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空气洁净技术的发展与应用

作者:山东米6体育app「中国」有限公司公司 时间:2018-01-15 14:58:43 来源:原创

一、空气洁净技术的发展历程


空气洁净技术(又称洁净技术或洁净室技术)最初是指以控制室内空气中悬浮颗粒物浓度为目标的相关技术。悬浮颗粒物的浓度用单位体积空气中大于等于某一粒径的颗粒物的允许数量来表示,通常也称为空气的洁净度,并以此来划分洁净度等级。


最初运用洁净技术是为了提高精密产品(如仪器仪表)的成品率或降低其故障率。随着科学技术的发展,各种工业产品特别是微电子产品的精密度越来越高,对生产环境的洁净度要求也越来越高,控制的对象也从单一的悬浮颗粒物扩展到有害气体。洁净技术在控制空气中的悬浮颗粒物的同时,也有效地控制了空气中的细菌和病毒等有害微生物,所以又逐步推广到医疗、制药、生物等领域,形成了当前比较完善的洁净技术体系。


1.工业洁净室的发展


工业洁净室(ICR, Industrial Clean Room)以空气中的悬浮颗粒物为主要控制对象,主要为精密机械和电子产品等行业提供符合要求的生产环境。


与其他米6体育app技一样,洁净技术的诞生及最初应用是服务于军事目的的。第二次世界大战中一些枪炮、战车、飞机等使用的仪器合格率低或经常发生故障。研制者认识到,仪器生产与装配环境空气中的悬浮颗粒物是罪魁祸首,于是工业洁净室诞生了。最初的工业洁净室是比较简陋的,随着原子武器研究和生化武器研究的发展,在20世纪40年代初高效空气过滤器研制成功并得到应用,20世纪60年代初又出现了“单向流”洁净室,这些设备与技术的诞生成为洁净技术发展的里程碑,奠定了现代洁净技术的基础。


微电子行业是现代工业洁净室应用的代表。主要产品是大规模集成电路和平板显示器。半个多世纪以来,集成电路得到迅猛发展,表1-1是对其集成度发展趋势的预测。


集成电路集成度发展趋势预测

表1-1集成电路集成度发展趋势预测


从表1-1中可以看到,随着集成度的增加,元件中的线宽不断缩小,因此对空气中悬浮颗粒物的控制粒径也越来越小,一般认为控制粒径应当是线宽的1/10~1/3,但从表1--1看,由于线宽越来越小,这一要求也难以达到了。微电子产品的迅速发展对传统的洁净技术提出了极大的挑战,同时也促进了现代洁净技术的发展。


现代工业洁净室虽然仍以悬浮颗粒物为主要控制对象,但在某些工艺过程对空气中分子态污染物(AMC, Airborne molecular Contaminants)也提出了控制要求。因此,空气净化技术的关键设备也从单一的粒子过滤器发展到可以吸附有害气态物质的化学过滤器。


2.生物洁净室的发展


生物洁净室(BCR, Biological Clean Room)以空气中的微生物为主要控制对象,但同时也对悬浮颗粒物提出控制指标。


生物洁净室与工业洁净室在基本技术上是一致的,它实际是先期发展起来的工业洁净室技术在生物净化领域的具体应用。19世纪中期,英法科学家和医学家针对手术过程中的细菌感染采取了对创部、处置室、手术室、室内人员、着装、器械等进行消毒的措施,并将经过消毒的室内空间称为洁净室(CR, Clean room),该名词沿用至今,当然其内涵已经有了很大发展。20世纪60年代初,美国工业洁净室的发展进入全盛时期,人们通过测试发现在工业洁净室的空气中微生物含量同样远低于外界,于是开始尝试利用工业洁净室进行一些要求无菌环境的试验,最早的例子是在一间工业洁净室中对进入太空的狗进行的解剖实验。细菌、病毒是依附于空气中的液滴或灰尘并以此作为生存和传播媒介的,控制了空气中的颗粒物也就控制了空气中的微生物。1966年在美国新墨西哥州建成世界上第一个“层流式”洁净手术室,这是BCR技术用于医疗事业的最早实例。欧洲大陆最早的层流式”洁净手术室于1969年建在奥地利的急救医院。日本在1970年建立了第一个高级别的“层流式”洁净手术室。


从20世纪70年代开始,以美国为首的技术先进国家大规模地将工业洁净室技术引入防止以空气作为传播媒介的微生物污染控制领域,诞生了现代意义上的生物洁净室。


3.相关技术标准的发展


美国空军于1961年颁布的《技术手册(T.O.)00-25-203》是世界上第一个关于洁净室的技术标准,它涉及洁净室的设计、悬浮粒子控制标准、人员、服装、材料等要求,对洁净室的设计和运行产生了巨大影响。


1963年,在美国军方、政府和行业的共同努力下,颁布了第一个联邦标准FS-209其名称是《洁净室和工作站(受控环境)技术条件》。当时刚诞生的光学粒子计数器可以比较准确地测定的最小粒径为0.5μm,所以标准将其作为划分洁净度级别的标准粒径。


1966年对标准进行修改后称为FS-209A,而后陆续有B,C,D版,其共同特征是洁净度级别采用的是英制单位(立方英尺)。1992年改版为FS-209E,同时采用了英制和国际单位制(立方米)。由于在相当长的时间内洁净技术行业都执行或参照美国的这一标准体系,所以其分级方法至今仍在工程界得到应用,例如1级、100级、100000级等。


1999年,ISO14644洁净室国际标准体系颁布,逐渐为世界各国所采用。我国国家标准GB50073-2001《洁净厂房设计规范》(2001年11月13日颁布)也等同采用了ISO14644-1的洁净度等级划分方法。虽然美国FS-209标准在相当长时间内为各国引用,已形成习惯,但FS-209E已于2001年11月29日宣布取消。所以从法规的角度看,今后工程界都应采用国标或国际标准来描述洁净度级别,但生物洁净室尚不在此列。


4.我国空气洁净技术发展的概况


我国的空气洁净技术起始于20世纪50年代中期,至今大致经历了四个发展阶段:


(1)从20世纪50年代中期到60年代中期,主要借鉴前苏联的技术,服务于国防、航天、原子能工业与科研。与现代洁净技术相比,在厂房、设备、气流组织等各方面还都比较原始和粗糙,属于起步阶段。


(2)从20世纪60年代中期到70年代后期,由于国内外的种种原因,主要靠自力更生发展。当时参照了美国和日本的标准和技术,逐步研制成高效过滤器和钠焰法试验台(1965年)、洁净工作台(1967年)、粒子计数器(1974年)、装配式洁净室(1976年)及其他洁净室附属设备(风淋室、传递窗、余压阀等),编制了“空气洁净技术措施”,奠定了我国洁净技术的基础。


(3)从20世纪70年代末到80年代末,由于实行了改革开放的国策,发达国家的技术与设备开始进入我国市场,现代洁净技术在我国的大规模集成电路、光导纤维、彩色显像管、液晶显示屏等工业洁净领域得到迅速发展,装备0.1μm高效过滤器的10级洁净小室(1986年)和无隔板过滤器(1989年)研制成功。同时在医疗、制药、生物、化妆品与食品行业生物洁净室也得到应用,一些制药厂对原有空调系统的改造中开始采用生物洁净技术(1978年),简易的水平“单向流”洁净室和装配式无菌病房用于医院(1980年),生物安全工作台(1981年)和细菌采样仪(1982年)研制成功。1982年我国医药行业GMP公布,1983年中国电子学会洁净技术分会成立,1985年GB73-1984《洁净厂房设计规范》颁布,我国的洁净技术进入稳步发展阶段。


(4)从20世纪80年代末至今,在大规模集成电路领域全面引进境外资金、技术与设备,形成一批知名的国际品牌企业,洁净室的规模越来越大,风机过滤器机组(FFU,Fan Filter Unit)和微环境技术得到应用和推广。在医疗和制药领域洁净技术趋向成熟与规范,生物安全技术发展迅速。包括微环境、密褶型无隔板高效过滤器(HEPA)、微计算机控制过滤器性能测试台等洁净技术相关的技术设备基本可以实现国产,同时还开始了0.1pm光刻机及相关环境的研制。1999年ISO14644-1洁净室国际标准发布后,我国等同采用此国际标准的GB50073—2001《洁净厂房设计规范》颁布,此后一系列有关医药、医疗和生物安全实验室的国家标准陆续颁布或正在修订和制定中。


我国的空气洁净技术经历了50多年的发展,已经形成相当完整的技术体系和广阔的应用市场,但还必须看到,由于种种原因,在洁净技术的高端领域和市场,我国还存在差距、缺少话语权,还需要科技和工程技术人员的不断努力。


二、洁净空调技术的应用领域


洁净空调技术在世界上已经历了半个多世纪的发展,随着科技与经济的发展,其应用范围愈加广泛,而且技术要求也更为复杂。目前它的代表性应用主要是在微电子工业、医药工业及食品工业等。


1.微电子工业


微电子工业对洁净室要求最高。大规模和超大规模集成电路(LSI,UISI)以及液晶显示器(LCD)的生产与发展对洁净度的要求越来越高。集成电路制造工艺中,集成度越大,则图形尺寸(以线宽为代表)越细,允许颗粒物浓度也越低。此外,现代工业中的液晶、光纤等的生产,同样均有很高的洁净度要求。


2.医药工业和医疗事业


(1)药品生产。制药厂的生产环境对药品的生产质量、人体健康有重大关系。我国《药品生产管理规范》(即GMP)早已在全国范围内实施,根据不同的工艺过程对生产环境提出了不同的洁净度级别要求。对于原料药、粉剂、针剂、片剂、大输液的生产、灌装等工艺,均已制定了洁净区和控制区的洁净标准。作为生物洁净室,除对生物粒子(细菌数)有明确的限制条件之外,还限定空气中尘埃粒子的含量。


(2)医院。白血病的治疗室、烧伤病房、急性传染病的预防病房、外科手术室,也必须根据具体条件采用洁净技术,以防止空气中细菌感染,对治疗起到环境的保障作用。


(3)医学科学实验。对于实验动物饲养、遗传工程等实验医学科学过程,也需配备洁净环境,才能取得有效的成果。为此,以洁净技术为重要手段的生物安全技术也得到迅速的发展。


3.食品工业


食品的无菌包装(如软包装鲜果汁、牛乳等),在保持食品色、香、味、营养等方面大大优于用高温杀菌的罐装食品。所谓无菌包装,就是在洁净环境中完成包装工艺。我国已开始在某些食品行业内引人并推进“危害分析和临界控制点( HACCP)”,其内容也与生产过程中洁净控制有关。


4.其他行业


航空航天、精密机械、仪器仪表、精细化学及日用化工等行业均广泛地应用到洁净技术。


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