ระบบรีเวอร์สออสโมซิส Reverse Osmosis System

 




หลักการกรองแบบ Reverse Osmosis
 



ของเหลวที่มีความเข้มข้นแตกต่างกัน ที่อยู่ในภาชนะ ที่มีแผ่นเมมเบรนขวางกั้นระหว่างของเหลวทั้งสองนั้น แผ่นเมมเบรนนี้จะยอมให้ของเหลวไหลผ่านได้ โดยของเหลวที่เข้มข้นกว่าจะดูดเอาของเหลวที่เจือจางกว่ามาผสม จนเกิดความเจือจางเท่ากัน แล้วปรากฏการณ์ก็จะหยุด เกิดความสมดุล แต่ระดับของเหลวจะต่างกัน ปรากฏการณ์เช่นนี้เรียกว่า Osmosis แต่หากไม่ต้องการให้ปรากฏการณ์เช่นนี้เกิดขึ้น จะต้องใช้ความดันมากดดันของเหลวที่มีความเข้มข้นกว่าไว้ และความดันที่ต้องใช้นี้ คือ Osmosis Pressure

ในทางตรงกันข้ามถ้าต้องการให้ของเหลวที่มีความเข้มข้นมากกว่า ไหลไปสู่ด้านที่มีความเข้มข้นเจือจางกว่า ก็จะต้องใช้ความดันที่มากกว่า Osmosis Pressure เข้ามาช่วย กระบวนการเช่นนี้ เรียกว่า Reverse Osmosis (RO) และได้นำหลักเกณฑ์นี้มาประยุกต์ใช้ในการเตรียมน้ำที่ปนเปื้อน ( มีความเข้มข้นมาก ) ให้กลายเป็นน้ำสะอาด ( ความเข้มข้นเจือจางกว่า )



 








รูปที่ 1 แสดงทิศทางการไหลในกระบวนการออสโมซิส





 

รูปที่ 2 แสดงสมดุลในกระบวนการออสโมซิส



 



 
รูปที่ 3 แสดงกระบวนการรีเวอร์สออสโมซิส


ประสิทธิภาพของการกรองแบบ Reverse Osmosis
 



Reverse osmosis กำจัดได้ทั้ง multivalent และ monovalent ions RO ที่พัฒนาใหม่ ๆ สามารถกำจัด Dissolve ionic material ใน Feed water ได้ มากกว่า 99% ในขณะที่ RO แบบเก่า ๆ สามารถ กำจัดได้เพียงประมาณ 90%

Double pass RO คือ มี 2 individual RO system ต่อกัน Product water จากเครื่องหนึ่ง เป็น feed water ของเครื่องที่ 2 แบบนี้นิยมมาก และสามารถได้น้ำที่มีค่า Conductivity 1.3 μs/cm at 25 oC

กระบวนการเตรียมน้ำก่อนเข้าสู่ระบบ RO Pretreatment ก่อนเข้าสู่ระบบ Reverse osmosis การฉีด sodium hydroxide เข้าในระบบ ก่อนเข้า RO system จะเพิ่มความบริสุทธิ์ให้น้ำ


โดยที่ CO2 จะเปลี่ยนเป็น HCO3-

 CO2 + 2H2O ---> H3O+ + HCO3-

HCO3- + H3O+ + NaOH ---> Na+ + HCO3- + 2H2O

HCO3- ก็จะถูกกำจัดออกโดย RO membrane


Single – pass RO ในระบบทำน้ำบริสุทธิ์เพื่อการผลิตยา จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการกำจัด ionic material ที่ผ่าน RO unit

สำหรับ double – pass RO units การฉีด sodium hydroxide จะช่วยให้น้ำที่ได้มีค่า conductivity อยู่ระหว่าง 0.5 – 2.0 μs/cm และสามารถเป็น feed water ที่เหมาะสมตาม USP 23 (USP 23 Purified Water for specific feed water) ก่อนฉีด sodium hydroxide เข้าระบบน้ำจะต้องมี Pretreatment step เพื่อขจัดคราบความกระด้างจาก Calcium หรือ Magnesium หรือ multivalent cation อื่น ๆ เสียก่อน เพื่อไม่ให้ hydroxide จับกับ multivalent cation เกิดเป็น scale บน RO membrane
อาจใช้ Sodium bisulfite เติมเข้าใน single หรือ double pass RO unit feed water เพื่อเป็นส่วนหนึ่งของ Pretreatment system เพื่อ remove residual disinfectant และอาจใช้กับ deionization system ด้วย
อุณหภูมิของน้ำที่ผ่าน RO membrane และ UF membrane น้ำที่เย็นจะเพิ่มความหนืดและต้านการไหลของน้ำผ่าน membrane อุณหภูมิที่เหมาะสมคือ 25 oC




การขจัดคราบสกปรกบนเมมเบรน (Membrane scaling)




Scale บน RO membrane ส่วนใหญ่เป็นพวก bicarbonate ion เป็น Calcium Carbonate, Calcium bicarbonate

การขจัดความสกปรกบน membrane scale อาจทำได้โดย

  • ลด pH feedwater
  • ฉีด Scale inhibitor
  • การทำ pretreatment ที่เหมาะสม

   การควบคุม colloid, organic material โดยการเพิ่ม pH feed water colloidol iron , silica, aluminium complexed กับ organic material ทำให้ membrane สกปรก ถ้ามี ระบบ pretreatment ที่เหมาะสมจะช่วยลดการทำความสะอาดระบบ RO ได้

   พวกสิ่งสกปรกและจุลินทรีย์จะ form เป็นคราบบาง ๆ (biofilm) บนแผ่น membrane ซึ่งจะทำให้ความสามารถของระบบในการขจัดเกลือแร่ ลดลง และขจัดออกยากมาก ดังนั้นจึงควรทำความสะอาด membrane เป็นประจำ มีผู้ตั้งข้อสังเกตว่าจุลินทรีย์ มักเกิดบนอุปกรณ์ที่ทำด้วยตะกั่วใน RO system ซึ่งเมื่อมันเริ่มเกิดขึ้นแล้ว จะกระจายไปทั่ว membrane ใน system อย่างรวดเร็ว

    การใช้ Scale inhibitors ,feed water additives กับ Reverse Osmosis Unit โดยทั่วไปแล้วไม่ควรใช้ antiscalants RO membrane scale inhibitors กับอุตสาหกรรมยา เพราะสารเคมีเหล่านั้นนับเป็น foreign substances และ impurities ตาม general notice ของ USP 23 และ antiscalant ที่มีสาร phosphate จะทำให้เกิดการตกตะกอนของ silica ซึ่งทำให้เกิด scale ในระบบ RO และจะขจัด silica ออกยากขึ้น เนื่องจาก solubility ของ silica ลดน้อยลง

    ในปัจจุบันที่นิยม ใช้ Double pass RO technology ซึ่งไม่เพียงแต่จะได้น้ำที่มีค่า conductivity ต่ำแล้วยังสามารถลด reactive และ non reactive gas ได้ด้วย เมื่อน้ำผ่าน prefilter แล้วปั๊มผ่าน first pass RO unit แล้วผ่าน multiple gas liquid separation membrane เพื่อใช้ก๊าซไนโตรเจนขับไล่ dissolved gas อื่น ๆ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ แอมโมเนีย และออกซิเจนออก เมื่อน้ำผ่าน second pass unit ออกมาแล้ว จะมีค่า conductivity น้อยกว่า 0.25 μs/cm

     น้ำที่ได้นี้จะมีคุณสมบัติตามมาตรฐาน USP purified water ใน Fifth supplement และ Eighth supplement และเป็น feed water ให้ระบบกลั่นน้ำ ได้เป็นอย่างดี



วัสดุของเมมเบรน
 



มีหลายชนิด ขึ้นอยู่กับจุดประสงค์ในการผลิตเพื่อใช้งาน

1. Cellulose Acetate (CA)

เป็นวัสดุรุ่นแรกที่ผลิตออกมาใช้ เป็นวัสดุที่อาจจะมีแบคทีเรียปนมาอยู่ด้วย โดยเฉพาะ Pseudomonas เนื่องจากมีสารที่เป็น Carbohydrate อยู่ใน membrane ชนิดนี้ ดังนั้นจึงแนะนำให้ใช้น้ำที่มี residual chlorine อยู่ 0.3 – 1.0 mg/L

2. Thin Film Composite (TFC)

เป็นวัสดุพวก crosslinked aromatic polyamide ซึ่งจะหนาประมาณ 3 μm โดยวัสดุ polyamide จะเป็นชั้นบาง ๆ ของเมมเบรนที่ยึดด้วยโครงสร้างของ polysulfone เมมเบรนนี้จะประกอบด้วยชั้น polyamide บนวัสดุชนิดที่สอง ซึ่งมีคุณสมบัติทางกายภาพแตกต่างกันอย่างชัดเจน โดยทั่ว ๆ ไปแล้วเมมเบรนชนิดนี้ แบคทีเรียจะไม่ชอบ แต่ เมมเบรนนี้ก็ไม่ทนต่อ residual disinfectant นั่นคือ ความเข้มข้นของ residual chlorine ไม่ควรเกิน 0.38 mg/L และเป็นเมมเบรนที่นิยมใช้มากในการผลิตน้ำเพื่ออุตสาหกรรมผลิตยา



รูปแบบของเมมเบรน




1. แบบ Spiral Wound
เป็นรูปแบบที่นิยมใช้มากที่สุด เนื่องจากมีพื้นที่ในการกรองมากและการไหลของน้ำเป็น True Crossflow
2. แบบ Hollow Fiber
มีลักษณะเป็นเส้นยาว เหมือนเส้นผม มีรูอยู่ภายใน แต่ไม่ได้เป็น True Crossflow เป็นแบบที่นิยมรองจากแบบ spiral wound นิยมใช้ในการกรองน้ำทะเล
3. แบบ Tubular
มีลักษณะเป็นท่อยาว น้ำดิบส่งเข้าภายในท่อ tubular และ RO product ไหลออกจากผิวด้านนอก นิยมใช้ในอุตสาหกรรมผลิตอาหาร
4. แบบ Plate and Frame
แผ่น RO เมมเบรนและแผ่น plate จะวางซ้อนกันเป็นชั้นบาง ๆ ยึดติดกันด้วยน็อต นิยมใช้ในห้องทดลองปฏิบัติการ

     กระบวนการ RO มีการค้นพบมากว่า 100 ปีแล้ว แต่ได้รับความนิยมน้อยเนื่องจากน้ำไหลผ่าน membrane ช้า และก็ไม่มีการพัฒนาในเรื่องนี้จนกระทั่งปี ค.ศ. 1963 Loeb and Sourirejan ได้พัฒนาการใช้ cellulose acetate membrane



ดูผลงานบริษัท>>