การตกตะกอนด้วยไฟฟ้า ( Electrocoagulation)
06/06/2022

การตกตะกอนด้วยไฟฟ้า ( Electrocoagulation)
06/06/2022

การตกตะกอนด้วยไฟฟ้า ( Electrocoagulation)
เป็นกระบวนการที่ใช้บำบัดน้ำเสียได้หลากหลายลักษณะ เช้น น้ำเสียที่ปนเปื้อนสารอินทรีย์ สารอนินทรีย์ หรือแม้แต่จุลินทรีย์ การตกตะกอนด้วยไฟฟ้าอาศัยปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเพื่อกำจัดสารแขวนลอย หรือสารละลาย ที่ปนเปื้อนในน้ำ

หลักการของการตกตะกอนด้วยไฟฟ้า
คือการให้กระแสไฟฟ้าตกคร่อมบนขั้วไฟฟ้า หรือขั้วไฟฟ้าชนิดแอโนดละลายออกมาเป็นไอออน ซึ่งมีประสิทธิภาพในการทำลายเสถียรภาพของอนุภาค หรือไอออนที่อยู่ในน้ำ กล่าวคือทำให้สารปนเปื้อนต่างๆ มีการหักล้างประจุจนมีสมบัติเป้นกลางทางไฟฟ้า เกิดการรวมตัวกันเป้นตะกอนใหญ่ขึ้น และแยกออกจากน้ำด้วยวิธีการปล่อยให้ตกตะกอน หรือการลอยตะกอน

เซลล์ที่ใช้ตกตะกอนด้วยไฟฟ้าเป้นเซลล์ไฟฟ้าเคมีแบบง่ายที่ประกอยด้วยขั้วแอโนด และขั้วแคโทค ขั้วทั้งสองอาจเป้นโลหะชนิดเดียวกันหรือต่างชนิดกันก็ได้ โดยส่วนมากจะใช้อะลูมิเนียม หรือเหล็ก เมื่อจ่ายไฟฟ้าจากแหล่งภายนอกจะเกิดปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมี และเกิดไอออนของอลูมิเนียม หรือไอออนของเหล็กขึ้นที่ขั้วแอโนด ไอออนเหล่านี้จะทำลายสถียรภาพของอนุภาคต่างๆที่ปนเปื้อนอยู่ในน้ำ กระบวนการนี้สอดคล้องกับการบำบัดน้ำเสียด้วยวิธีการตกตะกอนทางเคมีแบบดั้งเดิมซึ่งใช้สารเร่งตะกอน (Coagulant) ส่วนใหญ่เป้นเกลือของอะลูมิเนียมหรือเหล็ก

กระบวนการตกตะกอนด้วยไฟฟ้ามีขั้นตอนหลักดังต่อไปนี้

• ปฏิกิริยารีดอกซ์ โดยเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันที่ขั้วแอโนด ทำให้ไอออนของโลหะชนิดนั้นๆ หลุดออกมาและเกิดปฏิกิริยารีดักชันที่ขั้นแคโทด ทำให้เกิดแก๊สไฮโดรเจนขึ้น
• กระบวนการทำงานเสถียรภาพของอนุภาคหรือสารละลายอยู่ในน้ำ โดยการรวมตัวกันของอนุภาคที่ปนเปื้อนในน้ำที่มีประจุตรงข้ามกับไอออนที่หลุดออกมาจากขั้วแอโนด ทำให้ประจุอนุภาคดังกล่าวมีสภาพขั้วเป็นกลางจึงเกาะรวมตัวกันง่ายขึ้น กลายเป้นตะกอนและแยกออกมาได้ง่าย
• อนุภาคที่รวมตัวกันใหญ่ขึ้นจะถูกกำจัดออกโดยการตกตะกอน หรือการลอยตะกอนในระหว่างกระบวนการบำบัดน้ำเสียด้วยการให้ไฟฟ้านั้น จะเกิดแก๊สไฮโดนเจนขึ้นที่ขั้วแคโทด ซึ่งแก๊สไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นจะพาตะกอนลอยขึ้นสู่ผิวน้ำทำให้กำจัดได้ง่าย

ข้อดีของการตกตะกอนด้วยไฟฟ้า

• มีประสิทธิภาพในการแยกสารปนเปื้อนสูงกว่าการตกตะกอนด้วยสารเคมี
• ไม่จำเป็นต้องควบคุมค่าความเป็นกรด-ด่างของน้ำเสีย ยกเว้น น้ำเสียรุนแรง
• ใช้สารเคมีน้อยมาก
• เกิดตะกอนน้อยกว่าการตกตะกอนด้วยวิธีเคมี
• ต้นทุนการดำเนินการต่ำกว่าวิธีดั้งเดิมแบบอื่น

ข้อด้อยของการตกตะกอนด้วยไฟฟ้า

• ขั้วแอโนดจะค่อยๆถูกกัดกร่อน และสูญเสียเนื้อไปอย่างต่อเนื่อง และอาจเกิดคราบ หรือฟิล์มบางเคลือบผิวขั้วไฟฟ้า ทำให้ประสิทธิภาพลดลง
• หากไอออนของอะลูมิเนียม (หรือเหล็ก) ที่ใช้เป็นขั้วไฟฟ้ามีคว่ามเข้มข้นสูงมาก อาจต้องกำจัดก่อนปล่อยทิ้ง

การประยุกต์ใช้การตกตะกอนด้วยไฟฟ้าในการบำบัดน้ำเสีย

1. การบำบัดน้ำเสียปนเปื้อนน้ำมัน หรือไขมัน
   เนื่องจากกระบวนการตกตะหอนด้วยไฟฟ้าสามารถบำบัดน้ำเสียปนเปื้อนสารอนทรีย์ได้ จึงมีนักวิจัยที่ศึกษาและทดสอบบำบัดน้ำเสียที่ปนเปื้อนน้ำมันและได้ผลที่น่าพึ่งพอใจ เช่น Kaliniichuk และคณะ ได้ศึกษาการบำบัดน้ำเสียที่ปนเปื้อนน้ำมันด้วยกระบวนการตกตะกอนด้วยไฟฟ้าโดยใช้อลูมิเนียมเป้นขั้วไฟฟ้า ซึ่งจะเกิดอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ที่ขั้วแอโนด และเกิดแก๊สไฮโดนเจนที่ขั้วแคโทด แก๊สไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นจะช่วยลอยตะกอนขึ้น และแยกออกไป หรือการใช้เหล็กเป้นขั้วไฟฟ้าก็สามารถทำลายเสถียรภาพของน้ำปนเปื้อนน้ำมันที่มีสภาพเป็นอิมัลชัน และทำให้ตกตะกอนไปพร้อมกับสารประกอบไฮดรอกไซด์ของเหล็ก โดยลกปริมาณของน้ำมันที่ปนเปื้อนลงได้อย่างมาก นอกจากนั้น Ogutveren และ Koparal ได้ศึกษาถึงการกำจัดน้ำมันที่ปนเปื้อนในน้ำด้วยวิธีเดียวกัน แต่เปรียบเทียบการใช้ขั้วไฟฟ้าที่เป็นอะลูมิเนียมเทียบกับเหล็ก และพบว่าการใช้อะลูมิเนียมเป้นขั้วไฟฟ้ามีประสิทธิภาพดีกว่า เพราะว่าระหว่างกระบวนการเกิดไฮดรัสอะลูมิเนียมออกไซด์ซึ่งมีประสิทธิภาพในการดูดซับน้ำมันสูงกว่าไฮดรัสออกไซด์ของเหล็ก
2. การบำบัดน้ำเสียปนเปื้อนสีย้อมผ้า
   มีการศึกษาการศึกษาการบำบัดน้ำเสียที่ปนเปื้อนสีย้อมผ้าอย่างแพร่หลาย เนื่องจากมี่รายงานผลการทดลองว่าการตกตะกอนด้วยไฟฟ้าสามารถกำจัดสีย้อมในน้อได้ดี โดยกำจัดสีย้อมได้ถึง 100 % อีกทั้งยังใช้เวลาบำบัดสั้นมาก (ประมาณ 3-5 นาที) โดยใช้พลังงานไฟฟ้า 2.24 กิโลวัตต์ต่อลูกบาศก์เมตร นอกจากนั้นยังพบว่าการกำจัดอนุภาคสีย้อมที่เกาะรวมกันได้ง่ายจากการลอยตะกอนด้วยฟองปแก๊สไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นระหว่างการตกตะกอนด้วยไฟฟ้า อีกทั้งไอออนของขั้วโลหะที่หลุดมายังทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนออกไซด์ไอออนที่ขั้วแคโทดเกิดเป็นสารประกอบไฮดรอกไซด์ที่ไม่ละลายน้ำ และมีสมบัติในการดูดซํบสิ่งปนเปื้อนในน้ำได้ดีอีกด้วย Gurses และคณะ ศึกษาถึงการกำจัดสีย้อมที่ปนเปื้อนในน้ำโดยการตกตะกอนไฟฟ้าพบว่ากลไกการกำจัดสีย้อมเกิดได้ 2 แบบ คือการตกตะกอน และดูดซับบนผิวของสารประกอบไฮดรอกไซด์ของโลหะที่เกิดขึ้น ซึ่งขึ้นกับค่า pH ของตัวกลาง
3. การบำบัดน้ำเสียปนเปื้อนโลหะหนัก
   การกำจัดโลหะหนักที่ปนเปื้อนมนน้ำเป็นจุดเด่นข้อหนึ่งของการตกตะกอนด้วยไฟฟ้า เนื่องจอกการบำบัดทางชีวภาพไม่สามารถกำจัดได้ งานวิจัยของ Balasubramanian และ Madhavan ระบุอัตราการกำจัดโลหะหนักขึ้นกับสภาวะที่ใช้ในกระบวนการตกตะกอนด้วยไฟฟ้า รวมถึงความเข้มข้นเริ่มต้นของโลหะหนักที่ปนเปื้อนกระแสที่จ่ายค่า pH และเวลาที่ใช้ในการบำบัด และยังพบว่าในการบำบัดน้ำเสียปนเปื้อนสารหนู สามารถกำจัดปริมาณสารหนูได้ถึง 99% เมื่อใช้เหล็กเป็นขั้วไฟฟ้า เนื่องจากเหล็กไฮดรอกไซด์ที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการตกตะกอนด้วยไฟฟ้ามีสมบัติดูดซับสารหนูได้ดี นอกจากนั้น งานวิจัยของ Park และคณะ ที่กำจัดแคดเมียมปนเปื้อนในดิน โดยเริ่มจากการล้างดินในน้ำ และกำจัดแคดเมียมที่ชะออกมาในน้ำด้วยการลอยตะกอนด้วยไฟฟ้าที่มีอะลูมิเนียมเป็นขั้วไฟฟ้า พบว่าวิธีการดังกล่าวเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพอย่างมากเมื่อเปรียบเทียบกับวิธี Dissolved air flotation

ที่มา : ดร.ศุภมาส ด่านวิทยากุล. ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ