น้ำด่าง น้ำอัลคาไลน์ น้ำดื่ม MO Memoir : Thursday 4 July 2556

เมื่อคืนวันจันทร์มีคนถามผมมาทาง facebook เรื่องเกี่ยวกับ "น้ำอัลคาไลน์" ที่มีคนทางบ้านเขามาเชิญชวนให้เขาดื่ม แถมยังถามเขาด้วยว่าประกอบด้วยอะไรบ้าง พอเขาตอบไปว่าไม่รู้ก็โดนว่าสวนกลับมาว่าเรียนวิศวกรรมเคมีแล้วเรื่องพวกนี้ไม่รู้ได้อย่างไร (ผมก็แปลกใจตรงที่ถ้าคนซื้อมาดื่มเขายังไม่สนเลยว่าเขาดื่มอะไรลงไป ทำไมเขาจึงสนใจมาคาดคั้นเอากับคนอื่นที่ไม่สนใจดื่มน้ำนั้นว่าน้ำที่เขาดื่มนั้นประกอบด้วยอะไรบ้าง) บังเอิญเห็นที่บ้านมีคนเอามาวางไว้ขวดนึง แถมในขณะนี้ทางแลปที่สอนอยู่ก็มีการทดลองเรื่องนี้อยู่พอดี ก็เลยถือโอกาสเอามาร่วมวงด้วยเลย

ที่จะเขียนต่อไปอาศัยความรู้ทางทฤษฎีที่เรียนมาและประสบการณ์ส่วนหนึ่งที่ประสบมา แต่ก็ไม่ได้เป็นเรื่องที่เกี่ยวกับน้ำด่างหรือน้ำอัลคาไลน์ที่มีคนเขาเอามาขายกัน โดยจะเขียนจากมุมมองของคนที่เป็นวิศวกรรมเคมีเขียนให้คนที่เป็นวิศวกรรมเคมีอ่าน ดังนั้น (โดยเฉพาะผู้ที่ไม่ใช่วิศวกรรมเคมี) กรุณาใช้วิจารณญาณในการอ่านด้วย

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเริ่มมีกระแสน้ำดื่มเพื่อสุขภาพในอีกรูปแบบหนึ่งออกมา คือการดื่ม "น้ำด่าง" หรือเรียกให้เป็นฝรั่งหรือให้คนรู้สึกว่าเป็นวิชาการหน่อย (แต่คนฟังจะรู้ความหมายหรือเปล่าก็ไม่รู้) ว่า "น้ำอัลคาไลน์" ทำนองว่าเป็นภูมิปัญญาชาวบ้าน ใช้ดื่มเพื่อสุขภาพ (อันนี้ไม่ขอออกความเห็น) ช่วยไปลดความเป็นกรดให้กับเลือด (อันนี้ผมยังติดใจอยู่) ฯลฯ โดยรวมก็คือเห็นมีการเอาข้อมูลที่ว่าถ้าเลือดเป็นกรดจะไม่ดีต่อร่างกาย เป็นสาเหตุทำให้เกิดโรคต่าง ๆ (ตรงนี้เดี๋ยวค่อยว่ากันอีกที) 
  

ประเด็นหนึ่งที่สำคัญที่ผมสงสัยคือมันอยู่ตรงนี้คือ ถ้าเลือดมีความเป็นกรด แล้วดื่มน้ำที่เป็นด่าง ด่างที่อยู่ในน้ำจะเข้าไปสะเทินกรดในเลือดได้จริงเหรอ
 

รูปที่ ๑ (ซ้าย) ขวดน้ำตัวอย่างที่นำมาวิเคราะห์ บอกไว้ข้างขวดว่าทำจากเถ้าของกาบมะพร้าว (ขวา) น้ำในขวดมีลักษณะดูเหมือนว่าจะขุ่นเล็กน้อย ไม่ใสเหมือนน้ำดื่มปรกติ แต่มองไม่เห็นอนุภาคแขวนลอย เลยสงสัยว่าอาจจะมีอนุภาคแขวนลอยขนาดเล็กมากที่ตาเปล่ามองไม่เห็น แต่ยังใหญ่พอที่จะทำให้เกิดการกระเจิงแสงได้

เท่าที่ผมพอทราบคือปรกติร่างกายคนเราจะขับสารเคมีต่าง ๆ (อาจเป็นสารอินทรีย์หรือไอออนโลหะ) ได้ก็ต่อเมื่อสารเหล่านั้นอยู่ในโครงสร้างที่ละลายน้ำได้ พอละลายน้ำได้ก็จะแพร่เข้าสู่กระแสเลือด และไปกรองออกที่ไต ก่อนจะขับออกทางปัสสาวะ
 

ในกรณีของสารอินทรีย์นั้น ที่เห็นมีฤทธิ์เป็นเบสเห็นจะได้แก่พวกเอมีน (amine) ต่าง ๆ แต่สำหรับสารอินทรีย์ทั่วไป เวลาที่ร่างกายจะเปลี่ยนเป็นสารที่ละลายน้ำได้ ปฏิกิริยาเคมีในร่างกายมักจะทำการ ออกซิไดซ์ สารเหล่านั้นเพื่อทำให้เกิดเป็นโครงสร้างที่มีขั้วที่สามารถจับกับโมเลกุลน้ำได้ และหนึ่งในโครงสร้างสำคัญของสารอินทรีย์ที่จับกับโมเลกุลน้ำได้ที่เกิดจากการออกซิไดซ์ของร่างการคือหมู่ carboxyl (-COOH) ซึ่งมีฤทธิ์เป็นกรด 
  

ไอออนโลหะหลัก ๆ ที่เห็นอยู่ในพืชทั่วไปเห็นจะได้แก่แมกนีเซียม (Mg) และโพแตสเซียม (K) โดย Mg นั้นอยู่ในโครงสร้างคลอโรฟิลล์ (chlorophyll) ที่ใช้ในการสังเคราะห์แสง (แต่พืชก็ต้องดูดซึม Mg จากดินผ่านลำต้นไปส่งให้ที่ใบอยู่ดี) ส่วน K จะไปอยู่ที่ไหนนั้นผมก็ไม่รู้ รู้แต่ว่าปุ๋ยเคมีที่ใช้กันที่เรียกว่า NPK (อ่านปุ๋ยเอ็นพีเค) นั้นจะมีแร่ธาตุหลักอยู่ ๓ ตัวคือ ไนโตรเจน (N) ฟอสฟอรัส (P) และโพแตสเซียม (K) ส่วนจะมีในสัดส่วนเท่าไรขึ้นอยู่กับชนิดปุ๋ย ดังนั้นจึงเห็นได้ว่าแร่ K และ P เป็นแร่ธาตุที่สำคัญต่อการเจริญเติบโตของพืช (ไม่ยักมีปุ๋ย Mg) ส่วนพืชบางชนิดเช่นข้าวและไผ่จะมีการดูดซึมซิลิกอน (Si) เข้าไปด้วย โดยในข้าวจะมี Si อยู่เยอะที่ตัวแกลบ ถ้าเป็นต้นไผ่ก็จะอยู่ที่ลำต้น
 

แร่ธาตุเหล่านี้จะสะสมอยู่ในส่วนต่าง ๆ ของพืชร่วมกับส่วนที่เป็นสารอินทรีย์ (C-H-O เป็นหลัก โดยมี N และ S ร่วมวงอยู่บ้าง) พอเราเอาพืชไปเผา ส่วนที่เป็นโครงสร้างสารอินทรีย์ก็จะสลายตัวไปเป็นแก๊ส เหลือแต่ส่วนที่เป็นแร่ธาตุที่จะกลายเป็นขี้เถ้าค้างอยู่
 

ผมไม่เคยเอาขี้เถ้าจากการเผาซากพืชไปวิเคราะห์ แต่ถ้าให้เดาจากชนิดแร่ธาตุที่มีอยู่ก็ขอเดาว่าน่าจะเป็นสารประกอบออกไซด์ (oxide - O^2-) ไฮดรอกไซด์ (hydroxide - OH^-) หรือฟอสเฟต (phosphate - PO₃^3-) ของไอออน Mg²⁺ และ K⁺ โดยอาจมีคาร์บอเนต (carbonate - CO₃^2-)/ไบคาร์บอเนต (bicarbonate - HCO₃^-) ที่เกิดจากออกไซด์และไฮดรอกไซด์จับคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ที่เกิดจากการเผาไหม้เอาไว้ร่วมอยู่ด้วย และถ้ามีซิลิกอนอยู่ก็จะกลายเป็น SiO₂ ไป สารประกอบไฮดรอกไซด์และคาร์บอเนตนั้น ถ้าเผาที่อุณหภูมิสูงมากพอก็จะสลายตัวเป็นสารประกอบออกไซด์ได้
  

แต่ถ้าเป็นพืชที่ขึ้นในพื้นที่ที่ปนเปื้อนโลหะหนัก เถ้าที่ได้จากการเผาก็จะมีโลหะหนักที่พืชดูดซับขึ้นมาจากดินปะปนอยู่ด้วย
 

เกลือต่าง ๆ ที่ได้จากการเผาซากพืชที่กล่าวมาข้างต้นนั้นเป็นเกลือที่เมื่อละลายน้ำแล้วจะทำให้น้ำมีฤทธิ์เป็นเบส ดังนั้นจึงไม่แปลกที่คนโบราณจะใช้น้ำขี้เถ้านั้นในการทำสบู่และการชะล้างไขมัน เพราะตัวเบสเองสามารถทำให้โมเลกุลไขมัน (เป็นเอสเทอร์ระหว่างกรดไขมันกับกลีเซอรอล) แตกออกตรงพันธะเอสเทอร์ กลายเป็นหมู่คาร์บอกซิล (RCOO^-) ที่มีความเป็นขั้ว แต่ถ้าจะให้ดีก็ควรต้องนำไปทำเป็นสบู่ก่อน โดยโมเลกุลของสบู่จะเอาด้านที่ไม่มีขั้วไปจับกับโมเลกุลไขมัน และเอาด้านที่มีขั้วไปจับกับโมเลกุลน้ำ ทำให้ดึงเอาโมเลกุลไขมันมาล่อยลอยอยู่ในโมเลกุลน้ำได้
  

ในส่วนของตัวผมเองนั้นไม่รู้สึกแปลกใจอะไรถ้ามีคนมาบอกว่าเวลาเอาขี้เถ้ามาผสมกับน้ำจะทำให้น้ำที่ได้นั้นมีฤทธิ์เป็นด่าง และถ้าถามผมว่าน้ำนั้นควรประกอบด้วยแร่ธาตุอะไรบ้าง ที่เขียนมาข้างต้นก็คือแร่ธาตุกลุ่มที่ผมจะมองหาเป็นพวกแรก ๆ
  

ที่เขียนมานั้นเป็นการเตรียมน้ำด่างจากเถ้าที่ได้จากการเผาซากพืช แต่ยังมีน้ำด่างอีกประเภทหนึ่งที่เตรียมจากเครื่องที่ใช้ไฟฟ้า
 

ผมเองหารายละเอียดการทำงานของเครื่องผลิตน้ำด่างสำหรับบริโภคด้วยไฟฟ้าไม่ได้ รู้แต่ว่าในอุตสาหกรรมเคมีนั้นมีการผลิตน้ำด่างด้วยกระแสไฟฟ้ามานานแล้ว น้ำด่างที่ผลิตด้วยกระแสไฟฟ้าในอุตสาหกรรมคือการผลิต "โซดาไฟ" ด้วยการผ่านกระแสไฟฟ้าลงไปในสารละลาย NaCl

รูปที่ ๒ (บน) เอาไปวัดค่า pH พบว่าได้ค่าตั้ง 12.55 แสดงว่าที่เขาโฆษณาไว้ข้างขวดว่าเป็นชนิดเข้มข้นคา pH 12 นั้นเป็นอย่างที่เขาติดฉลากเอาไว้ (ล่าง) พอเอาไปวัดค่า conductivity พบว่าสูงถึง 10.21 mS/cm แสดงว่ามีไอออนจำนวนมากละลายอยู่ในน้ำนั้น

น้ำบริสุทธิ์นั้นนำไฟฟ้าได้ไม่ดี แต่ถ้ามีเกลือละลายอยู่จะนำไฟฟ้าได้ดีขึ้น ถ้าเราเอาน้ำบริสุทธิ์มาแล้วเติมกรด H₂SO₄ (กรดกำมะถันที่ใช้เติมแบตเตอรี่รถยนต์) ลงไปเล็กน้อยมา จุ่มขั้วไฟฟ้ากระแสตรงขั้วบวกและขั้วลบลงไปแล้วผ่านกระแสไฟฟ้า (ขั้วไฟฟ้าที่ใช้ควรจะทนต่อปฏิกิริยาหน่อยนะ เช่นเคลือบด้วยโลหะพลาทินัม (Pt หรือทองคำขาว) ไม่เช่นนั้นขั้วไฟฟ้าจะสลายตัวแทน) โมเลกุลน้ำจะแตกตัวออกเป็น H⁺ กับ OH^- โดย H⁺ จะไปรับอิเล็กตรอนที่ขั้วลบกลายเป็นแก๊สไฮโดรเจน ส่วน OH^- จะไปจ่ายอิเล็กตรอนที่ขั้วบวก เกิดเป็นแก๊สออกซิเจน ส่วนโมเลกุลกรด H₂SO₄ ใส่ลงไปเท่าใดก็ยังคงมีเท่านั้นเหมือนเดิม (แอโนด - anode คือขั้วที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน ส่วนแคโทด - cathode คือขั้วที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน)
  

ทีนี้ถ้าเราเปลี่ยนเป็นเกลือ NaCl (เกลือแกงตามบ้าน) แทนกรดกำมะถัน ถ้าไปดูค่าศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์จากตารางจะทำให้เราคาดว่าในกรณีนี้น่าจะเกิดแก๊สออกซิเจนที่ขั้วลบและไฮโดรเจนที่ขั้วบวกเหมือนกับตอนใช้กรดกำมะถัน แต่พอเอาเข้าจริงกลับพบว่าที่ขั้วลบยังเกิดแก๊สไฮโดรเจนอยู่ แต่ที่ขั้วบวกแทนที่ OH^- ที่เกิดจากน้ำแตกตัวเป็นไฮโดรเจนที่ขั้วลบจะไปจ่ายอิเล็กตรอนเพื่อกลายเป็นออกซิเจน กลับปรากฏว่าไอออน Cl^- จากเกลือแกงที่ใส่เข้าไปจะไปจ่ายอิเล็กตรอนและเกิดแก๊สคลอรีน (Cl₂) แทน ซึ่งเป็นผลจากการเกิด "over potential" สิ่งนี้ทำให้จำนวนไอออน OH^- ในน้ำเพิ่มมากขึ้นในขณะที่จำนวนไอออน Cl^- ลดลง น้ำจึงมีค่า pH หรือความเป็นด่างเพิ่มมากขึ้น กล่าวอีกอย่างคือเป็นการเปลี่ยนจากสารละลาย NaCl กลายเป็นสารละลายผสม NaCl + NaOH และถ้าปล่อยไว้นานพอก็จะได้สารละลาย NaOH หรือโซดาไฟแทน (สารละลายที่เขาใช้ใส่ท่อน้ำทิ้งเวลาอุดตันก็คือสารละลายโซดาไฟที่เข้มข้นมากนั่นเอง)

รูปที่ ๓ (บน) บีกเกอร์ใบซ้ายถ่ายหลังการไทเทรตด้วย EDTA ที่ใช้หาความกระด้าง (ไออนโลหะที่มีประจุตั้งแต่ +2 ขึ้นไป) โดยใช้ eriochrome black T เป็นอินดิเคเตอร์ ส่วนใบขวาถ่ายหลังจากการไทเทรตด้วย 0.01 M HCl และใช้ methyl red เป็นอินดิเคเตอร์เพื่อหาค่า alkalinity (ล่าง) ตัวอย่างผลการไทเทรตที่จดบันทึกเอาไว้
  

จากเท่าที่ได้เคยวิเคราะห์น้ำดื่มหลากหลายยี่ห้อเปรียบเทียบกับน้ำประปานั้น (ในแลปเคมีวิเคราะห์ปี ๒) พบว่าน้ำที่ไม่ได้ผ่านกระบวนการ reverse osmosis (หรือที่เรียกกันว่า RO) นั้นจะมีเกลือแร่ละลายอยู่ในน้ำในระดับหนึ่ง และมักจะมีความเป็นเบสอยู่เล็กน้อยอยู่แล้ว ในขณะที่น้ำที่ผ่านกระบวนการ reverse osmosis นั้นปริมาณเกลือแร่ในน้ำจะลดต่ำลงมาก (วิ่งเข้าหาระดับน้ำกลั่น) ส่วนจะมีเกลือแร่อะไรบ้างนั้นขึ้นอยู่กับว่าน้ำนั้นมาจากแหล่งใด จากสถานที่ใด
  

ส่วนเบสที่ตรวจพบในน้ำดื่มที่ขายกันทั่วไปและน้ำประปา (ที่ได้ทำการทดลองกันในห้องแลประหว่างเรียน) พบว่าจะเป็นพวกคาร์บอเนต (CO₃^2-) และไบคาร์บอเนต (HCO₃^-) ไม่เคยตรวจพบเบสไฮดรอกไซด์ (OH^-)
  

ร่างกายของคนเรานั้นรักษาค่า pH ในเลือดให้คงที่ (ในช่วงเบส) ด้วยระบบบัฟเฟอร์ บัฟเฟอร์สำหรับค่า pH ที่เป็นเบสนั้นจะใช้กรดอ่อนและเกลือของกรดอ่อน จากที่ค้นข้อมูลดูพบว่าระบบบัฟเฟอร์ที่สำคัญในร่างกายคนเราคือระบบไบคาร์บอเนต (HCO₃^-) และฟอสเฟต (H₂PO₄^- และ HPO₄^2-) ไฮดรอกไซด์ (OH^-) นั้นแม้ว่าจะเป็นไอออนลบมีฤทธิ์เป็นเบสที่แรง แต่ไม่มีคุณสมบัติเป็นบัฟเฟอร์

การวัดค่าความเป็นเบสของน้ำหรือที่เรียกว่า "alkalinity" นั้นกระทำได้ด้วยการไทเทรตกับสารละลายกรด H₂SO₄ หรือ HCl โดยการไทเทรตในช่วงแรกนั้นจะใช้ phenolphthalein เป็นอินดิเคเตอร์ไทไทรตจากมีสีไปเป็นไม่มีสี การไทเทรตในช่วงนี้จะเป็นการไทเทรต OH^- และ CO₃^2- (และ HPO₄^3- ถ้ามี) ไปเป็น H₂O และ HCO₃^- (และ H₂PO₄^-) จากนั้นจะทำการไทเทรตช่วงที่สองโดยใช้ methyl red เป็นอินดิเคเตอร์ โดยในช่วงนี้จะเป็นการไทเทรต HCO₃^- (และ H₂PO₄^-) ไปเป็น H₂CO₃ (และ H₃PO₄) ปริมาณกรดที่ใช้ในช่วงการไทเทรต phenolphthalein จากมีสีเป็นไม่มีสี (ให้เป็นค่า V1) เทียบกับปริมาณกรดที่ใช้ในการไทเทรต methyl red จากสีเหลืองเป็นสีแดง (ให้เป็นค่า V2) จะบ่งบอกให้ทราบถึงสัดส่วนของ OH^- และ CO₃^2- (และ HPO₄^3- ถ้ามี) ในน้ำตัวอย่างนั้น ถ้า V1 มากกว่า V2 แสดงว่าน้ำนั้นมี OH^- ปนอยู่ (ปริมาณคำนวณได้จากผลต่างระหว่างค่า V1 กับ V2) แต่ถ้าค่า V1 น้อยกว่าค่า V2 แสดงว่าน้ำนั้นไม่น่าจะมี OH^- ปนอยู่
  

การหาปริมาณไอออนโลหะที่มีประจุตั้งแต่ 2+ (หรือการหาค่าความกระด้างของน้ำ) ขึ้นไปใข้การไทเทรตกับ EDTA เข้มข้น 0.01 M โดยใช้ eriochrome black T เป็นอินดิเคเตอร์ ในการไทเทรตนี้ EDTA จะจับกับไอออนตั้งแต่ 2+ ขึ้นไปในอัตราส่วน 1:1 ในกรณีของน้ำด่างที่เอามาไทเทรตนั้นผมเดาว่าตัวหลักน่าจะเป็น Mg²⁺

น้ำตัวอย่างที่ผมเอามาวิเคราะห์นั้นผมเอาไปวัดค่า pH และค่าการนำไฟฟ้าก่อน ผลออกมาเป็นอย่างไรก็ดูในรูปที่ ๒ เอาเองก็แล้วกัน ที่เคยวัดในแลประหว่างการสอนนั้นพบว่าน้ำประปาจากก๊อกน้ำในแลปวัดได้ค่าการนำไฟฟ้าระดับประมาณ 300 μS/cm ในขณะที่ของน้ำดื่ม RO จะอยู่ในช่วง 40-70 μS/cm ของน้ำดื่มทั่วไปที่ไม่ใช่ RO จะอยู่ในช่วง 100-600 μS/cm และของพวกน้ำแร่นั้นจะสูงกว่า 500 μS/cm แต่ทั้งนี้ก็มีการเปลี่ยนแปลงได้ตามฤดูกาล 
   

จากนั้นจึงนำน้ำตัวอย่าง 10 ml ไปหาค่า alkalinity ด้วยการไทเทรตกับสารละลาย HCl เข้มข้น 0.01 M พบว่าในช่วง phenolphthalein (จากมีสีเป็นสีหายไป) นั้นต้องใช้สารละลายกรด 26.0 ml และช่วง methyl red (จากสีเหลืองเป็นสีแดง) ต้องใช้สารละลายกรด 10.75 ml และเมื่อนำน้ำตัวอย่างไปไทเทรตกับสารละลาย EDTA (ethylenediamine tetraacetic acid) เข้มข้น 0.01 M พบว่าต้องใช้สารละลาย EDTA 4.8 ml (รูปที่ ๓)

มาถึงจุดนี้ผมไม่รู้ว่าคำถามที่เขาถามผมมาว่า "ถ้าเช่นนั้นผมเอายาลดกรดมาผสมน้ำกินจะได้ผลเหมือนกันหรือไม่" เขาได้คำตอบแล้วหรือยัง (ยาลดกรดบางยี่ห้อใช้สูตรที่ใช้สารประกอบ Mg ที่เป็นด่างด้วยนะ)

Memoir ฉบับถัดไปคงเป็นฉบับส่งท้ายปีที่ ๕ และขึ้นสู่ปีที่ ๖