น้ำบริสุทธิ์ (Purified water) MO Memoir : วันอังคารที่ ๑๙ สิงหาคม ๒๕๕๑

เมื่อวันจันทร์ที่ 18 สิงหาคม 2551 ได้ลองถามนิสิตดูว่าในห้องแลปมีถังน้ำอยู่ 2 ใบ ในหนึ่งใส่น้ำกลั่น (distilled water) และอีกใบหนึ่งใส่น้ำดีมิน (ดีมิน ไม่ใช่ดีหมี เป็นชื่อย่อมาจากภาษาอังกฤษว่า demineralized water หรือ deionized water) เวลาที่เลือกใช้จะเลือกใช้ถังไหน เพราะเหตุใด และน้ำทั้งสองถังต่างกันอย่างไร ปรากฏว่าไม่มีใครให้เหตุผลได้ว่าทำไมเลือกใช้น้ำจากถังนั้น และอธิบายไม่ได้ว่าน้ำทั้งสองถังต่างกันอย่างไร เอาเป็นว่าใช้ตามรุ่นพี่ก็แล้วกัน คำตอบว่า "ทำตามรุ่นพี่" ถือเป็นเหตุผลครอบจักรวาลของแลป ที่สามารถหักล้างเหตุผลทางวิทยาศาสตร์และไสยศาสตร์ใด ๆ ได้อย่างห้ามมีข้อโต้แย้งหรือข้อสงสัยใด ๆ ทั้งสิ้นถ้าอยากเรียนจบอย่างสบาย ๆ พูดอีกนัยหนึ่งคือรุ่นพี่ทำถูกเสมอ เคยคิดอยู่เหมือนกันว่าจะลองรวบรวมเหตุผล/ความเชื่อเหล่านี้มาเขียนเป็นเรื่องเล่าสักเรื่องในทำนองเดียวกับที่ฝรั่งเรียกว่า Urban legend หรือเรื่องเล่าขานตำนานเมือง แต่ในที่นี้คงต้องเรียกว่า Laboratory legend

จริง ๆ แล้วเรื่องที่นิสิตปฏิบัติต่อน้ำกลั่นและน้ำดีมินไม่เหมือนกันนี้เห็นมานานแล้ว และได้ทำการอธิบายไปหลายรุ่นแล้ว วันนี้จึงขอบันทึกเป็นลายลักษณ์อักษรสักที

ในห้องปฏิบัติการเคมีจำเป็นต้องมีน้ำบริสุทธิ์สำหรับใช้ในการเตรียมสารเคมีต่าง ๆ แหล่งที่มาของน้ำบริสุทธิ์นั้นอาจมาจากการจัดซื้อจากผู้ผลิตขายโดยตรง หรือผลิตใช้เองในห้องปฏิบัติการจากแหล่งน้ำที่มีอยู่ (โดยทั่วไปก็คือน้ำประปานั่นแหละ) น้ำบริสุทธิ์ในที่นี้หมายถึงน้ำที่มีแต่โมเลกุล H2O เท่านั้นโดยไม่มีสิ่งแปลกปลอมอื่นใดเจือปนอยู่ (ไม่ว่าจะอยู่ในรูปของสารละลายหรือแขวนลอยอยู่ก็ตาม) แต่ในทางปฏิบัตินั้นเรามักไม่จำเป็นต้องใช้น้ำที่มีความบริสุทธิ์ขนาดนั้นเสมอ ใช้น้ำบริสุทธิ์เพียงแค่สิ่งเจือปนที่มีอยู่นั้นมีอยู่น้อยมากจนไม่ส่งผลกระทบต่อการนำไปใช้งานได้ก็พอ ซึ่งระดับการอยู่ของสิ่งเจือปนนั้นจะขึ้นอยู่กับแต่ละงาน บางงานก็ยอมให้มีอยู่ได้มากในขณะที่บางงานก็ยอมให้มีอยู่ได้น้อยมาก

การทำให้น้ำบริสุทธิ์ (Water purification) กับการปรับสภาพน้ำ (Water treatment) นั้นไม่เหมือนกัน การทำให้น้ำบริสุทธิ์จะมุ่งเน้นไปที่การเอาสิ่งต่าง ๆ ที่ไม่ใช่โมเลกุลน้ำออกจากน้ำนั้น (หรือเอาน้ำออกมาจากสิ่งปนเปื้อนเหล่านั้น) ส่วนการปรับสภาพน้ำนั้นคือการทำให้น้ำมีคุณสมบัติดังต้องการ เช่น ไม่กัดกร่อน ไม่ทำให้เกิดโฟมเวลาต้ม ไม่เกิดการเดือดอย่างรุนแรง ฯลฯ ซึ่งการปรับสภาพน้ำมักเกี่ยวข้องกับการเติมสารเคมีที่เหมาะสมเข้าไปในน้ำเพื่อให้น้ำมีคุณสมบัติดังต้องการ ในที่นี้จะขอไม่กล่าวถึงการปรับสภาพน้ำแต่จะกล่าวเฉพาะการทำให้น้ำบริสุทธิ์

ก่อนอื่นเรามาทำความเข้าใจก่อนว่าสิ่งเจือปนที่มากับน้ำนั้นมีอะไรได้บ้าง เพราะการเลือกวิธีการทำให้น้ำบริสุทธิ์นั้นจะขึ้นอยู่กับชนิดของสิ่งเจือปน ในที่นี้ขอจะแบ่งออกเป็น 2 กลุ่มคือ พวกที่ไม่ละลายน้ำ และพวกที่ละลายน้ำ

พวกที่ไม่ละลายน้ำคือพวกสารแขวนลอยต่าง ๆ อาจอยู่ในรูปของของแข็งหรือคอลลอยด์ ซึ่งอาจเป็นสารอินทรีย์ที่ไม่ละลายน้ำ ตะกอนของแข็ง หรือเชื้อจุลชีพต่าง ๆ (แบคทีเรีย สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว ฯลฯ) ปรกติแล้วสิ่งปนเปื้อนพวกนี้จะสามารถกำจัดได้ได้ด้วยวิธีการกรองที่เหมาะสม

พวกที่ละลายน้ำได้แก่พวกเกลือแร่ต่าง ๆ ที่ละลายอยู่ในรูปของไอออน และสารอินทรีย์ที่ละลายน้ำได้ที่ละลายอยู่ในรูปของโมเลกุล ในส่วนของน้ำประปาที่เราใช้ผลิตน้ำบริสุทธิ์ในห้องปฏิบัติการเคมีนั้น สิ่งปนเปื้อนส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปไอออนต่าง ๆ ที่มากับแหล่งน้ำดิบที่ใช้ในการผลิตน้ำประปามากกว่าที่จะเป็นสารอินทรีย์ที่ละลายน้ำได้ แหล่งที่มาของสารอินทรีย์อาจเป็นตัวแหล่งน้ำดิบเอง หรือจากถังพัก/บ่อพักน้ำของอาคาร (ปรกติแล้วน้ำประปาจะไม่จ่ายตรงเข้าไปในอาคารเนื่องจากแรงดันไม่พอและไม่ทันกับความต้องการเมื่อมีการต้องการใช้งานมาก ตัวอาคารจึงต้องมีบ่อพักน้ำสำหรับเก็บน้ำประปา (ซึ่งอยู่ด้านล่างอาคาร) แล้วจึงสูบน้ำจากบ่อพักนี้จ่ายออกไปหรือส่งไปเก็บบนถังพักน้ำที่อยู่ด้านบนอาคารให้จ่ายน้ำไหลลงมาอีกทีหนึ่ง บ่อพักน้ำ/ถังพักน้ำเหล่านี้ถ้าปิดไม่สนิทก็อาจมีตัวอะไรต่อมิอะไรตกลงไปจมน้ำตายอยู่ข้างในได้ ที่โหดหน่อยดูเหมือนจะเป็นการเอาศพคนไปซ่อนที่มีข่าวเมื่อไม่นานนี้)

เกลือแร่ที่ละลายอยู่จะทำให้น้ำมีรสชาติแตกต่างกัน (ถ้าดื่มน้ำแร่ที่เป็นน้ำแร่จริง น้ำบรรจุขวดพลาสติกใส และขวดพลาสติกขุ่น หลายหลายยี่ห้อกัน จะพบได้ว่าน้ำมีรสชาติแตกต่างกัน แต่มีข้อแม้ว่าต้องไม่ใช่พวกลิ้นจระเข้นะ) ส่วนสารอินทรีย์ที่ละลายอยู่จะทำให้น้ำมีกลิ่น

วิธีการหลักในการทำให้น้ำบริสุทธิ์ที่ใช้กันในห้องปฏิบัติการเคมีมีอยู่ 2 วิธีการด้วยกันคือการกลั่นและการแลกเปลี่ยนไอออน

1) การกลั่น
การกลั่นเป็นการนำน้ำออกจากสิ่งเจือปนโดยการให้ความร้อนแก่น้ำจนน้ำระเหยออกเป็นไอน้ำ จากนั้นจึงทำการควบแน่นไอน้ำที่กลั่นได้ ในทางทฤษฎีแล้วควรจะได้น้ำบริสุทธิ์ แต่ในทางปฏิบัติจะพบว่าน้ำที่ได้ยังอาจมีไอออนบางส่วนละลายอยู่ ทั้งนี้เป็นเพราะว่าในขณะที่ทำการกลั่นนั้นน้ำอาจเกิดการเดือดรุนแรง ทำให้มีบางส่วนหลุดรอดติดมากับไอน้ำในรูปของหยดน้ำเล็ก ๆ (เหมือนกับที่เราไปนั่งริมทะเลแล้วรู้สึกเหนียวตัวทั้ง ๆ ที่ไม่ได้ลงน้ำทะเล เป็นเพราะลมจากทะเลพัดเอาน้ำทะเลมาในรูปละอองเล็ก ๆ มาเกาะตัวเรา หรือเวลาที่เอารถไปเที่ยวทะเลและเอาไปจอดใกล้กับทะเล จะมีคำแนะนำว่ากลับจากเที่ยวแล้วให้รีบล้างรถ เพราะเกลือที่มากับละอองน้ำทะเลจะทำให้เหล็กเป็นสนิมได้ง่าย) โดยทั่วไปถ้าอุปกรณ์ที่ใช้ทำการกลั่นและอุปกรณ์รองรับน้ำมีความสะอาดมากพอ น้ำที่ได้ก็จะมีความบริสุทธิ์มากด้วยการกลั่นครั้งเดียว และเพียงพอสำหรับงานส่วนใหญ่ในห้องปฏิบัติการเคมีทั่วไป ข้อเสียของการกลั่นคือสิ้นเปลืองพลังงานมาก แต่ก็มีข้อดีคืออุปกรณ์ไม่ต้องการการดูแลรักษามาก แค่ทำการล้างตะกรันที่เกิดจากการต้มน้ำทิ้งเป็นระยะก็พอ ที่เคยใช้อยู่ก็ซื้อมาตั้งกว่า 10 ปีแล้ว ในช่วงเปิดเทอมก็เดินเครื่องกัน 8 ชั่วโมงต่อวัน 5 วันต่อสัปดาห์ ก็ยังไม่เคยมีปัญหาต้องให้ช่างมาดูแลหรือซ่อมบำรุงใด ๆ ทำเพียงแค่ล้างคราบตะกรันช่วงปิดเทอมเท่านั้นเองด้วยการแช่กรดเจือจาง

2) การแลกเปลี่ยนไอออน
การแลกเปลี่ยนไอออนเป็นการทำให้น้ำบริสุทธิ์โดยการกำจัดเอาไอออนบวกที่ไม่ใช่ H+ และไอออนลบที่ไม่ใช่ OH- ออกจากน้ำ โดยทั่วไปจะใช้เรซินแลกเปลี่ยนไอออน เมื่อเปรียบเทียบกับการกลั่นแล้วการแลกเปลี่ยนไอออนจะใช้พลังงานน้อยกว่า (เพราะไม่ต้องทำให้น้ำเดือด และต้องสูญเสียความร้อนทิ้งไปตอนทำให้ไอน้ำควบแน่น) แต่ต้องมีการบำรุงรักษาไส้กรองหรือเรซินแลกเปลี่ยนไอออน (เครื่องดูไฮเทคแต่บอบบาง) น้ำที่ผลิตได้จากกระบวนการนี้เรียกว่าน้ำปราศจากเกลือแร่ (demineralized water หรือน้ำดีมิน) หรือน้ำปราศจากไอออน (deionized water) นั่นเอง

ดังนั้นการที่เรียกว่าน้ำนั้นเป็นน้ำกลั่นหรือน้ำดีมินจึงเป็นการเรียกตามกระบวนการผลิต และถ้าน้ำนั้นมีความบริสุทธิ์เหมือนกันก็สามารถใช้แทนกันได้ ไม่ได้มีกติกาใดบอกว่าน้ำกลั่นดีกว่าน้ำดีมินหรือน้ำดีมินดีกว่าน้ำกลั่น ที่เคยนำมาวิเคราะห์ด้วยการวัดค่าการนำไฟฟ้าก็พบว่ามีความบริสุทธิ์เหมือนกัน ถ้าจะแตกต่างกันน่าจะเป็นผลจากการปนเปื้อนที่ภาชนะบรรจุหรือไม่ได้ทำการบำรุงรักษาอุปกรณ์ตามเวลาที่สมควรมากกว่า

ตัวที่จะเป็นปัญหามากกว่าน่าจะเป็นสารอินทรีย์ที่ละลายอยู่ ในกรณีของน้ำกลั่นนั้นสารอินทรีย์นั้นอาจจะระเหยมาพร้อมกับน้ำเมื่อเราทำการต้ม และควบแน่นพร้อมกับไอน้ำที่ควบแน่นด้วย ในการกลั่นนั้นถ้าสารอินทรีย์นั้นจุดเดือดสูงกว่าน้ำก็จะระเหยได้น้อยกว่า แต่ถ้าสารอินทรีย์นั้นจุดเดือดต่ำกว่าน้ำก็จะควบแน่นได้น้อยกว่า ส่วนการแลกเปลี่ยนไอออนนั้นต้องใช้ตัวกรองที่แตกต่างไปจากเรซินแลกเปลี่ยนไอออน ตัวหนึ่งที่ใช้กันก็คือพวกถ่านกัมมันต์ (activated carbon) ซึ่งพวกนี้จะจับสารอินทรีย์ ส่วนพวกเรซินจะจับกับไอออนต่าง ๆ โดยไม่ยุ่งกับสารอินทรีย์ แต่สำหรับน้ำประปาที่เราใช้มาผลิตน้ำกลั่นหรือน้ำดีมินนั้นถือได้ว่ามีพวกนี้อยู่น้อยมากหรือไม่มีก็ได้

อีกพวกหนึ่งที่ปนเปื้อนในน้ำคือเชื้อโรคต่าง ๆ (เชื้อแบคทีเรีย สาหร่ายเซลล์เดียวที่ทำให้เป็นตะไคร่ ฯลฯ) พวกนี้มีวิธีฆ่าได้หลายวิธี เช่นใช้โอโซน ใช้รังสียูวี ทำการต้ม แต่วิธีการเหล่านี้เพียงแค่ทำให้เชื้อเหล่านี้ตาย กลายเป็นซากศพที่ยังอยู่ในน้ำ ถ้าอยากกำจัดออกก็ต้องทำการกรองเอาซากศพพวกนี้ออกหรือทำการกลั่นเพื่อระเหยเอาโมเลกุลน้ำออกจากซากศพเหล่านี้ แต่จะว่าไปแล้วถ้าใช้ไส้กรองที่มีขนาดรูเล็กมากก็จะสามารถดักเชื้อเหล่านี้เอาไว้ได้ (โดยที่ไม่ได้ฆ่ามัน) และน้ำที่ผ่านออกไปก็จะปราศจากเชื้อเหล่านี้
การวัดความบริสุทธิ์ของน้ำทำได้โดยการวัดค่าการนำไฟฟ้าหรือความต้านทาน น้ำบริสุทธิ์จะนำไฟฟ้าได้ต่ำมาก แต่ถ้ามีไอออนปนอยู่จะนำไฟฟ้าได้ดีขึ้น ดังนั้นถ้าน้ำไม่มีเกลือแร่ใดละลายอยู่เลยน้ำจะมีค่าการนำไฟฟ้าที่ต่ำมาก (หรือมีค่าความต้านทานที่สูงมาก) ปรกติน้ำกลั่นที่ใช้ในห้องปฏิบัติการที่เคยวัดค่าการนำไฟฟ้าจะได้ไม่เกิน 2 ไมโครซีเมนต์ต่อเซนติเมตร ส่วนน้ำดีมินก็อยู่ในระดับเดียวกัน บางคนคิดน้ำการวัดความบริสุทธิ์ของน้ำดูได้จากค่าพีเอช โดยน้ำบริสุทธิ์จะมีค่าพีเอชเท่ากับ 7 ซึ่งเป็นความเชื่อที่ถูกแต่ว่าในทางกลับกันไม่ใช่ กล่าวคือน้ำบริสุทธิ์มีค่าพีเอชเท่ากับ 7 แต่น้ำที่มีค่าพีเอชเท่ากับ 7 ไม่จำเป็นต้องเป็นน้ำบริสุทธิ์ เพราะถ้าน้ำนั้นมีสารอะไรก็ตามที่ไม่ใช่กรดหรือเบสละลายอยู่ (เช่นเกลือแกง) น้ำนั้นก็จะมีค่าพีเอชเป็น 7 เช่นเดียวกันกับน้ำบริสุทธิ์ แต่ค่าการนำไฟฟ้า (หรือความต้านทาน) จะแตกต่างกัน และถ้าจะวัดกันจริง ๆ แล้วอาจจะพบว่าค่าพีเอชของน้ำบริสุทธิ์ที่ผลิตได้อาจมีค่าน้อยกว่า 7 ได้เล็กน้อย ทั้งนี้เป็นเพราะ CO2 ในอากาศละลายลงไปในน้ำทำให้เห็นว่าน้ำมีความเป็นกรดเล็กน้อย

หลอดเอ็กซ์เรย์ของเครื่อง XRD ในห้องปฏิบัติการจำเป็นต้องใช้น้ำที่สะอาดมากในการระบายความร้อน ทั้งนี้เป็นเพราะเส้นทางการไหลของน้ำในตัวหลอดเป็นเส้นทางเล็ก ๆ และในระหว่างใช้งานหลอดจะมีความร้อนสูง และถ้าน้ำมีเกลือแร่บางอย่างปนอยู่ โดยเฉพาะพวกที่ละลายน้ำได้น้อยในน้ำร้อน (พวกหินปูนต่าง ๆ) เกลือแร่พวกนี้ก็จะกลายเป็นตะกรันกีดขวางเส้นทางการไหลของน้ำ ทำให้ประสิทธิภาพในการระบายความร้อนลดลง เพื่อเป็นการป้องกันความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นกับตัวหลอดจึงได้มีการติดตั้งเครื่องวัดค่าการนำไฟฟ้าและต่อเข้ากับวงจรควบคุม โดยถ้าน้ำมีค่าการนำไฟฟ้าสูงเกินกำหนดก็จะไม่สามารถเปิดใช้งานหลอดเอ็กซ์เรย์ได้

แต่ก่อนมีแต่น้ำกลั่นใช้ ต้องไปขนกันมาจากแลปเคมีที่ตึกข้าง ๆ ต่อมาก็มีเครื่องทำน้ำดีมินมาติดตั้งในแลป ทุกคนก็แห่กันมาใช้น้ำดีมินกันใหญ่เพราะขี้เกียจไปขนน้ำ ในปัจจุบันแม้ว่าเครื่องผลิตน้ำดีมินจะถูกย้ายออกไปแล้วแต่ก็ดูเหมือนว่ายังชอบใช้น้ำดีมินกันอยู่ เพราะถ้ามันหมดก็ไม่ต้องเดินไปไกลข้ามตึก แค่เดินขึ้นลงชั้นเดียวก็ได้แล้ว นอกจากนี้ก็ยังมีการสร้างความเชื่อขึ้นมาว่า น้ำดีมินดีกว่าน้ำกลั่น น้ำดีมินไม่เหมือนน้ำกลั่น น้ำดีมินกับน้ำกลั่นใช้แทนกันไม่ได้ สาเหตุหนึ่งอาจเกิดจากความไม่รู้ หรือเกิดจากการที่ไม่ต้องการไปขนน้ำกลั่นเมื่อน้ำกลั่นหมด ก็เลยสร้างความเชื่อหรือยอมรับคำอธิบายที่ทำให้ตัวเองสบาย ไม่ต้องรับผิดชอบอะไรมากเกินไป