Oberflächenfilter

Grundprinzip und Bedeutung

Ein Oberflächenfilter scheidet Partikel aus strömenden Fluiden, also aus Gasen oder Flüssigkeiten, ab. Anders als beim Tiefenfilter entsteht die eigentliche Trennwirkung nicht im Inneren des Filtermediums, sondern durch den Filterkuchen: eine Partikelschicht, die sich auf der Filteroberfläche bildet. Eine Ausnahme ist die Querstromfiltration.

Oberflächenfilter entfernen beispielsweise Staubpartikel und daran gebundene Schadstoffe wie Dioxine und Furane aus Rauchgasen. Sie können aber auch Wertstoffe zurückgewinnen, etwa Mehl aus einem Trägergasstrom. Der Abscheidegrad für Partikel liegt in der Regel weit über 99 %.

Zur Oberflächenfiltration zählen die Kuchen- oder Dead-End-Filtration, Schlauchfilter als häufigste Anwendung, Filterpressen beziehungsweise Massefilter und die Querstromfiltration. Filterelemente können als Schläuche, Kerzen, Taschen, Patronen oder Schüttschichten gestaltet sein. In der Wasser- und Abwasseraufbereitung kommen außerdem beispielsweise scheiben-, trommel- oder rautenförmige Strukturen vor.

Arten von Filtermedien

Filtermedien sind poröse Flächen- oder Körpergebilde, die das Fluid durchströmen kann. Nach ihrer Flexibilität werden sie in flexible Filtermedien, starre Filtermedien und Schüttschichten eingeteilt.

Flexible Filtermedien sind vor allem textile Filter. Sie bestehen überwiegend aus synthetischen Fasern, teilweise auch aus metallischen oder anorganischen Fasern. Natürliche Fasern wurden wegen ihrer chemischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften weitgehend verdrängt.

Starre Filtermedien besitzen eine hohe Steifigkeit und Eigenfestigkeit. Sie bestehen meist aus Fasern oder Körnern; ihr Grundmaterial aus Kunststoff, Metall oder Keramik wird üblicherweise versintert, also unter Wärmeeinwirkung zu einem festen porösen Körper verbunden. Kornkeramische Filterelemente aus Blähton oder Siliziumkarbid eignen sich zur Heißgasfiltration.

Schüttschichten bestehen aus einem losen Verbund körnigen, häufig oxidischen Materials. Materialart und Korngrößenverteilung lassen sich an die jeweilige Trennaufgabe anpassen. Das zu reinigende Fluid strömt durch diese Schüttung.

Aufbau und Arbeitsweise eines Schlauchfilters

Schlauchfilter arbeiten in Filterhäusern, die aus mehreren Kammern bestehen. Durch sie strömt ein Gas, das Abgase oder einen Wertstoff enthält. In jeder Kammer befinden sich mehrere Reihen zylindrischer Filterschläuche. Eingelassene Stützkörbe oder Stützringe stabilisieren sie.

Das partikelbeladene Gas strömt in der Regel von außen nach innen durch die Schläuche. Dabei lagern sich die Partikel an der Oberfläche des Filtermediums ab und bilden einen Filterkuchen. Mit zunehmender Dicke wirkt diese Staubschicht selbst als besonders wirksamer Filter.

Der wachsende Filterkuchen erhöht jedoch den Differenzdruck, also den Druckunterschied zwischen den beiden Seiten des Filters. Dadurch steigt die für die Durchströmung benötigte Energie. Deshalb werden die Filterschläuche regelmäßig abgereinigt: entweder nach einer festgelegten Zeit oder beim Erreichen eines definierten Differenzdrucks. Meist wird dazu Druckluft in die Schläuche eingeblasen. Die Staubschicht löst sich, fällt in einen Auffangtrichter und wird über eine Zellenradschleuse ausgetragen.

Bei der Heißgasfiltration soll ein Teil der Staubschicht auf dem Medium verbleiben. Diese Filterhilfsschicht schützt das Filtermedium und trägt zu einem hohen Abscheidegrad bei.

Abreinigung und Entfernung gasförmiger Schadstoffe

Die Abreinigung ist energie- und emissionsintensiv. Erfolgt sie in zu kurzen Abständen, kann sich kein stabiler Betrieb einstellen. Außerdem wird das Filtermedium mechanisch stark beansprucht und die emissionsmindernde Wirkung des Filterkuchens geschwächt. Zwischen 60 % und 90 % der Staubemissionen treten während der Abreinigungsphase auf.

Zur Entfernung gasförmiger Schadstoffe können vor dem Filter Sorbentien eingeblasen werden. Sorbentien sind Stoffe, die Schadstoffe binden oder mit ihnen reagieren; Beispiele sind Aktivkohle, Natriumhydrogencarbonat und Calciumhydroxid. Ihre Partikel lagern sich ebenfalls im Filterkuchen ab. Beim Durchströmen des Filterkuchens sinkt die Schadgaskonzentration durch Adsorption, also die Anlagerung an Oberflächen, oder durch chemische Reaktionen. Bei ausreichend hoher Sorbenskonzentration findet ein großer Teil dieser Schadstoffminderung bereits im Flugstrom vor dem Filter statt.

Filtermedien für verschiedene Temperaturen

Bei Temperaturen unter 250 °C werden meist Nadelfilze verwendet. Feine Gewebe kommen ebenfalls zum Einsatz, jedoch mit abnehmender Tendenz, weil ein noch unbeschichtetes Gewebe eine geringere Abscheideleistung besitzt. Zur Verbesserung der Abscheidung kann auf der Anströmseite eine ePTFE-Membran auf Gewebe oder Nadelfilz aufgebracht werden. Bei solchen Membranfiltern dienen neben Nadelfilzen häufig Glasgewebe als Trägermaterial.

Bei Hochtemperaturanwendungen über 250 °C werden insbesondere starre keramische Filtermedien aus Korn- oder Faserkeramik oder metallische Medien wie Sintermetalle eingesetzt. Ein solches starres Element heißt Filterkerze statt Filterschlauch. Zur Verringerung von Schadstoffen wie Dioxin können diese Medien zusätzlich mit Katalysatoren beschichtet werden.

Anwendungen und Entsorgung

Schlauchfilter dienen in der Industrie unter anderem zur Rauchgasreinigung, besonders in Kraftwerken, Zementwerken und Müllverbrennungsanlagen. Weitere Anwendungen sind die Abscheidung von Schleifstäuben und die Rückgewinnung von Mehl: In Mühlen wird Mehl häufig pneumatisch, also mithilfe eines Gasstroms, transportiert und anschließend durch Schlauchfilter aus diesem Strom abgeschieden. In Krematorien werden Schlauchfilter mit katalytisch aktiviertem Nadelfilz eingesetzt, um polychlorierte Dibenzodioxine und Dibenzofurane zu mindern.

Die Behandlung des Filterkuchens und des Filtermaterials richtet sich nach dem jeweiligen Einsatz. Ist der abgeschiedene Staub selbst ein Produkt oder enthält er ein nutzbares Produkt, kann er zurückgewonnen werden. Andernfalls müssen Filterkuchen und Filtermaterial gegebenenfalls als Sondermüll entsorgt werden. Entscheidend sind die Art des filtrierten Staubs, die abgeschiedenen Schadgase und ein möglicherweise zugesetztes Sorbens.