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Steinkohlenteer

Mischung aus Kohlenwasserstoffen, stickstoffhaltigen Basen und Säuren (Phenolen)
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Steinkohlenteer (englisch coal tar; als Arzneimittel Pix lithanthracis) ist ein Nebenprodukt der Koksgewinnung (Koksteer), früher auch aus der Gasproduktion (Gasteer, wird in Europa nicht mehr hergestellt), aus Steinkohle. Die zähflüssige schwarze Masse, die einen charakteristischen Geruch (wie Bitumen) verströmt, wird aus den in der Kokerei anfallenden Gasen gewonnen. Seine Farbe verdankt der Teer hauptsächlich suspendiertem freien Kohlenwasserstoff (hängt von der Produktionsmethode ab) und dunklen hochmolekularen Kohlenwasserstoffen.[1] Steinkohlenteer besteht aus mehreren tausend, meist aromatischen, Verbindungen, u. a. Kohlenwasserstoffen, stickstoffhaltigen Basen und Säuren (Phenolen), von denen die meisten nur in winzigen Prozentbruchteilen vorkommen. 1820 wurde als erstes Naphthalin isoliert.[2]

Steinkohlenteerverarbeitung

Geschichte

Seit der Entdeckung durch Johann Rudolph Glauber im Jahre 1658 hat sich die Kohleentgasung bei der Steinkohlenverkokung zu einem wichtigen technischen Prozess entwickelt. Steinkohlenteer war zunächst ein Abfallprodukt bei der Leuchtgasherstellung, fand dann aber im 19. Jahrhundert im Zusammenhang mit der Synthese organischer Farbstoffe aus dessen Inhaltsstoffen ein besonderes Interesse. Wissenschaftler wie Friedlieb Ferdinand Runge, August Wilhelm Hofmann[3] und William Henry Perkin legten hierbei die Grundlagen für die Teerfarbenindustrie, die mit Namen wie Farbwerke von Meister, Lucius und Brüning in Höchst, Farbenfabrik von Fr. Bayer & Co. in Elberfeld und Badische Anilin- und Sodafabrik in Ludwigshafen verbunden war. Der Teer war bis 1850 ein lästiges Nebenprodukt der Gasanstalten, das als Brennmaterial, als Anstrich für Holz und Stein und zur Herstellung von Ruß verwendet wurde. Durch Nachfrage nach Schwerölen zum Imprägnieren von Eisenbahnschwellen und Grubenhölzern und als Rohstoff zur Erzeugung künstlicher Teerfarben wurde er ein begehrter Handelsartikel.[4] Der Steinkohlenteer galt Ende des 19 Jh., wegen seines hohen Gehalts an aromatischen Verbindungen, als Hauptrohstoffquelle der aufstrebenden organisch-chemischen Industrie. Da jedoch die Ausbeuten nur gering ausfallen (50 kg je Tonne Steinkohle) und die Nachfrage stetig anstieg, wurde die Kohleindustrie Mitte des 20 Jh. von der Petrochemie verdrängt.[5]

Herstellung

Die Steinkohlenteere entstehen aus Gasen die bei der Pyrolyse (Trockendestillation, Entgasung), Verkokung, Schwelung von Steinkohle anfallen. Die Gase werden durch Ammoniakwasser gekühlt (auf 80–100 °C) wodurch ein Teil (60–70 %) des Steinkohleteers kondensiert. Das wässrige-teerige Kondensat fliest gemeinsam mit der Berieselungsflüssigkeit in den Dickteerscheider wo sich der Kohle-und Koksstaubhaltige Dickteerschlamm absetzt (dieser wird wieder der Einsatzkohle zugeführt). Oben werden aus dem Scheider das Kondensatwasser und wasserhaltiger Teer abgezogen und der Kondensatteerscheidung zugeführt. Das die Gassammelleitung verlassende Gas, wird in zweiter Stufe in den Gasvorkühlern weiter gekühlt (auf 20 °C) und dabei schlägt sich das restliche Teerwasser nieder, dieses wird dann ebenfalls der Kondensatteerscheidung zugeführt. Eingeteilt werden Teere in Tieftemperaturteer (Urteer, Schwelteer), der bei der Schwelung der Steinkohle unterhalb 700 °C entsteht, Mitteltemperaturteer 700–900 °C (diese beiden Verfahren haben aber wenig Bedeutung), diese Teere enthalten vorwiegend Aliphaten und Hochtemperaturteer, der bei der Verkokung von Steinkohle zwischen 900 und 1300 °C entsteht, diese Teere enthalten mehr Aromaten, es entsteht mehr Gas und weniger Teer.[6][7][8]

Erhitzt man Steinkohle unter Ausschluss von Luft in geschlossenen Gefäßen über 600 °C, zersetzt sich die Kohle in folgende Produkte:

Steinkohlenteer fällt also als Nebenprodukt bei der Verkokung von Kohle an. Das Hauptprodukt Koks wird in großen Mengen für die Herstellung von Eisen durch Verhüttung von Eisenerzen benötigt.

Zusammensetzung / Destillation

Seine genaue Zusammensetzung hängt von der Kohle, der Temperatur und vom Produktionsverfahren ab und kann stark variieren:

92.5 % Kohlenstoff, 4.4 % Wasserstoff, 2.85 % Sauerstoff und Stickstoff, 0.25 % Schwefel[9]

Aus Steinkohlenteer werden verschiedenste Stoffe gewonnen.[10]

Aromaten, Heteroaromaten, Heterocyclen, Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), Phenole

0.1 % Benzol, 0.2 % Toluol, 1.0 % Xylole, 11 % Naphthalin, 2.5 % 1- und 2-Methylnaphthalin, 3.4 % Dimethylnaphthalin, 1.4 % Acenaphthen, 1.6 % Fluoren, 4.0 % Phenanthren, 1.1 % Anthracen, 1.1 % Carbazol, 2.0 % Rohe Teerbasen (0.1 % Pyridin), 2.5 % Rohe Teersäuren (0.7 % Phenol, 1.1 % Cresole, 0.2 % Xylenole),[2] 1.5 % Chrysen, 1.3 % Pyren, 0.4 % Diphenyl, 1.0 % Inden, 2.0 % Acenaphthylen, 1.0 % Diphenylenoxid,[11] 3.5 % (Perylen, Benzpyrene (Benzo[a]pyren, Benzo[e]pyren), Picen[12], Coronen) sowie Indole, Fluoranthen, Thiophen, Cumarone, Azole, Furan, Reten.[12]

Teersäuren (Phenole) -löst in Natronlauge: Phenol (Carbolsäure), Cresol (Methylphenole) (m-, o-, p-), Xylenol (Phlorol) (Dimethylphenole), Naphthole, Rosolsäure

Teerbasen -löst in verdünnter Schwefelsäure: (Stickstoffhaltige Heterocyclen): Carbazol, Pyridin, Chinoline, Isochinolin, Acridine, Indol, Lutidin, Collidine, Pyrrol, Toluidine

Amine: Aniline, Pyridine, Naphthylamine (2-Naphthylamin, 1-Naphthylamin)

Die Auftrennung erfolgt durch fraktionierte Destillation (zum Teil durch Vakuumdestillation, schonender, weniger Energiebedarf) Es werden verschiedene Arten unterschieden:[13][14]

Diskontinuierliche Destillation:

  • 1.25 % Gase (Destillationsverlust)
  • 4 % Wasser
  • 0.5–3 % Leichtöl (light oil) unter 170 °C (210 °C) enthält (Benzole, Pyridine, Toluole, Xylene, Thiophen, Coumarone, Phenol, Kresole), heavy Naphtha, Solvent Naphtha
  • 5–15 % Mittelöl (carbolic-, naphthalen oil) 170 °C (210 °C) bis 230 °C (240 °C) enthält Naphthalene, Teersäuren (Phenol, Cresol, Xylenol), Teerbasen (Pyridine, Chinoline, Isochinoline), Aniline, Cymole, Toluidine
  • 8–12 % Schweröl (heavy oil, creosote oil, dead oil) 230 °C (240 °C) bis 270 °C enthält Teersäuren (Phenol, Cresol, Xylenol), Indol, Biphenyl
  • 16–20 % Anthracenöl (Grünöl) 270 °C bis 400 °C enthält Carbazole, Anthracene, Penantharene, Pyren, Fluoren, Ancenaphthen, Naphthole, Dibenzofuran, Dibenzothiophen, Acridine, Perylen, Chrysen, Picen, Reten, Coronen
  • 50–85 % Pech (pitch) Asphalt C2nHn (lösliche Bestandteile des Pechs)(soft, medium, hard), Pitchcoke-Kohle C3nHn(unlösliche Bestandteile des Pechs)

nachfolgend werden die mittlere und schwere Fraktion weiter destilliert und man erhält dann: Carbolöl (Phenole), Waschöl (Solvayöl), Naphthalinöl (Naphthalin) und auch Pech.[15]

Kontinuierliche Destillation:

  • 1.25 %, Gase (Destillationsverlust)
  • 4 % Wasser
  • 0.5–3 % Leichtöl (70–200 °C)
  • 2–3 % Carbolöl (180–215 °C)
  • 10–12 % Naphthalinöl (210–220 °C)
  • 7–8 % Waschöl (230–290 °C)
  • 22–28 % Anthracenöl (300–350 °C)
  • 50–55 % Pech

mit nachfolgender Rektifikation,Kristallisation und Extraktion, dabei können die unterschiedlichen Stoffe erhalten werden.

Verwendung

Steinkohlenteerprodukte werden unter anderem als Holzschutzmittel (z. B. für Eisenbahnschwellen) und für Dachpappe verwendet. Er war früher Ausgangsmaterial für die Herstellung verschiedener chemischer Substanzen, unter anderem Teerfarbstoffe und Kreosot. Carbolineum, Phenol und Phenolderivate wie Kresole und Xylenole werden zu großen Teilen auch heute noch aus Steinkohlenteer gewonnen.

Es werden große Mengen an Aromaten (Naphthalin, Anthracen, Inden, Cumaron), Heterocyclen (Carbazol, Indol, Chinolin, Pyridin), Phenole (Phenol, Xylenol, Kresol) und Harze gewonnen. Auch wird ein beträchtliche Menge Ruß aus Teerölen gewonnen.[15]

Gereinigte Extrakte aus Steinkohlenteer können für die Behandlung von Schuppenflechte (z. B. Psoriasis vulgaris), chronischen Ekzemen und bei Neurodermitis eingesetzt werden, sind aber in Deutschland wegen ihrer karzinogenen Eigenschaften als Inhaltsstoff in Kosmetika verboten; dieses Verbot gilt nicht für Rezepturen auf ärztliche Verschreibung. Da sich Steinkohlenteer wegen seiner hohen Viskosität schlecht verarbeiten lässt, verwendet man eine nach DAC als „Liquor Carbonis detergens“ bezeichnete 20%ige Lösung von Steinkohlenteer in Seifenspiritus. Steinkohlenteer hemmt den Juckreiz (Antipruriginosum) und wirkt wegen seiner Inhaltsstoffe, wie Kresolen bakterizid, fungizid und insektizid.

Aus dem im Steinkohlenteer enthaltenen Pech lässt sich durch thermische Behandlung ein synthetisches Graphit erhalten, das als Elektrodenmaterial zur elektrochemischen Gewinnung von Aluminium, zur Gewinnung von Elektrostahl, bei der Chloralkali-Elektrolyse und für Kohlenstofffasern Verwendung findet.

Gefahren

Sicherheitshinweise
CAS-Nummer
  • 8007-45-2
  • 65996-93-2
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Vorlage:CLP
 

Gefahr

H- und P-Sätze H: 350
P: ?
Zulassungs­verfahren unter REACH

besonders besorgnis­erregend: krebs­erzeugend (CMR), persistent, bio­akkumulativ und toxisch (PBT), sehr persistent und sehr bio­akkumulativ (vPvB)[16]

Toxikologische Daten

Steinkohlenteer enthält verschiedene Substanzen, von denen einige giftig, krebserregend oder umweltschädlich sind. Aus diesen Gründen wurde die Verwendung durch die Teerölverordnung stark eingeschränkt.

Siehe auch

Literatur

Einzelnachweise

  1. ↑ W. Bleyberg, G. Meyerheim, W. Bachmann, J. Davidsohn, F. Frank, F. Fritz, J. Herzenberg, L. Jablonski, H. Kantorowicz, H.P. Kaufmann, E.L. Lederer, P. Levy, I. Lifschütz, H. Lindemann, H. Mallison: Kohlenwasserstofföle und Fette: sowie die ihnen chemisch und technisch nahestehenden Stoffe. Springer-Verlag, 12. März 2013, S. 555.
  2. ↑ a b C.R. Noller: Lehrbuch der Organischen Chemie. Springer-Verlag, 13. März 2013, S. 452.
  3. ↑ A. W. Hofmann, Chemische Untersuchung der organischen Basen im Steinkohlen-theeröl in Liebigs Ann. 43, 37–87 (1843).
  4. ↑ H. Winter: Wärmelehre und Chemie: für Kokerei- und Grubenbeamte. Springer-Verlag, 13. März 2013, S. 102.
  5. ↑ Andreas von Usedom: Organische Chemie, Biochemie, chemische Industrie. Mentor, 2003, S. 50.
  6. ↑ Manfred Baerns, Arno Behr, Axel Brehm, Jürgen Gmehling, Kai-Olaf Hinrichsen, Hanns Hofmann, Ulfert Onken, Regina Palkovits, Albert Renken: Technische Chemie. John Wiley & Sons, 28. Januar 2014, S. 531.
  7. ↑ Heinz-Gerhard Franck, Gerd Collin: Steinkohlenteer: Chemie, Technologie und Verwendung. Springer-Verlag, 13. März 2013.
  8. ↑ Walter Maximilian Fuchs: Untersuchungen über die Zusammensetzung und Verwendbarkeit von Schwelteerfraktionen. Springer-Verlag, 22.November 2013.
  9. ↑ L. Schmitz, J. Follmann: Die flüssigen Brennstoffe: ihre Gewinnung, Eigenschaften und Untersuchung. Springer-Verlag, 12. März 2013, S. 40.
  10. ↑ Fritz Schreiber: Die Industrie der Steinkohlenveredelung. Springer-Verlag, 1923, S. 186, 187.
  11. ↑ Heilbrunner, Prof. Dr. E.: Organische Chemie. Springer Berlin 1966, S. 173.
  12. ↑ a b Hans Theodor Bucherer: Lehrbuch der Farbenchemie. Springer-Verlag, 11. Dezember 2013, S. 58
  13. ↑ Dieter Osteroth: Von der Kohle zur Biomasse: Chemierohstoffe und Energieträger im Wandel der Zeit. Dieter Osteroth, S. 79–83.
  14. ↑ Marshall Cavendish Corporation Staff: How It Works: Science and Technology. Marshall Cavendish, 2003, S. 498.
  15. ↑ a b Heinz-Gerhard Franck, Andre Knop: Kohleveredlung: Chemie und Technologie. Springer-Verlag, 18. April 2013.
  16. ↑ Eintrag in der SVHC-Liste der Europäischen Chemikalienagentur
  17. ↑ a b Eintrag zu CAS-Nr. 65996-93-2 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA (JavaScript erforderlich).
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