การผลิตอุปกรณ์ต่าง ๆ ในห้องคลีนรูม ช่วยควบคุมการปนเปื้อนฝุ่นละอองและเชื้อโรค เพื่อให้อุปกรณ์ทำงานได้เต็มประสิทธิภาพ และปลอดภัยกับผู้ใช้งาน ซึ่งตัวช่วยในการกรองอนุภาคขนาดเล็กในห้องคลีนรูม คือ เทคโนโลยีฟิลเตอร์กรองอากาศ (Air Filtration Technology) ช่วยกรองอนุภาคขนาดจิ๋วที่ตาเปล่ามองไม่เห็น มาเจาะลึกเทคโนโลยีสุดมหัศจรรย์นี้ด้วยกันครับ
กำเนิดแผ่นกรองอากาศ
แผ่นกรองอากาศถูกนำมาใช้และพัฒนาต่อเนื่องตั้งแต่ ค.ศ.1900 หรือยุคก่อนสงครามโลกครั้งที่ 2 จนถึงปัจจุบัน ซึ่งพัฒนาจาก Hepa ที่ใช้กรองสิ่งปนเปื้อนจากกัมมันตภาพรังสี สู่การประยุกต์ใช้กับห้องปลอดเชื้อในโรงงานยาและอุตสาหกรรมต่าง ๆ
ทำไมต้องมีการกรองอากาศ?
ในบรรยากาศปกติประกอบด้วยแก๊สหลายชนิด ได้แก่ ออกซิเจน 21% ไนโตรเจน 78% อาร์กอน 1% คาร์บอนไดออกไซด์ 0.03% และแก๊สอื่น ๆ ในปริมาณเล็กน้อย เช่น ไฮโดรเจน นีออนคริปทอนฮีเลียม โอโซนซีนอน รวมถึงไอน้ำ ในปริมาณที่แตกต่างกัน
อากาศเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับมนุษย์ โดยเฉลี่ยมนุษย์ต้องการปริมาณออกซิเจนประมาณ 30 ลิตรต่อชั่วโมง ดังนั้น มนุษย์จึงต้องการสูดอากาศประมาณ 150 ลิตรต่อชั่วโมง (150LPH x 21% = 31.5LPH) หรือ 0.15 CMH
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมนุษย์ผลิตแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากร่างกาย จึงจำเป็นต้องใช้อากาศบริสุทธิ์ (Fresh Air) ประมาณ 5.0 CMH เพื่อชดเชย ซึ่งหากกำหนดค่ามาตรฐานที่ต้องเติมอากาศจากภายนอกให้เพียงพอต่อปริมาณอากาศที่ต้องการ โดยปกติจะกำหนดไว้ที่ 15-30 CMH/1 คน แต่เมื่อในอากาศมีอนุภาค (Particle) ต่าง ๆ จำนวนมาก ไม่ว่าจะมาจากการเผาไหม้ของรถยนต์ การปล่อยของเสียจากอุตสาหกรรม หรือกระบวนการอื่น ๆ ดังนั้น ฝุ่นในบรรยากาศจึงเป็นการรวมกันของหมอกควันอนุภาคขนาดเล็ก และยังรวมถึงสิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก เช่น ถั่วงอกสปอร์ (Spore) หรือละอองเรณู (Pollen) อีกด้วย อนุภาคเหล่านี้เรียกว่า “Aerosols” ลอยอยู่ในอากาศและอาจปนเปื้อนในการอุตสาหกรรมต่าง ๆ ได้ จึงจำเป็นต้องมีการกรองอากาศ เพื่อควบคุมปริมาณอนุภาคเหล่านี้
ฟิลเตอร์หยาบ – ฟิลเตอร์ละเอียด
ฟิลเตอร์กรองอากาศมีให้เลือกใช้มากมาย ตั้งแต่ “ฟิลเตอร์แบบหยาบ” สำหรับดักจับฝุ่นผ้าสำลี และเส้นผม ไปจนถึง “ฟิลเตอร์ HEPA” เพื่อประสิทธิภาพในการดักจับอนุภาคขนาดเล็กระดับไมครอน ซึ่งอนุภาคเป็นวัตถุที่มีขนาดเล็ก สามารถระบุคุณสมบัติทางกายภาพ หรือทางเคมีได้หลายอย่าง เช่น ปริมาตร ความหนาแน่น หรือมวล
หน่วยวัดของอนุภาค (Particle) มักถูกกำหนดโดยไมโครเมตร (ไมครอน, micron, μm) โดยวัดเป็นเส้นผ่านศูนย์กลาง แต่หากเล็กกว่านั้นจะวัดเป็น นาโนเมตร (nano, nm)
*1 micron = 0.001 millimeter
1 nanometer = 0.001 micron
อนุภาคขนาดเล็กช่วงเล็กกว่า 0.3 ไมครอน เช่น ไวรัส จะสามารถลอยในอากาศตามกระแสลม ส่วนอนุภาคขนาดใหญ่ที่มีน้ำหนักมาก จะตกลงสู่พื้น
การทำงานของฟิลเตอร์กรองอากาศ
กลไกการทำงานของฟิลเตอร์กรองอากาศ สามารถแบ่งได้เป็น 4 กลไก โดยยึดตามขนาดของอนุภาค และความละเอียดของแผ่นกรองอากาศ ดังนี้
-
Sieving
กลไกแรกจะเริ่มจากการดักอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่าระยะห่างระหว่างเส้นใยของแผ่นกรอง มักจะมีผลต่อขนาดอนุภาคตั้งแต่ 5 μm ขึ้นไป อธิบายให้เข้าใจง่าย ๆ คืออนุภาคที่มีขนาดใหญ่จะไม่สามารถผ่านเส้นใยไปได้นั่นเอง
-
Inertia Impaction
เมื่ออนุภาคไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านโครงสร้างเส้นใยของตัวกรองได้ จะเกิดแรงเฉื่อยที่ทำให้อนุภาควิ่งไปชนเส้นใยด้วยตัวเอง กลไกนี้จะมีผลอย่างยิ่งกับอนุภาคตั้งแต่เส้นผ่านศูนย์กลาง 1 μm ขึ้นไปและจะมีประสิทธิภาพสูงขึ้นเมื่ออนุภาคมีขนาดใหญ่ขึ้นอีก
อธิบายให้เห็นภาพคือ ลักษณะของ Inertia Impaction เปรียบได้กับการขับรถแหกโค้งชนต้นไม้ รถคือตัวแทนของอนุภาค ถนนคือกระแสลม และต้นไม้คือเส้นใยแผ่นกรอง
-
Interception
อนุภาคขนาดเล็กที่มีน้ำหนักเบา จะเคลื่อนที่ผ่านเส้นใยตามกระแสลม เมื่ออนุภาคเข้าใกล้เส้นใยมากขึ้น ตัวอนุภาคจะถูกดูดเข้าหาเส้นใยจากทิศทางด้านข้างของกระแสลม ความเร็วลมที่เกิดขึ้นจะไม่มีผลต่อประสิทธิภาพ แต่สิ่งที่จะทำให้เกิดการกรองอนุภาคขนาดเล็กเช่นนี้ได้ คือเส้นใยขนาดเล็กจำนวนมาก เราสามารถเรียกแรงดูดหรือแรงยึดเหนี่ยวแบบนี้ว่า Van der Waals Force ซึ่งจะมีผลสำหรับอนุภาคตั้งแต่ 0.1 μm -1 μm โดยประมาณ และจะมีประสิทธิภาพสูงขึ้นเมื่ออนุภาคมีขนาดใหญ่ขึ้น
-
Diffusion
อนุภาคที่มีขนาดต่ำกว่า 1 μm (โดยประมาณ) จะไม่ไหลตามกระแสลมผ่านเส้นใยแล้ว แต่มันจะเคลื่อนที่อย่างไร้ทิศทาง ซึ่งเรียกว่า Brownian Motion โมเลกุลในอากาศทำให้อนุภาคขนาดเล็กเหล่านี้จะเคลื่อนที่ซิกแซกไปสัมผัสเส้นใย และยึดติดกับเส้นใยเพิ่มขึ้น ตามความเร็วที่ลดลง และขนาดอนุภาคที่เล็กลง
การคำนวณประสิทธิภาพของฟิลเตอร์กรองอากาศ
สุดท้ายนี้ เราจะมามองประสิทธิภาพโดยรวมของตัวกรองแต่ละประเภท ประสิทธิภาพสูงสุดจะถูกกำหนดให้แตกต่างกันตามประเภทของฟิลเตอร์ รวมถึงการเคลื่อนไหวของอนุภาค
เมื่อผ่านฟิลเตอร์แต่ละแบบ ประสิทธิภาพการกรองของกลไก Inertia Impaction และ Interception จะลดลง ตามขนาดอนุภาคที่เล็กลง ในขณะที่ Diffusion ประสิทธิภาพของแผ่นกรองอากาศจะลดลงตามขนาดอนุภาคที่ใหญ่ขึ้น จุดที่อนุภาคที่มีความสามารถทะลุทะลวงได้มากที่สุด และสามารถหลุดผ่านกระบวนการกรองของแผ่นกรองได้มาก เรียกว่า Most Penetration Particle Size (MPPS) ซึ่งจุดนี้จะมีขนาดอนุภาคประมาณ 0.1-0.2 ไมครอน
กล่าวได้ว่า MPPS เป็นจุดที่ไส้กรองอากาศมีประสิทธิภาพโดยรวมต่ำที่สุดที่จะกรองอนุภาคได้ (แล้วแต่ชนิดและยีห้อของไส้กรองอากาศ) ดังนั้นจึงสรุปได้ว่า
MPPS ≠ 0.3μm ตามที่หลายคนเข้าใจผิด
และ MPPS efficiency ≠ 0.3μm efficiency เช่นกัน
HEPA ที่วัดประสิทธิภาพตาม MPPS ไม่ได้กรองฝุ่น
ได้แค่ 0.3 μm แต่มันกรองฝุ่นได้เล็กกว่านั้น
ฟิลเตอร์กรองอากาศ เป็นเพียงส่วนหนึ่งของการสร้างห้องสะอาด (Cleanroom) ที่เป็นมาตรฐานในอนาคตของทุกอุตสาหกรรม หากคุณต้องการรู้จักกับห้องสะอาดให้มากขึ้น อ่านเพิ่มเติมได้ใน: รอบรู้เรื่องห้องคลีนรูม แบ่งเป็นกี่ประเภท ใช้ในอุตสาหกรรมใดบ้าง? และ รู้จัก Cleanroom PIC/S ห้องคลีนรูมมาตรฐานเพื่ออุตสาหกรรมการผลิตยา หรือติดตามความรู้ดี ๆ เกี่ยวกับห้องสะอาดกับ CAI Engineering ได้ที่เว็บไซต์นี้ เราและทีมงานผู้มีประสบการณ์มากกว่า 15 ปี พร้อมถ่ายทอดความรู้เพื่อคุณครับ
ร่วมเดินหน้าสู่นวัตกรรมการปรับอากาศให้เท่าทันกับโลกอนาคตไปกับเรา
Line OA : @caihvac หรือ Click https://lin.ee/RTsrnHb
E-mail : veeraya@caiengineering.com
Blockdit : https://www.blockdit.com/caiengineering
