Das Abtrennen fester Partikel aus Suspensionen oder Gasen ist eine notwendige Aufgabe in vielen industriellen Prozessen. Ein wesentliches Verfahren, um Stoffgemische mit festen Bestandteilen aufzutrennen, stellt neben der Sedimentation und der Zentrifugation die Filtration dar. In diesen Bereich fällt die Produktklasse der Filterkerzen.
Darunter versteht man zylindrische Filterelemente, die aus Edelstahl, Kunststoff-Fasern, porösen Kunststoffen, Borosilikatglas, Glasfasern, Filz, Keramik und anderen Werkstoffen gefertigt und in Filtergehäusen verbaut werden. Die Filtermodule, verfügbar in verschiedenen Bauformen und Porengrößen, ermöglichen in Kombination mit entsprechenden Filtergehäusen das Filtrieren von Verunreinigungen aus Flüssigkeiten oder Gasen in Industrie und Labor.
Die Filtration als wichtiges Trennverfahren
Der Wortursprung des Filtrierens, oft auch als Filtern bezeichnet, liegt im Germanischen. Aus „filta“ für „Filz“ leitete sich in der Folge der mittellateinische Begriff „filtrum“ ab, der ein Durchseihgerät aus Filz beschrieb. Aus dem ursprünglichen „Durch-Filz-laufen-lassen“ entwickelte sich ein mechanisch-physikalisches Verfahren, mittels dessen feste Partikel aus Suspensionen oder heterogenen Gasgemischen abgetrennt werden können. Die filtrierte Flüssigkeit bezeichnet man als Filtrat, den zurückgehaltenen Feststoff als Filterkuchen. Analog dazu nennt man bei Gas-Feststoff-Gemischen das den Filter durchströmte Gas Permeat oder Reingas, die abgetrennten festen Partikel Retentat.
Der Gebrauch von Filtergehäusen mit integrierten Filterelementen, die fachsprachlich auch als Filterkerzen, Sinterrohre, Sinterkerzen, Garnwickelfilter und Siebfilterkerzen bezeichnet werden, ist nicht nur in Labor und Technikum eine häufig eingesetzte Filtrationstechnik. Auch im Alltag kommen auf diesem Prinzip basierende Filterkonstruktionen zum Einsatz. Ein sehr greifbares Beispiel ist der moderne Staubsauger: Die Zeit der luftdurchlässigen Einweg-Papierbeutel scheint vorüber, heutzutage werden die Haushaltsgeräte vornehmlich mit Staub-Filtermodulen ausgerüstet, die entnommen, gereinigt und wiederverwendet werden können.
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| Filtermodul eines modernen Handstaubsaugers |
Ob im Alltag, Labor oder der Prozesstechnik – das Prinzip ist überall gleich: Partikel mit einem Durchmesser größer als die Porengröße des eingesetzten Filtermaterials können dieses nicht passieren und werden zurückgehalten.
Was sind Filterkerzen?
Filterkerzen haben – bis auf ihre Form – nichts mit den allseits bekannten Leuchtmitteln aus Wachs oder Paraffin gemein. Vielmehr handelt es sich dabei um zylindrische Filterelemente, die vom zu filtrierenden Medium üblicherweise von außen nach innen durchströmt werden, wobei die Flüssigkeit bzw. das feststoffhaltige Gasgemisch gefiltert wird.
Je nach Kerzentyp findet die Filtration an unterschiedlichen Stellen des Filtermediums statt. Eine primär mechanische Trennung an der Oberfläche nennt man Oberflächenfiltration, hier werden die Partikel aufgrund ihrer Größe festgehalten, wie im Falle der Filtration mit Hilfe von Siebgeweben und Filtergeweben. Erfolgt sie im Inneren des Filters aufgrund von Adsorption der Partikel an das Filtermaterial, spricht man von Tiefenfiltration. Hierbei lassen sich auch solche Partikel abtrennen, die aufgrund ihrer Verformbarkeit oder gelartigen Beschaffenheit sonst nur schwer filtrierbar sind. Häufig findet sich auch eine Kombination aus beiden Filtrationsmechanismen.
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Auf dem Markt wird eine Fülle verschiedener Filterelemente wie beispielsweise Feinfilterkerzen, Siebfilterkerzen, Mikroporenfilterkerzen oder Sinterkerzen angeboten. Ihr jeweils unterschiedlicher Aufbau hinsichtlich Geometrie, Material oder Porengröße ermöglicht die Filtration von groben als auch von feinsten Verunreinigungen aus flüssigen und gasförmigen Medien. Von Vorteil ist hier eine abnehmende Porengröße vom Äußeren ins Innere der Filterkerze, denn dadurch wird bei einer breiten Größenverteilung der zu filtrierenden Partikel das Filtermedium langsamer blockiert, wodurch die Durchsatzleistung entsprechend erhöht wird.
Unabhängig davon sinkt die Durchsatzleistung bei fortlaufender Nutzung aufgrund der zunehmenden Blockierung offener Poren durch herausgefilterte Partikel. Um eine langfristig gleichbleibende Filterleistung zu erzielen, können die Filterelemente periodisch im Ultraschall-Bad oder durch Rückspülung regeneriert werden. Die Filterelemente werden so von Verunreinigungen befreit und die ursprüngliche Durchsatzleistung wiederhergestellt.
Anwendungen von Filterkerzen
Die Notwendigkeit, Schmutzpartikel, Schwebstoffe und andere Fremdkörper aus heterogenen Flüssigkeits- bzw. Gasgemischen abzutrennen, hat einen hohen Bedarf an spezialisierten Filtermaterialien zur Folge, zu denen auch Filterkerzen zählen. Sie bestehen häufig aus Borosilikatglas, Edelstahl oder Kunststoffen wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyamid (PA), welche die Prozessmedien als thermisch beständige und chemisch weitgehend inerte Materialien nicht kontaminieren.
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Die Werkstoffe kommen gesintert und porös oder zu Fasern verarbeitet als Gewebe zum Einsatz. Neben der Wasseraufbereitung werden hochwertige Filterelemente auch bei der Aufbereitung von Lösungsmitteln, Ölen, Farben und Lacken benötigt, etwa in der Galvanotechnik und Automobilindustrie. Eine wichtige Rolle spielen sie zudem in der Biochemie und Biotechnologie bei der Abtrennung von Proteinen und anderen hochmolekularen Verbindungen aus Suspensionen.
Filtermaterialien: Ausführungen und Werkstoffe
Um ein geeignetes Filtersystem auszuwählen, müssen mehrere Kriterien berücksichtigt werden. Die wichtigsten sind neben der chemischen Beständigkeit gegenüber des zu filtrierenden Mediums die Porengröße. Polyamidmembranen mit Porengrößen zwischen 40 µm und 350 µm vermögen nur größere Partikel zurückzuhalten, gewährleisten dafür aber auch recht hohe Durchflussraten mit 800 l/h bei Raumtemperatur und einem Druckgradienten von 0,2 bar. Dagegen filtern Hochleistungsfilterkerzen aus gesintertem PE mit geringerer Porengröße bereits Teilchen ab einer Größe von 5 µm, die Durchflussgeschwindigkeiten sind jedoch entsprechend geringer.
Mit hochporöser Aktivkohle beladene Filterkerzen halten aufgrund ihrer hohen Adsorptionsfähigkeit Verschmutzungen wie Fette, Öle und andere organische Verbindungen effektiv zurück und werden daher häufig zur Entfernung von Farb-, Geschmacks- und Geruchsverunreinigungen eingesetzt.
Eine preisgünstigere Alternative sind gewickelte Filterkerzen, auch Garnwickelfilter genannt. Sie besitzen dank ihrer großen Oberfläche eine hohe Schmutzaufnahmefähigkeit und erlauben dabei lange Standzeiten. Aufgebaut sind sie aus einem Stützkern aus Metall oder Kunststoff, zumeist Polypropylen, um welchen ein Filtergarn gewickelt ist. Das Garn besteht ebenfalls aus Polypropylen oder aus naturnäheren Werkstoffen wie Viskose oder Baumwolle. Bei diesem Filtertyp ist eine sorgfältige und gleichmäßige Wicklung wichtig, denn nur dadurch ist sichergestellt, dass große Teilchen bereits an der Oberfläche zurückgehalten werden, während bei kleinen Partikeln die Tiefenfilterwirkung zum Tragen kommt. Auf diese Weise vermeidet man eine herabgesetzte Filtrationsleistung durch allzu rasches „Zusetzen“ des Filters und gewährleistet im Gegenzug eine erhöhte Schmutzaufnahmekapazität.
Das passende Filtergehäuse
Neben einer geeigneten Filterkerze wird auch ein passendes Filtergehäuse benötigt. Am Markt erhältliche Filtergehäuse sind meist kompatibel mit verschiedenen Filterelement-Ausführungen und erlauben über Gewinde- oder Schlauchanschlüsse die Integration in vorliegende Leitungssysteme. Die Filterhülsen werden mit entsprechenden Flachdichtungen reversibel im Filtergehäuse verbaut. So können die Filterelemente jederzeit entnommen und gereinigt oder ausgewechselt werden.
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| Installation eines Filterelements für die Regenwasserfiltration |
Gehäusekopf und -unterteil werden neben metallischen Legierungen aus Kunststoffen wie Polyamid oder Polypropylen gefertigt, welche sowohl anspruchsvollen chemischen als auch thermischen Bedingungen sowie Druckbelastung standhalten. Damit der Filtrationsprozess und die Filterkerze optisch geprüft werden können, kommen für das Unterteil auch transparente Werkstoffe wie Styrol-Acrylnitril-Copolymer (SAN) zum Einsatz.
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| Grafik: Filtermodul eines modernen Handstaubsaugers | © H_Ko - stock.adobe.com Grafik: Filterelement für die Regenwasserfiltration | © MaxSafaniuk - stock.adobe.com |