Hilfsstoffe für chemische Prozesse

Hilfsstoffe für chemische Prozesse

Verschiedene technische Prozesse wie der Hochofenprozess, das Brennen von Kalk, der Solvay-Prozess zur Gewinnung von Soda oder die Herstellung von Phosphorsäure aus Apatit und Schwefelsäure laufen ohne Mithilfe anderer Stoffe ab.

Bei vielen anderen chemischen Prozessen reicht es aber nicht aus, nur die Reaktionspartner zusammenzugeben. Um eine möglichst vollständige Umsetzung mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit zu gewährleisten oder anfallende Produktgemische trennen zu können, werden Hilfsstoffe benötigt.

Als Hilfsstoffe bezeichnet man chemische Zusätze, welche für die Durchführung der Reaktionen nötig sind, aber nicht ins Endprodukt eingehen. Zu den Hilfsstoffen zählen Katalysatoren, Lösungsmittel, Extraktionsmittel, Adsorptionsmittel und Emulgatoren. Sie werden chemischen Prozessen zugeführt, um die erforderliche Reaktion zu ermöglichen, sie zu beschleunigen oder das Reaktionsgleichgewicht auf die gewünschte Seite zu verschieben.

Diese Hilfsstoffe werden theoretisch durch die Reaktion nicht verbraucht, müssen aber dann am Schluss in der ursprünglichen Form zurückgewonnen werden. Das ist teilweise sehr aufwendig und gelingt nicht immer, sodass der verbrauchte Hilfsstoff dann entsorgt werden muss.

Katalysatoren

Katalysatoren sind Hilfsstoffe, die aus der heutigen industriellen Produktion von chemischen Verbindungen nicht mehr wegzudenken sind. Sie können die Reaktionsgeschwindigkeit verändern und sogar während der Reaktion Verbindungen eingehen. Nach der Reaktion liegen sie jedoch unverändert vor.

In lebenden Systemen dienen Enzyme als Katalysatoren. Bei chemischen Reaktionen im Labor oder bei großtechnischen Verfahren werden häufig Metalle verwendet.

Die Frage nach dem Reaktionsverlauf bei Einsatz eines Katalysators kann nicht allgemeingültig beantwortet werden. Denn der Verlauf der Reaktion hängt von der Wirkungsweise des Katalysators ab. So katalysieren Metalle, besonders Edelmetalle wie Platin und Palladium, Reaktionen, an denen Gase beteiligt sind. Die Gase werden dabei an der Oberfläche der Metalle adsorbiert und in einen reaktionsbereiten Zustand versetzt. In diesem Zustand reagieren sie schneller, als im normalen, unaktivierten Zustand. Höchstwahrscheinlich besitzen Katalysatoren aktive Zentren auf der Oberfläche, in denen ein Elektronenüberschuss beziehungsweise ein Elektronenmangel vorherrscht, wodurch die Bindungen innerhalb der Moleküle derart gelockert werden, dass Reaktionen leichter eintreten und auch schneller verlaufen können.

Zum Beispiel der Ablauf der Ammoniaksynthese mit dem Haber-Bosch-Verfahren, die Schwefelsäuresynthese im Kontaktverfahren und das katalytische Cracken von Erdöl beruhen auf dem Einsatz von Katalysatoren.

Lösungsmittel

Als Lösungsmittel werden alle anorganischen und organischen Flüssigkeiten bezeichnet, die in der Lage sind, feste, flüssige oder gasförmige Stoffe zu lösen, ohne das es dabei zu einer chemischen Reaktion zwischen Lösungsmittel und gelöster Substanz kommt. Das bekannteste und vielseitig verwendete Lösungsmittel ist das Wasser. Fällungsreaktionen und Neutralisationsreaktionen sind ohne flüssiges Medium nicht möglich.
Lösungsmittel werden oft nach ihren physikalischen Eigenschaften wie Viskosität, Siedepunkt, Flüchtigkeit und Polarität unterteilt.

Als organische Lösungsmittel werden z. B. Alkane und Alkene, Aromaten, chlororganische Verbindungen, Alkohole, Ester, Ether und Ketone eingesetzt. Sie haben einen Siedepunkt unter 200°C und sind leicht flüchtig. Hohe Konzentrationen von Lösungsmitteln kann man riechen, z. B. beim Verwenden von Lackanstrichen, verschiedenen Klebstoffen und Dichtungsmassen oder beim Reinigen mit Brennspiritus oder Waschbenzin. Diese Lösungsmittel können beim Einatmen gesundheitliche Schädigungen und Rauschzustände hervorrufen. Um die Belastung für Körper und Umwelt so gering wie möglich zu halten, empfiehlt sich die gezielte Auswahl von Lösungsmittelfreien oder Lösungsmittelarmen Anstrichen, Klebstoffen etc.

Lösungsmittel finden auch speziellen Einsatz bei der Entfernung von Stoffen aus Stoffgemischen oder Lösungen. Den Vorgang nennt man Extraktion, die Hilfsmittel Extraktionsmittel. Ätherische Öle, Duftstoffe und Gewürze werden durch Extraktion gewonnen.

Adsorptionsmittel

Bei der Adsorption lagern sich chemische Substanzen an der Oberfläche eines Adsorptionsmittels an. Deshalb werden Stoffe mit einer besonders großen Oberfläche als Adsorptionsmittel verwendet. Aktivkohle ist ein kohlenstoffhaltiges Produkt mit einer porösen Struktur und einer großen inneren Oberfläche. Es ist ein bevorzugtes Filtermaterial in der Abwasserreinigung zur Abtrennung von hydrophoben organischen Verbindungen, insbesondere von chlorierten Kohlenwasserstoffen. Zur Herstellung von Aktivkohle verwendet man z. B. Steinkohle, Braunkohle, Torf, Holz, Sägemehl, Kokosnussschalen, Olivenkerne oder Pfirsichkerne. Diese Rohmaterialien werden bei Temperaturen zwischen 500-800 °C verkokt. Dadurch werden alle flüchtigen Inhaltsstoffe abgespalten und ausgetrieben.
Weitere Adsorptionsmittel sind z. B. Adsorberharze. Sie finden bei der Entfernung von organischen Verbindungen, wie Farbstoffen, Tensiden, Ölen und Fettsäuren Verwendung. Aktivierte Tonerde (Aluminiumoxid) wird zur Entfernung von polaren, hydrophilen organischen Stoffen eingesetzt.

Emulgatoren

Wässrige Lösungen und fetthaltige Substanzen mischen sich normalerweise nicht. Damit eine Mischung, eine sogenannte Emulsion, entstehen kann, werden Emulgatoren eingesetzt. Sie können Fetttröpfchen in feinster Verteilung im Wasser halten. Diese feinen Emulsionströpfchen besitzen in der Regel eine negative Oberflächenladung. Durch die elektrostatische Abstoßung zwischen den Öltröpfchen können sie keine einheitliche Phase mehr bilden. Nur so lässt sich zum Beispiel Margarine herstellen.

Eine Emulsionsspaltung ist von wirtschaftlichem Interesse, wenn es z. B. um unbrauchbare Kühlschmierstoffe geht. Bei der Trennung der wässrigen Phase von der Ölphase geht es vor allem um die Reduzierung von Abfallmengen und der Erzeugung von wiederverwertbaren Spaltprodukten (Ölphase). Das abgetrennte Wasser kann entsprechend aufbereitet in die Abwasserkanalisation geleitet werden.