Hướng dẫn Cơ bản về Công nghệ Hạt

Trong Hướng dẫn Cơ bản về Công nghệ Hạt, bạn sẽ tìm hiểu về bản chất vật lý, nguồn gốc và hành vi của các hạt, bao gồm:

• Kích thước của chúng. Các hạt được đo bằng micron (µm). Chiều dài của một micron tương đương với 1/1000 milimét.
• Nồng độ hạt. Bao nhiêu hạt có trong một foot khối không khí trong nhà? Con người hàng ngày rụng bao nhiêu hạt?
• Ba cách để kiểm soát hạt. Lọc là cần thiết để kiểm soát sự ô nhiễm bởi hạt.
   
• 

Hạt

Nói chung, có ba loại hạt: hữu cơ không sống được, hữu cơ sống được và vô cơ. Hạt hữu cơ không sống được đến từ vật liệu hữu cơ không phản ứng, là vật liệu được xuất phát từ sinh vật sống và bao gồm các hợp chất dựa trên carbon. Hạt hữu cơ sống được có khả năng sống, phát triển hoặc nảy mầm dưới điều kiện thuận lợi; vi khuẩn và nấm là ví dụ của các hợp chất hữu cơ sống được. Hạt vô cơ là vật liệu không phản ứng, như cát, muối, sắt, muối canxi và các vật liệu dựa trên khoáng sản khác.

Kích thước

Các ứng dụng sản xuất khác nhau tập trung vào hạt được đo bằng micron. Những hạt này có kích thước từ dưới một micron (µm) đến khoảng 100 µm. Chiều dài của một micron tương đương với 1/1000 của một milimét. Một hạt muối đơn lẻ có kích thước khoảng 60 µm và tóc người có kích thước từ 50-150 µm. Mắt người trung bình không thể nhìn thấy các hạt nhỏ hơn 50 µm.

BẢNG 1: Một số hạt phổ biến và kích thước tương đối của chúng. NỘI DUNG HẠT | KÍCH THƯỚC HẠT (µm) Hạt hắt hơi | 10 – 300 µm Tóc | 50 – 150 µm Phấn hoa | 7 – 100 µm Bụi | 0.1 – 100 µm Có thể nhìn thấy | 50 µm Vi khuẩn | 1.0 – 10 µm Virus cúm | 0.07 µm

Nồng Độ

Một foot khối không khí trong nhà tiêu chuẩn thường chứa khoảng 1 triệu hạt lớn hơn 0.5 µm. Môi trường biển hẻo lánh có xu hướng có mức độ hạt thấp hơn so với môi trường lục địa hẻo lánh. Trong những môi trường đó, một foot khối không khí chứa hàng chục hoặc hàng trăm hạt lớn hơn 0.5 µm. Môi trường đô thị cao hơn nhiều về số lượng hạt so với hai môi trường kia.

Trong chất lỏng, một mililít nước siêu sạch của phòng sạch chứa ít hơn nhiều so với 1 hạt lớn hơn 0.05 µm, nhưng một mililít nước uống có thể chứa một triệu hạt lớn hơn 0.05 µm.

Con người tạo ra nồng độ hạt đáng kể, rụng khoảng 1 ounce (28 gram) hạt da mỗi ngày. Xem HÌNH 1. Quá trình thở ra khí đơn giản có thể tạo ra hàng nghìn hạt, đặc biệt là từ người hút thuốc.

HÌNH 1: Cách hoạt động của con người tạo ra hạt

Vật Liệu

Hầu như bất cứ thứ gì cũng có thể tạo ra hạt dưới điều kiện phù hợp. Trong phòng sạch, những người tạo ra hạt nhiều nhất thường là con người. Con người tạo ra hạt theo nhiều cách, bao gồm rụng tế bào da, phát ra mùi, rụng tóc, thở và hắt hơi.

Trọng Lực và Các Lực Khác

Như mọi vật chất, trọng lực và các lực khác (bao gồm lực ly tâm và lực điện) ảnh hưởng đến các hạt. Trong sự hiện diện của trọng lực, và vắng mặt các lực khác, hạt lớn hơn vài micron sẽ nhanh chóng lắng xuống bề mặt và tường ống mẫu. Xem BẢNG 2. Ngược lại, các hạt nhỏ hơn micron có thể ở trạng thái lơ lửng trong dòng không khí trong thời gian dài. Tuy nhiên, nếu lực ly tâm hoặc lực điện ảnh hưởng đến các hạt, các hạt có thể chống lại trọng lực, di chuyển khoảng cách lớn hơn hoặc bị hút về phía các bề mặt.

BẢNG 2: Khoảng cách lắng đọng trong không khí KÍCH THƯỚC HẠT (µm) | KHOẢNG CÁCH LẮNG ĐỌNG (cm/100s) 100.0 | 2620.0 10.0 | 30.6 1.0 | 0.35 0.1 | 0.00865 0.01 | 0.000695 0.0037 | ---

Vận Chuyển Hạt Trong Không Khí Qua Ống

Các hạt lớn có xu hướng lắng xuống, hoặc va chạm, và dính vào thành ống, làm cho việc lấy mẫu các hạt trở nên khó khăn hơn. Ống hoặc kênh thu mẫu từ một vị trí xa, nhưng khi mẫu trong ống di chuyển từ một vị trí xa đến máy đếm hạt, hai điều xảy ra:

• Một số áp suất bị mất
• Một số hạt dính vào ống

Mất Hạt Dạng Aerosol

Để giảm thiểu mất hạt trong ống, ống nên luôn nằm phẳng (nếu có thể) với ít uốn cong nhất có thể. Nếu cần phải uốn cong ống, bán kính cong (được đo ở phần lõm bên trong) không nên ít hơn sáu inch (15 cm). Ngoài ra, đường kính ống và vật liệu của ống nên phù hợp với việc vận chuyển hạt. Ống polymer dẫn điện Bev-A-Line® có đường kính nội bộ 3/8 inch (~8 millimet) thường được lắp đặt với hệ thống phân phối aerosol và cung cấp khả năng vận chuyển hạt vượt trội với chi phí hợp lý. Một số vật liệu ống không luôn luôn có sẵn hoặc phải chăng, do đó, dựa vào việc giảm thiểu mất hạt, danh sách sau được sắp xếp theo thứ tự ưu tiên:

1. Thép không gỉ
2. Polymer dẫn điện
3. Polyester
4. Vinyl (nếu chất làm mềm không gây trở ngại)
5. Polyethylene
6. Đồng
7. Kính
8. Teflon
9. Nhôm

Môi Trường

Nhiều quy trình công nghệ cao hiện đại đòi hỏi sự vắng mặt của các hạt rắn. Chẳng hạn, các công ty dược phẩm xác định độ sạch quy trình bằng cách giám sát hạt 0.5 µm và độ vô trùng sản phẩm bằng cách giám sát hạt 5 µm. Ngược lại, sản xuất bán dẫn thường tập trung vào hạt từ 0.3 µm xuống đến 0.05 µm.

Kiểm Soát Ô Nhiễm Hạt

Có ba cách để kiểm soát hạt:

• Loại bỏ các hạt hiện có trong môi trường sản xuất
• Ngăn chặn hoặc hạn chế nhập khẩu các hạt mới vào môi trường sản xuất
• Ngăn chặn sự tạo ra hạt mới trong quy trình sản xuất

Lọc

Lọc là cần thiết để kiểm soát ô nhiễm hạt. Có hai bước trong lọc: hướng các hạt đến bộ lọc và giữ chúng lại bên trong bộ lọc.

Bộ lọc trở nên hiệu quả hơn khi các hạt dần dần lấp đầy các khe trong phương tiện lọc, do đó có ít không gian hơn cho các hạt lọt qua. Sự ô nhiễm tăng lên tạo ra ít không gian hơn cho không khí đi qua, tạo ra áp suất lớn hơn qua bộ lọc và cuối cùng hạn chế dòng chảy qua bộ lọc. Một khi bộ lọc bão hòa với hạt, nó phải được thay thế. Đôi khi, phương tiện lọc có thể được làm sạch (rửa) và tái sử dụng.

Phương tiện lọc đã trở nên rất tinh vi và được làm từ các sợi tổng hợp, màng (Gore-Tex®), nhựa xốp hoặc gốm. Các tiêu chuẩn lọc không khí phổ biến như sau:

• Lọc không khí hiệu quả cao (HEPA) là tiêu chuẩn công nghiệp cho môi trường sản xuất siêu sạch hoặc siêu tinh khiết. Bộ lọc HEPA thường loại bỏ 99.99% các hạt bằng hoặc lớn hơn thông số kỹ thuật của bộ lọc, thường là 0.3 µm. Lọc HEPA là một phần không thể tách rời của hệ thống sưởi/ thông gió/ điều hòa không khí (HVAC).
• Lọc không khí hiệu quả cực cao (ULPA) loại bỏ 99.9997% các hạt bằng hoặc lớn hơn 0.12 µm. Môi trường quy trình siêu sạch đòi hỏi bộ lọc UPLA.

Ngày nay, các thiết bị đo hạt tinh vi có thể thực hiện phân tích hiệu quả lọc.

Phòng Sạch

Môi trường quy trình sạch phải luôn duy trì sự sạch sẽ, do đó chỉ lọc không khí của nhà máy là không đủ. Để giảm thiểu ô nhiễm hạt, quan trọng là phải xây dựng môi trường riêng biệt (phòng sạch) cho phép duy trì giới hạn hạt ở mức có thể đo lường và kiểm soát được.

Giảm thiểu ô nhiễm hơn nữa trong một phòng sạch yêu cầu nhân viên mặc trang phục bảo hộ, bao tóc và râu, mũ, giày và găng tay. Những bộ đồ này được gọi một cách yêu mến là "bộ đồ thỏ". Trong môi trường sạch nhất, nhân viên mặc bộ đồ thỏ được trang bị mũ bảo hộ và bộ lọc không khí thở ra. Trang phục phòng sạch rất quan trọng trong kiểm soát vi ô nhiễm nhỏ để chứa các hạt phát ra từ con người.

Phân Loại Phòng Sạch và Môi Trường Mini

Tổ chức Tiêu chuẩn Hóa Quốc tế (ISO) phát triển các tiêu chuẩn về nồng độ hạt trong các quy trình sạch. ISO 14644-1 thiết lập các lớp độ sạch không khí tiêu chuẩn cho phòng sạch và các khu vực sạch dựa trên nồng độ hạt trong không khí được chỉ định. Các giới hạn hạt cho phép cụ thể theo Lớp ISO được hiển thị trong BẢNG 3.

BẢNG 3: Phân loại phòng sạch ISO

Đánh Giá và Chứng Nhận Phòng Sạch

Chứng nhận phòng sạch diễn ra sau khi xây dựng hoặc thay đổi vật lý đáng kể. Chứng nhận đảm bảo cơ sở đã đáp ứng các yêu cầu về nồng độ tối đa hợp lệ về mặt thống kê của các hạt không khí có kích thước cụ thể. Chứng nhận phòng sạch có thể diễn ra ở một trong ba giai đoạn khác nhau: khi xây dựng, ở trạng thái nghỉ hoặc hoạt động. Tham khảo tài liệu ISO 14644 để biết thêm chi tiết.

Phát Hiện Hạt

Máy đếm hạt liên tục đo lường mức độ ô nhiễm hạt, xu hướng và nguồn gốc. Nhân viên sản xuất sử dụng dữ liệu hạt để hiểu nguyên nhân ô nhiễm, lập lịch bảo trì phòng sạch một cách chính xác, liên kết mức độ ô nhiễm với các quy trình sản xuất và tinh chỉnh từng bước của quy trình sản xuất.

Máy Đếm Hạt Quang Học

Hầu hết mọi người đều quen thuộc với cảnh bụi lấp lánh trong ánh nắng mặt trời. Bốn yếu tố cần thiết để nhìn thấy bụi: ánh nắng mặt trời (chiếu sáng bụi), bụi (phản chiếu ánh sáng), không khí (mang theo bụi) và mắt bạn (nhìn thấy bụi, hoặc chính xác hơn, nhìn thấy ánh sáng phản chiếu từ bụi). Một máy đếm hạt quang học (OPC) sử dụng các yếu tố tương tự nhưng tối đa hóa hiệu quả. Máy đếm hạt sử dụng nguồn sáng cường độ cao (laser), dòng không khí kiểm soát (thể tích quan sát) và các bộ phận thu sáng cực kỳ nhạy cảm (bộ phát hiện ảnh).

Phát Hiện Hạt

Máy đếm hạt liên tục đo lường mức độ ô nhiễm hạt, xu hướng và nguồn gốc. Nhân viên sản xuất sử dụng dữ liệu hạt để hiểu nguyên nhân của ô nhiễm, lập lịch bảo trì phòng sạch chính xác, liên kết mức độ ô nhiễm với quy trình sản xuất và tinh chỉnh từng bước của quy trình sản xuất.

Máy Đếm Hạt Quang Học

Hầu hết mọi người đều quen với hình ảnh bụi lấp lánh trong ánh nắng mặt trời. Cần có bốn yếu tố để nhìn thấy bụi: ánh nắng mặt trời (chiếu sáng bụi), bụi (phản chiếu ánh sáng), không khí (mang theo bụi) và mắt bạn (nhìn thấy bụi, hoặc chính xác hơn, nhìn thấy ánh sáng được bụi phản chiếu). Một máy đếm hạt quang học (OPC) sử dụng các yếu tố tương tự nhưng tối đa hóa hiệu quả của chúng. Máy đếm hạt sử dụng một nguồn sáng cường độ cao (laser), dòng không khí được kiểm soát (khối lượng quan sát) và các cảm biến thu sáng cực kỳ nhạy cảm (cảm biến ảnh).

Các Loại Máy Đếm Hạt

Có nhiều loại máy đếm hạt khác nhau. Sự khác biệt chính phụ thuộc vào môi trường mà các hạt được treo lơ lửng: không khí, chất lỏng, hoặc khí.

Không Khí: Máy đếm hạt không khí đo lường ô nhiễm trong các phòng sạch lọc HEPA, lắp ráp ổ đĩa cứng, nhà sản xuất dược phẩm, bàn thử nghiệm nhỏ, cơ sở phóng tên lửa và hàng trăm ứng dụng không khí được kiểm soát khác nhau.

Chất Lỏng: Máy đếm hạt chất lỏng đo lường ô nhiễm trong chất lỏng, bao gồm nước uống, dược phẩm tiêm, chất lỏng làm sạch vi điện tử và chất lỏng truyền động.

Khí: Máy đếm hạt khí đo lường ô nhiễm treo trong các khí được áp suất. Các khí này có thể là inert hoặc phản ứng và khô (không nước) hoặc chứa hơi nước.

Sử Dụng Máy Đếm Hạt

Máy đếm hạt không giống như các thiết bị kiểm tra phổ thông khác. Chúng bao gồm laser, quang học chuyên biệt, bảng mạch in (PCB) và khu vực lấy mẫu được căn chỉnh cẩn thận. Đo lường cực kỳ nhạy cảm bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như rung động, EMI (nhiễu điện từ), nhiệt độ cực đoan và bụi. Máy đếm hạt là các thiết bị điện tử nhạy cảm, hiệu suất cao có thể được sử dụng để theo dõi xu hướng, lấy mẫu hợp lệ về mặt thống kê và giải thích dữ liệu.

Theo Dõi Xu Hướng

Theo dõi xu hướng và máy đếm hạt cung cấp phân tích xu hướng ô nhiễm hạt chi tiết. Chúng giám sát sự thay đổi từ từ hoặc đột ngột trong mức độ ô nhiễm của môi trường. Thông tin này có thể cho nhà vận hành biết liệu có vấn đề với bộ lọc, công cụ hoặc quy trình có bẩn không, hoặc nếu ai đó để cửa hoặc van mở.

Lấy Mẫu Hợp Lệ Về Mặt Thống Kê

Số lượng mẫu, thời lượng và nhu cầu lấy mẫu cần được xem xét để đạt được một mẫu hợp lệ về mặt thống kê. Số lượng hạt có thể cao hơn trong dòng đối lưu hoặc lắng xuống bề mặt, nhưng nói chung, nguyên lý của sự khuếch tán cho thấy việc lấy mẫu từ một khu vực của phòng sẽ cung cấp dữ liệu tương tự như một khu vực khác của phòng.

Giải Thích Dữ Liệu

Một máy đếm hạt lấy mẫu môi trường với một tốc độ dòng chảy không đổi và đếm các hạt trong môi trường đó. Dữ liệu thu thập bởi máy đếm hạt có thể được xem theo hai cách:

• Số lượng thô: Tổng số hạt trong một kênh kích thước cụ thể. Số lượng thô không được tính toán dựa trên khối lượng mẫu, do đó dữ liệu không báo cáo giá trị ô nhiễm theo thể tích. Dữ liệu này hữu ích trong một số ứng dụng, cũng như trong việc hiệu chỉnh thiết bị.
• Số lượng chuẩn hóa: Tổng số hạt chia cho thể tích mẫu. Số lượng chuẩn hóa liên kết số lượng hạt với thể tích mẫu, do đó dữ liệu được báo cáo theo nồng độ hạt trên mỗi đơn vị thể tích (ft³, m³, mL, v.v.).

Kết Luận

Bài viết này cung cấp một hiểu biết cơ bản về hạt và đếm hạt để giúp cải thiện mức độ sạch của bạn.

Về Particle Measuring Systems

Là một nhà lãnh đạo công nghệ toàn cầu trong ngành giám sát môi trường,  Particle Measuring Systems, một công ty con của tập đoàn Spectris, là người sáng chế máy đếm hạt laser và là nhà sản xuất máy đếm hạt lớn nhất trên thế giới. Bất kể ngành nghề hay yêu cầu giám sát, chúng tôi giúp các nhà sản xuất đo lường những gì quan trọng.