Filtration

Dieser Artikel beschreibt das Trennverfahren. Für das mathematische Konzept siehe Filtrierung.

Die Filtration ist ein Verfahren zur Trennung oder Reinigung eines Mediums, meist einer Suspension oder eines Aerosols.

Die Filtration gehört zu den mechanischen Trennverfahren. Die Begriffe Filtration, Filtrierung, Filterung und Filtern werden synonym verwendet.

Eine filtrierte Flüssigkeit wird Filtrat genannt. Druckverlust ist der bei der Filtration auftretende Druckabfall, der auch als Filterwiderstand bezeichnet wird. Bei der Oberflächenfilterung bilden die abfiltrierten Feststoffe eine Schicht auf dem Filtermedium, der sogenannte Filterkuchen. Für ein filtriertes Gas gibt es keinen einheitlichen Begriff, oftmals wird die Bezeichnung Reingas verwendet. In der Membrantechnik sind die Begriffe Retentat (zurückgehaltene Phase) und Permeat (die Filter durchdringende Phase) üblich.

Das Wort (nach französisch filtrer, italienisch filtrare, „durchseihen“) bezeichnet ursprünglich „durch Filz laufen lassen“ (zu germanisch *felt „Filz“), der feinsten Methode, die vor der Erfindung des Papiers angewandt wurde und die auch heute noch in einigen Bereichen den Stand der Technik darstellt.

Grundlegendes

Das zu trennende Gemisch läuft durch einen Filter, der zum Beispiel aus Papier oder Textilgewebe besteht oder einen Behälter in der sich eine Füllung einer Filtermasse befindet. Im Gegensatz zur weit verbreiteten Vorstellung werden nicht nur Partikel zurückgehalten, die größer sind als die Porengröße des Filters – dies ist nur ein Mechanismus von vielen. Weitere Mechanismen sind Partikelträgheit, Diffusionseffekte, Elektrostatik oder Sperreffekt. Daher werden grundsätzlich auch Partikel abgeschieden, die weit kleiner als die Porengröße des Filters sind. Speziell im Bereich der Gasfiltration besitzen Filter einen Filterlücke genannten Partikelgrößenbereich, in dem Partikel nur unzureichend abgeschieden werden – deutlich größere (durch Trägheit und Sperreffekt) und auch deutlich kleinere (durch Diffusion) Partikel werden vollständig zurückgehalten.

Nach einer gewissen Zeit bildet sich aus den zurückgehaltenen Partikeln je nach dem angewandten Filterverfahren entweder eine Schicht, der Filterkuchen oder die Poren der Filtermasse werden durch die Ablagerung der zurückgehaltenen Stoffe verkleinert. Nach dem Aufbau eines ausreichend dicken Filterkuchens ist im Regelfall eine vollständige Abscheidung der Partikel gegeben, allerdings steigt auch der Strömungswiderstand des Filters deutlich an. Je nach Konzeption des Filters müssen Filterkuchen oder aufgenommenen Feststoffe von Zeit zu Zeit entfernt (beispielsweise durch Rütteln, Rückspülen oder einen Druckimpuls entgegen der Strömungsrichtung) oder der Filter ausgetauscht werden (bei Luftfiltern oftmals lange vor Aufbau eines Filterkuchens).^[1] Bei der Filtration von Flüssigkeiten werden diese periodischen Unterbrechungen von Betrieb (Filterung) und Reinigung (Rückspülung) mit Dead-End-Filtration bezeichnet und dies ist bei vielen Filtersystemen notwendig. Bei der Cross-Flow-Filtration ist diese zyklische Unterbrechung des Betriebes nicht erforderlich, wird aber aus wirtschaftlichen Gründen auch häufiger angewandt.

Für industrielle Anwendungen sind viele unterschiedliche Filtersysteme entwickelt worden. Generell wird bei der Fest/Flüssig-Trennung in Klarfiltration und Trennfiltration unterschieden. Bei ersteren werden die Feststoffe aus der Flüssigkeit abgetrennt und es erfolgt eine Reinigung der Flüssigkeit. Beim anderen Verfahren werden Feststoffe, die in der Flüssigkeit enthalten sind, in Feststoffe und Flüssigkeit aufgetrennt.

Filtriervorrichtungen

Filtriervorrichtungen werden vielfältigt sowohl im Haushalt, Laboratorien, Versuchsanlagen wie auch in der Industrie eingesetzt. Eine typische Anwendung im Haushalt sind die Filtertüten der Staubsauger aus Papier. Eine Filtriervorrichtung im chemischen Labor ist z. B. die Nutsche, ein Porzellan- oder Glastrichter mit einem flachen Siebboden, auf den Filtrierpapier gelegt wird. Die zu filtrierende Flüssigkeit wird eingegossen, und aus der unter der Nutsche befindlichen und mit dieser dicht verbundenen Saugflasche wird die Luft ausgepumpt, damit wird der Filtriervorgang erheblich beschleunigt. Die Flüssigkeit – das Filtrat – oder das Gas fließt durch den Filter hindurch.^[2] Eine andere Methode ist das Absaugen in einem Glassintertiegel, einer sog. Fritte.

Je nach der erforderlichen Filtratqualität, der Partikelgröße und der zu reinigenden Volumenmenge, aus der Ungelöstes abgetrennt werden soll, erfolgt dies in der Technik mit unterschiedlichen Vorrichtungen. Für die Reinigung größerer Brauchwasser- oder Trinkwassermengen aus Oberflächenwasser wird die Abfiltration der ungelösten Bestandteilen häufig in mehreren Stufen vorgenommen. Die groberen Bestandteile im Rohwasser werden zuerst über Rechensysteme, gefolgt von Siebmaschienen für die Abtrennung von Verunreinigungen mit mittlerer Partikelgröße, abgetrennt. Die abschließende Feinreinigung kann je nach Erfordernis über Filter mit Filtermaterialien, Anschwemmfilter oder Feinfilter mit Membranen durchgeführt werden. Soll dagegen die Flüssigkeitsphase aus Schlämmen abgetrennt werden, dann sind Filterpressen für diese Art der Filtration geeignet. Die Entfernung fester Partikel aus Gasen wird häufig mit Oberflächenfiltern durchgeführt. Für die Reinigung großer Gasmengen, wie beispielsweise die Abgase, die bei der Verbrennung in Großkesseln der Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen anfallen, werden neben Oberflächenfiltern auch Elektrofilter eingesetzt. Bei diesen erfolgt die Abtrennung der Feststoffpartikel an elektrostatisch geladenen Platten, es handelt sich strenggenommen also nicht um einen Filter im klassischen Sinne.

Verfahren der Fest/Flüssig-Trennung

Grundlage der Filtration von Flüssigkeiten sind besonders bei technischen Anwendungen unterschiedliche Filterausführungen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen „Statische Filtration“ und „Dynamische Filtration“. Die Systeme arbeiten entweder im Satzbetrieb oder teilweise, wie beispielsweise bei Siebmaschinen, kontinuierlich mit gleichzeitig ablaufenden Filter- und Rückspülvorgang.

Statische Filtration

Bei der statischen Filtration, die bereits in der Antike^[3] angewendet wurde, treten unterschiedliche Drücke zwischen Rohmedium und Reinmedium bei der Filtration auf und ermöglichen den erforderlichen Trenneffekt. Dieser Druckunterschied liegt entweder über oder unter dem atmosphärischen Druck. Im ersten Fall handelt es sich um eine Druckfiltration und im anderen Fall um eine Vakuumfiltration. Neben diesen beiden unterschiedlichen Druckbereichen wird je nach der Ausführung der Filterationsvorrichtung zwischen Oberflächenfiltration, Schichtenfiltration und Raumfiltration unterschieden. Letztere wird auch Tiefenfiltration genannt, da die Abscheidung der Feststoffe „in“ statt „auf“ der Schüttung der Filtermassen erfolgt.^[4] Weiteres zu diesen unterschiedlichen Filtrationsarten und deren Unterschiede sind im Lemma Kiesfilter angeführt.

Weitere Filtersysteme sind Anschwemmfiltration und Sterilfiltration. Ersteres gehört mit zur statischen Filtration und ermöglicht durch auf einem Siebträger aufgebrachte Filtermasse wie zum Beispiel aus Kieselgur, Aktivkohle oder pulverisierten Ionenaustauscher eine besonders weitgehende Entfernung kleiner ungelöster Partikel.^[5] Zusätzlich können bei diesem System in Abhängigkeit der verwendeten Anschwemmmasse durch Adsorption beispielsweise AOX, Geruchs- und Geschmacksstoffe oder Ölspuren aus einer Flüssigkeit mit entfernt werden. Die Anschwemmfilter zählen zwar überwiegend zu den statischen Filtern, allerdings werden aber auch Bauweisen verwendet, die Eigenschaften einer dynamischen Filtration aufweisen.

Die Sterilfiltration dagegen kann sowohl mit der dynamischen Filtration wie auch mit einer statischen Filtration durchgeführt werden. Entscheidend ist lediglich, dass die Porenöffnungen des Filtermediums oder des Filters geringer sind als die Abmessungen der Keime.

Bei der Langzeitfilteration, eine Variante die manchmal bei der Trinkwasserreinigung verwendet wird, beträgt die Filtergeschwindigkeit nur 0,1–0,2m/h. Die lange Verweilzeit im Bereich der Filtermasse (Kiesbett) ermöglicht neben dem Abfiltereffekt gleichzeitig auch chemische und bakterielle Reaktionen wie beispielsweise die Oxidation von gelösten Eisen(II)-verbindungen zu ungelöstem und dann abfiltrierbarem Eisen(III)-oxidhydrat. Die Geschwindigkeit bei der normalen Schnellfiltration liegt dagegen bei 5–20m/h.

Dynamische Filtration

Ein moderneres Filtrationsverfahren ist die Membranfiltration bei der eine dynamische Filtration erfolgt. Grundlage ist eine Cross-Flow-Filtration auch Querstromfiltration genannt. Bei dieser Filterungsart ist die Fliessrichtung der Flüssigkeit oder des Gases nicht vertikal durch den Filterbereich sondern erfolgt quer durch die Membranen. Mit dieser Technik ist es möglich den Größenbereich bis der die Partikel abfiltriert werden gezielt auszuwählen. Je nach den Abmessungen der Feststoffe, die abgeschieden werden sollen, spricht man bei Partikelgrößen von 10,0–0,02µm von Mikrofiltration, bei Partikelgrößen von 0,01–0,02µm von Ultrafiltration, bei Partikelgrößen von 0,001–0,0001µm von Nanofiltration oder bei Partikelgrößen von <0,0001µm von Umkehrosmose.^{[6][Anm. 1]} Bei letztere erfolgt allerdings keine Abtrennung ungelöster Partikel mehr, da hier bereits die Dimension der Moleküle erreicht ist und nur noch echt gelöste Teilchen zurückgehalten werden.

Einzelnachweise

Anmerkungen