Filterschule
Modul Zwei

Filterschule: Modul Zwei

Wie Luftfilter funktionieren: Dies ist das zweite der acht Module in der Camfil-Filterschulreihe zur Welt der Luftfiltertechnologie. Modul Zwei beschreibt die Mechanismen und Grundsätze der Luftfilterung.

In der Filterschulreihe können Sie Grundlegendes zur Filterung lernen, einige Extralektionen durcharbeiten oder sich einfach nur auf den neuesten Stand bringen. Oder wenn der Bereich Filterung neu für Sie ist, werden Ihnen die Artikel einen „Crashkurs“ zu dem Thema liefern. Die Module sind sehr allgemein gehalten und vermitteln Ihnen nur die Grundlagen. Die einzelnen Themen werden in leicht verständlicher Sprache vermittelt. Lassen Sie uns mit Modul 2 beginnen.

Partikel und Partikelfilter

Die Atmosphäre enthält ein komplexes Gemisch aus Luftschadstoffen, von festen Substanzen (Schwebstoffe), Gasen und Rauch bis zu Substanzen in flüssiger Form (Dunst, Nebel, Tröpfchen) und Strahlung (siehe Modul 1). Abhängig von dem, was geschützt werden soll, ist eine Filterung notwendig, um Schadstoffe zu beseitigen, bevor die Luft verwendet werden kann.

Zusammensetzung und Größe der atmosphärischen Partikel variieren beträchtlich. Die Größe variiert von einigen Nanometern (nm) bis zu Hunderten von Mikrometern (μm), was die Filterung aufgrund der großen Spanne der Partikelgrößen, die zu beseitigen sind, zu einer wirklichen Herausforderung macht. Rußpartikel sind beispielsweise sehr viel kleiner als Pollenpartikel.

Um die verschiedenen Größen besser zu verstehen,nehmenwiran,dasswireinesderkleinstenPartikel,das Rußpartikel,als Beispielheranziehenundesauf 10 Millimeter vergrößern. In der Partikelwelt hättengrößere Partikel,wiePollen,einenDurchmesservonungefähr 100 Metern und wären so groß wie das LondonEye,wennesnebeneinRußpartikel gesetzt werden würde.Oderstellen Sie sich vor, eine Roulettekugel liegt neben der Globe Arena in Stockholm. Dies stellt visuell die Spanne der Partikelgrößen dar, die ein Partikelfilter abdecken muss. Stellen Sie sich ebenfalls vor, dassPartikelinverschiedenenFormenauftretenundunterschiedlicheEigenschaften haben.

Die Fähigkeit eines Filters, Partikel zu sammeln, hängt von verschiedenen physikalischen Phänomenen ab, die sowohl mechanischer als auch elektrischer Art sein können. Wie funktioniert also ein Luftfilter? Im Folgenden werden kurz die Mechanismen und Filterungsgrundsätze beschrieben, die es ermöglichen, ein Partikel oder Gas aufzufangen.

Filtermechanismen und -grundsätze

Verschiedene Filtertypen wenden unterschiedliche Mechanismen an, um Partikel aufzufangen. Ein gewöhnlicher Filtertyp verwendet Filtermaterial („Medien“) aus Faserstoff. Üblicherweise werden Fiberglas und Polymerfasern verwendet. Die Polymerfaser-Version ist häufig elektrostatisch geladen.

Es stehen einige theoretische und experimentelle Studien zur Luftfilterung mit faserigen Medien zur Verfügung. Ein aus Fasern bestehender Filter setzt unterschiedliche Mechanismen ein, um Partikel zu sammeln, die in diesem Artikel beschrieben werden. Der gesamte Filterungsvorgang – die Summe der verschiedenen Mechanismen – ist sehr kompliziert. Es wird häufig ein vereinfachtes Modell verwendet, um die theoretische Partikeleffizienz einer einzelnen Faser zu berechnen (die „Theorie der Einzelfasereffizienz“).

Gravitationsabsetzung 
Große Partikel fallen deutlich sichtbar auf den Boden: Je größer das Partikel desto schneller fällt es. Im Zusammenhang mit der Filterung bedeutet dies, dass große Partikel auf den Boden und auf horizontale Flächen sinken. Die meisten Partikel, die sich durch die Schwerkraft absetzen, werden vor dem Filter eingesammelt. Gravitationsabsetzung funktioniert in allen Filtern und entfernt Grobstaub.

Gesamtpartikeleffizienz

Die Partikeleffizienz ist daher das Gesamtergebnis der verschiedenen Filterungsmechanismen. Gravitationsabsetzung, Dehnung und Inertialimpaktion haben eine größere Auswirkung auf große Partikel, während die Diffusionswirkung bei kleineren Partikeln ansteigt. Als Folge ist es am schwierigsten, eine spezifische Partikelgröße herauszufiltern. Abhängig von der Luftgeschwindigkeit und dem Filtermedium, ist die Partikelgröße von 0,1-0,3 μm in einem Filter am schwierigsten zu sammeln. Dies wird MPPS, für Most Penetrating Particle Size (durchdringendste Partikelgröße), genannt.

Ein interessantes Detail: mit Ausnahme der elektrostatischen Anziehung, wird die Filterung zur Beseitigung der Standard-Referenzpartikel in Europa gemäß EN 779 – 0,4 μm – nicht von der Luftgeschwindigkeit beeinflusst, da das Auffangen der Hauptmechanismus für das Sammeln dieser Partikelgröße ist. Die Filterung wird effektiver, wenn die Geschwindigkeit für Partikel zunimmt, die größer als 0,4 μm sind, aber nimmt bei niedrigeren Geschwindigkeiten zu, wenn Partikel gesammelt werden, die kleiner als 0,4 μm sind.

Gas- und Molekularfilter

Wir sind fasziniert von Schwebstoffen und wir können alle atmosphärischen Partikel aus der Luft entfernen, unabhängig von deren Anzahl, Größe, Form und Eigenschaft. Aber Gase und Moleküle dringen auch durch die besten Luftfilter hindurch. Moleküle sind 1000 bis 10000 Mal kleiner als Partikel und liegen üblicherweise in viel höheren Konzentrationen vor.

Wie können wir diese unglaublich winzigen Moleküle entfernen?

Ganz einfach durch die Nutzung der Gesetze, die für das Verhalten von Gasmolekülen gelten. Beispielsweise treten Gasmoleküle niemals in unterschiedlichen Konzentrationen in demselben Raum auf – sie streben nach Ausgleich der Konzentration. Wenn Gasmoleküle auf einen Adsorber, wie Aktivkohle, treffen, die eine sehr große Oberfläche hat, verteilen sich die Gasmoleküle (gleichen die Gaskonzentration aus), indem sie die Kohle suchen und sich an deren Oberfläche anheften.

*) Die Van der Waals-Kräfte sind die Summe der Anziehungs- oder Abstoßungskräfte zwischen Molekülen.

**) Die Brownsche Bewegung ist ein mathematisches Modell, mit dem beschrieben wird, wie Partikel mit anderen Partikeln kollidieren und sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in unterschiedliche zufällige Richtungen bewegen.