Fraktionelle Destillation: Wie seltene Gase aus der Luft gewonnen werden

Die Luft, die Sie gerade eingeatmet haben, enthält etwa 0,93 % Argon, 0,0005 % Neon und 0,000008 % Xenon.

Dies sind nicht nur Spurenelemente. Sie sind die unsichtbaren Ermöglicher moderner Technologien - von den Lasern, die Computerchips ätzen, bis hin zu den bildgebenden Mitteln, die menschliche Organe für medizinische Scans beleuchten. Ihre Gewinnung erfordert jedoch eines der energieintensivsten Trennverfahren der Industrietechnik: die fraktionierte Destillation.

Dieser Artikel erklärt, wie Edelgase gewonnen werden und warum sie wichtig sind.

1. Was sind Edelgase?

Die seltenen Gase - auch Edelgase genannt - stehen in der Gruppe 18 des Periodensystems. Sie sind farblos, geruchlos und unter den meisten Bedingungen chemisch inert. Ihre Eigenschaften machen sie für die Chemie unbrauchbar, für die Physik jedoch unverzichtbar.

Helium (He): Das zweitleichteste Element. Siedepunkt: -269°C. Kommt in Erdgasvorkommen vor, nicht in der atmosphärischen Luft. Wird zur Kühlung von MRTs, zur Lecksuche und als Trägergas in der Chromatografie verwendet.

Neon (Ne): Siedepunkt: -246°C. Konzentration in der Luft: 18 ppm. Wenn es unter Strom steht, leuchtet es orange-rot. Wird in Neonschildern, Hochspannungsanzeigern und Excimer-Lasern für die Halbleiterlithografie verwendet.

Argon (Ar): Das häufigste Edelgas in Luft (0,93 %). Siedepunkt: -186°C. Wird als Schutzgas beim Schweißen von Titan und Aluminium sowie als Schutzgas in der Titan- und Siliziumproduktion verwendet.

Krypton (Kr): Siedepunkt: -153°C. Konzentration in der Luft: 1 ppm. Wird in energieeffizienten Fenstern (füllt den Scheibenzwischenraum), Hochleistungsbeleuchtung und in der Laserfusionsforschung verwendet.

Xenon (Xe): Siedepunkt: -108°C. Konzentration in der Luft: 0,087 ppm. Das schwerste nicht-radioaktive Edelgas. Wird als Narkosemittel, in Ionentriebwerken für Satelliten und in Blitzlampen für Hochgeschwindigkeitsfotografie verwendet.

2. Extraktion durch fraktionierte Destillation: Wie sie funktioniert

Das Prinzip

Bei der fraktionierten Destillation werden Unterschiede im Siedepunkt ausgenutzt. Flüssige Luft wird langsam erwärmt, und wenn jede Komponente ihren Siedepunkt erreicht, verdampft sie und wird separat gesammelt. Das Verfahren ist konzeptionell einfach, aber in der Anwendung komplex.

Schritt-für-Schritt-Verfahren

Schritt 1: Verdichtung und Reinigung der Luft

Atmosphärische Luft wird auf etwa 5-10 bar verdichtet. Wasserdampf, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffe werden entfernt - wenn sie später im Prozess gefrieren, blockieren sie die Anlagen.

Schritt 2: Abkühlung und Verflüssigung

Die komprimierte Luft wird durch mehrere Wärmetauscher abgekühlt und dann durch ein Ventil entspannt (Joule-Thomson-Effekt), um die Verflüssigungstemperatur zu erreichen. Das Ergebnis ist flüssige Luft bei etwa -192°C.

Schritt 3: Destillation in der Doppelkolonne

Die flüssige Luft tritt in den Boden einer Hochdruck-Destillationskolonne (mit 5-6 bar) ein. Sie trennt sich in Stickstoff (oben) und sauerstoffreiche Flüssigkeit (unten). Die sauerstoffreiche Flüssigkeit wird zur weiteren Trennung in eine Niederdruckkolonne (1,3 bar) geleitet.

Schritt 4: Krypton-Xenon-Konzentration

Da Krypton und Xenon einen höheren Siedepunkt als Sauerstoff haben, reichern sie sich im Sauerstoffstrom der Niederdruckkolonne an. Ein krypton- und xenonreicher Nebenstrom wird abgezogen und in eine spezielle Anreicherungssäule geleitet.

Schritt 5: Weitere Reinigung

Das Konzentrat wird einer katalytischen Umwandlung unterzogen, um Kohlenwasserstoffe zu entfernen. Dies dient der Sicherheit, da Kohlenwasserstoffe mit flüssigem Sauerstoff explodieren können. Anschließend wird es einer letzten Destillation unterzogen, um Krypton von Xenon zu trennen. Moderne Anlagen erreichen Reinheiten von über 99,9995 %.

3. Alternative Extraktionsmethoden

Die kryogene Destillation dominiert die industrielle Produktion, aber es gibt auch andere Methoden für spezielle Anwendungen.

Adsorption

Zeolithe und metallorganische Gerüste (MOFs) können Xenon und Krypton bei Raumtemperatur selektiv adsorbieren. Aktivkohle beispielsweise zeigt bei Atmosphärendruck eine Xenonaufnahme von etwa 54 Gewichtsprozent. Die Herausforderung besteht in der geringeren Produktreinheit im Vergleich zur Destillation und in der Notwendigkeit einer Druck- oder Wärmeschaukel zur Regeneration des Adsorptionsmittels.

Trennung durch Membranen

Polymermembranen können Gase je nach Molekülgröße und Durchlässigkeit trennen. Bei Edelgasen ist die Selektivität der begrenzende Faktor - Membranen, die Sauerstoff gut durchlassen, können auch Krypton durchlassen, was eine hochreine Trennung erschwert.

Bildung von Gashydraten

Unter hohem Druck und bei niedrigen Temperaturen bildet Wasser eisähnliche Käfige, in denen Gasmoleküle eingeschlossen sind. Xenon bildet leichter Hydrate als Krypton oder Argon, was eine selektive Abtrennung ermöglicht. Forschungsergebnisse zeigen, dass im Vergleich zur herkömmlichen Destillation Energieeinsparungen von 30-35 % möglich sind, aber die Technologie befindet sich noch in der Entwicklung.

4. Anwendungen nach Gasen

Helium

• MRI-Magnete: Flüssiges Helium kühlt supraleitende Magnete auf 4 Kelvin (-269°C). Ein typisches MRI-System enthält 1.500-2.000 Liter flüssiges Helium.
• Halbleiterherstellung: Helium bietet eine inerte Atmosphäre für das Kristallwachstum und dient als Trägergas bei Abscheidungsprozessen.
• Lecksuche: Die geringe Molekülgröße von Helium macht es zum Standard-Prüfgas für Vakuumsysteme.

Neon

• Excimer-Laser: Neon ist Teil des Gasgemischs, das Tief-UV-Licht für die Halbleiterlithografie erzeugt. Diese Laser ätzen Merkmale, die in Nanometern gemessen werden.
• Neonschilder: Das klassische orange-rote Leuchten stammt von Neon-Entladungen.
• Tieftemperaturkühlung: Der niedrige Siedepunkt von Neon macht es für Kühlschränke mit geschlossenem Kreislauf und einer Temperatur von 30-40 Kelvin nützlich.

Argon

• Schweißen: Argon schützt Schweißnähte aus Titan, Aluminium und Edelstahl vor atmosphärischer Verunreinigung.
• Herstellung von Titan und Silizium: Beide Metalle reagieren bei hohen Temperaturen mit Sauerstoff und Stickstoff. Argon bildet während der gesamten Verarbeitung eine inerte Hülle.
• Doppelglasfenster: Argon füllt die Lücke zwischen den Scheiben und reduziert die Wärmeübertragung besser als Luft.

Krypton

• Energieeffiziente Fenster: Krypton hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Argon, was dünnere Fenstereinheiten bei gleicher Isolierleistung ermöglicht.
• Hochintensive Beleuchtung: Mit Krypton gefüllte Glühbirnen sind heißer und heller als mit Argon gefüllte.
• Laserfusion: Krypton-Fluorid-Laser sind Kandidaten für die Trägheitsfusionsforschung.

Xenon

• Medizinische Anästhesie: Xenon ist ein ideales Anästhetikum, das schnell wirkt, kaum Nebenwirkungen hat und vom Körper unverändert abgebaut wird. Der begrenzende Faktor sind die Kosten.
• Satellitenantrieb: Ionentriebwerke verwenden Xenon, weil es schwer, leicht zu ionisieren und chemisch inert ist.
• Medizinische Bildgebung: Xenon-Isotope werden als Kontrastmittel für CT-Lungenaufnahmen verwendet.
• Halbleiterherstellung: Xenon wird bei der Ionenimplantation und der Tief-UV-Lithographie verwendet.

5. Materialien für Edelgasanwendungen

Die Technologien, bei denen seltene Gase zum Einsatz kommen, erfordern oft spezielle Materialien - von den Metallen, die sie enthalten, bis hin zu den Komponenten, die mit ihnen interagieren. Stanford Advanced Materials (SAM) liefert hochreine Materialien für diese Anwendungen:

Für die Halbleiterherstellung

• Sputtertargets ( Ti, Ta, Cu, Al) für die Dünnschichtabscheidung
• Aufdampfmaterialien für Metallisierungsschichten
• Hochreine Metalle für Kammerkomponenten

Für Medizin und Bildgebung

• Szintillationskristalle für Strahlungsdetektoren
• Hochreine Metalle für Komponenten von Bildgebungssystemen
• Keramische Substrate für medizinische Geräte

Für Beleuchtung und Display

• Phosphormaterialien für Spezialbeleuchtungen
• Aufdampfmaterialien für Displaybeschichtungen
• Hochreine Metalle für die Herstellung von Elektroden

Für Luft- und Raumfahrt und Antriebstechnik

• Refraktärmetalle (W, Mo, Ta) für Hochtemperaturanwendungen
• Seltene Erdmetalle für Speziallegierungen
• Keramische Verbundwerkstoffe für den Wärmeschutz

Für Forschung und Entwicklung

• Hochreine Elemente in verschiedenen Formen (Pulver, Drähte, Folien, Stäbe)
• Legierungen und Verbindungen für experimentelle Arbeiten
• Nanomaterialien für die Spitzenforschung

Alle Materialien sind mit Analysezertifikat und vollständiger Rückverfolgbarkeit erhältlich.

6. FAQ: Reinheit und Handhabung

F: Warum ist die Reinheit bei diesen Anwendungen wichtig?
A: Bei der Halbleiterherstellung können Spurenverunreinigungen ganze Produktionschargen zerstören. Bei medizinischen Anwendungen beeinflusst die Reinheit die Sicherheit der Patienten. In der Forschung hängt die Reproduzierbarkeit von einer bekannten Zusammensetzung ab.

F: In welchen Formen sind die Materialien erhältlich?
A: SAM liefert Materialien in verschiedenen Formen: Pulver, Drähte, Platten, Folien, Stäbe, Sputtertargets und kundenspezifische Formen je nach Anwendungsanforderungen.

F: Bieten Sie kundenspezifische Spezifikationen an?
A: Ja. Von kleinen F&E-Mengen bis hin zur Großserienproduktion arbeiten wir mit unseren Kunden zusammen, um spezifische Reinheits-, Form- und Verpackungsanforderungen zu erfüllen.

F: Welche Unterlagen werden mit den Materialien geliefert?
A: Jede Lieferung enthält eine Analysebescheinigung. Die chargenspezifische Rückverfolgbarkeit wird für Qualitätsaudits und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften aufrechterhalten.

Über Stanford Advanced Materials (SAM)

Stanford Advanced Materials (SAM) liefert über 10.000 hochentwickelte Materialien an die Luft- und Raumfahrt, die Medizin, die Halbleiterindustrie und die Forschung weltweit. Das 1994 gegründete Unternehmen mit Hauptsitz in Santa Ana, Kalifornien, bietet hochreine Metalle, Legierungen, Keramiken, Sputtertargets und Seltene Erden in verschiedenen Formen an - von F&E-Mengen bis zur Großproduktion. Mit Lagern in den USA, Kanada, Europa und im asiatisch-pazifischen Raum liefern wir zuverlässig und überall hin.

Referenzen

Häussinger, P., Glatthaar, R., Rhode, W., et al. (2001). Edle Gase. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH.

Kerry, F.G. (2007). Handbuch der industriellen Gase: Gas Separation and Purification. CRC Press.

Smith, A.R., & Klosek, J. (2001). A review of air separation technologies and their integration with energy conversion processes. Fuel Processing Technology, 70(2), 115-134.

Thallam Thattai, A., et al. (2016). Experimentelle Untersuchung der Gashydratbildung für die Xenonrückgewinnung. Chemical Engineering Journal, 302, 74-82.

Banerjee, R., et al. (2008). Metallorganische Gerüste für die Trennung von Xenon und Krypton. Wissenschaft, 319(5865), 939-943.

Baker, R.W. (2002). Zukünftige Richtungen der Membran-Gastrennungstechnologie. Industrial & Engineering Chemistry Research, 41(6), 1393-1411.

U.S. Geological Survey. (2023). Mineral Commodity Summaries: Helium, Argon, Neon, Krypton, Xenon.