Zur Untersuchung und Charakterisierung von chemischen Stoffen oder um Schadstoffe aus dem betroffenen Medium zu entfernen, bedarf es spezifischer Trennungsverfahren. Ziel ist die Isolierung eines Stoffes oder einer Stoffgruppe.

So ist beispielsweise die Dioxinanalyse deswegen so teuer, weil die Dioxine bzw. Dibenzofurane in geringster Konzentration in einem Gemisch vielfach konzentrierterer CKW wie Hexachlorbenzol (HCB) vorliegen. Deshalb muss man die Boden- oder Fettproben zur Aufkonzentrierung zunächst viele Male extrahieren. Anschließend werden die Dioxine gelchromatographisch von den anderen CKW abgetrennt, also isoliert und dabei weiter angereichert. Erst dann können die ca. 210 Dioxine gaschromatographisch weiter aufgetrennt und bestimmt werden. Nun lässt sich auch das toxische Äquivalent der Dioxine (der TE-Wert) berechnen.

Vollständige Entfernung von Fremdstoffen ist nicht möglich, da die Reinigungsprozesse exponentiell verlaufen (-> 10). Im Allgemeinen nennt man einen Stoff dann rein, wenn er mit entsprechenden Verfahren nicht mehr nachzuweisen ist oder die Reaktion, bei der er Verwendung findet, durch Reste anderer Stoffe nicht gestört wird (-> Tab. 9). Besonders empfindlich sind biochemische Nachweise. Lösemittel für spektroskopische Untersuchungen dürfen im gewählten Strahlungsbereich nicht absorbieren.

Tab. 9: Die wichtigsten Reinheitsklassen

Technisch rein (geringste Reinheitsstufe; der Gehalt kann niedriger als 90 % liegen). Praktisch (pract.) 90 - 95 %. Rein (purum) -> 97 %. Reinst (puriss.) -> 99%. Für die Analyse (p. a.). Für die Biochemie (eine der höchsten Reinheits- stufen für biochemische und medizinische Zwecke). Lebensmittelqualität. Spektroskopisch rein.

Einige für die Umweltanalytik und -technologie wichtige Trennverfahren sollen hier kurz aufgelistet werden. Dabei werden physikalische und chemische Trennmethoden unterschieden.

7.1 Physikalische Trennungsverfahren

Hierbei wird der abgetrennte Stoff nicht verändert. Beispiele sind:

Manuelles oder mechanisches Sortieren
Sortieren von Recycling-Glas nach Farbigkeit oder von Kunststoffmüll nach Sorten.

Magnetisches Sortieren
Abtrennen der ferromagnetischen Metalle Eisen, Kobalt und Nickel aus Schrott oder aus Müll vor dessen Verbrennung in einer MVA. Kurzzeitmagnetisierung zur Abtrennung von Aluminium.

Siebe und Rechen
Entfernen von Zigarettenfiltern aus dem Klärwasser.

Filter
Mechanische Trennung von heterogenen Gemischen.

• Filter auf Papier- oder Asbestbasis (heute nimmt man anderes Material).
• Elektrofilter (Entfernung von Flugasche und Staub durch elektrostatische Aufladung und Fixierung).
• Zyklone (Abtrennen von Flugasche aus Rauch durch Zentrifugalkräfte).
• Ultrafiltration (Membranfilter, z. B. Teflonmembranen, mit denen man Schwebstoffe, aber auch Bakterien abtrennen kann).
• Vakuumfiltration, Nutschen (Schleimige und feine Rückstände setzen das Filtermaterial rasch zu. Durch Anlegen eines Unterdrucks wird das Filtrieren beschleunigt, indem man die Flüssigkeit absaugt.).

Windsichter
Trennen von unterschiedlich dichten Komponenten heterogener Gemische (z. B. Kunststoff aus dem Autoschrott).

Sedimentieren
Absitzenlassen von gröberen Bestandteilen einer Aufschlämmung (Trennbecken in der Kläranlage). Phasentrennung von Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte. Trennen von Kunststoffen in verschiedenen Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte.

Zentrifugieren
Trennung aufgrund unterschiedlicher Schwere durch ein künstliches Schwerefeld (Beschleunigung der Sedimentation).

• Trennung von Emulsionen wie Milch.
• Ultrazentrifugen zur Trennung von Uranisotopen im gasförmigen Urantetrafluorid UF₄.

Dialyse
Abtrennen kleinerer Moleküle von großen Molekülen längs einer halbdurchlässigen Membran. Beispiele sind Salz aus einer Proteinlösung, Alkohol aus Bier und Trennung der Gase der Luft. Das Verfahren dient auch zur Blutwäsche bei Nierenversagen; hier werden aus dem Blut Harnstoff, Ammonium-Ionen und andere, in großen Mengen toxische Stoffe abgetrennt.

Reverse Osmose
Bringt man Reinwasser über eine semipermeable Membran, die nur Wassermoleküle durchlässt, mit Salzlösungen in Kontakt, so wandern Wassermoleküle aus dem Reinwasser in die konzentriertere Lösung (-> Abb. 19a). Dabei baut sich in der konzentrierten Lösung ein Druck auf (osmotischer Druck).

Abb. 19a: Entstehen von osmotischem Druck

Setzt man dagegen die Salzlösung unter Druck, so kehrt sich der Vorgang um. Nun läuft das Lösemittel durch die semipermeable Membran in Richtung Reinwasser (-> Abb. 19b). Dies ist ein wichtiges Verfahren zur Meerwasserentsalzung.

Abb. 19b: Reverse Osmose

Flotation
Schwer trennbare Gemische wie Kohle, Schwefelkies (Pyrit, Markasit FeS₂) und Gangart werden feingemahlen und in Wasser unter Zusatz von Detergentien aufgeschlämmt. Man bläst Luft durch diese Mischung. Im Schaum sammelt sich die von Wasser schwer benetzbare Kohle und wird abgetrennt. Auf gleiche Weise entfernt man den Ruß beim Papierrecycling.

Adsorption
Beispiele sind Aktivkohlefilter (-> 7.3), bestimmte Silicate (Kieselgel) oder Aluminiumoxid Al₂O₃. Von Bedeutung ist auch keramisches Material (Autoabgas-Katalysatoren). Die Bindungskräfte sind physikalischer oder schwach chemischer Natur.

Chromatographische Verfahren
Trennung von Gemischen aufgrund ungleicher Verteilung zwischen einer stationären Phase (im Allgemeinen ein Festkörper) und einer beweglichen Phase (Gas oder Flüssigkeit). Danach unterscheidet man:

• Säulenflüssigkeitschromatographie (feste Phase Kieselgel, modifizierte bakterielle Polysaccharide wie Sephadex, modifizierte Cellulose, Aluminiumoxid, Aktivkohle usw.).
• Dünnschichtchromatographie (DC; Bedingungen analog zur Säulenchromatographie, allerdings in dünnen Schichten auf einer Kunststoffplatte. Geeignet zur schnellen Vororientierung bei Trennungsproblemen).
• Hochleistungs- oder Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC; Spezialfall der Säulenchromatographie, allerdings mit wesentlich feiner verteiltem Adsorbens).
• Gaschromatographie (GC; zur Auftrennung von gasförmigen oder verdampfbaren Gemischen).
• Gelchromatographie (Molekularsieb; Sortieren von Molekülen nach der Molekülgröße. Entwässern von Lösungen).

Extrahieren
Ausschütteln eines Stoffes aus einer Lösung oder festen Mischung mit einem anderen, mit dem ersten nicht mischbaren Lösemittel. (Phenol wird aus belasteten Wässern mit Benzol oder Diisopropylether extrahiert. Coffein wird aus Kaffeebohnen mit überkritischem CO₂ unter hohem Druck entfernt.)

Mitfällung, Flockung
Mitreißen von organischen Kolloiden durch Fällung von Gelen wie Aluminium- oder Eisenhydroxid, aber auch Polysaccharide wie Guar und Celluloseether.

Einfrieren und Zerschlagen
Gummireifen werden mit flüssigem Stickstoff auf 196 °C abgekühlt. Das nunmehr glasartig spröde Gummi wird zersplittert und gemahlen, die Karkassematerialien wie Nylon und Stahldrähte werden als weiteres wertvolles Recyclinggut abgetrennt.

Destillation
Trennung von Flüssigkeitsgemischen, deren Komponenten verschiedene Siedepunkte haben. Beispiele sind die Alkoholgewinnung aus Gärmaterial sowie das Lösemittelrecycling.

• Fraktionierte Destillation (kontinuierliche Destillation in großen Kolonnen, besonders effektiv zur Trennung von großen Mengen und hochkomplexen Gemischen wie Erdöl oder flüssige Luft).
• Vakuumdestillation (ermöglicht niedrigere Siedetemperaturen und dient deshalb zur Abtrennung empfindlicher oder schwerflüchtiger Verbindungen).

Fraktioniertes Kristallisieren
Trennung von Natriumchlorid NaCl und Natronlauge NaOH bei der Elektrolyse wässriger Salzlösungen aufgrund der schlechteren Löslichkeit von Natriumchlorid durch Eindampfen der Lösungen.
(Bildung von Salzlagern: Magnesiumchlorid liegt über Kaliumchlorid, dies über Natriumchlorid.)

Sublimation, Gefriertrocknung
Trennung von Gemischen, von denen Komponenten sublimieren.

• Reinigung von Terephthalsäure beim Recycling von PET.
• Bei der Gefriertrocknung wird z. B. wasserhaltiges Material wie Frischgemüse tiefgefroren. Bei Unterdruck sublimiert das Wassereis ab.

7.2 Chemische Trennungen

Hierbei wird der abzutrennende Stoff teils irreversibel chemisch verändert. Es gibt sehr viele Verfahren, von denen hier nur einzelne exemplarisch dargestellt werden sollen.

Verbrennen von Bestandteilen (Oxidation)

• Abtrennen von Kunststoffen beim Autoausschlachten.
• Abbrennen der PVC-Ummantelung von Kupferkabeln.
• Abwasser- und Klärschlammverbrennung.

Auflösen einer Komponente durch eine Säure, Lauge oder Komplexierung

• Aluminiumfolie von Flaschenhälsen durch Natronlauge.
• Bleisulfat und -oxid mit basischer Rohrzuckerlösung bei der Aufarbeitung von Akkuschrott.

Elektrolyse

• Rückgewinnung von Metallen aus konzentrierteren Galvanikabwässern.

Ionenaustausch

• Abtrennen von Ionen aus gering konzentrierten Lösungen anhand entgegengesetzt geladener Ankergruppen (Anionen- oder Kationenaustauscher) sowie komplexierender Bestandteile, die an einem Harz fixiert sind (-> 14.8.2). Da hierbei oftmals auch adsorptive Vorgänge eine Rolle spielen, wird der Ionenaustausch oft zu den chromatographischen Verfahren gezählt. Beispiele:
• Schwermetall-Ionen aus Galvanikabwässern.
• Wasserhärtebildner aus dem Brauchwasser für Heizungskessel.
• Phenol aus Kokereiabwässern.
• Kupfer aus wässriger Lösung mit komplexierenden Ionenaustauschern unter Transport in eine nichtwässrige Phase.

Fällung

• Schwermetall-Ionen können mit Schwefelwasserstoff als Sulfide oder durch Zusatz von Kalkwasser oder anderen Basen als Hydroxide gefällt und (meist durch Vakuumfiltration) abgetrennt werden.
• Ionen von Aluminium und Eisen werden mit löslichen Phosphaten als schwerlösliches Phosphat aus Kläranlagen und aus Oberflächengewässern entfernt. Dies wird umgekehrt auch zur Abtrennung von Phosphat angewandt.

Biologische Abtrennung

• Biologische Klärstufe (Belebtschlamm) zur Abtrennung organischen Materials.

Verfahren zur Abgasreinigung

• Katalytische Entstickung: beim Auto z. B. mit Edelmetallkontakten oder bei Heizkraftwerken nach dem Denoxverfahren mit Vanadinoxid (usw.).
• Rauchgasentschwefelung: Entfernung von SO₂ mit Kalkstein CaCO₃ oder Branntkalk CaO (bzw. Kalkmilch Ca(OH)₂).

7.3 Informationen zur Aktivkohle

Aktivkohlen sind porenreiche, feinkristalline bis amorphe Kohlearten mit adsorptiven Eigenschaften vor allem gegenüber unpolareren Stoffen. Früher stellte man sie durch Erhitzen von Blut, Rohrzucker oder Holz her. Heute ist das Ausgangsmaterial dazu eher Braunkohle. Zur oxidativen Vergrößerung der adsorptiven Oberfläche ("Aufrauung") lässt man die Kohle mit Wasserdampf, Sauerstoff oder Kohlendioxid unter hohem Druck und erhöhter Temperatur reagieren. Ein Teil des Kohlenstoffs bildet dabei Kohlenmonoxid CO, ein Gas, das zur Gewinnung von Prozesswärme weiter verbrannt werden kann. Zur Vermeidung von Sinterung mischt man dem Rohmaterial vor dem Erhitzen leicht herauslösbare anorganische Salze wie Zinkchlorid ZnCl₂ bei.

In dieser Weise aktivierte Kohlen besitzen adsorptiv wirksame Oberflächen bis zu 1000 m²/g bei Kapillardurchmessern von 1 - 5 nm. Sie können bis zu 50 % ihrer Masse an Fremdsubstanzen (meist organische Stoffe) aufnehmen. Diese werden vor allem über van der Waals-Bindungen fixiert. Eine besondere Rolle spielen Aktivkohlefilter bei der Reinigung von Klärwasser, da sie besonders gut Farbstoffe, CKW und Pestizide aus dem Trinkwasser zu entfernen vermögen. Nach vollständiger Belegung der Oberfläche können sie durch Ausspülen mit anderen Lösemitteln oder durch Erwärmen regeneriert werden.

Erfolgt zusätzlich eine chemische Umsetzung des adsorbierten Stoffs, so spricht man von Chemisorption. Ein Beispiel ist die reversible oxidative Fixierung von Schwefeldioxid SO₂, ein wichtiges Verfahren zur Entschwefelung von geringeren Abgasmengen:

Hierbei spielt Aktivkohle zugleich die Rolle eines Katalysators (-> 12).

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