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Verfahren zur Trennung von Suspensionen

Jede Substanz, die kein Reinstoff ist, ist ein Stoffgemisch. Da die wenigsten Dinge, die uns umgeben, Reinstoffe sind, ist die Auftrennung von Stoffgemischen selbstverständlich eine alltägliche Aufgabe in chemischen Labors und auch im großen Maßstab in der chemischen Industrie.

Eines der häufigsten Stoffgemische ist die Suspension. Sie stellt eine heterogene Mischung aus einer Flüssigkeit und ungelösten, fein verteilten Feststoffpartikeln dar. In diesem Artikel geben wir eine Übersicht über die verschiedenen Möglichkeiten zur Abtrennung von Feststoffen aus Flüssigkeiten.

Wie kann man Stoffgemische unterteilen?

Stoffgemische werden in heterogene bzw. mehrphasige und homogene bzw. einphasige Gemische unterschieden. Heterogene Gemische werden auch als Dispersionen bezeichnet. Eine Übersicht über die wichtigsten Stoffgemenge haben wir in einer Tabelle zusammengestellt.

Orange = Heterogen, Blau = Homogen

fest flüssig gasförmig
in fest Gemenge /Feststoffgemisch

Legierung

in flüssig Suspension

Lösung

Emulsion

Lösung

Schaum

Lösung

in gasförmig Aerosol – Rauch Aerosol – Nebel  

Gasgemisch

Heterogene Gemische können mit Hilfe von mechanischen Methoden getrennt werden, während das für homogene Mischungen nicht möglich ist. Natürlich kann ein Stoffgemisch auch aus mehr als zwei Reinstoffen bestehen. Zur Unterscheidung werden sie binär (zwei Stoffe), tertiär usw. genannt. In der Regel werden aus Gründen der einfacheren Umsetzbarkeit zunächst heterogene Bestandteile getrennt und daran anschließend die homogenen.

Sedimentation – Nutzung der Schwerkraft

Die wohl einfachste Methode zur Auftrennung einer Suspension ist das Sedimentieren. Durch Absetzenlassen des Feststoffes erhält man zwei Phasen, wobei man die Flüssigkeit anschließend z.B. durch Dekantieren abnehmen kann.

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Die Sedimentationsgeschwindigkeit hängt von der Viskosität der Flüssigkeit, der Größe der Feststoffteilchen und der Dichte der Partikel ab, weshalb der Zeitaufwand dieses Trennverfahrens groß sein kann. Industriell werden große Anlagen bzw. Becken zum Sedimentieren verwendet. Diese nennt man – je nachdem ob man die Flüssigkeit oder den Feststoff gewinnen möchte – Klärbecken oder Eindicker.

Zentrifugieren – Nutzung von Dichteunterschieden und Zentrifugalkraft

Um eine Beschleunigung der Phasenseparation zu erreichen, eignet sich die Zentrifugation. Durch Rotation um eine feste Achse wird die Zentrifugalkraft ausgenutzt, um die enthaltenen Reinstoffe Ihrer Dichte nach aufzutrennen, wobei sich der Stoff mit der höchsten Dichte am weitesten von der Rotationsachse ansammelt. Durch Zentrifugation können nicht nur Suspensionen, sondern auch Emulsionen und Gasgemische getrennt werden. Laborzentrifugen sind in vielen chemietechnischen und medizintechnischen Labors zu finden. Als Einsatzgefäße sind geeignete Zentrifugenröhrchen erhältlich. Da sie starken Kräften standhalten müssen, sind diese Laborbehälter entweder aus verstärktem Glas oder als Einweggefäße aus Kunststoffen wie Polypropylen (PP) gefertigt.

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Bei der Bedienung einer Zentrifuge ist zu beachten, dass es vor allem bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten wichtig ist, gegenüber der zu zentrifugierenden Probe ein Gegengewicht mit möglichst ähnlichem Gewicht einzustellen um eine Unwucht zu vermeiden. Sogenannte Ultrazentrifugen erreichen bis zu 500.000 rpm (auch U/min, Umdrehungen pro Minute). Bei solch hohen Geschwindigkeiten wird die Zentrifugenkammer evakuiert, um die Luftreibung zu minimieren. Nach der Separation kann beispielsweise durch Dekantieren die überstehende Flüssigkeit abgenommen werden. Großtechnisch werden Separatoren eingesetzt, die vom Prinzip her wie eine Zentrifuge funktionieren. Sie besitzen keine eigesetzten Gefäße, sondern arbeiten wie eine Waschmaschine mit einer Trommel ohne Löcher. Analog wie bei der Zentrifuge wird die Suspension ihrer Dichte nach aufgetrennt.

Chemiker mit einer Zentrifuge
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Es gibt Separatoren, die kontinuierlich arbeiten, was bedeutet, dass über einen Zulauf ständig Suspension zugeführt und über Abläufe aufgetrennter Feststoff und Flüssigkeit abgeführt werden. Ein spezieller, kontinuierlicher Separator ist der Hydrozyklon, ein Fliehkraftabscheider für Emulsionen und Suspensionen, in dem nicht eine Trommel gedreht wird, sondern stattdessen Wirbel in der Suspension erzeugt werden.

Filtration

Eines der wichtigsten Trennverfahren für Suspensionen ist die Filtration, da sie sehr einfach und effizient ist. Durch das Ausnutzen, dass Feststoffe ab einer bestimmten Größe die Poren des Filters nicht passieren können, werden sie mechanisch aus einer Suspension abgetrennt. Grundsätzlich wird zwischen Oberflächen- und Tiefenfiltern unterschieden. Bei der Tiefenfiltration wird der abzutrennende Feststoff im Inneren eines porösen Filtermediums aufgefangen. Bei der Oberflächenfiltration wird hingegen der Siebeffekt genutzt, sodass Filtrat und Feststoff an einer Oberfläche getrennt werden. Bei dem am häufigsten im Labor verwendeten Trennverfahren, der Kuchenfiltration, entsteht ein Rückstand auf dem Filter, der sogenannte Filterkuchen.

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Es gibt eine Vielzahl von Filtermedien, von denen im chemietechnischen Labor Membranfilter am gebräuchlichsten sind. Filtermembranen können aus Papier, Kunststofffolien oder textilen Geweben bestehen. Der einfachste Aufbau für eine Filtration ist ein Papier-Filterhalter mit einem Trichter, bei dem mit Hilfe der Schwerkraft Filterkuchen und Filtrat getrennt werden. Unter Anlegen eines Überdruckes auf der Seite des Zuflusses bzw. eines Vakuums auf Seite des Ablaufs kann die Trenngeschwindigkeit deutlich beschleunigt werden.

Filtration von Wasser in der Saugflasche
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Einfache Beispiele aus dem Labor sind Spritzenvorsatzfilter (Überdruck) oder Büchnertrichter in Kombination mit einer Saugflasche (Vakuum). Natürlich kann dieses Trennverfahren nicht nur als Batch angewandt werden, sondern bei niedrigen Feststoffkonzentrationen auch kontinuierlich, wie z.B. bei der Verwendung von Durchflussfiltern.

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Eine weitere Form der Oberflächenfiltration ist die Querstromfiltration. Das zu filternde Medium wird dabei parallel zum Filter gepumpt, wodurch die Ablagerung eines Filterkuchens vermieden wird. Der Feststoff wird so nicht vollständig von der Flüssigkeit befreit, sondern wird nur eingedickt. Industriell werden beispielsweise Filterpressen verwendet, die aus aufgereihten Filterplatten bestehen und mit Filtertüchern bespannt sind. Durch Zusammenpressen wird die Flüssigkeit hinausgedrückt, während der Feststoff zurückbleibt, der anschließend entleert werden kann.

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Eine Kombination aus Zentrifugation und Filtration ist die Filterzentrifuge, wobei hier der Dichteunterschied nicht maßgeblich für die Trennung ist. Die Zentrifugalkraft bewirkt einen Überdruck, die die Flüssigkeit durch den Filter drückt. Für die Laborzentrifuge sind spezielle Filtereinsätze verfügbar, die eine Filterzentrifugation auch in kleinem Maßstab möglich machen. Wenn sich Partikel schlecht abfiltern lassen, weil sie zu klein bzw. kolloidal gelöst sind, können Flockungsmittel zugesetzt werden. Mit deren Hilfe wird die Zusammenballung der Partikel gefördert und so verhindert, dass das Filtrat noch Feststoff enthält. Bei schwerfilterbaren Feststoffen wie Schlämmen werden oft Filterhilfsmittel eingesetzt, um beispielsweise die Filterkuchen zu lockern. Typische Filterhilfen sind Kieselgur, Cellulose oder Perlit.

Andere Trennverfahren

Destillation: Eine nicht-mechanische Möglichkeit, die nicht nur für Lösungen, sondern auch für Suspensionen geeignet ist, ist die Destillation. In der Regel ist die Destillation aber nicht das Verfahren der Wahl, da sie einen höheren Arbeitsaufwand erfordert und energieintensiv ist.

Flotation: An hydrophobe Partikel haften Gasbläschen besonders gut an, wodurch sie einen Auftrieb erfahren und sie an der Flüssigkeitsoberfläche als Schaum schwimmen, mit dem der Feststoff abgenommen werden kann. Dieses Verfahren wird industriell für die Erzaufbereitung oder auch im Papierrecycling eingesetzt.

Magnetische Trennung: Feinverteilte ferromagnetische Partikel können durch Anlegen eines magnetischen Feldes abgetrennt werden. Magnetscheider werden z.B. in der Geochemie und bei der Hausmüllaufbereitung verwendet.

Welches Trennverfahren ist für was am besten geeignet?

Welches Trennverfahren im Einzelfall am besten geeignet ist, ist von verschiedenen Faktoren abhängig, wobei eine der grundlegenden Fragen ist, ob Feststoff oder Flüssigkeit oder beide als Endprodukte gewonnen werden sollen. Nicht selten macht es auch Sinn, mehrere Trennmethoden einzusetzen, entweder als unmittelbare Kombination oder mehrere Verfahren nacheinander.

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Beispielsweise wird in der Verfahrenstechnik bei großen Flüssigkeitsmengen oft eine einfache Sedimentation vor einer Filtration durchgeführt, entweder um die Flüssigkeit vorzureinigen oder um das zu filtrierende Gemisch zu konzentrieren. Da es eine Vielzahl an Möglichkeiten und verschiedene Apparaturen zur Filtration sowohl für den Labor- als auch den großtechnischen Maßstab am Markt gibt, ist es oft eine anspruchsvolle Aufgabe, das geeignete Trennverfahren und das passende Equipment, wie den richtigen Filtertyp, für das jeweilige Trennproblem auszuwählen.