Warum Ethanol nicht über 96 % destilliert werden kann

Die Destillation ist ein klassisches Verfahren zur Trennung von Flüssigkeiten anhand ihrer Siedepunkte. Bei Ethanol gibt es jedoch eine natürliche Grenze: Selbst bei effizientesten Systemen lässt sich Ethanol mit herkömmlicher Destillation nicht über etwa 95–96 % hinaus reinigen. Jenseits dieses Punktes ist kein Trennprozess mehr möglich.

Die Ursache? Ethanol bildet mit Wasser ein azeotropes Gemisch, dessen Zusammensetzung sich beim Sieden nicht ändert. Das bedeutet, dass man Ethanol nicht einfach durch längeres Destillieren oder bei höherer Temperatur weiter reinigen kann.

In diesem Artikel erklären wir, was ein Azeotrop ist, warum Ethanol bei 96 % „feststeckt“ und welche zusätzlichen Techniken die Industrie zur Herstellung von absolutem (wasserfreiem) Ethanol einsetzt.

Was ist ein Azeotrop?

Ein Azeotrop ist ein Gemisch aus zwei Flüssigkeiten, das einen festen Siedepunkt hat und dessen Zusammensetzung sich beim Sieden nicht ändert. Der freigesetzte Dampf hat genau das gleiche Mischungsverhältnis wie die Flüssigkeit.

Zusamenfassend:

• Das Gemisch siedet, als wäre es eine einzige Substanz.
• Eine weitere Trennung durch Destillation ist nicht möglich.
• Dies wird durch starke Wechselwirkungen zwischen den Molekülen verursacht, wodurch sie sich nicht mehr “ideal” verhalten.

Wenn sich aus einem Gemisch ein Azeotrop bildet, funktioniert die normale Destillation nicht mehr, selbst mit perfekter Ausrüstung.

Das Ethanol-Wasser-Azeotrop: Warum 96 % die Grenze ist

Ethanol und Wasser bilden ein spezielles Gemisch mit konstantem Siedepunkt (ein Azeotrop), wenn:

• 95,6% Ethanol
• 4,4 % Wasser

Dieses Gemisch siedet bei etwa 78,2 °C, knapp unterhalb des Siedepunkts von reinem Ethanol (78,37 °C).

Warum ist das wichtig ?

Da dieses Azeotrop den niedrigsten Siedepunkt im Gemisch aufweist, verhält es sich anders als ein normales Gemisch:

• Die Zusammensetzung des Dampfes entspricht der Zusammensetzung der Flüssigkeit.
• Beide Flüssigkeiten verdampfen gemeinsam in einem festen Verhältnis
• Eine weitere Destillation ändert nichts an der Reinheit.

Ab diesem Zeitpunkt verhält sich das Gemisch wie eine einzige Substanz. Daher kann durch herkömmliche Destillation nie mehr als etwa 96 % Ethanol gewonnen werden.

Warum die Destillation am Azeotrop stoppt

Die Destillation beruht auf Unterschieden in der Flüchtigkeit. Ethanol ist normalerweise flüchtiger als Wasser, daher steigt die Ethanolreinheit in den frühen Destillationsstadien leicht an. Sobald jedoch das Azeotrop erreicht ist, geht diese Trennwirkung verloren.

Das Gemisch hat dann das Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht erreicht, bei dem:

• Der Siedepunkt ist konstant
• Die Zusammensetzung ist konstant
• Der Dampf ist nicht mehr „reicher“ an Ethanol.

Es spielt keine Rolle, wie lange oder wie intensiv man den Prozess durchführt: Die Reinheit bleibt bei etwa 95–96 %.

Warum die Industrie immer noch mehr als 96 % Ethanol benötigt

Industrieanlagen benötigen Ethanol in unterschiedlichen Reinheitsgraden. 96%iges Ethanol (auch rektifizierter Alkohol genannt) lässt sich leicht durch Standarddestillation herstellen. Für Prozesse wie chemische Synthese, Produktion, Beschichtungen und analytische Arbeiten wird jedoch häufig Folgendes benötigt:

• Absoluter Ethanol (99–100 %)
• wasserfreies Ethanol
• Wasserfreies Ethanol für feuchtigkeitsempfindliche Reaktionen

Da die Destillation das Azeotrop nicht aufbrechen kann, verwendet die Industrie zusätzliche Trocknungsverfahren, wie zum Beispiel:

1. Molekularsiebe
   Poröse Feststoffe, die Wassermoleküle adsorbieren, während Ethanol zurückbleibt.
   Sie können die Ethanol-Reinheit auf über 99,9 % steigern.
2. azeotrope oder extraktive Destillation
   Bei diesem Verfahren wird eine dritte Substanz (ein Schleppmittel ) hinzugefügt, um das Kochverhalten zu verändern und das Azeotrop aufzubrechen.
3. Vakuumdestillation
   Durch die Anpassung des Drucks verändern sich die Kocheigenschaften, was die weitere Trennung begünstigt.

Mit diesen Verfahren wird Ethanol hergestellt, das vollständig wasserfrei und für industrielle und Laboranwendungen geeignet ist.

Im Handel erhältliche Ethanol-Standardreinheiten

Ethanol ist in verschiedenen Reinheitsgraden erhältlich, abhängig von der Anwendung und den gesetzlichen Bestimmungen. Die gebräuchlichsten kommerziellen Konzentrationen sind:

Ethanol 70%

Diese Konzentration wird häufig dort eingesetzt, wo eine verdünnte Alkohollösung benötigt wird, beispielsweise für allgemeine Reinigungsarbeiten oder Laboranwendungen, bei denen eine geringere Alkoholkonzentration ausreicht. Das Wasser-Ethanol-Verhältnis ermöglicht es der Flüssigkeit, bestimmte Oberflächen besser zu erreichen als höhere Konzentrationen.

Ethanol 96%

Dies ist die am häufigsten verwendete hochreine Ethanol-Qualität in Industrie und Laboren. Ethanol 96 % (rektifizierter Alkohol) wird durch Standarddestillation hergestellt und entspricht annähernd dem natürlichen Maximum des Ethanol-Wasser-Azeotrops. Es eignet sich für eine Vielzahl technischer und industrieller Prozesse, die einen nahezu wasserfreien Alkohol erfordern.

Zusammenfassung

Ethanol kann nicht über 95–96 % destilliert werden, da es mit Wasser ein konstant siedendes Azeotrop bildet. Bei dieser Zusammensetzung haben Dampf und Flüssigkeit das gleiche Verhältnis, sodass eine weitere Destillation nicht mehr möglich ist.

Das Azeotrop hat einen etwas niedrigeren Siedepunkt als reines Ethanol, wodurch sich das Gemisch beim Sieden wie eine einzige Substanz verhält.

Zur Gewinnung von wasserfreiem Ethanol sind in der Industrie zusätzliche Trocknungsschritte, wie beispielsweise Molekularsiebe oder spezielle Destillationsverfahren, erforderlich. Diese chemische Einschränkung ist grundlegend und gilt für alle Destillationssysteme, von Laboren bis hin zu industriellen Großanlagen.