Overzicht van verschillende soorten filtratie

Onder filtratie verstaat men het reinigen van vloeistoffen of gasvormige stoffen door middel van een filterproces. Filtratie is een mechanisch scheidingsproces en berust uitsluitend op een natuurkundige basis. Begrippen als: filtratie, filteren en filtering worden in deze context als synoniem gebruikt.

Filtratie van water – waterhygiëne staat centraal

Voor de bereiding van drinkwater is filtratie noodzakelijk. Alleen op die manier kan een betrouwbare bescherming tegen kiemen die gevaarlijk zijn voor de gezondheid worden gegarandeerd. Bovendien kunnen door filtratie hormonen, pesticiden, nitraat, nitriet, resten van geneesmiddelen en eventuele zware metalen uit het water worden verwijderd. De keuze voor een bepaalde filtermethode hangt enerzijds af van de kwaliteit van het te zuiveren water en anderzijds van de eisen die er aan het eindproduct (drinkwater, proceswater, water voor medische doeleinden) worden gesteld.

Filters worden bijvoorbeeld door drinkwaterbedrijven ingezet bij de bereiding van drinkwater. Deze moet voldoen aan de eisen van de drinkwaterwet en het drinkwaterbesluit. Ook steeds meer privéhuishoudens gebruiken, uit het oogpunt van hygiëne, extra waterfilters.

Basisprincipes van de filtratie

Bij de filtering maakt men onderscheid tussen twee filtratieprincipes: oppervlakte- en dieptefiltratie. Daarnaast is er nog een combinatie van deze beide principes: de koekfiltratie.

Oppervlaktefiltratie
 

De partikeldoorsnede is groter dan de poriedoorsnede. Dit betekent dat de te filteren stoffen op basis van hun grootte worden tegengehouden. Het filter heeft daarom in de regel een geringe diepte en bestaat uit dunne membranen.
Voorbeelden: membraanfilter, filterkaarsen, microzeven, doekfilter
De membraanfiltertechniek wordt vooral gebruikt bij de sterielfiltratie voor medische doeleinden. Door de geringe poriegrootte van slechts 0,2 μm bieden membraanfilters een betrouwbare bescherming tegen kiemen die in het water leven. Doekfilters worden vooral toegepast bij waterzuiveringsinstallaties.

Dieptefiltratie
 

Hier is de partikeldoorsnede kleiner dan de poriedoorsnede. De partikels dringen in de poriën en worden in de diepte, dat wil zeggen in het filtermedium, vastgehouden. Om de partikels te kunnen scheiden is er een filterlaag van gegoten, korrelig materiaal van hoge diepte (hoogte van de laag), waar de partikels uit het water worden gescheiden. Bij dieptefiltratie gebruikt men normaal gesproken filterhoogten van ca. 1-2 meter.
Dieptefilters worden toegepast bij sterke vervuiling in situaties waarin andere filters, zoals membraanfilters, onvoldoende lang meegaan.

Koekfiltratie
 

De koekfiltratie is een combinatie van oppervlakte- en dieptefiltratie. Als koekfiltratie worden die processen gedefinieerd, waarbij zich op een laag een filterkoek vormt die vervolgens bijdraagt aan de scheiding van de partikels of die de eigenlijke filterlaag vormt. Om filtratie te kunnen laten plaatsvinden, zijn een filtermiddel dat de vloeistof doorlaat en de vaste stof uitscheidt, nodig. Ook moet er een drukverschil zijn. Het filtermiddel kan tweedimensionaal zijn (textiel, draadweefsel, papier, karton o.i.d.) of het kan een laag zijn (zand- of sintellaag o.i.d.). De vaste stof hecht zich als een koek aan het filtermiddel.
Koekfiltratie wordt gebruikt bij afvalwaterinstallaties.

Speciale filterprocessen

Membraanfiltratie
 

Bij membraanfiltratie wordt het water door een dunne, fijnporige wand (het membraan) gefilterd, die naar gelang het ontwerp van het membraan ook de kleinste partikels, zoals virussen of bacteriën, kan tegenhouden. Bij zulke speciale filters spreekt men van sterielfiltratie. Een groot deel van het membraanfilter wordt van polymere grondstoffen geproduceerd. In sommige situaties worden keramische- of metaalmembranen gebruikt.

Er wordt onderscheid gemaakt tussen verschillende membraanprocessen, zoals: microfiltratie (MF), ultrafiltratie (UF), nanofiltratie (NF) en omgekeerde osmose (OO). De eerste beide processen kan men als mechanisch werkend microfilter beschouwen. Deze bestaan uit kunstmatig geproduceerde membranen met een vast gedefinieerde poriedoorsnede. Voor de functie van het membraan is het belangrijk dat de poriën in de richting van het schone water groter worden. Bij nanofiltratie en omgekeerde osmose worden dichte of diffusie-open membranen gebruikt.

Het principe van de omgekeerde osmose werd voor het eerst ontdekt in de jaren ‘50, bij het ontzouten van zeewater. Het is een beproefd proces om uit bijvoorbeeld zeewater vrijwel 100% schoon drinkwater te genereren. In dit proces wordt water door een synthetisch, semipermeabel (halfdoorlatend) membraan gedrukt, dat slechts in één richting en alleen voor watermoleculen doorlaatbaar is.

Er is onderscheid tussen verschillende membraangeometriën, zoals: vlakke plaatmembranen, holle vezel membranen, monokanalen, multikanaalelementen, schijven en zakmembranen. Om de waterhygiëne bij medische toepassingen te kunnen garanderen, worden vooral holle vezelmembranen gebruikt, die als eindstandige filters worden gebruikt.

Actieve koolfiltratie
 

De actieve koolfiltratie is gebaseerd op het principe van de adsorptie. Schadelijke stoffen, zoals stof of zware metalen worden met behulp van het actieve koolhoudende filter uit de vloeistof of het gas verwijderd. Bij de bereiding van drinkwater worden actieve koolfilters gebruikt om organische substanties en reuk- en smaakstoffen te filteren, maar ook om medicijnresten uit het water te zuiveren.

Op basis van de adsorptietechniek is de opnamecapaciteit van actieve kolen eindig, waardoor, na het opvullen, een uitwisseling of regeneratie noodzakelijk is. Indien actieve kolen niet op tijd worden verwisseld of gegenereerd dan raakt deze overbelast en kan het voorkomen dat het filtraat een hogere hoeveelheid ongewenste inhoudsstoffen bevat dan het ongezuiverde water.

Verder reageert koolstof ook als reductiemiddel en is het geschikt om oxidatiemiddelen als ozon en chloor uit afvoerlucht of gebruiks- of afvalwater te verwijderen. Actieve kolen worden ook met een membraankern aangeboden, zodat hier de voordelen van twee filters kunnen worden gecombineerd.

Bovendien zijn er nog diverse chemische en biologische processen voor de bereiding van drinkwater, zoals bijvoorbeeld desinfectie of biochemische oxidatie. Alle processen hebben hun eigen voordelen. Bij de keuze komt het eropaan welke stoffen er moeten worden gezuiverd uit het te reinigen water en wat de gewenste eindkwaliteit van het water moet zijn.