Hiệu suất lọc là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa hiệu suất lọc

Hiệu suất lọc (filtration efficiency) là tỷ lệ phần trăm các hạt hoặc chất ô nhiễm bị giữ lại qua bộ lọc so với tổng số hạt ban đầu đi vào. Nó phản ánh khả năng của hệ thống lọc trong việc loại bỏ các hạt có kích thước xác định khỏi dòng khí hoặc chất lỏng đi qua.

Công thức phổ biến để tính hiệu suất lọc là: $\text{Hiệu suất lọc} = \left(1 - \frac{C_\text{ra}}{C_\text{vào}}\right) \times 100\%$ trong đó $C_\text{vào}$ là nồng độ hạt tại đầu vào và $C_\text{ra}$ là nồng độ hạt sau khi qua bộ lọc.

Khái niệm này áp dụng cho cả lọc khí và lọc chất lỏng—bất cứ khi nào có một chất mang (khí hoặc dung dịch) đi qua một vật liệu lọc, hiệu suất lọc là chỉ số chuẩn để so sánh độ hiệu quả giữa các bộ lọc khác nhau. Trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và y tế, người ta yêu cầu bộ lọc đạt hiệu suất cao (ví dụ HEPA ≥ 99,97 % đối với hạt 0,3 µm). Donaldson – Air Filter Efficiency

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất lọc

Kích thước và phân bố hạt ảnh hưởng lớn: các hạt có kích thước gần mức xuyên lọc (most penetrating particle size, MPPS) thường khó bị giữ lại nhất, nên hiệu suất thường thấp hơn tại vùng MPPS.

Vật liệu và cấu trúc của bộ lọc (vật liệu sợi, màng, cấu trúc porosity) quyết định khả năng bắt giữ hạt. Cấu trúc porosity có gradient (độ rỗng giảm theo chiều sâu) có thể tăng hiệu suất lọc bằng cách giảm hiện tượng tắc cục bộ. :contentReference[oaicite:0]{index=0}

Tốc độ dòng chảy, áp suất qua lớp lọc, nhiệt độ, độ ẩm đều ảnh hưởng: dòng chảy lớn hoặc áp suất cao có thể làm hạt “đi theo” mà không bị giữ lại; độ ẩm làm thay đổi bề mặt lọc hoặc tạo hiện tượng ngưng tụ ảnh hưởng đến việc giữ hạt.

Phân loại hệ thống lọc theo ứng dụng

Lọc khí: thu giữ bụi, vi sinh vật, khí độc—ứng dụng trong hệ thống HVAC, phòng sạch, khẩu trang, phòng mổ.

Lọc chất lỏng: áp dụng trong xử lý nước, lọc dung dịch hóa chất, trong ngành thực phẩm và dược phẩm để loại vi sinh vật và tạp chất trong dung dịch.

Màng lọc (membrane filtration): siêu lọc (ultrafiltration), vi lọc (microfiltration), lọc nano (nanofiltration) dùng màng bán thấm để tách các phân tử nhỏ hơn từ dung dịch.

Hiệu suất lọc theo kích thước hạt

Một bộ lọc có hiệu suất khác nhau đối với các kích thước hạt khác nhau, thường được biểu diễn bằng đường cong hiệu suất theo kích thước hạt.

Ví dụ, bộ lọc HEPA cần đạt hiệu suất ≥ 99,97 % đối với hạt có đường kính 0,3 µm theo tiêu chuẩn EN 1822 hoặc ISO 29463. Việc hiệu suất thay đổi giữa các kích thước hạt nhỏ hơn hoặc lớn hơn do cơ chế bắt giữ khác nhau (khuếch tán, va chạm, che chắn). Food Engineering – Understanding Filtration Efficiency

Bảng minh hoạ hiệu suất giả định theo kích thước hạt:

Kích thước hạt (µm)	Hiệu suất lọc (%)
0,1	98,5
0,3	99,97
1,0	99,99

Phương pháp đo và đánh giá hiệu suất lọc

Để xác định hiệu suất lọc một cách chính xác, các thử nghiệm phải được tiến hành trong điều kiện kiểm soát, sử dụng các thiết bị và quy trình đạt tiêu chuẩn quốc tế. Việc đo hiệu suất không chỉ nhằm xác nhận hiệu năng của bộ lọc mà còn để đảm bảo an toàn trong các ứng dụng y tế, thực phẩm, dược phẩm và công nghiệp nặng.

Các phương pháp đánh giá phổ biến bao gồm:

• Đếm hạt bằng laser (Particle Counting): thiết bị đếm số lượng và kích thước hạt trước và sau bộ lọc, thường áp dụng trong thử nghiệm khẩu trang, lọc không khí.
• Thử nghiệm khí dung (Aerosol Challenge Test): sử dụng các khí dung chuẩn như NaCl, dầu paraffin hoặc DOP để đánh giá khả năng giữ hạt ở kích thước MPPS.
• Đo áp suất chênh lệch (ΔP): đo độ giảm áp suất qua bộ lọc ở lưu lượng cố định nhằm đánh giá trở lực của vật liệu lọc.

Trong lĩnh vực bảo hộ cá nhân, khẩu trang N95 của Hoa Kỳ phải vượt qua bài kiểm tra hiệu suất lọc khí dung NaCl với kích thước trung bình 0,3 µm tại lưu lượng 85 L/phút, theo tiêu chuẩn NIOSH 42 CFR Part 84 (CDC NIOSH).

Hiệu suất lọc và tổn thất áp suất

Hiệu suất lọc càng cao thường đi kèm với tổn thất áp suất lớn hơn vì luồng khí hoặc chất lỏng phải vượt qua một vật liệu có mật độ cao hơn hoặc kích thước lỗ nhỏ hơn. Tổn thất áp suất không chỉ ảnh hưởng đến lưu lượng mà còn làm tăng tiêu thụ năng lượng và gây căng thẳng cho hệ thống vận hành.

Sự đánh đổi này yêu cầu tối ưu hóa giữa khả năng giữ hạt và tổn hao năng lượng. Quan hệ giữa lưu lượng và áp suất thường được mô tả theo định luật Darcy: $Q = \frac{k A \Delta P}{\mu L}$ trong đó $Q$ là lưu lượng, $k$ là độ thấm của vật liệu, $A$ là diện tích màng, $\mu$ là độ nhớt động học của môi chất và $L$ là chiều dày lớp lọc.

Với các hệ thống lọc công nghiệp hoặc môi trường y tế, việc lựa chọn vật liệu lọc cần tính đến áp lực tối đa cho phép, tuổi thọ màng lọc và mức độ nhiễm bẩn để đảm bảo hiệu quả lâu dài mà không vượt quá mức tiêu thụ năng lượng chấp nhận được.

Ứng dụng của hiệu suất lọc trong các ngành công nghiệp

Hiệu suất lọc là thông số cốt lõi trong nhiều ngành công nghiệp mà yêu cầu về độ sạch, vô khuẩn hoặc an toàn sản phẩm là bắt buộc. Một số lĩnh vực ứng dụng bao gồm:

• Y tế: phòng mổ, thiết bị hô hấp, máy lọc không khí y tế cần đạt chuẩn HEPA/ULPA.
• Dược phẩm: lọc vô trùng nguyên liệu hoạt chất, nước pha thuốc tiêm, không khí trong buồng sạch GMP.
• Thực phẩm và đồ uống: lọc men bia, vi sinh vật trong sữa, loại bỏ tạp chất trong nước đóng chai.
• Điện tử: kiểm soát hạt bụi trong sản xuất vi mạch, buồng sạch cấp ISO 3–5.
• Năng lượng: lọc dầu, khí nén, khí thiên nhiên để bảo vệ turbine hoặc máy nén.

Ví dụ, theo Eurovent Certification, các hệ thống HVAC trong bệnh viện cần sử dụng bộ lọc đạt chuẩn ePM1 ≥ 80% để đảm bảo lọc được hạt bụi mịn và vi sinh vật bay hơi.

Hiệu suất lọc trong đời sống hằng ngày

Trong đời sống cá nhân và hộ gia đình, hiệu suất lọc của các thiết bị như máy lọc nước, máy lọc không khí, máy hút bụi, khẩu trang có ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và sự an toàn. Người tiêu dùng thường nhầm lẫn giữa “hiệu suất lọc” và “tốc độ lọc” hoặc “dung lượng lọc”.

Ví dụ:

Sản phẩm	Hiệu suất lọc	Thông số cần kiểm tra
Máy lọc không khí	≥ 99,97% với 0,3 µm (HEPA)	CADR, HEPA/ULPA grade
Máy lọc nước RO	≥ 95–99% muối, kim loại nặng	TDS, tốc độ lọc (L/h)
Khẩu trang N95	≥ 95% với NaCl 0,3 µm	NIOSH/EN tiêu chuẩn

Việc hiểu và lựa chọn đúng sản phẩm có hiệu suất lọc phù hợp không chỉ giúp tiết kiệm chi phí lâu dài mà còn đảm bảo khả năng bảo vệ sức khỏe tối ưu trong các môi trường có nguy cơ ô nhiễm cao.

Tài liệu tham khảo

1. Hinds, W. C. (1999). Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles. Wiley-Interscience.
2. CDC NIOSH (2023). National Personal Protective Technology Laboratory.
3. EPA. (2021). What is a HEPA Filter?
4. ISO 29463: High-efficiency filters and filter media for removing particles in air. ISO.org
5. Eurovent Certification. (2022). www.eurovent-certification.com
6. Donaldson Company. (2022). Air Filter Efficiency
7. Food Engineering Magazine. (2021). Understanding Filtration Efficiency