ประเภทเรซิ่น	การใช้งานหลัก	ตัวอย่างสารแลกเปลี่ยน
Cation Resin (Strong Acid)	กำจัด Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺	แลกเปลี่ยนกับ Na⁺ หรือ H⁺
Anion Resin (Strong Base)	กำจัด Cl⁻, NO₃⁻, SO₄²⁻	แลกเปลี่ยนกับ OH⁻
Mixed Bed Resin	ใช้ในระบบ RO/DI	ผสมทั้ง Cation + Anion

ประเภทความกระด้าง	ไอออนหลัก	ลักษณะ	วิธีแก้ไข
1. ความกระด้างชั่วคราว (Temporary Hardness)	Ca²⁺, Mg²⁺ (จาก HCO₃⁻)	เกิดจากแคลเซียม/แมกนีเซียมไบคาร์บอเนต	ต้มน้ำแล้วตกตะกอนเป็น CaCO₃ ได้
2. ความกระด้างถาวร (Permanent Hardness)	Ca²⁺, Mg²⁺ (จาก SO₄²⁻, Cl⁻, NO₃⁻)	ไม่สามารถกำจัดด้วยการต้ม	ต้องใช้เรซิ่นแลกเปลี่ยนไอออนหรือ RO

ผลกระทบ	รายละเอียด
ในระบบเครื่องจักรและท่อ	เกิดคราบหินปูน (scale) ตกตะกอนในหม้อไอน้ำ, เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และท่อ ส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลงและเกิดการอุดตัน
ในงานซักล้างและทำความสะอาด	ทำให้สบู่หรือผงซักฟอกเกิดฟองน้อย เพราะไอออน Ca²⁺ และ Mg²⁺ ทำปฏิกิริยากับสบู่เกิดเป็นก้อนไม่ละลายน้ำ
⚗️ ในอุตสาหกรรมอาหาร/ยา	ส่งผลต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการน้ำอ่อน เช่น การผลิตน้ำดื่ม, น้ำอัดลม, เบียร์
ต่อสุขภาพ (ในบางกรณี)	ไม่เป็นอันตรายร้ายแรง แต่ในบางกรณีอาจทำให้เกิดปัญหาไตในผู้ที่มีโรคประจำตัว
การอาบน้ำหรือใช้ในบ้าน	ผิวแห้ง ผมแข็งกระด้าง และเกิดคราบน้ำขาวในก๊อกหรือกระจก

ความกระด้าง (mg/L CaCO₃)	ระดับ
0 – 60	น้ำอ่อน
61 – 120	น้ำกระด้างปานกลาง
121 – 180	น้ำกระด้าง

คำอธิบายนี้ครอบคลุมตั้งแต่ประวัติการค้นพบกระบวนการแลกเปลี่ยนอิออน[ion exchange]ไปจนถึงโครงสร้างเรซิ่น การทำงาน การเลือกจับอิออน(ion selectivity) การใช้งาน

 

 การกำจัดอิออนในน้ำด้วย Ion Exchange

1. ประวัติการค้นพบ Ion Exchange

แนวคิดเรื่องการแลกเปลี่ยนอิออนเริ่มจาก Thomas Graham (1805–1869) และ Adolf Ferdinand Gehlen ศึกษาแร่ที่มีคุณสมบัติแลกเปลี่ยนอิออน เช่น zeolite ในช่วงปี 1850s มีการค้นพบในอังกฤษว่าดินสามารถแลกเปลี่ยนอิออนกับแอมโมเนียได้ ต่อมาในปี 1935 บริษัท Rohm and Haas ได้พัฒนาเรซิ่นสังเคราะห์รุ่นแรก

2. พัฒนาเป็นเม็ดเรซิ่น

เรซิ่นมีโครงสร้างเป็นพอลิเมอร์ไม่ละลายน้ำ เช่น Polystyrene-Divinylbenzene (PS-DVB) พร้อมหมู่ฟังก์ชันที่สามารถแลกเปลี่ยนอิออนได้ เช่น -SO₃⁻H⁺ (Cation) และ -N⁺(CH₃)₃OH⁻ (Anion)

3. วิธีการจับประจุของเรซิ่น

ทำงานผ่านปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนอิออน เช่น R-SO₃⁻Na⁺ + Ca²⁺ ⇌ R₂-SO₃⁻Ca²⁺ + 2Na⁺ แบ่งเป็น Strong/Weak Acid Cation และ Strong/Weak Base Anion

4. ลำดับความสามารถในการจับไอออน (Ion Selectivity)

Cation Exchange Resin (เรียงจากดูดซับง่าย → ยาก):

Ba²⁺ > Pb²⁺ > Ca²⁺ > Ni²⁺ > Mg²⁺ > K⁺ > NH₄⁺ > Na⁺ > H⁺

Anion Exchange Resin (เรียงจากดูดซับง่าย → ยาก):

SO₄²⁻ > I⁻ > NO₃⁻ > Br⁻ > Cl⁻ > OH⁻

5. อุปกรณ์ในการใช้งานเรซิ่น

ประกอบด้วยถังกรองแรงดัน หัวจ่ายบน-ล่าง ระบบควบคุมการล้างเรซิ่น เครื่องวัด TDS และระบบฟื้นฟูเรซิ่นอัตโนมัติ

6. การล้างฟื้นฟูเรซิ่น (Regeneration)

Cation Resin: ใช้ NaCl 10% หรือ HCl 4–8% โดยใช้ ~12.6 กก./100 ลิตรเรซิ่น

Anion Resin: ใช้ NaOH 4% โดยใช้สูตรคำนวณตาม capacity ของเรซิ่น

ตัวอย่าง: เรซิ่น 100 ลิตร, exchange capacity = 1.8 eq/L → ใช้ NaCl ~12.6 kg

7. สรุป

หัวข้อ	รายละเอียด
ค้นพบ	จากดินและแร่ zeolite ต่อมา Rohm and Haas พัฒนาเรซิ่นสังเคราะห์ในปี 1935
โครงสร้างเรซิ่น	PS-DVB กับหมู่ฟังก์ชันที่จับอิออน
การจับประจุ	แลกเปลี่ยนอิออนผ่านหมู่ SO₃⁻ และ N⁺(CH₃)₃
Ion Selectivity	ขึ้นกับประจุและขนาดไฮเดรชันของอิออน
การฟื้นฟู	ใช้ NaCl, HCl หรือ NaOH ร่วมกับสูตรคำนวณ

ตัวอย่างการออกแบบ การเลือกปั๊ม ขนาดถังกรอง ประเภทสารกรองและจำนวนสารกรอง โดย Flow rate 3cu./hr. ค่า Turbid น้อยกว่า 5 NTU TDS 650 mg/L residual chlorine 1 ppm hardness 650 mg/L.ต้องการออกแบบการกรองน้ำที่มีค่าความบริสุทธิ์ของน้ำที่ 18 megaohm

 

การออกแบบระบบผลิตน้ำดีมินโดยไม่ใช้ RO

1. ข้อมูลน้ำดิบที่กำหนด

รายการ	ค่า
TDS	650 mg/L
Hardness (CaCO₃)	150 mg/L
Cl₂ เหลือ	1 mg/L
Turbidity (NTU)	≤ 5
Flow Rate	3,000 L/h
ความบริสุทธิ์ต้องการ	≥ 18 MΩ·cm

2. ขั้นตอนการออกแบบระบบ

2.1 ปั๊มน้ำดิบ

- อัตราการไหล: 3 m³/h
- TDH โดยประมาณ: 3-4 bar
- ชนิดปั๊ม: ปั๊มหอยโข่งชนิดแรงดันสูง (multistage centrifugal)
✅ เลือกปั๊มขนาด: 3 m³/h @ 4 bar

2.2 ระบบกรองเบื้องต้น (Pre-treatment)

2.2.1 ถังกรองทราย (Sand Filter)

- กำจัดความขุ่น ≤ 5 NTU
- Service Velocity: 10 m/h
- Bed Depth: 1.2 m
- Flow Rate: 3 m³/h
- พื้นที่หน้าตัดถัง: A = Q/v = 3/10 = 0.3 m²
- D = 2 × √(A/π) ≈ 0.62 m → ใช้ถัง ø 650 mm
✅ ขนาดถัง: ø650 mm, สูงรวม ≈ 1.8 m

2.2.2 ถังกรองคาร์บอน (Activated Carbon)

- กำจัด Cl₂ เหลือ ≤ 0.1 ppm
- EBCT (Empty Bed Contact Time): ≥ 5 นาที
- Flow Rate: 3 m³/h = 50 L/min
- Volume: V = EBCT × Q = 5 × 50 = 250 L
- เลือกถังที่มี Volume 250 L: เช่น ถัง ø800 mm สูง ≈ 0.5 m
✅ ขนาดถัง: ø800 mm, Bed depth ≈ 0.5 m

2.3 Softener (Cation Resin)

- กำจัด Ca²⁺, Mg²⁺
- Hardness = 150 mg/L as CaCO₃
- Resin Exchange Capacity ≈ 1.1 eq/L
- โหลดอิออนรายวัน = 72 × 150 = 10,800 g/d = 216 eq/d
- ต้องการเรซิ่น = 216 / 1.1 ≈ 196 L → ปัดเป็น 200 L
✅ ขนาดถัง: ø1000 mm, Bed depth ≈ 0.8 m

2.4 Mixed Bed Ion Exchange

- ขจัดทั้ง Cation/Anion ที่เหลือทั้งหมด
- ต้องใช้ High-purity resin (Nuclear grade)
- ตัวอย่างเรซิ่น: Dowex MR-575LC NG, Purolite MB400MBP

3. สูตรการดูดจับของเรซิ่น (Ion Exchange Reaction)

Cation Exchange:
R-H + Ca²⁺ → R₂Ca + 2H⁺

Anion Exchange:
R-OH + Cl⁻ → R-Cl + OH⁻

Mixed Bed:
R-SO₃⁻H⁺ + Na⁺ → R-SO₃⁻Na⁺ + H⁺
R-NH₃⁺OH⁻ + Cl⁻ → R-NH₃⁺Cl⁻ + OH⁻

4. การฟื้นฟู (Regeneration)

Resin Type	สารเคมีฟื้นฟู	สูตรโดยประมาณ
Cation (Softener)	NaCl 10%	100–150 g/L resin
Anion Resin	NaOH 4–5%	60–100 g/L resin
Mixed Bed	Regen แยกโดยแยกเรซิ่น	Backwash + Regen แยก

5. สรุปแบบตารางอุปกรณ์

ลำดับ	อุปกรณ์	ขนาดโดยประมาณ	หน้าที่
1	ปั๊มน้ำดิบ	3 m³/h @ 4 bar	ดูดน้ำเข้า
2	Sand Filter	ø650 × 1800 mm	กรองตะกอน
3	Carbon Filter	ø800 × 1500 mm	กำจัดคลอรีน
4	Softener	ø1000 × 1800 mm, Resin 200L	ลด hardness
5	Mixed Bed Resin	ø600–800 mm, Resin 100L	ผลิตน้ำ 18 MΩ·cm

 การทำน้ำ Softening หรือน้ำอ่อน

คำถาม

การทำน้ำ softening หรือน้ำอ่อน มีความสำคัญอย่างไร ถ้าไม่ทำ softening จะเกิดผลเสียอะไร
วิธีการคำนวณ ขั้นตอนการทำอย่างละเอียด แสดงสูตรเคมี รวมถึงยกตัวอย่างน้ำดิบที่มีค่า hardness 300 mg/L
ความขุ่น 2 NTU ค่าคลอรีนหลงเหลือ 1.5 ppm flow 50 คิวต่อชั่วโมง คำนวณรอบการล้างเกลือ
อธิบายวิธีคำนวณทุกขั้นตอนอย่างละเอียด ใช้เรซิ่น DuPont เริ่มตั้งแต่เลือกปั๊มน้ำดิบ Ebara

ความสำคัญของการทำน้ำอ่อน (Softening)

·       ลดการเกิดหินปูน (Scale) ที่อาจอุดตันท่อ ปั๊ม และเครื่องจักร

·       ช่วยยืดอายุการใช้งานของ RO Membrane, Boiler, ฮีตเตอร์

·       ลดการใช้สารเคมีในการล้างทำความสะอาด

·       ป้องกันความเสียหายของอุปกรณ์ และลดค่าใช้จ่ายซ่อมบำรุง

หากไม่ทำน้ำอ่อน

·       เครื่องจักรเกิดคราบหินปูน ส่งผลให้สูญเสียพลังงาน

·       ความร้อนถ่ายเทได้ช้า ทำให้ประสิทธิภาพลดลง

·       ต้องล้างเครื่องบ่อยด้วยกรด ซึ่งเสี่ยงต่อการกัดกร่อน

·       ค่าซ่อมและเปลี่ยนอุปกรณ์สูงขึ้น

ข้อมูลน้ำดิบที่กำหนด

·       Hardness = 300 mg/L (as CaCO₃)

·       ความขุ่น (NTU) = 2

·       คลอรีนหลงเหลือ = 1.5 ppm

·       Flow rate = 50 ลบ.ม./ชม.

·       เรซิ่น DuPont

·       ปั๊มดูดน้ำ Ebara

1. เลือกปั๊มน้ำดิบ Ebara

·       Flow = 50 m³/h, Assume TDH = 20 m

·       เลือก: Ebara Model: 3M 65-250/22 (Q = 50 m³/h, H = 20 m, 22 kW)

2. การเลือกเรซิ่น DuPont สำหรับ Softening

·       ใช้เรซิ่น DuPont AmberLite™ IR120 Na (strong acid cation, sodium form)

·       Capacity: Typical Total Exchange Capacity = 1.9 eq/L

·       สำหรับ Softening: ใช้ได้จริง ~ 50,000 grains/ft³ = 1070 g CaCO₃/L

3. ปริมาณสารที่ต้องกำจัดต่อวัน

·       Flow: 50 m³/h → วันละ 1200 m³/day

·       Hardness Load = 300 × 1,200,000 = 360,000,000 mg/day = 360 kg/day

4. ปริมาณเรซิ่นที่ต้องใช้

·       Capacity เรซิ่น = 1070 g/L = 1.07 kg/L

·       360 kg / 1.07 kg/L = 336.45 L ของเรซิ่น

·       เผื่อ safety factor 20% → ใช้เรซิ่นประมาณ 400 ลิตร

5. ขนาดถัง Softener

·       Bed Depth = 1.0 m, Freeboard = 0.5 m

·       ใช้ถัง Ø 1.0 m, สูง 2.0 m (volume ~785 L)

·       Resin bed height = 1.0 m → ~400 L

6. สูตรเคมีในกระบวนการ Softening

·       2R-Na + Ca²⁺ → R₂Ca + 2Na⁺

·       2R-Na + Mg²⁺ → R₂Mg + 2Na⁺

7. รอบการล้างเรซิ่น (Regeneration Cycle)

·       300 mg/L hardness = 0.3 g/L

·       1 L resin ใช้ได้น้ำ = 1070 / 0.3 = 3566 L

·       400 L resin = 1,426,400 L ต่อรอบ (~1,426 m³)

·       Flow = 50 m³/h → ~28.5 ชั่วโมง/รอบ

8. การล้างเรซิ่น (Regeneration)

·       NaCl 10% (เกลือแกง), ใช้ ~50 kg ต่อรอบ

·       Backwash: 10–15 นาที

·       Brine Injection: 40–60 นาที

·       Slow Rinse: 10–20 นาที

·       Fast Rinse: 10–20 นาที

9. ระบบ Pre-treatment ที่ควรติดตั้ง

·       Sand Filter: ลด NTU จาก 2 → < 1

·       Carbon Filter: กำจัดคลอรีนตกค้าง

·       Softener: DuPont AmberLite™ IR120 Na

·       Brine Tank: เก็บ NaCl สำหรับล้างเรซิ่น