Können HEPA-Filter Nanopartikel auffangen?

Viele große Hersteller von Luftreinigern behaupten, dass nur ihre HEPA-Filter Nanopartikel abfangen würden, wie in dieser Molekule-Werbung.

Obwohl diese Behauptung falsch ist, wiederholen sogar Journalisten diesen Mythos. Warum ist dieser Glaube so allgegenwärtig?

Eine vernünftige Erklärung dafür ist, dass die Definition von „HEPA“ die Menschen auf diesen Weg führt. Zum Beispiel besagt diese Definition auf Wikipedia, dass HEPA-Filter „99,97 % der Partikel, die eine Größe von 0,3 µm oder mehr haben“ entfernen sollten.

Es werden nur Partikel mit einer Größe von 0,3 Mikrometern und mehr erwähnt. Und was ist mit Nanopartikeln? Nanopartikel reichen von 0,001 Mikrometer bis 0,1 Mikrometer. Können HEPA-Filter diese auffangen?

Genau diese Frage hat jahrelang zu Verwirrung und falschen Werbeaussagen über HEPA-Filter geführt, also gehen wir ihr auf den Grund.

Warum unsere Vorstellungen von Filtern falsch sind

Die Antwort ist überraschend. Sie ist überraschend, weil unsere Vorstellung von diesen Filtern falsch ist. Wie die meisten Menschen hatte ich die Intuition, dass HEPA-Filter wie ein Netz funktionieren.

Wenn ein Teilchen kleiner ist als die Löcher im Netz, kommt es durch. Das ergibt Sinn!

Diese Intuition gilt auch für große Partikel. Wenn große Partikel in einen HEPA-Filter fliegen, sind sie zu groß, um durchzukommen, also bleiben sie stecken.

Aber wenn wir zu den wirklich kleinen Teilchen – wie Nanopartikeln – hinunterzoomen, fangen die Dinge an, seltsam zu werden. Nanopartikel sind so klein, dass sie wie eine Flipperkugel umherhüpfen, wenn sie auf Gasmoleküle treffen. (Wissenschaftler nennen dies die Brownsche Bewegung.) Das bedeutet, dass sie in zufälligen Zickzackmustern fliegen.

Nanopartikel sind so klein, dass sie durch die Fasern in Filtern passen, aber sie bleiben trotzdem stecken. Wenn sie in Zickzack-Mustern fliegen, treffen sie auf die Fasern und bleiben stecken.

Wenn ein Filter ein Partikel auf diese Weise einfängt, nennen Wissenschaftler dies „Diffusion„.

Wie wirksam ist die Diffusion bei der Erfassung von Nanopartikeln?

OK, die Diffusion fängt also Nanopartikel ein. Aber wie viele Nanopartikel? Vielleicht 50% der Nanopartikel? Es stellt sich heraus, dass die Diffusion viel effektiver ist als das. Nach Angaben der NASA fangen HEPA-Filter „praktisch 100% der Partikel“ ab.

Aber wo sind die Daten? Forscher der Universität von Minnesota haben diese Frage mit schwächeren Glasfaser-Ofenfiltern und höherwertigen HEPA-Filtern getestet. In ihrem Test beschossen sie die Filter mit Silberpartikeln von 3 bis 20 Nanometern.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Filter 99,99% der Partikel auffingen, die kleiner als 5 Nanometer waren.

Ihre Ergebnisse zeigen, dass das Wunder der Brownschen Bewegung nicht nur für HEPA-Filter gilt. Dieses Prinzip funktioniert bei jedem Faserfilter, auch bei Furnance Filtern (auch „MERV-Filter“ genannt). In der obigen Grafik fingen die MERV-Filter etwa 99% der Partikel bei 10 Nanometern und 99,9% bei 4 Nanometern ein. Das ist beeindruckend für einen billigen Faserfilter.

Die Brownsche Bewegung funktioniert auch bei Masken! Wissenschaftler testeten beispielsweise 3M-Masken und stellten fest, dass sie bis zu einer Tiefe von 0,007 Mikrometern (7 Nanometern) zu 96% wirksam waren. Forscher der Universität von Massachusetts kamen bei ihren Maskentests zu ähnlichen Ergebnissen.

Warum der Fokus auf 0,3 Mikrometer?

Warum also erwähnt Wikipedia die Partikelgröße von 0,3 Mikrometern? Diese größeren 0,3-Mikrometer-Teilchen bilden nicht die untere Grenze, sondern liegen genau in der Mitte. Es hat sich herausgestellt, dass Partikel in diesem mittleren Bereich am schwierigsten zu erfassen sind.

Das liegt daran, dass 0,3-Mikrometer-Teilchen nicht gerade in Zickzack-Mustern fliegen. Sie sind zu groß. Gleichzeitig sind sie aber auch so klein, dass sie sich nicht so leicht in den Fasern verfangen (für Partikel, die sich in den Fasern verfangen, gibt es schicke Namen: „Impaktion“ und „Interzeption“).

Warum sollte mich das interessieren?

Luftreinigerhersteller können unsere fehlerhafte Wahrnehmung ausnutzen, um uns überhöhte Preise zu verrechnen. Zum Beispiel macht der Molekule-Reiniger Ansprüche wie diese auf ihrer Website:

Und hier erklärt IQAir, warum ihr HyperHEPA-Filter besser ist als ein „gewöhnlicher Filter“.

Der nationale Vorsitzende von Sharp behauptete auf Quora, dass gewöhnliche HEPA-Filter nichts unter 0,3 Mikron auffangen können.

Ich vermute, dass manche Leute wirklich so weit gehen, Reinigungsgeräte (und Werbeanzeigen) zu entwerfen, ohne diese Tatsache über die Filterung zu beachten. Sogar ein Journalist von Wired hat diesen Mythos wiederholt. Einige dieser Tricks könnten also eher auf Unwissenheit als auf Täuschung zurückzuführen sein. Aber jetzt kennst du die wissenschaftlichen Fakten dazu.