HEPA-Filter: Partikel fangen mit physikalischen Tricks

Für das Militär entwickelt, heute in der Industrie unverzichtbar

Luftfilter werden nach Größe der Partikel unterschieden, die sie aus der Luft reinigen. Grobstaubfilter scheiden Partikel größer als 10 Mikrometer ab ( z. B. Haare und Sand), während sich in Feinstaubfiltern auch Partikel von 1 bis 10 Mikrometern verfangen (z. B. Pollen, Sporen, Zementstaub). Noch kleinere Teilchen werden in Schwebstofffiltern eingefangen, zu denen neben EPA- und ULPA- auch HEPA-Filter gehören. Sie scheiden selbst Partikel von weniger als 1 Mikrometer Durchmesser (z. B. Aerosole, Bakterien, Coronaviren) aus der Luft ab.

HEPA-Filter (High Efficiency Particulate Air Filter, Hochleistungs-Partikelfilter) wurden im Zuge der Atomwaffenforschung in den 1940er Jahren entwickelt. Die neue Technologie sollte im Stande sein, selbst kleinste radioaktive Partikel aus der Luft zu entfernen. Heute werden HEPA-Filter in Operationssälen, Reinräumen, Labors und Flugzeug-Klimaanlagen eingesetzt. Daneben sind auch Halbleiterhersteller, die Kerntechnik und viele weitere Industrien auf sie angewiesen, um Luftverschmutzungen in Forschungs- und Produktionsstätten zu minimieren.

Partikel haften durch Adhäsion an den Filterfasern

HEPA-Filter bestehen aus einem mehrlagigen Geflecht sehr feiner Glasfasern oder anderem Gewebe wie Zellulose. Eine einzelne Filterfaser hat einen Durchmesser von lediglich 1 bis 10 Mikrometer. Anders als die gröberen Vorfilter arbeiten HEPA-Filter nicht nach dem Sieb-Prinzip. Dafür ist das Fasernetz eines HEPA-Filters ohnehin zu inhomogen: Die einzelnen Fasern haben mal größere, mal kleinere Abstände zueinander. Stattdessen nutzen sie die physikalischen Eigenheiten der Bewegung unterschiedlich kleiner Partikel aus, um diese einzufangen.

• Trägheitseffekt: Aufgrund ihrer Masseträgheit folgen größere Partikel nicht den feinen Richtungsänderungen des Luftstroms um die Fasern. Stattdessen prallen sie in die Fasern hinein und werden durch Adhäsionskräfte an sie gebunden.
• Sperreffekt: Mittelgroße Teilchen folgen dem Luftstrom um die Fasern, berühren dabei jedoch unausweichlich irgendwann das Gewebe und bleiben haften.
• Diffusionseffekt: Partikel kleiner als 1 Mikrometer bewegen sich nicht gleichmäßig durch das Filtergewebe, sondern chaotisch. Grund dafür ist Diffusion, also das ständige Zusammenstoßen mit Gasmolekülen. Dadurch legen die Teilchen innerhalb des Filters eine große Strecke zurück, bis sie schließlich an einer Gewebefaser hängen bleiben.

Durch Ausnutzen dieser physikalischen Effekte können HEPA-Filter auch Partikel abscheiden, die deutlich kleiner sind als die Zwischenräume zwischen den einzelnen Fasern. Die Filtermatten werden meist gefaltet verbaut, um bei gleichbleibend großem Rahmen die nutzbare Filteroberfläche zu erhöhen. Besonders die Abscheidung kleinster Teilchen durch den Diffusionseffekt profitiert von dieser Plissierung.

Nur 5 von 100.000 Partikeln durchdringen einen H14-Filter

Schwebstofffilter (EPA, HEPA und ULPA) werden nach EN 1822 klassifiziert. Je höher die Filterklasse, desto mehr der besonders schwer filterbaren Partikel von 0,1 bis 0,3 Mikrometern Größe bleiben im Gewebe hängen. Ein HEPA-Filter der Klasse H14 hat eine Abscheidungsrate von 99,995%. Von 100.000 Teilchen treten also nur 5 wieder auf der anderen Seite aus.

Neben Einweg-Filtern gibt es auch solche, die sich reinigen und wiederverwenden lassen. Allerdings ist die Reinigung häufig aufwändig und entfernt nie alle Schmutzpartikel aus dem Filtergewebe. Außerdem sind selbst wiederverwendbare HEPA-Filter nur für eine begrenzte Anzahl an Reinigungszyklen ausgelegt. Da Mehrwegfilter meist teurer sind als die Einweg-Varianten, geht mit ihnen nicht per se eine Kostenersparnis einher.

Orientierung an Filterklassen erleichtert Kaufentscheidung

Hersteller haben HEPA-Filter als wirksames Marketinginstrument erkannt und versuchen dementsprechend häufig, ihre Geräte mit dem Schlagwort „HEPA“ zu bewerben. Die Bandbreite der HEPA-Geräte reicht dabei von Luftreinigern bis zu Haushaltsgeräten wie Staubsaugern. Dabei ist allerdings Vorsicht geboten, denn „HEPA-basierte“ oder „HEPA-ähnliche“ Filter erbringen nicht immer die Filterleistung, die Verbraucher von ihnen erwarten. Wer einen Filter mit geprüft hohem Abscheidegrad benötigt, sollte deshalb auf die beiden HEPA-Filterklassen H13 und H14 achten. Um Viren auszufiltern ist die Klassifizierung H14 erforderlich.

Aufgrund ihres feinmaschigen, dichten Gewebes erzeugen HEPA-Filter einen hohen Differenzdruck. Nicht in jedem Filtergerät ist ein Ventilator verbaut, der stark genug ist, sie ausreichend zu durchströmen. Außerdem sollten HEPA-Filtern stets Vorfilter vorgeordnet sein. Darin verfangen sich grobe Partikel, die den Endfilter ansonsten schnell zusetzen würden.