Description

สารกรองคาร์บอน

 

สารกรองคาร์บอน 

กรองรส,กลิ่น,สี สารอินทรีย์ และสารตกค้างต่างๆ ที่ปนเปื้อนมากับน้ำ รวมทั้งสารคลอรีน โลหะหนัก ยาฆ่าแมลง เป็นสารกรองที่ผลิตจากถ่านหิน ที่ผ่านกรรมวิธีเผา และให้ความร้อน จนได้สารกรองคาร์บอนที่มีความพรุนสูง

สารกรองสารกรองคาร์บอนมีลักษณะเป็นเกล็ดหรือเม็ดขนาดเล็กมีดำ มีขนาด Mesh Size 8 x 30ค่า ID (Iodine Number) 1100 ใช้สำหรับบรรจุในถังกรองหรือภาชนะเพื่อทำหน้าที่ดักจับ สี กลิ่น สารอินทรีย์ คลอรีน โลหะหนักและสารพิษบางชนิด

การเกาะหรือดูดติดผิวการเกาะ หรือ ดูดติดผิว (AD-SORPTION) เป็นความสามารถของสารบางชนิดในการดึงโมเลกุล หรือคอลลอยด์ซึ่งอยู่ในของเหลว หรือ ก๊าซให้มาเกาะจับและติดบนผิวของมัน ปรากฏการณ์เช่นนี้จัดเป็นการเคลื่อนย้ายสาร (MASS TRANSFER) จากของเหลว หรือก๊าซมายังผิวของของเเข็ง โมเลกุล หรือ คอลลอยด์ เรียกว่า ADSORBATE ส่วนของเเข็งที่มีผิวเป็นที่เกาะจับของ ADSORBATE เรียกว่า ADSORBENT ตัวอย่างของการดูดติดผิวของโมเลกุลสี บนถ่านเเอ็คติเว้ตเต้ดคาร์บอน (ACTIVATED CARBON)
การเกาะจับของโมเลกุลบนผิวของสารอาจเกิดขึ้นด้วยเเรงกายภาพ (เช่นVANDER WAAL FORCE) หรือด้วยแรงเคมี หรือทั้งสองอย่างรวมกัน โดยทั่วไปการเกาะติดผิวในระบบประปามักถือเป็นขบวนการทางกายภาพ เพราะโมเลกุลถูกดูดให้เกาะบนผิวของของเเข็งโดยเเรงกายภาพ และมีปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นน้อย

การดูดติดผิวมีบทบาทไม่น้อยในระบบผลิตน้ำประปา เนื่องจากสามารถกำจัดสารมลทินที่มีขนาดเล็ก จนถึงขั้นโมเลกุลซึ่งไม่อาจกำจัดได้ด้วยวิธีตกตะกอน หรือการกรองแบบธรรมดา

1.ประเภทของแอ็คติเว้ดเต็ด สารกรองคาร์บอน

สารที่มีอำนาจดูดโมเลกุลต่างๆมาติดผิวได้ (ADSORBENT)มีหลายชนิดซึ่งอาจเเบ่งได้เป็นสามประเภท ดังนี้

1.ประเภท อนินทรีย์ เช่น ดินเหนียวชนิดต่างๆ แมกนีเซียมออกไซด์ ถ่านกระดูก แอคติเว้ดเต็ดซิลิก้า ฯลฯ สารธรรมชาติมักมีพื้นผิวจำเพาะ ประมาณ 50-200 ม/กรัม อย่างไรก็ตาม มีข้อเสียคือจับเลกุลหรือคอลลอยด์ได้เพียงไม่กี่ชนิดทำให้การใช้ประโยชน์จากสารดูดติดผิวประเภทสารอนินทรีย์มีจำนวนจำกัดมาก
2.แอ็คติเว้ดเต็ด สารกรองคาร์บอน อันที่จริงคาร์บอนชนิดนี้อาจจัดเป็นสารอนินทรีย์สังเคราะห์ก็ได้ เเต่เป็น ADSORBENT ที่ดีกว่าสารอนินทรีย์ชนิดอื่นๆ เนื่องจากมีพื้นผิวจำเพาะประมาณ 200-1000 ม/กรัม
3.ประเภทสารอินทรีย์สังเคราะห์ ได้แก่ สารเรซิน-เเลกเปลี่ยนไอออน (ION EXCHANGE RESIN) ชนิดพิเศษที่สังเคราะห์ขึ้นมา เพื่อกำจัดสารอินทรีย์ต่างๆ (มักเป็นประเภทที่เรียกว่า MACROPOROUS RESIN) สารเรซินเหล่านี้มีพื้นที่ผิวจำเพาะ ประมาณ 300-500 ม/กรัม (ซึ่งถือว่าตำเมื่อเปรียบเทียบกับของเเอ็คติเว้ตเต้ดคาร์บอนด์) เเต่อย่างไรก็ตามเรซินมีข้อได้เปรียบกว่า คือสามารถรีเจนเนอเรตได้ง่ายกว่ามาก  และรีเจนเนอร์แรนด์มักเป็นสารราคาถูกเช่น เกลืแกง สำหรับในประเทศไทยความเหมาะสมในการใช้เรซินดูดติดผิว อาจมีมากกว่า แอ็คติเว็ตคาร์บอน เมื่อคำนึงถึงข้อจำกัดในเรื่องของรีเจนเนอเรชัน (REGENERATION)

แอ็คติเว็ตเต็ดคาร์บอน (ACTIVATED CARBON) เป็นถ่านที่สังเคราะห์ขึ้นมาเป็นพิเศษ เพื่อให้มีพื้นที่ผิวมากที่สุด ซึ่งทำได้โดยการทำให้มีรุพรุน หรือโพรงภายในเนื้อคาร์บอนมากเท่าที่จะทำได้ (ดูภาพที่ 1) รูพรุน หรือโพรงมีขนาด ตั้งเเต่ 20 ถึง 20,000 การสังเคราะห์คาร์บอนชนิดนี้ กระทำได้โดยไล่ความชื้นออก จากวัตถุดิบ เสียก่อน จากนั้นจึงเผาวัตถุดิบที่แห้งให้เป็นถ่าน ที่อุณหภูมิประมาณ 400-600 ซ. คาร์บอนที่ได้ยังมีอำนาจดูดติดผิวต่ำ เนื่องจากโพรงภายในคาร์บอน ยังมี TAR อุดตันอยู่ คาร์บอนนี้จึงต้องเผาต่อไปที่อุณหภูมิประมาณ 750-950 ซ. ภายใต้ความชื้นที่เหมาะสมเพื่อไล่ TAR ออกให้หมด (ขั้นตอนนี้เรียกว่า ACTIVATION) จึงจะได้แอ็คติเว็ตเต้ดสารกรองคาร์บอน วัตถุดิบที่ใช้สังเคราะห์ แอ็คติเว็ตเต็ดคาร์บอน มีหลายชนิดเช่น กระดูกสัตว์, ถ่านหินบางขนิด, กะลา, มะพร้าว, เมล็ดในของผลไม้บางชนิด ฯลฯ เทคโนโลยี ปัจจุบัน สามารถทำให้แอ็คติเว็ตคาร์บอน หนัก 1 กรัม มีพื้นที่ผิว ประมาณ 600-1000 ตร.ม.

การที่สารกรองคาร์บอน ต้องมีพิ้นที่ผิวสูงก็เพื่อให้สามารถดูดโมเลกุลจำนวนมากๆ มาเกาะติดที่ผิวได้ พื้นที่ผิวจึงเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดสมรรถนะของคาร์บอน ด้วย เหตุนี้ สารกรองคาร์บอน ที่มีพื้นที่ผิวจำเพาะ (ม/กรัม) สูงจึงมีอำนาจ หรือ ขีดความสามารถในการดูดติดผิวสูงตามไปด้วย การวัดพื้นที่ผิวของคาร์บอนกระทำได้โดยการหาปริมาณไนโตรเจนที่ถูกคาร์บอนดูดเก็บไว้ วิธีวัดสมรรถนะของคาร์บอนอาจกระทำได้โดยการวัด IODINE NUMBER ซึ่งมีค่าใกล้เคียงกับพื้นที่ผิวของ สารกรองคาร์บอน หรือ อาจวัด MOLASS NUMBER แทน IODINE NUMBER แสดงถึงสมรรถนะ ของ สารกรองคาร์บอน ในการกำจัดสารที่มีโมเลกุลเล็ก ส่วน MOLASS NUMBER เเสดงถึงสมรรถนะ ในการกำจัดสารที่มีโมเลกุลใหญ่ ด้วยเหตุนี้ ขบวนการดูดติดผิวที่ใช้ในระบบประปา จึงนิยมใช้ไอโอดีนนัมเบอร์มากกว่า โมลาสนัมเบอร์ หรือ พารามิเตอร์ตัวอื่น ทั้งนี้เพราะ น้ำดิบมักมีสารโมเลกุลเล็กมากกว่าสารโมเลกุลใหญ่

สารกรองคาร์บอน ที่ใช้ในงานวิศวกรรมสิ่งเเวดล้อมมีสองประเภทคือ แบบ ผง  (POWDER ACTIVATED CARBON หรือ PAC)
เเละ เเบบเกล็ด  (GRANULAR ACTIVATED CARBON หรือ GAC) หรือ ระบบประปาอาจใช้คาร์บอน ชนิดใดก็ได้

1.สารกรองคาร์บอนแบบผง (POWDER ACTIVATED CARBON หรือ PAC)
สารกรองคาร์บอน แบบผงมีขนาด ประมาณ 10-50 ไมครอน หรือ น้อยกว่า ลักษณะเช่นนี้ทำให้คาร์บอนผงคล้ายกับสารเคมีอื่นๆ ที่ใช้ในการผลิตนำประปา การเติม สารกรองคาร์บอน ผงอาจกระทำพร้อมกับการเติมโคแอกกูเเลนท์ก็ได้ คาร์บอนที่ใช้เเล้ว จะรวมอยู่กะตะกอนแขวนลอยในน้ำกลายเป็นฟล็อค ซึ่งสามารถเเยกออกจากนำได้โดยการตกตะกอน หรือ การกรอง ด้วยเหตุนี้คาร์บอนผงจึงนิยมเติมก่อนขบวนการกรองนำ ในกรณีนี้น้ำที่มีสี และ มีความขุ่นต่ำ อาจเเก้ไขได้โดยการเติมคาร์บอนผง ประมาณ 5-20 มก./ล. และกรองออกด้วยเครื่องกรองนำ (แบบนี้เรียกว่า DIRECT FILTRATION) ถังตกตะกอนแบบโซลิดซ์ คอนแทคท์ (SOLID CONTACT CLARIFIER) สามารถใช้ร่วมกับคาร์บอนผงได้เป็นอย่างดี เเละ ดีกว่าการใช้ถังตกตะกอนแบบธรรมดา ทั้งนี้เพราะมีเวลาสัมผัสระหว่างน้ำ เเละคาร์บอนมานานมาก  ถังแบบโซลิซ์คอนเเทคท์ไม่ว่าจะเป็นแบบหมุนเวียนสลัดจ์ หรือ แบบ มีขั้นสลัดจ์ ช่วยประหยัดปริมาณคาร์บอนได้ประมาณ 15-40 % ของที่ใช้กับถังตะกอนแบบธรรมดา นอกจากนี้คาร์บอนผงอาจใช้เป็น PRECOAT ของเครื่องกรองเเบบเเท่งที่ เรียกว่า CANDLE FILTER สำหรับผลิตนำที่มีความบริสุทธิ์สูงมากๆ สำหรับใช้ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ หรือ อื่นๆ

2. สารกรองคาร์บอนแบบเกล็ด (GRANULAR ACTIVATED CARBON หรือ GAC)
สารกรองคาร์บอนคาร์บอนแบบเกล็ดมีขนาดใกล้เคียงกับขนาดของเม็ดทรายกรองน้ำ เเข็งที่เปราะ เเละ เบากว่าทราย

สารกรองคาร์บอน สำหรับระบบผลิตน้ำประปา แอ็คติเว้ตเต็ด คาร์บอนมีประโยชน์ต่อไปนี้
1. กำจัดสี กลิ่น รส ซึ่งเกิดจากสาร อินทรีย์ เช่น กรดฮิวมิค เเละ กรดฟัลวิค
2. กำจัดคลอรีนในน้ำ บางครั้งจำเป็นต้องเติมคลอลีนจำนวนมาก เพื่อให้ได้ผลอย่างรวดเร็วเฉียบพลันในการฆ่าเชื้อโรค จึงทำให้คลอรีนตกค้างในน้ำมากเกินไป กรณีนี้แก้ไขได้โดยบรรจุเเอ็คติเว้ตเต็ด คาร์บอนแบบเกล็ดไว้ในถัง และปล่อยให้นำไหลผ่านชั้นคาร์บอน
3. กำจัดโลหะหนักต่างๆ ถังคาร์บอนแบบเกล็ดสามารถ กำจัดปรอทและเงินได้หมด และสามารถลดความเข้มข้นของโลหะ อื่นๆ เช่น ตะกั่ว ทองเเดง ฯลฯ จนเหลือถึงระดับที่ยอมให้มีได้ในน้ำดื่ม
4. กำจัดยาฆ่าแมลง (PESTICIDE) โดยปรกติ กรรมวิธีทำความสะอาดน้ำแบบธรรมดาซึ่งได้เเก่ โคแอกกูเลซัน การตกตะกอน และ การกรอง มักไม่สามารถกำจัดยาฆ่าเเมลงชนิดต่างๆ ยกเว้น ดีดีที ซึ่งอาจถูกกำจัด ได้เพียงบางส่วน แอ็คติเว็ตเต็ดคาร์บอน ทั้งสองแบบ สามารถกำจัดยาฆ่าเเมลงชนิดต่างๆ ได้อย่างดี ปริมาณผงคาร์บอนที่ใช้ได้สูงประมาณ 5-20 มก./ล.
5.กำจัดผงซักฟอก กรรมวิธีทำความสะอาดน้ำเเบบบธรรมดา เเละ คลอรีนกำจัดผงซักฟอกออกจากน้ำโดยน้อยมาก ผงคาร์บอนที่เติมก่อนการตกตะกอนในปริมาณประมาณ 12.5-25 มก/ล. สามารถกำจัดผงซักฟอกได้ 50% เเต่ถ้าต้องการกำจัดผงซักฟอกได้ถึง 90%  หรือมากกว่า จะต้องใช้คาร์บอนแบบเกล็ด ซึ่งบรรจุเป็นถังเเละให้น้ำไหลผ่าน
6. กำจัดฟีนอลเเละสารประกอบฟีนอล โดยทั่วไปคาร์บอนจับฟีนอลต่างๆ ได้ดี เเม้กระทั่งคาร์บอนที่ใช้กำจัดสารอินทรีย์จนเสื่อมเเล้ว ก็ยังสามารถจับฟีนอลได้ ถ้าต้องการกำจัดฟีนอลให้หมดต้องใช้คาร์บอนแบบเกล็ด
7.กำจัดสารไฮโดรคาร์บอน คาร์บอนเหมาะสำหรับกำจัด คาร์บอนลูกโซ่อิ่มตัว (SATURATED CHAIN HYDROCARBON)

สาเหตุ เเละ การวัดกลิ่น เเละ รสในน้ำ

สาเหตุที่น้ำประปามีกลิ่น เเละ รสมีหลายอย่าง ซึ่งอาจเป็นสารที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ หรือ สารสังเคราะห์ที่กำเนิดมาจากโรงงานอุตสาหกรรมบางประเภท อาจสรุปสาเหตุต่างๆ ได้ดังนี้

(ก) จุลินทรีย์ต่างๆ อาจทำให้ประปามีกลิ่น เเละ รสได้ ยกตัวอย่าง เช่น แบคทีเรียที่กินเหล็กในท่อประปา อาจเป็นต้นเหตุกลิ่นเเละรสในน้ำได้ เเละ เกิดขึ้นได้เสมอกับนํ้ำประปาที่มีเหล็กสูงกว่า 0.3 มก./ล. สาหร่ายเป็นสาเหตุที่สำคัญที่สุดของการเกิดกลิ่นเเละรสในนำ จากการวิจัยพบว่า สารทีทำให้กลิ่นเเละรสเกิดขึ้นในระหว่างที่สาหร่ายมีชีวิต เมื่อสาหร่ายตาย สารดังกล่าว ถูก ปล่อยออกมากับน้ำ ทำให้เกิดปัญหา กลิ่น เเละ รส
(ข) สารอินทรีย์ต่างๆ ที่มีกำเนิด มาจากโรงงานอุตสาหกรรมเคมี เเละ โรงกลั่นน้ำมันต่างๆ ก็เป็นสาเหตุที่สำคัญอีกประการหนึ่ง ความเข้มข้นที่ส่งกลิ่น เเละ รส มักมีระดับต่ำมาก
(ค) กลิ่นเเละรสอาจเกิดผลปฏิกิริยาบางอย่าง เช่น ระหว่างคลอรีน เเละ ฟีนอล มำให้เกิดสารประกอบ คลอโรฟีนอล ปฏิกิริยาเคมีที่ไม่สมบูรณ์ของคลอรีน อาจทำให้กลิ่น เเละ รสได้เสมอ ด้วยเหตุนี้ระบบท่อส่งนำที่ผ่าน การเติมคลอรีนเเล้วจึงยังมีปัญหาเรื่อง กลิ่น เเละ รส ได้ง่าย
(ง) สารอนินทรีย์ ก็อาจก่อให้เกิดกลิ่น เเละ รสได้ ยกตัวอย่างเช่น น้ำที่มีเกลือแกงสูงกว่า 500 ม/ล. มักมีรสกร่อย หรือ H2S ในน้ำบาดาลก็อาจทำให้เกิดกลิ่นไข่เน่าได้เป็นต้น

เนื่องจากสารที่เป็นเหตุของกลิ่น เเละ รสมีนานาชนิด และสามารถเกิดขึ้นที่ระดับความเข้มข้นต่ำมาก การวิเคราะห์ทางเคมีเพื่อค้นหาสาเหตุของปัญหานี้ จึงมิใช่เรื่องง่าย ทั้งนี้เพราะมักไม่รู้ว่าจะวิเคราะห์หาอะไร การวัดกลิ่นเเละรสมักจะกระทำโดยการดม ทั้งนี้โดยถือว่า น้ำที่มีกลิ่น เป็นน้ำที่มีรสด้วย นั่นคือ กลิ่นเเละรสถือว่าเกิดอยู่ด้วยกัน การชิมเพื่อตรวจสอบรสของน้ำมิใช่วิธีที่ปลอดภัย จึงไม่ควรทำเป็นอันขาด วิธีวัดกลิ่น เเละ รสด้วยการดม (เรียกว่า THRESHOLD ODOR TEST หรือ TOT) เป็นการวัดอัตราการเจือจาง (ด้วยน้ำกลั่น) จนกระทั่งกลิ่นหายไปพอดี ค่าที่วัดได้เรียกว่า THRESHOLD ODOR NUMBER หรือ TON นำที่มี TON = 30 แสดงว่าต้องเจือจางถึง 30เท่า จึงจะทำให้กลิ่นหายไปพอดี เเม้ว่า TOT จะมิใช่ วิธีวิเคราะห์ที่เป็น วิทยาศาสตร์อย่างสมบูรณ์ เเต่ก็เป็นวิธีที่ทำได้ง่าย เเละ เชื่อถือได้พอสมควร จากการทดลองปรากฏว่าระดับ TON จะมีค่าแปรตามความเข้มข้นของปริมาณสารอินทรีย์คาร์บอน