mini|Papierfilter mit Filterkuchen Ein Filter (fachsprachlich Neutrum, gemeinsprachlich MaskulinumDuden: Band 1, Die deutsche Rechtschreibung. 23. Auflage. Dudenverlag, Mannheim 2004, ISBN 3-411-04013-0, Seite 375) hält, wie ein Sieb, Feststoffe aus einem Gas- oder Flüssigkeitsstrom zurück.

Die feststofffreie Phase wird bei der Filtration von Flüssigkeiten als Filtrat und in der Gasfiltration meist als Reingas bezeichnet. An der Oberfläche des Filters zurückbleibender Feststoff heißt Filterkuchen, die Filtration findet jedoch insbesondere in der Gasphase je nach Aufbau des Filters auch oder ausschließlich in dessen Innerem statt (Tiefenfilter), sodass nicht in jedem Fall ein Filterkuchen entsteht.

Die treibende Kraft einer Filtration ist eine Druckdifferenz des Transportmediums vor und nach dem Filter. Das Medium wird entweder durch den Filter gesaugt (Beispiel Zigarettenfilter, Nutsche) oder mit Überdruck durch den Filter gepresst.

Funktionsprinzip Die Filtration geschieht durch: Oberflächenfiltration Kuchenfiltration: Das Filtrat wird in Strömungsrichtung abgezogen. Auf dem Filtermedium bildet sich ein Filterkuchen wachsender Dicke, der selbst als immer dichter werdendes Filtermedium wirkt. Der Filterkuchen muss regelmäßig abgetragen werden. Man erhält sowohl den Feststoff als auch das gereinigte Trägermedium. Querstromfiltration (auch Cross-Flow-Filtration genannt): Das Filtrat wird quer zur Strömungsrichtung abgezogen. Die Scherkräfte verhindern, dass sich ein Filterkuchen bildet, die Oberfläche wird abgereinigt. In Strömungsrichtung konzentriert sich die Suspension, das Konzentrat muss abgeführt werden. Tiefenfiltration: Bei Tiefen- oder Speicherfiltern erfolgt die Abscheidung im Inneren (in der Tiefe) des Filtermediums. Hierbei ist das fluide Medium der Wertstoff, da sich der Feststoff nur schwer aus dem Filter extrahieren lässt.

Die Filterwirkung beruht auf folgenden physikalischen Eigenschaften: Die Partikel sind größer als die Poren des Filters und können daher nicht in das Filtermedium eindringen. Dieser Effekt wird als Siebeffekt bezeichnet und tritt vornehmlich bei membranbeschichteten Oberflächenfiltern und bei der Filtration von Suspensionen auf. Aufgrund ihrer Trägheit können die Partikel der Strömung nicht folgen und treffen auf das Filtermaterial, an dem das Medium tangential vorbeiströmt. Als Maß für die Trägheitsabscheidung dient die Stokes-Zahl. Aufgrund der Brownschen Molekularbewegung schwankt die Partikelbahn statistisch um die Stromlinie, auf der sich das Partikel bewegt, wodurch es zum Kontakt der Partikel mit dem Filtermaterial kommen kann. Diesen auch als Diffusionsabscheidung bezeichneten Effekt beschreibt die Peclet-Zahl. Er spielt nur für sehr kleine Partikel (kleiner als wenige hundert Nanometer) eine Rolle. In Filterkuchen von Oberflächenfiltern ist der Sperreffekt der bestimmende Abscheidemechanismus. Dabei führt die Bahn des Masseschwerpunktes der Partikel zwar am Filtermaterial vorbei, das Partikel kann aber aufgrund seiner geometrischen Ausdehnung das Filtermaterial nicht passieren und wird abgeschieden. Bei genügend langer Wartezeit trennen sich die Partikel durch Thermophorese, wenn sie entlang eines Temperaturgradienten diffundieren. Im Gasstrom lassen sich kleine Partikel elektrostatisch herausfiltern. Dazu verwendet man Elektret-Filter: Vliesfilter, deren Fasern bei der Herstellung elektrisch polarisiert oder geladen werden (Elektret-Fasern).

Einteilung und Benennung Filter können nach unterschiedlichen Kriterien eingeteilt und benannt werden. Daher können auf einen Filter mehrere Benennungen aus den folgenden Kategorien zutreffen, z. B. ist ein Zigarettenfilter gleichzeitig ein Luftfilter und ein Partikelfilter: nach dem Einsatzgebiet bzw. der Anwendung: Zigarettenfilter, Atemschutzfilter, Aquariumfilter, Innenraumfilter usw. nach dem Funktionsprinzip: Oberflächenfilter, Tiefenfilter, Membranfilter, Elektret-Filter, Siebfilter, Anschwemmfilter usw. (s. o.) nach dem zu reinigenden Strom: Luftfilter, Wasserfilter, Ölfilter, Kaffeefilter, Umluftfilter, Heißgasfilter usw. nach den abzuscheidenden Stoffen: Partikelfilter, Schwebstofffilter, Rußfilter, Fettfilter usw. nach der Ausführung bzw. Bauform: Schlauchfilter, Kerzenfilter, Taschenfilter, Schüttschichtfilter, Scheiben- oder Trommelfilter usw. nach der Feinheit: Mikrofilter, Ultrafilter, Nanofilter, HEPA-Filter usw. nach der Funktion bzw. Position in einer mehrstufigen Filteranlage: Vorfilter, Endfilter, Polizeifilter usw. nach dem Filtermaterial bzw. -medium: Papierfilter, Gewebefilter, Drahtfilter, Polstofffilter, Sandfilter, Kiesfilter usw. (s. u.)

Filtermedien mini|Ölfilter einer Ölheizung Filtermedien können unterschieden werden in:VDI 3677 Blatt 1:2010-11 Filternde Abscheider; Oberflächenfilter (Filtering separators; Surface filters). Beuth Verlag, Berlin. S. 13. Flexible Filtermedien, dazu zählen Gewebe, Papier und Vliese (faserorientierte Vliese wie z. B. Filze, Polstoff und Wirrfaservliese wie z. B. Spinnvliese). Die in früheren Jahren eingesetzten Naturfasern wurden bei industriellen Anwendungen weitgehend durch synthetische Fasern ersetzt. Bei Fasern liegt in der Regel eine Größenverteilung vor; deshalb ist davon auszugehen, dass Schwebstofffilter aus Faservliesen inhomogen sind.Tobias Lücke, René Adam: Untersuchungen zum Abscheidegradminimum von Faserfiltern für die Schwebstoffiltration. In: Staub – Reinhalt. Luft. 54, Nr. 12, 1994, , S. 443–448. Starre Filtermedien, die durch hohe Steifigkeit und Eigenfestigkeit gekennzeichnet sind, bestehen in der Regel aus Fasern oder Körnern. Das Grundmaterial, das in der Regel versintert wird, ist Kunststoff, Metall oder Keramik.VDI 3677 Blatt 1:2010-11 Filternde Abscheider; Oberflächenfilter (Filtering separators; Surface filters). Beuth Verlag, Berlin. S. 23–24. Ausführungsbeispiele sind poröse Festkörper und Filterkerzen. Kornkeramische Filterelemente mit Blähton oder Siliziumkarbid als Grundstoff können zur Heißgasfiltration eingesetzt werden.VDI 3677 Blatt 3:2012-11 Filternde Abscheider; Heißgasfiltration (Filtering-separators; High-temperature gas filtration). Beuth Verlag, Berlin. S. 15–18. Schüttschichtfilter sind im Gegensatz zu den anderen Filtermedien nur ein loser Verbund körnigen Materials, der vom Fluid durchströmt wird. Sie sind aufgebaut aus körnigem Material, dessen Art und Korngrößenverteilung hinsichtlich der Trennaufgabe angepasst werden kann. Häufig handelt es sich dabei um oxidische Materialien.

Für Filtrationsaufgaben können je nach Einsatzgebiet verschiedene Materialien zum Einsatz kommen, beispielsweise Kunstfasern (aus Polyester, Polyphenylensulfid, Polytetrafluorethylen etc.), keramische Fasern/Sinterkörper, Glasfasern oder auch Metalle. Diese können chemisch oder physikalisch behandelt werden (beispielsweise bei Filzen sengen und kalandern) und Oberflächenbeschichtungen aufweisen (zum Beispiel Membranen). Kabinenluftfilter sind häufig Kombinationsfilter aus textilem Filter und Adsorbens.Frank Schmidt, Uta Sager, Eckhard Däuber: Dynamic Adsorption Behaviour of Cabin Air Filters. Filtration & Separation, , 39 (7) 2002, S. 42–47.

Eigenschaften eines Filters Folgende Eigenschaften dienen zur Beurteilung und Klassifizierung von Filtern: Die Filterwirksamkeit beschreibt die Effektivität, mit der das Trenngut vom Medium abgeschieden wird. 100 % bedeutet, dass sämtliches Trenngut herausgefiltert wird. Bei der Einlagerung des Trennguts wird zwischen oberflächlicher (Oberflächenfilter) und innerer (Tiefenfilter) Einlagerung unterschieden. Der Druckverlust am Filter entsteht dadurch, dass das Medium durch das Filter hindurchströmt. Dabei muss unterschieden werden zwischen dem Anfangsdruckverlust des Filtermaterials und dem Druckabfall durch steigende Einlagerung und Anlagerung des Trennguts. Die Reinigung des Filters beschreibt, inwieweit das Trenngut aus dem Filter wieder herausgeholt werden kann. Es gibt dabei Filter, die nur einmal genutzt werden können, da das Trenngut nicht mehr herausgeholt werden kann. Hierbei ist auch zu unterscheiden, ob das Trenngut unmittelbar genutzt, weiter- oder aufgearbeitet oder entsorgt wird.

Beispiele Übersicht Filtermaterialien mini|Auch ein Staubsaugerbeutel ist ein Filter Siebe Ein Filter in seiner einfachsten Form ist das Sieb. Wiederverwendbare Kaffeefilter bestehen aus einem geätzten Metallsieb oder einem Kunstfasergewebe. Papierfilter Papierfilter bestehen aus nassfestem Papier. Anwendungsbeispiel sind Staubsaugerbeutel und Einmal-Kaffeefilter. Glasfaservlies Vlies­filter finden sich zum Beispiel als Zigarettenfilter, in Dunstabzugshauben oder als Luftfilter, Zusatzfilter für Staubsauger, Filterkassetten für Industriesauger, Laminarboxen und in Filteranlagen von Klimaanlagen und für Reinräume. Als Japanmatte bezeichnet man spezielle Filter, die in Pools und Gartenteichen zum Filtern des Wassers verwendet werden. Treib- und Schmierstoffe werden durch Kraftstoff- und Ölfilter gereinigt. Atemschutzfilter enthalten je nach Anwendung auch Aktivkohle, deren große innere Oberfläche adsorbiert komplexe Gasmoleküle. Mikrofilter/Feinstaubfilter (HEPA-Filter, Filtermembran) halten in der Medizin und bei der Wasseraufbereitung Mikroben zurück. Keramik Keramikfilterelemente bestehen aus offenporiger Keramik. In der Gießerei werden keramische Filter zur Reinigung von Metallschmelzen eingesetzt. Auch Wasserfilter werden teilweise aus Keramik gefertigt. Dieselrußpartikelfilter können die Partikelemissionen eines Kraftfahrzeugdieselmotors deutlich reduzieren. Sintermetall Offenporige Sintermetall-Filterelemente werden neben Vliesfiltern unter anderem in der Fertigung von Mikroelektronik zur Filterung von Gasen und Flüssigkeiten eingesetzt (Reinräume). Nadelfilz Vor allem im Bereich der großindustriellen Gasfiltration (beispielsweise in Müllverbrennungsanlagen, Gießereien etc.) werden vornehmlich Nadelfilze als abreinigbare Filtermedien eingesetzt. Polstoff Textile Polstoffe werden als Filtermedien in der Wasser- und Abwasserreinigung eingesetzt.

Zusatzfilter zur Absicherung werden Polizeifilter genannt.

Rückspülfilter mini|Schemazeichnung eines Rückspülfilters 1 Eintrittsgehäuse 2 Austrittsgehäuse 3 Rückspülrotor 4 Filtereinsatz 5 Rückspülverstärker 6 Getriebemotor 7 Flansche für die Differenzdrucküberwachung 8 Flansch für die Spülwasserleitung

Das Bild zeigt einen kontinuierlich arbeitenden Rückspülfilter. Hierbei wird die sich auf der Filterfläche bildende Masse aus Feststoffen durch einen geringen Teilstrom der Flüssigkeit abgespült. Ein über der Filterfläche umlaufender und wie ein Staubsauger wirkender Rotor fördert dabei die Feststoffe aus dem Filter über eine angeschlossene Rohrleitung heraus. Die Technologie wird zur Filtration großer Kühlwassermengen innerhalb von Dampfkraftwerken verwendet, um Turbinenkondensatoren und Rohrbündelwärmeübertrager von Fouling freizuhalten. Eine besondere Herausforderung in der Konstruktion ist die Filtration langfaseriger Verschmutzungen wie beispielsweise das Affenhaar aus dem Kühlwasser.

Eine Weiterentwicklung im Bereich dieser Rückspülfilter sind die sogenannten aktiven Filterelemente. Diese Elemente verhalten sich im Betrieb wie ganz normale Filterflächen, während des Rückspülvorgangs geben sie jedoch einen vergrößerten Querschnitt frei, so dass sich die filtrierten Feststoffe leichter von der Filterfläche ablösen können. Solche Filter werden für die Feinfiltration von Festkörpern von 1000 µm bis 50 µm Größe hergestellt.

Wasserfilter in der Haustechnik