PICOFIL
Einleitung: Die bionischen Prinzipien von PICOFIL
PICOFIL* ist ein innovatives Filterprinzip, welches bionisch eine Kreuzung von Lunge und Darm darstellt:
Herleitung: Die Alveolen in der Lunge sind im mechanischen Sinne bidirektional durchströmte Balgpumpen, in denen sich Partikel beim Ausatmen festsetzen können – oder auch nicht. Im ersteren Fall entsteht die unerwünschte Staublunge. Möchte man Partikel derart binden, macht es Sinn, mehrere „Alveolen“ in Reihe zu schalten – wie in einem Schwamm – und unidirektional durchfließen zu lassen. Wird dieser Schwamm umwandet wie von einem Darm und von diesem peristaltisch durchgewalkt, entsteht ein „Pumpenfilter“. Eine Strömung wird durch Poren beliebig klein steuerbarer Abmessungen gezwungen:
Zum Zeitpunkt t0 ist der Einlass „in“ verschlossen. Über den Zeitpunkt t1 öffnet sich dieser bis zum Maximum in t2. Ab dann schließt dieser wieder über t3 bis t4, was der Ausgangsstellung t0 entspricht. Während des Vorganges wandert der Sinusberg in Förderrichtung und ist an beiden Tiefpunkten durch das zusammengedrückte Filtermaterial und ggf. ein filterwirksames Fluid verschlossen. Das eingeschlossene Aerosol wird also durch den sich verjüngenden Querschnitt – wie in den Alveolen beim Ausatmen – angetrieben. Alle hier nicht anhaftenden Partikel müssen das gesamte Filtermedium auf dem Weg zum Ausgang durchlaufen. Der Auslass „out“ ist in t0 ist ebenfalls verschlossen. Über den Zeitpunkt t1 öffnet sich dieser bis zum Maximum in t2, wobei das gefilterte Aerosol entlassen wird. Ab dann schließt dieser unter weiterer Austreibung wieder über t3 bis t4, was auch hier der Ausgangsstellung t0 entspricht.
Somit können auch Partikel, die aufgrund ihrer
- geringen Größe z.B. lungengängig sind, weil der hydraulische Widerstand die Trägheit überwiegt, und/oder
- geringen Dichte keine Trägheit gegenüber des Fluids aufweisen, also nur über Sperreffekte zu binden sind,
mit zur Kollision mit dem Filtermaterial oder untereinander gezwungen werden.
Das PICOFIL-Prinzip maximiert somit die Kollisionswahrscheinlichkeit, ist international zum Patent angemeldet und unter No. WO 2018/104398 A1 veröffentlicht.
Das Prinzip ist beliebig skalierbar sowohl hinsichtlich
- der Baugröße der Anlage selbst als auch
- der Porengrößen(verteilung) im Filtermaterial.
Wie in der Filtertechnologie üblich, können Filter in Reihenschaltung von „grob“ über „mittel“ nach „fein“ kaskadiert werden und in Parallelschaltung einzelne Anlagenteile z.B. zu Wartungszwecken abgeschaltet bzw. demontiert werden.
Die Bindung, Deaktivierung und/oder Behandlung der Partikel kann
- physikalisch,
- chemisch,
- biologisch und/oder
- mechanisch
mittels bekannter Technologien geschehen. Denkbar ist auch, wie in folgender Animation gezeigt, dass gewisse Sorten Partikel gebunden werden (hier schwarz) und andere den PICOFIL passieren können (hier grün):
Inhalt
1 Kooperationspartner
2 Ziele von PICOFIL
3 Allgemeines
3.1 Benennung der Partikelgrößen am Beispiel von Plastik
3.2 Probleme bei der Filtration von Mikro- und Nanopartikeln
3.3 Stand der Technik bei der Filtration von Mikropartikeln
3.3.1 Beispiel
3.3.2 Kritische Fragen an alle Filtrationsprinzipien
4 PICOFIL
4.1 Version 1.0 „Helix“
4.2 Version 2.0
4.3 Version 3.0 „allrounder“
4.4 Geeignete Filtermaterialien
4.4.1 Allgemein erforderliche Eigenschaften
4.4.2 Mögliche Materialien
5 Vorversuche
5.1 Verformungswiderstand Schwamm
5.2 Durchströmungswiderstand Wasser
5.3 Walkmoment Schwamm
5.4 Simulationsrechnung