Principle of pure water

หลักการผลิตน้ำบริสุทธิ์

น้ำ Deionization, Ultrapure Water

น้ำ Demin, น้ำบริสุทธิ์, Type II, Type I

น้ำปราศจากประจุอิออน



การกำจัดอิออน (Deionization)

กำจัดอิออนด้วยเรซิอินทรีย์สังเคราะห์เพื่อกำจัด cations กับ anions ด้วยการแลกเปลี่ยนกับhydrogen และ hydrogenions(อาจใช้ cations และ anions beds ที่ แยกจากกันหรือ mixed bed) การทำให้น้ำสะอาดโดยการกำจัดอิออนมีข้อควรพิจารณาอยู่หลายประการ

1. การกำจัดอิออนในน้ำดื่มสามารถทำได้โดยการแลกเปลี่ยนประจุ (ion exchange process) หลักการพื้นฐานคือ

* Cation exchange กำจัดประจุบวก

* Anion exchange กำจัดประจุลบ

2. กำจัดอิออนโลหะหรืออิออนบวก ทำได้โดยผ่านน้ำเข้าคอลัมน์ที่มี cationic resin อยู่ อนุภาคใน cationic resin จะเกิดพันธะอ่อน ๆ กับ H+ และเกิดพันธะที่แข็งแรงกับ fixed anions (มักเป็น sulphonic (SO3) ซึ่งจับกับ cation ได้แรง) อิออนโลหะซึ่งมีประจุบวกทั้งหมดในน้ำจะแลกเปลี่ยนกับ H+ บนresin ดังนั้นน้ำที่ผ่านออกมาจึงไม่มีอิออนบวก ยกเว้น H+ ส่วนอิออนลบไม่เปลี่ยนแปลง น้ำที่ผ่านออกจะเป็นกรดค่อนข้างมาก ดังสมการ

2 RcH + CaSO4 ------- > (Rc)2Ca + H2SO4

Rc คือ cationic resin

H+ บน resin จะแลกกับ Ca++

Ca++ จะถูกจับไว้โดย resin H2SO4

3. ผ่านน้ำไปยังคอลัมน์ที่สองที่มี anionic resin อนุภาคใน anionic resin เกิดพันธะอ่อน ๆ กับ OH- น้ำที่ซึมผ่านจะถูกกำจัดประจุลบโดยแลกกับ OH- บน resin resin นี้แรงมากประกอบด้วย quaternary ammonium group คือ MeaN+ น้ำจากคอลัมน์แรกเป็นกรด (มี H+)เมื่อน้ำผ่านคอลัมน์สองจะไม่มีอิออนลบ นอกจาก OH- ดังนั้น H+ และOH- ทำให้เกิดเป็นน้ำดังสมการ

2 RaOH + H2SO4 ----- > (Ra)2SO4 + 2 H2O

Ra คือ anions resin

OH- จะแลกกับ SO4 แล้วจะได้น้ำออกมา

4. ความแรงในการยึดจับของ resin มีความสัมพันธ์กับความหนาแน่นของประจุบนผิวของอิออน ค่าความแรง (ดูตารางในชีท)ตัวเลขมากแรงยึดเกาะยิ่งมาก

5.หาก resin สำหรับอิออนบวกเสื่อมลง อิออนบวกที่จับได้แรงกว่าจะแทนที่ เช่น Na+ มีแรงยึดเกาะน้อยสุดที่พบในธรรมชาติจะเป็นอิออนตัวแรกที่ถูกแทนที่ เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า sodium slip พบว่าค่า conductivity ของน้ำเพิ่มสมบัติของน้ำที่ FDA ยอมรับคือ มีค่าการนำไฟฟ้าน้อยกว่า 4 megohm และค่า pH 5-7 ระบบแลกเปลี่ยนประจุจะกำจัด ionic species ทุกชนิดที่ปนเปื้อน เรียกขบวนการนี้ว่า การกำจัดแร่ธาตุ(demineralization) Resin regeneration เมื่อน้ำผ่าน column อย่างต่อเนื่อง จะทำให้ ions บน resin ที่เกิดการแลกเปลี่ยนลดลง resin จะเริ่มหมดสภาพ (exhaust) เริ่มจากด้านที่น้ำเข้า จึงต้องทำการฟื้นสภาพ (regeneration) Strong-acid cation resin (มี H+เกาะ) ฟื้นสภาพได้โดยการผ่านด้วยกรดแก่ เช่น HCl ลงไปใน column จะทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ ได้ resin ที่ทำให้น้ำบริสุทธิ์ได้ Strong-acid anion resin ให้ผ่านเบสแก่ เช่น NaOH ความถี่การฟื้นฟูขึ้นกับปริมาณเกลือในน้ำที่ป้อน การใช้คอลัมน์แลกเปลี่ยนอิออนเหมาะกับน้ำที่มีอิออนต่ำ ไม่เหมาะกับน้ำที่มีปริมาณเกลือสูง เพราะต้นทุนสูงเนื่องจากต้องฟื้นฟูบ่อย

ปกติ resin มีลักษณะเป็น spherical beads เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.4-0.8 mm เมื่อใช้ไปนาน ๆ จะแตกละเอียดจึงต้องมีการเติม resin ประมาณปีละ 3-5% เมื่อประสิทธิภาพของ resin ลดลงจากการฟื้นฟูบ่อยมาก ควรเปลี่ยน resin อายุใช้งานของ resin ขึ้นกับ การบำรุงรักษา สมบัติของน้ำเริ่มต้น

การใช้งานน้ำบริสุทธ์สำหรับห้องทดลอง

Type I water : น้ำ Ultrapure /น้ำบริสุทธิ์สูง / resistivity >18.2 M เหมาะสำหรับงานด้าน HPLC, Mass Spectrometry, trace elemental analysis and biotechnology.

Type II water : น้ำ DI / น้ำกลั่น / conductivity <1.0 us เหมาะสำหรับงานด้าน buffer preparation for dissolution, microbiology media preparation, biochemistry analyzers in diagnostic industry, preparation of reagents for chemical analysis.

Type III water : น้ำ RO เหมาะสำหรับงานด้าน Glassware washers, humidity chambers ,เติม autoclaves, Water baht.

Distilled Water

น้ำกลั่น

การกลั่นเป็นกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ที่ค่อนข้างเรียบง่าย

เติมน้ำลงในห้องต้ม จากนั้นเสียบปลั๊กเครื่องเข้ากับแหล่งจ่ายไฟและ

เปิดเครื่อง หม้อต้มจะทำการทำความร้อนจนถึงจุดเดือดของน้ำ น้ำจะระเหยเป็นไอและลอยขึ้นไปยังระบบระบายความร้อน (cooling) ในขั้นตอนนี้ ไอน้ำที่ลอยขึ้นไปจะกระทบน้ำ Cooling จากนั้นจะควบแน่นและหยดลงในภาชนะที่สะอาด

สารปนเปื้อนส่วนใหญ่ไม่มีจุดเดือดเท่ากับน้ำ ซึ่งหมายความว่าเมื่อน้ำถูกทำให้ร้อนในห้องต้ม สารปนเปื้อนจะไม่สามารถระเหยไปพร้อมกับอนุภาค H2O ได้ พวกมันจะถูกทิ้งไว้ในห้องต้ม และเมื่อกระบวนการกลั่นเสร็จสิ้น พวกมันก็จะถูกกำจัดออกไปเมื่อห้องถูกล้างออก

เครื่องกลั่นน้ำสามารถขจัดสารปนเปื้อนอะไรได้บ้าง?

เครื่องกลั่นน้ำสามารถกำจัด สารปนเปื้อนได้หลากหลายชนิดรวมถึงสารประกอบอินทรีย์ โลหะหนัก เช่น ตะกั่ว สารเคมี เช่น คลอรีน จุลินทรีย์ เช่น แบคทีเรีย แร่ธาตุที่มีฤทธิ์กระด้าง เกลือที่ละลายอยู่ในน้ำ และสิ่งปนเปื้อนอื่นๆ เกือบทั้งหมดที่พบโดยทั่วไปในน้ำดื่ม

สิ่งที่ทำให้กระบวนการกลั่นมีความโดดเด่นก็คือ การที่สามารถกำจัดสารปนเปื้อนทุกขนาดได้ตั้งแต่ไวรัสขนาดเล็กไปจนถึงอนุภาคตะกอนแขวนลอยขนาดใหญ่

น้ำกลั่นยังใช้กันอย่างแพร่หลายทั้งทางอุตสาหกรรม การแพทย์ และวิทยาศาสตร์

เนื่องจากน้ำกลั่นได้รับการทำให้บริสุทธิ์อย่างสมบูรณ์ จึงไม่มีสารปนเปื้อนใดๆ ที่อาจส่งผลต่อความสมบูรณ์ของการทดลองทางวิทยาศาสตร์ ทิ้งสารตกค้างที่ไม่ต้องการไว้

ข้อดี

1. มีปัญหาน้อย

2. น้ำที่ได้มีอุณหภูมิสูงกว่า ยับยั้งการเจริญของเชื้อได้

3. เชื่อถือได้มากกว่า (greater reliability)

4. เป็น self-sanitizing process

ข้อเสีย

1.อัตราการผลิตที่ช้า

2.สิ้นเปลืองน้ำหล่อเย็น

3.สิ้นเปลืองค่าไฟฟ้า

Reverse Osmosis (RO), น้ำ RO

RO คือ ขบวนการกรองระดับโมเลกุล เพื่อแยกตัวถูกละลายออกจากน้ำ ด้วยการสูบน้ำ ด้วยแรงดันสูงผ่านsemipermeable membrane ที่มีรูขนาดเล็กมาก ยอมให้เฉพาะโมเลกุลของน้ำไหลผ่านตัวถูกละลายอาจเป็นประจุหรือเป็นกลาง อนุภาคที่มีประจุถูกกีดกั้นโดยแรงดึงผิวที่ผิวประจันน้ำ-เมมเบรน อิออนประจุเดี่ยวถูกกั้นได้น้อยกว่าอิออนที่มีประจุสูงกว่า สารอินทรีย์ถูกกั้นด้วยการแร่ง ดังนั้นขนาดและน้ำหนักโมเลกุลจึงสำคัญในการกรอง สารที่มีขนาดใหญ่และมีน้ำหนักโมเลกุลสูงถูกกั้นได้มากกว่า RO กำจัดแบคทีเรีย, ไวรัส, สารก่อไข้ได้ แต่พบปนเปื้อนในที่น้ำกรองได้ เนื่องจากพกพร่องที่รอยต่อต่างๆRO ไม่ได้รับความนิยมเนื่องจากน้ำไหลผ่าน membrane ช้า ต่อมา Loeb and Sourirejan ได้พัฒนาการใช้ cellulose acetate membrane

ระบบ REVERSE OSMOSIS (RO)เป็นระบบการกรองโดยใช้เยื่อกรอง Membrane ที่มีความละเอียดถึง 0.0001 ไมครอน (0.1 นาโนเมตร) ในการกรองซึ่งทำให้สารละลายสิ่งปนเปื้อน(contaminant) รวมทั้งเชื้อโรค(bacteria)ต่างๆ ที่มีอนุภาค(particle)ขนาดใหญ่กว่า รูพรุนของเยื่อกรอง Membraneไม่สามารถแทรกตัวเล็ดลอดผ่านไปได้มีเพียงโมเลกุลของน้ำบริสุทธิ์เท่านั้นที่สามารถไหลผ่านโดยสารละลายและจะถูกแยกออกจากน้ำดี และกำจัดออกจากระบบ เพื่อป้องกันการตกค้างและสะสมภายในเยื่อเมมเบรนโดยประสิทธิ์ภาพในการกำจัดสารละลายของเมมเบรน RO ดูได้จากค่า %Salt Rejection โดยทั่วไปจะมีค่าประสิทธิภาพในการกำจัดสารละลาย 95-99%

วัสดุของเมมเบรน ขึ้นกับจุดประสงค์การผลิต

1. Cellulose Acetate (CA)

เป็นวัสดุรุ่นแรก อาจมีแบคทีเรียปน โดยเฉพาะ Pseudomonas เนื่องจากมี Carbohydrate อยู่ในเมมเบรนชนิดนี้

จึงแนะนำให้ใช้น้ำที่มี residual chlorine 0.3-1.0 mg/L

2. Thin Film Composite (TFC) =นิยมมากในการผลิตน้ำเพื่อทำยา

เป็นพวก crosslinked aromatic polyamide หนา 3 μm polyamide จะเป็นชั้น

บาง ๆที่ยึดด้วยโครงสร้างของ polysulfone เมมเบรนนี้แบคทีเรียไม่ชอบ แต่ไม่ทนต่อ residual disinfectant ความเข้มข้นของ residual chlorine ไม่ควรเกิน 0.38 mg/L cellulose acetate membrane สามารถทนต่อการสลายด้วยปฏิกิริยา oxidation จาก คลอรีนในน้ำ ขณะที่เมมเบรนของ polyamide ไม่มีสมบัตินี้

จุดประสงค์การทำ RO ปัจจุบันคือ ทำน้ำกร่อยให้เป็นน้ำบริสุทธิ์ การทำ WFI

นิยมใช้ double pass RO สามารถได้น้ำที่มีค่า Conductivity 1.3 μs/cm at 25% C

Membraneในระบบได้ถูกออกแบบให้เหมาะกับสารในน้ำที่จะกรอง สารที่ลดอายุ

การใช้งานของเมมเบรนคือ เหล็ก, แมงกานีส, ซิลิกา, คลอรีน

การยืดอายุของเมมเบรน

- ลด pH feedwater เพื่อลด organic material

- ทำ pretreatment ที่เหมาะสม เช่นดูดด้วยถ่านกัมมันต์

Polishing

การฆ่าเชื้อในระบบน้ำ

การใช้ Ultraviolet units Ultraviolet radiation เป็นพลังงานที่มีความยาวคลื่น

มากกว่า X-ray แต่สั้นกว่าแสงปกติ มักใช้ mercury vapor lamps ซึ่งแสง (รังสี)

จะส่องผ่านน้ำที่มีแบคทีเรีย โปรตีน nucleic acidในแบคทีเรียจะดูดซึมรังสีเข้าไปทำลาย DNA เชื้อที่ต่างกันต้องใช้ปริมาณรังสีและเวลาฉายรังสีต่างกัน

การใช้ multiple uv lamp unit ใน pharmaceutical water purification ต้องมั่นใจว่าปริมาณ UV สามารถทำลายจุลินทรีย์ได้หมดจริง USFD ระบุว่า Inline UV unit อาจทำลายจุลินทรีย์ได้ไม่เกิน 90 % การใช้ UV units ในระบบน้ำใช้เพื่อ Control และ/หรือ reduce microbial ใน Pretreatment ไม่ควรถึงกับ sterilization ควรใช้ในระบบ Pretreatment ช่วงที่ผ่าน activated carbon และ water softening มาแล้ว หรือก่อน deionization ซึ่งมีแบคทีเรียสูง แล้วจึงผ่านเข้าระบบ Ultrafilltration

หรือ reverse osmosis หรือกรองด้วย membrane ขนาด 0.05-0.1 μ ซึ่งกรอง destroyed form ของจุลินทรียได้อีกขั้น

การฆ่าเชื้อด้วยสารเคมี (Chemical Sterilization)

เนื่องจากเรซินกระบวนการ ion exchange เป็นอาหารของเชื้อจึงต้องฆ่าเชื้ออยู่เสมอ ความถี่ของการฆ่าเชื้อในเรซินขึ้นกับคุณภาพทางชีวภาพของน้ำและความสะอาดของโรงงาน การฆ่าเชื้อในเรซินมีกรรมวิธีดังนี้

1. ต้องทำให้เรซินอิ่มตัวก่อนด้วยสารละลาย sodium chloride เข้มข้น10% อย่างน้อย 2 bed volumes (BV;1 BV=สารละลายเกลือแกง 1 ลิตร ต่อ เรซิน 1 ลิตร)

ทำให้เรซินสำหรับอิออนบวกเปลี่ยนเป็น sodium และเรซินสำหรับอิออนลบเปลี่ยนเป็น chloride

2. ใช้ sodium hypochlorite หรือ formaldehyde ทำให้เรซินปราศจากเชื้อ sodium hypochlorite เป็นยาฆ่าเชื้อที่มีฤทธิ์รุนแรงมากและใช้ง่ายทั้งยังสามารถตรวจสอบและล้างออกจากเรซินได้ง่าย แต่ formaldehyde นิยมใช้มากกว่าเนื่องจากรุนแรงน้อยกว่า แต่การใช้ลำบากกว่าต้องล้างเป็นเวลานานกว่าจะกำจัดหมด

3. กรณีใช้ sodium hypochlorite ควรเตรียมให้ได้ available chloride

ความเข้มข้น 1% ปริมาตร 3 BV

3.1) ผ่านยาฆ่าเชื้อ 1BV ในอัตราเร็ว 5 BV/hr เข้าไปในคอลัมน์ และปล่อยทิ้ง

3.2) ผ่านยาฆ่าเชื้ออีก 1BV อัตราเร็วเดิม และแช่ในคอลัมน์นาน 4 ชั่วโมง แล้วปล่อยทิ้ง

3.3) ผ่านน้ำฆ่าเชื้อ BV สุดท้ายเข้าไปในอัตราเร็วเดิมแล้วปล่อยทิ้ง

3.4) ล้างเรซินด้วยน้ำประปา และปล่อยทิ้งไปจนไม่พบ sodium hypochlorite

3.5) ปรับสภาพเรซินสองครั้งก่อนนำไปใช้งาน

4. กรณีใช้ formaldehyde ให้เตรียมน้ำยา formaldehyde เข้มข้น 1% ปริมาตร

3 BV วิธีการต่าง ๆเหมือนข้อ 3 ยกเว้นข้อ 3.2 ให้ค้างน้ำยาไว้นาน 8 ชั่วโมง

หรือค้างคืน

การฆ่าเชื้อด้วยโอโซน

โอโซนเป็นสาร oxidant อย่างแรง สามารถกำจัดเชื้ออย่างมีประสิทธิภาพ โดยเกิดปฏิกิริยา oxidation ผนังเซลล์อย่างรวดเร็ว การกำจัดเชื้อขึ้นกับความเข้มข้นของโอโซน น้ำดื่มกำหนด โอโซนไม่น้อยกว่า 0.1 mg/L ระยะเวลาการสัมผัสอย่างน้อย 1นาที กำจัดโอโซนที่ตกค้างในน้ำโดย การผ่านรังสี UV นอกจากนี้โอโซนสามารถปรับคุณภาพน้ำเน่าเสีย กำจัดกลิ่น ได้อีกด้วย

หัวข้อการตรวจสอบคุณภาพน้ำที่สำคัญ

1) Conductivity

วัดจากน้ำบริสุทธิ์ที่ออกมาจาก Water purification equipment เป็นค่าที่บอกถึงปริมาณ total dissolved solid ในน้ำบริสุทธิ์นั้น (total dissolved solid สูง ค่าConductivity จะสูง) มี Conductivity meter ติดไว้ที่เครื่องทำน้ำบริสุทธิ์เพื่อใช้ตรวจควบคุม (USP 23 กำหนดค่าที่วัดเป็น 1.3 μs/cm ที่ 25 c)

2) Total Organic Carbon

วิเคราะห์โดยใช้สารมาตรฐาน USP 1,4 -Benzoquinone และUSP sucrose วัดได้โดย TOC analyzer เครื่องมือที่ใช้วัดได้ต้องผ่านการทดสอบว่ามี response efficiency ไม่ต่ำกว่า 85% และ ไม่เกิน 115% ของ theoretical response ผู้ผลิตต้องกำหนดเครื่องมือว่าละเอียดถึง 0.05 mg Carbon/L หรือต่ำกว่าUSP 23 กำหนดค่า TOC ต้องไม่เกิน 500 ppb

3) อุณหภูมิของน้ำในถังเก็บและที่ท่อส่งน้ำ

มีการติดตั้ง Temperature sensor ไว้ที่ท่อและถังน้ำ ควบคุมอุณหภูมิน้ำไม่ให้ต่ำกว่า 80 c เพื่อป้องกันการเจริญของจุลินทรีย์ เมื่อต้องการใช้ผลิตต้องปรับอุณหภูมิให้ลดลง

4) อัตราการไหลของน้ำ

มีการติดตั้ง flow meter ควบคุมอัตราการไหลของน้ำให้สม่ำเสมอคือ 1-3 ml/sec

Fume hood Cupboard

ตู้ดูดไอสารเคมี

ตู้ดูไอสารเคมีเป็นระบบระบายอากาศเฉพาะจุด ซึ่งทำหน้าที่ระบายกลิ่นสารเคมี ไอระเหย ก๊าซ หรือควันพิษ ต่าง ๆ ออกจากห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ โดยตู้ดูดไอสารเคมีที่ใช้ในห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ มีอยู่หลายชนิด เเต่ที่นิยมใช้ส่วนใหญ่เป็น เเบบปิด คือ พื้นที่โดยรอบจะมีผนังกั้นทั้งด้านบน ด้านข้าง เเละด้านล่างเพื่อลดการรบกวนพื้ที่ปฏิบัติการจากความเร็วลมรอบข้าง

ตู้ดูดไอสารเคมีจะถูกต่อเข้ากับท่อระบายอากาศเเละพัดลมดูดอากาศ เมื่อเปิดพัดลมดูดอากาศ อากาศจะถูกดุดออกไปตามท่อระบายอากาศ ออกสู่บรรยากาศ โดยตำเเหน่งปลายท่อควรอยู่ตำเเหน่งสูงสุดของอาคาร ตู้ดูดไอสารเคมีโดยทั่วไปจะถูกออกเเบบให้มีความเร็วลมหน้าตู้ประมาณ 80-120 ฟุด/นาที ที่ความสุงของบานประตูประมาณ 1 ฟุต