Ein Überblick über synthetische Filtermedien

1. März 2022 | Von Jose M. Sentmanat, Liquid Filtation Specialist, LLC

Viele Faktoren beeinflussen die Leistung synthetischer Filtermedien, von Faden- und Webarten bis hin zu Überlegungen zur Entwässerung und Abdeckung

Unter dem breiten Dach der Filtermedien gibt es viele synthetische Medienmaterialien, darunter gewebte Filtertücher, gewebte und nicht gewebte Filtermedien und Filterfilze. Der Begriff „synthetisch“ umfasst Stoffmaterialien aus Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyester oder Nylon sowie andere Spezialmaterialien wie Saran, Polyamid, Nomex (schwer entflammbares Meta-Aramid), Polyetheretherketon (PEEK), Fluorkunststoffe und andere speziell für bestimmte Anwendungen hergestellte Materialien. Eine Unterkategorie solcher Medien umfasst Drahtgewebe-Filtermedien. Hierbei handelt es sich um gewebte Drahtgeflechte aus verschiedenen Metallen, am häufigsten sind Drahtgeflechte aus rostfreien Stählen wie 316 SS und 316-L SS.

Ursprünglich wurden als Materialien für Filtermedien Seide, Baumwolle und Wolle verwendet. Aufgrund der eingeschränkten Verwendbarkeit dieser Materialien werden synthetische Materialien seit ihrer Einführung um 1945 viel häufiger in industriellen Filtrationsanwendungen eingesetzt. Seitdem haben schnelle Entwicklungsaktivitäten die Anwendbarkeit synthetischer Fasern in der industriellen Filtration erheblich erweitert. Während Baumwolle und Wolle immer noch als Filtermedien verwendet werden, behandelt dieser Artikel nur synthetische Filtermedien und Drahtgewebe.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, werden in synthetischen Filtermedien mehrere gängige Fasertypen verwendet:

ABBILDUNG 1. Der für Filtermedien verwendete Fasertyp kann sich auf die endgültige Leistung auswirken

Beachten Sie auch, dass Kombinationsmaterialien verfügbar sind, z. B. Mono-/Multifilament-, Mono-/Stapel- und Multi-/Stapel-Kombinationen.

Monofilamentfasern bieten viele Vorteile, darunter eine hervorragende Durchmesserkontrolle für präzise Stofföffnungen, hohe Durchflussraten, geringe Druckabfälle sowie eine relativ hohe Steifigkeit und Zugfestigkeit. Bei diesen Fasern besteht der Filtermechanismus darin, Partikel an der Oberfläche einzufangen und eine hervorragende Partikelfreisetzung an der Oberfläche zu gewährleisten. Dieses Medium ist leicht zu reinigen und weist außerdem eine begrenzte Flüssigkeitsaufnahme auf.

Bei Multifilamentfasern sollten Benutzer beachten, dass die gedrehten Garne häufig zu ungleichmäßigen Garndurchmessern führen können und die Porengrößen ungleichmäßig und schwer zu messen sein können. Bei dieser Art von Medien umfassen die Filtermechanismen das Einfangen von Partikeln auf der Oberfläche sowie zwischen verdrillten Strängen. Multifilament-Medienelemente weisen eine gute Partikelfreisetzung an der Oberfläche auf, sind jedoch etwas schwierig zu reinigen. Zu ihren Vorteilen zählen hervorragende Zugfestigkeit, Flexibilität, Biegsamkeit und Ermüdungsbeständigkeit. Außerdem ist zu beachten, dass Multifilamentgarne Flüssigkeiten aufnehmen können.

Gesponnene Filamentfasern zeichnen sich durch eine etwas ungleichmäßige Fasergröße und -dichte aus, und wie bei Multifilamentfasern können ihre Porengrößen ungleichmäßig und schwer zu messen sein. Zu den Filtermechanismen für faserige Medien aus gesponnenen Filamenten gehört das Einfangen von Partikeln auf der Oberfläche sowie innerhalb der Faserstruktur. Obwohl diese Medien zwar flexibel und biegsam sind, weisen sie eine schlechte Partikelfreisetzung an der Oberfläche auf und sind schwer zu reinigen. Wie Multifilamentfasern können auch gesponnene Filamentgarne Flüssigkeiten aufnehmen.

Die Methode, mit der Fasern in die größeren Filtermedienelemente eingewebt werden, kann einen erheblichen Unterschied in den Leistungsparametern bewirken. In den folgenden Abschnitten werden verschiedene Webstile beschrieben. Die für die Hauptwebkategorien verfügbaren Porengrößen sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Quadratische Gewebe. Diese Webart wird hauptsächlich bei synthetischen Materialien und Drahtgewebe verwendet. Es handelt sich um den grundlegendsten offenen Webstil, bei dem ein einfaches Über- und Untermuster zum Einsatz kommt (Abbildungen 2 und 3). Es bietet einen geraden Strömungsweg mit einer großen offenen Fläche. Zu den Hauptvorteilen von Quadratgeweben gehören: hohe Durchlässigkeit, minimale Bindung, einfache Reinigung und hohe Stabilität.

Taftbindung. Dieser Webstil wird normalerweise nur bei synthetischen Materialien verwendet. Es handelt sich um eine Variation des Quadratgewebes, bei dem sich zwei Fäden mit kleinem Durchmesser mit Fäden mit größerem Durchmesser in Kettrichtung abwechseln (Abbildung 4). „Kette“ bezieht sich auf die Drähte, die beim Weben über die gesamte Länge des Stoffes verlaufen. Dieser Stil imitiert mit seiner raueren Oberfläche seidene Häutungstücher.

Geschlossene Köperbindung. Dieser Webstil wird bei synthetischen Materialien verwendet. Beim dichteren Webmuster verlaufen die Kettfäden dreimal über und dann unter einem Schussfaden (Abbildung 5). Dieser Webstil sorgt für hervorragende Festigkeit und Haltbarkeit. Filtermedien, die diesen Webstil verwenden, können kalandriert werden, um die Luftdurchlässigkeit zu kontrollieren. Beim Kalandrieren handelt es sich um einen Faserbehandlungsprozess, bei dem Druck und Hitze gleichzeitig angewendet werden, um die Fasern zusammenzupressen, was zu einem dünneren und festeren Stoff mit besserer Filtrationsqualität führt. Wie in Abbildung 6 zu sehen ist, führt das Kalandrieren zu einer kompakteren, dichteren Faser.

Niederländische Köperbindung. Dieser Webstil wird mit Drahtgewebemedien verwendet. Mit seinem Zwei-oben-zwei-unten-Muster sorgt es für die feinste Partikelrückhaltung. Bei diesem Stil sind die Kettdrähte schwerer als die Schussdrähte (die Drähte, die über die gesamte Breite des Stoffes verlaufen).

Einfaches holländisches umgekehrtes Webmuster. Dieser Webstil wird sowohl bei synthetischen als auch bei Drahtgewebemedien verwendet. Es hat eine höhere Kettfadenzahl als Schussfäden (Abbildung 7). Der Kettfadendurchmesser beträgt im Allgemeinen zwei Drittel des Schussfadendurchmessers. Dieser Webstil eignet sich für hohe Durchflussraten und bietet hervorragende Flexibilität in Längsrichtung, Steifigkeit in Querrichtung und einen gewundenen Fluss.

Filtermedien mit glatter, umgekehrter holländischer Webart können hohe Durchflussraten verarbeiten

Einfache holländische Webart. Dieser Webstil wird mit Drahtgewebemedien in Anwendungen mit hohem Durchfluss verwendet. Seine Schussdrähte sind kleiner als seine Kettdrähte (Abbildung 8). Ein Vorteil dieser Webart ist ein geringer Druckabfall im Medium.

Doppelschichtgewebe. Bei synthetischen Medien werden Doppelschichtgewebe verwendet. Diese können monofil oder mono-mehrfach gewebt sein. Bei Doppelschichtbindungen werden die Filterschicht (z. B. ein Filter mit geschlossener Köperbindung) und die Trägerschicht (z. B. eine offene Quadratbindung) miteinander verwoben. Diese Konfiguration führt zu feinen Filterfähigkeiten sowie außergewöhnlicher Festigkeit und Haltbarkeit. Für doppellagige gewebte Medien stehen verschiedene Konstruktionen zur Verfügung (Abbildung 9). Da feines Gewebe auf eine starke Trägerschicht gewebt ist, neigen die Gewebeporen dazu, an einem perforierten Metallträger „zu verstopfen“, wie in Abbildung 10 zu sehen ist. Bei einer Monofilamentkonfiguration führt der seitliche Fluss durch die grobmaschige Bodenschicht zu einem verbesserten Fluss und Durchsatz (Abbildung 11).

Bei der Auswahl des richtigen Filtermediums werden vor allem die Effizienz der Partikelabscheidung, die Durchsatzkapazität, die Waschbarkeit, die Kuchenablösung, die Temperaturbeständigkeit und die Chemikalienbeständigkeit berücksichtigt. Tabelle 2 enthält Informationen zur Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit einiger gängiger Kunststoffe.

Effizienz der Partikelerfassung. Es ist wichtig zu beachten, dass eine Partikelerfassungseffizienz von 100 % häufig nicht erforderlich ist, da sie möglicherweise zu kostspielig ist, um in einem bestimmten Projekt realisierbar zu sein. Darüber hinaus muss die Porengröße des Gewebes nicht unbedingt genau mit dem Aufnahmeziel übereinstimmen (wie beispielsweise bei der Kuchenfiltration).

Durchsatzkapazität. Bei der Betrachtung der Durchsatzkapazität sollte berücksichtigt werden, dass Medien mit denselben Porengrößen unterschiedliche Durchsätze aufweisen können, wie in Abbildung 12 dargestellt. Die offene Fläche der Medien bestimmt letztendlich die Kapazität.

Waschbarkeit und Kuchenfreisetzung. Diese Überlegungen beschreiben, wie gut sich das Tuch auswaschen lässt und wie gut sich der Filterkuchen beim Reinigen des Filtertuchs löst. Beide Faktoren helfen dabei, die Lebenszykluseffektivität der Medien vorherzusagen.

ABBILDUNG 12. Die Durchsatzkapazität wird nicht durch die Porengröße, sondern durch die offene Fläche des Mediums bestimmt

Dieses Filterblatt aus Metall ist mit einer Entwässerungsstütze im Wabenstil ausgestattet

Es muss auch darüber nachgedacht werden, eine Drainageunterstützung zwischen dem Filtermedium und der darunter liegenden Oberfläche bereitzustellen. Bei Filtertuchmedien wurde in einigen Fällen festgestellt, dass die Bereitstellung einer Drainageunterstützung aus groben, offenen Medientypen den Durchfluss um bis zu 20 % steigern kann. Der Entwässerungsträger ist entweder ein offenes Quadratgewebe aus groben Fäden oder Filamenten oder eine sogenannte Wabe. Das Drainageelement trennt das Tuch vom Metallträger und sorgt so für mehr Strömung, da es eine seitliche Strömung unter dem Tuch ermöglicht. Im Fall des Drahtgeflechts ist das Entwässerungselement normalerweise ein offeneres, grobquadratisches Netz, beispielsweise 8 × 8 Maschen. Abbildung 13 zeigt ein Metallfilterblatt mit Wabenträger und offener Abdeckung aus synthetischem Stoff, um den Träger zu zeigen. Abbildung 14 zeigt eine fünflagige Filterblattkonstruktion mit Drainagenetz.

Während Filtertuchabdeckungen bei der ursprünglichen Installation auf die Filterblätter genäht werden, können Ersatzfiltertuchabdeckungen entweder mit Klettverschlüssen oder Reißverschlüssen geliefert werden, um die Installation vor Ort zu erleichtern und das Nähen zu vermeiden, was möglicherweise das Einsenden der Filterblätter an einen erfordert Shop zum Nähen. Es muss immer darauf geachtet werden, dass Filterblätter mit Stoffüberzug nicht über den Boden gezogen werden. Dadurch wird das Tuch zerrissen oder zerrissen. Außerdem müssen Benutzer darauf achten, die abgedeckten Blätter nicht gegen scharfe Oberflächen zu stoßen, die die Tücher beschädigen könnten. Die Tücher sollten regelmäßig auf Abnutzung, Risse oder Löcher in den Tüchern überprüft werden. Ein solcher Schaden beeinträchtigt mit Sicherheit die Leistung des Filters. Eine gute vorbeugende Maßnahme besteht darin, die Stoffbezüge entweder an den Ecken oder an anderen Stellen, an denen die Taschen Reibung oder Abnutzung ausgesetzt sein könnten, mit Verstärkungsflecken zu versehen. ■

Herausgegeben von Mary Page Bailey

Der Autor würdigt den wertvollen Beitrag zum Verfassen dieses Artikels von Sefar Americas Inc. (Buffalo, NY) und Filter-All, Inc./Sewn Weld Industries Inc. (Magnolia, Texas).

Jose M. Sentmanat ist der Präsident von Liquid Filtration Specialist, LLC (PO Box 1064, Conroe, TX 77305-1064; Website; www.filterconsultant.com; E-Mail: [email protected]; Telefon: 936-756-5362). Sentmanat verfügt über mehr als 50 Jahre Erfahrung in der Anwendungstechnik, Dimensionierung und Auswahl von Filteranlagen für eine Vielzahl prozessbezogener Industrien in den Bereichen Lebensmittel und Getränke, Pharmazeutik, Konsumgüter, Chemie und Petrochemie. Sentmanat hat mehrere Veröffentlichungen, Referenzen und Bedienungsanleitungen verfasst und weltweit zahlreiche Seminare und Kurzkurse gegeben.