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Filtermedien schützen

Unter diesem Thema möchten wir  den Schutz der eigenen Gesundheit und den Schutz der Umwelt in den Vordergrund stellen. Durch unsere langjährige Erfahrung im Umgang mit Filtermedien haben wir festgestellt, dass viele Anwender den Schutz und die Wirkung dieser Medien noch nicht verinnerlicht haben. Daher haben wir uns entschlossen, mit diesen leichtverständlichen Erklärungen das Bewusstsein für diese Medien zu wecken.

Was ist ein Filtermedium?

Filter kennen wir alle. Wir nutzen sie Tag für Tag, ohne darüber nachzudenken, was sie eigentlich leisten. Die Tasse Kaffee am Morgen, der Weg zur Arbeit im Auto, die Sonnenbrille im Urlaub überall werden Filter eingesetzt.

Abstrakt dargestellt sind Filter Medien, mit deren Hilfe unerwünschte Materien separiert und abgeschieden werden.

Vereinfacht gesagt, Filter dienen zur Trennung von dem was ich haben will und dem was ich nicht brauche.

Für jede Anwendung das richtige Filter

Es gibt zigtausende Arten von Filtern und jede Art dient seiner Bestimmung. Mit anderen Worten, es würde niemand auf die Idee kommen, mit einer Sonnenbrille Kaffee zu filtern. Daher ist es wichtig zu wissen, welches Filter für welche Anwendung einzusetzen ist.

Wir möchten uns an dieser Stelle darauf beschränken, die Anwendung von Filtern für die Luftreinigung hier kurz darzustellen.

Neben den bekannten elementaren Luftbestandteilen, Stickstoff, Sauerstoff, Argon und Kohlendioxid, enthält Luft noch zahlreiche andere Bestandteile, die wir täglich einatmen. 

Der Luft werden fortwährend Gase, Partikel, Mikroorganismen etc. durch Emissionen zugeführt. Zu einem Teil werden diese durch uns Menschen (Stichwort Klimawandel,  Ozonloch) verursacht, zum anderen entstehen diese auch auf natürlichem Wege durch Ausgasungen der Erde (Vulkane, Schwefelhaltige Böden etc.), „Saharawinde“ und Pollenflug etc.  (erhöhte Staubbelastung) oder herumschwirrende Mikroorganismen.

Die Belastung der Umgebungsluft ist ernorm. Insbesondere in den Sommermonaten bei Trockenheit nimmt die Staubkonzentration in der Luft zu. Wie erfrischend ein „reinigendes“ Gewitter mit ergiebigen Regenschauern ist, kennen wir alle. Die Luft wird sauber. Der Regen dient quasi als Filtermedium für die Luftreinigung. An den Regentropfen heften sich die Staubpartikel und sinken zu Boden. Wie viel Staubpartikel in der Luft waren, sehen wir meist auf den vorher frisch geputzten Fensterscheiben. Es ist schon erstaunlich welche Partikelmengen die Luft in sich trägt. Und diese Partikelmengen atmen wir täglich ein? – Nicht unbedingt. Die Natur hilft sich in den meisten Fällen selber. Auch der menschliche Körper besitzt ein eigenes Luftfiltersystem. Wir nehmen die Atemluft zum überwiegenden Teil durch die Nase auf und unsere Nase ist ein hervorragendes Filtersystem. Die Flimmerhärchen entfernen aus der Atemluft die groben Partikel, so dass diese nicht in die Lunge gelangen. 

Partikelfilter

Dennoch, in der Luft befinden sich nicht nur Grobpartikel, sondern ebenfalls die Feinstäube und Schwebstoffe, die nicht mehr über die oberen Atemwege abgeschieden werden können. Diese Staubpartikel sind lungengängige Stäube, die sich in den Bronchien und Alveolen der Lunge unlöslich festsetzen.

Müssen wir dann alle, wie die Menschen in einigen asiatischen Metropolen, mit einer Atemschutzfiltermaske herumlaufen? – Zum Glück noch nicht. Aber eine Überlegung ist es Wert, in bestimmten Bereichen neben den körpereigenen Filtersystemen auf externe Filtersysteme zuzugreifen.

Hohe Staubkonzentrationen und vor allem die Größe der Staubpartikel sind hier die Stichworte. Die Größe der Partikel über die wir hier sprechen, wird in „µm“ ausgedrückt, dabei entspricht ein µm einem tausendstel Millimeter.  

Um die unterschiedlich großen schädigenden Partikel (Schadstoffe) aus der Luft zu entfernen, wurden entsprechende Filter entwickelt und in Filterklassen gegliedert. Die Einteilung in Filterklassen ist ein nützliches Instrument, um gezielt Partikel aus der Luft zu entfernen. 

Die Staubfilterklassen sind in drei Kategorien eingeteilt:

Bezeichnung              Filterklasse                      Partikelgröße

Grobstäube:                  G 1 – 4                                > 10 µm

Feinstäube:                   F 5 – 9                                1 – 10 µm

Schwebstoffe:               H 10 –14 und U 15 -17           < 1 µm

Darüber hinaus unterteilt man die Schwebstofffilter in HEPA und ULPA. Diese Einteilung ist von Nöten, da es zahlreiche Anwendungen gibt, bei denen es nicht mehr um die Größe der Partikel geht, sondern um den Abscheidegrad, also wie viele Partikel trotz Filtrierung noch aufgehalten oder durchgelassen werden (Durchlassgrad). Kaum zu glauben, aber selbst HEPA- und ULPA-Filter entfernen nicht alle Partikel zu 100%. Doch der Anteil den sie durchlassen ist verschwindend gering. 

Zur Verdeutlichung ein Beispiel: Nehmen wir eine 100 qm große Wohnung, der Rauminhalt beträgt ca. 250 cbm. Nun nehmen wir eine Filteranlage mit einem HEPA-Filter der Filterklasse H 13, der in einer Stunde die gesamte Wohnungsluft einmal reinigen soll. Das Ergebnis ist beeindruckend, denn nicht einmal 0,3% der gesamten Schwebstoffe der Wohnung verbleiben in der Raumluft. 

Mit anderen Worten, es dürfen sich in dieser 100 qm großen Wohnung mit 250 cbm Raumluft noch maximal 10.000 Schwebstoffe in der Größe eines tausendstel Millimeter aufhalten. Hört sich viel an, ist es aber nicht, denn plakativ dargestellt, entspricht das einem Schwebstoffpartikel von 10 mm Länge und noch dünner als ein menschliches Haar. Versuchen Sie mal, ein 1cm langes Haar in Ihrer Wohnung zu finden.

Ein ULPA-Filter der Filterklasse U 15 erreicht sogar einen Wert unter 0,0003%, daher werden ULPA-Filter auch Reinraumfilter genannt, also für Räume, in denen keine Schwebstoffe mehr in der Luft enthalten sein dürfen, wie beispielsweise in der Computer-Chip-Industrie. 

Wie funktioniert ein Partikelfilter?

Die Funktionsweise eines Partikelfilters hängt von seiner Filterklasse ab. Grobstäube werden anders abgeschieden als Feinstäube und Schwebstoffe. Grobstaubfilter sind vom Prinzip ähnlich einem Spinnennetz aufgebaut. Die Fasern eines Grobstaubfilters sind so dicht miteinander verwoben, dass die Grobstäube sich in diesem Netz fangen. Die Abstände der einzelnen Fasern sind zwar winzig klein, aber für die Abscheidung von Feinstäuben oder Schwebstoffen reichen diese nicht aus und sie fliegen durch dieses „Netz“ hindurch. 

Da es zu aufwendig wäre, ein „Netz“ zu spinnen, mit dem man die Feinstäube und Schwebstoffe herausfiltern kann, bedient man sich einer viel effektiveren Methode. Das Stichwort lautet Adhäsion. Adhäsion (Anhaftung) ist ein Verfahren, bei dem die Fasern des Filtermediums statisch aufgeladen werden, so dass die Feinstäube und Schwebstoffe wie von einem Magneten angezogen werden und unlösbar mit den Fasern verbunden bleiben.

Schaut man sich ein Schwebstofffilter unter dem Elektronenmikroskop an, so erkennt man, dass die Hohlräume zwischen den Fasern viel größer sind, als die Schwebstoffe, die an den Fasern anhaften. Wären die Fasern also nicht statisch aufgeladen, würden die Partikel durch das Schwebstofffilter hindurchfliegen. Aufgrund der Adhäsionskräfte macht es auch keinen Sinn, diese Filter durch ausklopfen, absaugen oder mit Druckluft zu reinigen, denn die Partikel lösen sich nicht mehr von den Fasern. 

Aktivkohlefilter

Nun enthält die Luft ja nicht nur Partikel und Schwebstoffe, sondern auch hauptsächliche Gase. Einige dieser Gase sind für uns lebensnotwendig, andere verhalten sich neutral und schließlich bleibt noch eine Gruppe, die für uns Menschen und die Umwelt schädlich oder „tödlich“ sein kann, die sogenannten Schadgase. Auch dafür existieren Filtermedien, die ausschließlich derartige Schadgase aus der Luft entfernen: Aktivkohlefilter

Was ist Aktivkohle?

Damit man das Prinzip eines Aktivkohlefilters verstehen kann, erklären wir kurz und knapp, was Aktivkohle eigentlich ist.

Aktivkohle ist eine kohlenstoffhaltige Substanz, die aus unterschiedlichen Rohmaterialien hergestellt werden kann. In der Regel wird Aktivkohle aus Steinkohle, Kokosnussschalen, Holzkohle oder Torf erzeugt. Dabei wird der Rohstoff (beispielsweise die Steinkohle) in einem Drehrohrofen auf 800- 900 C° unter Zuführung von Wasserdampf und Stickstoff erhitzt. Bei diesem Aktivierungsverfahren entstehen weitverzweigte Porenstrukturen im Inneren der Kohle, deren Anzahl und Ausbildung über die Qualität der Aktivkohle entscheidet. Durch die verzweigten Porenstrukturen erhält die Aktivkohle eine sehr große innere Oberfläche, vergleichbar mit einem Schwamm. Die Aktivkohle erhält dadurch eine innere Oberfläche von bis zu 1500 qm / gr. Mit anderen Worten: Ein Teelöffel Aktivkohle hat eine innere Oberfläche so groß wie ein Fußballfeld. 

Nach der Aktivierung wird die Aktivkohle in Form gebracht. Die drei wesentlichen Formen sind zum einen die Extrudate (Zylinderform), dann die Granulate (Schuppenform / gebrochene Form)  und schließlich Pulver. Welche Form für welche Anwendung sinnvoll ist, sei hier nur kurz erwähnt. Für die Luftreinigung werden in der Regel Extrudate eingesetzt. Granulate und Pulver werden vorwiegend für die Wasserreinigung genutzt.

Mit Hilfe von Aktivkohle können Schadstoffe sowohl aus der Luft als auch aus dem Wasser entfernt werden. Wir möchten uns an dieser Stelle jedoch auf die Luftreinigung beschränken.

Wie wirkt Aktivkohle?

Aktivkohle adsorbiert (anlagern von Stoffen an der Oberfläche) fast alle organischen Gase. Die Adsorption (Anlagerung) erfolgt durch Kapillarkondensation, Diffusion und van der Waals´sche Kräfte (Stichwort Anziehungskraft). Vereinfacht gesagt, ziehen die Kohlenstoffmoleküle der Aktivkohle die Moleküle der organischen Gasverbindungen an und halten sie in ihren Poren fest. Dies ist auch der Grund, warum die innere Oberfläche und die Größe der Poren bei der Aktivkohle entscheidend ist. Je kleiner die Poren, um so mehr Fläche im inneren der Aktivkohle „zum Anlagern“ von Schadstoffen.

Das Entscheidende bei der Adsorption ist, die Aktivkohle lagert die Schadstoffe an ihrer Oberfläche an und hält sie fest. Das bedeutet, sie geht keine unlösbare Verbindung mit den Schadstoffen ein, sondern die Schadstoffe können sich auch wieder von der Aktivkohle lösen. Diesen Vorgang nennt man Desorption (Verlagerung / Abgabe). Die Desorption erfolgt in der Regel jedoch nur bei leichtflüchtigen Schadgasen oder durch Zuführung von hohen Temperaturen oberhalb 120 C°.

Eine weitere Art der Desorption kann durch Verdrängung geschehen. Dabei „verdrängen“ beispielsweise die schwerlöslichen Stoffe die leichtflüchtigeren Stoffe von der Aktivkohlenoberfläche. 

Wie lange hält ein Aktivkohlefilter?

Ein Aktivkohlefilter hält so lang, bis es bricht und zwar „durchbricht“. Das Durchbrechen eines Aktivkohlefilters nennt man den Zeitpunkt, an dem das Schadgas nicht mehr von dem Aktivkohlefilter aufgenommen wird, und ohne gefiltert zu werden, die Aktivkohleschicht durchströmt. Die Aktivkohle ist gesättigt! Die innere Oberfläche der Aktivkohle ist komplett beladen, so dass das Schadgas eins zu eins durch das Aktivkohlefilter durchströmt. Das Aktivkohlefilter ist verbraucht und muß ausgetauscht werden

Einen vordefinierten Zeitraum festzulegen, wie lange ein Aktivkohlefilter hält, beispielsweise 24 Stunden oder gar ein Jahr, ist nicht möglich. Die Standzeit, also der Zeitraum, in dem ein Aktivkohlefilter wirkt und noch alle Schadstoffe aufnimmt, ist von unterschiedlichen Faktoren abhängig. So beeinflussen die  Schadstoffkonzentration in der Luft, die Luftfeuchte, die Umgebungstemperatur und viele weitere Faktoren die Standzeit eines Aktivkohlefilters. Daher gibt es keine 100 % verlässliche Aussage, wie lange ein Aktivkohlefilter alle Schadstoffe aufnimmt.

Gibt es denn keine Möglichkeit im Vorfeld annähernd einen Zeitraum festzulegen, in dem ein Aktivkohlefilter seine schützende Wirkung behält? 

Dabei werden aus einem beladen Aktivkohlefilter verschiedene Aktivkohleproben entnommen. Mittels Gaschromatographie, Massenspektrometer und Thermogravimetrie werden die Proben untersucht. Anhand der Ergebnisse stellen wir fest, welche Schadstoffe, in welchen Konzentrationen von der Aktivkohle aufgenommen wurden und wie weit die Schadstoffe durch das Aktivkohlefilter "durchgewandert" sind. Im zweiten Schritt können wir ermitteln, wie viel Schadstoffe die Aktivkohle noch hätte aufnehmen können. Schließlich haben wir so verlässliche Werte, um eine Standzeitempfehlung abzugeben, also wie lange das Aktivkohlefilter noch die Schadstoffe aufgehalten hätte und können dadurch Rückschlüsse auf die Standzeit des neu eingesetzten Aktivkohlefilters ziehen.

Diese Methoden verlangen langjährige Erfahrungen mit dem Filtermedium Aktivkohle, weil neben den Analyseergebnissen noch zahlreiche Faktoren die Standzeitempfehlung beeinflussen.

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