สวัสดีค่ะท่านผู้อ่านบทความวารสารวิชาการ Chem’s talk ฝ่ายเคมี ฉบับที่ 2 ประจ าปี 2567 ทุก ท่าน เรายังคงพบกันเป็นประจ าทุก 3 เดือน เพื่อติดตาม ข้อมูล ข่าวสาร และเทคโนโลยีใหม่ๆ รวมถึง Update บทความที่น่าสนใจเกี่ยวกับงานด้านเคมีกันตลอดทั้งปี 2567 นะคะ เริ่มกันด้วยบทความแรกที่น่าสนใจเกี่ยวกับ เชื้อเพลิงฟอสซิลที่ใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าของ โรงไฟฟ้าแม่เมาะ เรื่อง “มีอะไร?? ในถ่านหินลิกไนต์ โรงไฟฟ้าแม่เมาะ” รวมถึงการปรับแต่งกระบวนการ เดินเครื่องของโรงไฟฟ้าในกรณีที่ถ่านหินมีคุณภาพ แตกต่างกัน เพื่อให้โรงไฟฟ้าสามารถเดินเครื่องได้อย่าง มีประสิทธิภาพสูงสุด ส าหรับหัวข้อถัดไปเกี่ยวข้องกับ กลไกการผุกร่อนของโลหะ และการตรวจสอบเพื่อให้ เกิดความมั่นใจว่าระบบท่อส่งก๊าซฯ และท่อส่งน้ าที่วาง ใต้ทะเลหรือฝังอยู่ใต้ดินสามารถมีอายุการใช้งานตาม ร ะย ะเวล าที่ออกแบบไ ว้ ในหัวข้อ “Cathodic Protection System (CP)” บทความที่น่าสนใจถัดไปเป็นหัวข้อ “pH Phenomena in Cooling Water” ที่จะน าเสนอถึง ลักษณะการเปลี่ยนแปลงขอ ง pH ในน้ า Cooling รวมถึงการประเมินโอกาสเกิดตะกรัน และน าไปสู่การ ปรับ Chemical Treatment Program ของโรงไฟฟ้า ได้อย่างเหมาะสม สุดท้ายนี้ขอน าเสนอบทความใน หัวข้อ “ผลกระทบของ Dissolved CO2 ในระบบ ROEDI (Reverse Osmosis และ Electro Deionization) แล ะก า รวิเค ร า ะห์ CO2” ซึ่ งเป็น บทความที่จะกล่าวถึงหลักการท างานของระบบ RO-EDI การควบคุมค่า Dissolved CO2 และการ วิเคราะห์หาปริมาณ CO2 เพื่อเป็นประโยชน์ส าหรับ การเดินระบบ RO-EDI ต่อไป โดยบทความทั้ง 4 หัวข้อ มีความหลากหลายและน่าสนใจส าหรับผู้อ่านทุกท่าน สุดท้ายหวังเป็นอย่างยิ่งว่าวารสารฉบับนี้ จะเป็นประโยชน์ส าหรับผู้อ่าน และขอขอบคุณที่ให้ ความสนใจติดตามวารสารวิชาการ Chem’s talk ของฝ่ายเคมีอย่างต่อเนื่อง แล้วพบกันใหม่ฉบับหน้าค่ะ สุธิดา ปิ่นชัยศิริ บรรณาธิการ
18 pH Phenomena in Cooling Water 24 ผลกระทบของ Dissolved CO2 ในระบบ RO-EDI (Reverse Osmosis และ Electro Deionization) และการวิเคราะห์ CO2 01 มีอะไร?? ในถ่านหินลิกไนต์โรงไฟฟ้าแม่เมาะ 12 Cathodic Protection System (CP) -ContentsApril-June 2024
มีอะไร?? ในถ่านหินลิกไนต์โรงไฟฟ้าแม่เมาะ โดย วท.เสวก ไชยสาลี หัวหน้าแผนกเคมีโรงไฟฟ้าแม่เมาะ กองเคมีโรงไฟฟ้า ฝ่ายเคมี ที่มา โรงไฟฟ้าแม่เมาะ เป็นโรงไฟฟ้าพลังงาน ความร้อน ซึ่งใช้พลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิล นั่น ก็คือ ถ่านหินลิกไนต์มาเป็นเชื้อเพลิงเผาไหม้ ส าหรับผลิตกระแสไฟฟ้า ซึ่งในกระบวนการ ดังกล่าวจ าเป็นต้องมีการตรวจสอบคุณภาพของ ถ่านหินลิกไนต์ก่อนป้อนเข้าสู่ระบบเผาไหม้ ตั้งแต่ ขั้นตอนการขุดถ่านจากเหมืองแม่เมาะ การเตรียม ถ่านในลานกองถ่าน รวมทั้งการตรวจสอบคุณภาพ ถ่านที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงของโรงไฟฟ้าแต่ละโรง โดย ในขั้นตอนดังกล่าวโรงไฟฟ้าแม่เมาะจะมีระบบ Sampling ตัวอย่างถ่านหินเพื่อน ามาวิเคราะห์ คุณภาพ เพื่อใช้ในการค านวณประสิทธิภาพของ โรงไฟฟ้า อัตราการใช้เชื้อเพลิง รวมถึงการ ปรับแต่งกระบวนการเดินเครื่องของโรงไฟฟ้าใน กรณีที่ถ่านหินมีคุณภาพแตกต่างกัน เพื่อให้ โรงไฟฟ้าแม่เมาะสามารถเดินเครื่องได้อย่างมี ประสิทธิภาพสูงสุด และไม่ส่งผลกระทบต่อ อุปกรณ์ต่างๆภายในโรงไฟฟ้า ท าความรู้จักประเภทของถ่านหิน ถ่านหิน (Coal) มีส่วนประกอบที่ส าคัญ คือ สารประกอบของคาร์บอน ซึ่งจะมีอยู่ประมาณ ไม่น้อยกว่าร้อยละ 50 โดยน้ าหนักหรือร้อยละ 70 โดยปริมาณ ระบบของสมาคมทดสอบและวัสดุแห่ง สหรัฐอเมริกาได้จ าแนกถ่านหินเป็น 4 ล าดับชั้น โดยเรียงจากประเภทที่มีคาร์บอนมากที่สุดไปน้อย ที่สุดคือ แอนทราไซต์ บิทูมินัส ซับบิทูมินัส และ ลิกไนต์ คุณสมบัติทั่วไปของถ่านหินที่อยู่ในล าดับ สูงคือจะมีปริมาณคาร์บอนมากให้ความร้อนสูง มี ไฮโดรเจนและออกซิเจนอยู่น้อย ในขณะที่ถ่านหิน ที่อยู่ในล าดับต่ าจะมีปริมาณคาร์บอนน้อย แต่มี ไฮโดรเจนและออกซิเจนมากซึ่งแต่ละล าดับชั้นถูก แบ่งย่อยลงไปอีก ตามคุณสมบัติทางเคมีและค่า ความร้อนที่ต่างกันไป ลักษณะทั่วๆไปของ ถ่านหิน ในแต่ละล าดับชั้นดังกล่าว สรุปได้ดังนี้คือ ถ่านหินแอนทราไซต์ ถ่านหินแอนทราไซต์ (Antracite) เป็น ถ่านหินที่ถูกจัดอยู่ในล าดับสูงสุด ถือว่าเป็นถ่านหิน ที่มีคุณภาพดีที่สุด มีลักษณะด าเป็นเงามัน มีความ วาวสูง มีปริมาณคาร์บอนสูงถึงร้อยละ 90 ขึ้นไป มีปริมาณความชื้นต่ ามากและมีค่าความร้อนสูง มีควันน้อยแต่จุดติดไฟยาก ส่วนใหญ่มักใช้เป็น แหล่งเชื้อเพลิงเพื่อให้ความร้อนภายในบ้าน และใน อุตสาหกรรมแก้ว อุตสาหกรรมเคมี เป็นต้น ถ่านหินบิทูมินัส ถ่านหินบิทูมินัส (bituminous) เป็นถ่าน หินเนื้อแน่น มีลักษณะแข็ง และมักจะประกอบด้วย ชั้นถ่านหินสีด าสนิทที่มีลักษณะเป็นมันวาว มี ปริมาณคาร์บอนประมาณร้อยละ 80-90 และมี ความชื้นร้อยละ 2-7 ถ่านหินประเภทนี้สามารถ แบ่งย่อยได้เป็น 3 กลุ่มตามความสามารถในการ ระเหย (World Coal Institute. 2004a.On-line) 1
คือ ประเภทที่มีความสามารถในการระเหยสูง กลาง และต่ า ถ่านหินชนิดนี้เหมาะส าหรับการใช้ เป็นถ่านหินเพื่อการถลุงโลหะ หรืออาจใช้เป็น เชื้อเพลิงผลิตกระแสไฟฟ้าได้ซึ่งขึ้นอยู่กับ ปริมาณ คาร์บอนและความสามารถในการระเหย ถ่านหินซับบิทูมินัส ถ่านหินซับบิทูมินัส (sub-bituminous) มี ลักษณะสีน้ าตาลเข้มจนถึงด า เนื้อถ่านหินจะมี ความอ่อนตัวคล้ายขี้ผึ้ง ไม่แข็งมาก มีปริมาณ คาร์บอนประมาณร้อยละ 71-77 และมีความชื้น ป ร ะ ม า ณ ร้ อ ย ล ะ 10-20 (World Coal Institute.2004b On-line) ถ่ านหิ นป ร ะเ ภ ท นี้ ส่วนมากใช้เป็นเชื้อเพลิงในการผลิตกระแสไฟฟ้า หรือใช้ในอุตสาหกรรม ถ่านหินลิกไนต์ ถ่านหินลิกไนต์ (lignite) เป็นถ่านหินที่ยัง พอมีซากพืชเหลือปรากฏให้เห็นอยู่เล็กน้อย มีสี น้ าตาลเข้มจนถึงด า มีปริมาณคาร์บอนค่อนข้าง น้อยและมีปริมาณความชื้นสูงถึงร้อยละ 30-70 ส่วนใหญ่ถูกใช้เป็นเชื้อเพลิง และถือว่าเป็นถ่านหิน ที่มีคุณภาพต่ า คุณภาพถ่านหินด้านเคมี การเก็บตัวอย่างถ่านหินที่เป็นตัวแทน การเก็บตัวอย่างถ่านหินจากสายพาน ล า เ ลี ยง ถ่ า น หิ น ตามมาตรฐาน ASTM D2234/D2234M โดยใช้ระบบเก็บตัวอย่างถ่าน หินอัตโนมัติ Automatic Sampling Station ใน การคัดแยกและเก็บตัวอย่างถ่านหินที่ส่งให้ โรงไฟฟ้าแม่เมาะ โดยคัดแยกจากสายพาน Distribution Conveyor เพื่อน าไปวิเคราะห์หา คุณสมบัติทางกายภาพและใช้เป็นตัวแทนของถ่าน หินที่ส่งให้โรงไฟฟ้า ขั้นตอนการท างานของระบบเก็บตัวอย่าง 1. เก็บตัวอย่างถ่านหินจาก Distribution Conveyor โดย Primary Sampler 2. บดให้ได้ขนาด 5-10 mesh (4.0 – 2.0 mm) 3. คัดแยกตัวอย่างถ่านหินที่บดแล้วโดย Secondary Sampler ขนาด 4 mesh (4.75 mm) 4. เก็บตัวอย่างถ่านหินที่คัดแยกแล้วไว้ในถัง 5. ตัวอย่ างถ่ านหินที่เหลือ (Reject) ลง สายพาน Main Conveyor 6. เ ก็ บ ตั ว อ ย่ าง ถ่ า น หิ น ลิ ก ไ น ต์ จ า ก Automatic Sampling Station ใส่ถุงด า แบบแยก กะ แยกสายพานล าเลียงถ่าน หิน (line) มาเช็คตัวอย่าง ท าการชั่ง น้ าหนักตัวอย่างแล้วบันทึกค่า 2
รูประบบเก็บตัวอย่างถ่านหินอัตโนมัติ Automatic Sampling Station รูปแสดงการเก็บตัวอย่างถ่านหินลิกไนต์จาก Crusher house การวิเคราะห์ถ่านหิน การวิเคราะห์ถ่านหินมีประโยชน์เพื่อ • การจ าแนกถ่านหิน • การควบคุมถ่านหิน • การเลือกใช้หรือออกแบบอุปกรณ์เผาไหม้ • การค านวณปริมาณ เช่น ปริมาณถ่านหิน และ ปริมาณอากาศที่ต้องใช้ในการเผาไหม้ การวิเคราะห์ถ่านหิน : ท าการวิเคราะห์ตาม มาตรฐาน ASTM (American Society for Testing and Materials) การเตรียมตัวอย่างถ่าน วิเคราะห์ตามมาตรฐาน ASTM D2013 1. ผสมตัวอย่างถ่านหินของสายพานล าเลียงถ่าน หินเดียวกันรวมกันใส่ลงไปใน Sampling Divider ที่หมุนแบ่งตัวอย่างเป็น 4 ส่วน 2. ดึงตัวอย่างออกมา 1 ส่วน ตัวอย่าง 3 ส่วนที่ เหลือทิ้งแล้วใส่ลง ไปใน Divider อีกครั้ง 3
3. ตัวอย่าง 3 ส่วนที่เหลือทิ้ง ตักเอาตัวอย่าง 1 ส่วน ประมาณ 1-2 กิโลกรัม น ามาร่อนผ่าน ตะแกรง Sieve 8 mesh (2.36 mm.) ให้ จ านวนตัวอย่างผ่านตะแกรง 95% ชั่งน้ าหนัก ให้ได้ ประมาณ 1,000 กรัม 4. น าเข้าเตาอบที่อุณหภูมิ 40 ºC ใช้เวลาไม่เกิน 18 ชั่วโมง ชั่งน้ าหนักเพื่อค านวณหาค่า Air dry loss (%) 5. จากนั้นบดด้วยโม่ละเอียด 60 mesh (0.25 mm.) แล้วน ามาร่อนผ่าน Sieve 60 mesh จะได้ถ่านขนาด 60 mesh ส าหรับท าการ วิเคราะห์ Air dry loss(%) = [(Pan+Sample ก่อนอบ) - (Pan+Sample หลังอบ)]*100 งานวิเคราะห์คุณภาพถ่านหินอาจแบ่งออกเป็น 3 ประเภท คือ 1. Proximate analysis 2. Ultimate analysis 3. Miscellaneous analysis 1. Proximate analysis เป็นการหา Moisture, Volatile matter, Ash และ Fixed carbon เมื่อถ่านหินถูกให้ความร้อน ภายใต้สภาวะเฉพาะ 1.1 Moisture: เป็นความชื้นที่มีอยู่ในถ่านหิน ซึ่ง แบ่งได้เป็น 1.1.1. ความชื้นที่ผิวหน้าถ่านหิน (Surface Moisture, Free Moisture, Extraneous Water) คือ ความชื้นที่ อยู่บนผิวหน้าของถ่านหิน ซึ่งเกิด จากการพ่นน้ า เพื่อป้องกันการลุก ไ ห ม้ ด้ ว ย ต น เ อง ข อง ถ่ า น หิ น (Spontaneous Combustion) หรือ น้ าจากน้ าฝนและน้ าใต้ดิน Surface Moisture สามารถระเหยออกได้โดย การผึ่งถ่านหิน ไว้ในบรรยากาศจน น้ าหนักคงที่ ซึ่งแสดงว่าความชื้นของ ถ่ านหิ น ส ม ดุ ล กับ ค ว า ม ชื้น ข อง บรรยากาศแล้ว เรียกว่า Air Drying 1.1.2. ความชื้นภายในเนื้อถ่านหิน (Inherent Moisture, bed moisture, equilibrium, capacity moisture) คือ ความชื้นที่อยู่ภายในรู โพรงเล็กๆ (Micropores) ภายใน โครงสร้างของถ่านหิน 1.1.3. ความชื้นที่เกิดจากการระเหยของสาร พวก Mineral Matter (Water of Hydration) เป็นความชื้น ที่อยู่ ภายในรูพรุนของถ่านหินหรือพวกดิน เหนียว หรือสารพวก Mineral Matter อื่นๆ ที่สามารถระเหย ออกมาได้ Hydration Water เป็น ส่วนหนึ่งของโครงสร้างของสาร อนินทรีย์ของ Mineral Matter ของ ถ่านหิน เช่น ส่วนประกอบของดิน เหนียว และหินดินดาน เป็นต้น การหาความชื้นชนิดนี้ต้องใช้ความ ร้อนสูงเช่น Kaolinite ต้องใช้ อุณหภูมิอย่างน้อย 500oC Inherent Moisture และ Hydration Moisture จะระเหยออก โดยการอบถ่านหินที่อุณหภูมิ 1050C ภายใต้บรรยากาศของก๊าซเฉื่อย (Inert Atmosphere) เช่น บรรยากาศของก๊าซไนโตรเจน 4 (simple ก่อนอบ) 4
เป็นต้น ประมาณ 1-2 ชั่วโมง จน น้ าหนักคงที่และหาน้ าหนักที่หายไป 1.1.4. ความชื้นที่เกิดจากการสลายตัว (Decomposition Moisture) คือ ความชื้นที่เกิดจากการสลายตัว ของพวกสารอินทรีย์ (Organic Matter) เช่น Hydroxyl Unit (-OH group) ที่จะระเหยเมื่อถูกความร้อน ประมาณ 200 - 250°C Decomposition Moisture เป็น ส่วนหนึ่งของสารระเหย (Volatile Matter) และจะวิเคราะห์แยก ต่างหากจากการวิเคราะห์หาปริมาณ ความชื้นอื่น ๆ Total Moisture เป็นค่าที่ใช้เป็นตัวแทนของ ความชื้นทั้งหมด Total Moisture เป็นผลรวมของ ปริมาณ ของ Surface Moisture และ Inherent Moisture ของถ่านหิน Total Moisture = Surface Moisture + Inherent Moisture = Air Drying Loss + Inherent Moisture Total Moisture จ ะ มี ส่ ว น เ กี่ ย ว ข้ อง ทางด้านอุตสาหกรรมการตลาด การขนส่งถ่านหิน และการโม่ถ่านหิน นอกจากนี้ยังใช้ในการค านวณ เพื่อแปลงฐานผลวิเคราะห์จากฐานหนึ่งไปยังอีก ฐานหนึ่งได้ด้วย ส่วน Inherent Moisture จะใช้ ในการค านวณผลวิเคราะห์ในรูปของ Air Dried Basis 1.2. Volatile matter – เป็นก๊าซและไอที่ถูก ขับออกมาระหว่างการสลายตัวของ สารอินทรีย์เมื่อถูกความร้อนสูง Volatile Matter มาจากการสลายตัวของพวก สารอินทรีย์ รวมกับส่วนประกอบบางตัว ของพวก Mineral Matter ที่สามารถ สลายตัวได้เมื่อถูกความร้อน เช่น carbon dioxide (CO2 ) มาจากสารประกอบ Carbonate, ไฮโดรเจน (hydrogen), มี เ ท น ( methane), tar vapors, ammonia, พ ว ก ไ ฮ โ ด ร ค า ร์ บ อ น (hydrocarbons)ฯลฯ ทุกชนิดล้วนเป็น สารติดไฟง่ายและให้ความร้อน 1.3. Ash – สารอนินทรีย์ที่เหลืออยู่ภายหลัง จ า กก า รเ ผ าไหม้ ของถ่ านหิน (Non Combustible Residue) เมื่อถ่านหินถูก เผาในบรรยากาศที่อุณหภูมิ 750 0C เป็น เวลาประมาณ 2 ชั่วโมง ซึ่งเป็นผลมาจาก การเปลี่ยนแปลงทางเคมีของ mineral matter (ธาตุอนินทรีย์ที่มีอยู่ในเนื้อไม้ โบราณ และที่แทรกซึมระหว่างการทับถม จนกล ายเป็นถ่ านหิน และ Organic Matter) แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ 1.3.1. Extraneous ห รื อ Adventitious Mineral Matter จ ะป ร ะกอบด้ วย ส า ร พ ว ก ดิ น เ ห นี ย ว ( Clay), หิ น ดิ น ด า น (Shale), แ ค ล ไ ซ ท์ (Calcite), ไพไรท์ (Pyrite แร่เหล็ก จ าพวกเฟอรัสซัลไฟด์ เป็นแหล่งของ ก ร ด ซั ล ฟิ ว ริ ก ) , ม า ร์ ค า ไ ซ ท์ (Marcasite แร่เหล็กซัลไฟด์) หรือ ส่วนประกอบอื่นๆ ที่ อยู่ในรูปของ 5 5
Inorganic Sulphate, Chlorides และ Fluorides 1.3.2. Inherent Ash จะประกอบด้วยสารอ นินทรีย์ (Inorganic) ที่รวมตัวอยู่กับ ส า ร อิ น ท รี ย์ ( Organic) ที่ เ ป็ น ส่วนประกอบของถ่านหิน ซึ่งเกิดจาก พวกพืช (Plant Material) 1.4. Fixed carbon – เป็นสารประกอบของ คาร์บอน (Carbonaceous Residue) ที่ ไม่รวม Ash ที่เหลือจาก Organic Matter หลังจากที่ Volatile Matter ถูกไล่ออกไป แล้ว ปริมาณ Fixed Carbon = 100-(ความชื้น+ขี้เถ้า+สารระเหย) การวิเคราะห์ Moisture, Volatile matter และ Ash สามารถท าได้โดยเครื่อง Thermal Gravimetric Analyzer ตามมาตรฐาน ASTM D7582 ขั้นตอน โดยการชั่งตัวอย่างถ่าน ประมาณ 1 g ใส่ในถ้วย Crucible เครื่องจะท าการวิเคราะห์ - Moisture ที่อุณหภูมิ 107 0C ประมาณ 1 ชั่วโมง ชั่งหาน้ าหนักที่หายไปเป็นปริมาณความชื้น ในถ่าน (%) - Volatile ที่อุณหภูมิ 950 0C ประมาณ 7 นาที ชั่งหาน้ าหนักที่หายไปเป็นปริมาณ Volatile (%) และ - Ash อุณหภูมิ 750 0C ประมาณ 2 ชั่วโมง ชั่งหา น้ าหนักที่หายไปเป็น ปริมาณ Ash (%) รูปแสดงเครื่องวิเคราะห์ Thermal Gravimetric Analyzer (TGA) 2. Ultimate analysis เ ป็ น ก า ร ห า ป ริ ม า ณ Carbon และ Hydrogen ซึ่งพบใน gaseous product ของการ เผาไหม้อย่างสมบูรณ์ของ ถ่านหิน และเป็นการหา ปริมาณ Sulfur, Nitrogen, Ash และ Oxygen ที่ มีอยู่ในถ่านหิน โดยการวิเคราะห์หาปริมาณ Carbon, Hydrogen, Sulfur, Nitrogen เป็นการ วิเคราะห์ส่วนประกอบของเชื้อเพลิงเพื่อใช้ในการ หาค่าความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้ โดยจะ รายงานเป็นปริมาณร้อยละของธาตุต่างๆ ที่ ประกอบขึ้นเป็นถ่านหินดังต่อไปนี้ • Carbon (C) เ กิ ด จ า ก Organic Compound ทั้ ง Aromatic, Aliphatic และสารประกอบ ค า ร์ บ อ เ น ต ข อ ง ธ า ตุ ต่ า ง ๆ (Carbonate Mineral) CO2 เกิดจาก Inorganic Carbonate พวก Calcite, Siderite ซึ่งจะถูกวิเคราะห์ แล้วน าไปหักออก ถ้าต้องการหาค่า Organic Carbon และ Total Carbon 6 6
• ไฮโดรเจน (H) เกิดจาก Organic Compound และจากความชื้นใน ถ่ า น หิ น ร ว ม ทั้ ง ใ น Hydroxyl Groups (-OH) ที่ มี อ ยู่ ใ น Clay Minerals ส าหรับการวิเคราะห์ C, H ท าโดยเผาถ่านหินให้ Carbon ถูก เปลี่ยนเป็น CO2 และ Hydrogen ถูก เปลี่ยนเป็นน้ า (H2O) ภายใต้การ ค ว บ คุ ม Condition ที่ เห ม า ะ ส ม Product ที่ได้จะถูกดูดซับด้วยสารที่ เหม าะสมแล้ วน าม าค าน วณห า ปริมาณ C, H โดยการชั่งน้ าหนักของ ตัว Absorber • ออกซิเจน (O) เกิดจาก Organic Compound, Inorganic Compound, Moisture และ Mineral Matter เช่น ดินเหนียว, สารประกอบคาร์บอเนตและซัลเฟต ในสารประกอบอนินทรีย์ ออกซิเจน จะรวมอยู่ในรูป Silicates (อยู่ในรูป Aluminum Silicates ซึ่งพบใน หินดินดาน (Shale) ที่ปะปนอยู่ใน ถ่านหิน), Carbonates (อยู่ในรูป Calcium Carbonate (CaCO3) และ Iron Carbonate (Fe2CO3 ), Oxides (Oxide ของเหล็กและ Oxide ของ Sulphur ได้แก่ Calcium Sulphate (CaSO4 ) และ Iron Sulphate (Fe2SO4 ) และสารประกอบพวก Sulphates ในน้ าซึ่งจะมาจาก Inherent Moisture และ Water or Hydration ของ Mineral Matter • ไนโตรเจน (N) เป็นธาตุตัวเดียวที่เกิด ในถ่านหินในลักษณะที่เป็น Organic Matter สารประกอบของไนโตรเจน จะ Stable และเป็น Heterocyclic และ Complex Non Cyclic Compound ส่วนมาก ไนโตรเจนจะ เกิดจากซากพืช ซากสัตว์ และโปรตีน ของสัตว์ (Inorganic Nitrogen ) จะ เป็นส่วนประกอบ ส่วนหนึ่ง ของ Oil Shale • Sulphur ในถ่านหินแบ่งเป็น 3 แบบ คือ Pyritic Sulphur (มี สารประกอบอนินทรีย์), Sulphate Sulphur และ Organic Sulphur การวิเคราะห์หาปริมาณ Carbon, Hydrogen, Nitrogen สามารถท าได้โดยเครื่อง Elemental Analyzer ตามมาตรฐาน ASTM D3176 โดย • ชั่งตัวอย่างถ่าน ลงใน Crucible เครื่องจะ ท าการวิเคราะห์ปริมาณธาตุคาร์บอน, ไฮโดรเจน และไนโตรเจนในสารตัวอย่าง (Elemental analyzer) ที่เป็น Organic และ Inorganic ทั้งของแข็งและของเหลว โดยใช้หลักการเผาสารตัวอย่างที่อุณหภูมิ สูง อย่ างสมบู รณ์ด้ วย Combustion tube และ Post combustion tube ใช้ แก๊สออกซิเจนเป็น Combustion gas • หลังจากการเผาไหม้จะได้ product เป็น H2O, CO2 และ NO2 จ ะ ถู ก พั ด พ า (carrier) ไปโดย แ ก๊ ส ฮี เ ลี ย ม เ ข้ า สู่ detector ส าหรับเครื่องนี้ใช้ detector 7
ช นิ ด TCD (Thermal Conductivity Detector) เพื่อวัดหาปริมาณของธาตุ C, H และ N ในสารตัวอย่าง รูปเครื่องมือ Elemental Analyzer การวิเคราะห์หาปริมาณ Sulfur Forms of sulfur - sulfur ที่อยู่ใน ถ่ าน หินจะอยู่ในรูปต่างๆ ได้แก่ pyrites, organic sulfur และsulfate sulfur จ ะ ติ ดไ ฟใ ห้ ก๊ า ซ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2 ) พร้อมกับความร้อน การวิเคราะห์หาค่า Sulfur สามารถท าได้ โ ด ยเค รื่ อง Sulfur Analyzer ตามมาตรฐาน ASTMD4239 โ ด ย ชั่ง ตั ว อ ย่ าง ถ่ า นใ ส่ ลงใ น ceramic boat น าเข้าเครื่องจะเผาไหม้ถ่าน ที่ อุณหภูมิ 1350 0C และตรวจจับ (Detect) ไอ SO2 ที่ได้รับ ด้วย Infrared Detector ซึ่งจะค านวณ และแปลงค่า รายงานออกมาเป็นค่า Total Sulfur และค านวณปริมาณก ามะถันในตัวอย่างได้โดย เทียบกับปริมาณก ามะถันมาตรฐานในถ่าน รูปเครื่อง Sulfur Determinator การวิเคราะห์ Ash composition สามารถท าได้โดยเครื่อง X-ray Fluorescence Spectrometer ตามมาตรฐาน ASTM D4326 • โดยเตรียมตัวอย่างLignite Ash Sample : Flux (อัตราส่วน 1 : 5 โดยน้ าหนัก) น าเข้า เครื่องเตรียมตัวอย่าง (Temp. 1100 °C ) ได้ตัวอย่างลักษณะเป็นแผ่นกลมแข็งใส • ในการวิเคราะห์สารด้วยเทคนิค XRFS ล า รังสีเอกซ์ ถูกส่งไปยังสารตัวอย่างเพื่อให้ เกิดอันตรกิริยากับธาตุต่างๆ ในสาร ตัวอย่าง แล้วเกิดเอกซ์เรย์ ฟลูออเรสเซนต์ ผ่าน Collimator ท าให้ล ารังสีเอกซ์ เป็น ล าขนานและไปในทิศทางที่ต้องการ คือให้ ไปกระทบกับ Analyzing crystal ซึ่งจะ ท าหน้าที่กระจายหรือแยกรังสีเอกซ์ ออกไปให้มีความยาวคลื่นต่างๆ กัน วัด ความเข้ม หรือความดันด้วยการ Scan ของ Detector 8 8
• สัญญาณที่วัดได้จะถูกส่งไปยังเครื่องเก็บ ข้อมูลแล้วถ่ายทอดออกมา เป็นสเปกตรัม ด้วยเครื่อง Printer และ Recorder จาก ข้อมูลที่เก็บได้ทั้งของสารมาตรฐานและ สารตัวอย่าง น าไปใช้วิเคราะห์เชิงคุณภาพ และปริมาณได้ รูปเครื่อง X-Ray Fluorescence Spectrometer 3. Miscellaneous analysis เป็นการวิเคราะห์คุณสมบัติทางฟิสิกส์และ เคมีอื่นๆ ของถ่านหิน เช่น การทดสอบหาค่าความ ร้ อ น ( calorific value), forms of sulfur, hardgrove grindability index และ ash fusibility Calorific value (ค่าความร้อนของถ่านหิน) – เป็นความร้อนรวมที่ได้จากการเผาไหม้ carbon, hydrogen, nitrogen และ sulfur (ทั้งที่ อ ยู่ใ น สารอินทรีย์และใน pyrite) หนึ่งหน่วยน้ าหนัก อย่างสมบูรณ์ ค่าความร้อนนี้อาจรายงานได้ 2 วิธี คือ 1. Gross Calorific Value (หรือ Higher Heating Value) เป็นปริมาณความร้อนที่ ได้จากการเผาไหม้ถ่านหิน เมื่อไอน้ าใน ก๊าซที่เกิดขึ้นกลั่นตัวเป็นน้ า ค่าความร้อน นี้รวมค่าความร้อนแฝง (Latent Heat) ของการกลายเป็นไอของน้ าด้วย 2. Net Calorific Value (หรือ Lower Heating Value) เป็นค่าความร้อนที่ไม่ รวมค่าความร้อนแฝงของน้ า (LHV = HHV – mw hfg ) ค่าความร้อนอาจรายงานเป็นหน่วยต่างๆ กัน เช่น MJ/Kg, BTU/Lb, Cal/g หรือ Kcal/Kg การวิเคราะห์ Calorific value สามารถ ท าไ ด้โ ด ย เ ค รื่ อง Bomb Calorimeter ตาม มาตรฐาน ASTM D5865 โดยชั่งตัวอย่างถ่าน ประมาณ 1 กรัม ใส่ลงใน Oxygen Combustion Vessel Assembled บรรจุก๊าซออกซิเจน จากนั้น ใส่ลงในเครื่อง Bomb Calorimeter เครื่องจะเผา ไหม้ลิกไนต์ในบรรยากาศที่ มีออกซิเจนมากเกินพอ ความร้อนที่เกิดจะถ่ายเทให้น้ าที่ทราบปริมาณ แน่น อน เมื่อ วัด อุณหภูมิที่ เพิ่ม ขึ้น โ ด ย ตัด สิ่งแวดล้อมที่ไม่เกี่ยวข้อง (ค่าไนโตรเจน) ออกแล้ว เครื่องจะค านวณปริมาณความร้อนจากถ่านลิกไนต์ โดยเทียบกับสารมาตรฐาน (Benzoic acid) ที่ ทราบค่าความร้อนแน่นอน รูปเครื่อง Bomb Calorimeter Hardgrove Grindability Index (HGI) • เป็นการหาค่าความแข็งของถ่านหิน เป็น ดัชนีที่จะบอก ความยากง่ายของถ่านหิน ในการถูกบดเปรียบเทียบกับมาตรฐาน การวิเคราะห์ สามารถท าได้โดยเครื่อง Hardgrove machine ตามมาตรฐาน ASTM D409 9 9
• โดยน าลิกไนต์ขนาดระหว่าง sieve No.16 (1.18 mm.) และ sieve No. 30 (0.60 mm.) มาจ านวน 50 กรัม บดในเครื่อง 60 รอบ ซึ่ง Hardgrove Machine เป็น เครื่องบดประกอบด้วยเบ้า มีเหล็กกลม ขนาด 1 นิ้วฟุต 8 ลูก บนลูกบดมีน้ าหนัก 64 ปอนด์ (29 กก.) กดอยู่ • น าถ่านที่บดได้ร่อนผ่าน sieve No. 200 (0.075 mm.) ชั่ง น้ า ห นั ก ถ่ า น ที่ ผ่ าน ตะแกรง ค านวณค่า HGI ตาม ASTM โดย เทียบกับ กราฟของถ่านมาตรฐาน รูปเครื่อง Hardgrove Machine Ash fusibility เป็นการหาอุณหภูมิที่ lignite ash หลอม ตัว การวิเคราะห์สามารถท าได้โดยเครื่อง Ash fusibility Determinator ตามมาตรฐาน ASTM D1857 โดยน าเถ้าถ่านหิน กดกับพิมพ์เป็นรูปปิรา มิดฐานสามเหลี่ยม น าเข้าเครื่องเผาที่อุณหภูมิ เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนถึง 1500 องศาเซลเซียส จะมี กล้องบันทึกภาพการหลอมตัวตามอุณหภูมิที่ เปลี่ยนแปลง ดังนี้ 1. Intitial Deformation Temperature (IT) เป็นอุณหภูมิแรกที่เถ้ามีปฏิกิริยาต่อความร้อน ปลายบนสุดของเถ้าถ่านหินเริ่มโค้ง 2. Softening Temperature (ST) เป็นอุณหภูมิ ที่เถ้าถ่านหินหลอม มีความสูงเท่ากับความ กว้างของฐาน 3. Hemipherical Temperature (HT) เ ป็ น อุณหภูมิที่เถ้าถ่านหินหลอมมีความสูงเป็น ครึ่งหนึ่งของฐาน 4. Fluid Temperature (FT) เป็นอุณหภูมิที่เถ้า ถ่านหินหลอมราบกับ Sample tray Fineness Test • เป็น ก า ร วัดค ว ามล ะเ อี ย ด ข อง ผง ถ่ าน (Pulverized coal) ที่บดผ่านโม่ของโรงไฟฟ้า ว่ามีขนาดพอดีที่จะสามารถเผาไหม้สมบูรณ์ หรือไม่การวิเคราะห์ สามารถท าได้ตาม มาตรฐาน ASTM D197 • โดยน าตัวอย่างที่ได้มาจากโรงไฟฟ้ามาท าการ ผสมในถุงใหญ่หลังจากนั้นเทลงไปบนแผ่น พลาสติกที่เตรียมไว้ แล้วพลิกมุมของแผ่น พลาสติกที่ละมุม ให้ครบทั้งสี่มุม • น าตัวอย่างมาใส่ถาด เกลี่ยตัวอย่าง (ตัก ตัวอย่างส่วนหนึ่งใส่ถุง เพื่อน าไปวิเคราะห์หา ค่า Moisture) แล้วน าเข้าเตาอบประมาณ 40 องศาเซลเซียส จนน้ าหนักสูญเสียน้อยกว่า 0.1% ต่อชั่วโมง • ท าการสุ่มตักตัวอย่าง 50 กรัม ใส่บนตะแกรง มาตรฐานขนาด sieve No. 30 (0.595 มม.), 50 (0.297 มม.), 100 (0.149 มม.) และ 200 (0.074 มม.) ที่เรียงซ้อนกัน จากนั้นร่อนผง ถ่านด้วยเครื่องเขย่า 10
• ชั่งน้ าหนักถ่านที่ค้างในแต่ละตะแกรง ค านวณเป็นเปอร์เซ็นต์ รูปแสดงการเรียงตะแกรงเข้าเครื่องเขย่า เอกสารอ้างอิง 1. เอกสารประกอบหลักสูตรเคมีกับโรงไฟฟ้า แผนกเคมี-2 โรงไฟฟ้าแม่เมาะ 4-13 2. SD Coal & Ash โรงไฟฟ้าแม่เมาะ 3. ASTM Volume 05.06 Gaseous Fuel: Coal and Coke Published: September 2012 ผู้เรียงร้อยบทความ : นายเสวก ไชยสาลี ต าแหน่ง หัวหน้าแผนกเคมีโรงไฟฟ้าแม่เมาะ กองเคมีโรงไฟฟ้า ฝ่ายเคมี 11 11
Cathodic Protection System. (CP) โดย คุณสุรินทร์ สารอินทร์ ช่างระดับ 6 หมผ-ธ. กองเคมีวิเคราะห์ฝ่ายเคมี Cathodic Protection เป็นระบบหนึ่งที่ ใช้ป้องกันความผุกร่อนส าหรับโครงสร้างโลหะ เช่น ระบบท่อส่งก๊าซฯ, ท่อส่งน า และอื่นๆ ที่วางใต้ ทะเลหรือฝังอยู่ใต้ดิน โดยปกติแล้วระบบป้องกัน การผุกร่อนด้วยไฟฟ้ากระแสตรง หรือ ระบบ Cathodic Protection ถูกออกแบบมาให้ท างาน ร่วมกับ Protective coating (เป็นระบบป้องกัน ความผุกร่อนหลัก) ดังนั นการป้องกันด้วยวิธีนี จึง เป็นระบบป้องกันเสริม ซึ่งถูกออกแบบมาให้ ปกป้องท่อในบริเวณที่มี Protective Coating ช ารุด เพื่อป้องกันความผุกร่อนที่จะเกิดขึ นในกรณี ที่ระบบหลักท าหน้าที่ไม่สมบูรณ์ ซึ่งทั งนี ต้องมีการ บ ารุงรักษาและตรวจสอบค่า Parameter ต่างๆ อยู่เสมอ เพื่อให้เกิดความมั่นใจว่าระบบท่อสามารถ มีอายุการใช้งานตามระยะเวลาที่ออกแบบไว้ และ เพื่อให้ความเข้าใจในหลักการท างานของระบบ CP มากขึ น จึงอธิบายกลไกการเกิดความผุกร่อนของ โลหะ ดังนี ความผุกร่อนเกิดจากการท าปฏิกิริยา ระหว่างท่อโลหะกับสิ่งแวดล้อม เช่น ความชื น, น า, ออกซิเจน และอื่นๆ ซึ่งก า รกัดกร่อนเป็น กระบวนการทางไฟฟ้าเคมี (Electrochemical Reaction) ที่เกี่ยวข้องกับการไหลของ electron และ ion จากการแลกเปลี่ยน electron บริเวณผิว ของโลหะที่สัมผัสกับ electrolyte ยกเว้น High temperature corrosion ที่ไม่เป็นปฏิกิริยาไฟฟ้า เ ค มี จึง ไ ม่ จ า เ ป็ น ต้ อง มี Electrolyte ก็ไ ด้ โดยทั่วไปแล้วการกัดกร่อนจะเกิดขึ นได้ต้องมี องค์ประกอบ 4 ประการ คือ Anode : จะมี Potential (ศักย์ไฟฟ้า) ที่ต่ ากว่า และเกิดปฏิกิริยา Oxidation ท าให้โลหะสูญเสีย electron Cathode : จ ะ มี Potential ที่ สูง ก ว่ า แ ล ะ เกิดปฏิกิริยา Reduction โลหะได้รับ electron ส่วนเกินจากผลของปฏิกิริยาที่ Anode Metallic path : เป็นโลหะตัวน าไฟฟ้าซึ่งจะเป็น ทางเดินให้ e- จาก Anode ไป Cathode แต่ Conventional current จะไหลจาก Cathode ไป Anode บนโลหะตัวน านี Electrolyte : สารละลายสื่อน าไฟฟ้าที่เต็มไป ด้วย ion ที่มีความสามารถในการน าไฟฟ้า (Anode และ Cathode ต้องอยู่ในสื่อน าไฟฟ้าเดียวกัน) 12
รูปที่ 1 Basic Electrochemical Corrosion Cell ใ น ส ภ า พ ค ว า ม เ ป็ น จ ริง Anode และ Cathode ไม่ได้ แ ย ก จ า กกัน ตามในภาพ ซึ่ง ตามปกติแล้วเราไม่สามารถท าให้ทุกเกรนของ โลหะมีความเหมือนกันทั งหมดได้ รวมทั งสารที่เรา ใส่ไปเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติของโลหะก็เป็นส่วน หนึ่งที่ท าให้เกิดแรงขับเคลื่อนไฟฟ้า (Driving voltage) ระหว่าง Anode และ Cathode บนเนื อ โลหะเดียวกัน ส่งผลให้เกิดการไหลของ Corrosion current ในเนื อโลหะ ซึ่งท าให้เกิดความผุกร่อนขึ น และอัตราความผุกร่อนจะมากหรือน้อยจะแปรผัน ตาม Corrosion current รูปที่ 2 Microscopic Corrosion Cell และหากจะอธิบายปรากฏการณ์การเกิดสนิม ในแง่ของ Thermodynamic สามารถอธิบายได้ ดังนี สินแร่โลหะที่อยู่ในธรรมชาติจะอยู่ในรูปของ สารประกอบที่เป็นภาวะที่เสถียร ในเชิงของ Thermodynamic ตั งแต่เมื่อเราน าแร่เหล็กมาถลุง เพื่อผลิตเป็นวัตถุดิบต่างๆ ที่ใช้ในอุตสาหกรรมจึง เป็นการเพิ่มพลังงานให้โลหะนั นๆ และเปลี่ยนเป็น ภาวะที่ไม่เสถียร เมื่อโลหะถูกปล่อยทิ งไว้โลหะจะ พยามที่จะกลับไปอยู่ในรูปของสินแร่ดังเดิมก็คือ เป็น “สนิม”จาก 4 ปัจจัยที่ส่งผลให้เกิดการผุกร่อน ดังได้กล่าวไปแล้วข้างต้น รูปที่ 3 Refining Process of Steel จากปรากฏการการเกิดสนิมข้างต้น การ ป้องกันเพื่อหยุดกระบวนการผุกร่อนสามารถท าได้ หลายวิธี เช่น การตัดแยกวงจรไฟฟ้าเคมีที่จะ เกิดขึ น หรือเปลี่ยน Driving voltage ของ Anode และ Cathode เล็กๆที่กระจายอยู่บนผิวโลหะ (micro corrosion cell) ซึ่งปกติแล้วเราจะใช้การ เคลือบผิวท่อภายนอกด้วย Protective coating ร่วมกับการใช้ระบบ Cathodic protection ซึ่งใน บทความนี เราจะกล่าวถึงเฉพาะการป้องกันด้วยวิธี Cathodic protection เท่านั น โดยหลักการของ Cathodic Protection คือ การลดความต่างศักย์ ระหว่าง local anodic และ cathodic cell ใน โครงสร้างโลหะที่ต้องการที่จะป้องกันให้เป็นศูนย์ ผลท าให้การไหลของ Corrosion current ภายใน เป็นศูนย์ด้วย ซึ่งท าได้โดยต่อโครงสร้างโลหะนั น เข้ากับโลหะที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ ากว่า เช่น แมกนีเซียม (Mg), ซิงค์ (Zn), อลูมีเนียม (Al) เป็นต้น Metallic Path Metallic Path Corrosion Flow (Conventional Current Flow) e - e - e - e - Electrolyte (Water,Soil,Mud, etc.) Electrolyte Cathode (Protected) Anode (Corrodes) Anode Cathode e - 13
โดยโลหะที่ต่อเพิ่มมานั นจะเรียกว่า โลหะกัด กร่อน (Sacrificial Anode) ซึ่งหมายถึง โลหะที่จะ เกิดการกัดกร่อนแทนโลหะหรือโครงสร้างที่เราจะ ป้องกัน รูปที่ 4 Cathodic Protection on a Structure โดยกระแสที่ไหลออกจาก Sacrificial Anode จะเปลี่ยนแปลงค่าศักย์ไฟฟ้าที่บริเวณ local cathodic cell ในทิศทางที่เป็นลบ (-) และ ท าให้ศักย์ไฟฟ้าลดลงเท่ากับบริเวณ local anodic cell ท าให้ corrosion current ที่เกิด ร ะห ว่ าง micro corrosion cell ลดลงและเมื่อศักย์ไฟฟ้า ของ Cathodic sites ทั งห ม ด เ ข้ าใ ก ล้ open circuit potential ของ most active anodic sites ห รือไม่มีคว ามต่ างศักย์ ระหว่ าง local anodic และ cathodic เป็นผลให้กระบวนการผุ กร่อนหยุดลง รูปที่ 5 Polarization of a Structure Cathodic Protection จึงเป็นปรากฏการณ์ ของการ Polarization คือ การเปลี่ยนแปลงค่า ศักย์ไฟฟ้าของโลหะให้มีคุณสมบัติเป็น Cathode โดยการจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงไหลผ่าน Electrolyte ไปยังโลหะที่ต้องการป้องกันท าให้เกิดปฏิกิริยา Reduction ขึ นบริเวณผิวโลหะ ซึ่งผลของปฏิกิริยา นี เป็นการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมีของ Electrolyte ที่ผิวโลหะซึ่งความแตกต่างนี สามารถ ทราบได้จากการวัดค่าศักย์ไฟฟ้าของโลหะเทียบกับ Reference Electrode เ มื่ อ ท า ก า ร ห ยุ ด จ่ า ย ก ร ะ แ ส ชั่ ว ขณ ะ (instant-off) ซึ่ง ค ล้ า ย กั บ พฤติกรรมที่ศักย์ไฟฟ้าตกคร่อมของตัวเก็บประจุ ค่อยๆ ลดลงแต่ต่างกันตรงที่จะไม่ลดลงจนถึงค่า Native potential ยกเว้น เมื่อท าการหยุดจ่าย กระแส (Off) เป็นเวลานานๆ ค่า Polarization ก็ จะค่อยๆ หมด จนกลับมาเป็นค่าศักย์ไฟฟ้า ธรรมชาติของโลหะนั นๆ (Native Potential) ซึ่ง ศักย์ไฟฟ้าที่วัดเรียกว่า Structure-to-electrolyte potential คือ ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างผิว โลหะของ Structure กับ electrolyte เทียบกับ Reference electrode เ ช่ น Cu/CuSO4 , Zinc หรือ Ag/AgCl ที่สัมผัสกับ electrolyte ระบบ Cathodic Protection มี 2 ช นิ ด ด้ ว ย กั น คื อ แ บ บ Galvanic Anode ห รื อ Sacrificial Anode Type และแบบ Impressed Current Type ซึ่งทั ง 2 ชนิดมีทั งข้อดีและข้อเสีย แตกต่างกันดังนี รูปที่ 6 Measuring Surface Structure-to-Electrolyte Potential -0.5 V -0.6 V -0.65 V -0.6 V -0.7 V -0.58 V -0.58 V -0.6 V -0.65 V -0.6 V -0.7 V -0.58 V -0.6 V -0.6 V -0.65 V -0.6 V -0.7 V -0.6 V -0.65 V -0.65 V -0.65 V -0.65 V -0.7 V -0.65 V -0.7 V -0.7 V -0.7 V -0.7 V -0.7 V -0.7 V Static Potentials Corrosion Mitigated P O L A R I Z A T I O N V DC Cu/CuSO4 Ref. Soil Buried Pipeline Digital VoltMeter Test Lead Measuring Method (+) (-) AnodeCathode Cathodic Protection Current Applied Metallic Path Sacrificial Anode Electrolyte Pipe I cp (I ) cp 14
Sacrificial Anode Systems (SAC) Impressed Current Systems (ICCP) พลังงานของระบบ CP ชนิด SAC ชนิดนี เกิดจากความ ต่างศักย์ระหว่างโครงสร้าง (เหล็ก)และ Anode ซึ่งเรามักจะ เลือกใช้ Magnesium, Zinc, Aluminum โดยปกติแล้วการ ใช้งานจะห่อหุ้ม Anode ด้วยถุง Backfill ซึ่งท าหน้าที่ลด ความต้านทานของวงจรไฟฟ้านี ลง ท าให้ Anode สามารถ จ่ายกระแส CP ได้ดีขึ น ระบบ ICCP มีพลังงานที่มากกว่ามากชนิด SAC เพราะ ใช้พลังงานไฟฟ้ากระแสตรงจากภายนอก ดังนั น Anode ที่ ใช้จึงมีคุณสมบัติคงทนต่อการผุกร่อน เช่น Anode ชนิด High Silicon Cash Iron (HSCI), Graphite, Mix Metal Oxide (MMO) โ ด ย มั ก จ ะ ฝัง Anode ใน Backfill ที่มี ส่วนประกอบของสาร Coke, Breeze เพื่อลดความต้านทาน ของวงจรไฟฟ้าลง เช่นกัน Sacrificial Anode Systems (SAC) Impressed Current Systems (ICCP) ข้อแตกต่างระหว่าง SAC และ ICCP ดังนี ข้อแตกต่างระหว่าง SAC และ ICCP ดังนี 1. ไม่ต้องการพลังงานไฟฟ้าจากภายนอก 1. ต้องการพลังงานไฟฟ้าจากภายนอก ลงทุนสูงในที่ๆไม่มี ไฟฟ้าเข้าถึง 2. ANODE มีอายุการใช้งานต่ าต้องมีการเปลี่ยนใหม่เมื่อใช้ งานนานๆ 2. อุปกรณ์ทุกอย่างมีอายุการใช้งานได้นาน (หากติดตั งและ บ ารุงรักษาถูกวิธี) 3. การเพิ่มปริมาณกระแสท าได้ยาก ต้องฝั่ง ANODE เพิ่ม เท่านั น 3. การเพิ่มปริมาณกระแส ท าได้ง่าย (ปรับเพิ่มก าลังไฟจาก แหล่งจ่ายไฟ) 4. ในทางปฏิบัติมักใช้งานเฉพาะในดินที่มีความต้านทานต่ า หรือในน า 4. ใช้ได้ทั งบริเวณที่มีความต้านทานสูงหรือต่ า 5. ง่ายต่อการออกแบบ, ติดตั งและบ ารุงรักษา 5. ต้องใช้ความระมัดระวังในการออกแบบและติดตั ง 6. อาจจะต้องติดตั งกระจายกันให้ทั่วถึงทั งโครงสร้างที่ได้รับ การป้องกัน ท าให้มีต้นทุนสูงหากต้องติดตั งจ านวนมาก 6. ไม่จ าเป็นต้องติดตั ง Anode จ านวนมาก และแต่ละตัว สามารถปรับให้จ่ายกระแสในปริมาณเท่ากันได้ ซึ่งอายุของ Anode แต่ละตัวจะเท่ากันและสามารถคาดการณ์ได้ 7. มีผลท าให้โครงสร้างอื่นข้างเคียงผุกร่อนน้อยมาก เพราะ กระแสที่ออกจาก Anodeน้อยมาก 7. ต้องมีการประเมินผลกระทบ (CP interference) ของ ground bed ต่อโครงสร้างอื่นข้างเคียงด้วย 8. ยากมากที่กระแสจาก Anode จะมีปริมาณมากพอที่จะ ท าลาย Coating ของท่อ 8. ต้องควบคุมและเฝ้าระวังอย่างใกล้ชิดเพื่อมั่นใจว่ากระแส CP เพียงพอต่อการป้องกันโครงสร้าง แต่ไม่มากเกินไปจนท า ให้ Coating เสียหาย Inert Anode Soil Buried Pipeline Protective Current POWER SUPPLY Coke Breez 15
จากตารางจะเห็นว่าทั ง 2 ชนิดมีทั งข้อดี และข้อเสีย ดังนั น การประยุกต์เลือกใช้งาน ร ะ ห ว่ าง Impress current และ Sacrificial Anode จึงต้องค านึงถึงความเหมาะสมและความ คุ้มค่าในการลงทุนด้วย เพื่อให้มั่นใจว่าระบบท างานได้อย่างมี ประสิทธิภาพ สามารถป้องกันหรือชะลออัตรา ความผุกร่อนของโลหะ เพื่อให้มีอายุการใช้งาน ยาวนานขึ น จึงต้องอาศัยการตรวจสอบและ บ ารุงรักษาที่ถูกต้องและสม่ าเสมอ โดยอ้างอิงตาม มาตรฐานของสมาคม NACE หรือปัจจุบันเปลี่ยน ชื่อเป็น AMPP (The Association for Materials Protection and Performance) เรื่องมาตรฐาน ควบคุมการกัดกร่อนภายนอกของโลหะใต้ดินและ ในน า (NACE - SP0169) โดยก าหนดเกณฑ์ทั งหมด 3 เกณฑ์ ดังนี 1. negative (Cathodic) potential of at least 850 mV. เกณฑ์ยอมรับนี ตรวจสอบง่าย แต่มีค่า Error สูง และไม่เป็นที่นิยม เนื่องจากค่าที่ ได้จะรวมค่าศักย์ไฟฟ้าตกคร่อมดิน (IR drop) ไป ด้วย On Potential = V Native + V Polarization + VIR drop 2. negative polarized potential of a least 850 mV. เกณฑ์ยอมรับนี มีความน่าเชื่อถือ สูงและเป็นที่นิยมใช้ (Safety factor สูงกว่า) เนื่องจากค่าที่ได้เป็นค่าศักย์ไฟฟ้าของโลหะรวมกับ ค่าศักย์ไฟฟ้าที่โลหะได้รับการ Polarized จริงๆ โดยตรวจสอบได้จากการหยุดจ่ายกระแสชั่วขณะ (Interrupt) ท าให้กระแสมีค่าเป็นศูนย์ ค่า IR drop จึงมีค่าเป็นศูนย์ด้วย (ตามกฎของโอห์ม) หรือเรียก ค่านี ว่า “Instant Off Potential” Instant Off Potential = V Native + V Polarization 3. minimum of 100 mV of Cathodic polarization เกณฑ์ยอมรับนี เป็นการประเมินที่ ละเอียดกว่า (Safety factor ต่ ากว่า, ใช้เวลา มากกว่า) เนื่องจากต้องตรวจสอบทั งค่า Instant Off และค่า Native Potential (Native Potential คือค่าศักย์ไฟฟ้าธรรมชาติของโลหะที่ยังไม่ได้รับ Protective Current จากระบบ) โดยหาค่าได้ดัง สมการนี Polarization = V Instant Off - V Native รูปที่ 7 Structure-to-Electrolyte Potential IR Drop 100 mV. Polarization ON Potential Instant Off Potential 100 mV. Depolarization “ON-IR” -850 VCSE “Instant Off” -850 VCSE Native (Free Corroding, Static) Potential Potential (-mV) (-) (+) = Copper-Copper Sulfate Reference Electrode (Cu/CuSO4) VCSE 16
บทสรุป การป้องกันความผุกร่อนของท่อต่าง ๆ ที่ฝัง อยู่ใต้ดินด้วยระบบ Cathodic Protection เป็น เพียงวิธีการหนึ่งเท่านั น ซึ่งต้องมีการบ ารุงรักษา และตรวจสอบค่า Parameter ต่าง ๆ อยู่เสมอ เพื่อให้เกิดความมั่นใจว่าท่อสามารถมีอายุการใช้ งานตามระยะเวลาที่ออกแบบไว้ อนึ่งการป้องกัน ความผุกร่อนโดยวิธี CP ยังสามารถประยุกต์ใช้กับ พื นผิวภายในท่อหรือ Vessels และโครงสร้างโลหะ อื่นๆ ที่มี Electrolyte ได้อีกด้วย เอกสารอ้างอิง - NACE International Cathodic Protection Tester (CP1) โดยสุรินทร์ สารอินทร์ ช่างระดับ 6 แผนกตรวจวิเคราะห์มลสารการเผาไหม้และน้้าทิ้งโรงไฟฟ้า กองเคมีวิเคราะห์ฝ่ายเคมี 17
pH Phenomena in Cooling Water โดย วท.กฤตยมนต์ ชื่นเจริญ นักวิทยาศาสตร์ระดับ 7 หคท-ธ. กองเคมีคุณภาพ ฝ่ายเคมี บทความนี้จะอธิบายถึงลักษณ ะ ก าร เปลี่ยนแปลงของ pH ในน้้า cooling ซึ่งไม่ใช่ความรู้ ใหม่แต่เป็นความรู้ที่มักจะถูกมองข้าม อย่างที่เราทราบกันดีอยู่แล้วว่า ค่า pH จะ เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ โดยที่ค่า pH จะลดลงเมื่อ อุณหภูมิเพิ่มขึ้นเสมอ สามารถอธิบายด้วยปฏิกิริยา การแตกตัวของน้้าบริสุทธิ์ ดังสมการด้านล่าง H2O (l) ⇌ H⁺ (aq) + OH⁻ (aq) เนื่องจากเป็นปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ที่สภาวะ สมดุล ค่าคงที่สมดุลการแตกตัวของน้้าจะเรียกว่า “Kw” โดย Kw จะมีค่าเท่ากับผลคูณของความเข้มข้น H + และ OH- ดังสมการ Kw = [H⁺] [OH⁻] pKw = -log 10 Kw pH = -log10[H⁺] ที่อุณหภูมิ 25°C ค่า Kw =1x10-14 สามารถ ค้านวณหาค่า pH ที่ 25°C ได้ดังนี้ pKw@25°C = 14 ....(1) -log10[H⁺][OH⁻] = 14 ....(2) [H⁺][OH⁻]@25°C = 10-14 ....(3) at Neutral [H⁺] = [OH⁻] ....(4) แทนที่ [OH⁻] ด้วย [H⁺] ในสมการที่ (3) [H⁺]² @25°C = 10-14 [H⁺] = 10⁻⁷ pH@25°C = 7 เราจะได้ pH ที่เป็นกลางที่อุณหภูมิ 25°C เท่ากับ 7 แต่เนื่องจากถ้าอุณหภูมิเปลี่ยนไป ค่า Kw ก็ จะเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ เนื่องจากปฏิกิริยาจะ เข้าสู่สมดุลใหม่ H2O (l) ⇌ H⁺ (aq) + OH⁻ (aq) กรณีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น ระบบจะดูดซับความ ร้อนส่งผลให้ปฏิกิริยา Shift ไปทางขวาท้าให้ค่าผล คูณของความเข้มข้น H + และ OHเพิ่มขึ้นส่งผลให้ค่า Kw สูงขึ้น ในทางกลับกันถ้าอุณหภูมิลดลง ระบบจะ คายความร้อนส่งผลให้ปฏิกิริยา Shift ไปทางซ้าย ส่งผลให้ค่าผลคูณของความเข้มข้น H + และ OHลดลงส่งผลให้ค่า Kw ลดลง 18
ตารางด้านล่างแสดงถึงค่า Kw และ pH ที่อุณหภูมิต่าง ๆ ของน้้าบริสุทธิ์ที่มีคุณสมบัติเป็นกลาง นี่เป็นเหตุผลว่าท้าไมเราวัด pH น้้าบริสุทธิ์ที่ 25°C มี ค่าเท่ากับ 7 แต่เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นเป็น 50°C ค่า pH ที่วัดได้จะเป็น 6.63 นั่นไม่ได้หมายความว่าน้้ามีความ เป็นกรด แต่ที่ 50°C น้้าจะมีค่า pH เป็นกลางที่ 6.63 ซึ่งความเข้มข้นของ H + จะเท่ากับ OHเนื่องจาก pH เป็นการวัดความเข้มข้นของ H + เพียงอย่างเดียว ไม่ได้ค้านึงถึงความเข้มข้นของ OHว่าจะเป็นเท่าไหร่ แต่ถ้าสภาวะเป็นกลางค่าความ เข้มข้นของ H + จะเท่ากับ OH- เสมอ โดยค่า pH ที่ สภาวะเป็นกลางที่อุณหภูมิต่าง ๆ แสดงดังกราฟ ด้านล่าง ความแตกต่างของค่า pH และ Acidity เพื่อให้ประเด็นนี้ชัดเจนขึ้น เราต้องแยกให้ ออกว่าค่า pH กับ Acidity หรือความเป็นกรดไม่ใช่ ตัวเดียวกัน ซึ่งความเป็นกรดหมายถึงสภาวะที่ สารละลายมีความเข้มข้นของ H + มากกว่า OHการที่เราวัดค่า pH ได้ค่าลดลงเมื่ออุณหภูมิ เพิ่มขึ้นไม่ได้หมายความว่าสารละลายมีความเป็นกรด เพิ่มขึ้นแต่อย่างใด ความเข้าใจผิดนี้อาจน้ามาสู่การ เลือก Treatment Program ที่ผิดและท้าให้การ ควบคุมคุณภาพน้้าผิดพลาดได้ Acid: [H⁺] > [OH⁻] Basic: [OH⁻] > [H⁺] Neutral: [H⁺] = [OH⁻] ตารางนี้จะเป็นตัว อย่างของ pH ของ สารละลายที่มีความเป็น กรด กลาง ด่างที่อุณหภูมิ ต่าง ๆ จากตารางจะเห็นว่า pH ของสารละลายที่ เป็นด่างจะไวต่อการเปลี่ยนแปลงเมื่ออุณหภูมิ เปลี่ยนไปมากกว่าสารละลายที่เป็นกรด pH กับการคาดการณ์โอกาสการเกิดตะกรันในน ้า Cooling pH ถือเป็นปัจจัยส้าคัญที่จะใช้ท้านายโอกาส การเกิดตะกรันในน้้า Cooling โดยดัชนีชี้วัดโอกาส ก า ร เ กิ ด ต ะ ก รั น ที่ นิ ย ม ใ ช้ กั น คื อ Langelier Saturation Index (LSI) เมื่อพิจารณาสมการของ LSI พบว่าเป็นฟังก์ชั่นที่แปรผันตรงกับค่า pH อุณหภูมิ TDS แคลเซียม และค่า อัลคาไลน์นิตี้ แสดง ความสัมพันธ์ได้ดังนี้ LSI = f (pH, T, TDS, Ca, Alkalinity) Neutral pH at any Temperature 19
ความผิดพลาดของการประเมินโอกาสการเกิด ตะกรันโดยใช้ค่า LSI ที่พบบ่อยคือ ไม่มีการค้านึงถึง ค่า pH ที่เปลี่ยนไปตามอุณหภูมิดังรูป ภาพก่อนหน้านี้จะท้าให้เราเข้าใจว่าที่อุณหภูมิสูงขึ้น จะส่งผลให้โอกาสการเกิดตะกรันในน้้า Cooling เพิ่มขึ้นซึ่งสอดคล้องกับทฤษฎีที่ว่าเมื่ออุณหภูมิ เพิ่มขึ้นค่าการละลายของสารละลายจะลดลง แต่ ทฤษฎีนี้จะเกิดข้อโต้แย้งเมื่อเราท้าการปรับค่า pH ให้ ถูกต้องตามอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปหลังจากนั้นน้าไป ค้านวณค่า LSI จะได้ Profile ของ LSI ใหม่ดังภาพ จากสองกรณีดังกล่าวจะเห็นว่าโอกาสในการ เกิดตะกรันจะพิจารณาแค่การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ เพียงอย่างเดียวไม่ได้ จะต้องพิจารณาปัจจัยด้านค่า pH ประกอบด้วยจึงจะเป็นการประเมินที่ถูกต้อง และ สามารถเลือกใช้ Treatment Program ได้อย่าง เหมาะสม หากเราประเมินผิดดังกรณีแรกจะส่งผลให้ มีการปรับแต่งคุณภาพน้้าแบบผิดๆ และส่งผลให้เกิด ความเสียหายตามมาได้ นอกจากนี้ยังมีปัจจัยอื่น ๆ ที่ต้องพิจารณาให้ ครอบคลุม ซึ่งตารางต่อไปนี้จะสรุปปัจจัยที่ส้าคัญที่ ส่งผลต่อโอกาสการเกิดตะกรันในน้้า Cooling จากตารางสามารถอธิบายรายละเอียดของแต่ละ ปัจจัยได้ดังนี้ 1.Solubility Product คือ ความสามารถ ในการละลาย ตามกฎของ Thumb คือ ค่าการ ละลายจะลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ซึ่งเราไม่สามารถ พิจารณาแค่ข้อนี้เพียงล้าพังได้ ดังที่ได้ยกตัวอย่างไป แล้วก่อนหน้านี้ pH uncorrected for temperature LSI using pH uncorrected for temperature LSI using pH uncorrected for temperature LSI using pH Corrected for temperature 20
2. pH คือ ความเข้มข้นของ H + จะเพิ่มขึ้นก็ ต่อเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ค่า pH ลดลงเมื่อ อุณหภูมิเพิ่มขึ้น ซึ่งในน้้าที่มีส่วนประกอบของ Carbonate Species จะส่งผลให้ CO3 2- และ HCO3 - กลายเป็น H2CO3 ส่งผลให้โอกาสการเกิดตะกรัน ลดลง สามารถอธิบายด้วยสมการที่เกี่ยวข้องทั้งหมด ของระบบสมดุลน้้าที่เกิดจาก CO2 และ CaCO3 ดังนี้ เมื่อ pH ในระบบลดลง ( ปริมาณ H + ใน ระบบสูงขึ้น) ปฏิกิริยาที่แสดงทั้งหมดจะ Shift ไป ทางซ้ายเพื่อลดปริมาณ H+ ลงและเข้าสู่ภาวะสมดุล ใหม่ ในทางกลับกันเมื่อ pH ในระบบเพิ่มขึ้น (ปริมาณ H + ในระบบลดลง) ปฏิกิริยาที่แสดงทั้งหมด จะ Shift ไปทางขวาเพื่อเพิ่มปริมาณ H+ ลงและเข้าสู่ ภาวะสมดุลใหม่ โดยปริมาณการกระจายตัวของ Carbonate Specie ที่ค่า pH ต่างๆ แสดงดังรูปภาพ 3. Dissociation คือ ความสามารถในการ แตกตัวของไอออน จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ส่งผลให้ปริมาณ CO3 2- ในระบบเพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นการ เพิ่มโอกาสในการเกิดตะกรัน 4. Activity หมายถึง ความเข้มข้นของ ไอออนจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ ส่งผลให้สารละลายมี ความอิ่มตัวสูงขึ้น และเพิ่มโอกาสในการเกิดตะกรัน 5. Pressure (PCO2) หมายถึง ความดันย่อย ของ CO2 ที่ละลายอยู่ในน้้า ซึ่งจะแลกเปลี่ยนกับ CO2 ในชั้นบรรยากาศที่สภาวะสมดุลดังแผนภาพ น้้าที่มีค่า PCO2 สูงเมื่อสัมผัสกับอากาศก็จะ ปล่อย CO2ออกสู่ชั้นบรรยากาศ ท้าให้ CO2 ที่ละลาย น้้าลดลง และ pH ของระบบเพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน น้้าที่มีค่า PCO2 ต่้าเมื่อสัมผัสกับอากาศก็จะดูดซับ CO2 จากชั้นบรรยากาศเข้ามา ท้าให้ CO2 ที่ละลาย น้้าเพิ่มขึ้น และ pH ของระบบลดลง การที่เรารู้ว่าคุณภาพน้้าของเรามีสภาวะของ CO2 เป็นอย่างไรนั้นส้าคัญมากต่อการก้าหนด Chemical Treatment Program เพราะ CO2 มี อิทธิพลมากต่อการเปลี่ยนแปลงค่า pH จะยกกรณี ตัวอย่าง 2 กรณี ดังนี้ CO₂ (g) + H₂0 ⇌ H₂CO₃ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ HCO₃⁻ ⇌ H⁺ + CO₃²⁻ Ca²⁺ + CO₃²⁻ ⇌ CaCO₃(s) HCO₃⁻ + OH⁻ ⇌ CO₃²⁻ + H₂0 PH 21
กรณีที่ 1 เปรียบเทียบน้้า Make Up ของ ระบบ Open Recirculating Cooling 2 แห่ง แหล่ง น้้าที่ 1 เป็นน้้าจากแม่น้้ามิสซิสซิปปีที่ผ่านการลด ความกระด้างด้วยระบบ Cold Lime จะเป็นน้้าที่ขาด แคลน CO2และมีค่า pH เท่ากับ 9.8 เมื่อผ่านการ หมุนวน 1 รอบ ค่า pH จะลดลงเหลือ 8.6 เนื่องจาก มีการแลกเปลี่ยน CO2 กับชั้นบรรยากาศ โดยน้้ามี การดูดซับ CO2 มากขึ้นเพื่อเข้าสู่ภาวะสมดุล ท้าให้ค่า pH ของน้้าหลังการหมุนวนมีค่าลดลง ในทางกลับกัน แหล่งน้้าที่ 2 เป็นน้้าจากบ่อลึกที่มีค่า Partial Pressure ของ CO2สูงที่ปากบ่อ โดยมี pH อยู่ในช่วง 6.0 – 6.6 เมื่อผ่านการหมุนวน 1 รอบ น้้าที่มีค่า CO2 สูงนี้จะปล่อย CO2 เข้าสู่ชั้นบรรยากาศเพื่อเข้าสู่ภาวะ สมดุล ส่งผลให้ค่า pH เพิ่มขึ้นเป็น 7.2 – 7.6 กรณีนี้จะเห็นได้ว่าแหล่งน้้าที่แตกต่างกัน 2 แหล่งอยู่ในสภาวะที่ Partial Pressure ของ CO2 ไม่ สมดุลในเชิงบวกและเชิงลบ ซึ่งจะเกิดการ เปลี่ยนแปลงเพื่อเข้าสู่ภาวะสมดุลในทิศทางที่ตรงข้าม กัน เพราะฉะนั้นการเลือก Treatment Program ส้าหรับน้้า Cooling จ้าเป็นต้องพิจารณาถึงผลของ CO2 ที่มีต่อค่า pH ด้วย อีกกรณีหนึ่งที่น่าสนใจมาก ๆ จะเป็นการ เปรียบเทียบการควบคุม pH ในระบบ Reverse Osmosis (RO) และระบบ Open Recirculating Cooling ซึ่งเมื่อดูอย่างผิวเผิน 2 ระบบนี้จะมีหลักใน การควบคุมคุณภาพน้้าที่ไม่แตกต่างกันคือมีการเติม กรดเพื่อลดค่า pH เพื่อป้องกันโอกาสในการเกิด ตะกรัน แต่จุดส้าคัญที่ท้าให้เกิดความแตกต่างกันคือ ระบบ RO เป็นระบบปิด ในขณะที่ระบบ Open Recirculating Cooling เ ป็ น ร ะ บ บ เ ปิ ด เพราะฉะนั้น น้้าที่อยู่ภายใน RO Membrane Vessel จะไม่มีโอกาสแลกเปลี่ยน CO2 กับชั้นบรรยากาศได้ เหมือนกับน้้าในระบบ Cooling แผนภาพด้านล่างแสดงให้เห็นว่าการปรับค่า pH น้้าระบบ Open Recirculating Cooling จะต้อง ใช้ปริมาณกรดมากถึง 5 เท่าเมื่อเทียบกับปริมาณที่ใช้ ในระบบ RO ส้าหรับการลดค่า pH ให้ได้ตามค่า เป้าหมายที่เท่ากัน ภาพด้านบนระบบ RO มีความต้องการ ปริมาณกรดเท่ากับ 65 ppm ในการลดค่า pH ให้ได้ เท่ากับ 7 ที่ 80% Recovery ส่วนภาพด้านล่าง ระบบ Open Recirculating Cooling มี ค ว า ม ต้องการปริมาณกรดถึง 302 ppm ในการลด pH ให้ ได้เท่ากับ 7 ที่ 80% Recovery 22 22
เพราะฉะนั้นผู้ที่ไม่ทราบในจุดนี้ อาจมีการ เติมกรดในปริมาณที่มากเกินความจ้าเป็นส้าหรับ ระบบ RO กรณีสารเคมีที่ใช้เป็น Sulfuric Acid จะ เป็นการเพิ่มความเสี่ยงในการเกิดตะกรันของ CaSO4 ข้อสรุป ในการประเมินโอกาสในการเกิดตะกรัน ส้าหรับตะกรันชนิดที่มีความสามารถในการละลายไว ต่อค่า pH เช่น ตะกรันของคาร์บอเนต ได้แก่ CaCO3 BaCO3 FeCO3 หรือแม้กระทั่งตะกรันของฟอสเฟต เช่น Ca3 (PO4 )2 ซึ่งมักพบในระบบ Cooling หรือ Reverse Osmosis ต้องให้คว ามส้าคัญ ต่ อ ก า ร เปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่มีผลต่อค่า pH รวมถึงค่า การละลาย ความสามารถในการแตกตัวของไอออน และ Partial Pressure ของ CO2 ซึ่งเมื่อพิจารณา แบบองค์รวมจะเห็นว่า อุณหภูมิที่สูงขึ้นไม่ได้แปลว่า โอกาสในการเกิดตะกรันจะเพิ่มขึ้นเสมอไป ดังนั้น หากเราเข้าใจปัจจัยต่าง ๆ อย่างครอบคลุมจะเป็น ประโยชน์ให้เราสามารถปรับ Chemical Treatment Program ได้อย่างเหมาะสม รวมไปถึงสามารถ พิจารณาการปรับเพิ่มรอบ Cycle of Recirculation ได้อย่างคุ้มค่ามากที่สุด เอกสารอ้างอิง 1. Robert J Ferguson, “pH Phenomena in Cooling Water”, CTI Journal, Vol 43, No.1, 2022, PP 35 -43 2. https://atlas-scientific.com/blog/doestemperature-affect-ph/ 3. https://www.westlab.com/blog/howdoes-temperature-affect-ph ผู้เขียนบทความ นางกฤตยมนต์ ชื่นเจริญ นักวิทยาศาสตร์ระดับ 7 แผนกเคมีเทคนิค กองเคมีคุณภาพ ฝ่ายเคมี 23 23
ผลกระทบของ Dissolved CO2 ในระบบ RO-EDI (Reverse Osmosis และ Electro Deionization) และการวิเคราะห์ CO2 โดย วท.เกศินี มะโนแก้ว นักวิทยาศาสตร์ระดับ 7 หพค-ธ., กคภ-ธ., อคม ระบบรีเวอร์สออสโมซิส (RO) และระบบ Electro Deionization (EDI) เป็นกระบวนการผลิตน ้า บริสุทธิ์ที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยเฉพาะใน โรงไฟฟ้าที่ต้องใช้น ้าบริสุทธิ์ส้าหรับป้อนหม้อไอน ้า และกังหันไอน ้า ซึ่งมีข้อดีที่น ้าบริสุทธิ์มีคุณภาพสูง การ ใช้สารเคมีน้อย และต้นทุนการผลิตต่อหน่วยต่้า ส้าหรับ การควบคุมคุณภาพในการผลิต ปัจจัยหนึ่งที่ส้าคัญคือ Dissolved CO2ซึ่งส่งผลต่อค่าการน้าไฟฟ้าของน ้า บริสุทธิ์ที่ผลิตได้ และต้นทุนค่ากระแสไฟฟ้า ซึ่ง บทความนี จะน้าเสนอหลักการท้างานของระบบ ROEDI การควบคุมค่า Dissolved CO2และการวิเคราะห์ หาปริมาณ CO2 เพื่อเป็นประโยชน์ส้าหรับการเดิน ระบบ RO-EDI ต่อไป รีเวอร์สออสโมซิส (Reverse Osmosis ; RO) เ ป็ น ก ร ะ บ ว น ก า ร ที่ น ้ า ซึ ม ผ่ า น เ นื อ เ ยื่ อ (Semipermeable Membrane) จากสารละลายที่มี ความเข้มข้นสูงกว่าไปยังสารละลายที่มีความเข้มข้นต่้า กว่า ซึ่งเป็นกระบวนการฝืนธรรมชาติ (ตรงข้ามกับ ออสโมซิส) โดยการเพิ่มแรงดันทางด้านสารละลายที่มี ความเข้มข้นสูง จนกระทั่งน ้าซึมย้อนจากสารละลาย เข้มข้นไปสู่สารละลายที่เจือจางกว่า ซึ่งแรงดันที่ใช้นี จะต้องมากกว่าแรงดันออสโมซิส (Osmotic Pressure) Electro Deionization (EDI) คือระบบบ้าบัด น ้ าที่ใช้การแลกเปลี่ยนไอออนด้วยเรซิ่น ( Ion Exchange Resins ) และหลักการแยกไอออนด้วยไฟฟ้า ซึ่งเป็นการแยกไอออนที่ละลายอยู่ออกจากน ้า ซึ่ง แตกต่างจากเทคโนโลยีบ้าบัดน ้าอื่น ๆ ตรงที่สามารถท้า ได้โดยแทบจะไม่ต้องใช้สารเคมี โดยปกติจะใช้เพื่อปรับ สภาพน ้าที่ได้จาก ระบบ Reverse Osmosis (RO) โดย หน่วยของ EDI มักจะถูกเรียกกันว่า continuous electro deionization (CEDI) เนื่องจากกระแสไฟฟ้าจะ สร้างเรซิ่นขึ นมาใหม่อย่างต่อเนื่อง โดยเทคนิค CEDI สามารถท้าให้น ้ามีค่าความบริสุทธิ์ที่สูงมากโดยมีค่าการ น้าไฟฟ้าต่้ากว่า 0.1 μs / cm รูปที่ 1 แสดงภาพรวมของระบบ Reverse Osmosis (RO) และElectro De-Ionization (EDI) ปัญหาที่อาจเกิดขึ้นในระบบ RO-EDI หากมีปริมาณ Dissolved CO2 เกินค่าควบคุม ในกระบวนการ Reverse Osmosis มีการปรับ สภาพน ้าเพื่อป้องกันการเกิดตะกรันแคลเซียม คาร์บอเนต (CaCO3 ) เช่น วิธีการเติมกรด H2SO4 หรือ กรด HCl กรดเหล่านี จะท้าปฏิกิริยากับ คาร์บอเนต (CO3 2-) และ ไบคาร์บอเนต (HCO3 - ) ไปเป็น ก๊าซ คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 ) ดังสมการ 24
ซึ่งก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะสามารถซึมผ่าน RO เมมเบรนได้ทั งหมด จึงท้าให้น ้าที่ผ่านการกรอง (Permeate) มีสัดส่วนของ CO2สูงกว่าปกติส่งผลให้ค่า pH ของน ้าที่ผ่านการกรองลดลง (pH ~ 5.8) และก๊าซ คาร์บอนไดออกไซด์ในน ้า Permeate จะถูกส่งต่อเข้า ไปในระบบ EDI ซึ่งในระบบ EDI มีการก้าหนดคุณภาพ น ้าให้ปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ≤5 ppm as CO2 ผลกระทบที่มีต่อระบบ EDI หากมีปริมาณ คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 ) ที่ละลายในน ้า Permeate มาก 1) CO2 จะถูกก้าจัดออกจากน ้าผ่านการท้าให้ บริสุทธิ์โดยการแลกเปลี่ยนไอออนหรือโดย EDI 2) ปริมาณ CO2 ที่สูงจะใช้ความจุของเรซินแลก เปลี่ยนไอออนเบดเป็นจ้านวนมาก หรืออาจท้าให้ EDI ท้างานหนักเกินไป 3) หากมีการก้าจัด CO2 ก่อนการแลกเปลี่ยน ไอออนในกระบวนการ EDI อาจเพิ่มอายุการใช้งานของ อุปกรณ์ได้สามเท่าหรือมากกว่านั น หลักการท างานของ Electro De-Ionization (EDI) เป็นระบบที่ประกอบด้วย Ion-exchange resin ทั งชนิดประจุบวก (Anionic Resin) และชนิดประจุ ลบ (Cationic Resin) ซึ่งอยู่ ระหว่ าง Ion-selective membranes และแรงดันไฟฟ้า เป็นเทคโนโลยีที่รวม เทคนิคการท้าน ้าบริสุทธิ์สองแบบเข้าด้วยกัน คือ การ แยกไอออนด้วยไฟฟ้าและการแลกเปลี่ยนไอออน รูปที่ 2 แสดงโครงสร้างภายในของอุปกรณ์ Electro DeIonization (EDI) รูปที่ 3แสดงการดักจับ CO2ด้วยเรซินชนิดประจุลบ (Anion Resin) ในอุปกรณ์ Electro De-Ionization (EDI) Ion-exchange resin ท้าหน้าที่ดักจับไอออน ที่ปะปนมากับน ้า Permeate ซึ่งไม่สามารถกรองผ่าน ระบบ RO ได้ โดยล้าดับการแลกเปลี่ยนไอออนนั นเรซิน จะจับกับกับคลอไรด์ไอออน (Cl- ) และโซเดียมไอออน (Na+ ) ก่อน (ดังรูปที่ 2) ซึ่งหากมี Dissolved CO2 ปะปน เข้าสู่ระบบ EDI ในปริมาณมากจะส่งผลให้ประสิทธิภาพ ในการดักจับไอออนชนิดอื่นๆ เช่น ซิลิก้า (SiO2 - ) ลดลง อุปกรณ์ EDI จึงต้องใช้กระแสไฟฟ้ามากขึ นในการก้าจัด CO2 , SiO2และไอออนชนิดอื่นๆออกจากน ้าบริสุทธิ์ (อ้างอิงสมการในรูปที่ 4) รูปที่ 4 สมการค้านวณปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ใช้กับ ระบบ EDI 25
การก้าหนดปริมาณกระแสไฟฟ้าที่เหมาะสม กับอุปกรณ์ EDI มาจากปัจจัยดังนี • อัตราการไหลของน ้าต่อโมดูล • ค่าการน้าไฟฟ้า (Conductivity) ของน ้าที่ป้อนเข้า สู่ระบบ EDI (feed water) - วัดค่าการน้าไฟฟ้าของน ้าป้อน (อาจต้องใช้ เครื่องวัดค่า Conductivity แบบพกพา) - ปริมาณของคาร์บอนไดออกไซด์ Dissolved CO2ของน ้า feed water - ความเข้มข้นของซิลิกา (SiO2 ) ในน ้า feed water หลักการควบคุมปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 ) ในน้ าป้อนเข้าสู่ระบบ EDI ก่อนที่น ้า Permeate จะถูกป้อนเข้าสู่ระบบ EDI จ้าเป็นต้องก้าจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ก่อน โดยทั่วไปวิธีการก้าจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 ) ท้าได้ดังนี 1) ใช้อุปกรณ์Deaerator/Degassingโดยการก้าจัด ก๊าซที่ละลายในน ้า Permeate จากขั นตอนรีเวิร์สออส โมซิส (RO) ซึ่งไอออนส่วนใหญ่ เช่น Bicarbonate (HCO3 - ) และ Carbonate (CO3 - ) จะถูกก้าจัดออกไป ส่งผลให้ค่า pH ของน ้ามีสภาพเป็นกรดเล็กน้อย เนื่องจากความสมดุลของ CO2ลดลง 2) การเติมสารเคมี pH Adjuster ประเภทกรด (Acid) เช่น H2SO4 หรือสารเคมีประเภทด่าง (Caustic) เช่น NaOH ที่นิยมน้ามาใช้ในระบบ RO คือ โซเดียมไฮ ดรอกไซด์ (NaOH) ซึ่งจุดที่มักมีการเติมสารเคมี NaOH คือ บริเวณน ้าขาออกจาก RO 1st Pass ดังรูปที่ 5 ซึ่ง ถัดไปจากระบบ RO คือ อุปกรณ์ EDI (Electro DeIonization) ที่มีการควบคุมปริมาณของ CO2ของน ้า feed รูปที่ 5 แสดงจุดที่มีการเติมสารเคมี NaOH บริเวณน ้าขาออกจาก RO 1st Pass (RO Permeate) ก่อนเข้าสู่ RO 2nd Pass และ อุปกรณ์ EDI ตามล้าดับ หลักการวิเคราะห์ปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่ ละลายในน้ า (Dissolved CO2 ) เมื่อมีการก้าจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 ) ออกจากน ้า feed water ก่อนเข้าสู่อุปกรณ์ EDI แล้ว ควรด้าเนินการวิเคราะห์ปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่ ละลายในน ้า (Dissolved CO2 ) ส้าหรับการวิเคราะห์หา ปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่ละลายในน ้ามีหลาย เทคนิค โดยเทคนิคที่นิยมใช้คือการไทเทรต กับด่างแก่ (โซเดียมไฮดรอกไซด์ ; NaOH) ที่ทราบความ เข้มข้นแน่นอน และใช้สารละลายPhenolphthalein เป็นอินดิเคเตอร์ นั นเป็นวิธีที่สามารถทราบปริมาณ Dissolved CO2 ได้โดยตรง (รายงานค่าในหน่วย ppm) อีกทั งขั นตอนการเตรียมสารเคมีและการวิเคราะห์นั น ไม่ยุ่งยาก จุดยุติเป็นสีชมพูที่ pH ประมาณ 8.3 ปฏิกิริยาเคมีระหว่างคาร์บอนไดออกไซด์และ สารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ แสดงดังสมการ สารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ท้าปฏิกิริยากับกรดคาร์ บอนิก (H2CO3 ) ในน ้า กลายเป็น โซเดียมไบคาร์บอเนต (NaHCO3 ) 26
วิธีวิเคราะห์คาร์บอนไดออกไซด์ที่ละลายในน้ า (Dissolved CO2 ) 1. อุปกรณ์ 1.1 Burette ขนาด25-50 ml. 1.2 Volumetric Flask 1.3 Pipette 1.3 Flask ขนาด250 ml. 1.4 Graduated Cylinder ขนาด100 ml. 1.5 Volumetric flask ขนาด100, 1000 ml. 1.6 Desiccator 2. สารเคมี 2.1 น ้าที่ปราศจากคาร์บอนไดออกไซด์ ต้มน ้ากลั่นให้เดือด 15 นาที ตั งทิ งให้เย็นที่ อุณหภูมิห้อง pH ของน ้า ควรมากกว่าหรือเท่ากับ 6.0 และมีค่า conductivity ไม่เกิน 2 µs/cm (ใช้น ้านี เพื่อ เตรียมสารละลายหรือส้าหรับการเจือจาง) 2.2 Standard potassium hydrogen phthalate (HOOCC6 H4 COOK), KHP 0.05 N 2.2.1 บด KHP 15-20 g และอบให้ แห้งที่อุณหภูมิ 120 oC เป็นเวลา 2 ชั่วโมง 2.2.2 ปล่อยให้เย็นใน desiccators 2.2.3 ชั่ง KHP 10+0.5 g เจือจาง ด้วยน ้ากลั่นจนได้ปริมาตร 1 L 2.3 standard sodium hydroxide solution, NaOH 0.1 N 2.3.1 ชั่ง NaOH 11 g ละลายในน ้า กลั่นประมาณ 15 ml ปล่อยให้เย็น 2.3.2 กรองและดูดน ้าใสส่วนบนมา 5.45 ml เติมน ้ากลั่นจนได้ปริมาตร 1 L (เก็บในขวด พลาสติก) และปรับปริมาตรเป็น 1 L 2.4 standard sodium hydroxide solution, NaOH 0.02 N น้าสารละลาย NaOH 0.1 N มา 200 ml เจือจางด้วยน ้ากลั่นและปรับปริมาตรเป็น 1 L (เก็บในขวดพลาสติก) 2.5 phenolphthalein indicator solution ละลาย Phenolphthalein 5 g. ใน 95 % isopropyl alcohol 500 ml. และเติมน ้ากลั่นอีก 500 ml การหาความเข้มข้นที่แน่นอนของ standard sodium hydroxide solution, NaOH 0.02 N โดย การ Standardize กับสารละลายมาตรฐาน KHP 0.05 N 1. ปิเปต สารละลายมาตรฐาน KHP จากข้อ 2.2 มา10 ml.ใส่ Erlenmeyer flask 2. หยด phenolphthalein indicator solution 2-3 หยด และน้าไปไทเทรตกับสารละลาย มาตรฐาน 0.02 N NaOH เมื่อถึงจุดยุติสารละลายจะ เปลี่ยนจากไม่มีสีเป็นสีชมพู (pH ~7) อ่านปริมาตรของ สารละลายมาตรฐาน 0.02 N NaOH ที่ใช้ ความเข้มข้น NaOH (N) = A x B 204.2 x C โดย A = น ้าหนักของ KHP,g B = ปริมาตรของสารละลาย KHP ที่น้ามา ไทเทรต, ml C= ปริมาตรของสารละลาย NaOH, ml 27
3. วิธีการทดสอบ 3.1 ปิเปตตัวอย่าง 100 ml ใส่ลงใน Erlenmeyer flask (โดยให้ปลายปิเปตอยู่ใกล้ก้น ขวดมากที่สุด) 3.2 หยด phenolphthalein indicator 2 หยด ผสมให้เข้ากัน 3.3 ไทเทรตกับสารละลายมาตรฐาน NaOH, 0.02 N จนเกิดสีชมพู และบันทึกปริมาตร = V 4. การค านวณ CO2, mg/l = A x N x 44,000 Sample volume, ml โดย A = ปริมาตรสารละลาย NaOH ที่ใช้ ไทเทรต, ml N = Normality ของ NaOH, N รูปที่ 6 การไทเทรตด้วยสารละลายโซเดียมไฮ ดรอกไซด์ (NaOH) และใช้สาร Phenolphthalein เป็น อินดิเคเตอร์ บทสรุป กระบวนการผลิตน ้าบริสุทธิ์ด้วยระบบรีเวอร์ส ออสโมซิส (RO) และระบบ Electro Deionization (EDI) ใช้หลักการแยกสิ่งเจือปนที่ไม่ละลายในน ้าด้วยวิธีการ กรองผ่านเมมเบรน ขั นตอนต่อมาคือการแลกเปลี่ยน ไอออนที่ละลายในน ้าด้วยเรซิ่น (Ion Exchange Resins) แ ล ะ ไ ฟ ฟ้ า ซึ่ งผลกระทบ ห า ก มี ป ริ ม า ณ คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 ) ที่ละลายในน ้า Permeate มาก จะส่งผลให้อุปกรณ์ EDI และเรซิ่นแลกเปลี่ยน ไอออน (Ion Exchange Resins) มีอายุการใช้งานสั นลง การก้าจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ละลายใน น ้า Permeate ก่อนป้อนเข้าสู่ระบบ EDI นิยมใช้ อุปกรณ์ Deaerator หรือใช้ วิ ธีเติมสารเคมี pH Adjuster เพื่อควบคุมปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (≤5 ppm as CO2 ) และด้าเนินการวิเคราะห์ปริมาณ คาร์บอนไดออกไซด์ที่ละลายในน ้า (Dissolved CO2 ) ด้วยวิธีไทเทรตตัวอย่างน ้ากับโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) ที่ทราบความเข้มข้นแน่นอน และใช้สารละลาย Phenolphthalein เป็นอินดิเคเตอร์มีจุดยุติเป็นสีชมพู ที่ pH ประมาณ 8.3 ทั งนี ประโยชน์ของการควบคุมปริมาณก๊าซ คาร์บอนไดออกไซด์ (Dissolved CO2 ) ในน ้า Permeate ก่อนป้อนเข้าสู่ระบบ EDI ท้าให้สามารถใช้งานระบบ RO-EDI ในการผลิตน ้าบริสุทธิ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และเกิดความคุ้มทุน 28
เอกสารอ้างอิง [1]. FilmTec™ Reverse Osmosis Membranes Technical Manual, February 2023 [2]. คิดค้นพัฒนาปรับปรุงงาน เรื่อง พัฒนาการ ตรวจติดตามสารก้าจัดคลอรีน (Dechlorination) ป ร ะเภทซัลไฟต์ของ ร ะบบผลิตน ้ า Reverse Osmosis โดยแผนกพัฒนาเคมีภัณฑ์ 10 พฤษภาคม 2565 [3]. เ รื่ อง พัฒ น า ชุ ดน ้ า ย า ท ด ส อบ ป ริ ม า ณ คาร์บอนไดออกไซด์ในน ้า (CO2 Test Kit) โดย แผนกพัฒนาเคมีภัณฑ์ 18 ตุลาคม 2566 [4]. IONPURE® VNX CEDI Modules Operation & Maintenance Manual [5]. คู่มือวิเคราะห์น ้า-น ้าทิ งโรงไฟฟ้า (ฉบับพกพา) โดยฝ่ายเคมี การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย มีนาคม 2555 [6]. FEDI - Electrodeionization (EDI) Process System, Xpert Environment; https://www.environmentalexpert.com/products/fedielectrodeionization-edi-process-system169886 ; สืบค้นเมื่อวันที่ 12 พฤษภาคม พ.ศ. 2567 [7]. The prcess of Electro Deionisation EDI Iontech; Ion-Tech Animated; https://www.youtube.com/watch?v=AFTWj U04yg4; สืบค้นเมื่อวันที่ 11 พฤษภาคม พ.ศ. 2567 [8]. การไททรตกรด-เบส มหาวิทยาลัยราชภัฏ สงขลา;http://oservice.skru.ac.th/ebookft/81 1/chapter_9.pdf; สืบค้นเมื่อวันที่ 11 พฤษภาคม พ.ศ. 2567 ผู้เขียนบทความ น.ส. เกศินี มะโนแก้ว นักวิทยาศาสตร์ ระดับ 7 แผนกพัฒนาเคมีภัณฑ์ กองเคมีภัณฑ์ ฝ่ายเคมี 29