Atemschutz - Aufbau von Partikelfiltern
Partikelfilter dienen der Abscheidung fester und flüssiger Aerosolpartikel aus Gasströmen.
Die Wirkungsweise eines Partikelfilters beruht nicht ausschließlich auf einem einfachen mechanischen Rückhalteprinzip, sondern auf dem Zusammenwirken mehrerer physikalischer Mechanismen, deren Effektivität von Partikelgröße, Strömungsgeschwindigkeit und Materialstruktur abhängt.
Aufbau eines Partikelfilters
Ein Partikelfilter besteht typischerweise aus einem porösen Medium mit einer großen inneren Oberfläche. Häufig kommen fein strukturierte Fasergewebe, Vliese oder mikroporöse Materialien zum Einsatz. Das Filtermedium bildet ein dreidimensionales Netzwerk aus Fasern oder Poren, durch welches der Gasstrom geleitet wird. Während die Luft das Medium passiert, werden darin enthaltene Partikel durch unterschiedliche physikalische Prozesse abgeschieden.
Die Leistungsfähigkeit eines Filters wird insbesondere durch folgende Eigenschaften bestimmt:
- Faserdurchmesser
- Porengröße
- Materialdichte
- Schichtdicke
- Strömungsgeschwindigkeit
- elektrostatische Eigenschaften des Materials
Ein wesentliches Ziel moderner Filtertechnik besteht darin, eine hohe Partikelabscheidung bei gleichzeitig geringem Strömungswiderstand zu erreichen.
Mechanismen der Partikelabscheidung
Die Filtration aerosolgebundener Partikel erfolgt durch mehrere simultan wirkende Mechanismen. Ihre relative Bedeutung hängt maßgeblich von der Größe und den physikalischen Eigenschaften der Partikel ab.
Siebwirkung
Die Siebwirkung stellt den einfachsten Filtrationsmechanismus dar. Partikel mit einem größeren Durchmesser als die effektive Porengröße des Filtermediums können das Material nicht passieren und werden mechanisch zurückgehalten.
Dieser Mechanismus ist vor allem bei groben Partikeln wirksam. Bei modernen Partikelfiltern besitzt die reine Siebwirkung jedoch eine untergeordnete Bedeutung, da viele abgeschiedene Partikel deutlich kleiner sind als die sichtbaren Poren des Filtermaterials.
Trägheitsabscheidung
Partikel mit vergleichsweise großer Masse besitzen eine erhöhte Trägheit. Wird der Luftstrom innerhalb des Filters um einzelne Fasern herumgelenkt, können diese Partikel der Strömungsänderung nicht vollständig folgen. Aufgrund ihrer Impulserhaltung bewegen sie sich geradliniger weiter und kollidieren mit den Filterfasern, an denen sie haften bleiben.
Die Wahrscheinlichkeit der Trägheitsabscheidung steigt mit:
- zunehmender Partikelgröße
- höherer Strömungsgeschwindigkeit
- größerer Partikelmasse
Dieser Mechanismus ist insbesondere für größere Aerosole relevant.
Interzeption
Bei der Interzeption folgen Partikel grundsätzlich den Stromlinien der Luftbewegung. Befindet sich jedoch eine Filterfaser innerhalb des Partikelradius, kommt es zu einem Kontakt zwischen Partikel und Faseroberfläche. Das Partikel wird dabei an der Faser abgeschieden.
Die Interzeption wirkt hauptsächlich bei mittelgroßen Partikeln und ergänzt die Trägheitsabscheidung.
Diffusion
Sehr kleine Partikel unterliegen der Brownschen Molekularbewegung. Durch die ständige Kollision mit Gasmolekülen bewegen sie sich nicht geradlinig entlang der Strömung, sondern führen zufällige Zickzackbewegungen aus.
Diese zufällige Bewegung erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Partikel mit einer Filterfaser kollidieren und daran haften bleiben. Der Diffusionsmechanismus gewinnt mit abnehmender Partikelgröße deutlich an Bedeutung und ist insbesondere für Nanopartikel entscheidend.
Elektrostatische Abscheidung
Viele Filtermedien besitzen elektrostatisch geladene Fasern oder können elektrische Dipolwechselwirkungen ausbilden. Geladene oder polarisierbare Partikel werden dadurch elektrostatisch angezogen und an den Fasern fixiert.
Die elektrostatische Filtration ermöglicht eine hohe Abscheideeffizienz auch bei relativ offenen Filterstrukturen. Dadurch kann der Strömungswiderstand reduziert werden, ohne die Filterleistung wesentlich zu verringern.
Abhängigkeit von der Partikelgröße
Die Effizienz eines Partikelfilters variiert in Abhängigkeit von der Partikelgröße. Große Partikel werden überwiegend durch Siebwirkung und Trägheitsabscheidung zurückgehalten, während ultrafeine Partikel hauptsächlich durch Diffusion abgeschieden werden.
Besonders schwierig zu filtern sind Partikel im Bereich von etwa 0,1 bis 0,3 µ. In diesem Größenbereich wirken weder Trägheits- noch Diffusionseffekte besonders effizient. Diese Partikelgröße wird daher als „Most Penetrating Particle Size“ (MPPS) bezeichnet und dient als Referenzgröße bei der Prüfung von Hochleistungsfiltern.
Druckverlust und Filtereffizienz
Mit zunehmender Filterdichte steigt die Wahrscheinlichkeit der Partikelabscheidung, gleichzeitig erhöht sich jedoch der Strömungswiderstand. Dieser Druckverlust erfordert einen höheren Energieaufwand zur Aufrechterhaltung des Luftstroms bei der Atmung.
Beladung des Filters
Während der Nutzungsdauer lagern sich abgeschiedene Partikel im Filtermedium ab. Diese sogenannte Filterbeladung verändert die Eigenschaften des Filtersystems. Einerseits kann die Filtrationseffizienz durch zusätzliche Partikelschichten steigen, andererseits nimmt der Druckverlust kontinuierlich zu.
Bei Erreichen einer kritischen Beladung muss der Filter ersetzt werden, um eine ausreichende Funktion sicherzustellen.
Es gelten die gleichen Auswahlkriterien bezüglich des Abscheidegrades für Partikel:
P1 = geringes Abscheidevermögen
P2 = mittleres Abscheidevermögen
P3 = hohes Abscheidevermögen
Schadstoffkonzentration und Filter:
Ein Filter der Klasse P1 darf dabei nur bis zum 4-fachen Grenzwert eingesetzt werden.
Filter der Klasse P2 bei Halbmasken bis zum 10-fachen, bei Vollmasken bis zum 15-faches des Grenzwertes.
Für Partikelfilter der Klasse P3 gilt bei Halbmasken ein Grenzwert vom 30-fachen, bei Vollmasken vom 400-fachen der höchstzulässigen Schadstoff-Konzentration.
