การทำน้ำให้บริสุทธิ์โดยการกลั่น

เรียบเรียง เอกดนัย กอกิมพงษ์

        การกลั่นเป็นวิธีการทำน้ำให้บริสุทธิ์ทางกายภาพวิธีหนึ่งซึ่งใช้กันมานาน ทำโดยการต้มน้ำจนเดือด แล้วให้ไอน้ำกลั่นตัวที่คอนเดนเซอร์ซึ่งมีอุณหภูมิต่ำมาก ไอน้ำจะกลั่นตัวกลายเป็นหยดน้ำซึ่งเป็นน้ำที่บริสุทธิ์ วิธีนี้สามารถกำจัดเชื้อต่างๆได้หลายชนิด เช่น แบคทีเรีย เชื้อรา และไวรัส สำหรับในห้องปฏิบัติการ น้ำกลั่นเป็นสิ่งสำคัญเพราะเป็นส่วนประกอบสำคัญในการทำปฏิกิริยา โดยมีเครื่องกลั่นน้ำ (Distillation Equipment) เป็นเครื่องมือที่นิยมใช้สำหรับผลิตน้ำกลั่น ซึ่งเครื่องมือนี้นอกจากจะใช้สำหรับกลั่นน้ำแล้วยังสามารถใช้ร่วมในปฏิกิริยาการวิเคราะห์หลายอย่าง เช่นการไทเทรต และการทำปฏิกิริยา Kjeldahlการทำน้ำให้บริสุทธิ์โดยการกลั่น

การกลั่น (Distillation)
        การกลั่นเป็นวิธีที่สำคัญที่สุดวิธีหนึ่งในการทำของเหลวให้บริสุทธิ์ ใช้สำหรับแยกของเหลวที่ผสมรวมกับของแข็ง หรือแยกของเหลว 2 ชนิดขึ้นไปที่ผสมจนกลายเป็นสารละลายเนื้อเดียวกันออกจากกัน โดยอาศัยความแตกต่างของจุดเดือดเป็นปัจจัยในการแยกการกลั่นเป็นกระบวนการที่ทำให้ของเหลวได้รับความร้อนจนกลายเป็นไอ แล้วทำให้ไอน้ำควบแน่นกลับมาเป็นของเหลวอีกครั้ง ในขณะที่กลั่นของเหลวผสม ของเหลวที่มีจุดเดือดต่ำจะกลายเป็นไอแยกออกมาก่อน แล้วของเหลวที่ที่มีจุดเดือดสูงกว่าจะแยกออกมาภายหลัง

ประเภทของการกลั่น
        การกลั่นมีหลายประเภท ได้แก่ การกลั่นแบบธรรมดา การกลั่นลำดับส่วน และการกลั่นด้วยไอน้ำการกลั่นแบบธรรมดา (Simple distillation) การกลั่นแบบธรรมดาเหมาะสำหรับการแยกสารละลายที่ตัวถูกละลายเป็นสารที่ระเหยยาก มีจุดเดือดสูงกว่าตัวทำละลายมาก (ต่างกันมากกว่า 80 องศาเซลเซียส) เช่น น้ำเชื่อม น้ำเกลือ นอกจากนี้ ยังใช้แยกของเหลว 2 ชนิด ที่มีจุดเดือดต่างกันมากๆ ออกจากกันได้ โดยในขณะกลั่น ตัวทำละลายจะถูกแยกออกมาแต่ตัวถูกละลายจะยังคงอยู่ในขวดกลั่น จึงทำให้สามารถแยกตัวทำละลายบริสุทธิ์ออกจากสารละลายได้ตัวอย่างของการกลั่นแบบธรรมดา ได้แก่ การกลั่นน้ำเกลือ ซึ่ง
ประกอบไปด้วย น้ำ (จุดเดือด 100 องศาเซลเซียส) และเกลือโซเดียมคลอไรด์ (จุดเดือด 1,413 องศาเซลเซียส) เมื่อสารละลายได้รับความร้อน จะมีแต่น้ำเท่านั้นที่กลายเป็นไอออกมา เมื่อไอน้ำผ่านเข้าไปในคอนเดนเซอร์ ซึ่งมีน้ำเย็นไหลเวียนตลอดเวลาไอน้ำจะควบแน่นกลายเป็นน้ำบริสุทธิ์ออกมา ในขณะที่เกลือยังคงอยู่ในสารละลายในขวดกลั่น ถ้ายังคงกลั่นต่อไปจนแห้งจะเหลือแต่เกลืออยู่ในขวดกลั่น จึงทำให้สามารถแยกน้ำกับเกลือออกจากกันได้

การกลั่นลำดับส่วน (Fractional distillation)
        การกลั่นลำดับส่วนเหมาะสำหรับกลั่นแยกของเหลวที่มีจุดเดือดใกล้เคียงกัน (ต่างกันน้อยกว่า 80 องศาเซลเซียส) หรือแยกสารละลายที่มีตัวทำละลายและตัวถูกละลายเป็นสารที่ระเหยง่ายทั้งคู่ การกลั่นแบบธรรมดาครั้งเดียวไม่สามารถแยกสารออกมาให้บริสุทธิ์ได้จะต้องทำการกลั่นซ้ำหลายครั้งจึงจะแยกสารทั้ง 2 ชนิดให้บริสุทธิ์ได้ (เช่น การกลั่นน้ำผสมเอทานอล)
        ซึ่งเป็นการสิ้นเปลืองพลังงงานโดยไม่จำเป็น และต้องใช้เวลามาก จึงได้มีการทำการกลั่นในคอลัมน์ลำดับส่วนหรือหอกลั่น ซึ่งทำหน้าที่เป็นเหมือนกับเป็นการกลั่นซ้ำหลายๆ ครั้ง โดยหอกลั่นยิ่งสูงเท่าไหร่ สารที่ได้จากการกลั่นก็จะยิ่งมีความบริสุทธิ์มากขึ้นเท่านั้น แต่ก็จะทำให้ใช้พลังงานมากขึ้นด้วยการกลั่นในหอกลั่นนี้เรียกว่า การกลั่นลำดับส่วน ตัวอย่างของการกลั่นลำดับส่วน ได้แก่ การกลั่นน้ำมันดิบหรือน้ำมันปิโตรเลียม

การกลั่นด้วยไอน้ำ (Steam distillation)
        การกลั่นด้วยไอน้ำเป็นเทคนิคอย่างหนึ่งของการสกัดด้วยตัวทำละลาย โดยใช้ไอน้ำเป็นตัวทำละลาย ซึ่งจะละลายและพาสารที่ต้องการออกจากของผสมได้ ส่วนใหญ่การกลั่นด้วยไอน้ำมักจะใช้สำหรับสกัดสารอินทรีย์ออกจากส่วนต่างๆของพืช เช่น การสกัดน้ำมันหอมระเหยจากตะไคร้และใบมะกรูด เป็นต้น

รูป 1 การกลั่นแบบธรรมดา

รูปที่ 2 การกลั่นลำดับส่วน

       หลักการที่สำคัญของการสกัดโดยการกลั่นดว้ ยไอน้ำคือ “สารที่ต้องการสกัดจะต้องระเหยได้ง่าย สามารถให้ไอน้ำพาออกมาจากของผสมได้ และสารที่สกัดได้จะต้องไม่รวมเป็นเนื้อเดียวกับน้ำหรือไม่ละลายน้ำ” (เพราะถ้าของเหลวที่ได้จากการกลั่นสามารถละลาย ในน้ำได้จะต้องนำของเหลวนั้นไปกลั่นแยกอีกครั้งเพื่อให้ได้ของเหลวบริสุทธิ์ออกมา) หลังจากของเหลวที่สกัดด้วยไอน้ำถูกแยกออกมาจากของผสมแล้ว ของเหลวจะแยกเป็น 2 ชั้น โดยชั้นหนึ่งเป็นน้ำส่วนอีกชั้นหนึ่งเป็นของเหลวที่ต้องการ ซึ่งสามารถใช้กรวยแยกเพื่อแยกออกจากกันได้ ตัวอย่างของการกลั่นด้วยไอน้ำ ได้แก่การสกัดน้ำมันหอมระเหยจากพืช เช่น เปลือกส้ม เป็นต้น

เครื่องกลั่นน้ำ
        เครื่องกลั่นน้ำ (Water Distillation Equipment) เป็นเครื่องมือที่นิยมใช้กลั่นน้ำเพื่อใช้ในห้องปฏิบัติการ มีส่วนประกอบที่สำคัญ 2 ส่วน คือ ส่วนกลั่น (Distillation Chamber) และส่วนควบคุม (Control Panel)

Distillation Chamber
        สำหรับส่วนกลั่นประกอบไปด้วยชุดกลั่น คือมี ภาชนะใส่ของเหลว เริ่มต้นหรือขวดกลั่น ส่วนทำความร้อน distillation column คอนเดนเซอร์และภาชนะรองรับของเหลวจากการกลั่น ซึ่งภาชนะในส่วนกลั่นนี้ส่วนใหญ่จะทำมาจากแก้วชนิด borosilicate หรือ fused quartz, tin และ titanium ส่วนกลั่นสามารถมองเห็นได้จากภายนอก ทำให้สังเกตกระบวนการกลั่นได้ชัดเจน ผ่านกระจกกันความร้อน (plexiglass) ซึ่งปิดส่วนกลั่นเอาไว้ เครื่องกลั่นบางรุ่นจะสามารถใช้ภาชนะแก้วทั่วไป เช่น ฟลาส หรือ บีกเกอร์ มาทำเป็นขวดกลั่นและภาชนะรองรับได้ แต่บางรุ่นจะต้องใช้ภาชนะเฉพาะที่มากับเครื่องเท่านั้น นอกจากนี้ในเครื่องกลั่นบางชนิด อาจจะมีส่วนประกอบที่ใช้ในงานวิเคราะห์โดยเฉพาะ เช่น การไทเทรต และการทำปฏิกิริยา Kjeldahl ด้วย
        ส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดของส่วนกลั่นคือคอนเดนเซอร์ เพราะคอนเดนเซอร์เป็นส่วนที่ทำให้ไอน้ำที่ระเหยออกมาจากการให้ความร้อน เกิดการควบแน่นและกลั่นตัวกลับมาเป็นหยดน้ำอีกครั้งอุณหภูมิบริเวณคอนเดนเซอร์จึงควรมีอุณหภูมิที่ต่ำมากๆ เพื่อให้มีอัตราการควบแน่นสูง โดยทั่วไปจะใช้น้ำเย็นหล่อเลี้ยงอยู่รอบคอนเดนเซอร์ และต้องมีการหมุนเวียนน้ำเย็นอยู่ตลอดเวลาเพื่อไม่ให้เกิดความร้อนสะสมอยู่ในคอนเดนเซอร์

Control Panel
        ส่วนควบคุมใช้สำหรับตั้งโปรแกรมการทำงาน เช่น อุณหภูมิและเวลาที่ใช้ในการกลั่น กำหนดการทำงานในการวิเคราะห์เช่น การปล่อยสารละลายในการไทเทรต และยังสามารถคำนวณผล การวิเคราะห์ได้ นอกจากนี้ในเครื่องกลั่นรุ่นใหม่ๆยังสามารถเชื่อมต่อเข้ากับเครื่องคอมพิวเตอร์ หรือเครื่องพิมพ์(printer) ทำให้สามารถรายงานผลและพิมพ์ผลการทดลอง หรือผลการทำงานออกมาได้ทันทีอีกด้วย

รูปที่ 3 การกลั่นด้วยไอน้ำ

รูปที่ 4 เครื่องกลั่นน้ำที่ใช้ในห้องปฏิบัติการ

เทคโนโลยีของเครื่องกลั่นน้ำในปัจจุบัน
       Spinning Band Distillation เทคโนโลยีนี้เป็นการใช้เทคนิคการบิดเกลียวของ band ภายใน distillation column เพื่อสร้างให้เกิด plate จำนวนมาก โดย band เกลียวนี้จะทำมาจากเทฟลอนหรือโลหะ โดยชนิดเทฟลอนจะใช้สำหรับการกลั่นภายใต้อุณหภูมิที่ต่ำกว่า 225 องศาเซลเซียส ส่วนแบบโลหะจะใช้กับการกลั่นที่อุณหภูมิสูงกว่าซึ่งเทฟลอนไม่สามารถทนได้ โดยปกติแล้วการกลั่นจะใช้สำหรับแยกสารที่มีจุดเดือดต่างกัน 2 ชนิด สำหรับเครื่องกลั่นชนิด spinning band นี้ จะใช้ส่วนของ band เพื่อเพิ่มแรงดันบรรยากาศภายใน ซึ่งจะทำให้สารที่มีจุดเดือดสูงกว่ากลั่นตัวย้อนกลับไปที่ภาชนะเริ่มต้นในขณะที่สารที่มีจุดเดือดต่ำกว่าจะระเหยและลอยตัวอออกมาจาก band แล้วกลั่นตัวเป็นหยดน้ำภายในภาชนะรองรับ ดังรูปที่ 5 ทำให้สามารถแยกสารละลายที่เป็นสารผสม 2 ชนิด ได้ดีกว่าการใช้ distillation column แบบเดิม

Distillation systems with integrated titration
        ปัจจุบันเครื่องกลั่นมีการเชื่อมต่อกับระบบดูด-จ่ายสารละลายและหัววัด pH ทำให้สามารถทำการไทเทรตได้ โดยเมื่อนำสารละลายตั้งต้นมากลั่น ไอน้ำที่กลั่นตัวออกมาจะหยดลงสู่ภาชนะรองรับ ซึ่งใช้เป็นภาชนะสำหรับการไทเทรตทันที โดยมีส่วนควบคุมที่สามารถกำหนดการจ่ายสารละลายและควบคุมค่า pH ทำให้สามารถหาค่า endpoint ของการไทเทรตได้ มักจะใช้เครื่องกลั่นชนิดนี้กับการวิเคราะห์ในปฏิกิริยา Kjeldahl

ประโยชน์ของเครื่องกลั่นน้ำ
การกลั่น
        การใช้งานหลักของเครื่องกลั่นก็คือการกลั่นน้ำ ซึ่งเป็นการทำให้น้ำมีความบริสุทธิ์มากขึ้น หรืออาจใช้สำหรับกลั่นแยกสารก็ได้ถ้าน้ำที่จะนำมากลั่นมีปริมาณแคลเซียม แมกนีเซียม และไบคาร์บอเนตอิออนสูง จำเป็นต้องกำจัดแร่ธาตุต่างๆเหล่านี้ก่อนเพื่อป้องกันการเกิดตะกรัน โดยอาจใช้การทำ reverse osmosis หรือ deionization ก่อนก็ได้ และในการกลั่นควรเติมกรดแร่ เช่น กรดซัลฟุริกลงในขวดกลั่นเล็กน้อย เพื่อกำจัดก๊าซแอมโมเนีย หรืออาจนำน้ำที่กลั่นได้มาต้มเพิ่มอีก 15 นาที แล้วทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว และปิดด้วยหลอดแก้วที่บรรจุโซดาไลม์หรือแอสคาไรด์เพื่อป้องกันก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

การไทเทรตและการใช้งานในปฏิกิริยา Kjeldahl
       ดังที่ได้กล่าวไปข้างต้นแล้ว ว่าเครื่องกลั่นสามารถนำมาใช้ร่วมในปฏิกิริยาการไทเทรตและการวิเคราะห์ในปฏิกิริยา Kjeldahl ได้ โดยในปฏิกิริยา Kjeldahl นั้นจะมีขั้นตอนการกลั่นเพื่อระเหยก๊าซแอมโมเนียออกจากสารละลายผสม แล้วจับก๊าซแอมโมเนียที่ได้ด้วยสารละลายกรด จากนั้นจึงทำการไทเทรตกลับเพื่อหาปริมาณกรดที่เหลือ (สามารถอ่านข้อมูลเพิ่มเติมของการวิเคราะห์โปรตีนด้วยปฏิกิริยา Kjeldahl เพิ่มเติมได้ใน LAB.TODAY ฉบับที่ 23)

รูปที่ 5 Spinning Band Distillation

รูปที่ 6 เครื่องกลั่นที่ใช้ในปฏิกิริยา Kjeldahl

สรุป
        การกลั่นเป็นวิธีที่ดีที่สุดวิธีหนึ่งที่ใชส้ ำหรับการทำน้ำใหบ้ ริสุทธ์เพราะสามารถทำได้โดยง่าย แต่ก็มีข้อจำกัดบางประการ เช่น ต้องใช้พลังงานมาก และอาจจะได้น้ำที่ไม่บริสุทธิ์เพียงพอกับความต้องการในการใช้งาน สำหรับเครื่องกลั่นน้ำที่ใช้ในห้องปฏิบัติการนั้น นอกจากจะใช้สำหรับกลั่นน้ำแล้ว ยังสามารถใช้ในการวิเคราะห์ปฏิกิริยาบางชนิดได้ด้วย จึงนับเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์หลายอย่างและทำให้การใช้งานเครื่องมือเป็นไปได้อย่างคุ้มค่า

เอกสารอ้างอิง
1. อังสนา ฉั่วสุวรรณ, Reagent water: น้ำสำหรับหอ้ งปฏิบัติการ,
    http://www.dss.go.th/dssweb/st-articles/files/cp_10_2546_reagent_water.pdf
2. Vapodest, Rapid Distillation Systems catalog, Gerhardt
3. http://lorien.ncl.ac.uk/ming/distil/distil0.htm
4. http://www.tiscali.co.uk/reference/encyclopaedia/hutchinson/m0020819.html
5. http://www.brinstrument.com/fractional-distillation/spinning_band_distillation.html

LAB.TODAY
บทความบางส่วนติดตามได้ในเล่ม
เว็บไซต์ที่เกี่ยวข้อง www.vertichrom.com, www.ligandsci.com