วัสดุสิ่งทอสำหรับการกรองสาร (Textile Materials for Filtration)

กลับหน้าหลัก

   เนื้อหาในส่วนนี้เป็นเนื้อหาที่เกี่ยวข้องกับการการประยุกต์ใช้วัสดุสิ่งทอหรับใช้เป็นตัวกรอง (Filter)โดยมีการแสดงให้เห็นถึง ความหมายของการกรอง ชนิดและประเภทของการกรอง ชนิดของตัวกรองหรือใส้กรองที่ผลิตมาจากวัสดุสิ่งทอประเภทต่างๆ สมบัติการกักเก็บอนุภาค ตลอดจนโครงสร้างของผ้าทอที่ส่งผลต่อการกรองสาร โดยปัจจุบันนี้มีการนำเอาวัสดุสิ่งทอประเภทเส้นใยสังเคราะห์ มาประยุกต์ใช้ในงานที่เกี่ยวข้องกับการกรองสาร หรือกรองอากาศมากขึ้น ซึ่งข้อมูลทั้งหมดนี้จะมีประโยชน์ต่อการเลือกใช้วัสดุสิ่งทอที่จะใช้เป็นตัวกรองสารที่มีขนาดอนุภาคที่แตกต่างกันออกไป

บทนำ

          วัสดุสิ่งทอสามารถนำไปประยุกต์ใช้สำหรับงานทางด้านอุตสาหกรรมได้หลากหลาย ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับประเภทของอุตสาหกรรมนั้นๆ นอกจากนี้แล้วยังพบว่ามีการนำเอาวัสดุสิ่งทอมาใช้งานในลักษณะเป็นตัวกรองสารต่างๆ เช่น ของเหลว ก๊าช ฝุ่นละออง เป็นต้น ปัจจุบันนี้ธุรกิจอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับการผลิตสิ่งทอที่ใช้สำหรับเป็นตัวกรองสารนั้นเป็นธุรกิจที่มีความสลับซับซ้อนทางด้านเทคนิค และมียอดขายในท้องตลาดในแต่ละปีมีมูลค่ามากกว่า 100 ล้านเหรียญสหรัฐ [1] ธุรกิจทางด้านการกรองสารมีการพัฒนาอยู่ตลอดเวลาจนกลายเป็นอุตสาหกรรมที่มีความซับซ้อนที่สามารถตอบสนองความต้องการการใช้งานในแต่ละประเภทให้มีความเหมาะสม การใช้งานของตัวกรองและอุปกรณ์การแยกสาร จะมีความสัมพันธ์กันกล่าวคือ ตัวกรองจะทำหน้าที่เป็นตัวกลางสำหรับแยกสารส่วนที่ต้องการและไม่ต้องการให้ออกจากกัน ยกตัวอย่างเช่น การกรองกากกาแฟ การกรองอากาศภายในรถยนต์เพื่อให้ได้อากาศที่ดี หรือ การใช้หน้ากากที่มีตัวกรองสำหรับป้องกันกลิ่นของสารเคมีหรือก๊าชพิษเป็นต้น โดยทั่วไปแล้วตัวกรองต่างๆ เหล่านี้มักจะผลิตมาจากผ้าไม่ทอ (nonwoven)และผ้าที่ทอ (woven) ซึ่งมีโครงสร้างที่แตกต่างกันออกไป

ความหมายของการกรอง (Filtration) [1]
ความหมายโดยทั่วไปของการกรอง หมายถึง การจับ (Capture) หรือการกักเก็บอนุภาคขนาดเล็ก (Retention of small particles) จากกระแสการเคลื่อนที่ของก๊าช หรือของเหลวที่มีค่าความต้านทานของการไหลต่ำสุด  สภาวะของการกรองสารมีความแตกต่างกันออกไป ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับ วิธีการ อุปกรณ์สำหรับกรองสาร และชนิดของตัวกรอง (Filter) ที่ใช้

ชนิดของการกรอง (Filtration Types)
          1. การกรองแบบเปียก (Wet filtration)  เป็นการใช้ผ้ากรอง (Filter fabric) สำหรับแยกอนุภาคที่เป็นของแข็งออกจากของเหลว ในลักษณะของก้อนเค๊ก ลักษณะการไหลของของเหลวสำหรับการกรองแบบเปียกนั้น จะมีการไหลแบบอิสระผ่านตัวกลาง โดยที่อนุภาคของของแข็งจะหยุดนิ่งกับที่และไม่ไหลผ่านตัวกลางที่เป็นตัวกรองซึ่งทำมาจากวัสดุสิ่งทอ การกรองลักษณะนี้จะสังเกตได้จากเครื่องกรองน้ำซึ่งภายในมีใส้กรองที่ทำมากจากผ้าไม่ทอ ดังรูปที่ 1เป็นต้น

          2. การกรองแบบแห้ง (Dry filtration) เป็นลักษณะการกรองฝุ่นละอองต่างๆ โดยใช้ถุงกรอง หรือถุงเก็บฝุ่น (Bag filter) การกรองลักษณะนี้สังเกตได้จากเครื่องดูดฝุ่นที่ใช้ทั่วไปตามบ้านเรือน หรือตามโรงงานอุตสาหกรรม (รูปที่ 2)ใส้กรองอากาศทีใช้ในรถยนต์ หรือตัวกรองอากาศที่อยู่ในเครื่องปรับอากาศ วัสดุสิ่งทอที่นำมาใช้งานกรองลักษณะนี้จะใช้ผ้าไม่ทอ (nonwoven) หรือผ้าทอ (woven)

  

การแบ่งประเภทของการกรอง (Classification of Filtration)
          การแบ่งประเภทของการกรองนั้นขึ้นอยู่กับกระบวนการแยกสาร และการกรอง ซึ่งโดยทั่วไปสามารถแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ ได้ดังรูปที่ 3 และมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

          1. การกรองอนุภาค (Particle filtration) การกรองประเภทนี้เป็นเป็นการแยกอนุภาคสารที่มีขนาดมากกว่า 10  ไมโครเมตร การกรองประเภทนี้สามารถทำได้อย่างง่ายและไม่ต้องใช้เมมเบรนที่เป็นรูพรุนขนาดไมโคร (Microporous membrane)
          2. การกรองระดับไมโคร (Microfiltration) การกรองลักษณะนี้เป็นการกรองสารปนเปื้อนให้ออกจากเฟสของของเหลวหรือก๊าช โดยใช้ เมมเบรนที่เป็นรูพรุนขนาดไมโคร (Microporous membrane) โดยรูพรุนจะมีขนาดระหว่าง 0.1 – 10 ไมโครเมตร การกรองประเภทนี้มีลักษณะพื้นฐานที่แตกต่างจากการกรองแบบ Reverse osmosis (RO) และแบบ Nanofiltration (NF)ทั้งนี้เนื่องจากการกรองทั้ง 2 แบบ (RO และ NF) จะต้องมีการใช้แรงดันต่ำไปสู่แรงดันที่สูงขณะทำการกรองสาร แต่ระบบ Microfiltration นั้นจะใช้ระบบแรงดันหรือไม่ใช้ก็ได้
          3. การกรองแบบอัลตร้า (Ultrafiltration; UF) คือการกรองโดยใช้เยื่อบาง (membrane filtration) และใช้แรงดันให้ของเหลวเคลื่อนที่ผ่านเยื่อบาง ที่มีขนาดของรูเปิด ( pore size ) ระหว่าง 1นาโนเมตร (nm) ถึง100นาโนเมตร ใช้สำหรับกรองอนุภาคที่มี น้ำหนักโมเลกุลระหว่าง 300ถึง 500,000ดาลตัน (Dalton) เช่น โปรตีน (protein) เอนไซม์ (enzyme) สตาร์ซ (starch)  เซลล์ของจุลินทรีย์ เช่น แบคทีเรีย ออกจากน้ำและสารโมเลกุลเล็กอื่นๆอัลตร้าฟิลเตรชันมีหลักการคล้ายออสโมซิสผันกลับ (reverse osmosis) แต่ต่างกันที่ใช้กรองอนุภาคที่มีขนาดโมเลกุลใหญ่กว่า และใช้แรงดันต่ำกว่า ออสโมซิสผันกลับ (reverse osmosis) [4]
          4. การกรองแบบนาโน (Nanofiltration; NF) กระบวนการ NF เป็นการกรองเพื่อเอาสารเกลือแร่ (inorganics) ที่ละลายออกจากน้ำ  NF สามารถกรองสารอนินทรีย์ ซึ่งก่อให้เกิดความกระด้าง ออกไป   การกรองผ่าน NF จะไม่มีการล้างกลับทำความสะอาด แต่จะต้องใช้สารเคมีเข้าใปล้างทำความสะอาดแทน  วัสดุที่ใช้ทำไส้กรองจะเป็นพวกเมมเบรนในรูปแบบ Tabular , Hollow Fiber และ Spiral Wound  น้ำที่จะผ่านเข้ามากรองใน NF จะต้องเป็นน้ำที่ใสสะอาดปราศจากสารแขวนลอย   มิฉะนั้นจะเกิดการอุดตันในเมมเบรนอย่างถาวร  หลักการทำงานคล้ายกันกับ RO. เพียงแต่เยื่อกรองมีความละเอียดน้อยกว่า [5]
          5. รีเวอร์ส ออสโมซิส (Reverse Osmosis; RO) เป็นระบบ การกรองละเอียดที่สุดที่มีอยู่ใน เมมเบรนRO ทำหน้าที่เหมือนเป็นชั้นกั้นเกลือ ละลายน้ำและ โมเลกุลอนินทรีย์สารทุกชนิดเช่นเดียวกับโมเลกุลของสารอนินทรีย์ ที่มีน้ำหนักโมเลกุลโดยประมาณมากกว่า 100แต่โมเลกุลน้ำลอด ผ่านเข้าไป ใน เมมเบรน ได้อย่างสะดวกและรวมตัวเป็นน้ำที่บริสุทธิ์ ซึ่งปกติเกลือที่ละลายน้ำจะถูกกำจัดได้ 95 %ถึงมากกว่า 99% มีการประยุกต์ ใช้งาน RO มากมายหลายวิธี  เช่นการกำจัดเกลือแร่ของน้ำทะเลหรือน้ำกร่อยสำหรับทำน้ำดื่มการนำน้ำเสียกลับมาใช้ในกระบวนการ ทำอาหาร และเครื่องดื่ม การแยกสารปฏิชีวนะ การทำน้ำบริสุทธิ์สำหรับดื่มในบ้าน และใช้ในกระบวน การของโรงงานอุตสาหกรรม นอกจากนั้นยังพบ ว่าการใช้ RO ได้บ่อยครั้งในการผลิตน้ำที่มีความ บริสุทธิ์สูง มากๆ  สำหรับในการผลิตยา หรือในห้องปฏิบัติ[6]

ชนิดของตัวกรอง หรือใส้กรอง (Filter media) และสมบัติการกักเก็บอนุภาค
ชนิดของตัวกรองหรือใส้กรองที่ทำมาจากวัสดุสิ่งทอ และถูกนำมาใช้สำหรับกรองสารต่างๆ ตลอดจนสมบัติการกักเก็บอนุภาคแสดงได้ดังตารางที่ 1

ตารางที่ 1ชนิดของตัวกรองหรือใส้กรองที่ผลิตมาจากวัสดุสิ่งทอ และสมบัติการกักเก็บอนุภาค [1]

 

ชนิดตัวกรอง หรือใส้กรอง	ขนาดอนุภาคที่เล็กที่สุดที่ถูกกักเก็บ (ไมโครเมตร)
ผ้าทอ(woven fabric)	5
ผ้าที่เป็นตาข่ายเชื่อมโยง (Link fabric)	200
ผ้าไม่ทอ (Nonwoven) ชนิด Filter sheets	0.5
ผ้าไม่ทอ (Nonwoven) ชนิด Felts และ Media felts	10
ผ้าไม่ทอ (Nonwoven) ชนิด Paper media-cellulose-glass	5
ผ้าไม่ทอ (Nonwoven) ชนิด Bonded media	2
เส้นใยซึ่งมีลักษณะเรียงตัวกันอย่างดี (Loose fiber)	< 1
เส้นใยที่นำไปทำเป็นผง  (Loose powder)	< 0.1

ชนิดของเส้นใยและสมบัติพื้นฐานสำหรับผลิตตัวกรอง หรือใส้กรอง
ในการผลิตตัวกรองหรือใส้กรองที่ทำมาจากวัสดุสิ่งทอนั้นจำเป็นจะต้องทราบสมบัติพื้นฐานของเส้นใยแต่ละชนิดทั้งนี้เพื่อการนำไปใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ สมบัติพื้นฐานต่างๆ ของเส้นใยที่จะนำไปใช้ทำเป็นตัวกรองหรือใส้กรองปรากฎดังตารางที่  2

ตารางที่ 2 เส้นใยและสมบัติของเส้นใยที่จะนำไปใช้ทำเป็นตัวกรองหรือใส้กรอง [1]

 

เส้นใย	ความหนาแน่น (กรัม/ซีซี.)	อุณหภูมิสูงสุดที่รับได้ขณะกรองสาร	ความคงทนต่อ
			กรด	ด่าง	สารออกซิไดซ์	ไฮโดรไลซิส
Polypropylene	0.91	95	ดีมาก	ดีมาก	ต่ำ	ดี
Polyethylene	0.95	85	ดีมาก	ดีมาก	ต่ำ	ดี
Polyester (PBT)	1.28	100	ดี	ต่ำ	พอใช้	ต่ำ
Polyester (PET)	1.38	100	ดี	ต่ำ	พอใช้	ต่ำ
Polyamide 6,6	1.14	110	ต่ำ	ดี	ต่ำ	พอใช้
Polyamide 11	1.04	100	ต่ำ	ดี	ต่ำ	พอใช้
Polyamide 12	1.02	100	ต่ำ	ดี	ต่ำ	พอใช้
Polyvinylidene chloride(PVDC)	1.70	85	ดีมาก	ดี	ดีมาก	ดี
Polyvinylidene Fluoride (PVDF)	1.78	100	ดีมาก	ดีมาก	ดี	ดีมาก
Polytetrafluoroethylene (PTFE)	2.10	150+	ดีมาก	ดีมาก	ดีมาก	ดีมาก
Polyphenylene sulfide (PPS)	1.37	150+	ดีมาก	ดีมาก	พอใช้	ดีมาก
Polyvinyl chloride (PVC)	1.37	80	ดีมาก	ดีมาก	พอใช้	ดีมาก
Polyether ether ketone (PEEK)	1.30	150+	ดี	ดี	พอใช้	ดีมาก

ลักษณะโครงสร้างผ้าทอต่อสมบัติของตัวกรอง

            ในการใช้ผ้าทอเป็นตัวกรองสารนั้นจะต้องคำนึงถึงปัจจัยที่เกี่ยวข้องซึ่งประกอบไปด้วย
            จำนวนเกลียวของเส้นด้าย กล่าวคือถ้าใช้จำนวนเกลียวมากจะส่งผลให้อัตราการไหลลดลง ดังรายละเอียดตามตารางที่ 3

ตารางที่  3ผลของจำนวนเกลียวในเส้นด้ายต่ออัตราการไหล [1]

จำนวนเกลียวต่อนิ้ว	% การไหลผ่านของสารในเส้นด้าย
1.5–3.0	95-98
15	70
35	2

 

        ลักษณะโครงสร้างของผ้าทอ โดยโครงสร้างการทอพื้นฐาน (ลายขัด (Plain) ลายทะแยง (Twill) และลายต่วน (Satin)) จะส่งผลต่อการกรองที่แตกต่างกันออกไป รายละเอียดแสดงได้ดังตารางที่ 4

ตารางที่ 4ผลของโครงสร้างลายทอต่อสมบัติของตัวกรองสารที่ผลิตมาจากผ้า [1]

 

สมบัติ	โครงสร้างการทอ
	ลายขัด	ลายทะแยง	ลายต่วน
ความคงรูป (Rigidity)	ดีที่สุด	พอใช้	ต่ำ
การบีบอัด(Bulk)	ต่ำ	ดีที่สุด	ดีที่สุด
การไหลเวียนภายใน (Initial Flow rate)	ต่ำ	ดี	ดีที่สุด
ประสิทธิภาพการกักเก็บ (Retention efficiency)	ดีที่สุด	พอใช้	ต่ำ
การลำเลียงตะกอน (Cake release)	ดี	ต่ำ	ดีที่สุด

         จากข้อมูลจะสังเกตได้ว่าวัสดุสิ่งทอที่อยู่ในรูปแบบผ้าทอซึ่งมีโครงสร้างที่แตกต่างกัน หรืออยู่ในรูปแบบผ้าไม่ทอ (nonwoven) และผลิตมาจากเส้นใยสังเคราะห์นั้น สามารถที่จะนำมาใช้เป็นตัวกรองได้และสามารถให้ประสิทธิภาพดีในการกรอง ทั้งนี้ในการเลือกใช้งานจะต้องเลือกชนิดของเส้นใยให้มีความเหมาะสมกับอนุภาคของสารที่จะกรอง

เอกสารอ้างอิง
         [1] Kumar S. R.  Textiles for Industrial Applications. Florida: CRC Press. (2014). pp. 197-215.
         [2] http://www.108mart.com/product-id41586.html.
         [3] http://sunfao.com/products.php?act=product-list&cate=3-&id=6
         [4] http://www.foodnetworksolution.com/wiki/word/0885/ultra-filtration-
         [5] http://www.toprich.co.th/th/products/industrial/nanofiltration-nf/
         [6] http://www.neutron.rmutphysics.com/physicsboard/forum/index.php?topic=711.0
         [7] http://www.pub.gov.sg/LongTermWaterPlans/wfall_3rdtapa.html

สนับสนุนบทความโดย : วารสาร Colourway

เรียบเรียงโดย : ดร.รัตนพล มงคลรัตนาสิทธิ์1 อาจารย์ณัฐดนย์  รุ่งเรืองกิจไกร2 และ ดร.มนัส แป้งใส3
         1. สาขาวิชาเทคโนโลยีเคมีสิ่งทอ คณะอุตสาหกรรมสิ่งทอและออกแบบแฟชั่น มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลพระนคร
         2. ภาควิชาวิทยาการสิ่งทอ คณะอุตสาหกรรมเกษตร มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
         3. ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล สาขาวิศวกรรมยานยนต์ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ