Filtration: Definition, Funktion sowie Bedeutung für Mensch, Natur und Industrie
Die Luft, die wir atmen, das Wasser, das wir trinken, und viele Produkte, die wir täglich nutzen, durchlaufen Filtrationsprozesse. Diese Prozesse entfernen schädliche Partikel und Verunreinigungen. Das macht Filtration zu einem wichtigen Bestandteil unserer Welt und unentbehrlich für unsere Gesundheit sowie für die Wirtschaft. Daher geht die Bedeutung von Filtration weit über die Definition des technischen Prozesses hinaus. Was bedeutet filtrieren, warum ist Filtration wichtig, wo findet sie statt und wie funktioniert das Filtrieren von Luft und Wasser? Wir beantworten diese und viele weitere Fragen.
Filtration einfach erklärt: Wie Filter unser Leben verbessern
Filtration ist ein grundlegendes Trennverfahren, das in unserem Alltag eine entscheidende Rolle spielt – sie schützt Menschen, Umwelt und Maschinen. Die fundamentale Erklärung des Filtrationsprozesses ist einfach: Es handelt sich um die Trennung von partikulären Verunreinigungen aus einem Gas oder einer Flüssigkeit mittels eines porösen Filtermediums. Dieses Filtermedium lässt den Gas- oder Flüssigkeitsstrom durch, während es Verunreinigungen wie Partikel zurückhält.
Die Welt der Partikel: Herausforderungen im Filtrationsprozess
Darstellung Partikel
Im Zentrum des Filtrationsprozesses steht das Filtermedium, in welchem die Partikel abgeschieden werden. Die Partikel können in ihrer Form und Größe stark variieren. Von kugelförmig bis länglich, von regelmäßig bis unregelmäßig geformt – die Vielfalt ist beeindruckend. Auch die Oberfläche eines Partikels kann stark variieren, zum Beispiel von rau bis glatt. Um die Größenordnungen zu veranschaulichen (in Mikrometern):
- Ein menschliches Haar misst 100 μm im Durchmesser.
- Ein feines Sandkorn ist ca. 90 μm groß.
- Der Durchmesser von Pollen beträgt < 15 μm.
- Feinstaubpartikel können kleiner als 10 µm sein, Ruß sogar < 1 μm.
Was sind Filtermedien und wie sind sie aufgebaut?
Filtermedien dienen dazu, Partikel oder Schadstoffe aus Flüssigkeiten oder Gasen zu entfernen, indem sie diese zurückhalten und das gereinigte Fluid oder die gereinigte Luft hindurchlassen. Häufig kommen faserbasierte Filtermedien aus synthetischen oder natürlichen Fasern zum Einsatz, die sich durch eine ungeordnete Faserstruktur auszeichnen.
Die richtige Auswahl eines Filtermediums für den jeweiligen Anwendungsfall hängt von verschiedenen Faktoren ab. Einflussfaktoren sind das Partikelsystem, beschrieben über die Partikeldurchmesserverteilung, das Material (Dichte) und die Form. Aber auch das Fluid und die Volumenströme spielen eine wichtige Rolle für die Wahl des Filtermediums. Die Wahrscheinlichkeit einer Partikelabscheidung ergibt sich durch die oben genannten Einflussfaktoren, hauptsächlich aber durch den Aufbau des Filtermediums, das optimal für die Anwendung ausgewählt wurde.
Partikelabscheidung im Filtrationsprozess: Wie Partikel gefangen werden
Ziel des Filtrationsprozesses ist die Abscheidung von Partikeln aus dem Fluid. Dies ist ein komplexer Vorgang, der auf verschiedenen physikalischen Prinzipien beruht und je nach Art der Filtration und der zu filtrierenden Substanz variieren kann.
Arten der Filtration – Tiefenfiltration vs. Oberflächenfiltration
Es gibt zwei Möglichkeiten bzw. Arten, wie das Filtermedium schädliche Partikel filtrieren kann:
Filtermedium
- Die Tiefenfiltration scheidet Partikel innerhalb der gesamten Struktur eines Filtermediums ab. Die Flüssigkeit oder das Gas durchströmt ein poröses Material, in dem Verunreinigungen durch mechanische, elektrostatische oder adhäsive Kräfte abgeschieden werden. Die Partikel lagern sich in den Poren des Filtermaterials ab. Dieses Prinzip ermöglicht eine hohe Aufnahmekapazität für Verunreinigungen und eine effektive Filtration feiner Partikel.
- Bei der Oberflächenfiltration werden Partikel an der Oberfläche des Filtermediums abgeschieden. Hierbei bildet sich ein Filterkuchen – eine Schicht aus Partikeln, die wiederum selbst als Filtermedium fungiert. Deshalb wird Oberflächenfiltration auch Kuchenfiltration genannt.
Die meisten MANN+HUMMEL Produkte nutzen zunächst das Prinzip der Tiefenfiltration. Sobald das Filterelement mit einer bestimmten Menge an Schmutz beladen ist, setzen sich die größeren Porenräume im Filtermedium zunehmend zu, und die Partikel bilden eine dichte Schicht. An diesem Punkt – dem Clogging-Point – wird die Tiefenfiltration durch eine Oberflächenfiltration (Kuchenfiltration) abgelöst, da die neu gebildete Partikelschicht wie ein Filter wirkt. In bestimmten Anwendungen kann dieser „Kuchen“ in regelmäßigen Abständen durch Puls-Jet-Technologie gereinigt werden. In anderen Fällen wird der End-of-Life-Punkt erreicht, was einen Service oder Austausch des Filterelements erforderlich macht. Bei der Puls-Jet-Technologie werden kurze, kraftvolle Druckluftstöße eingesetzt, um den angesammelten Staub oder Partikel von der Filteroberfläche zu lösen und so die Filtrationsleistung aufrechtzuerhalten.
Filtrationsmechanismen: Das Abscheiden verschiedener Partikelgrößen
Die verschiedenen Abscheidemechanismen im Filtrationsprozess lassen sich anhand eines vereinfachten Modells einer einzelnen Faser im Fluidstrom erklären:
Darstellung Filtrationsprozess
- Sperreffekt: Partikel, die den Stromlinien der Flüssigkeit exakt folgen, können aufgrund ihrer Größe mit der Faser in Kontakt kommen und abgeschieden werden. Je größer der Partikeldurchmesser, desto wahrscheinlicher ist dieser Kontakt.
- Trägheitsabscheidung: Große Partikel können zu schwer sein, um den Stromlinien zu folgen. Sie bewegen sich in Richtung der Faser und werden dort abgeschieden.
- Diffusionsabscheidung: Sehr kleine Partikel bewegen sich durch Diffusion zufällig und folgen nicht der Stromlinie. Dadurch können sie mit der Faser in Kontakt kommen und abgeschieden werden. Durch diesen Filtrationsmechanismus können sehr kleine Partikel (<0,1 μm) besser abgetrennt werden als größere.
Membrantechnologie von MANN+HUMMEL
Zum Filtrieren von Grund-, Oberflächen- oder Abwasser wird eine andere Technologie benötigt: die Membrantechnologie. Eine Membran ist eine dünne, poröse oder nicht-poröse Schicht oder Barriere, die selektiv bestimmte Stoffkomponenten eines Gemischs durchlässt, während sie andere zurückhält. Im Vergleich zu einem faserbasierten Medium ist eine Membran in der Regel sehr dünn und besitzt sehr feine Poren, die meist im Bereich von Mikrometern oder Nanometern liegen. Nicht-poröse Membranen erlauben die Permeation einzelner Komponenten mit sehr geringen Molekülgrößen oder von Ionen. Eine Membran ermöglicht eine selektive Trennung von Substanzen, basierend auf Größe, Ladung oder anderen physikalisch-chemischen Eigenschaften der Moleküle oder Partikel. Sie kann sowohl aus synthetischen als auch natürlichen Rohstoffen gefertigt werden.
Die Filtrationsleistung variiert je nach den Trenneigenschaften der verwendeten Membran. Es wird zwischen Mikro-, Ultra- und Nanofiltration sowie der Umkehrosmose unterschieden. Diese Technologien bieten eine energieeffiziente und selektive Barriere gegen Schadstoffe im Wasser. Zudem kommen sie ohne Chemikalien aus, wodurch die Wasseraufbereitung umweltfreundlicher und sicherer wird. Die Handhabung ist zudem unkompliziert, was die Anwendung in verschiedenen Bereichen erleichtert.
Das Filtrationsdreieck: Der Balanceakt der Filterleistung
Das Filtrationsdreieck ist ein Modell, das die drei essentiellen Faktoren für den Filtrationsprozess beschreibt. Es besteht aus den folgenden drei Leistungsindikatoren für Filtermedien:
- Abscheidegrad: Dieser beschreibt das Verhältnis der abgeschiedenen Partikel zur Gesamtmenge der in den Filter eintretenden Partikel. Ein Effizienzwert von 99,9 Prozent bedeutet, dass lediglich 0,1 Prozent der Partikel nicht gefiltert werden.
- Differenzdruck: Dieser beschreibt den Strömungswiderstand und korreliert mit der benötigten Energie zur Überwindung des Filterwiderstands.
- Partikelaufnahmekapazität: Sie definiert die Menge an Partikeln, die ein Filtermedium aufnehmen kann, ohne den maximal zulässigen Differenzdruck zu überschreiten.
Diese drei Faktoren stehen in einem komplexen Zusammenhang. Eine Erhöhung des Abscheidegrads führt in der Regel zu einem höheren Druckabfall, was die Partikelaufnahmekapazität verringert und die Filterlebensdauer verkürzt. Wir bei MANN+HUMMEL finden die beste Balance für jeden Anwendungsfall und ermöglichen den optimalen Kompromiss aus Abscheidegrad, Differenzdruck und Partikelaufnahmekapazit. Damit erreichen wir beispielsweise die maximale Filterlebensdauer bei der geforderten Effizienz.
Weitere Herausforderungen in der Filtrationstechnologie
Aufgrund ihrer Einsatzbereiche und der häufig langen Einsatzzeiträume müssen Filtermedien widerstandsfähig und langlebig sein. Dabei stehen sie je nach Aufgabe und Funktion vor unterschiedlichen Herausforderungen. Bestimmte Filtrationslösungen müssen zum Beispiel temperaturbeständig und/oder mechanisch sowie chemisch beständig sein.
Temperaturbeständigkeit kann ein ausschlaggebender Faktor für die Funktionsfähigkeit eines Filters sein. In einigen Anwendungsbereichen müssen Filter Temperaturen von -50°C bis +350°C standhalten. Bei Ölfiltern für Verbrennungsmotoren sind die Öltemperaturen entscheidend – hier werden Temperaturen von bis zu 160°C erreicht. In der Pharmaindustrie können Hochtemperatur-HEPA-Filter sogar Temperaturen bis zu 350°C ausgesetzt sein.
Unterschiedliche Anwendungen erfordern verschiedene Eigenschaften in Bezug auf chemische und mechanische Beständigkeit. Öl- und Kraftstofffilter stellen hohe Anforderungen an die chemische Beständigkeit und werden deshalb beispielsweise mit phenolischem Harz imprägniert. Bei Luft- und Innenraumfiltern sind die Anforderungen an die chemische Beständigkeit hingegen geringer.
Bei der Entwicklung einer geeigneten Filtrationslösung müssen daher diverse Aspekte berücksichtigt werden.
MANN+HUMMEL Filtrationslösungen: höchste Effizienz bei bester Leistung
Als ein global führendes Unternehmen in der Filtrationstechnologie mit über 80 Jahren Erfahrung bietet MANN+HUMMEL eine breite Palette an standardisierten und maßgeschneiderten Filterlösungen für verschiedene Industriezweige und unterschiedliche Bedürfnisse. Seit 1941 trennen wir in diversen Einsatzgebieten das Nützliche vom Schädlichen, unter anderem:
- Automobilindustrie: Hier kommen z. B. unsere Innenraumfilter, Ölfilter, Motorfilter, Kraftstofffilter und Harnstofffilter zum Einsatz.
- Pharmaindustrie: Die BIO-CEL-Serie sowie unsere HVAC-, EPA-, HEPA-, ULPA- und Molekularfilter sorgen für Reinstwasser und Reinluft.
- Lebensmittel- und Getränkeindustrie: Mit TurboClean UF (Ultrafiltration), TurboClean NF (Nanofiltration) und der TurboClean RO (Umkehrosmose) haben wir hocheffektive Lösungen für diese Sektoren entwickelt.
- Abwasserwirtschaft: BIO-CEL MBR und Umkehrosmosemembranen (RO) sind mit speziellen Membrantechnologien ausgerüstet und scheiden gasförmige sowie flüssige Abfälle ab.
- Haushalt: Unsere Luftfilter werden in Haushaltsanwendungen und Belüftungssystemen eingesetzt. MANN+HUMMEL bietet moderne Filtrationslösungen für Hausgeräte, die Herstellern helfen, Geräuschentwicklung, Energieverbrauch und Filtrationsleistung optimal auszubalancieren.
Filtration ist ein essenzieller Bestandteil unseres Alltags sowie vieler industrieller Prozesse. Sie spielt eine zentrale Rolle für unsere Gesundheit, indem sie die Luft reinigt, die wir atmen, und sorgt gleichzeitig für die Qualität des Wassers, das wir nutzen. Zudem gewährleistet sie die Effizienz und Zuverlässigkeit von Maschinen in unterschiedlichen Anwendungen. MANN+HUMMEL entwickelt individuelle Lösungen für saubere Mobilität, saubere Luft, sauberes Wasser und saubere Industrien.
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