Teil 3: Luftreinigung – wenn Lüften nicht genügt

Dieser Beitrag stellt die aktuellen Filtertechniken vor.

Filterklassen

Entsprechend der Partikelgröße in der zu filternden staubbelasteten Luft unterscheidet man zwischen

• Grobstaubfiltern (Partikelgröße >10 μm),
• Feinstaubfiltern (Partikelgröße 1-10 μm) und
• Schwebstofffiltern (Partikelgröße <1 μm).

Während bei Grobstaubfiltern mit den Klassen G1 bis G4 ein mittlerer Abscheidegrad (Am) als Leistungscharakteristikum herangezogen wird, kennzeichnet der mittlere Wirkungsgrad (Em) die Leistungsfähigkeit von Feinstaubfiltern der Filterklassen M5 bis F9. Die Klasseneigenschaften von Grob- und Feinstofffilterklassen G1 bis F9 nach DIN EN 779 fasst Tabelle 9 zusammen.

Für feinste Schwebstoffe (Partikelgröße <1 μm) legt EN 1822 acht Filterstufen fest (Tabelle 10). Hier werden zwei Abscheidegrade unterschieden:

1. gesamter Abscheidegrad und
2. lokaler Abscheidegrad.

Letzterer wird durch ein zeilenweises Abscannen der Abströmfläche des Filters auf die lokal vorzufindende Partikeldichte nach der Filterung eines kalibrierten Prüfpartikelaerosols ermittelt. Aus physikalischen Gründen sind Partikel der Größenordnung 0,1 bis 0,3 μm am schwersten zurückzuhalten. Ihre Größe wird auch als meistdurchdringende Partikelgröße (MPPS – Most Penetrating Particle Size) bezeichnet. Deshalb sind die innerhalb einer Scanspur lokal auftretenden Abscheidegrade stets geringfügig kleiner als der integrale, über den gesamten Filter gemittelte Abscheidegrad. Eine detaillierte Zusammenstellung zum Thema Filterklassen ist in einer Tabelle der Fa. Freudenberg unter [1] zu finden.

Prinzipien der Luftreinigung

Im Wesentlichen kann belastete Luft durch Ausfilterung der unerwünschten Bestandteile gereinigt werden. Man unterscheidet

• HEPA-Filter
• Aktivkohlefilter
• Elektrostatische Filter
• Photokatalytische Filter.
• HEPA-Filter

HEPA-Filter verwenden Filtermaterialien, die für Forschung, Medizin, Luft- und Raumfahrt entwickelt wurden. HEPA ist die Abkürzung für „High-efficiency particulate arrestance“. Damit beschreibt man das hocheffiziente Abscheiden fester Schwebstoffe aus der Luft.

Das Funktionsprinzip beruht auf Matten aus unregelmäßig angeordneten Glasfasern mit Durchmessern zwischen 1 bis 10 μm. Eine solche Matte wird zick-zack-förmig um Aluminiumseparatoren gefaltet und bilden mit diesen einen Filterblock (Bild 19). HEPA-Filter können Partikel bis zu einer Größe von 0,1 μm zurückhalten. Die Filterwirkung beruht bei den kleinen Partikelgrößen nicht auf einer einfachen Siebwirkung (dazu wären die Zwischenräume zwischen den Glasfasern der Filtermatte zu groß), sondern auf drei weiteren Effekten:

Der Abfang- oder Sperreffekt (Interception Effect) beruht auf der Massenanziehung. Hier werden die kleinen Staubpartikel von den Filterfasern angezogen und bleiben an ihnen haften.
Der Trägheitseffekt (Impact Effect) ist bei Teilchen mit größerer Masse wirksam. Diese folgen der Luft beim Umströmen der Filterfasern infolge ihrer Trägheit nicht und prallen deshalb auf die Fasern, wo sie verbleiben.
Der Diffusionseffekt (Diffusion Effect) tritt bei kleinsten Staubpartikeln auf, welche bereits eine unregelmäßige Eigenbewegung (Brownsche Molekularbewegung) ausführen, die meist von der Bewegungsrichtung der Luftströmung abweicht. Damit ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass die Partikel die Filterfasern berühren und von ihnen eingefangen werden.

Bei der Grobfilterung größerer Partikel sind die Zwischenräume zwischen den Filterfasern kleiner als die zurückgehaltenen Teilchen, sodass sie gleich beim Eintritt in die HEPA-Filter aus der partikelbeladenen Luft entfernt werden. Häufig ist deshalb ein solches auf dem Siebeffekt beruhendes Filter dem HEPA-Filter vorgeschaltet, um dessen unnötig schnelles Verstopfen der Anströmseite durch größere Partikel zu vermeiden.

HEPA-Filter sind in EN 1822-1 mit den Filterklassen E10-E12 (EPA), H13–H14 (HEPA) und U15–U17 (ULPA) klassifiziert (Tabelle 10).

Wegen ihres breiten Filterspektrums sind HEPA-Filter zur Luftreinigung von Wohnräumen eine gute Wahl. Bis zu 99,95 % der Partikel bis zu einer Größe von 0,3 μm werden durch gute Luftreiniger abgefiltert und gebunden. Im Einzelnen können dies anorganische Stäube (Hausstaub, Feinstaub, Metalle, …), organische Stäube (Blütenstaub, Pollen, …), Rauch (Tabak, Kamine, Öfen, …), Allergene (Schimmel, Sporen, Milbenkot, Tierhaare, … und flüchtige Stoffe (VOCs), Gerüche, Gase, Bakterien und Viren sein. Eine Atemluft, der all diese Schadstoffe entzogen wurden, ist ein Muss für Menschen, die unter Krankheiten wie Asthma, Allergien, Neurodermitis, chronische Kopfschmerzen, Müdigkeit und Unwohlsein leiden.

Aktivkohlefilter

Aktivkohle besteht überwiegend aus Kohlenstoff (chemisches Zeichen C, meist >90 %) mit hochporöser, offenporiger Struktur (Bild 20). Durch ihre enorm große innere Oberfläche von bis zu 2000 m2/g ist Aktivkohle äußerst adsorptionsfreudig. Unter Adsorption versteht man die Anlagerung von Stoffen aus Gasen oder Flüssigkeiten (Schadstoffe) an der Oberfläche eines Festkörpers (Aktivkohle).

Bei der Filterung und Adsorption durch Aktivkohle werden die zu entfernenden Substanzen aufgenommen und in der Kohlenstoffmasse angereichert. Es finden dabei keine chemischen Reaktionen statt, aber die Wirksamkeit des Aktivkohlefilters geht zurück.

Aktivkohle kann aber auch durch Reduktion Oxidationsmittel wie Ozon (O3) und Chlor (Cl) aus der Luft entfernen. Aus der Reaktionsgleichung

2O3 + C → 2O2 + CO2 (1)

geht hervor, dass 2 Ozonmoleküle und ein Kohlenstoffatom in 2 Sauerstoffmoleküle und ein Kohlendioxidmolekül übergehen. Es wird also ein Teil des Kohlenstoffs durch Umwandlung in Kohlenstoffdioxid verbraucht und steht damit nicht mehr als Aktivkohle zur Verfügung, wodurch ebenfalls die Wirksamkeit der Aktivkohle abnimmt.

Aktivkohleluftfilter bestehen meist aus mehreren Lagen von Aktivkohlematten. Damit sich ein Aktivkohlefilter nicht zu schnell mit Staub zusetzt, wird ihm auf der Anströmseite meist ein Vorfilter vorgeschaltet, der leicht ausgetauscht oder gereinigt werden kann. So wird die Gebrauchsdauer der Aktivkohlematten deutlich gesteigert.

Eine weitere Steigerung der gefilterten Luft ist durch die Kaskadierung eines Aktivkohle- und eines HEPA-Filterabschnitts möglich. Damit sind die meisten Luftschadstoffe bis zu 0,3 μm Durchmesser zu 99,98 % eliminiert.

Elektrostatische Filter

Elektrostatische Filter beruhen darauf, dass zwei gegensätzlich geladene Objekte eine Anziehungskraft aufeinander ausüben. Im elektrostatischen Filter werden die Partikel im beladenen Luftstrom durch Abtrennen von Elektronen zunächst positiv ionisiert, um dann beim Passieren negativ geladener Platten sich an diesen anzulagern. Demzufolge bestehen elektrostatische Filter aus zwei Funktionsabschnitten, dem Ionisator und dem Abscheider. Bild 22 zeigt schematisch, wie die zu reinigende schadstoff- und staubbeladene Luft zwischen unter Hochspannung (typischerweise 10 kV) stehenden „Sprühdrähten“ und ihren Gegenelektroden durch das dort erzeugte elektrische Feld hindurch geleitet wird. Dabei werden die Gaspartikel durch Abtrennen eines Elektrons positiv ionisiert (Stoßionisation) und beim Passieren der Abscheidestufe von den negativen Plattenelektroden eingefangen. Durch Anlagern an deren Oberfläche werden die Partikel neutralisiert und aus dem Luftstrom abgeschieden. Die Luft ist also nach dem Transfer durch den elektrostatischen Filter gereinigt.

Um die Vorgänge zu verdeutlichen, betrachtet man einen horizontalen Schnitt durch die Anordnung (Bild 23). Die Sprühdrähte (rot) und Platten (blau) zeigen nun aus der Bildebene heraus. Man sieht, wie sich die Staubpartikel nach ihrer Ionisation beim Eintreten in den Abscheider an dessen Platten anlagern. Mit der Zeit wächst die anhaftende Staubschicht immer mehr, wodurch die Anhaftwirkung zurückgeht. Deshalb müssen die Platten des Abscheiders gelegentlich gereinigt werden. Das kann durch Absaugen geschehen oder durch Klopfen, wodurch der Staub nach unten fällt und aufgenommen werden kann.

Elektrostatische Filter sind sehr kostengünstig. Zum einen benötigen sie keine Filtermedien und sind nach dem Abreinigen der Abscheiderplatten wieder einsatzbereit. Zum anderen erfährt die zu reinigende Luft nur geringe Druckverluste, wodurch wenig Betriebsenergie (Strom) erforderlich ist. Daraus resultieren langfristig geringe Betriebskosten.

Elektrostatische Filter können auch die Mikrobenkonzentration in der Raumluft verringern. Unter Mikroben versteht man kleinste (und deshalb unsichtbare) ein- bis wenigzellige organische Lebewesen (Mikroorganismen). Weil diese sich meistens an Staubpartikel anheften, werden sie gemeinsam mit dem Staub ausgefiltert. Es wird auch behauptet, dass die Ionisation die Mikrobenzellmembran sprengt, was den Tod der Mikrobe nach sich zieht. In jüngerer Zeit sieht man die Bedeutung einer mikrobiotisch gering- oder unbelasteten Atemluft (TMC:Total Microbial Count) für den gesunden Menschen weniger kritisch, denn die meisten Mikroben in der Luft schaden uns wenig oder gar nicht, sondern sind vielfach nützlich oder gar unentbehrlich [2].

Als kritisch und umstritten wird bei der Ionisation von Staubpartikeln gesehen, dass dabei auch Ozon entstehen kann, welches existierende Schadstoffe zu schwer einschätzbaren Folgeprodukten verändern kann. In der Akutmedizin hingegen ist bei der künstlichen Beatmung eines Patienten über längere Zeiträume hinweg eine elektrostatische Filterung der ein- und ausgeatmeten Luft zur Vermeidung von Infektionen des Atmungsapparats üblich.

Autor: K. Jungk

Literatur:
[1] Luftfilter nach Filterklassen. PDF der Fa. Freudenberg: http://www.freudenberg-filter.com/fileadmin/templates/downloads/Luftfilt...
[2] Wolfe N.: Mikroben: Unsere kleinen Freunde. National Geographic, Heft 1/2013, S. 112–123.

Bild-Unterschriften/-quellen:
(20) Aktivkohle unter dem Mikroskop Die sehr große innere Oberfläche von Aktivkohle (bis zu 2000 m²/g) macht sie äußerst adsorptionsfreudig. Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Aktivkohle
(21) Aktivkohle-HEPA-Kaskade Die Hintereinanderschaltung eines Aktivkohlefilters und eines HEPA-Filters beseitigt bis zu 99,98 % der Luftschadstoffe mit weniger als 0,3 μm Durchmesser.
(22) Zweistufiger elektrostatischer Filter (Prinzip) Die durch Sprühdrähte positiv ionisierten Staubteilchen lagern sich an Auffangplatten mit negativem Potential ab.
(23) Zweistufiger elektrostatischer Filter (Funktion) Der zweistufige elektrostatische Filter in der Draufsicht verdeutlicht die Wirkungen der beiden Stufen „Ionisation“ und „Abscheidung“ der Staubteilchen.