Filtration (Trennverfahren)

Aufgabe und Einordnung der Filtration

Filtration ist ein mechanisches Trennverfahren. Sie trennt feste Partikel, Makromoleküle, Mikroorganismen, Viren oder Tröpfchen aus einem Fluid mithilfe eines Filtermediums. Das Fluid kann gasförmig oder flüssig sein und als Lösung, Suspension, Emulsion oder Aerosol vorliegen. Es strömt durch das Filtermedium; die abzutrennenden Bestandteile werden zurückgehalten. Dafür ist eine Druckdifferenz über dem Filtermedium erforderlich.

Häufig bestehen Filtermedien aus Membranen, weshalb die Filtration eng mit der Membrantechnik verbunden ist. Klassische, durch Druckdifferenzen angetriebene Filtration wird von anderen membranbasierten Separationsprozessen wie Umkehrosmose und Pervaporation sowie von chromatographischen Reinigungsverfahren wie der Säulenchromatographie abgegrenzt.

Wichtige Begriffe und Größenbereiche

Eine filtrierte Flüssigkeit heißt Filtrat. Der bei der Filtration auftretende Druckabfall wird Druckverlust oder Filterwiderstand genannt. Bei der Oberflächenfilterung lagern sich abgetrennte Feststoffe als Filterkuchen auf dem Filtermedium ab. Für filtriertes Gas gibt es keinen einheitlichen Begriff; oft wird es Reingas genannt. In der Membrantechnik bezeichnet Retentat die zurückgehaltene Phase und Permeat die Phase, die den Filter durchdringt.

Druckgetriebene membranbasierte Filtration wird nach der kleinsten Partikelgröße beziehungsweise Größe gelöster Makromoleküle eingeteilt, die den Filter nicht mehr passieren können:

• Mikrofiltration: mindestens 0,1 Mikrometer.
• Ultrafiltration: zwischen 2 Nanometern und 0,1 Mikrometern.
• Nanofiltration: unter 2 Nanometern.

Wirkungsweise und Betriebsformen

Das poröse Filtermedium kann beispielsweise aus Papier, Textilgewebe oder Metall bestehen. Es kann auch eine Filtermasse als Füllung in einem Behälter sein. Alle Filtermaterialien setzen den Partikeln des Gemisches einen Widerstand entgegen. Als Triebkraft dienen Gasdruckdifferenz, mechanische, hydraulische oder hydrostatische Kraft oder Zentrifugalkraft.

Bei der Oberflächenfiltration werden Partikel an der Oberfläche abgeschieden. Bei der Tiefenfiltration wechselwirken sie im Inneren des Filtermediums mit diesem. Dafür sollen die Poren wesentlich größer als die abzutrennenden Partikel sein: So bleibt der Durchströmungswiderstand der Flüssigkeit geringer und Partikel können sich im Material einlagern. Tiefenfiltration eignet sich im Regelfall für Suspensionen mit niedriger Konzentration, damit sich nicht zu früh ein Filterkuchen bildet.

Nicht nur der Siebeffekt hält Teilchen zurück, also das Zurückhalten größerer Partikel durch kleinere Poren. Auch Partikelträgheit, Diffusionseffekte, Elektrostatik und Sperreffekt wirken. Deshalb können auch Partikel abgeschieden werden, die weit kleiner als die Porengröße sind. Besonders bei der Gasfiltration gibt es eine Filterlücke: In diesem Bereich der Partikelgrößen werden Teilchen unzureichend abgeschieden, während deutlich größere Teilchen durch Trägheit und Sperreffekt sowie deutlich kleinere durch Diffusion vollständig zurückgehalten werden.

Mit der Zeit entsteht ein Filterkuchen oder die Poren der Filtermasse werden durch Ablagerungen kleiner. Ein ausreichend dicker Filterkuchen ermöglicht meist vollständige Abscheidung, erhöht aber den Strömungswiderstand deutlich. Daher müssen Filterkuchen oder aufgenommene Feststoffe etwa durch Rütteln, Rückspülen oder einen Druckimpuls entgegen der Strömungsrichtung entfernt werden; alternativ wird der Filter ersetzt. Bei Flüssigkeiten heißt ein Betrieb mit periodischen Unterbrechungen für Reinigung oder Rückspülung Dead-End-Filtration. Bei Tangentialflussfiltration ist dies nicht erforderlich, wird aber auch dort aus wirtschaftlichen Gründen häufiger angewandt. Eine zulaufseitige Absaugung des Filterkuchens erlaubt unterbrechungsfreien Betrieb.

Bei der Fest-Flüssig-Trennung wird zwischen Klarfiltration und Trennfiltration unterschieden. Bei der Klarfiltration werden Feststoffe aus der Flüssigkeit entfernt und diese gereinigt; bei der Trennfiltration werden in der Flüssigkeit enthaltene Feststoffe abgetrennt.

Geräte und Anwendungsbeispiele

Filtriervorrichtungen werden im Haushalt, in Laboren, Versuchsanlagen und in der Industrie eingesetzt. Ein Haushaltsbeispiel sind Staubsauger-Filtertüten aus Papier. Im chemischen Labor dient eine Nutsche zur Saugfiltration: Sie ist ein Porzellan- oder Glastrichter mit flachem Siebboden und aufgelegtem Filtrierpapier. Die Flüssigkeit wird eingefüllt; aus der dicht angeschlossenen Saugflasche wird meist mit einer Wasserstrahlpumpe Luft abgepumpt. Dadurch wird das Filtrat durch den Filter gesaugt und der Vorgang beschleunigt. Auch ein Glassintertiegel, eine Fritte, kann zum Absaugen verwendet werden.

In der Technik richtet sich die Vorrichtung nach benötigter Filtratqualität, Partikelgröße und zu reinigendem Volumen. Bei Trinkwasser und Brauchwasser aus Oberflächenwasser werden ungelöste Stoffe entfernt, beispielsweise bei Enteisenung, Entmanganung und Enthärtung. Grobe Bestandteile aus Fluss- oder Seewasser werden zunächst durch Rechensysteme, mittlere Verunreinigungen durch Siebmaschinen abgetrennt. Die Feinreinigung erfolgt je nach Bedarf mit Filtermaterialien, Anschwemmfiltern oder Membran-Feinfiltern. Soll die Flüssigkeitsphase aus Schlämmen abgetrennt werden, eignen sich Filterpressen.

Feste Partikel werden aus Gasen oft mit Oberflächenfiltern entfernt. Bei großen Abgasmengen aus mit fossilen Brennstoffen betriebenen Großkesseln werden auch Elektrofilter verwendet. Dort scheiden sich Partikel an elektrostatisch geladenen Platten ab; streng genommen sind sie keine klassischen Filter.

Statische und dynamische Flüssigkeitsfiltration

Technische Flüssigkeitsfiltration kann statisch oder dynamisch erfolgen. Beide Verfahren können diskontinuierlich im Satzbetrieb, Batchverfahren oder Chargenprozess arbeiten; teilweise ist auch kontinuierlicher Betrieb möglich, etwa bei Siebmaschinen mit gleichzeitigem Filtern und Rückspülen.

Bei der statischen Filtration erzeugt ein Druckunterschied zwischen Rohmedium und Reinmedium den Trenneffekt. Bei Saugfiltration liegt der Druck unter dem atmosphärischen Druck, bei Druckfiltration darüber. Je nach Ausführung gibt es Oberflächen-, Schichten- und Raum- beziehungsweise Tiefenfiltration. Anschwemmfilter zählen überwiegend zu den statischen Filtern, können aber Eigenschaften dynamischer Filtration besitzen. Ihre auf einem Siebträger aufgebrachte Filtermasse, etwa Kieselgur, Aktivkohle oder pulverisierte Ionenaustauscher, entfernt besonders kleine ungelöste Partikel. Durch Adsorption können je nach Anschwemmmasse auch AOX, Ölspuren sowie Geruchs- und Geschmacksstoffe aus einer Flüssigkeit entfernt werden.

Sterilfiltration ist sowohl statisch als auch dynamisch möglich. Entscheidend ist, dass die Porenöffnungen des Filters kleiner als die Keime sind. Bei normaler Schnellfiltration beträgt die Filtergeschwindigkeit 5–20 m/h. Langzeitfiltration zur Trinkwasserreinigung arbeitet nur mit 0,1–0,2 m/h. Die lange Verweilzeit im Kiesbett ermöglicht zusätzlich bakterielle und chemische Reaktionen, beispielsweise die Oxidation gelöster Eisen(II)- oder Mangan-Verbindungen zu ungelöstem, abfiltrierbarem Eisen(III)-oxidhydrat.

Membranfiltration ist ein moderneres dynamisches Verfahren. Sie beruht auf Tangentialflussfiltration oder Querstromfiltration: Das Filtrat wird dabei nicht in Strömungsrichtung, sondern quer zu ihr abgezogen.