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Filter – eine Definition

Bei aller Vielfalt der Einsatzgebiete – wie Filter genau funktionieren, ist den wenigsten bekannt. Was heißt nun also "filtern"? Das Wort – nach dem französischen "filtrer" oder dem italienischen "filtrare" = durchseihen – bezeichnet ursprünglich „durch Filz laufen lassen". Vor der Erfindung des Papiers stellte dies die feinste Methode zur Filtration dar und entspricht in einigen Bereichen auch heute noch dem Stand der Technik. Unter Filtration wird ein mechanisches Verfahren verstanden, das zur Trennung oder Reinigung eines Mediums dient, einer Suspension (Teilchen in Flüssigkeit) oder eines Aerosols (Teilchen in einem Gas). Die Begriffe Filtration, Filtrierung, Filterung und Filtern sind in diesem Zusammenhang geläufig und können synonym verwendet werden. Filter, vor allem im industriellen Einsatz, sind hoch komplexe und anspruchsvolle Produkte, was vor allem bei der Betrachtung der Funktionsweise deutlich wird.

Treibende Kraft einer Filtration ist der Druckunterschied des Transportmediums, zum Beispiel eines Gases oder einer Flüssigkeit, vor und nach dem Filter. So wird das Medium entweder durch den Filter gesaugt (Unterdruck) oder durch den Filter gepresst (Überdruck).

Abhängig davon, wo genau der Filtrationsprozess stattfindet, unterscheidet man verschiedene Filtrationstypen: Findet die Filtration an der Oberfläche des Filters statt, setzen sich die Teilchen dort ab und bilden nach und nach einen sogenannten Filterkuchen, der wiederum selbst als immer dichter werdender Filter wirkt. Daher spricht man bei diesem Verfahren von der Oberflächen- oder Kuchenfiltration. Damit die Filterwirkung nicht verloren geht, muss der Filterkuchen regelmäßig abgetragen werden. Auf diese Weise erhält man sowohl den Feststoff (Filterkuchen) als auch das gereinigte Transportmedium. Erfolgt die Trennung im Inneren des Filters, spricht man wiederum von Tiefenfiltration. Die Teilchen werden im Inneren des Filters zurückgehalten, das Medium kann weitergeleitet werden. Da sich der Feststoff nur schwer aus dem Filter extrahieren lässt, wird er hauptsächlich dort eingesetzt, wo nur das gereinigte Medium weiterverwendet werden soll. Befindet sich der Filter quer zur Strömung, dann handelt es sich um eine Querstromfiltration. Aufgrund der auftretenden Scherkräfte wird verhindert, dass sich ein Filterkuchen bildet. Die Oberfläche wird gereinigt. Die Querstromfiltration wird hauptsächlich zum Filtrieren von Flüssigkeiten in der chemischen sowie in der Lebensmittel- und in der Pharmaindustrie eingesetzt.

(Quellen: www.wikipedia.de und www.wasser-wissen.de)

Eigenschaften von Filtern

Die eigentliche Filterwirkung kann auf Basis verschiedener physikalischer Eigenschaften erzielt werden: Viele Filter halten Feststoffe aus einem Gas- oder Flüssigkeitsstrom wegen der unterschiedlichen Teilchen- und Porengröße wie ein Sieb zurück. Teilchen, die größer als die Poren sind, können nicht in den Filter eindringen. Dieser Effekt wird daher auch als Siebeffekt bezeichnet. Die Filterwirkung kann auch durch die Nutzung der Trägheit verschiedener Teilchen erfolgen. Sind die Teilchen zu träge, können sie der Strömung des Mediums nicht folgen und treffen auf das Filtermaterial, an dem beispielsweise Gas oder Flüssigkeit vorbeiströmt. Des Weiteren werden komplexe physikalische Eigenschaften genutzt, beispielsweise:

• Die Brownsche Molekularbewegung (Wärmebewegung von Teilchen in Flüssigkeiten)
  
• Die Elektrostatik in Gasströmen
• Der Sperreffekt bei Filterkuchen (Partikel strömt zwar am Filtermaterial vorbei, kann aber aufgrund seiner geometrischen Ausdehnung das Filtermaterial nicht passieren)
  
• Die Thermophorese (Bewegung der Teilchen aufgrund einer Temperaturänderung innerhalb einer Flüssigkeit)

So können auch Partikel abgeschieden werden, die weit kleiner als die Porengröße sind.

(Quelle: www.wikipedia.de)

Nie dagewesene Möglichkeiten

Zur Entwicklung immer besserer Filter werden inzwischen sogar Computersimulationen für die Berechnung der Filterwirkung eingesetzt. Am Fraunhofer Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) wurde dazu eine Software aufgebaut, die im Computer ein virtuelles Vlies darstellt – und ohne Herstellung eines Prototyps Effekte wie Filtereffizienz, Druckabfall, Standzeit und andere wichtige Filtrationsparameter berechnen kann. Dies ermöglicht ein virtuelles Materialdesign von Filtermedien.

(Quelle: www.fraunhofer.de)

Wie bereits einleitend dargestellt, führen dynamische Entwicklungen zu immer neuen Formen und Arten von Filtern. So entwickelte Mitte 2010 ein deutscher Vlieshersteller – mit Hauptsitz im nordrhein-westfälischen Emsdetten – gemeinsam mit einem Schweizer Partner ein Vlies, das ausschließlich Öl aufsaugt. Die Fasern sind mit einer Substanz versetzt, die Öl und Wasser trennt. Ein erster Feldversuch wird zeigen, ob der neue Vliesstoff helfen kann, die durch die Bohrinsel „Deepwater Horizon" verursachte Ölkatastrophe einzudämmen.

Einsatzgebiete der Filtermedien

Als Filtermedien können die verschiedensten Materialen eingesetzt werden: Vliesstoffe, Filze, Gewebe, Gestricke und Gewirke aus Kunstfasern, keramischen Fasern, Glasfasern, Mikro- und Nanofasern oder Metallen. Aber auch Schüttungen, poröse Festkörper oder Papier werden bei Filtern eingesetzt. Zudem können Filter noch entsprechend chemisch oder physikalisch behandelt werden. Im Gasstrom lassen sich kleine Partikel elektrostatisch herausfiltern. Dazu verwendet man Vliesfilter, deren Fasern bei der Herstellung elektrisch polarisiert oder geladen werden. Atemschutzfilter enthalten je nach Anwendung auch Aktivkohle. Deren große innere Oberfläche absorbiert komplexe Gasmoleküle. Mikrofilter/Feinstaubfilter (HEPA-Filter, Filtermembrane) halten in der Medizin und bei der Wasseraufbereitung Mikroben zurück. Keramik-Filterelemente bestehen aus offenporiger Keramik. In Gießereien werden keramische Filter zur Reinigung von Metallschmelzen eingesetzt. Auch Wasserfilter werden teilweise aus Keramik gefertigt. Dieselrußpartikelfilter können die Partikelemissionen eines Kraftfahrzeugs deutlich reduzieren. Offenporige Sintermetall-Filterelemente werden neben Vliesfiltern unter anderem in der Mikroelektronikfertigung zur Filterung von Gasen und Flüssigkeiten eingesetzt. Zusatzfilter zur Absicherung werden Polizeifilter genannt. Oftmals ist der Einsatz bestimmter Filter durch Normen vorgeschrieben, wie beispielsweise durch DIN 2000 (Norm für zentrale Trinkwasserversorgung) oder die Euro-Norm für Fahrzeuge, die zur Einführung der Umweltplaketten führte.

(Quelle: www.wikipedia.de)

Überzeugende Eigenschaften

Der Bedarf an sauberer Luft und reinem Wasser sind nur zwei Gründe, warum die Filtrationsindustrie als Ganzes ausgezeichnete Aussichten erwartet. Derzeit wird der globale Markt auf ein Volumen von über 220 Mrd. USD eingeschätzt. Die Vorteile von Vliesstoffen als Filtermedien liegen dabei auf der Hand:

• Aufnahme einer breiten Palette von Bakterien, Viren, Metallen und Mineralien aus kontaminiertem Wasser
• Gleichmäßige Struktur – sogar über große Flächen hinweg
• Hohe Reiß- und Weiterreißfestigkeits-Eigenschaften
• Widerstandsfähigkeit gegenüber Chemikalien
• Hohes Rückhaltevermögen
• Hohe Luftdurchlässigkeit
• Exzellente Abriebfestigkeit
• Flammhemmende Wirkung
• Mögliche Aufnahme von Ölen und Fetten

(Quelle: Nonwovens Report International, Ausgabe 2/2010: „Purity Principles")