ตะกอนกับตะกรัน คลอรีนกับคลอไรด์ MO Memoir : Thursday 17 September 2558

เมื่อประมาณปลายเดือนที่แล้วเห็นมีการส่งอีเมล์เวียนไปมาเกี่ยวกับปัญหาของระบบน้ำระบายความร้อนของโรงงานแห่งหนึ่ง แต่ข้อมูลมันก็ขาด ๆ หาย ๆ ประมาณว่ามีการติดต่อโดยใช้อีเมล์บ้าง โทรคุยกันบ้าง ก็เลยไม่ชัดเจนว่าที่มาที่ไปของเรื่องนั้นมันเป็นอย่างไร และเลือกใช้วิธีการใดในการแก้ปัญหา พอช่วงต้นเดือนที่ผ่านมาได้มีโอกาสไปเยี่ยมชมโรงงานดังกล่าวและได้มีโอกาสพบปะพูดคุยกับวิศวกรของโรงงานแห่งนั้น ก็เลยพอจะเข้าใจว่าปัญหามันคืออะไร และที่สำคัญคือเรื่องนี้ผมได้เคยเตือนเอาไว้เมื่อสองปีครึ่งก่อนหน้านี้ตอนที่เขาส่งแบบมาขอความเห็นจากผม
  

ก่อนอื่นเรามาทำความรู้จักระบบน้ำระบายความร้อนที่มีใช้กันมากในโรงงานอุตสาหกรรมต่าง ๆ และกับระบบปรับอากาศขนาดใหญ่ที่ใช้กันตามอาคารต่าง ๆ
  

รูปที่ ๑ หอทำน้ำเย็น (cooling tower) ที่ฉีดพ่นน้ำให้ไหลลงมาตาม packing และมีพัดลมดูดอากาศให้ไหลเข้าทางช่องบานเกล็ดที่เห็นทางด้านซ้ายในรูป (ด้านขวาก็มีช่องบานเกล็ดเช่นกัน) อากาศจะไหลเข้าสัมผัสกับน้ำร้อนที่ตกลงมาทางด้านบน และดึงเอาความร้อนออกจากน้ำด้วยการระเหยน้ำบางส่วนออกไปพร้อมกับอากาศที่ถูกดูดด้วยพัดลมที่ติดตั้งอยู่ทางด้านบนของหอทำน้ำเย็น ทำให้น้ำร้อนเย็นตัวลงและสามารถหมุนเวียนกลับไปรับความร้อนมาใหม่ได้

  

รูปที่ ๒ ด้านบนของหอทำน้ำเย็นในรูปที่ ๑ จะเห็นท่อนำน้ำร้อนกลับที่ไหลแยกเข้าทางด้านซ้ายและด้านขวา และพัดลมดูดอากาศให้ไหลเข้าทางด้านข้างและไหลออกทางด้านบนไปพร้อมกับไอน้ำที่ระเหยออกมา

ระบบน้ำระบายความร้อนที่ใช้กันทั่วไปนั้นอาจแบ่งออกได้เป็น ๓ แบบด้วยกัน
  

แบบที่ ๑ คือระบบปิด ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือระบบน้ำระบายความร้อนเครื่องยนต์ของรถยนต์ต่าง ๆ น้ำจะไหลเวียนในระบบปิด ความร้อนที่น้ำรับมาจากเครื่องยนต์จะระบายออกสู่อากาศผ่านทางหม้อน้ำที่เป็นรังผึ้งติดตั้งอยู่ทางด้านหน้าของรถ
  

แบบที่ ๒ คือระบบกึ่งเปิด ระบบนี้จะคล้าย ๆ กับระบบแรก แต่จะมีการสัมผัสกันโดยตรงระหว่างน้ำกับอากาศ ที่อุปกรณ์ที่เรียกว่าหอทำน้ำเย็น (cooling tower ดังตัวอย่างที่แสดงในรูปที ๑ และ ๒ ที่ใช้กับระบบขนาดเล็ก) น้ำร้อนบางส่วนจะระเหยกลายเป็นไอพร้อมกับการดึงเอาความร้อนออกจากน้ำ และออกไปพร้อมกับอากาศที่ไหลผ่าน (รูปที่ ๓) ทำให้น้ำร้อนมีอุณหภูมิลดลง เนื่องจากระบบนี้มีการสูญเสียน้ำไปบางส่วนจากการระเหย ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการเติมน้ำชดเชยน้ำที่สูญเสียไปกับการระเหย

  

รูปที่ ๓ แผนผังการทำงานของหอทำน้ำเย็น (cooling tower)
  

แบบที่ ๓ คือระบบเปิด ระบบนี้จะนำน้ำจากแหล่งน้ำมารับความร้อนและปล่อยทิ้งออกไป ระบบนี้จะใช้เมื่อมีแหล่งน้ำขนาดใหญ่ และสามารถระบายน้ำร้อนทิ้งได้โดยไม่รบกวนสิ่งแวดล้อม เช่นบริเวณที่อยู่ริมแม่น้ำหรือริมทะเล ข้อดีของระบบนี้คือไม่มีความจำเป็นต้องปรับสภาพน้ำ แต่น้ำที่นำมาระบายความร้อนนั้นเต็มไปด้วยสิ่งต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นแร่ธาตุหรือของแข็งแขวนลอยและไม่มีการควบคุมคุณภาพ ดังนั้นอุปกรณ์ที่ใช้จึงจำเป็นต้องสามารถทนต่อการกัดกร่อนและสึกหรอได้ดี

ตัวที่เป็นต้นเรื่องของเราในวันนี้คือแบบที่ ๒ ที่เป็นระบบกึ่งเปิด ในระบบนี้น้ำที่ใช้ในการระบายความร้อนนั้นมักจะมีแร่ธาตุละลายปนอยู่ (เรื่องปรกติของน้ำ) ชนิดและปริมาณแร่ธาตุที่อยู่ในน้ำจะขึ้นอยู่กับแหล่งน้ำที่นำมาใช้เป็นน้ำระบายความร้อนและฤดูกาล (บ่อยครั้งที่น้ำในช่วงหน้าแล้งและหน้าฝนมีแร่ธาตุเจือปนแตกต่างกัน ที่เห็นได้ชัดคือกรณีของน้ำประปาในเขตกรุงเทพในช่วงไม่กี่เดือนก่อนหน้านี้ ที่สถานการณ์ฝนแล้งทำให้มีน้ำเค็มจากทะเลไหลย้อน ส่งผลถึงแร่ธาตุที่มีอยู่ในน้ำประปาที่ผลิตได้) และน้ำดังกล่าวมีการปรับสภาพก่อนนำมาใช้งานหรือไม่ (เช่นมีการแลกเปลี่ยนไอออนเพื่อลดความกระด้าง) แร่ธาตุดังกล่าวไม่ได้ระเหยไปพร้อมกับน้ำที่ระเหยออกไป ดังนั้นจะสะสมอยู่ในระบบ และยังมีเพิ่มเติมเข้ามาอีกที่มาพร้อมกับน้ำที่เติมเข้ามาชดเชย (makeup water) น้ำส่วนที่ระเหยออกไป ทำให้ความเข้มข้นของแร่ธาตุที่ละลายอยู่ในน้ำเพิ่มสูงขึ้น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการควบคุมความเข้มข้นของแร่ธาตุเหล่านี้ไมให้สูงเกินไปด้วยการระบายน้ำบางส่วนทิ้งโดยตรง (ที่เรียกว่า blowdown)
  

แร่ธาตุบางชนิดละลายได้น้อยในน้ำร้อน ที่เห็นได้ชัดคือหินปูนหรือ CaCO₃ บริเวณที่เกิดปัญหาคือพื้นผิวโลหะที่ร้อนที่เป็นตัวส่งผ่านความร้อนจากของไหลภายในระบบมายังน้ำที่รับความร้อนที่อยู่อีกทางฟากหนึ่งของผิวโลหะ (เช่นจากด้านนอกท่อมายังด้านในท่อ หรือผนังในกาต้มน้ำที่ใช้กันทั่วไปตามบ้าน) พื้นผิวดังกล่าวจะมีอุณหภูมิสูง ทำให้แร่ธาตุที่ละลายน้ำได้น้อยเกิดการตกผลึกเป็นของแข็งสะสมอยู่บนพื้นผิวถ่ายเทความร้อนนั้น กลายเป็นสิ่งที่เราเรียกว่า "ตะกรัน - scale"
  

แหล่งที่มาของแร่ธาตุที่ละลายในน้ำอีกแหล่งหนึ่งคือฝุ่นผงที่ล่องลอยมากับอากาศที่ไหลเข้าหอทำน้ำเย็น ฝุ่นผงดังกล่าวถ้ามีส่วนที่ละลายน้ำได้ก็จะไปเป็นตัวเพิ่มความเข้มข้นของแร่ธาตุที่ละลายอยู่ในน้ำ แต่ถ้าไม่ละลายก็จะกลายเป็นของแข็งที่แขวนลอยอยู่ในน้ำที่ไหลอยู่ในระบบ และถ้าบริเวณใดของระบบที่น้ำไหลช้าหรือหยุดนิ่ง ของแข็งดังกล่าวก็จะตกลงสู่พื้นสะสมรวมกันที่เรียกว่า "ตะกอน - deposit" ตะกอนยังอาจมากับน้ำที่เติมเข้ามาโดยตรงก็ได้ถ้าไม่มีการกรองออก
  

ดังนั้นจะเห็นว่าเป็นการยากที่จะป้องกันไม่ให้มีตะกอนหรือตะกรันเกิดขึ้นในระบบ ในกรณีของตะกอนนั้นเราสามารถป้องกันไม่ให้มันไหลกลับเข้าไปในระบบได้ด้วยการกรองเอามันออกจากน้ำที่สูบจากทางด้านล่างของหอทำน้ำเย็น ก่อนที่จะส่งน้ำนั้นไปรับความร้อนจากอุปกรณ์ต่าง ๆ ภายในโรงงาน ส่วนกรณีของตะกรันนั้น เราลดปัญหาได้ด้วยการปรับสภาพน้ำที่เติมเข้ามาชดเชย รวมทั้งใช้การระบายน้ำบางส่วนทิ้งเพื่อควบคุมความเข้มข้นของแร่ธาตุที่ละลายน้ำอยู่

ที่มันทำให้ผมสับสนตอนที่รับฟังเรื่องราวคือ ตกลงว่าปัญหามันเกิดจาก "ตะกรัน" หรือ "ตะกอน" หรือจากทั้งสองสาเหตุ เพราะมีการใช้คำทั้งสองร่วมกัน คือจากการพบปะพูดคุยนั้นดูเหมือนว่ามีปัญหาเรื่อง "ตะกอน" แต่แนวทางการแก้ปัญหาที่เห็นมีการเสนอนั้นมันเป็นการแก้ปัญหาการเกิด "ตะกรัน"

คลอไรด์ (chloride - Cl^-) คือไอออนลบของคลอรีน (chlorine - Cl₂) ทั้งคลอไรด์และคลอรีนมีฤทธิ์ในการกัดกร่อนโลหะ แม้แต่เหล็กกล้าไร้สนิมหรือที่เรามักเรียกจนติดปากกันว่าสแตนเลสสตีล (stainless steel) หรือเหล็กสแตนเลส นั้นก็ยังมีปัญหากับคลอไรด์และคลอรีนที่ละลายอยู่ในน้ำที่มันสัมผัส การกัดกร่อนเหล็กกล้าไร้สนิมด้วยคลอไรด์หรือคลอรีนมีรูปแบบที่เรียกว่า pitting คือเป็นรูเล็ก ๆ (ขนาดอาจประมาณ 1 มิลลิเมตรหรือเล็กกว่า) ลึกลงไปในเนื้อโลหะจนทะลุ แต่ถ้าเป็นหลุมขนาดใหญ่ขึ้นมาหน่อยจะเรียก crevice) การกัดกร่อนนี้จะเกิดได้ดีขึ้นในบริเวณที่น้ำไม่มีการไหลเวียน (เช่นใต้อนุภาคของแข็งที่ตกตะกอน หรือตรงผิวสัมผัสระหว่างชิ้นงานโลหะสองชิ้นที่วางติดกัน (เช่นระหว่างนอตกับหน้าแปลน)
  

เหล็กสแตนเลสเบอร์ 316 นั้นจะทนต่อคลอไรด์และคลอรีนได้ดีกว่าเหล็กสแตนเลสเบอร์ 304 ที่ราคาต่ำกว่า และคลอรีนนั้นมีฤทธิ์ในการกัดกร่อนมากกว่าคลอไรด์อยู่มาก ในขณะที่เหล็กสแตนเลส 316 สามารถทนต่อการกัดกร่อนจากคลอไรด์ได้ถ้าหากมีความเข้มข้นไม่เกิน 2000 ppm แต่จะทนต่อคลอรีนในน้ำได้ไม่เกิน 4 ppm* ในระบบน้ำประปานั้นคลอไรด์อาจมากับน้ำดิบที่ใช้ในการผลิตน้ำประปา หรือมาจากไฮโปคลอไรต์ (ClO^-) ที่เติมลงไปเพื่อฆ่าเชื้อโรคในน้ำ และคลอรีนก็มาจากแก๊สคลอรีนที่เติมลงไปในน้ำเพื่อฆ่าเชื้อโรคในน้ำ ส่วนจะเลือกเติมไฮโปคลอไรต์หรือคลอรีนนั้นก็ขึ้นอยู่กับผู้ผลิตน้ำประปา

(*ข้อมูลจาก http://www.penflex.com/chloride-chlorine-levels-and-stainless-steel-alloy-selection/)

ที่ผมพบก็คือในการสื่อสารนั้นมีการใช้ทั้งคำว่า "คลอไรด์" และ "คลอรีน" ปะปนกัน โดยดูเหมือนว่าผู้สนทนาบางรายนั้นคิดว่ามันเป็นตัวเดียวกัน ซึ่งในความเป็นจริงนั้นมันไม่ใช่ กรณีนี้เป็นตัวอย่างของการสื่อสารระหว่างผู้ที่มีความรู้ความเชี่ยวชาญในสาขาที่แตกต่างกัน เมื่อมีการสนทนาร่วมกันในหัวข้อที่แต่ละคนนั้นไม่ได้รู้ลึกลงไปทางด้านดังกล่าว การใช้คำที่แตกต่างกันเพียงเล็กน้อยแต่มีความหมายแตกต่างกันมาก อาจนำไปสู่ความเข้าใจที่คลาดเคลื่อนได้

ปิดท้ายเรื่องน้ำของวันนี้ด้วยเรื่องการเติมกรดกำมะถัน H₂SO₄ เพื่อลดค่า pH ของน้ำหล่อเย็นในระบบกึ่งเปิด กล่าวคือถ้าน้ำที่เติมเข้ามาชดเชยน้ำระเหย (makeup water) มีคาร์บอเนต (CO₃^2-) ละลายปนอยู่ ตัวคาร์บอเนตนี้เมื่อละลายน้ำจะไปดึงโปรตอนจากน้ำทำให้เกิดเป็นไบคาร์บอนเนต (HCO₃^-) และไฮดรอกไซด์ (OH^-) ตัวไบคาร์บอนเนตนั้นเมื่อได้รับความร้อนจะสามารถสลายตัวกลายเป็นแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) กับไฮดรอกไซด์ (OH^-) ที่เป็นเบสแก่ ทำให้ค่า pH ของน้ำเพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ ได้ ด้วยเหตุนี้ระบบน้ำหล่อเย็นหลายแห่งจึงจำเป็นต้องมีการเติมกรดลงไปเพื่อลดค่า pH และกรดที่เลือกใช้กันก็คือกรดกำมะถัน H₂SO₄ ทั้งนี้เพื่อลดความเสี่ยงจากไอออนลบที่ก่อให้เกิดปัญหากับโลหะ และถ้าในน้ำนั้นมี Ca²⁺ ละลายอยู่ก็ลดการเกิดตะกรันลงได้บ้าง เพราะ CaSO₄ นั้นแม้ว่าจะลายน้ำได้น้อยลงเมื่อน้ำร้อนขึ้น แต่ก็ยังละลายน้ำได้ดีกว่า CaCO₃

อันที่จริงความกระด้างของน้ำที่เกิดจาก CaCO₃ นั้นเรียกว่า "ความกระด้างชั่วคราว" เพราะถ้านำน้ำนั้นไปต้ม CaCO₃ จะตกตะกอนออกมา ทำให้ความเข้มข้นของ Ca²⁺ ในน้ำลดลง ตามโรงงานอุตสาหกรรมทั่วไปก็ใช้วิธีการนี้ในการลดความกระด้างน้ำ ด้วยการต้มน้ำก่อนนำไปใช้งาน ส่วนความกระด้างที่เกิดจาก CaSO₄ นั้นเรียกว่า "ความกระด้างถาวร" เพราะ CaSO₄ ไม่ตกตะกอนออกมาแม้ว่าจะเอาน้ำไปต้ม ความเข้มข้น Ca²⁺ ยังคงอยู่เหมือนเดิม