technology เครื่อง ผลิตโอโซน น้ำเสีย ...ให ค...

April-May 2009, Vol.36 No.204 ● 077www.tpa.or.th/publisher/pro_tech.php

Technology

Electrical & Electronics

การใช้ปริมาณโอโซนที่เหมาะสมมีส่วนช่วย

ให้คุณภาพชีวิตของมนุษย์ดียิ่งขึ้นโดย

ป้องกันอันตรายจากมลพิษและเชื้อโรคที่อยู่

รอบข้างให้น้อยลง

1. คำนำ

เนื่องจากการขยายตัวของโรงงาน

อุตสาหกรรมและการเพิ่มขึ้นของประชา-

กรในประเทศไทย ส่งผลกระทบโดยตรง

ต่อสิ่งแวดล้อม โดยปัญหาที่เห็นได้ชัด

อย่างหนึ่งคือ ปัญหาน้ำเสียจากสถานที่

ต่าง ๆ ซึ่งมีสิ่งเจือปนอยู่เช่น สารปรอท

สารตะกั่ว เป็นต้น เพื่อเป็นการลดปัญหา

กับสิ่งแวดล้อมจึงต้องมีการบำบัดน้ำเสีย

เหล่านั้นให้ได้มาตรฐานก่อนปล่อยลงสู่

แหล่งน้ำสาธารณะ ด้วยเหตุนี้คณะผู้จัด

ทำจึงคิดที่จะสร้างเครื่องกำเนิดโอโซน

จากคอล์ยจุดระเบิดรถเบนซินเพื่อทำการ

สร้างแรงดันสูงและใช้หลักการเกิดโคโร-

น่าดิสชาร์จ โดยจ่ายแรงดันให้กับเข็ม

อิเล็คโทรดเพื่อสร้างความเครียดสนาม

ไฟฟ้าทำให้เกิดโคโรน่าดิสชาร์จที่ปลายเข็ม

โดยให้อากาศไหลผ่านช่องไดอิเล็คตริก

สนามไฟฟ้าจะทำให้โมเลกุลของออกซิ-

Ozone Generator Waste Water Heal

ผศ.ธนวัฒน์ ฉลาดสกุล

คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลพระนคร

เครื่องผลิตโอโซน เพื่อการบำบัด น้ำเสีย

บทคัดย่อ

เครื่องผลิตโอโซนเพื่อการบำบัดน้ำเสียเป็นการประยุกต์ใช้ปรากฏการณ์

การเกิดโคโรนาดิสชาร์จเพื่อผลิตก๊าซโอโซน (O3) เพื่อที่จะนำก๊าซโอโซนที่ได้ไป

ทำการบำบัดน้ำเสีย โดยจะเริ่มจากการสร้างแรงดันสูงประมาณ 20 kV จากคอล์ย

จุดระเบิดรถยนต์และจ่ายแรงดันสูงให้กับชุดเข็มไดอิเล็คตริกเพื่อสร้างสนามไฟฟ้า

เพื่อทำให้อากาศบริเวณโดยรอบเกิดการแตกตัวจาก O2 เป็น O และเกิดการรวม

กันใหม่เป็นโอโซน (O3) เพื่อที่จะนำก๊าซที่ได้ไปบำบัดน้ำเสีย

คำสำคัญ: โอโซน, ไดอิเล็คตริก

078 ● April-May 2009, Vol.36 No.204 www.tpa.or.th/publisher/pro_tech.php

Technology


เจน (O2) ในอากาศเกิดการแตกตัวและโมเลกุลของก๊าซจะรวม

ตัวกันใหม่เป็นโอโซน (O3) เพื่อนำโอโซนที่ได้นี้ไปใช้ในการ

บำบัดน้ำเสีย

2. ทฤษฎี

มลภาวะเป็นพิษของประเทศไทยในปัจจุบัน ไม่ว่าจะ

เป็นมลพิษทางน้ำ อากาศ อาหารและในดิน กล่าวได้ว่าอยู่ใน

ขั้นวิกฤตทีเดียว ก่อผลกระทบต่อคุณภาพชีวิตโดยรวมของ

ประชาชนเป็นอย่างมากไม่เว้นชุมชนชนบทและชุมชนเมือง

โดยเฉพาะเมืองใหญ่สภาพแวดล้อมที่เป็นมลพิษบนท้องถนน

บ้านพักอาศัย สำนักงาน โรงพยาบาลหรือน้ำสำหรับอุปโภค-

บริโภค พืชผัก ผลไม้ รวมไปถึงอาหารที่ใช้ในชีวิตประจำวันล้วน

แต่เป็นพิษต่อมนุษย์

ในระยะ 10 ปีที่ผ่านมา ประเทศไทยได้มีการเปลี่ยนแปลง

ทางเศรษฐกิจและสังคมอย่างรวดเร็ว ทำให้คนไทยรู้จักนำเอา

เทคโนโลยีสมัยใหม่มาใช้ในชีวิตประจำวันมากยิ่งขึ้น ซึ่งเป็นผลมา

จากการขยายตัวทางอุตสาหกรรมภายในประเทศ แม้ว่าประชาชน

จะมีความเป็นอยู่ที่ดีขึ้น แต่คุณภาพชีวิตกลับลดลงอย่างน่าวิตก

เนื่องจากต้องเผชิญทั้งปัญหาสิ่งแวดล้อมที่มีปริมาณมลพิษสะสม

ในอากาศและในน้ำเพิ่มมากขึ้น

การปนเปื้อนของสารพิษ เชื้อจุลินทรีย์ในอาหารและน้ำ

ดื่ม เป็นปัญหาทำให้เกิดผลกระทบต่อสุขภาพอย่างเลี่ยงไม่ได้เช่น

โรคผิวหนัง โรคภูมิแพ้ โรคท้องร่วง โรคหลอดลมอักเสบและโรค

ลำไส้ เป็นต้น ดังนั้นเพื่อเป็นการป้องกันสุขภาพอนามัยจากภัย

ของมลพิษต่าง ๆ ซึ่งแอบแฝงอยู่ในอาหาร อากาศและน้ำ ทำให้

คุณภาพชีวิตดียิ่งขึ้นและมีอายุที่ยืนยาวปราศจากโรคภัยไข้เจ็บ

ผู้เขียนได้เล็งเห็นคุณค่าของก๊าซโอโซน (O3) ซึ่งเป็นก๊าซธรรม-

ชาติที่ให้คุณประโยชน์มากมายต่อมนุษย์ในแง่ของการกำจัด

สารพิษและเชื้อจุลินทรีย์ต่าง ๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพบทความ

นี้จึงได้รวบรวมการประยุกต์ใช้ก๊าซโอโซนในด้านต่าง ๆ ทั้งใน

ครัวเรือน การเกษตรกรรมและทางการแพทย์ เพื่อให้ผู้อ่านได้

เข้าใจและรู้จักโอโซน (O3) อย่างถูกต้อง

โอโซนเพื่อคุณภาพชีวิต

(Ozone for better living)

ในปัจจุบันคงไม่มีใครกล้าปฏิเสธว่าปัญหามลพิษได้เป็น

ปัญหาที่สำคัญที่สุดซึ่งไม่อาจหลีกเลี่ยงได้และได้ส่งผลกระทบ

ต่อคุณภาพชีวิตของมนุษย์ พืชและสัตว์ทั้งทางตรงและทางอ้อม

รวมทั้งต่อสิ่งแวดล้อมที่ทุกชีวิตต้องพึ่งพาตลอดไป มนุษย์เป็น

ผู้นำทรัพยากรธรรมชาติที่มีอยู่จำกัดมาใช้อย่างสิ้นเปลืองเพื่อ

ตอบสนองความต้องการที่ไม่สิ้นสุดและยังเป็นผู้ทำลายธรรม-

ชาติที่โลกนี้ได้สร้างขึ้นมาเป็นเวลาช้านาน แต่สิ่งที่มนุษย์มีให้

กับธรรมชาติก็คือมลพิษ (pollution) ทั้งทางน้ำ ทางบกและทาง

อากาศ รวมทั้งสารพิษต่าง ๆ ที่ปนเปื้อนอยู่ในอาหารที่มนุษย์

และสัตว์ ต้องบริโภคเพื่อใช้เป็นพลังงานในการดำรงชีพด้วย ใน

ขณะนี้ปัญหามลพิษได้ก่อให้เกิดอันตรายอย่างมากต่อสุขภาพ

ของมนุษย์ โดยเฉพาะปัญหาการจราจรที่คับคั่งในเมืองหลวง

ทำให้เกิดสารพิษต่าง ๆ ได้แก่ ก๊าซพิษ ละอองตะกั่ว ละอองน้ำมัน

ฝุ่นละอองและเขม่าซึ่งเป็นสาเหตุของโรคเกี่ยวกับทางเดินหายใจ

สมองเสื่อมและโรคมะเร็งปอด นอกจากนี้ยังมีสาเหตุอื่น ๆ ที่

เป็นปัจจัยในการเกิดมลพิษทางอากาศและทางน้ำก็คือ การ

เจริญทางเศรษฐกิจและอุตสาหกรรม ทำให้เกิดอุตสาหกรรม

ใหม่ ๆ ซึ่งจำเป็นต้องใช้สารเคมีหลากหลายชนิดเป็นวัตถุดิบใน

การผลิตวัสดุสังเคราะห์แทนวัสดุจากธรรมชาติ การใช้สิ่งของ

อย่างไม่รู้คุณค่าและการปล่อยสารพิษเข้าสู่สิ่งแวดล้อมโดย

ปราศจากสามัญสำนึกได้ก่อให้เกิดมหันตภัยอย่างต่อเนื่องเป็น

เวลานาน เช่นเมื่อปี พ.ศ.2506 ในประเทศญี่ปุ่น โรงงานผลิต

พลาสติกพีวีซี ซึ่งใช้สารปรอทเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและตั้งอยู่ใกล้

อ่าวมินามาตะได้ปล่อยสารปรอทลงในทะเล ทำให้ชาวประมง

ในหลายหมู่บ้านซึ่งจับปลาและหอยในอ่าวได้รับพิษสารปรอท

โดยไม่รู้ตัว มีคนหลายร้อยได้ป่วยเป็นโรคมินามาตะ (Mina-

mata disease) ซึ่งมีอาการผิดปกติของร่างกายคือ ใบหน้าและ

มือบวม สายตามัว เป็นเหน็บชาตามตัว ความจำเสื่อมเป็น

อัมพาตและถึงตาย ในปี พ.ศ.2508 พบว่ามีคนตายจากโรคนี้ถึง


40 คน หลังจากเหตุการณ์ดังกล่าวทำให้รัฐบาลญี่ปุ่นต้องออก

กฎหมายคุ้มครองสิ่งแวดล้อมอย่างเคร่งครัดโดยบังคับให้ผู้

ประกอบการอุตสาหกรรมทุกประเภทต้องมีระบบฟอกอากาศ

สำหรับมลพิษทางอากาศและระบบบำบัดน้ำทิ้งก่อนปล่อยลงสู่

แม่น้ำลำคลอง สำหรับประเทศไทยก็มีกฎหมายสิ่งแวดล้อมมา

ตั้งแต่ปี พ.ศ.2535 เพื่อพิทักษ์สภาพแวดล้อมภายในประเทศ

ให้ดีขึ้น อย่างไรก็ตามปัญหามลพิษในประเทศไทยยังคงอยู่ใน

ภาวะวิกฤต เนื่องจากปัญหาเหล่านี้ได้สะสมตัวเป็นระยะเวลา

นาน แม้ว่าทุกคนได้พยายามร่วมมือกันในการลดปัญหามลพิษ

ได้ในระดับหนึ่งไม่ว่าจะเป็นการลดปริมาณขยะในบ้านเรือน

การใช้น้ำมันไร้สารตะกั่ว การปลูกป่าทดแทน การเลิกใช้สาร

ทำความเย็นประเภทสาร CFCs (chlorofluoro carbons) เป็นต้น

แต่การใช้เชื้อเพลิงอย่างสิ้นเปลืองและการใช้สารเคมีในรูป

ผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ อย่างรู้เท่าไม่ถึงการณ์ ก็เป็นสาเหตุที่สำคัญ

ในการเกิดมลพิษอย่างต่อเนื่องเช่น สาร

ฆ่าแมลง ปุ๋ยสังเคราะห์ในการเกษตร

น้ำมันหล่อลื่น โฟม ผงซักฟอกและพลาส-

ติกชนิดต่าง ๆ ทำให้เกิดสารตกค้างในสิ่ง-

แวดล้อมซึ่งเราทุกคนต้องมีส่วนรับผิดชอบ

และหาทางแก้ปัญหาอย่างจริงจัง สิ่งแรก

ที่สามารถปฏิบัติได้ก็คือ การเริ่มต้นกำจัด

มลพิษที่อยู่ใกล้ตัว เพื่อป้องกันตัวเองให้

รอดพ้นจากอันตรายของสารพิษต่าง ๆ

การรับประทานอาหารที่สะอาด ดื่มน้ำที่

สะอาดและสูดอากาศหายใจที่บริสุทธิ์จะ

ช่วยให้คุณภาพชีวิตของเราดีขึ้นและ

สามารถหลีกเลี่ยงปัญหาโรคภัยไข้เจ็บได้

แต่วิธีหนึ่งที่มีส่วนช่วยในการกำจัดมลพิษได้อย่างมีประสิทธิ-

ภาพก็คือ การใช้โอโซน ซึ่งนำมาใช้ในการผลิตน้ำดื่มและการ

บำบัดน้ำทิ้งจากโรงงานอุตสาหกรรมเป็นเวลานานกว่า 90 ปี

และได้รับการยอมรับว่ามีประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อโรคต่าง ๆ

สามารถกำจัดทั้งสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ได้มากมาย รวม

ทั้งยังไม่ก่อให้เกิดสารตกค้างหลังการใช้ ขณะที่การบำบัดด้วย

สารเคมีอื่น ๆ ได้แก่ โปแตสเซียมเปอร์แมงกาเนตหรือด่างทับทิม

(KmnO4) และโซเดียมไฮโปคลอไรต์ (NaOC1) สามารถฆ่าเชื้อ-

โรคและทำลายสารเคมีได้บางชนิดเท่านั้น และมีสารตกค้าง

หลังจากการใช้ด้วย

ก๊าซโอโซนได้ถูกนำมาใช้ครั้งแรกในประเทศฝรั่งเศส

เพื่อผลิตน้ำบริโภคแทนก๊าซคลอรีน หลังจากนั้นการใช้โอโซน

ก็ได้แพร่ขยายไปทั่วทวีปยุโรป ตั้งแต่ปี พ.ศ.2455 และได้นำมา

ใช้ในการบำบัดน้ำทิ้งในโรงงานอุตสาหกรรมเช่น โรงงานฟอก

ย้อม โรงงานเยื่อกระดาษ โรงงานผลิตสารเคมี โรงกลั่นน้ำมัน

และโรงงานทอผ้า เป็นต้น ในปี พ.ศ.2537 ประเทศญี่ปุ่นได้เริ่ม

นำก๊าซโอโซนมาใช้ในบ้านเรือนเป็นครั้งแรกโดยการพัฒนา

เครื่องผลิตโอโซนขนาดเล็กซึ่งสามารถผลิตก๊าซโอโซนได้ใน

ปริมาณเพียง 5-200 มิลลิกรัมต่อชั่วโมง มีคุณสมบัติในการ

ฆ่าเชื้อโรคในอากาศ ใช้ในการอาบน้ำล้างผัก ผลไม้และอาหาร

ทะเล ซึ่งมีการปนเปื้อนของสารพิษได้อย่างมีประสิทธิภาพ

นอกจากนี้ยังสามารถนำไปใช้ในสถานที่อื่น ๆ ได้ เช่น ร้านอาหาร

ห้องประชุมและห้องสูบบุหรี่ ต่อมาการใช้โอโซนภายในอาคาร

จึงได้เริ่มนิยมมากขึ้นในแถบเอเชียและในสหรัฐอเมริกา เนื่อง-

จากการใช้ปริมาณโอโซนที่เหมาะสมมีส่วนช่วยให้คุณภาพชีวิต

ของมนุษย์ดียิ่งขึ้นโดยป้องกันอันตรายจากมลพิษและเชื้อโรคที่

อยู่รอบข้างให้น้อยลง โอโซนยังช่วยทำให้

ร่างกายมีสุขภาพที่ดีขึ้นโดยการดูดซึม

ออกซิเจนของอวัยวะต่าง ๆ ในร่างกาย ทำ

ให้ร่างกายเผาผลาญอาหารได้อย่างสมดุล

การหมุนเวียนของโลหิตดีขึ้นและช่วยให้

ร่างกายมีภูมิต้านทานต่อสิ่งแปลกปลอม

มากยิ่งขึ้น ปัจจุบันโอโซนเป็นที่ยอมรับใน

วงการแพทย์และใช้เป็นวิธีหนึ่งในการบำ-

บัดรักษาโรคได้หลายชนิด (Ozone therapy)

เช่น โรคไขมันอุดตัน (Atherosclerosis)

โรคไขข้ออักเสบ (Rheumatism) โรค

กระดูกเสื่อม (Osteoporosis) โรคโลหิต

จาง (Sickle Cell Anemia) โรคมะเร็ง

(Cancer) และโรคเอดส์ (AIDS) เป็นต้น นอกจากนี้ยังใช้ในการ

ฆ่าเชื้อโรคในโรงพยาบาล คลินิกและใช้ล้างเครื่องมือแพทย์

ด้วย ดังนั้นตราบใดที่โลกของเรายังคงได้รับภัยคุกคามจาก

มลพิษมากขึ้น การใช้โอโซนก็มีความสำคัญต่อชีวิตประจำวัน

ของมนุษย์เพิ่มมากขึ้นเช่นเดียวกัน

3. การออกแบบและการศึกษา

สำหรับการออกแบบเครื่องกำเนิดโอโซนนั้นจะใช้หลักการ

ของโคโรนาดิสชาร์จเพื่อนำเอาโอโซนไปใช้ในการบำบัดน้ำเสีย

ลักษณะการสร้างโอโซนจะอัดอากาศที่มีก๊าซออกซิเจนไหลผ่าน

ช่องว่างไดอิเล็คตริกในสภาวะที่มีความเครียดสนามไฟฟ้าสูง

ทำให้ก๊าซออกซิเจน (O2) เกิดการแตกตัวเป็น (O) และเมื่อมี


Technology


อากาศผ่านเข้ามาก็จะเกิดการรวมตัวกลายเป็นโอโซน (O3) โดย

มีไดอะแกรมขั้นตอนการทำงานดังนี้

■ การออกแบบเครื่องกำเนิดโอโซน ในการออกแบบ

เครื่องกำเนิดโอโซนจะมีส่วนประกอบที่สำคัญโดยในการออกแบบ

ในแต่ละส่วนต้องคำนึงให้แต่ละส่วนสามารถนำมาประกอบกัน

ได้พอดี การทำงานของเครื่องกำเนิดโอโซนโดยใช้โคโรนาดิส-

ชาร์จสามารถจำแนกส่วนประกอบแต่ละส่วนดังนี้

■ การออกแบบวงจรควบคุมแรงดันสูงกระแสสลับ

การออกแบบวงจรควบคุมการทำงานของวงจรจะใช้ Transistor

ในการขับการทำงานของคอล์ยจุดระเบิดซึ่งความถี่ที่ใช้ในการ

ขับคอล์ยจะอยู่ประมาณ 80Hz

ในการสร้างความถี่เราจะใช้ IC เบอร์ 555 เป็นตัวสร้าง

สัญญาณพัลส์ โดยใช้ความต้านทานปรับค่าได้เป็นตัวปรับ

ความถี่ในช่วง เข้าที่ Q1 (2N2222) โดยที่ Q1 จะขยายสัญ-

ญาณนำไปขับ Q2 (BU208) ซึ่งจะขยายสัญญาณไปขับคอล์ย

จุดระเบิด

■ การออกแบบวงจรสร้างสัญญาณจาก IC 555 ใน

การออกแบบการสร้างพัลส์โดยเลือกใช้ IC 555 เนื่องจาก

สัญญาณที่ขา 3 ของ IC 555 ที่เป็นขาเอาท์พุทจะมีลักษณะ

พัลส์เป็นสัญญาณ Square Wave ซึ่งจะทำให้ทรานซิสเตอร์ไม่

รับภาระทางด้านกระแสมากเกินพิกัด

ค่าความถี่ของเอาท์พุท = ⎯⎯⎯⎯ เฮิร์ทซ (Hz )

(สมการที่ 3.1)

ไซเกิลทำงาน (duty cycle) ซึ่งได้แก่อัตราส่วนของเวลา

ที่พัลส์มีระดับสูง (high time) ต่อเวลาในหนึ่งไซเกิล สามารถจะ

หาได้จากสูตร

ไซเกิลทำงาน = (สมการที่ 3.2)

จากที่ Ra = 1 KΩ, Rb = 10 KΩ และ C = 1 μF

f = = 68.7 Hz

Duty Cycle = = 52.38 %

จากที่ Ra = 1 KΩ, Rb = 10 KΩ และ C = 10 μF

f = = 6.87 Hz

■ การออกแบบชุดควบคุมอากาศ เนื่องจากความชื้น

ของอากาศมีผลต่อการเกิดโอโซน เนื่องจากอากาศที่มีความชื้น

อยู่จะเกิดการระเหยและเกิดการรวมตัวกันเป็นหยดน้ำ ซึ่งจุดที่

ความชื้นในอากาศรวมตัวกับโอโซนจะกลายเป็นกรดไนตริกที่

จะมีผลต่อท่อกำเนิดโอโซนและอุปกรณ์อื่น ๆ ได้

จากทฤษฎีที่ว่าอากาศที่มีอุณหภูมิสูงจะทำให้เกิดการ

ดิสชาร์จหรือเบรกดาวน์ได้ง่ายขึ้น ทำให้เราผลิตก๊าซโอโซนได้

ปริมาณมากขึ้นในการควบคุมความร้อนนั้นเนื่องจากการทดลอง

ปั๊มลมเมื่อเปิดไปได้สักระยะหนึ่งก็จะทำให้เกิดความร้อนซึ่งไม่

จำเป็นต้องมีชุดอุ่นอากาศเพื่อเป็นการประหยัดพลังงานความชื้น

ของอากาศมีผลต่อการเกิดโอโซน เนื่องจากอากาศที่มีความชื้น

อยู่จะเกิดการระเหยและเกิดการรวมตัวกันเป็นหยดน้ำซึ่งจุดที่

ความชื้นในอากาศรวมตัวกับโอโซนจะกลายเป็นกรดไนตริกที่

จะมีผลต่อท่อกำเนิดโอโซนและอุปกรณ์อื่น ๆ ได้

■ การออกแบบชุดเข็มไดอิเล็คตริก หลอดไดอิเล็ค-

ตริกประกอบไปด้วยท่อสแตนเลส แซ่หางม้า ฝาไม้ครอบหัวท้าย

เป็นการสร้างปรากฏการณ์โคโรนาดิสชาร์จที่ปลายเข็มจาก

ความเครียดสนามไฟฟ้าแรงดันสูงขนาด 24 kV เป็นส่วนสำคัญ

ของการทำงานของเครื่องนี้ โดยอากาศจะถูกอัดจากปั๊มลมซึ่งมี

▲ รูปที่ 1 ไดอะแกรมแสดงขั้นตอนการทำงาน

▲ รูปที่ 2 วงจรควบคุมการทำงาน

ไม่ผ่าน

ผ่าน

เริ่ม

ตรวจสอบ มาตรฐาน

แก้ไข

ออกแบบสร้างวงจร แรงดันสูง

ออกแบบชุดขับอากาศ

ทดสอบและ วัดปริมาณโอโซน

ออกแบบชุดเข็มและ ช่องว่างไดอิเลคตริก

1.443 (Ra+2Rb)C

Ra+Rb ⎯⎯⎯ × 100% Ra+2Rb

1.443 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ (1kΩ + (2) 10KΩ) 1 μF

1.443 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ (1kΩ + (2) 10KΩ) 10 μF

1kΩ + 10KΩ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 1kΩ + (2) 10KΩ)


ความร้อนและไหลผ่านท่อมายังหลอดไดอิเล็คตริก (ท่อที่ใช้จะ

ต้องไม่เป็นจำพวกโลหะหรือทองเหลืองเพราะจะทำให้โอโซน

เกิดการสลายตัว) ผ่าช่องว่างไดอิเล็คตริกที่มีความเครียดสนาม

ไฟฟ้าสูง ทำให้เกิดก๊าซโอโซนบริเวณนั้น

■ การออกแบบอิเล็กโทรด เป็นขั้นตอนการออกแบบ

เครื่องกำเนิดโอโซนเริ่มต้นจากการวิเคราะห์ทางเคมีเพื่อหาความ

สัมพันธ์ระหว่างพลังงานพันธะและความต้องการพลังงานของ

ปฏิกิริยาเคมีในการผลิตโอโซน ส่วนการออกแบบอยู่บนพื้นฐาน

ของการศึกษาลักษณะสนามไฟฟ้าที่สัมพันธ์กับการแตกตัวของ

ก๊าซเพื่อพิสูจน์ทฤษฎีจากการคำนวณทางเคมีและสามารถผลิต

โอโซน ควบคุมเงื่อนไขการเกิดได้

หลักการ ก๊าซโอโซนคือก๊าซที่เกิดจากการจับตัวกันของ

ก๊าซออกซิเจน 3 อะตอม การกำเนิดต้องป้อนพลังงานจาก

ภายนอกเข้าไปกระตุ้นก๊าซออกซิเจน (O2(g)) แตกพันธะเป็น

อะตอมอิสระของออกซิเจน (O) แล้วจึงรวมตัวกับ O2 กลายเป็น

O3 ในการผลิตโอโซนนั้นย่านพลังงานที่จำเป็นต้องใช้ทางเคมี

คือ 493.2 kJ/mol – 682.8 kJ/mol กระบวนการแปลงหน่วย

จาก mol เป็นปริมาตร อ้างถึงพฤติกรรมของก๊าซในทางเคมี

ก๊าซในอุดมคติ (ideal gas) มีแบบจำลองเป็นจุดและไม่มีแรง

กระทำต่อกัน 1 โมลของก๊าซในอุดมคติเป็นความสัมพันธ์สมการ

ก๊าซในสมการที่ 3.3 เมื่อ n คือจำนวนโมลที่มีค่าเท่ากับ

จากกฎของก๊าซ (gas low) PV = nRT (สมการที่ 3.3)

แต่ก๊าซจริง (real gas) พบว่าโมเลกุลก๊าซมีขนาดและ

แรงกระทำระหว่างโมเลกุลเป็นแรง Van der walls ซึ่งขนาด

โมเลกุลและแรงกระทำนี้เป็นคุณสมบัติเฉพาะของก๊าซแต่ละชนิด

สมการโดยประมาณของก๊าซจริงถูกเสนอโดย Van der walls คือ

สมการ Van der walls

(สมการที่ 3.4)

ในสมการที่ 3.3 และ 3.4 V คือปริมาตรก๊าซ m3

▲ รูปที่ 3 โครงสร้างอิเล็กโทรดทรงกระบอกซ้อนแกนร่วมที่ออกแบบ

Stanless

Ozone-Outlet (O3)

Air-Gap

a P + ⎯ (V-b) = RT V2

P คือ ความดันบรรยากาศ P = 101.58 ×103 Pascal

N คือ จำนวนโมล

R คือ ค่าคงที่ก๊าซ

ส่วน a และ b ในสมการที่ 3.4 คือ ค่าคงที่สามารถหา

ได้จากสมการที่ 3.3 ที่สภาวะวิกฤตเมื่อค่าอุณหภูมิวิกฤต (Tc)

และความดันวิกฤต (Pc) ของออกซิเจนคือ Tc = 154.6 K และ

Pc = 5043 kPa

แทนค่า a และ b ลงในสมการที่ 3.4

ซึ่งสัมพันธ์กับสมการที่ 3.3 ที่ n = 1 ;

m3/kmol

ใช้วิธี Trial and Error เพื่อเปลี่ยนหน่วย mol เป็น

ปริมาตร

ทดลองแทนค่า V = 24.57; 2494290 < (101728.96)

(24.5382) = 2496246

ทดลองแทนค่า V = 24.5; 2494290 < (101730)

(24.4682) = 2489149

ทดลองแทนค่า V = 24.6; 2494290 < (101728)

(24.5682) = 2499273

ทดลองแทนค่า V = 24.55; 2494290 < (101729)

(24.518) = 2494212

ที่ P = 101.5 kPa, T = 300 K ได้ V = 24.55 m3 / kmol

นั่นคือ 1 mol = 0.02455 m3 โดยประมาณ

ดังนั้น 493.2 kJ / mol = 20089.61 kJ / m3

682.8 kJ / mol = 27812.63 kJ / m3

เมื่อ 1 J = 2.78 × 10-14 Wh

ดังนั้นย่านพลังงานที่จำเป็นต้องใช้คือ 5.58 kWh/m3 -

7.33 kWh/m3 แต่เนื่องจากความเป็นจริงในอากาศโดยทั่วไปมี

ปริมาณของก๊าซออกซิเจนอยู่โดยประมาณ 21% ดังนั้นคิดเทียบ

แล้วพลังงานที่จำเป็นต้องใช้ในการกระตุ้นคือ 1.172 kWh/m3 -

1.62 kWh/m3 จึงจะเพียงพอต่อการเกิดโอโซนในแกป

อิเล็กโทรดขนาด (r1 = 1.30 cm., r2 = 1.50 cm., r3 =

1.75 cm.,) ยาว 15 cm.,

Pa × m3

R = 8314.3 ⎯⎯⎯ kmol × k

27 × R2Tc2

a = ⎯⎯⎯⎯ = 138218 64 Tc

RTc b = ⎯⎯ = 0.3018

8Pc

8314.3 × 300 V = ⎯⎯⎯⎯⎯ = 24.57 101.5 × 103

138218 101.50 × 103 + ⎯⎯⎯ (V-0.03318) = 8314 × 300 = 2,494,290 V2


Technology


ปริมาตรอากาศภายในแกปคือ π (r32 – r2

2) × 1 = π

(0.01752 – 0.0152) × 0.15

= 3.828 × 10-5 m3

= 38.28 cm3

ย่านพลังงาน 1.172 × 103 × 3.828 × 10-5 = 0.0448 W-h

ถึง 1.62 × 103 × 3.828 × 10-5 = 0.0620 W-h

ย่านสนามไฟฟ้าที่จำเป็นต้องใช้คือ

W = (สมการที่ 3.5)

E = (สมการที่ 3.6)

E = = 16.270 kV/cm

ถึง

E = = 16.270 kV/cm

ถ้า EMax = 19.127 kV/cm;

V = = 5.244 kV

ดังนั้น สำหรับอิเล็กโทรดย่านแรงดันที่อยู่ในย่านการ

ผลิตคือ kV ย่านสนามไฟฟ้าที่ใช้คือ 16.158-19.058 kV/cm

ย่านพลังงานคือ 0.023 -0.032 W-h การใช้แรงดันไฟฟ้าแรงสูง

ตั้งแต่ 4.460 kV สามารถให้โอโซนปริมาณหนึ่งและสามารถ

เพิ่มปริมาณโอโซนให้สูงขึ้นโดยการปรับเพิ่มแรงดันหรือความถี่

ไฟฟ้าขึ้นเพื่อเป็นการปรับพลังงานสนามไฟฟ้าซึ่งต้องไม่เกินค่า

ทนแรงดันเบรกดาวน์ของแก้วที่เป็นฉนวนซ้อนในอิเล็กโทรดนั้น

4. ผลการศึกษา

Σv = = 23.2 kV

วิเคราะห์หาปริมาณโอโซน

เมื่อผ่านก๊าซจากเครื่องลงในสารละลาย KI พบว่าเกิดสี

น้ำตาลของ Iodine ซึ่งเปลี่ยนเป็นสีน้ำเงินกับน้ำแป้งได้ แสดง

ว่าก๊าซดังกล่าวเป็นโอโซนจริง ดังสมการ

2Kl + O3 + H2O ➝ 2KOH + I2 + O2

▲ รูปที่ 4 เครื่องกำเนิดโอโซนที่สร้างเสร็จและกำลังทดสอบ

1 ⎯ ∫ ε E2 dv 2 2w ⎯ εV

2(0.0448) ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ (8.854 × 10-12) (38.28)

2(0.0620) ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ (8.854 × 10-12) (38.28)

1.75 1.5 (19.127×103)(1.50) 5In ⎯ + In ⎯ 1.5 1.3 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 5

No.Sphere Gap Spacing

(cm)

Voltage

(kV)

1 0.7 23.2

2 0.8 26.2

3 0.7 23.2

4 0.8 26.2

5 0.6 20.2

6 0.7 23.2

7 0.6 20.2

8 0.7 23.2

9 0.7 23.2

208.8 ⎯⎯ 9

▼ ตารางการทดสอบ ค่าแรงดันสูง ที่ ได้จากคอลย์จุดระเบิด


นั้นเป็นที่น่าพอใจในระดับหนึ่งเพราะน้ำที่เรานำมาทดสอบนั้น

เป็นน้ำที่ค่อนข้างเสียมากจึงทำให้มีสารเคมีตกค้างอยู่เยอะ

และในการกำจัดต้องใช้การกรองอยู่และสารตะกอนเหล่านี้ยัง

เป็นพิษระดับหนึ่ง ซึ่งการทดลองนั้นจะใช้เวลาในการทดลอง

นานมากประมาณ 1 สัปดาห์

6. ข้อเสนอแนะในการศึกษาต่อไป

เครื่องกำเนิดก๊าซโอโซนจากแรงดันสูงเพื่อการบำบัด

น้ำเสียนี้ เป็นเครื่องต้นแบบที่ผลิตขึ้นมา เพื่อช่วยบำบัดน้ำเสีย

ก่อนปล่อยลงสู่แหล่งน้ำจึงยังมีข้อผิดพลาดทั้งในการออกแบบ

และการทำงาน จึงมีข้อเสนอแนะดังนี้

1. ชุดสร้างแรงดันสูง ควรหาอุปกรณ์ที่สามารถทน

กระแสได้สูง ๆ ทนความร้อนได้ดีและต้องระบายความร้อนให้

กับอุปกรณ์ให้เหมาะสมเพราะต้องเปิดใช้ในระยะเวลานาน

2. ควรมีการเปรียบเทียบว่าอิเล็กโทรดแบบใดที่มีการ

เกิดความเครียดสนามไฟฟ้าได้ดีกว่ากันเพราะจะได้ปริมาณ

โอโซนในการบำบัดน้ำเสียที่มาก

3. ในการวางเข็มอิเล็กโทรดนั้นต้องวางให้เท่ากันทุกเข็ม

เพราะถ้าวางเข็มไม่เท่ากันแล้ว จะได้โอโซนในปริมาณที่น้อย

มาก เนื่องจากการเกิดโคโรน่าดิสชาร์จนั้นจะเกิดบริเวณจุดที่สูง

ที่สุดเท่านั้น

4. ควรมีการฉนวนที่ดีและเหมาะสม เพื่อเป็นการ

ประหยัด

5. การออกแบบช่องว่างไดอิเล็คตริกควรหาระยะที่

เหมาะสมที่สุด เพื่อให้ได้ปริมาณโอโซนที่มากที่สุด

เอกสารอ้างอิง

1. ดร.สำรวย สังข์สะอาด. วิศวกรรมไฟฟ้าแรงสูง. กรุงเทพฯ:

จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย, 2528

2. ดร.สุทธิเวช ต.แสงจันทร์. โอโซนเพื่อคุณภาพชีวิต. กรุงเทพฯ:

กรมวิทยาศาสตร์บริการ

3. อุดมศักดิ์ ยั่งยืน. Power Electronic I: มหาวิทยาลัยเทคโนโลยี

พระจอมเกล้าธนบุรี

4. เทคนิคยานยนต์ เล่ม 4: มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้า

พระนครเหนือ

5. สายัณต์ ชื่นอารมณ์: Hobby Electronics 109 เมษายน 2544

6. มาตรฐานควบคุมการระบายน้ำทิ้งจากอาคาร: www.wma.

or.th/Standard/st005.html

5. สรุปผลงานวิจัย

การผลิตโอโซนนั้นจะใช้หลักการโคโรน่าดิสชาร์จ จาก

คอยล์ที่สร้างแรงดันได้ประมาณ 20 kV ที่ความถี่ประมาณ

70Hz โดยการใช้ปั๊มลมเป่าให้อากาศไหลผ่านความเครียด

สนามไฟฟ้าที่เกิดโคโรน่าดิสชาร์จ ระหว่างเข็มอิเล็กโทรดจะ

ทำให้เกิดโอโซน จากนั้นก็ทำการนำโอโซนไปบำบัดน้ำเสีย

สำหรับผลการทดลองที่ทำการเปรียบเทียบน้ำเสียทั้ง

ก่อนเติมโอโซนและหลังจากการเติมโอโซนลงในน้ำค่าของน้ำ

หลังผ่านโอโซนจะดีขึ้น เพราะสามารถเพิ่มค่าปริมาณออกซิเจน

ให้กับน้ำสูงขึ้นสลายพันธะการเกิดสีและทำให้เกิดการรวมตัว

กันเป็นตะกอน แต่น้ำหลังจากการเติมโอโซนนั้น ยังมีสารเคมีที่

เป็นโลหะหนักบางตัวที่ไม่มีปฏิกิริยากับโอโซน ดังนั้นหากจะให้

น้ำเสียมีค่าในเกณฑ์ที่ดีจึงจำเป็นต้องผ่านกรรมวิธีอื่นด้วย เช่น

การกรองสารแขวนลอย ใช้สารเคมีกำจัดจำพวกโลหะหนักจึง

จะปล่อยทิ้งเพื่อไม่ให้เกิดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

1. การออกแบบของชุดเข็มอิเล็กโทรดต้องพยายาม

ออกแบบชุดเข็มกับกราวด์ให้ขนานเท่ากันทุกจุดและพยายาม

ไม่ให้มีโลหะหรือทองเหลืองบริเวณทางออกโอโซนเพราะจะ

ทำให้โอโซนสลายตัว

2. น้ำเสียที่นำมาทำการบำบัดนั้นเป็นน้ำที่เสียมากและ

ปริมาณน้ำตัวอย่างมีจำนวนมากทำให้การบำบัดใช้เวลามาก

จึงทำให้การบำบัดนั้นไม่ค่อยได้ประสิทธิภาพมากเท่าที่ควร

3. ผลที่ได้จากการทดลองหาค่า pH, BOD และ COD

technology เครื่อง ผลิตโอโซน น้ำเสีย ...ให ค...

Documents