Eine der ältesten Techniken zur Filterung von Wasser sind teildurchlässige Membranfilter zur Wasseraufbereitung. Schon in der Antike waren einfachste Filtersysteme vorhanden. Um 1748 entstanden in Europa die ersten teildurchlässigen (semipermeablen) Membranen. Im Zuge der industriellen Revolution gelang 1864 die Schaffung der ersten künstlichen, semipermeablen Membran. Diese wurde als Filter für große Moleküle verwendet. 1916 und 1917 wurden die ersten Ultrafeinfilter für chemische Anwendungen geschaffen und dann auch in Serie produziert. 1949 kam der Durchbruch bei Filtern zur Umkehrosmose – heute eine der wichtigsten Techniken zur Wasseraufbereitung.
Aktuelle Filter
So sind ab den 1990er Jahren viele Kläranlagen mit entsprechenden Filtersystemen ausgestattet worden, Trinkwasser wird aufbereitet, industrielle Abwässer gesäubert und auch bei der Aufbereitung von Meerwasser greift man gerne auf die Umkehrosmose zurück. Die Anwendungsgebiete reichen bis zur Herstellung alkoholfreien Bieres und medizinischer Verwendung für Dialysegeräte. Weiterhin dienen derartige Filter als perfektes System zur Erhöhung von Konzentrationen in biologischen Lösungen, bei denen ein normales “Einkochen”, geschweige eine Destillation nicht möglich ist. Aktuell werden die meisten Membranfilter aus Polyethersulfon, Polyvinylendiflourid und Polyacrylnitril hergestellt. Diese Materialien sind gegenüber dem auch geeigneten Zelluloseacetat chemisch stabiler und halten höhere Belastungen aus.
Aktuell
Unterschieden wird in vier verschiedene Arten der Filtration:
Für die Verfahren Mikrofiltration und Ultrafiltration werden Porenmembranen verwendet. Am leichtesten ist die Vorstellung eines sehr feinen Kaffeefilters aus modernen Kunststoffen oder sogar einfachem Zellstoff bei chemisch wenig aggressiven Lösungen. Diese lassen sich relativ leicht reinigen, wenn auf ihrer Oberfläche ein Belag aus abgesondertem Material angefallen ist. In den meisten Fällen genügt ein Spülvorgang. Gegen die normale Flussrichtung wird unter Druck Wasser hindurchgespült, das die oberflächliche Verunreinigung löst und auch das Innere der Membran säubert. Das anfallende Spülwasser wird gesondert behandelt, kann aber auch bei bestimmten Anwendungen in der Anlage verbleiben. In vielen Fällen reicht für Mikrofiltration und Ultrafiltration die normale Schwerkraft. Ist die Wassersäule über dem Filter hoch genug, drückt sie die Flüssigkeit einfach durch die Membran.
Noch feiner
Die Ultrafiltration ist für viele Arten von Ölen und Fetten sowie deren Säuren und Ester geeignet. Deren langkettige Moleküle aus verschiedenen Kohlenwasserstoff-Verbindungen schaffen es einfach nicht durch die enge Membran. Aber auch Viren sind schon zu groß, um die Löcher in der Membran zu passieren. Teilweise reicht hier noch der Druck einer entsprechend hohen Wassersäule aber auch mittels Pumpen künstlich erzeugter Druck findet Anwendung.
Schon deutlich sauberer wird Wasser durch die Nanofiltration. Mittels beachtlichem Druck wird eine Flüssigkeit durch eine Reihe von Polymerschichten gepresst. Die Löcher in den Polymerschichten sind so fein, dass sie nur Wasser durchlassen und sehr kleine Moleküle. Da beispielsweise mehrfach geladene Ionen oder Arzneimittel normalerweise recht große Moleküle haben, respektive sich zweiwertige Ionen gerne mit anderen Molekülen “verheddern”, bleiben auch diese im Filter hängen.
Mit Druck entsalzen – Umkehrosmose
Bei der Umkehrosmose handelt es sich um eine Umkehr des natürlichen Druckausgleichsverhaltens von Flüssigkeiten. Als Beispiel sei Salzwasser und Süßwasser genannt. Legt man eine Membran zwischen beide Flüssigkeiten, versuchen sich diese durch den osmotischen Druck zu mischen und eine gleich starke Lösung zu erzielen. Wird der Filter fein genug gewählt “zieht” das Salzwasser Süßwasser an. Wenn man hingegen das Salzwasser unter Druck setzt, läuft der Vorgang in die umgekehrte Richtung. Dann verbleiben die Salzmoleküle in der salzhaltigen Lösung und auf der Süßwasserseite der Membran tritt salzfreies Wasser aus. Je nach Wahl der Membran kann man auch sehr kleine Moleküle ausfiltern.
Für die Nanofiltration und Umkehrosmose ist eine einfache Reinigung mit einem Spülvorgang nur selten möglich. Es handelt sich bei diesen Filtern nicht um Membranen mit “Löchern”, also Poren, sondern um homogene Polymerschichten. Hier finden chemische Mittel zur Reinigung Verwendung, welche die Verschmutzungen ablösen und ggf. auch chemisch mit diesen reagieren.
Bandfilter
Natürlich kann man Wasser dauerhaft über ein Vlies filtern. Das setzt sich nur im Laufe der Zeit zu. Die Lösung ist ein Bandfilter. Hierbei fließt das Wasser durch einen Filter, der sich ähnlich wie ein Förderband, dauernd bewegt. Dies ist meist für technische Anwendungen geeignet. In vielen Fällen reicht hirfür der ganz normale Druck einer Wassersäule. Auch möglich ist ein Vakuum unter dem Bandfilter, womit die Flüssigkeit regelrecht weggesaugt wird. Der Schmutz bleibt am Fließ hängen, wird zusammen mit dem Vliesband wegbewegt und dann abgestreift.
Klingt alles recht einfach, kann aber schon kompliziert werden. Wenn ein Filter aufgrund der spezifischen Art der Verunreinigung dazu neigt, das Vließ zu verstopfen, hilft eine laufende Strömung quer zum Filter. Fertig wäre der Crossflow-Bandfilter. Für eine genaue Dimensionierung sind noch viele weitere Informationen nötig. Bei Interesse stehen wir Ihnen selbstverständlich zur Verfügung.