Was bedeutet Fraktionierung in der Chemie?

«Trennung von Lösemitteln und andere Anwendungen der Verfahren»

Fraktionierung in der Chemie bedeutet, Stoffgemische in unterschiedliche Bestandteile aufzuteilen. Dabei kommen viele verschiedene Trennungsverfahren zum Einsatz. Der Begriff Fraktionierung wird meistens dann verwendet, wenn die Gemische aus mehr als zwei Stoffen besteht, die nach und nach einzeln oder in Gruppen voneinander isoliert werden sollen. Hier erhalten Sie einen Überblick über die wichtigsten Verfahren und ihre Anwendungsgebiete.

Bei der Fraktionierung häufig genutzte Naturerscheinungen

Um Gemische zu trennen, nutzt die Chemie hauptsächlich physikalische Verfahren, die im Wesentlichen auf folgenden Naturerscheinungen beruhen:

• dem Wechsel von Aggregatzuständen bei unterschiedlichen Temperaturen (z.B. Destillation)
• der unterschiedlichen Löslichkeit von Stoffen ineinander (z.B. Extraktion, Fällung, Absorption)
• dem natürlichen Bestreben, unterschiedliche Konzentrationen auszugleichen (z.B. Diffusion, Osmose)
• der selektiven Anreicherung von Stoffen an der Oberfläche eines festen Körpers (Adsorption)
• dem unterschiedlichen Durchdringungsvermögen von Partikeln oder Molekülen durch poröse Feststoffe (z.B. Filtration, Ultrafiltration)

Die Naturerscheinungen bewirken in der Regel den Ausgleich von Unterschieden und führen zu Zuständen bei denen sich alles im Gleichgewicht befindet. Bei der Fraktionierung in der Chemie verschiebt die gezielte Einstellung der Prozessgrößen (Konzentration, Temperatur und Druck) das Gleichgewicht in die gewünschte Richtung. Gemische bilden dann getrennte Phasen aus, Stoffe reichern sich unterschiedlich stark in den einzelnen Phasen oder an den Grenzflächen an. Die Phasen unterscheiden sich zum Beispiel durch ihren Aggregatzustand (fest, flüssig gasförmig) oder fehlende Löslichkeit ineinander (Öl-Wasser). Sie separieren sich von oft selbst. Gase entweichen aus Flüssigkeiten und können aufgefangen werden. Feststoffe sammeln sich als Bodensatz. Nicht ineinander lösliche Flüssigkeiten bilden getrennte Schichten. Andernfalls wird die Fraktionierung in Filtern, Abscheidern, Separatoren oder Zentrifugen zu Ende geführt.

Durchführung der Fraktionierung

Die Fraktionierung erfolgt in der Chemie häufig dadurch, dass verschiedene Trennungsverfahren nacheinander angewendet werden. Beispielsweise lassen sich Feststoffe aus einem Flüssigkeitsgemisch abfiltrieren, anschließend ein gelöstes Salz durch Fällung aus der Flüssigkeit verdrängen, das Salz in einem Filter zurückhalten und schließlich das verbleibende Flüssigkeitsgemisch durch Destillation in seine Bestandteile trennen. Bei jedem Schritt entstehen zwei neue Fraktionen, die entweder die Endprodukte darstellen oder weiter aufbereitet werden. Beispiele für derartige Verfahren sind:

• die Extraktion von Pflanzenölen aus Biomasse
• die fraktionierte Destillation von Erdöl oder Lösemittel-Gemischen
• die Adsorption von organischen Schadstoffen an Aktivkohle zur Abwasserreinigung
• die Adsorption von Wasserdampf an Kieselsäuregel zur Lufttrocknung
• die Umkehrosmose zur Meerwasserentsalzung

Extraktion von Pflanzenölen aus Biomasse

Bei der Extraktion von Pflanzenölen aus Biomasse werden die ölhaltigen Pflanzenteile mit Benzin oder Alkohol gemischt. Darin lösen sich die Öle auf. Nachdem die Feststoffe aus dem Gemisch herausgefiltert wurden, destilliert man die Flüssigkeit. Dadurch gewinnt man reines Öl. Mit dem Benzin verdampfen auch geringe Anteile vom Öl. Das Dampfgemisch kondensiert in einem Kühler und kann wieder zur Extraktion genutzt werden. Die Extraktion, also das gezielte Herauslösen von Bestandteilen aus einem Gemisch, wird bei der Fraktionierung in der Chemie häufig angewendet. Gemische aus Flüssigkeiten werden dabei mit einem Lösungsmittel versetzt, das zwar den benötigten Stoff auflöst, sich aber mit den anderen Komponenten nicht mischt. Danach bilden sich zwei getrennte Flüssigkeitsphasen und das Lösungsmittel kann zusammen mit dem extrahierten Stoff abgeschieden werden.

Fraktionierte Destillation von Erdöl oder Lösemittel-Gemischen

In der Chemie fallen häufig Lösemittelgemische aus mehr als zwei Stoffen an. Solche Gemische entstehen auch in der Oberflächentechnik, zum Beispiel bei der Teilereinigung, genauer gesagt der lösemittelbasierenden Teilereinigung. Um Lösemittel zu trennen kommt häufig die fraktionierte Destillation zum Einsatz. Dabei nutzt man die unterschiedlichen Dampfdrücke der Flüssigkeiten aus. Sie bewirken, dass der Anteil an leichter siedenden Stoffen in der Dampfphase höher ist als in der Flüssigkeit. Während das Flüssigkeitsgemisch verdampft, steigt die Siedetemperatur an. Es gelangen immer mehr schwerer siedende Flüssigkeiten in die Dampfphase. Fängt man in regelmäßigen Abständen den Dampf getrennt auf und kondensiert ihn, erhält man unterschiedliche Fraktionen, die nur einen oder wenige Stoffe des Ursprungsgemisches enthalten.

Technische Umsetzung der fraktionierten Destillation

Technisch wird dieses Verfahren der Fraktionierung in Kolonnen umgesetzt. Dabei handelt es sich um senkrecht stehende, hohe Stahltürme, die am unteren Ende mit einem Verdampfer und am oberen Ende mit einem Kondensator ausgestattet sind. Im Inneren befinden sich in der Regel Füllkörper. Während der erzeugte Dampf nach oben steigt, rieselt ein Teil des Kondensats herab. Zwischen der beiden Phasen erfolgt ein ständiger Stoffaustausch. Der Dampf reichert sich mit den leichter siedenden Komponenten an, in der Flüssigkeit wächst der Anteil der schwerer siedenden Bestandteile. Die einzelnen Fraktionen werden seitlich in unterschiedlichen Höhen aus der flüssigen Phase entnommen.

Adsorption von organischen Schadstoffen an Aktivkohle zur Abwasserreinigung

Aktivkohle hat die Eigenschaft, organische Stoffe an der Oberfläche festzuhalten. Das wird zum Beispiel bei der Abwasserreinigung in der Chemie ausgenutzt. Die Aktivkohle liegt meistens als Granulat vor. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche und das Aufnahmevermögen für organische Stoffe steigt. Das Wasser sickert entweder durch das Granulat oder es wird mit diesem vermischt und anschließend gefiltert. Ist das Aufnahmevermögen der Aktivkohle erschöpft, lässt sie sich mit Wasserdampf regenerieren. Durch diese Fraktionierung lassen sich aus dem Wasser auch Lösemittel trennen und bei der Regeneration zurückgewinnen.

Adsorption von Wasserdampf an Kieselsäuregel zur Lufttrocknung

Zur Fraktionierung in der Chemie gehört auch die Lufttrocknung durch die Adsorption der Feuchtigkeit an Kieselsäuregel oder andere Trocknungsmittel. Diese Stoffe haben ein sehr hohes Aufnahmevermögen für Wasserdampf. Durch ihre Anwesenheit verhindern sie, dass beim Abfall der Temperatur Wasser aus der Luft kondensiert, sich auf Oberflächen niederschlägt und Schaden anrichtet. Deshalb werden zum Beispiel Lederwaren kleine Päckchen mit Trocknungsmitteln beigefügt. Beim Transport von Gütern aus Eisenwerkstoffen verhindert man auf diese Weise Korrosion.

Umkehrosmose zur Meerwasserentsalzung als Verfahren der Fraktionierung

Um Gemische zu trennen, werden häufig Membrantechniken im Rahmen der Fraktionierung eingesetzt. Ein Beispiel dafür ist die Umkehrosmose zur Meerwasserentsalzung. Osmose ist ein natürlicher Vorgang zum Ausgleich von Konzentrationen. Sie ist der Grund, dass reife Kirschen bei einem Regenguss platzen können. Sind eine konzentrierte Lösung (Saft) und das Lösungsmittel (Wasser) durch eine Membran getrennt (Haut), die nur für das Lösungsmittel durchlässig ist, wandert dieses durch die Membran in die Lösung und verdünnt sie. Dabei steigt dort der Druck stetig an. Ist ein bestimmter Wert erreicht, kommt der Prozess zum Erliegen. Bei der Umkehrosmose wird auf der Seite der hohen Konzentration ein Druck erzeugt, der diesen Wert übersteigt. Dann wandert das Lösungsmittel durch die Membran und kann sauber aufgefangen werden.