สารกรองน้ำเรซิ่น (Ion Exchange Resin) คือ สารกรองลักษณะเม็ดทรงกลมขนาดเล็ก (Beads) ที่ทำจากพอลิเมอร์สังเคราะห์ (มักเป็น Polystyrene หรือ Polyacrylic) ซึ่งมีคุณสมบัติในการแลกเปลี่ยนประจุระหว่างตัวมันเองกับไอออนของแร่ธาตุที่ละลายอยู่ในน้ำ โดยไม่เปลี่ยนโครงสร้างทางกายภาพของเม็ดเรซิ่น
ประวัติการค้นพบ Ion Exchange
แนวคิดเรื่องการแลกเปลี่ยนอิออนเริ่มจาก Thomas Graham (1805–1869) และ Adolf Ferdinand Gehlen ศึกษาแร่ที่มีคุณสมบัติแลกเปลี่ยนอิออน เช่น zeolite ในช่วงปี 1850s มีการค้นพบในอังกฤษว่าดินสามารถแลกเปลี่ยนอิออนกับแอมโมเนียได้ ต่อมาในปี 1935 บริษัท Rohm and Haas ได้พัฒนาเรซิ่นสังเคราะห์รุ่นแรก
สรุป
หัวข้อ | รายละเอียด |
ค้นพบ | จากดินและแร่ zeolite ต่อมา Rohm and Haas พัฒนาเรซิ่นสังเคราะห์ในปี 1935 |
โครงสร้างเรซิ่น | PS-DVB กับหมู่ฟังก์ชันที่จับอิออน |
การจับประจุ | แลกเปลี่ยนอิออนผ่านหมู่ SO₃⁻ และ N⁺(CH₃)₃ |
Ion Selectivity | ขึ้นกับประจุและขนาดไฮเดรชันของอิออน |
การฟื้นฟู | ใช้ NaCl, HCl หรือ NaOH ร่วมกับสูตรคำนวณ
|
สารกรองน้ำเรซิ่น (Ion Exchange Resin) คือ สารกรองลักษณะเม็ดทรงกลมขนาดเล็ก (Beads) ที่ทำจากพอลิเมอร์สังเคราะห์ (มักเป็น Polystyrene หรือ Polyacrylic) ซึ่งมีคุณสมบัติในการแลกเปลี่ยนประจุระหว่างตัวมันเองกับไอออนของแร่ธาตุที่ละลายอยู่ในน้ำ โดยไม่เปลี่ยนโครงสร้างทางกายภาพของเม็ดเรซิ่น
1.เรซิ่นสำหรับระบบกำจัดความกระด้าง (Softener Resin)
สารกรองเรซิ่นดักจับหินปูนคืออะไร?
คือ Strong Acid Cation Exchange Resin (SAC) ซึ่งถูกเตรียมให้อยู่ในรูปของประจุโซเดียม (Na-form) เม็ดเรซิ่นจะมี "แขน" ที่พร้อมจะปล่อยโซเดียมออกมาเพื่อแลกกับไอออนของแคลเซียมและแมกนีเซียม
หลักการดักจับ Ca2+ และ Mg2+ (ความกระด้างของน้ำ)
น้ำกระด้างเกิดจากการที่มีแร่ธาตุ Calcium (Ca2+) และ Magnesium (Mg2+) ละลายอยู่สูง เมื่อน้ำไหลผ่านเรซิ่น จะเกิดปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนประจุ (Ion Exchange) ดังนี้:
สูตรเคมีปฏิกิริยาขณะกรอง:
2R-Na + Ca2+ -> R2-Ca + 2Na+
2R-Na + Mg2+ -> R2-Mg + 2Na+
(R คือโครงสร้างเม็ดเรซิ่น)
ทำไมต้องรีเจน (Regenerate) ด้วยเกลือ (NaCl)?
เมื่อเรซิ่นทำงานไปสักพัก "แขน" ของเรซิ่นจะเต็มไปด้วยแคลเซียมและแมกนีเซียม ทำให้ไม่สามารถจับเพิ่มได้ เราจึงต้องใช้สารละลายเกลือแกง (Brine Solution) ที่มีความเข้มข้นสูงเพื่อ "ไล่" หินปูนออกไป
สูตรเคมีปฏิกิริยาขณะล้างเกลือ:
R2-Ca + 2NaCl -> 2R-Na + CaCl2
R2-Mg + 2NaCl -> 2R-Na + MgCl2
ผลที่ได้: เรซิ่นกลับมาอยู่ในสภาพ Na-form พร้อมใช้งานอีกครั้ง ส่วน CaCl2 และ MgCl2 จะถูกชะล้างทิ้งไปทางน้ำทิ้ง
ความกระด้างของน้ำ (Water Hardness) และผลเสีย
ความกระด้างแบ่งเป็น 2 ประเภท:
ความกระด้างชั่วคราว (Temporary Hardness): แก้ไขได้ด้วยการต้ม (Bicarbonates)
ความกระด้างถาวร (Permanent Hardness): ต้องใช้เรซิ่นหรือ RO ในการกำจัด (Sulfates, Chlorides)
ผลเสียในโรงงานและอาคารสูง:
เกิดตะกรัน (Scale) ในบอยเลอร์ (Boiler) ทำให้เปลืองเชื้อเพลิงและเสี่ยงต่อการระเบิด
อุดตันในท่อน้ำและเครื่องจักร ลดประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน (Heat Exchanger)
ทำปฏิกิริยากับสบู่/ผงซักฟอก ทำให้เกิด "ไคลสบู่" เปลืองสารเคมี
20 ตัวอย่างผลเสียจากหินปูนในไลน์ผลิตและผลิตภัณฑ์:
โรงงานทอผ้า: สีติดไม่สม่ำเสมอ เนื้อผ้ากระด้าง
โรงงานฟอกย้อม: ตะกอนหินปูนทำปฏิกิริยากับสีย้อม ทำให้สีเพี้ยน
โรงงานน้ำดื่ม: เกิดตะกอนขาวในขวดเสียภาพลักษณ์สินค้า
โรงไฟฟ้า: ตะกรันอุดตันใบพัดเทอร์ไบน์
โรงงานกระดาษ: ผิวหน้ากระดาษไม่เรียบเนียน
โรงงานเบียร์: รสชาติเพี้ยนและเกิดตะกอนในถังหมัก
โรงงานผลิตชิ้นส่วนรถยนต์: คราบหินปูนเกาะชิ้นงานขณะชุบโลหะ
โรงสีข้าว (ระบบนึ่ง): หม้อนึ่งอุดตัน ทำงานช้าลง
โรงงานผลิตยา: น้ำที่ใช้ผสมยาไม่ได้มาตรฐานความบริสุทธิ์
โรงงานน้ำแข็ง: น้ำแข็งขุ่น ไม่ใส และเครื่องทำน้ำแข็งพังเร็ว
โรงงานผลิตกระป๋อง: คราบขาวติดบนบรรจุภัณฑ์
โรงงานนม: ตะกรันเกาะในระบบพาสเจอไรซ์ทำให้ฆ่าเชื้อไม่สมบูรณ์
โรงพยาบาล: เครื่องนึ่งฆ่าเชื้อ (Autoclave) อุดตัน
ห้างสรรพสินค้า: ระบบ Cooling Tower ประสิทธิภาพลดลง เปลืองไฟ
โรงแรม: สุขภัณฑ์เป็นคราบเหลือง ล้างไม่ออก
โรงงานอิเล็กทรอนิกส์: ไฟฟ้าลัดวงจรจากการสะสมของแร่ธาตุในน้ำล้าง
โรงงานพลาสติก: ระบบหล่อเย็นแม่พิมพ์อุดตัน ชิ้นงานบิดเบี้ยว
โรงงานยาง: สารเคมีผสมน้ำทำงานได้ไม่เต็มที่
โรงงานอาหารแช่แข็ง: ผิวสัมผัสของอาหารเปลี่ยนไป
โรงงานผลิตเครื่องสำอาง: เนื้อครีมแยกชั้นเนื่องจากประจุในน้ำ
2.เรซิ่นสำหรับระบบผลิตน้ำบริสุทธิ์ (Demineralization Resin)
น้ำ Demin หรือน้ำ DI คือน้ำที่ไม่มีประจุแร่ธาตุหลงเหลืออยู่ โดยใช้เรซิ่น 2 ชนิดทำงานร่วมกัน:
ประเภทของ Demin Resin
Cation Resin (Strong Acid Cation - SAC):
ทำหน้าที่: จับประจุบวก เช่น Na+, Ca2+, Mg2+, K+
แกนกลาง: ประจุลบ (Fixed Negative Charge) เพื่อดึงดูดประจุบวก
สภาพการใช้งาน: H-form
สูตรเคมี: R-SO3H + Na+ -> R-SO3Na + H+
Anion Resin (Strong Base Anion - SBA):
ทำหน้าที่: จับประจุลบ เช่น Cl-, SO4 2-, NO3-, SiO2 (ซิลิกา)
แกนกลาง: ประจุบวก (Fixed Positive Charge)
สภาพการใช้งาน: OH-form
สูตรเคมี: R-NOH + Cl- -> R-NCl + OH-
(เมื่อ H+ จากถังแรก เจอ OH- จากถังสอง จะกลายเป็นน้ำบริสุทธิ์ H2O)
การล้างฟื้นฟู (Regeneration)
Cation: ล้างด้วยกรดเกลือ (HCl) หรือ กรดกำมะถัน (H2SO4)
สูตร: R-Na + HCl -> R-H + NaCl
Anion: ล้างด้วยโซดาไฟ (NaOH)
สูตร: R-Cl + NaOH -> R-OH + NaCl
ค่าน้ำที่กรองได้: Conductivity < 10 µS/cm (ขึ้นอยู่กับการออกแบบ)
วิธีการเรียงถังกรอง (Configuration)
Cation - Anion (Two Bed): ระบบมาตรฐาน
Cation - Anion - Cation - Anion: เพื่อความบริสุทธิ์ที่สูงขึ้น
Cation - Degasifier - Anion: เพิ่มการกำจัดก๊าซ CO2 เพื่อลดภาระ Anion Resin
30 ตัวอย่างโรงงานที่ใช้น้ำ Demin และค่าความบริสุทธิ์ที่ต้องการ
โรงผลิตชิปคอมพิวเตอร์: 18.2 Megaohm (สูงสุด)
โรงงานประกอบ Hard Disk: 15-18 Megaohm
โรงงานผลิตหน้าจอ LED: 10-15 Megaohm
โรงไฟฟ้าแรงดันสูง (Boiler Feed): < 0.1 µS/cm
โรงงานชุบทอง: 1-5 Megaohm
โรงงานฉีดวัคซีน: 1-2 µS/cm
โรงงานผลิตเซรั่ม: 0.5-1 µS/cm
โรงงานผลิตแผงโซลาร์เซลล์: 10-18 Megaohm
โรงงานผลิตยาฉีด: 1.1 µS/cm (USP Standard)
โรงงานเคมีภัณฑ์ชั้นสูง: 1-5 Megaohm
โรงงานชุบโครเมียม: < 10 µS/cm
โรงงานทำสีรถยนต์ (ED Paint): < 5 µS/cm
โรงงานผลิตคอนแทคเลนส์: 10-15 Megaohm
โรงงานประกอบเครื่องบิน: 1-10 Megaohm
โรงงานสกัดสารบริสุทธิ์: 5-10 Megaohm
ห้องปฏิบัติการวิเคราะห์ (Lab): 18.2 Megaohm
โรงงานผลิตเครื่องมือแพทย์: 1-5 Megaohm
โรงงานบรรจุก๊าซไฮโดรเจน: < 1 µS/cm
โรงงานผลิตแบตเตอรี่ลิเธียม: < 1 µS/cm
โรงงานเครื่องสำอางระดับ Hi-end: < 10 µS/cm
โรงงานผลิตน้ำกลั่นเติมแบตเตอรี่: < 30 µS/cm
โรงงานผลิตน้ำยาล้างไต: < 5 µS/cm
โรงงานอัญมณี (ล้างเครื่องประดับ): 1-5 Megaohm
โรงงานผลิตสีพ่นพลาสติก: < 20 µS/cm
โรงงานชุบอโนไดซ์อะลูมิเนียม: < 50 µS/cm
โรงงานผลิตกระจกนิรภัย: < 10 µS/cm
โรงงานอาหารเสริม (บางชนิด): < 5 µS/cm
โรงงานผลิตเลนส์กล้อง: 10-18 Megaohm
โรงงานฟอกหนังคุณภาพสูง: < 100 µS/cm
โรงงานกลั่นน้ำหอม: < 5 µS/cm
3.เรซิ่นมิกซ์เบส (Mixed Bed Resin)
จุดประสงค์และการใช้งาน
คือการนำ Strong Acid Cation และ Strong Base Anion มาผสมรวมกันในถังเดียว เพื่อทำหน้าที่เป็น "Polishing" หรือการกรองขั้นสุดท้ายหลังระบบ RO เพื่อผลิตน้ำที่มีความบริสุทธิ์สูงสุด (Ultrapure Water)
ประสิทธิภาพ:
ค่าความต้านทานไฟฟ้า (Resistivity) สูงถึง 18.2 Megaohm-cm
ค่าการนำไฟฟ้า (Conductivity) ต่ำกว่า 0.055 µS/cm
การฟื้นฟู (Regeneration)
ต้องแยกชั้นเรซิ่นด้วยน้ำ (Backwash) โดย Cation (หนักกว่า) จะจมลงล่าง Anion (เบากว่า) จะลอยอยู่บน แล้วจึงฉีด HCl และ NaOH แยกตามลำดับ
การเปรียบเทียบ Demin Resin vs RO + EDI
| คุณสมบัติ | Demin Resin (Ion Exchange) | RO + EDI (Electrodeionization) |
| การใช้สารเคมี | ใช้มาก (กรด/ด่าง) ในปริมาณสูง | ใช้น้อยมากหรือไม่ใช้เลย |
| การทำงาน | Batch (ต้องหยุดพักล้าง) | Continuous (ทำงานต่อเนื่องได้ตลอด) |
| ความบริสุทธิ์ | สูงมาก (18.2 Megaohm) | สูงและคงที่สม่ำเสมอ |
| ความคุ้มค่า | ลงทุนต่ำ ค่าใช้จ่ายล้างบ่อย | ลงทุนสูง ประหยัดค่าเคมีระยะยาว |
สูตรคำนวณการล้างเรซิ่น (ฉบับช่าง)
เมื่อไหร่ควรล้างเกลือ?
คำนวณหาปริมาณน้ำที่กรองได้ (Throughput) ก่อนเรซิ่นจะหมดสภาพ:
ตัวอย่างง่ายๆ:
มีเรซิ่น 100 ลิตร (Capacity เฉลี่ย 50)
น้ำดิบมีความกระด้าง 200 ppm
สูตร: $(100 \times 50) / 200 = 25$ ลบ.ม. (25,000 ลิตร)
สรุป: เมื่อใช้ครบ 25,000 ลิตร ให้ทำการล้างเกลือทันที
ต้องการคำปรึกษาด้านการเลือกสเปคเรซิ่นให้ตรงกับโรงงานของคุณ หรือสอบถามการคำนวณที่แม่นยำกว่านี้ ติดต่อทีมวิศวกรของเราได้ทันทีครับ!
การออกแบบระบบผลิตน้ำดีมินโดยไม่ใช้ RO
1. ข้อมูลน้ำดิบที่กำหนด
|
รายการ |
ค่า |
|
TDS |
650 mg/L |
|
Hardness (CaCO₃) |
150 mg/L |
|
Cl₂ เหลือ |
1 mg/L |
|
Turbidity (NTU) |
≤ 5 |
|
Flow Rate |
3,000 L/h |
|
ความบริสุทธิ์ต้องการ |
≥ 18 MΩ·cm |
2. ขั้นตอนการออกแบบระบบ
2.1 ปั๊มน้ำดิบ
- อัตราการไหล: 3 m³/h
- TDH โดยประมาณ: 3-4 bar
- ชนิดปั๊ม: ปั๊มหอยโข่งชนิดแรงดันสูง (multistage centrifugal)
✅ เลือกปั๊มขนาด: 3 m³/h @ 4 bar
2.2 ระบบกรองเบื้องต้น (Pre-treatment)
2.2.1 ถังกรองทราย (Sand Filter)
- กำจัดความขุ่น ≤ 5 NTU
- Service Velocity: 10 m/h
- Bed Depth: 1.2 m
- Flow Rate: 3 m³/h
- พื้นที่หน้าตัดถัง: A = Q/v = 3/10 = 0.3 m²
- D = 2 × √(A/π) ≈ 0.62 m → ใช้ถัง ø 650 mm
✅ ขนาดถัง: ø650 mm, สูงรวม ≈ 1.8 m
2.2.2 ถังกรองคาร์บอน (Activated Carbon)
- กำจัด Cl₂ เหลือ ≤ 0.1 ppm
- EBCT (Empty Bed Contact Time): ≥ 5 นาที
- Flow Rate: 3 m³/h = 50 L/min
- Volume: V = EBCT × Q = 5 × 50 = 250 L
- เลือกถังที่มี Volume 250 L: เช่น ถัง ø800 mm สูง ≈ 0.5 m
✅ ขนาดถัง: ø800 mm, Bed depth ≈ 0.5 m
2.3 Softener (Cation Resin)
- กำจัด Ca²⁺, Mg²⁺
- Hardness = 150 mg/L as CaCO₃
- Resin Exchange Capacity ≈ 1.1 eq/L
- โหลดอิออนรายวัน = 72 × 150 = 10,800 g/d = 216 eq/d
- ต้องการเรซิ่น = 216 / 1.1 ≈ 196 L → ปัดเป็น 200 L
✅ ขนาดถัง: ø1000 mm, Bed depth ≈ 0.8 m
2.4 Mixed Bed Ion Exchange
- ขจัดทั้ง Cation/Anion ที่เหลือทั้งหมด
- ต้องใช้ High-purity resin (Nuclear grade)
- ตัวอย่างเรซิ่น: Dowex MR-575LC NG, Purolite MB400MBP
3. สูตรการดูดจับของเรซิ่น (Ion Exchange Reaction)
Cation Exchange:
R-H + Ca²⁺ → R₂Ca + 2H⁺
Anion Exchange:
R-OH + Cl⁻ → R-Cl + OH⁻
Mixed Bed:
R-SO₃⁻H⁺ + Na⁺ → R-SO₃⁻Na⁺ + H⁺
R-NH₃⁺OH⁻ + Cl⁻ → R-NH₃⁺Cl⁻ + OH⁻
4. การฟื้นฟู (Regeneration)
|
Resin Type |
สารเคมีฟื้นฟู |
สูตรโดยประมาณ |
|
Cation (Softener) |
NaCl 10% |
100–150 g/L resin |
|
Anion Resin |
NaOH 4–5% |
60–100 g/L resin |
|
Mixed Bed |
Regen แยกโดยแยกเรซิ่น |
Backwash + Regen แยก |
5. สรุปแบบตารางอุปกรณ์
|
ลำดับ |
อุปกรณ์ |
ขนาดโดยประมาณ |
หน้าที่ |
|
1 |
ปั๊มน้ำดิบ |
3 m³/h @ 4 bar |
ดูดน้ำเข้า |
|
2 |
Sand Filter |
ø650 × 1800 mm |
กรองตะกอน |
|
3 |
Carbon Filter |
ø800 × 1500 mm |
กำจัดคลอรีน |
|
4 |
Softener |
ø1000 × 1800 mm, Resin 200L |
ลด hardness |
|
5 |
Mixed Bed Resin |
ø600–800 mm, Resin 100L |
ผลิตน้ำ 18 MΩ·cm |
การทำน้ำ Softening หรือน้ำอ่อน
คำถาม
การทำน้ำ softening หรือน้ำอ่อน มีความสำคัญอย่างไร ถ้าไม่ทำ softening จะเกิดผลเสียอะไร
วิธีการคำนวณ ขั้นตอนการทำอย่างละเอียด แสดงสูตรเคมี รวมถึงยกตัวอย่างน้ำดิบที่มีค่า hardness 300 mg/L
ความขุ่น 2 NTU ค่าคลอรีนหลงเหลือ 1.5 ppm flow 50 คิวต่อชั่วโมง คำนวณรอบการล้างเกลือ
อธิบายวิธีคำนวณทุกขั้นตอนอย่างละเอียด ใช้เรซิ่น DuPont เริ่มตั้งแต่เลือกปั๊มน้ำดิบ Ebara
ความสำคัญของการทำน้ำอ่อน (Softening)
· ลดการเกิดหินปูน (Scale) ที่อาจอุดตันท่อ ปั๊ม และเครื่องจักร
· ช่วยยืดอายุการใช้งานของ RO Membrane, Boiler, ฮีตเตอร์
· ลดการใช้สารเคมีในการล้างทำความสะอาด
· ป้องกันความเสียหายของอุปกรณ์ และลดค่าใช้จ่ายซ่อมบำรุง
หากไม่ทำน้ำอ่อน
· เครื่องจักรเกิดคราบหินปูน ส่งผลให้สูญเสียพลังงาน
· ความร้อนถ่ายเทได้ช้า ทำให้ประสิทธิภาพลดลง
· ต้องล้างเครื่องบ่อยด้วยกรด ซึ่งเสี่ยงต่อการกัดกร่อน
· ค่าซ่อมและเปลี่ยนอุปกรณ์สูงขึ้น
ข้อมูลน้ำดิบที่กำหนด
· Hardness = 300 mg/L (as CaCO₃)
· ความขุ่น (NTU) = 2
· คลอรีนหลงเหลือ = 1.5 ppm
· Flow rate = 50 ลบ.ม./ชม.
· เรซิ่น DuPont
· ปั๊มดูดน้ำ Ebara
1. เลือกปั๊มน้ำดิบ Ebara
· Flow = 50 m³/h, Assume TDH = 20 m
· เลือก: Ebara Model: 3M 65-250/22 (Q = 50 m³/h, H = 20 m, 22 kW)
2. การเลือกเรซิ่น DuPont สำหรับ Softening
· ใช้เรซิ่น DuPont AmberLite™ IR120 Na (strong acid cation, sodium form)
· Capacity: Typical Total Exchange Capacity = 1.9 eq/L
· สำหรับ Softening: ใช้ได้จริง ~ 50,000 grains/ft³ = 1070 g CaCO₃/L
3. ปริมาณสารที่ต้องกำจัดต่อวัน
· Flow: 50 m³/h → วันละ 1200 m³/day
· Hardness Load = 300 × 1,200,000 = 360,000,000 mg/day = 360 kg/day
4. ปริมาณเรซิ่นที่ต้องใช้
· Capacity เรซิ่น = 1070 g/L = 1.07 kg/L
· 360 kg / 1.07 kg/L = 336.45 L ของเรซิ่น
· เผื่อ safety factor 20% → ใช้เรซิ่นประมาณ 400 ลิตร
5. ขนาดถัง Softener
· Bed Depth = 1.0 m, Freeboard = 0.5 m
· ใช้ถัง Ø 1.0 m, สูง 2.0 m (volume ~785 L)
· Resin bed height = 1.0 m → ~400 L
6. สูตรเคมีในกระบวนการ Softening
· 2R-Na + Ca²⁺ → R₂Ca + 2Na⁺
· 2R-Na + Mg²⁺ → R₂Mg + 2Na⁺
7. รอบการล้างเรซิ่น (Regeneration Cycle)
· 300 mg/L hardness = 0.3 g/L
· 1 L resin ใช้ได้น้ำ = 1070 / 0.3 = 3566 L
· 400 L resin = 1,426,400 L ต่อรอบ (~1,426 m³)
· Flow = 50 m³/h → ~28.5 ชั่วโมง/รอบ
8. การล้างเรซิ่น (Regeneration)
· NaCl 10% (เกลือแกง), ใช้ ~50 kg ต่อรอบ
· Backwash: 10–15 นาที
· Brine Injection: 40–60 นาที
· Slow Rinse: 10–20 นาที
· Fast Rinse: 10–20 นาที
9. ระบบ Pre-treatment ที่ควรติดตั้ง
· Sand Filter: ลด NTU จาก 2 → < 1
· Carbon Filter: กำจัดคลอรีนตกค้าง
· Softener: DuPont AmberLite™ IR120 Na
· Brine Tank: เก็บ NaCl สำหรับล้างเรซิ่น
