การกรองด้วยแรงดันเชิงกล แรงดันออสโมทิก และสนามไฟฟ้า

การกรองด้วยแรงดันเชิงกล แรงดันออสโมทิก และสนามไฟฟ้า

จินดา ยืนยงชัยวัฒน์

สาขาวิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏบ้านสมเด็จเจ้าพระยา

บทคัดย่อ

การกรองโดยทั่วไป มักกล่าวถึงการแยกสารด้วยแรงดันเชิงกล ในการแยกอนุภาคของแข็งออกมาจากของเหลว ด้วยกระดาษกรองและเมมเบรน แต่ในความเป็นจริงแล้วการแยกสารโดยการกรอง อาศัยหลักการที่ว่า ตัวกั้น (Barrier) ป้องกันไม่ให้เกิดการเคลื่อนที่ของสารส่วนใหญ่แต่ยอมให้สปีชีย์ที่สนใจอาจมากกว่า 1 สปีชีย์เคลื่อนที่ผ่านตัวกั้น ซึ่งได้แก่ ตัวกรอง เมมเบรน หรือวัสดุมีรูพรุนต่างๆ ด้วยแรงขับชนิดต่างๆ เช่น แรงดันเชิงกล (Mechanical pressure) ใช้ในวิธีการกรองไมโครฟิลเทรชัน (Microfiltration) อัลทราฟิลเทรชัน (Ultrafiltration) และออสโมซิสผันกลับ (Reverse osmosis) ความแตกต่างของศักย์ทางเคมี ใช้ในวิธี การแพร่ของแก๊ส (Gas diffusion) ออสโมซิส (Osmosis) และไดอะไลซิส (Dialysis) และสนามไฟฟ้า ใช้ในวิธีอิเล็กโทรไดอะไลซิส (Electrodialysis) เป็นต้น ในบทความนี้จะกล่าวถึงการกรองด้วยแรงดันเชิงกล แรงดันออสโมทิก และสนามไฟฟ้า

เนื้อเรื่อง

บทความนี้กล่าวถึงวิธีการแยกที่พัฒนามาจากการกรอง โดยใช้แรงขับ ชนิดแรงดันเชิงกล แรงดันออสโมทิก และสนามไฟฟ้า ดังแสดงในตารางที่ 1

1. การแยกด้วยแรงดันเชิงกล ได้แก่

1.1 การกรองโดยทั้วไป ใช้แยกอนุภาคแขวนลอยที่มีขนาดมากกว่า 10 ไมโครเมตร (จินดา ยืนยงชัยวัฒน์, 2566, หน้า 1–3)

1.2 ไมโครฟิลเทรชัน ใช้แยกอนุภาคแขวนลอยที่มีขนาดอยู่ในช่วง 0.02 ถึง 10 ไมโครเมตร

1.3 อัลทราฟิลเทรชัน แยกตัวละลายที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่า 0.02 ไมโครเมตร ภายใต้ความดันอุทกสถิต (Hydrostatic pressure) ในช่วง 1 ถึง 10 บรรยากาศ ทำให้ตัวทำละลายและตัวละลายที่มีขนาดเล็กไหลผ่านเมมเบรนแยกออกจากตัวละลายที่มีขนาดใหญ่ ใช้ในการทำให้บริสุทธิ์ (Purify) การเพิ่มความเข้มข้น (Concentration) และแยกแมคโครโมเลกุล หรือสารแขวนลอยต่างๆ

1.4 ออสโมซิสผันกลับ ใช้ในการแยกตัวละลาย ที่มีขนาดใกล้เคียงกับตัวทำละลาย การแยกเกิดขึ้นผ่านเมมเบรนกึ่งซึมผ่านได้ (Semipermeable membrane) โดยให้ความดันอุทกสถิต ในช่วง 10 ถึง 100 บรรยากาศ ทำให้โมเลกุลของตัวละลายเคลื่อนที่จากสารละลายที่มีความเข้มข้นสูง ไปยังด้านตัวทำละลายบริสุทธิ์ หรือด้านสารละลายที่เจือจางกว่า ใช้ในการผลิตน้ำดื่มจากน้ำทะเล การเพิ่มความเข้มข้นของเวย์โปรตีนในอุตสาหกรรมนมและชี้ท และทำให้น้ำบริสุทธิ์จากอุตสาหกรรมเหมืองแร่

2. การแยกด้วยแรงดันออสโมทิก ได้แก่วิธี

2.1 ออสโมซิส เป็นการกรองผ่านเมมเบรนกึ่งซึมผ่านได้ เช่นเดียวกับออสโมซิสผันกลับ แต่ต่างกันคือ โดยการให้ความดันที่สูงกว่าความดันออสโมทิก (Osmotic pressure) ทำให้โมเลกุลของตัวทำละลายเคลื่อนที่จากจากสารละลายที่มีความเข้มข้นต่ำกว่า ผ่านเมมเบรน

2.2 ไดอะไลสิส เป็นการแยกตัวละลายที่เฉพาะเจาะจงหนึ่งชนิดหรือมากกว่า ด้านความเข้มข้นสูงเคลื่อนที่ผ่านเมมเบรน สู่ความเข้มข้นต่ำ ภายใต้แรงขับความเข้มข้น โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่าตัวไดอะไลเซอร์ ทำหน้าที่ปั๊มของเหลว 2 ชนิดไหลสวนทางกันผ่านเมมเบรน เช่น การฟอกเลือด ของผู้ป่วยที่มีปัญหาโรคไต โดยโมเลกุลของของเสียขนาดเล็กในเลือดผู้ป่วย เช่น ยูเรีย กรดยูริก เคลื่อนที่ผ่านเมมเบรนไปยังด้านซึมผ่าน โดยควบคุมให้ด้านซึมผ่านมีความดันออสโมทิกเท่าด้านในเลือดผู้ป่วย ทำให้เลือดที่สะอาดกลับไปยังผู้ป่วย

3. การแยกด้วยสนามไฟฟ้า ได้แก่วิธี อิเล็กโทรไดอะไลซิส (Electrodialysis) ใช้เมมเบรนที่มีประจุไฟฟ้าในการแยกไอออนในสารละลาย ภายใต้แรงขับจากกระแสไฟฟ้า กระบวนการนี้ใช้ในขจัดเกลือออกจากน้ำ แยกเกลือจากน้ำทะเล และลดความเป็นกรดในน้ำมะนาว

บทสรุป

การแยกสารด้วยการกรอง นอกจากอาศัยแรงดันเชิงกลแล้ว ยังสามารถใช้ แรงดันออสโมทิก และสนามไฟฟ้า การเลือกการใช้แรงขับในการแยกสารด้วยวิธีใด ขึ้นกับขนาดอนุภาค ลักษณะการนำไปใช้ประโยชน์ เป็นต้น

เอกสารอ้างอิง

1. Serban C. Moldoveanu & Victor David. (2002). Sample preparation in Chromatography (Vol. 65). Elsevier.

2. จินดา ยืนยงชัยวัฒน์. (2566). การแยกสารโดยการกรอง. https://medium.com/@jinda.ye/การแยกสารโดยการกรอง-411da1246873.