Nahrungsmittel Luft - notwendige und mögliche Verbesserung der Qualität durch Filterung

In der Luft befinden sich eine Menge verschiedener Fremdstoffe hervorgerufen von natürlichen Prozessen, wie Winderosion, Verdunstung von den Meeren, Erdbeben und Verbrennungsprodukte von industriellen Prozessen, Autoabgasen, verschiedene Materialbearbeitungsvorgänge usw. Atmosphärischer Staub stellt eine Mischung von Nebel, Rauchgasen, trockenen körnigen Partikeln sowie Fasern dar. Eine Analyse der Luft ergibt gewöhnlich das Vorhandensein von Ruß und Rauch, Quarz, Lehm, Spuren von verwitterten Tieren und Pflanzen, organischen Materialien in Form von Baumwolle- und Pflanzenfasern, sowie Metallfragmenten. Sie enthält ferner Organismen, wie Keime, Sporen und Pollen von Pflanzen. 

Diese in der Luft oder in Gasen schwebenden Partikel werden „Aerosole" genannt. Obwohl die Verunreinigungen in kleinen Mengen in normaler Luft vorkommen, haben sie eine entscheidende Bedeutung für unsere Umwelt. Elektrische Effekte in der Atmosphäre, Absorption von Sonnenstrahlung und Wolkenbildung werden mehr oder weniger von den Verunreinigungen in der Luft beeinflusst. Besonders augenfällig ist die Wirkung der atmosphärischen Verunreinigungen bei Materialien (z.B. Gebäudekorrosion) und Lebewesen. Um schädliche Effekte durch luftgetragene Partikel abzuwenden müssen Partikel unterschiedlichster Größen aus der Luft gefiltert werden. 

Die Größe der Partikel

Quelle: www.dezentral.de

Dieser Vereinigungs- und Verdampfungszyklus kommt häufig vor und es besteht eine deutliche Beziehung zwischen dem Zustandekommen von Partikeln und der relativen Feuchtigkeit der Luft. Die natürliche Reinigung der Atmosphäre erfolgt durch Regen. Ob ein Gleichgewicht zwischen dem erzeugten und dem zurückgeführten Staub besteht, ist nicht eindeutig geklärt. Messungen der Sonneneinstrahlung zeigen eindeutig, dass die Staubbeladung der äußeren Atmosphäre in den letzten Jahrzehnten deutlich zugenommen hat. Partikel unter 0,1 [µm] benehmen sich annähernd wie Gasmoleküle. Sie wandern nach dem Gesetz von Brown ohne eine bestimmte oder messbare Fallgeschwindigkeit. Partikel in der Größe von 0,1-1 [µm] haben eine Fallgeschwindigkeit, die sich berechnen lässt. Sie ist aber so gering, dass sie für den praktischen Gebrauch keine Bedeutung hat, da die normalen Luftströmungen der Absetztendenz entgegenwirken. 

Partikel in der Größe von 1-10 [µm] fallen mit konstanter und zu berechnender Fallgeschwindigkeit. Normale Luftströmungen halten sie im allgemeinen in der Schwebe. Partikel, die größer als 10 [µm] sind, fallen relativ schnell und können sich nur in der Nähe der Entstehungsquelle oder bei entsprechenden Windverhältnissen in der Schwebe halten. Eine Ausnahme bilden hierbei Baumwoll- und andere leichte Fasern, wie Teile von manchen Wildkrautsamen, die lange Zeit frei schweben können. Manche Partikel mit Größen um die 10 [µm] sind unter günstigen Lichtverhältnissen sichtbar. Kleinere Partikel sind bei hohen Konzentrationen mit dem bloßen Auge erkennbar. Ein Beispiel hierfür ist Zigarettenrauch mit einer mittleren Partikelgröße von 0,5 [µm]. Der Begriff Rauch wird gewöhnlich für eine Mischung aus festen Partikeln, flüssigen und gasförmigen Schadstoffen angewendet. Rauch entsteht durch unvollständige Verbrennung organischer Substanzen wie Tabak, Holz, Kohle, Öl usw. Die Größe der Rauchpartikel ist sehr unterschiedlich und meistens kleiner als 1 [µm], oft sogar 0,1-0,3 [µm]. 

Viren haben eine Größe von 0,005 [µm] bis 0,1 [µm]. Sie kommen meistens in Kolonien oder zusammen mit anderen Partikeln vor. Die Größe der meisten Keime liegt zwischen 0,4 und 0,5 [µm]. Sie werden im allgemeinen durch größere Staubpartikel, an die sie angelagert sind, verbreitet. Die Größe von Schwammsporen liegt zwischen 10 und 30 [µm] während Pollensamen 10-100 [µm] groß sind. Nebel und Dunst bestehen aus in der Luft schwebenden Tröpfchen, die gewöhnlich durch Kondensation von Dampf, Feinverteilung von Flüssigkeiten durch Sprühen oder Verdunstung einer Flüssigkeit gebildet werden. 

Staubkonzentrationen

Die Gesamtverteilung und die Konzentration des atmosphärischen Staubes ist je nach Ort, Jahreszeit, Tageszeit usw. sehr unterschiedlich. Ein paar Kilometer in der Atmosphäre ist aber die Verteilung ziemlich konstant, unabhängig davon ob die Proben über Land oder über dem Meer genommen werden. Die Anzahl der Partikel in der Luft ist verhältnismäßig groß. Ein Kubikmeter gewöhnlicher Umgebungsluft enthält selten weniger als 40 Millionen Partikel in der Größe über 0,3 [µm]. Trotz dieser großen Anzahl ist die Konzentration relativ gering. Die mittlere Konzentration der Luftverunreinigungen während eines Jahres liegt in der Regel unter 0,2 [mg] pro Kubikmeter Luft im Gegensatz zu den üblichen Konzentrationen von 200 bis 40.000 [mg] pro Kubikmeter in der Abluft von Verfahrens-Prozessen verschiedener Art. Eine systematische Messung der Staubkonzentrationen an verschiedenen Plätzen wird in Europa kaum durchgeführt. In den USA dagegen wird die Staubkonzentration über dem ganzen Land laufend gemessen und bekannt gegeben.  Für eine Millionenstadt liegt die mittlere Konzentration zwischen 0,8 und 0,16 [mg/m³]. Die Staubkonzentration ist  im Winter am Höchsten, zum einen aufgrund des hohen Brennstoffverbrauchs für Heizzwecke zum anderen fällt die luftreinigende Wirkung von Bepflanzungen, Grünanlagen und Wäldern in Herbst und Winter weg. Die Luft in Industrieorten und Städten enthält normalerweise Ruß- und andere Verbrennungsprodukte, und die Staubkonzentration ist hier höher als auf dem Lande.

Luftfilterung in Lüftungsanlagen

Filter dienen zum einen zur Verbesserung der Luftqualität und zum anderen zur Vermeidung von Verschmutzungen des Wärmetauschers, der Ventilatoren und des Kanalnetzes. Bei vielen Wärmerückgewinnungsgeräten sind Frischluft- und Abluftfilter mit Filterklasse G4 bereits im Gerät integriert. Beide dienen in erster Linie zum Schutz der Anlagenteile vor Verunreinigungen. Die Qualität der Luftreinheit hängt  von der eingesetzten Filterklasse und der Wartung ab. Im Standard werden meist Wirrfaservliese aus synthetischen Fasern, teils mit Staubbindemittel, in den Klassen G3, G4 und F5 eingesetzt. Alternativ können sogenannte "Z-Line-Filter" aus plissierten Faservliesstoff in Kartonrahmen, oder Taschenfilter aus Kunstfaser- oder Glasfaservliesen in den Klassen G3 bis F8 Anwendung finden. Um die Standzeiten von Feinfiltern (F7/F8) zu erhöhen, empfielt sich eine Vorfilterung (G3/G4). Das Vorfilter sollte dabei ¼ - ½-jährlich, das Feinfilter jährlich bis 1½-jährlich gewechselt werden. Die Vorfilterung ist auch vor dem Erdkollektor möglich. Da die meisten Luftwechselgeräte wenig Platz für Filter bieten, kann eine Filterbox auch vor dem Gerät in den entsprechenden Luftkanal eingebaut werden. Somit können ausreichend große Filter eingesetzt werden, die den Druckverlust verringern und die Filterstandzeiten erhöhen.

Bei der Komfortlüftung werden Feinfilter bei der Frischluftansaugung in einer Filterbox montiert. Die Filter müssen einmal pro Quartal kontrolliert und bei Verschmutzung gereinigt (abgesaugt), mindestens jedoch einmal pro Jahr erneuert werden. Aus diesem Grund sollten die Filter gut zugänglich sein. Die kontrollierte Wohnraumlüftung sollte aus hygienischen Gründen während des ganzen Jahres in Betrieb sein. Bei Abwesenheit kann die Anlage nur mit der Grundlüftung betrieben werden. 

Allergieauslösende Stoffe wie Pollenteile und Sporen können mit diesen Filterklassen kaum herausgefiltert werden. Daher ist zur Verbesserung der Zuluft-Qualität der Einbau eines Filters mindestens der Filterklasse F7 zu empfehlen. Dieser kann meist anstelle des Standard-Frischluftfilters (G4) in das Gerät eingesetzt werden, zumindest während der entsprechenden Pollenflugzeiten. Allerdings weist ein solcher Filter dann relativ kurze Nutzungszeiten auf, da er bei gleicher Filterfläche wesentlich mehr Bestandteile aus der Frischluft herausfiltert, und daher häufiger gewechselt werden muss. Wartungsfreundlicher sind hier separate Filterkästen. Ist ein Erdreichwärmetauscher vorgesehen, ist die hochwertige Filterung in jedem Fall anfangsständig vorzusehen und ganzjährig zu betreiben. 

Als Beispiel: Partikel mit einer Größe von 1 Mikrometer werden durch einen G4-Filter zu 6%, durch einen F7-Filter hingegen zu 86 % herausgefiltert. Pollen mit einer Größe über 10 Mikrometer werden durch beide Filter nahezu vollständig herausgefiltert. Trotzdem ist der G4-Filter kein „Pollenfilter", da gerade die allergenen Bestandteile der zersprengten Pollen mit einer Kleinheit von bis zu 0,3 Mikrometer durch den G4-Filter nur zu 4%, durch den F7-Filter immerhin zu 63 % herausgefiltert werden. Erst ein F7-Filter (oder höherwertig F8, F9) führt daher zu einer Verbesserung der Atemluft für Pollen-Allergiker. Als Beispiel: Partikel mit einer Größe von 1 Mikrometer werden durch einen G4-Filter zu 6%, durch einen F7-Filter hingegen zu 86 % herausgefiltert. Pollen mit einer Größe über 10 Mikrometer werden durch beide Filter nahezu vollständig herausgefiltert. Trotzdem ist der G4-Filter kein „Pollenfilter", da gerade die allergenen Bestandteile der zersprengten Pollen mit einer Kleinheit von bis zu 0,3 Mikrometer durch den G4-Filter nur zu 4%, durch den F7-Filter immerhin zu 63 % herausgefiltert werden. Erst ein F7-Filter (oder höherwertig F8, F9) führt daher zu einer Verbesserung der Atemluft für Pollen-Allergiker.

Diese Tabelle gibt Anhaltswerte für die verschiedenen Filterklassen. Spezifische Werte für unterschiedliche Filtertypen müssen unter Berücksicherung der interessierenden Anströmgeschwindigkeit gemessen werden.

Für die Tests und Klassifizierung der Luftfilter der ersten Gruppe ist als neutrales Testinstitut das MPA (Material-Prüfungs-Anstalt) Dortmund zuständig. Grundlage der DIN EN 779 ist der aus Amerika stammende ASHRAE-Test. Hier unterscheidet man nach dem Abscheidegrad, der mit synthetischen Stäuben gemessen wird und dem Wirkungsgrad, der mit atmosphärischem Staub gemessen wird. In der bis vor einigen Monaten gültigen DIN 24185 gab es die Filterklassen EU1 bis EU9. Im Rahmen einer neuen europäischen Normung erfolgte eine Umbenennung. Die Klassifizierung bleibt im Prinzip erhalten. Die Klassen EU1 bis EU4 nennen sich jetzt G1 bis G4 und die Klassen EU5 bis EU9 nennen sich jetzt F5 bis F9 . Das G steht für Grobstaub- und das F für Feinstaubfilter. 

 

DIN EN 779	DIN EN 779	DIN EN 60335	BS 3928	US-MIL.-Std.	DIN EN 1822	ZH 1/487
Grobstaubfilter mit Abscheidegrad A Enddruckdifferenz >250 [Pa]	Feinstaubfilter mit Fraktionsabsch. E 0,4 [µm] >Enddruckdifferenz 450 [Pa]	Schwebstofffilter Durchlassgrad >D für Parafinöl >61% 1 [µm]	Schwebstofffilter Anfangsabscheidegrad A für NaCl  >0,3 (0,6) [µm]	Schwebstofffilter Anfangsabscheidegrad A für DOP 0,3 [µm]	HEPA- und ULPA- Filter Anfangsabscheidegrad A für >DEHS, MPPS, ca. 0,1-0,3 [µm]	staubbeseit. >Geräte mittl. Durchlassgrad D Quarzstaub >90 % 0,2 [µm]
A > 50 %  G1  A < 65 %						Die angegebenen Grenzen können materialabhängig stark variieren!
A > 65 %  G2
A > 80 %  G3
A > 90 %  G4
	E > 40 % F5					D < 5 % U
	E > 60 % F6	D < 1%  L				D < 1 % S
	E > 80 % F7					D < 0,5 % G
	E > 90 % F8
	E 95 % F9	D 0,1 % M	A 95 % EU 10		A(intergr.) > 85 % H10	D 0,1 % C
			A > 99,9 % EU 11	95 %	A (integr.) > 95 % H11
			A <99,97 % EU 12	99,97 %	A(integr.) > 99,5 % H 12	D < 0,05 % Paraffinöl 90 % < 1 EM K 1, K 2
			A > 99,99 % EU 13	99,99 %	A(integr.) > 99,95 % H13 A(lokal) > 99,75 %
			A > 99,999 % EU 14	99,999 %	A(integr.) > 99,995% H14 A(lokal) > 99,975 %
					A (integr.) > 99,9995% U 15 A(lokal) > 99,9975 %
		D < 0,005 % H			A(integr.) >99,99995 % U16 A(lokal) > 99,99975%
					A(integr.)>99,999995 % U17 A(lokal) > 99,9999 %

Quelle: http://www.arotech.de

Anwendungsgebiete entspr. Filterklassen

Schwebstoffilter dienen der Filtration kleinster Partikel und werden sowohl für die Zuluft als auch für die Filtration kontaminierter Abluft und als Vorfilter für Aktivkohlesysteme verwendet. Schwebstoffilter müssen grundsätzlich durch eine Vorfiltrationsstufe vor größeren Partikeln (> 1-3 µm) geschützt werden. Natürlich gilt auch hier – je besser die Vorfiltration desto länger die Standzeit.

Adsorbtion von gasförmigen Luftverunreinigungen und Gerüchen

Aktivkohle wird hergestellt aus organischen Soffen wie z.B. Torf, Nußschalen, Zucker u.a.m. durch Erhitzen und weiteren Spezialbehandlungen mit dem Ziel, die „äußere" und „innere" Oberfläche außerordentlich zu vergrößern. Durch Ausbildung feinster Poren und Kapillarsysteme beträgt die adsorptionsfähige Oberfläche bis zu 1700 m² je Gramm Aktivkohle. Durch diese extrem große Adsorptionsfläche ergibt sich ein ausgezeichneter Abscheidegrad und eine große Speicherfähigkeit, so dass die Standzeit oder die Nutzungsdauer entsprechend lang ist. Es gilt: Je länger die (scheinbare) Kontaktzeit ist oder je mehr Aktivkohle spezifisch eingesetzt wird, um so besser ist die Ausnutzung der Aktivkohle. Um spezielle Schadstoffe zu entfernen werden imprägnierte Aktivkohlen eingesetzt. Die Temperatur des Luftstromes sollte nicht über 50ºC liegen, da bereits oberhalb dieser Temperatur für flüchtige Stoffe eine Desorption eintritt. Die abzuscheidenden Stoffe müssen „adsorbierbar" sein (s. Tabelle). Aktivkohle ist staubempfindlich. Es sollten daher der Aktivkohle zur Abscheidung nicht gasförmiger Luftverunreinigungen hochwertige Staubfilter vorgeschaltet werden. Als Faustregel gilt: Gase oder Dämpfe, deren Moleküle mehr als 3 NICHT-Wasserstoffatome haben, sind gut adsorbierbar. 

Tabelle über die Wirksamkeit der Aktivkohle bei folgenden Stoffen (Auswahl) 

Es bedeutet: 4= sehr gute Adsorption 3= gute Adsorption 2= geringe Adsorption 1= sehr geringe Adsorption 

  www.bauweise.net