem anderen Beitrag erläutert sind. Die Trennung beruht meist auf physikalischen Prozessen (Extraktion, Adsorption), die sich teilweise überlagern. Die Chromatografie eignet sich besonders zur Analyse sehr kleiner Stoffmengen bzw. komplexer Gemische aus vielen Bestandteilen.
Ein Beispiel ist die Trennung von Farbstoffgemischen, die man in einem Lösungsmittel aufnimmt, welches als mobile Phase wirkt. Dieses wird auf einen festen Stoff (z. B. Chromatografiepapier als stationäre Phase) aufgebracht und transportiert die gelösten Stoffe über den Feststoff. Von der stationären Phase werden die Stoffe des Analysengemisches unterschiedlich stark zurückgehalten. Dadurch wandern sie unterschiedlich schnell mit der Mobilphase mit und werden so getrennt.
Anwendungsbeispiele:
- Trennung von Farbstoffen (Tinte, Chlorophyll usw.)
- Nachweis von Wirkstoffen in Arzneipflanzen
- genaue Bestimmung des Blutalkoholgehalts (Alkoholanalyse)
- Untersuchung von Lebensmitteln und Arzneimitteln auf eventuelle Verunreinigungen oder nicht deklarierte Inhaltsstoffe
- Nachweis von Schadstoffen wie Insektiziden in der Umweltanalytik
- Nachweis unerlaubter Substanzen z. B. in Dopingproben
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