Die Theorie der Partikelfiltration ist in der Literatur sehr gut dokumentiert und mit der verfügbaren Messtechnik bis zu den kleinsten Partikelgrößen bestätigt. (Lee und Liu, 1980)
Die Fähigkeit eines Filters Partikel abzuscheiden beruht auf unterschiedlichen physikalischen und mechanischen Effekten, wie Diffusionseffekt, Sperreffekt, bzw. Trägheits- und Siebeffekt. Elektrostatische Effekte zwischen den Fasern des Filtrationsmediums und den zu filternden Partikeln können auch einen entscheidenden Einfluss haben, speziell bei synthetischen Fasern, welche sich stark elektrostatisch aufladen können. In einem idealen Filtrationsprozess wird jeder Partikel direkt beim ersten Auftreffen auf eine Faser oder einen schon abgeschiedenen Partikel dauerhaft abgeschieden. Bei kleinen Partikeln und geringen Luftgeschwindigkeiten übertreffen die Adhäsionskräfte (van der Waal’sche Kräfte) die kinetische Energie der luftgetragenen Teilchen im Luftstrom, einmal gefangen ist es nahezu unmöglich solche Partikel wieder vom Filter zu entfernen. Wenn die Partikelgröße und die Luftgeschwindigkeit sich vergrößern, bzw. erhöhen steigt die Gefahr, dass größere Partikel von der Faser abprallen.
Teilchen deren Durchmesser größer als der Abstand zwischen den Fasern ist, können das Filtermedium nicht passieren. Häufig wird angenommen, dass Luftfilter gemäß des Siebeffekts agieren. Wie die folgenden Filtrationseffekte aufzeigen, ist diese Annahme aber grundlegend falsch.
Größere Partikel besitzen eine zu große Trägheit um dem Luftstrom um die Faser herum zu folgen. Die Partikel ändern nicht ihre Richtung, berühren die Faser und verbleiben dort. Der Trägheitseffekt nimmt mit schnellerer Luftströmung und Zunahme von Größe oder Gewicht der Partikel zu, sodass dieser Filtrationseffekt für Partikel > 1µm der dominante Abscheidemechanismus ist.
Kleine Partikel folgen den Stromlinien um die Faser herum, haften aber an der Faser an, wenn sie ihr zu nahe kommen. Der Effekt nimmt zu, wenn die Teilchen größer, die Fasern dünner oder Abstand zwischen den Fasern geringerer wird, bzw. eine größere Anzahl an Fasern vorhanden ist.
Diffusion in Richtung der Medienfasern tritt nur bei sehr kleinen Partikeln, wie Viren auf. Die Partikel bewegen sich aufgrund der Brown’schen Molekularbewegung wahllos im Luftstrom. Dieser Mechanismus ist aber nur für Partikel mit einem Durchmesser <1µm relevant. Je geringer der Volumenstrom beim Betrieb eines Luftfilters ist, desto höher ist die Abscheideleistung, da den relevanten Partikeln mehr Zeit für die Diffusion zur Verfügung steht. Einmal abgeschieden, können sich die submikronen Partikel kaum noch von den Fasern des Filtermediums lösen, da die hierfür notwendigen Kräfte im Regelbetrieb ausgesprochen unrealistisch zu erzielen sind.
Bei welchem Filtrationseffekt bahnen sich schwere und große Partikel ihren eigenen Weg bis hin zum Kontakt mit den Fasern des Filtermediums?
