Filtration (Trennverfahren)

Die Filtration (auch Filtration, Filtrierung, Filterung oder Filtern genannt) ist ein Verfahren zur Trennung oder Reinigung von Stoffen, meist einer Suspension oder eines Aerosols. Die Filtration gehört zu den mechanischen Trennverfahren, welche ausschließlich auf physikalischer Basis beruhen.

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, den 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 (den Filter durchdringende Phase) üblich.

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

Grundlagen

Das zu trennende Gemisch läuft durch einen Filter, der z. B. aus Papier oder Textilgewebe oder Metall besteht, oder durch einen Behälter, in dem sich eine Füllung einer Filtermasse befindet. Alle Filtermaterialien stellen einen Widerstand gegenüber allen Partikeln des zu trennenden Gemisches dar.

Im Gegensatz zur weit verbreiteten Vorstellung werden nicht nur Partikel zurückgehalten, die größer sind als die Porengröße des Filters – dieser Siebeffekt 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 Bereich der Partikelgrößen, in dem Partikel nur unzureichend abgeschieden werden – dagegen werden deutlich größere Partikel (durch Trägheit und Sperreffekt) und auch deutlich kleinere (durch Diffusion) vollständig zurückgehalten.

Je nach angewandtem Filterverfahren bildet sich nach einer gewissen Zeit aus den zurückgehaltenen Partikeln 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 der Filterkuchen oder die aufgenommenen Feststoffe von Zeit zu Zeit entfernt werden (beispielsweise durch Rütteln, Rückspülen oder einen Druckimpuls entgegen der Strömungsrichtung), oder der Filter muss ausgetauscht werden (bei Luftfiltern oftmals lange vor Aufbau eines Filterkuchens). Bei der Filtration von Flüssigkeiten werden die periodischen Unterbrechungen des Filterungs-Betriebs durch Reinigungs- bzw. Rückspülvorgänge als Dead-End-Filtration bezeichnet; sie ist bei vielen Filtersystemen notwendig. Bei der Tangentialflussfiltration ist sie nicht erforderlich, wird aber aus wirtschaftlichen Gründen auch hier häufiger angewandt.

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

Filtriervorrichtungen

Filtriervorrichtungen werden vielfältig sowohl im Haushalt, Laboratorien, Versuchsanlagen wie auch in der Industrie eingesetzt. Eine typische Anwendung im Haushalt sind Staubsauger-Filtertüten aus Papier. Eine Filtriervorrichtung im chemischen Labor ist z. B. die Nutsche, ein Porzellan- oder Glastrichter mit flachem Siebboden, auf den Filtrierpapier gelegt wird. Die zu filtrierende Flüssigkeit wird eingegossen, und aus der Saugflasche, die sich unter der Nutsche befindet und mit dieser dicht verbunden ist, die Luft abgepumpt. Damit wird der Filtriervorgang erheblich beschleunigt, weil das Filtrat (Flüssigkeit oder Gas) durch den Filter hindurch gesaugt wird. Eine andere Methode ist das Absaugen in einem Glassintertiegel, einer 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 Mengen an Brauch- oder Trinkwasser aus Oberflächenwasser werden die ungelösten Bestandteile häufig in mehreren Stufen abgefiltert: die groberen Bestandteile im Rohwasser werden zuerst über Rechensysteme abgetrennt, gefolgt von Siebmaschinen für die Abtrennung von Verunreinigungen mittlerer Partikelgröße; 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 geeignet.

Feste Partikel werden häufig mit Oberflächenfiltern aus Gasen entfernt. Für die Reinigung großer Gasmengen, wie beispielsweise der Abgase, die bei der Verbrennung in Großkesseln der Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen anfallen, werden neben Oberflächenfiltern auch Elektrofilter eingesetzt. Bei diesen werden die Feststoffpartikel an elektrostatisch geladenen Platten abgetrennt, es handelt sich strenggenommen also nicht um Filter im klassischen Sinne.

Fest-Flüssig-Trennverfahren

Grundlage der Filtration von Flüssigkeiten sind besonders bei technischen Anwendungen unterschiedliche Filterausführungen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Statischer Filtration und Dynamischer Filtration. Beide Verfahren können entweder im diskontinuierlichen Satzbetrieb/Batchverfahren/Chargenprozess oder teilweise, wie z. B. bei Siebmaschinen mit gleichzeitig ablaufenden Filter- und Rückspülvorgängen, kontinuierlich arbeiten.

Statische Filtration

Bei der statischen Filtration, die bereits in der Antike angewendet wurde, treten unterschiedliche Drücke zwischen Rohmedium und Reinmedium auf und ermöglichen den erforderlichen Trenneffekt. Der Druckunterschied liegt entweder unter dem atmosphärischen Druck (Saugfiltration) oder darüber (Druckfiltration).

Daneben wird je nach der Ausführung der Filtrationsvorrichtung unterschieden zwischen Oberflächenfiltration, Schichtenfiltration und Raumfiltration bzw. Tiefenfiltration. Siehe auch Kiesfilter.

Überwiegend zu den statischen Filtern zählen Anschwemmfilter, allerdings werden auch Bauweisen verwendet, die Eigenschaften einer dynamischen Filtration aufweisen. Anschwemmfilter ermöglichen durch eine auf einem Siebträger aufgebrachte Filtermasse (z. B. aus Kieselgur, Aktivkohle oder pulverisierten Ionenaustauschern) eine besonders weitgehende Entfernung kleiner ungelöster Partikel. Zusätzlich können bei diesem System durch Adsorption je nach verwendeter Anschwemmmasse beispielsweise AOX, Ölspuren oder Geruchs- und Geschmacksstoffe mit aus einer Flüssigkeit entfernt werden.

Sterilfiltration kann sowohl mit dynamischer wie auch mit statischer Filtration durchgeführt werden. Entscheidend ist lediglich, dass die Porenöffnungen des Filtermediums oder des Filters geringer sind als die Abmessungen der Keime.

Bei der normalen Schnellfiltration liegt die Filtergeschwindigkeit bei 5–20 m/h. Bei der Langzeitfiltration dagegen, die manchmal bei der Trinkwasserreinigung verwendet wird, beträgt die Filtergeschwindigkeit nur 0,1–0,2 m/h. Die lange Verweilzeit im Bereich der Filtermasse (Kiesbett) ermöglicht hier neben dem Abfiltereffekt auch bakterielle und chemische Reaktionen wie z. B. die Oxidation gelöster Eisen(II)- bzw. Mangan-Verbindungen zu ungelöstem und damit abfiltrierbarem Eisen(III)-oxidhydrat.

Dynamische Filtration

Ein moderneres Filtrationsverfahren ist die Membranfiltration, bei der eine dynamische Filtration erfolgt. Grundlage ist eine Tangentialflussfiltration, auch Querstromfiltration genannt. Bei dieser Filterungsart wird das Filtrat nicht in Richtung der Strömung abgezogen, sondern quer zu ihr. Mit dieser Technik ist es möglich, den Größenbereich gezielt auszuwählen, bis zu dem die Partikel abfiltriert werden. Je nach den Abmessungen der Feststoffe, die abgeschieden werden sollen, spricht man bei Partikelgrößen von:

• 0,5–0,1 µm (500-100 nm) von Mikrofiltration
• 0,1–0,01 µm (100-10 nm) von Ultrafiltration
• 0,01–0,001 µm (10-1 nm) von Nanofiltration
• 1,0-0,1 nm von Umkehrosmose.

Bei letzterer erfolgt allerdings keine Abtrennung ungelöster Partikel mehr, da hier bereits die Dimension der Moleküle erreicht ist und nur noch echt gelöste Teilchen zurückgehalten werden.