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Verschiedene Arten der Filtration im Überblick

Unter Filtration versteht man die Reinigung von flüssigen oder gasförmigen Stoffen mittels verschiedener Filterverfahren. Eine Filtration ist ein mechanisches Trennverfahren und beruht ausschließlich auf einer physikalischen Basis. Begriffe wie Filtration, Filtern und Filtrierung werden in diesem Zusammenhang synonym verwendet.

Filtration von Wasser – Wasserhygiene im Fokus

Für die Aufbereitung von Trinkwasser ist eine Filtration unerlässlich. Nur so kann ein zuverlässiger Schutz vor gesundheitsgefährdenden Keimen und Bakterien gewährleistet werden. Darüber hinaus können durch eine Filtration Hormone, Pestizide, Nitrat, Nitrit, Arzneimittelrückstände und eventuelle Schwermetalle aus dem Wasser entfernt werden. Die Auswahl eines bestimmten Filtrationsverfahrens hängt von der Qualität des Rohwassers ab sowie von den Anforderungen an das Endprodukt (Trinkwasser, Prozesswasser, Wasser für medizinische Zwecke).

Filter werden z. B. bei der Aufbereitung von Trinkwasser durch die Wasserversorger der Kommunen eingesetzt, welches gemäß den Bestimmungen der Trinkwasserverordnung entsprechend aufzubereiten ist. Auch immer mehr private Haushalte nutzen inzwischen aus Hygienegründen zusätzliche Wasserfilter.

Grundprinzipien der Filtration

Bei der Filtration unterscheidet man zwei grundsätzliche Filtrationsprinzipien, die Oberflächenfiltration und die Tiefenfiltration und eine Kombination aus beiden Prinzipien, die Kuchenfiltration.

Oberflächenfiltration
 

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Der Partikeldurchmesser ist größer als der Porendurchmesser; das heißt, die abzufiltrierenden Stoffe werden schon aufgrund ihrer Größe zurückgehalten. Der Filter hat daher in der Regel nur eine geringe Tiefe und besteht aus sehr dünnen Membranen.
Beispiele: Membranfilter, Filterkerzen, Mikrosiebe, Tuchfilter
Die Membranfiltertechnik findet vor allem bei der Sterilfiltration im medizinischen Bereich Anwendung. Durch ihre geringe Porengröße von nur 0,2 μm bieten Membranfilter einen zuverlässigen Schutz vor wasserassoziierten Keimen. Tuchfilter kommen z.B. in Kläranlagen zum Einsatz.

Tiefenfiltration
 

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Hier ist der Partikeldurchmesser kleiner als der Porendurchmesser. Die Artikel dringen in die Poren ein und werden in der Tiefe bzw. innerhalb des Filtermediums festgehalten. Man benötigt zum Abscheiden der Partikel eine Filterschicht aus geschütteten körnigen Materialien mit großer Tiefe (Schichthöhe), in der die Partikel aus der wässrigen Phase abgetrennt werden. Bei der Tiefenfiltration verwendet man in der Regel Schichthöhen von ca. 1-2 Metern.
Tiefenfilter kommen typischerweise bei Anwendungen mit hoher Schmutzbelastung zum Einsatz, bei denen andere Filter, wie zum Beispiel Membranfilter, keine ausreichende Lebensdauer bieten.

Kuchenfiltration
 

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Die Kuchenfiltration ist eine Kombination von Oberflächenfiltration und Tiefenfiltration. Als Kuchenfiltration werden alle Verfahren bezeichnet, bei denen sich auf einer Schicht ein Filterkuchen anreichert, der dann entweder zusätzlich zur Partikelabtrennung beiträgt oder die eigentliche filtrierende Schicht darstellt. Zur Durchführung der Filtration werden ein Filtermittel, das die Flüssigkeit durchlässt und den Feststoff zurückhält sowie eine Druckdifferenz benötigt. Das Filtermittel kann flächig sein (textile und Drahtgewebe, Papier, Pappe usw.) oder es kann eine Schicht sein (Sandschicht, Sinterschicht usw.). Der Feststoff lagert sich als Kuchen auf dem Filtermittel ab.
Kuchenfiltration wird beispielsweise in Abwasseranlagen angewendet.

Spezielle Filtrationsverfahren

Membranfiltration
 

Bei der Methode der Membranfiltration wird das Wasser durch eine dünne, feinporige Wand (die Membran) filtriert, die je nach Beschaffenheit der Membran auch kleinste Partikel wie Viren oder Bakterien zurückhalten kann. Bei solchen speziellen Filtern spricht man von Sterilfiltration. Ein Großteil der Membranfilter wird aus polymeren Werkstoffen hergestellt. In einigen Bereichen werden auch keramische Membranen oder Metall-Membranen eingesetzt.

Man unterscheidet zwischen verschiedenen Membranprozessen, wie Mikrofiltration (MF), Ultrafiltration (UF), Nanofiltration (NF) und Umkehrosmose (RO). Die ersten beiden Verfahren kann man als mechanisch wirkende Feinsiebe bezeichnen. Sie bestehen aus künstlich hergestellten Membranen mit einem fest definierten Porendurchmesser. Wichtig für die Funktion der Membran ist, dass die Poren in Richtung Reinwasser größer werden. Bei der Nanofiltration und Umkehrosmose werden dichte, diffussionsoffene Membrane eingesetzt.

Das Prinzip der Umkehrosmose wurde erstmals in den 1950er Jahren bei der Entsalzung von Seewasser entdeckt. Es ist ein bewährtes Verfahren, um z. B. auf Seewasser nahezu 100% reines Trinwasser zu generieren. In diesem Verfahren wird Wasser durch eine synthetische, semipermeable (halbdurchlässige) Membran gepresst, die nur in eine Richtung und nur für Wassermoleküle durchlässig ist.

Man unterscheidet zwischen verschiedenen Membrangeometrien wie Flächen-Membran, Hohlfaser-Membran, Monokanäle, Multikanalelemente, Scheiben sowie Taschen-Membranen. Zur Sicherstellung der Wasserhygiene im medizinischen Bereich werden vor allem Hohlfaser-Membranen verwendet, die als endständige Filter zum Einsatz kommen.

Aktivkohlefiltration
 

Bei der Aktivkohlefiltration basiert im Wesentlichen auf dem Prinzip der Adsorption. Es werden Schadstoffe wie Staub oder Schwermetalle mit Hilfe von aktivkohlehaltigen Filtern aus Flüssigkeiten oder Gasen entfernt. In der Trinkwasseraufbereitung werden Aktivkohlefilter zur adsorptiven Rückhaltung von organischen Substanzen und Geruchs- und Geschmacksstoffen eingesetzt – oder auch um Medikamentenrückstände aus dem Wasser zu filtern.

Aufgrund der Adsorptionstechnik ist Aktivkohle nur endlich aufnahmefähig, wodurch nach der Beladung ein Austausch bzw. eine Regeneration erforderlich wird. Wird eine Aktivkohle nicht rechtzeitig gewechselt bzw. regeneriert, erfolgt eine Überladung und es kann vorkommen, dass das Filtrat eine höhere Anzahl an unerwünschten Inhaltsstoffen enthält als dass Rohwasser.

Weiterhin reagiert der Kohlenstoff auch als ein Reduktionsmittel und ist für die Entfernung von Oxidationsmitteln wie Ozon und Chlor aus Abluft oder Brauch- und Abwasser geeignet. Aktivkohlefilter werden z. B. auch mit einem Membran-Kern angeboten, so dass hier die Vorteile von beiden Filtern kombiniert werden können.

Darüber hinaus gibt es verschiedene chemische und biologische Verfahren zur Wasseraufbereitung, wie z. B. Desinfektion oder biochemische Oxidation. Die verschiedenen Verfahren haben alle ihre Berechtigung. Bei der Auswahl kommt es auf die konkret vorliegenden Inhaltsstoffe im zu reinigenden Wasser und die gewünschte Endqualität des Wassers an.

 

Abbildungen modifiziert nach Förster B, Caesar T: Luftfiltration. In: Reinraumtechnik. Springer 2012