การออกแบบการดูดซับด้วยถ่านกัมมันต์

หลักเกณฑ์การออกแบบการดูดซับด้วยถ่านกัมมันต์เบื้องต้น

หลักการออกแบบ

             กระบวนการดูดซับสารปนเปื้อนเกิดขึ้นเมื่อสารปนเปื้อนมีการเคลื่อนที่โดยการแพร่กระจายไปเกาะบนผิวรอบนอกของตัวกลางก่อน ตัวกลางที่ดีจะมีลักษณะเป็นรูพรุน ภายในรูจะมีช่องเป็นโพรงลดเลี้ยวไปมา ซึ่งโมเลกุลของสารปนเปื้อนสามารถเคลื่อนที่ลึกลงไปในช่องโพรง ซึ่งจะมีพื้นที่ผิวสัมผัสได้มากขึ้นทำให้ดูดซับได้มากขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 29

 

รูปที่ 29 แสดงกลไกการดูดซับ

       เมื่อนำตัวกลางมาบรรจุในถังที่ใช้ดูดซับและผ่านอากาศที่มีสารปนเปื้อนเข้าไปในตัวกลาง ตัวกลางในส่วนแรกที่ได้เข้าสัมผัสกับสารปนเปื้อนในช่วงระยะเวลาหนึ่งก็จะดูดซับสารปนเปื้อนจนถึงจุดอิ่มตัว เรียกส่วนนี้ว่า Saturated Zone และส่วนของตัวกลางในบริเวณถัดไปซึ่งเป็นบริเวณที่ตัวกลางยังมีความสามารถในการดูดซับสารปนเปื้อนอยู่เรียกว่า Max Transfer Zone หรือ MTZ และส่วนของตัวกลางที่อยู่ถัดจากบริเวณ MTZ เป็นส่วนที่ยังคงสะอาด ยังไม่ได้มีการสัมผัสกับสารปนเปื้อนแต่อย่างใด เรียกว่า Fresh Zone ดังแสดงใน รูปที่ 30

 

รูปที่ 30 ความเข้มข้นภายในของสารดูดซับที่บรรจุในท่อ

 

  รูปที่ 31 แสดงการเปลี่ยนแปลงของชั้นการดูดซับ

                   เมื่อเวลาผ่านไปสารปนเปื้อนที่ผ่านเข้าไปในถังบรรจุตัวกลางจะถูกดูดซับได้มากขึ้นเรื่อยๆ ส่วนตัวกลางที่ถึงจุดอิ่มตัวเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ และส่วนของ MTZ ก็จะเคลื่อนที่เรื่อยๆจนถึงสุดปลายของตัวกลาง จนเริ่มไม่มีส่วนของตัวกลางที่เป็น Fresh Zone แต่อย่างใด ซึ่งเป็นจุดที่เรียกว่า Break Point (ดังแสดงในรูปที่ 31) ซึ่งหลังจากจุดนี้ไปสารปนเปื้อนก็จะไม่สามารถถูกดูดซับได้ดี จะมีการรั่วออกมาจากระบบได้ ควรจะมีการหยุดการทำงานของระบบ เพื่อนำตัวกลางไปฟื้นสภาพ (Regenerate) หรือมีการเปลี่ยนตัวกลางใหม่

 

2. ข้อมูลที่สำคัญที่จำเป็นต้องใช้ในการออกแบบ

          ข้อมูลที่สำคัญที่ใช้ ในการออกแบบการดูดซับด้วยถ่านกัมมันต์ คือ ข้อมูลคุณสมบัติในการ ดูดซับสารชนิดต่างๆของถ่านกัมมันต์ ซึ่งเป็นข้อมูลที่ได้จากการทดลอง โดยแสดงออกมาในรูปของกราฟเรียกว่า Absorbtion Isoterm ซึ่งเป็นกราฟที่แสดงคุณสมบัติในการดูดซับสารแต่ละชนิดที่อุณหภูมิใดอุณหภูมิหนึ่งที่ได้มีการทดลอง ซึ่งทำให้ทราบค่าปริมาณของสาร ที่ถูกดูดซับ ในหน่วย wt% ของน้ำหนักถ่าน ดังแสดงตัวอย่างในกราฟ รูปที่ 32 และ 33

รูปที่ 32 แสดง Adsorption Isotherm สำหรับ Carbon Tetrachloride ที่ดูดซับบนถ่านกัมมันต์

 

รูปที่ 33 ความสัมพันธ์ของปริมาณของสารที่ถูกดูดซับ ในหน่วย wt% ของน้ำหนักถ่าน

          การดูดซับจะขึ้นกับสมดุลเมื่อส่วนที่เป็นพื้นผิวถูกยึดโดยโมเลกุลของสาร สมการของ Freundlich Isotherm เสนอว่า ปริมาณการดูดซับต่อสารดูดซับเช่น น้ำหนักโทลูอีน (กก.) ที่ดูดซับต่อน้ำหนักคาร์บอน 1 กก. ขึ้นอยู่กับ kp^n เมื่อ k และ n เป็นค่าคงที่ และ p เป็น partial vapor pressure ของโทลูอีนในอากาศ กล่าวคือความเข้มข้นในอากาศสูงขึ้น การดูดซับจะยิ่งเป็นไปได้มากขึ้น แต่สำหรับสารบางชนิดโดยเฉพาะที่เป็นสารที่เป็น Aromatic เช่น ไซลีน โทลูอีน ค่า n มีค่าใกล้ 0 ทำให้แม้ความเข้มข้นในอากาศสูงมาก การดูดซับก็ไม่ค่อยเพิ่ม จะคงอยู่ในช่าง 10-20 % ของน้ำหนักคาร์บอนเป็นส่วนมาก อุณหภูมิจะมีผลต่อการดูดซับหากอุณหภูมิสูงจะทำให้การดูดซับลดลง ระบบนี้จึงใช้ได้ในกรณีที่อากาศที่ต้องการบำบัดมีอุณหภูมิไม่สูง เช่น อุณหภูมิห้อง

          เมื่อมีกระบวนการดูดซับเกิดขึ้นจะทำให้อุณหภูมิของถ่านสูงขึ้นเพราะการดูดซับเป็นกระบวนการคายความร้อน จึงต้องคำนึงด้วยว่าหากอุณหภูมิสูงขึ้นมาเกินไปการดูดซับก็อาจลดประสิทธิภาพได้ จึงควรระวังในกรณีที่อากาศเข้ามีสารระเหยที่ความเข้มข้นสูง (เช่น ไอระเหยจากถังน้ำมัน) แต่ไม่มีปัญหาหากความเข้มข้นต่ำ

          ในการเลือกถ่านคาร์บอนนั้นควรพิจารณาเรื่องพื้นที่ผิว (ตารางเมตร/กรัม) หากมีพื้นที่ผิวมากก็ยิ่งมีพื้นที่ดูดซับได้มาก และควรสอบถามผู้ขายหรือผู้ผลิต ค่า Adsorption Isotherm ซึงเป็นคุณสมบัติในการดูดซับสารเคมีของถ่านกัมมันต์ ดังต่อไปนี้

  • พื้นที่ผิว (Surface Area) ปกติจะมีค่า 800-1200 ตารางเมตร/กรัม
  • ความหนาแน่น ปกติมีค่า 0.4-0.5 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร
  • เนื้อที่ในการดูดซับสูงสุด ปกติมีค่า 0.3-0.7 ลบ.ซม./กรัม
  • ค่าคงที่ของการดูดซับของคาร์บอน ปกติมีค่า 1x10-8 – 15 x 10-8 (mol/cal)2

แนวคิดในการออกแบบ

          เมื่อได้ข้อมูลผู้ผลิตหรือผู้ขายถ่านกัมมันต์แล้วในเรื่องความสามารถในการดูดซับสารปนเปื้อนในอากาศ และทราบปริมาณของสารปนเปื้อนที่ต้องการดูดซับ สามารถนำมาคำนวณหาปริมาณของถ่านกัมมันต์ที่ต้องใช้ในการดูดซับ
           ตัวอย่าง ในกรณีที่ต้องการใช้ถ่านกัมมันต์ดูดซับโทลูอีนและมีข้อมูลจากผู้ผลิตถ่านกัมมันต์มีคุณสมบัติดูดซับโทลูอีนได้ 0.23 กิโลกรัม / ถ่านหนึ่งกิโลกรัม ที่อุณหภูมิห้องถ้ามีถ่านในระบบบำบัด 500 กิโลกรัม
ความสามารถในการดูดซับโทลูอีนของถ่าน 500 กิโลกรัม = 500 กิโลกรัม x0.23 กิโลกรัม โทลูอีน
                                                                                 = 115 กิโลกรัม โทลูอีน
ถ้าในสารปนเปื้อนมีโทลูอีนเข้ามาในระบบ 20 กิโลกรัมต่อวัน
อายุการใช้งานของถ่าน = 115 กิโลกรัม/ ( 20 กิโลกรัม/ วัน) = 5.75 วัน

        จากการคำนวณพบว่า ถ่านกัมมันต์ สามารถใช้งานได้ 5.75 วัน แต่ในทางปฏิบัติจะพบว่า ในช่วงท้ายของวันที่ 5 และเริ่มต้นของวันที่ 6 จะมีโทลูอีนรั่วไหลออกมาจากระบบดูดซับบ้าง เพราะถ่านในชั้นแรกๆที่ทำหน้าที่ดูดซับสารโทลูอีนจะถึงจุดที่ดูดซับได้เต็มที่แล้ว เมื่อเวลาผ่านไปและความหนาของชั้นที่มีการดูดซับอิ่มตัวมีค่าเพิ่มขึ้นเรื่อยๆจนถึงชั้นบนจึงทำให้มีโทลูอีนบางส่วนไม่ถูกดูดซับและรั่วออกมาจากระบบซึ่งเรียกว่าถึงจุด Break Point ซึ่งต้องหยุดการทำงานของระบบแล้วนำถ่านไปฟื้นสภาพ (Regenerate) หรือเปลี่ยนถ่านใหม่

          หากมีแนวคิดว่า ถ้าเพิ่มความหนาของถ่านกัมมันต์ให้มากขึ้นก็จะทำให้ถึงจุด Break Point ช้าลง แต่ในทางปฏิบัติแล้วถ้าเพิ่มความหนามากเกินไปจะเพิ่มค่าความดันลด (Pressure Drop) จนไม่เหมาะสมต่อการทำงานของระบบได้

          ถ่านคาร์บอนขนาด 4 x10 mesh จะมีความดันลดราว 6 นิ้วน้ำต่อความลึกของถ่าน 1 ฟุต ที่ความเร็วก๊าซ 0.4 เมตร/วินาที ซึ่งนับว่ามีแรงต้านทานการไหลของอากาศมากและเปลืองพลังงานที่ต้องใช้ในการดันให้อากาศผ่านเข้าระบบ และอาจมีผลเสียต่อการที่คาร์บอนแยกแตกเป็นช่องเพราะทนแรงดันไม่ไหว ทำให้อากาศหลุดรอดออกมาตามช่องอีกด้วย

          เพื่อมิให้ความดันลดของอากาศมีค่ามากเกินไป จึงมักออกแบบให้ความเร็วอากาศที่ผ่านถ่านไม่เกิน 0.5 เมตร/วินาที และไม่ต่ำกว่า 0.1 เมตร/วินาที รูปถังมักทำในแนวดิ่งดังรูปข้างบน และปกติชั้นถ่านก็จะไม่ลึกมากนัก เช่น 4- 6 นิ้ว หากความหนาของชั้นถ่านน้อยกว่า 3 นิ้ว จะทำให้ถึงจุด Break Point เร็วเกินไป

          ในการหาความหนาของตัวกลางที่เหมาะสมย่อมขึ้นกับความเร็วของอากาศ และความดันลดของระบบที่เหมาะสมและให้เกิดการทำงานได้มีกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันลดที่เกิดขึ้นต่อหน่วยความหนาของตัวกลาง และความเร็วของอากาศที่เข้าระบบแสดงในรูปที่ 34           ในการออกแบบความเร็วของอากาศที่เข้าระบบควรมีค่าไม่เกิน 0.5 เมตร/ วินาที หรือ 100 ฟุต/ นาที และไม่ต่ำกว่า 0.1 เมตร/ วินาที หรือ 20 ฟุต/ นาที ความดันลดทั้งหมดไม่ควรเกิน 18-20 นิ้วน้ำ

รูปที่ 34 ความดันลดกับความเร็วก๊าซในระบบดูดซับ

ตัวอย่างการคำนวณในการออกแบบ

          ต้องการออกแบบระบบสำหรับดูดซับอากาศที่มีโทลูอีนปนเปื้อน โดยกำหนดให้มีอัตราการไหลของอากาศ 100 ลบ.เมตร/นาที
ความเข้มข้นโทลูอีน 100 มก./ลบ.ม.(0.1 ก./ลบ.ม) ต้องการให้ความดันลดในระบบไม่เกิน 6 นิ้วน้ำ ถ่านคาร์บอนที่ใช้เป็นขนาด 4x10 mesh ดูดซับโทลูอีนได้ 0.20 กก./ถ่าน1 กก. และต้องการเปลี่ยนถ่านไม่มากกว่า 7 วัน/ครั้ง มีการเดินระบบตลอดเวลา 24 ชม.
          คำนวณว่าใน 1 วัน มีโทลูอีนผ่านระบบ = 100x60x24x0.1 = 14,400 กรัม = 14.4 กก.
          โทลูอีน 14.4 กก.ที่ต้องการถ่าน 14.4/0.2 = 72 กก. ในการดูดซับ
          เพราะฉะนั้น ต้องมีคาร์บอนในระบบสำหรับ 10 วัน = 720 กก.
          (ต้องการเปลี่ยนถ่านทุกๆ 7 วันหรือมากกว่านั้น คิดว่าให้เป็น 10 วัน)
          (ความดันลดไม่เกิน 6 นิ้วน้ำ ผู้ผลิตจะให้ข้อมูลมาว่าถ่านชนิดนี้จะมีความดันลดกี่นิ้วน้ำต่อความลึกของถ่าน(ฟุต)ที่ความเร็วอากาศไหลผ่านที่กำหนด)

         เนื่องจากความเร็วของอากาศที่ผ่านถ่านมักกำหนดให้มีค่าไม่เกิน 0.5 เมตร/วินาที เราอาจกำหนดให้เป็น 0.5 เมตร/วินาที สำหรับตัวอย่างนี้ ในกรณีนี้สมมุติว่าผู้ผลิตแจ้งค่าว่าความดันลดต่อความหนาของถ่าน 1 ฟุต = 7 นิ้วน้ำ ซึ่งสูงเกินค่าที่ต้องการที่กำหนดไว้ไม่เกิน 6 นิ้วน้ำ ดังนั้นเราต้องลดความหนาของถ่านลง หากลดลงเหลือ 10 นิ้ว ความดันลด = 7x10/12=5.8 นิ้วน้ำ (ยอมรับได้) ความหนา 10นิ้ว = 25ซม. ถ่าน 720 กก.ที่ความหนาแน่น 0.5กรัม/ลบ.ซม. มีปริมาณ 720/0.5=1440 ลิตร (1.44 คิวบิกเมตร)

          เพราะฉะนั้น พื้นที่หน้าตัดของ Carbon Bed = (1.4 4 /25) x 100 = 5.6 ตารางเมตร โดยต้องสร้างให้มีพื้นที่ 5.6 ตารางเมตร หากเห็นว่ามีขนาดใหญ่ไม่เหมาะสมกับพื้นที่ก็แบ่งเป็นหลายๆถังแล้วต่อท่ออากาศเข้าแบบขนานก็ได้

 

| หน้าแรก |การบำบัดกลิ่น | เลือกวิธีการบำบัด | ระบบสาธิต | อภิธานศัพท์ | ค้นหา | Site Map | ผู้จัดทำ |
กรมควบคุมมลพิษ กระทรวงทรัพยากรธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม