ระบบอัลตราฟิลเตรชันและคาร์บอนกัมมันต์: ข้อดีและข้อเสียในการเตรียมน้ำบริสุทธิ์พิเศษ

น้ำบริสุทธิ์พิเศษคือน้ำที่ไอออนนำไฟฟ้า คอลลอยด์ สารอินทรีย์ และสิ่งสกปรกอื่นๆ ถูกกำจัดออกไปอย่างสมบูรณ์ โดยมีความต้านทานของน้ำผลิตภัณฑ์เกิน 18 MΩ·cm (ที่ 25°C) ระบบน้ำบริสุทธิ์พิเศษมักใช้เทคโนโลยีการบำบัดเบื้องต้น รีเวิร์สออสโมซิส (RO) อิเล็กโทรดีไอออไนเซชัน (EDI) และกระบวนการหลังการบำบัด ซึ่งมักเสริมด้วยการบำบัดเสริม เช่น หลอด UV และหน่วยกำจัด TOC (คาร์บอนอินทรีย์ทั้งหมด)

ขั้นตอนการผลิตน้ำบริสุทธิ์พิเศษ:
ขั้นตอนการทำงานมาตรฐานคือ: น้ำประปา → ระบบบำบัดเบื้องต้น → ระบบ RO แรงดันสูงหลายขั้นตอน → ระบบ EDI → หน่วยกำจัด TOC → ระบบผสมเตียงขัดเงา → จุดใช้งาน (POU) ในระหว่างการผลิต ปั๊มทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงาน และถังเก็บในขั้นตอนต่างๆ ช่วยให้การทำงานของปั๊มมีความปลอดภัยและเสถียร การเพิ่มตัวกรองเกรดต่างๆ ในจุดที่ระบุช่วยให้มั่นใจในคุณภาพของน้ำผลิตภัณฑ์

นอกจากนี้ ในระหว่างการทำงานของตัวกรอง สารเคมีต่างๆ สามารถเพิ่มเพื่อปรับค่า pH ของน้ำ ลดคลอรีนตกค้าง และชะลอการเกิดตะกรันของเมมเบรน RO เป็นต้น ในภูมิภาคทางตอนเหนือที่หนาวเย็นในช่วงฤดูหนาว อาจมีการเพิ่มเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทางเข้าของระบบบำบัดเบื้องต้นเพื่อเพิ่มอุณหภูมิน้ำประปาให้เป็นไปตามข้อกำหนดของกระบวนการ

นอกจากนี้ การไล่น้ำออกจากถังเก็บน้ำบริสุทธิ์พิเศษด้วยก๊าซไนโตรเจนเป็นสิ่งสำคัญในการแยกน้ำออกจากบรรยากาศและป้องกันการปนเปื้อนทุติยภูมิ

ความสำคัญของการบำบัดเบื้องต้น:
1. ข้อกำหนดน้ำป้อนเมมเบรน RO:
ระบบ RO เป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดในการผลิตน้ำบริสุทธิ์พิเศษ การทำงานที่เหมาะสมช่วยให้มั่นใจในความปลอดภัยของระบบน้ำบริสุทธิ์ทั้งหมดและคุณภาพของน้ำผลิตภัณฑ์ ระบบ RO มีข้อกำหนดน้ำป้อนเฉพาะ:

• ดัชนีความหนาแน่นของตะกอน (SDI) < 4.0

• ความขุ่น (NTU) < 1.0

• ปริมาณสารอินทรีย์ (COD) < 1.5 มก./ลิตร

• ปริมาณคลอรีนตกค้าง < 0.1 มก./ลิตร (ควบคุมที่ 0 มก./ลิตร ในอุดมคติ)

• ปริมาณเหล็ก 5 มก./ลิตร

• ซิลิกา (SiO₂) ในสารเข้มข้น < 100 มก./ลิตร

• ดัชนีความอิ่มตัวของ Langelier (LSI): pHb - pHs < 0

• ไอออนที่มีแนวโน้มที่จะก่อตัวเป็นเกลือที่ไม่ละลายน้ำ (เช่น Sr, Ba): ผลิตภัณฑ์ไอออนิก (Ipb) < 0.8 Ksp

2. บทบาทของระบบบำบัดเบื้องต้น:
ระบบบำบัดเบื้องต้นกำจัดคลอรีนตกค้าง ของแข็งแขวนลอยขนาดใหญ่ คอลลอยด์ที่ตกตะกอน สารอินทรีย์ ออกไซด์ สารประกอบอินทรีย์ และโลหะหนักออกจากน้ำ ก่อน เข้าสู่ระบบ RO ซึ่งช่วยลดค่า COD และ SDI

นอกจากนี้ ไอออน เช่น แคลเซียม แมกนีเซียม แบเรียม ซัลเฟต ซิลิเกต และคาร์บอเนต สามารถรวมกันได้โดยการเพิ่มสารยับยั้งการเกิดตะกรันเพื่อสร้างอนุภาคขนาดใหญ่ ซึ่งจะถูกปล่อยออกมาเป็นสารเข้มข้นจากหน่วย RO

(1) ผลกระทบของระบบขัดข้องต่อเมมเบรน RO:
ดังที่ได้กล่าวไว้ในส่วนการบำบัดเบื้องต้น ส่วนใหญ่ของมาโครโมเลกุลที่เป็นอันตรายจะถูกกำจัดออกโดยระบบบำบัดเบื้องต้นก่อนที่จะถึงเมมเบรน RO หากระบบบำบัดเบื้องต้นบกพร่องและพารามิเตอร์น้ำป้อน RO หลายรายการไม่เป็นไปตามข้อกำหนด ความเสียหายทางกายภาพและเคมีที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ต่อองค์ประกอบเมมเบรน RO อาจเกิดขึ้น ซึ่งจะทำให้อายุการใช้งานสั้นลงอย่างมาก ปัจจัยที่มีผลต่ออายุการใช้งานเมมเบรน RO ได้แก่:

• การเกิดตะกรันของเมมเบรน RO

• การเกิดสิ่งสกปรกของเมมเบรน RO โดยออกไซด์ของโลหะ

• การอุดตันของเมมเบรน RO โดยของแข็งแขวนลอย

• การเกิดสิ่งสกปรกโดยคอลลอยด์ สารอินทรีย์ และจุลินทรีย์ ซึ่งนำไปสู่ COD ของน้ำผลิตภัณฑ์ที่เพิ่มขึ้น

(2) ผลกระทบของระบบขัดข้องต่อระบบน้ำบริสุทธิ์พิเศษ RO:
การทำงานผิดปกติในระบบบำบัดเบื้องต้นส่งผลกระทบต่อระบบน้ำบริสุทธิ์พิเศษ RO ทั้งหมดในสามวิธีหลัก:

• ลดผลผลิตและคุณภาพของน้ำผลิตภัณฑ์ของระบบ

• เพิ่มการใช้น้ำและพลังงานของอุปกรณ์ RO

• เพิ่มต้นทุนการดำเนินงาน รวมถึงค่าใช้จ่ายสำหรับสารยับยั้งการเกิดตะกรันและสารเคมีบำบัดน้ำอื่นๆ

หลักการทำงานของระบบ UF และระบบคาร์บอนกัมมันต์:
ระบบบำบัดเบื้องต้นทั่วไปในการปฏิบัติ ได้แก่ ระบบ Ultrafiltration (UF) และระบบ Activated Carbon ระบบ UF โดยทั่วไปประกอบด้วยตัวกรองแบบดิสก์และหน่วย UF ระบบ Activated Carbon มักประกอบด้วยตัวกรองหลายสื่อ (MMF) และตัวกรองคาร์บอนกัมมันต์ (ACF)

1. หลักการทำงานของระบบ UF:

• ตัวกรองแบบดิสก์: ทำงานโดยการกรองพื้นผิวและความลึกโดยใช้แผ่นพลาสติกที่บรรจุแน่นหนา ส่วนใหญ่กำจัดอนุภาคขนาดใหญ่ เช่น ทรายและตะกอน

• Ultrafiltration (UF): เทคโนโลยีการแยกเมมเบรนภายใต้แรงดัน ภายใต้แรงดัน โมเลกุลตัวถูกละลายขนาดเล็กและตัวทำละลายจะผ่านเมมเบรนที่มีขนาดรูพรุนเฉพาะ ในขณะที่โมเลกุลตัวถูกละลายขนาดใหญ่ (น้ำหนักโมเลกุล 10,000 - 30,000 Da) จะถูกเก็บไว้ ทำให้สารละลายบริสุทธิ์บางส่วนโดยการกำจัดมาโครโมเลกุล (ดูแผนผังรูปที่ 1 สำหรับหลักการ UF)

2. หลักการทำงานของระบบคาร์บอนกัมมันต์:

• ตัวกรองหลายสื่อ (MMF): ใช้สื่อกรองหนึ่งหรือหลายชนิด (เช่น ทรายควอตซ์ แอนทราไซต์ ทรายแมงกานีส) ภายใต้แรงดัน น้ำที่มีความขุ่นสูงจะผ่านชั้นของวัสดุเม็ด ซึ่งจะกำจัดของแข็งแขวนลอยได้อย่างมีประสิทธิภาพและทำให้น้ำใสขึ้น ช่วยลด SDI ให้ต่ำกว่า 3 และใช้สำหรับการกำจัดความขุ่นและเป็นการบำบัดเบื้องต้นสำหรับน้ำอ่อน/น้ำบริสุทธิ์

• ตัวกรองคาร์บอนกัมมันต์ (ACF): น้ำจาก MMF เข้าสู่ ACF ซึ่งมีชั้นของทรายควอตซ์ที่รองรับสื่อคาร์บอนกัมมันต์ คาร์บอนกัมมันต์กำจัดคลอรีนตกค้าง สารอินทรีย์ และสิ่งสกปรกที่แขวนลอยส่วนใหญ่ผ่านการดูดซับทางกายภาพ (แรงแวนเดอร์วาลส์) ภายในเครือข่ายรูพรุนขนาดใหญ่

ข้อดีและข้อเสียของระบบ UF และระบบคาร์บอนกัมมันต์:
ระบบบำบัดเบื้องต้นแต่ละประเภทมีข้อดีและข้อเสียในระหว่างการทำงาน

ระบบ Ultrafiltration (UF):

1. ข้อดี:

   • ปัจจัยความเข้มข้นสูง อัตราการกู้คืนน้ำผลิตภัณฑ์สามารถเกิน 90%

   • ความใสและคุณภาพของน้ำผลิตภัณฑ์ดีเยี่ยม

   • ในฐานะที่เป็นการบำบัดเบื้องต้น RO UF ช่วยลดต้นทุนการลงทุน RO และยืดอายุการใช้งานเมมเบรน RO (เกิน 3 ปี)

   • ระดับระบบอัตโนมัติสูง โครงสร้างเรียบง่าย ต้นทุนการดำเนินงาน/บำรุงรักษาต่ำ สามารถล้างย้อนกลับและทำความสะอาดด้วยสารเคมี (CIP) ได้ทางออนไลน์

   • รอยเท้าเล็ก

2. ข้อเสีย:

   • ขนาดรูพรุนเมมเบรน UF (0.002 - 0.1 μm) ครอบคลุมช่วงการกรองที่กว้าง (คอลลอยด์ ≥0.1 μm, น้ำยาง ≥0.5 μm, แบคทีเรีย ≥0.2 μm, อนุภาค ≥5 μm) ส่วนประกอบบางอย่างมีแนวโน้มที่จะอุดตันในระหว่างการทำงาน ซึ่งส่งผลต่ออัตราการไหลและอายุการใช้งานของเมมเบรน

   • ต้นทุนการลงทุนเริ่มต้นที่สูงขึ้น (โดยทั่วไป 2-3 เท่าของต้นทุนของระบบ MMF+ACF สำหรับความจุเท่ากัน)

   • ข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับแรงดันน้ำป้อน

   • ไม่สามารถปิดเครื่องเป็นเวลานาน เมมเบรนต้องมีการเก็บรักษาทางเคมีสำหรับการใช้งานเป็นเวลานาน

ระบบคาร์บอนกัมมันต์:

1. ข้อดี:

   • ต้นทุนการลงทุนเริ่มต้นที่ต่ำกว่า

   • ผลผลิตน้ำที่เสถียร ไวต่อการเปลี่ยนแปลงแรงดันน้ำป้อนน้อยกว่า

2. ข้อเสีย:

   • รอยเท้าขนาดใหญ่

   • ในระหว่างการทำงาน คาร์บอนกัมมันต์และแอนทราไซต์ผ่านปฏิกิริยาทางกายภาพ/เคมี ซึ่งนำไปสู่การบริโภคตามธรรมชาติ ความจุในการดูดซับหมดลง และคุณภาพของน้ำผลิตภัณฑ์เสื่อมลง ซึ่งส่งผลเสียต่อระบบ RO ปลายน้ำ

   • รอบการล้างย้อนกลับสำหรับ ACF นั้นยากต่อการควบคุมและมักจะสั้น การล้างย้อนกลับที่ไม่เพียงพอทำให้คาร์บอนรั่วไหล ซึ่งทำให้คุณภาพน้ำและอุปกรณ์ปลายน้ำปนเปื้อนอย่างรุนแรง การล้างย้อนกลับที่ไม่บ่อยครั้งทำให้เกิดแรงดันแตกต่างสูงทั่วตัวกรอง ซึ่งก่อให้เกิดความเสี่ยงในการดำเนินงานและลดอัตราการไหล

   • ต้นทุนการดำเนินงานและการบำรุงรักษาในระยะยาวสูง ภาระงานมาก สื่อกรองมีอายุการใช้งานสั้น (ต้องเปลี่ยนทุกปี)