Vì sao đo Oxy hòa tan trong nước siêu tinh khiết không thể dùng sensor thông thường?

Trong các hệ thống nước siêu tinh khiết như lò hơi nhiệt điện, nước cấp công nghệ cao hay ngành bán dẫn, nồng độ Oxy hòa tan (DO – Dissolved Oxygen) thường chỉ tồn tại ở đơn vị phần tỷ (ppb (µg/L)). Ở dải đo này, việc sử dụng các sensor DO thông thường không chỉ cho kết quả thiếu chính xác mà còn tiềm ẩn nhiều rủi ro vận hành nghiêm trọng.

Đó là lý do các hệ thống này đòi hỏi giải pháp đo DO có độ nhạy cực cao, ổn định lâu dài và đáng tin cậy như ORBISPHERE 3650 và ORBISPHERE 3100 đến từ HACH.

1. Tầm quan trọng của việc kiểm soát Oxy hòa tan ở nồng độ thấp (ppb) 

Trong môi trường nước siêu tinh khiết, Oxy không còn đóng vai trò duy trì sự sống như trong môi trường sinh thái, mà trở thành một tác nhân gây oxy hóa mạnh cần được loại bỏ gần như hoàn toàn, nồng độ này chỉ được phép tồn tại ở mức µg/L (ppb). 

Nguy cơ ăn mòn trong hệ thống lò hơi 

Trong các nhà máy nhiệt điện, Oxy hòa tan là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng ăn mòn rỗ (pitting corrosion). Ngay cả ở nồng độ chỉ vài phần tỷ (ppb), dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, Oxy sẽ tấn công bề mặt kim loại của ống lò hơi và bộ quá nhiệt, tạo ra các lỗ thủng li ti dẫn đến sự cố nổ ống hoặc dừng máy đột ngột. 

Ảnh hưởng đến quy trình sản xuất bán dẫn 

Trong ngành điện tử, nước siêu tinh khiết được dùng để rửa các tấm wafer. Nếu còn tồn tại Oxy hòa tan, nó sẽ tạo ra lớp oxide tự nhiên trên bề mặt silicon, làm thay đổi đặc tính điện từ của chip và trực tiếp làm giảm hiệu suất hoặc hỏng cấu trúc nano của linh kiện. 

Xem thêm về Nồng độ Oxy hòa tan trong nước (DO) là gì? 

2. Giới hạn của Sensor DO thông thường trong môi trường siêu sạch 

Hầu hết các cảm biến DO phổ thông trên thị trường (thường dùng công nghệ Galvanic hoặc Polarographic truyền thống) được thiết kế cho dải đo từ 0 – 20 mg/L (ppm). Khi ứng dụng vào hệ thống nước siêu tinh khiết, các cảm biến này gặp phải những giới hạn vật lý không thể khắc phục: 

2.1. Độ nhạy và giới hạn phát hiện (LOD) không đạt yêu cầu 

Các sensor DO thông thường thường có độ phân giải khoảng 0.1 mg/L (100 ppb). Trong khi đó, tiêu chuẩn nước cấp lò hơi hiện nay yêu cầu nồng độ DO phải dưới 5 { ppb}. 

Sensor thông thường không có khả năng phân biệt sự biến thiên nồng độ ở mức 1 - 2 ppb. Điều này dẫn đến tình trạng thiết bị báo giá trị bằng 0 (giá trị giả) trong khi thực tế nồng độ Oxy có thể đang ở mức nguy hiểm. 

2.2. Hiện tượng tiêu thụ Oxy tại bề mặt cảm biến 

Các cảm biến điện hóa truyền thống hoạt động dựa trên nguyên lý tiêu thụ Oxy tại bề mặt cathode để tạo ra dòng điện 

• Trong môi trường nước siêu sạch, lượng phân tử Oxy vốn đã cực kỳ ít ỏi. Khi sensor tiến hành đo, cũng đồng thời tiêu thụ luôn lượng Oxy khuếch tán đến màng. 

• Điều này tạo ra một vùng quanh đầu đo không có Oxy, khiến kết quả thu được thấp hơn nhiều so với nồng độ thực tế trong đường ống. 

2.3. Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy (Flow dependency)   

Do tiêu thụ Oxy trong quá trình đo, các sensor này yêu cầu tốc độ dòng chảy (flow rate) rất lớn và ổn định để liên tục bù đắp lượng Oxy mới đến bề mặt màng. Tuy nhiên, trong các hệ thống lấy mẫu nước siêu tinh khiết, lưu lượng thường được duy trì ở mức thấp để tiết kiệm nước và đảm bảo áp suất ổn định, khiến sensor thông thường đo sai lệch hoàn toàn.  

3. Thách thức về nhiễu tín hiệu và sự thẩm thấu ngược 

Nước siêu tinh khiết có đặc tính lý hóa đặc biệt, gây khó khăn cho các thiết bị đo không chuyên dụng: 

Nhiễu điện hóa do độ dẫn điện thấp 

Nước siêu tinh khiết có độ dẫn điện cực thấp (tiệm cận 0.055  µS/cm. Đây là môi trường rất dễ phát sinh tĩnh điện khi dòng chảy ma sát với thành ống. Các sensor thông thường không có cơ chế chống nhiễu chuyên sâu sẽ bị các xung điện này làm sai lệch tín hiệu truyền về, gây ra hiện tượng nhảy số liên tục. 

Sự xâm nhập của Oxy từ môi trường bên ngoài 

Ở dải đo ppb, nồng độ Oxy trong không khí (khoảng 20.9%) cao hơn gấp hàng triệu lần nồng độ trong mẫu. 

• Nếu sử dụng các bộ flow cell bằng nhựa hoặc các khớp nối không đạt chuẩn, Oxy từ không khí sẽ thẩm thấu qua vật liệu để đi vào mẫu nước. 

• Các thiết bị đo phổ thông không được thiết kế kèm theo hệ thống lấy mẫu kín tuyệt đối, dẫn đến kết quả đo luôn cao hơn thực tế do nhiễm Oxy từ môi trường (Oxygen ingress). 

4. Giải pháp đột phá từ Hach Orbisphere: 3650 và 3100 

Để giải quyết triệt để các hạn chế trên, thương hiệu Orbisphere (thuộc tập đoàn Hach) đã thiết kế các dòng máy chuyên dụng cho dải đo thấp, tiêu biểu là Orbisphere 3650 và Orbisphere 3100. 

4.1. Công nghệ điện cực bảo vệ (Guard Ring) 

Trong model Orbisphere 3650, cảm biến điện hóa được trang bị một điện cực bảo vệ giúp ngăn chặn Oxy từ bên trong dung dịch điện phân hoặc từ rìa màng khuếch tán vào điện cực chính. Điều này cho phép thiết bị đạt được độ ổn định điểm Zero tuyệt đối, cực kỳ quan trọng khi đo ở mức dưới 1 ppb. 

4.2. Công nghệ cảm biến quang học tiên tiến (LDO) 

Model Orbisphere 3100 sử dụng công nghệ phát quang (Luminescence). 

• Không tiêu thụ Oxy: Vì không dùng phản ứng hóa học để đo, sensor không làm thay đổi nồng độ mẫu tại điểm đo. 

• Không phụ thuộc dòng chảy: Kết quả đo chính xác ngay cả khi lưu lượng mẫu cực thấp hoặc thay đổi đột ngột. 

• Tốc độ phản ứng: Thời gian đáp ứng t90 cực nhanh, giúp phát hiện ngay lập tức các sự cố xâm nhập Oxy vào hệ thống. 

4.3. Hệ thống Flow Cell chuyên dụng 

Thiết bị Orbisphere đi kèm với các bộ flow cell lắp bằng thép không gỉ 316L được xử lý bề mặt cao cấp, đảm bảo tính kín khít cơ khí tối đa, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ thẩm thấu Oxy từ bên ngoài. 

Các phương pháp đo oxy hòa tan, đánh giá ưu - nhược điểm và lựa chọn tối ưu

5. So sánh Sensor đo DO thông thường và Hach Orbisphere trong nước siêu sạch 

6. Lợi ích kinh tế khi đầu tư đúng giải pháp đo DO 

Việc đầu tư một hệ thống đo DO chuyên dụng như Hach Orbisphere có chi phí ban đầu cao hơn so với sensor thông thường, nhưng lợi ích mang lại về lâu dài là rất lớn: 

• Bảo vệ tài sản: Giảm thiểu tối đa nguy cơ ăn mòn lò hơi, kéo dài tuổi thọ thiết bị lên hàng chục năm. Tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí sửa chữa và thay thế ống. 

• Tiết kiệm hóa chất: Khi đo chính xác nồng độ DO, kỹ sư vận hành có thể tối ưu hóa lượng hóa chất khử Oxy (như Hydrazine hoặc các chất thay thế), tránh việc châm quá mức gây lãng phí và ô nhiễm nguồn nước. 

• Đảm bảo chất lượng sản phẩm: Trong ngành bán dẫn hoặc dược phẩm, việc kiểm soát DO ổn định giúp giảm tỷ lệ sản phẩm lỗi, nâng cao uy tín thương hiệu. 

Việc đo Oxy hòa tan trong nước siêu tinh khiết bằng sensor thông thường là một sự lãng phí về nguồn lực vì kết quả thu được không có độ tin cậy kỹ thuật. Để đảm bảo an toàn cho các thiết bị đắt tiền trong hệ thống nhiệt điện hay bán dẫn, việc sử dụng các thiết bị chuyên dụng như Hach Orbisphere 3650 và 3100 là lựa chọn tất yếu. 

Sự khác biệt nằm ở khả năng đo lường chính xác tới từng phần tỷ (ppb), mang lại sự ổn định và hiệu suất cao nhất cho quy trình sản xuất của bạn. 

Công ty cổ phần thiết bị công nghệ AQUA  

Văn phòng đại diện:  23 Đường Số 4, Cư Xá Chu Văn An, Phường Bình Thạnh, TP.HCM. 

Văn phòng giao dịch: Số 2 đường 5, Khu phố 67, Phường Hiệp Bình, TP HCM.

Hotline:  0909 246 726  

Tel: 028 6276 4726  

Email: info@aquaco.vn