Hút khí là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa hút khí

Hút khí là quá trình loại bỏ các chất khí hoặc hơi nước ra khỏi một không gian khép kín nhằm đạt được điều kiện chân không hoặc môi trường có áp suất thấp hơn áp suất khí quyển. Việc này được thực hiện bằng nhiều phương pháp vật lý hoặc hóa học, thường có mục đích phục vụ cho nghiên cứu khoa học, ứng dụng công nghiệp, y tế hoặc bảo quản thực phẩm. Tùy vào yêu cầu kỹ thuật, mức độ chân không đạt được có thể dao động từ chân không thô đến chân không siêu cao.

Trong kỹ thuật hút khí, áp suất là đại lượng cơ bản được kiểm soát và đo lường. Theo phương trình khí lý tưởng: $P = \frac{nRT}{V}$ áp suất $P$ trong một thể tích $V$ tỉ lệ thuận với số mol khí $n$. Do đó, việc hút bớt khí ra khỏi thể tích xác định sẽ làm giảm áp suất. Khi áp suất đạt mức thấp đủ để các phân tử khí còn lại có mật độ rất nhỏ, hệ được xem là đạt chân không kỹ thuật.

Các phương pháp hút khí phổ biến

Có nhiều phương pháp hút khí được sử dụng tùy thuộc vào mức áp suất cần đạt và loại hệ thống. Dưới đây là các nhóm thiết bị hút khí thông dụng:

• Bơm cơ học: gồm bơm cánh gạt (rotary vane), bơm piston, bơm màng. Chúng hoạt động bằng cơ chế dịch chuyển thể tích khí trong buồng kín và thải ra ngoài.
• Bơm phân tử: như bơm khuếch tán (diffusion pump) hoặc bơm turbomolecular, được dùng để đạt chân không cao và siêu cao, sử dụng va chạm phân tử để vận chuyển khí.
• Hút khí bằng hấp phụ: sử dụng vật liệu xốp (than hoạt tính, zeolite) để bắt giữ các phân tử khí, ứng dụng phổ biến trong lọc khí và khử mùi.
• Hút khí bằng phản ứng hóa học: dùng các chất phản ứng với khí cần loại bỏ, ví dụ natri phản ứng với oxy hoặc vôi sống hấp thụ CO₂.

Các hệ thống hút khí hiện đại thường kết hợp nhiều phương pháp để đạt hiệu quả cao và tiết kiệm năng lượng. Ví dụ, một chuỗi hút khí có thể sử dụng bơm cơ học để đạt chân không thô, sau đó chuyển sang bơm phân tử để đạt áp suất cực thấp phục vụ cho nghiên cứu vi mô.

Ứng dụng trong y học

Trong lĩnh vực y tế, hút khí được ứng dụng trong nhiều thủ thuật chẩn đoán và điều trị. Một trong những ví dụ điển hình là thủ thuật hút khí màng phổi (thoracentesis) nhằm loại bỏ khí tự do trong khoang màng phổi ở bệnh nhân tràn khí màng phổi. Khi có khí dư trong khoang này, phổi không thể giãn nở hoàn toàn, gây khó thở và giảm oxy máu.

Hệ thống hút trung tâm cũng là một phần không thể thiếu trong hầu hết bệnh viện hiện đại. Các thiết bị hút y tế được kết nối trực tiếp với mạng ống dẫn chân không trung tâm, cho phép hút khí, hút dịch hoặc hút máu trong phẫu thuật và hồi sức cấp cứu. Hệ thống này phải đảm bảo áp suất hút ổn định và có các bộ lọc khí để ngăn chặn vi khuẩn hoặc mầm bệnh.

Bên cạnh đó, hút khí còn được sử dụng trong quy trình gây mê bằng máy thở và hút khí dạ dày để giảm chướng bụng trong phẫu thuật ổ bụng. Tất cả các ứng dụng này đòi hỏi thiết bị phải được hiệu chuẩn chính xác và vận hành bởi nhân viên được đào tạo chuyên môn.

Ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu

Trong công nghiệp, hút khí là một phần không thể thiếu của các quy trình sản xuất hiện đại. Các ngành điện tử, bán dẫn, sản xuất pin và vật liệu nano đều yêu cầu môi trường chân không để đảm bảo độ tinh khiết và kiểm soát phản ứng hóa học chính xác. Ví dụ, quá trình phủ màng mỏng (PVD/CVD) để tạo lớp dẫn điện trên vi mạch chỉ có thể thực hiện trong buồng chân không cao.

Trong ngành cơ khí chính xác, hút khí giúp loại bỏ bọt khí khi đúc vật liệu composite hoặc nhựa, từ đó tránh khuyết tật bên trong sản phẩm. Các buồng chân không lớn được thiết kế để xử lý hàng loạt linh kiện hoặc vật thể có kích thước lớn như động cơ phản lực, tấm pin mặt trời.

Trong nghiên cứu khoa học, thiết lập môi trường không khí gần như tuyệt đối là yêu cầu bắt buộc cho các thiết bị như kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), máy quang phổ khối (MS) hoặc buồng phản ứng plasma. Những thiết bị này hoạt động dựa trên sự di chuyển của hạt hoặc sóng trong môi trường không có va chạm phân tử, do đó cần áp suất cực thấp.

Nguyên lý tạo chân không

Tạo chân không là quá trình làm giảm mật độ phân tử khí trong một thể tích nhất định nhằm giảm áp suất bên trong hệ thống. Theo phương trình trạng thái khí lý tưởng: $P = \frac{nRT}{V}$ áp suất khí $P$ phụ thuộc vào số mol khí $n$, nhiệt độ $T$ và thể tích $V$. Để đạt chân không, hệ thống hút khí phải giảm đáng kể lượng khí (giảm $n$) trong khi giữ nhiệt độ và thể tích gần như không đổi. Quá trình này đòi hỏi thiết bị có khả năng hút liên tục và đạt độ kín cao để hạn chế rò rỉ không khí từ môi trường bên ngoài.

Mức độ chân không được phân loại theo dải áp suất tuyệt đối, được thể hiện như sau:

Loại chân không	Áp suất (Pa)	Ví dụ ứng dụng
Chân không thô	10³ – 10⁵	Đóng gói thực phẩm, hút bụi công nghiệp
Chân không thấp	1 – 10³	Hệ thống hút trung tâm trong y tế
Chân không cao	10⁻³ – 1	Gia công linh kiện điện tử
Chân không siêu cao	< 10⁻⁶	Kính hiển vi điện tử, nghiên cứu vật lý lượng tử

Mỗi loại bơm chân không có giới hạn áp suất thấp nhất mà nó có thể đạt được. Do đó, trong các hệ thống hiện đại, người ta thường kết hợp nhiều loại bơm trong một chuỗi, từ bơm thô để hút khí chính, đến bơm khuếch tán hoặc turbomolecular để đạt chân không siêu cao.

Rủi ro và kiểm soát an toàn

Hệ thống hút khí nếu không được thiết kế và vận hành đúng kỹ thuật có thể gây ra nhiều rủi ro. Trong công nghiệp, việc hút chân không không đúng cách có thể dẫn đến hiện tượng sập buồng chân không do chênh lệch áp suất, gây hư hỏng thiết bị hoặc nguy hiểm cho con người. Ngoài ra, sự hiện diện của các hơi dễ cháy trong buồng chân không có thể gây cháy nổ nếu không có hệ thống kiểm soát khí thải phù hợp.

Trong y tế, áp suất hút quá mạnh có thể làm tổn thương mô, gây chảy máu hoặc hút nhầm khí thay vì dịch lỏng. Do đó, các hệ thống hút phải có van điều áp, thiết bị giới hạn lực hút và bộ lọc khuẩn để tránh nhiễm trùng. Việc đào tạo nhân viên y tế sử dụng thiết bị hút cũng là yêu cầu bắt buộc tại các cơ sở có hệ thống hút trung tâm.

Các quy trình an toàn đi kèm với hệ thống hút khí thường bao gồm:

• Kiểm tra rò rỉ và độ kín định kỳ bằng thiết bị phát hiện khí Helium
• Sử dụng van xả áp khẩn cấp để bảo vệ thiết bị khi áp suất vượt giới hạn
• Lắp đặt cảm biến nhiệt và áp suất để giám sát liên tục
• Trang bị hệ thống thông gió và lọc khí thải đạt chuẩn môi trường

Các thiết bị và công nghệ liên quan

Thiết bị hút khí rất đa dạng và được thiết kế chuyên biệt cho từng lĩnh vực ứng dụng. Các thành phần chính của một hệ thống hút khí tiêu chuẩn bao gồm:

• Bơm hút chân không: rotary vane, scroll, diaphragm, turbomolecular hoặc diffusion pump
• Buồng chân không: khoang kín chứa đối tượng cần hút khí, làm bằng thép không gỉ hoặc thủy tinh borosilicate
• Cảm biến áp suất: như cảm biến Pirani, cảm biến lạnh ion hoặc cảm biến điện dung
• Bộ điều khiển tự động: dùng PLC hoặc vi điều khiển để điều tiết tốc độ hút và áp suất hệ thống

Công nghệ hiện đại đang tích hợp thêm các yếu tố thông minh như kết nối IoT để giám sát từ xa, điều khiển qua điện thoại và phân tích dữ liệu vận hành theo thời gian thực. Các hãng sản xuất lớn như Atlas Copco, Pfeiffer Vacuum, và Edwards Vacuum đang cung cấp giải pháp hút khí trọn gói cho cả công nghiệp nặng và lĩnh vực nghiên cứu hàn lâm.

Tài liệu tham khảo

1. Atlas Copco – Fundamentals of Vacuum Technology: atlascopco.com
2. Pfeiffer Vacuum – Vacuum Technology Overview: pfeiffer-vacuum.com
3. ScienceDirect – Applications of vacuum in industrial processes: sciencedirect.com
4. PubMed – Use of vacuum systems in medical drainage: pubmed.ncbi.nlm.nih.gov
5. Edwards Vacuum – Learning Centre: edwardsvacuum.com