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 (meist) unlöslichen
Feststoff trennen, wählt man das Filtrieren.
Die Flüssigkeit, die aus sehr kleinen Teilchen besteht, fließt
ohne Probleme durch das Filterpapier oder Filtertuch (Bild 1). 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 Wasserstrahlpumpe und den entstehenden Unterdruck
verläuft das Filtrieren weitaus schneller und der Filterrückstand
wird durch die nachgesogene Luft getrocknet.
Als Sonderfall ist die Filtration mithilfe bestimmter Membranen
mit sehr kleiner Porengröße (Molekularfilter) zu betrachten.
Durch diese Filter werden beispielsweise Wassermoleküle durchgelassen,
jedoch Verunreinigungen (teilweise sogar lösliche Feststoffe) zurückgehalten.
Anwendungsgebiete dieses Verfahrens sind beispielsweise die Meerwasserentsalzung
zur Trinkwassergewinnung, aber auch die Reinigung des Blutes von Patienten
mit geschädigten Nieren durch Dialyse.
Anwendungsbeispiele der Filtration von Flüssigkeiten:
- Filtrieren von aufgebrühtem Tee und Kaffe
- Filtrieren von Wasser und Herausfiltern von Nahrungspartikeln (z. B. einzellige Algen) bei bestimmten Wassertieren, z. B. Röhrenwürmer
- Trennung von Feststoff und Flüssigkeit im Labor oder in der Technik zur Gewinnung eines synthetisierten Stoffes
- 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
Ebenfalls als Sonderfall der Filtration ist das Rechen zu werten, da hier die Größe der zu trennenden Stoffe bzw. abzutrennenden Materialien sehr unterschiedlich ist. So erfolgt eine Trennung einer groberen, lockereren Komponente von einer Oberfläche anderen Materials, wie beispielsweise
- Nutzung eines Läusekamms zur Beseitigung der Plagegeister,
- Striegeln eines Pferdes, um das Fell des Tieres von Kletten u. a. groben Verunreinigungen zu befreien,
- mechanische Reinigung von Abwässern von groben Schwebstoffen
- Reinigung des Strandes von Unrat unter Nutzung einer Harke
- Filtration des Wassers mithilfe der Barten durch Bartenwale, wobei das Plankton zurückgehalten und gefressen wird.
Dekantieren
Grundprinzip: Trennung von einer Flüssigkeit
und eines darin unlöslichen Feststoffes 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 (Bild 2). Allerdings kann man durch Dekantieren das Gemisch nicht vollständig trennen, da immer eine Teil der Flüssigkeit mit dem Feststoff vermischt 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
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
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 (Bild 4). 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
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 (Bild 5).
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
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 (Bild 6). 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
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
-
Trennung von Benzen, Toluen und Xylen bei der petrochemischen Gewinnung der Aromaten aus Pyrolysebenzin
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 und Salz
- Reinigung der Produkte organischer Synthesen im Labor
- Recycling verunreinigter Lösungsmittel in der Industrie
Eine spezielle Variante stellt die fraktionierte
Destillation dar, durch deren Hilfe mehrere ineinander lösliche
Flüssigkeiten getrennt werden können. Man bedient sich einer
speziellen Apparatur (Kolonne), die ein langsameres Ansteigen der Temperatur
erlaubt. Durch die so feinere Trennung können Flüssigkeiten
mit kleinen Siedetemperaturdifferenzen voneinander isoliert werden.
Bei der Destillation erhält man immer die leichter flüchtigen
Bestandteile eines Gemisches in reiner Form (Destillat),
die schwerer verdampfbaren bleiben meist als verunreinigter Rückstand
zurück.
Anwendungsbeispiele:
- Rohöldestillation und Gewinnung der verschiedenen Erdölfraktionen zur weiteren Verarbeitung
- fraktionierte Destillation von flüssiger Luft zur Gewinnung der Edelgase
Eindampfen/ Eindunsten
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.
Anwendungsbeispiele:
- Einengen einer Analyselösung, um die Konzentration der nachzuweisenden Stoffe in der Lösung zu erhöhen
- Salzgewinnung aus einer Sole
- Holztrocknung
- Trocknen von Wäsche entweder auf der Leine oder mittels eines Trockenautomaten
- Papierherstellung
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 auf dieser CD erläutert sind.
Die Trennung beruht auf physikalischen Prozessen, die sich teilweise überlagern
und deshalb kompliziert sind. 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 diesem werden die gelösten Stoffe unterschiedlich
gut "festgehalten" werden die einzelnen Bestandteile des Stoffgemisches
und so vom Lösungsmittel unterschiedlich schnell transportiert und
auf diese Weise getrennt (Bild 9).
Anwendungsbeispiele:
- Trennung von Farbstoffen (Tinte, Chlorophyll usw.)
- kriminaltechnische Untersuchungen zur Echtheit von Dokumenten
- genaue Bestimmung des Blutalkoholgehalts (Alkoholanalyse)
- Untersuchung von Lebensmitteln und Arzneimitteln auf eventuelle Verunreinigungen oder nicht deklarierte Inhaltsstoffe
- Nachweis von Dioxinen oder Halogenkohlenwasserstoffen in der Umweltanalytik
- Nachweis unerlaubter Substanzen z. B. in Dopingproben
Magnetscheiden
Grundprinzip: Trennung aufgrund unterschiedlicher
magnetischer Eigenschaften der Reinstoffe im Gemisch
Das Magnetscheiden ist sowohl geeignet, Feststoffgemische als auch magnetische Feststoffe von Flüssigkeiten zu trennen. Dazu nutzt man in der Technik häufig einen Elektromagneten. Das hat den Vorteil, dass die magnetischen Stoffe sich nach Abschalten des Stroms wieder von dem Gerät lösen. Verwendet man im Labor einen Dauermagneten, um beispielsweise Sand und Eisenspäne zu trennen, sollte man den Magneten nicht direkt mit den Spänen in Kontakt kommen lassen, sondern Ihn mit einem Stück Papier schützen
Anwendungsbeispiele:
- Müllaufbereitung - Abtrennung von Eisen- und Stahlschrott
- Altautoverwertung auf Schrottplätzen
- Aufbereitung der Erze für den Hochofenprozess, indem die Gangart (Gestein) von ferromagnetischen Eisenerzen getrennt wird (Bild 10)