Filterkuchen

Definition und Wirkung bei der Filtration

Ein Filterkuchen ist die Schicht aus zurückgehaltenen Stoffen, meist Feststoffpartikeln, die sich während einer Filtration auf der Oberfläche eines Filters bildet. Bei Oberflächenfiltern ist er wesentlich für die Reinigungsleistung: Mit fortschreitender Filtration lagern sich immer mehr Partikel auf dem Filtermedium ab und bilden eine deutlich wahrnehmbare Schicht.

Der Filterkuchen verbessert die Abscheidung von Partikeln deutlich. Sobald er dicker wird, findet die Partikelabscheidung hauptsächlich im Kuchen statt. Der Grund ist, dass die Abstände zwischen den Kuchenpartikeln kleiner sind als die Abstände zwischen den Fasern des eigentlichen Filters. Seine Effizienz steigt besonders schnell, wenn zumindest ein Teil der zurückzuhaltenden Partikel faserförmig ist.

Gleichzeitig erhöht der Filterkuchen den Strömungswiderstand. Dadurch wird entweder mehr Leistung benötigt, um das Fluid durch den Filter zu fördern, oder der Volumenstrom nimmt bei begrenzter Leistung stetig ab. Bei einer Entstaubungsanlage bestimmt der Druckverlust des Filterkuchens im Wesentlichen den Energiebedarf. Kräfte auf den Kuchen können außerdem zur Kuchenkompression führen: Der Kuchen verdichtet sich beschleunigt, sodass der Strömungswiderstand noch schneller steigt.

Abreinigung und Probleme

Nach einer gewissen Zeit muss der Filterkuchen entfernt werden, etwa durch Rückspülen oder Absaugen. Bei Gasen wird meist auf der Abströmseite des Filtermediums ein Druckimpuls eingebracht; dies heißt Druckstoß-Methode. Sie dauert nur den Bruchteil einer Sekunde. Bei der Gasreinigung steigt dabei die Partikelkonzentration im Reingas plötzlich an. Deshalb wird der Zustand der Kuchenfiltration schnellstmöglich wieder angestrebt. 60 % bis 90 % der Staubemissionen treten während der Abreinigungsphase auf.

Verbackt der Filterkuchen, kann er nicht mehr entfernt werden; dann muss der gesamte Filter ausgetauscht werden. Ursachen können bei Abgasreinigungsanlagen mit komplexeren Abgaszusammensetzungen, zum Beispiel Müllverbrennungsanlagen, das Unterschreiten des Taupunktes einzelner Abgaskomponenten sein. Weitere mögliche Ursachen sind Heißgasfiltration, Sintereffekte oder die Bildung eines Eutektikums bereits unterhalb der jeweiligen Schmelztemperaturen. Auch wenn sich bei der Tiefenfiltration ein Filterkuchen bildet, ist der Filter auszutauschen.

Bei Ultra- und Mikrofiltration in der Membrantechnik beeinflussen Filterkuchen, dort auch Deckschichten oder Fouling genannt, die Filtration stark. Bei Hohlfasern wird ihre Bildung möglichst verringert; deshalb wird statt Kuchenfiltration die energieaufwändigere Tangentialflussfiltration verwendet.

Filterkuchen bei Bohrungen

Bei geologischen Bohrungen ist das Gestein porös. Bestandteile der unter Druck stehenden Bohrspülung würden daher in das Gestein eindringen. Die Gesteinsoberfläche wirkt als Filter: Beim Eindringen des Bohrfluids lagern sich Bestandteile darauf ab, decken die Poren ab und verhindern so weiteres Eindringen von Fluiden. Diese Deckschicht heißt Filterkuchen.

Der Filterkuchen schützt das Gestein, auch Gebirge oder Formation genannt, vor weiterer Infiltration des Bohrfluids. Außerdem stabilisiert er die Bohrlochwand mechanisch. Er kann beispielsweise verhindern, dass instabile Gesteinsbereiche in das Bohrloch fallen und dessen Durchmesser dadurch unkontrolliert größer wird. Ein guter Filterkuchen ist deshalb erwünscht und wird unter anderem durch eine geeignete Zusammensetzung der Bohrspülung erzeugt.