Schweretrennung

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Als Schweretrennung (heavy liquid separation) bezeichnet man die Trennung verschiedener Mineralphasen anhand ihrer unterschiedlichen Dichten in einer Flüssigkeit mit spezifischer Dichte.

Üblicherweise wird die Probe in einen Scheidetrichter (separatory funnel) mit einer spezifischen Schwereflüssigkeit (Dichte über 2.0 g/cm³, je nach Mineralphasen) gegeben. Minerale mit höhere Dichte als die Schwereflüssigkeit sinken ab, wohingegen Minerale mit gleicher Dichte in Schwebe bleiben und Minerale mit geringerer Dichte oben aufschwimmen. Bei sehr feinkörnigem Material, z.B. Silt, dauert dieser Vorgang sehr lange. In diesem Fall kann eine Zentrifuge (centrifuge) zur Hilfe genommen werden. Die Dichten verschiedener Mineralphasen sind in Abbildung 1 aufgelistet. Je nach Dichte der Minerale (zwischen 2.3 g/cm³ für Gips und über 5 g/cm³ für z.B. Hämatit) ist die Verwendung unterschiedlicher Schwereflüssigkeiten nötig.

Die maximale Dichte der Schwereflüssigkeiten ist ebenfalls in Tabelle 1 vermerkt. Eine Verdünnung mit Wasser, Methanol, Aceton oder Äther können die Dichten der Schwereflüssigkeiten verringern.
Achtung:
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Viele der Schwereflüssigkeiten sind sehr toxisch und sollten deshalb nur falls absolut nötig benutzt werden. Lediglich Dibrommethan (dibromomethane, Dichte 2.49 g/cm³) und Natriumpolywolframat (Dichte 3.10 g/cm³) sind weniger toxisch.



Bromoform mit einer Dichte von 2.84 g/cm³ gilt als Standardflüssigkeit. Aufgrund seiner relativ hohen Dichte kombiniert mit seiner niedrigen Toxizität findet Natriumpolywolframat (sodium polytungstate) breite Anwendung. Die Sicherheitsvorkehrungen sind stark von der benutzten Schwereflüssigkeit abhängig. Informiere dich im Vorhinein über die empfohlenen Vorkehrungen und persönliche Schutzausrüstung (PSA) für die spezifische Flüssigkeit. Bitte beachte, dass nicht jeder Abzug in einem Chemielabor für den Einsatz von Schwereflüssigkeiten geeignet ist. Da die Dämpfe der Schwereflüssigkeit schwerer als Luft sind, muss der Abzug mit einer Absaugung nach unten/hinten ausgestattet sein.

Probenvorbereitung

Um die Schweretrennung durchführen zu können, müssen die Minerale sauber voneinander trennbar sein. Das bedeutet, dass die Korngröße so gewählt sein sollte, dass die Kornaggregate voneinander getrennt vorliegen und möglichst keine Verwachsungen aufzeigen. Für Lockerproben ist dies meist gegeben, feste Proben (Gesteine) müssen vorher z.B. mittels Backenbrecher zerkleinert und mechanisch voneinander getrennt werden. Die Behandlung der Probe in einem Ultraschallbad hilft Mineralkörner effektiv voneinander zu trennen. Je nach Fragestellung kann es auch sinnvoll sein, die Probe im Vorhinein bereits mit anderen Methoden, z.B. am Nassschütteltisch oder in der Goldwaschpfanne zu separieren.

Durchführung der Schwere­trennung

Die Schweretrennung ist ein sehr zeitaufwändiges Verfahren. Daher sollte für die Durchführung, Reinigung und Wiedergewinnung der Schwereflüssigkeit genügend Zeit eingeplant werden. Folgende Utensilien werden benötigt:

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  • Scheidetrichter (separatory funnel) mit Verschluss
  • 1-3 Trichter (funnel) mit Filterpapier (filter) zum Auffangen der Mineralseparate
  • Becherglas (beaker) zum Auffangen der Schwereflüssigkeit

Zur Zeitersparnis kann es sinnvoll sein mit einer Reihe von Scheidetrichtern parallel zu arbeiten.

Bevor mit der Schweretrennung begonnen werden kann, sollte die Dichte der Schwereflüssigkeit überprüft werden und diese ggf. bis zur gewünschten Dichte verdünnt werden. Zu Beginn wird der Hahn an der unteren Seite des Scheidetrichters geschlossen. Die Schwereflüssigkeit wird von oben in den Scheidetrichter eingefüllt. Anschließend wird die Probe hinzugegeben. Hierbei ist darauf zu achten, dass alle Mineralkörner auf der Schwereflüssigkeit und nicht im Hals des Scheidetrichters landen. Die Probe wird mit einem Glasstab vorsichtig in den oberen Bereich der Schwereflüssigkeit eingerührt bis eine gleichmäßige Suspension entsteht. Zu starke Kreisbewegungen beim Rühren sind zur vermeiden, da hierdurch die Mineralkörner an die Seitenwände getrieben werden können und dort kleben bleiben. Für die Trennung der leichten von der schweren Fraktion sollten ca. 5 Minuten eingeplant werden. An der Wand haftende Mineralkörner können durch sanftes Klopfen oder Rütteln zum Absinken gebracht werden. Durch erneutes Rühren der aufschwimmenden Fraktion können weitere Schwerminerale aus dieser gelöst werden. Dieser Vorgang sollte 2-3 mal wiederholt werden. Abhängig von Probenmaterial und Schwereflüssigkeit dauert es mindestens 15-30 Minuten bis sich die Fraktionen vollständig voneinander getrennt haben.

Nach der Schweretrennung

Zum Aufnehmen der Probe werden mindestens drei Bechergläser benötigt. In diese wird jeweils ein Trichter inkl. Filterpapier gegeben. Die Filter werden dafür zunächst mit einem weichen Bleistift beschriftet (andere Stifte werden oft durch die Flüssigkeiten aufgelöst). Die voneinander getrennten Fraktionen können nun über den Hahn des Scheidetrichters in die jeweiligen Filter aufgenommen werden: zuerst die schwere, ggf. die schwebende und zuletzt die leichte Fraktion.

Die Filtrate werden je nach Fragestellung mittels Aceton, Ethanol oder destilliertem Wasser ausgewaschen und anschließend getrocknet. Der Scheidetrichter wird mittels Schwereflüssigkeit gespült bis alle Mineralkörner entfernt sind und ist so sofort wieder benutzbar.

Dichten typischer Minerale und klassischer Schwereflüssigkeiten

Rückgewinnung der Schwereflüssigkeit

Da die Schwereflüssigkeit in der Regel sehr teuer sind lohnt sich eine Rückgewinnung. Durch Spülen der Schwereflüssigkeit mit Wasser können Lösungsmittel wie Ethanol und Aceton effektiv der Schwereflüssigkeit entzogen werden, da diese sich im Gegensatz zur Schwereflüssigkeit mit Wasser mischen. Aus diesem Grund sollten Schwereflüssigkeiten auch nie in den Ausguss gekippt werden, da sie sich dort im Leitungssystem anlagern und die Materialien dort angreifen könnten.

Referenzen und weiterführende Literatur

Boenigk, W. (1983) Schwermineralanalyse. Ferdinand Enke Publishers Stuttgart

Lehrveranstaltungen

Geological sample preparation II

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Dieser Artikel wurde erstellt von:
Sönke Stern, Simon Prochaska, Craig Nicolay, Donja Aßbichler