Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 01.07.14


Flotation

Vortrag von Selina Stenglein im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", WS 13\14


Gliederung:


Aufgrund des hohen Papierverbrauchs wird immer mehr Regenwald abgeholzt. Somit wird der Lebensraum vieler Tier- und Pflanzensorten gefährdet, worunter auch der Orang-Utan leidet. Neben Geldspenden und Papiersparen ist auch das Recyceln von Altpapier eine Möglichkeit dem Aussterben des Orang-Utans entgegenzuwirken. Dazu benötigt man jedoch ein Verfahren, welches beschriebene Blätter von Druckerfarben befreit und die beiden entstandenen Stoffe voneinander trennt.


Abb. 1:
Ein Opfer der Brandrodung in Westkalimantan, Indonesien [4]


1 Nutzbare Eigenschaften zur Trennung von Feststoffen

Um zwei Feststoffe voneinander zu trennen, nutzt man eine Eigenschaft aus, in der sich beide Stoffe voneinander unterscheiden. Dies könnte zum Beispiel die Farbe sein, wenn man etwas per Hand sortiert. Für das Trennen von Papier und Druckerfarbe sind die Dichte und die Benetzbarkeit mit Wasser entscheidend.

1.1 Dichte

Wie man Stoffe, die unterschiedliche Dichte besitzen, trennen kann, zeigt folgendes Experiment.

Experiment Trennung von Stoffen durch unterschiedliche Dichte
Material
  • Becherglas
  • Leitungswasser
  • Spülmittel
  • Löffelspatel
  • Kunststoffstreifen (PE, PS, PVC)
Chemikalien
  • Natriumchlorid
Durchführung Becherglas mit Leitungswasser und einem Tropfen Spülmittel befüllen. Die Kunststoffstreifen zugeben. Löffelweise Zugabe von Kochsalz.
Beobachtung PE schwimmt bereits zu Beginn auf dem Wasser. Nach Zugabe von Salz taucht PS auf. PVC bleibt am Boden liegen.
Interpretation Kunststoffstreifen mit einer geringeren Dichte als Wasser steigen auf. PE besitzt eine geringere Dichte als Wasser. Durch Zugabe von Kochsalz wird die Dichte von PS erreicht. PVC besitzt die höchste Dichte.

Würde man diesen Versuch mit Papier- und Druckerfarbepartikel durchführen, würde keine vollständige Trennung erfolgen. Der Grund dafür ist, dass die Dichten relativ nahe beieinander liegen. Deshalb benötigt man eine weitere Eigenschaft für die Trennung.

1.2 Benetzbarkeit mit Wasser

Man unterscheidet zwischen hydrophoben und hydrophilen Stoffen. Rührt man beide zusammen mit Luftblasen in Wasser ein, so lagern sich wasserabweisende, hydrophobe Stoffe an aufsteigenden Luftblasen an, während von Wasser benetzbare, hydrophile Stoffe in der Suspension bleiben und zu Boden sinken.


Abb. 2: Benetzbarkeit von Partikeln


2 Immobilisierung eines Partikels an der Luft-Wasser-Grenzfläche

Um zu sehen, warum ein hydrophobes Partikelteilchen an der Luftblase heften bleibt, wird die Kraft berechnet, die man benötigt, um das Teilchen von der Luft-Wasser-Grenzfläche komplett in die flüssige Phase zu bringen.

Die Kraft die benötigt wird, um ein Partikel aus der Luftblase ins Wasser zu bewegen, ist also signifikant größer als die Gravitationskraft, die auf dieses Teilchen wirkt. Folglich sind die Partikel an der Luftblase immobilisiert.


3 Flotationszelle

Folgende Abbildung zeigt den Aufbau einer Flotationszelle.


Abb. 3: Aufbau einer Flotationszelle

Durch einen Rührer werden Luftbläschen in die Suspension gerührt. Im hochturbulenten, gerührten Bereich kommen die Partikel zahlreiche Male in Kontakt mit den Luftblasen. Dabei werden die hydrophoben Partikel an den Luftblasen immobilisiert. Durch die Anlagerung an die Luftblasen entstehen spezifisch leichtere Aggregate, die zur Oberfläche aufsteigen. Es handelt sich demnach um eine Dichtetrennung, wobei das unterschiedliche Anlagerungsvermögen der Partikel an die Luftblasen der entscheidende Schritt ist. Ein Schaumbildner verhindert, dass die Luftblasen beim Erreichen der Oberfläche zerplatzen. Dort bildet sich eine Schaumschicht, die mit einem Paddel abgezogen werden kann. Die hydrophilen, nicht flotierten Teilchen sinken zu Boden und werden als Rückstand abgeführt.


Zusammenfassung:

Flotation ist ein Trennverfahren für gemahlene Feststoffe, das die unterschiedliche Benetzbarkeit von Partikeln mit Wasser ausnutzt. Dieses Verfahren ist ein wichtiger Teilschritt des Papierrecyclings. Aus beschriebenen Blättern können somit Cellulosefasern für neue Papiere gewonnen werden. Da nach circa sieben Recyclingprozessen die Cellulosefasern zerstört sind, müssen immer frische Fasern aus Holz hinzugefügt werden. Somit müssen weiterhin Regenwälder abgeholzt werden. Trotzdem ist Papierrecycling für die Umwelt sehr wichtig, auch wenn es das Aussterben des Orang-Utans nicht vollständig verhindern kann.


Literatur:

  1. Bunge, R.: Mechanische Aufbereitung, Primär- und Sekundärrohstoffe, 1.Auflage, VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2012
  2. Butt, H. J., Graf, K.,Kappl, M.: Physics and Chemistry of Interfaces, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2004
  3. Schliebs, R.: Chemie in unserer Zeit, 18. Jahrgang, Verlag Chemie, 1984
  4. Wagner, W., Didaktik Chemie, Uni Bayreuth.

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 01.07.14