บทความ: “ไซโคลน” เครื่องมือคัดแยกฝุ่นในภาคอุตสาหกรรม
ปัญหามลพิษทางอากาศของละอองฝุ่นขนาดเล็ก (particulate matter, PM) ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็กกว่า 10 ไมครอน หรือ PM10 ไปจนถึงเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็กกว่า 2.5 ไมครอน หรือ PM2.5 เป็นประเด็นที่ได้รับความสนใจอย่างมากในประเทศไทยในช่วงปีที่ผ่านมา (รูปที่ 1 มลพิษทางอากาศในกรุงเทพมหานคร ปี 2562) ฝุ่นละอองเหล่านี้สามารถเข้าสู่ระบบทางเดินหายใจและส่งผลกระทบต่อสุขภาพและคุณภาพชีวิตของประชาชน (Jan, Roy, Yadav, & Satsangi, 2017) โดยเฉพาะโรคเรื้อรังในระบบทางเดินหายใจ เช่น หอบหืด ถุงลมโป่งพอง และโรคปอดอุดกั้นเรื้อรัง เป็นต้น (Xing, Xu, Shi, & Lian, 2016) แหล่งกำเนิดฝุ่นที่พบได้มากที่สุดในประเทศไทยแบ่งตามขนาดของละอองฝุ่น คือ ละอองฝุ่นขนาดเล็กที่พบได้จากการเผาไหม้ของเชื้อเพลงในยานพาหนะ และการเผาไหม้ชีวมวล ส่วนละอองฝุ่นขนาดใหญ่มักพบได้จากการก่อสร้างอาคารและการพัดพาของดิน (Chuersuwan, Nimrat, Lekphet, & Kerdkumrai, 2008; Wimolwattanapun, Hopke, & Pongkiatkul, 2011)
ตารางที่ 1 ประสิทธิภาพในการคัดแยกอนุภาคของอุปกรณ์ต่าง ๆ (Rhodes, 2008)
| อุปกรณ์ | ช่วงขนาดอนุภาคในการคัดแยกที่เหมาะสม (ไมครอน) | ประสิทธิภาพในการคัดแยก (%) |
| แผ่นกรอง | 0.1-2.0 | 80-99 |
| เครื่องคัดแยกอนุภาคด้วยไฟฟ้าสถิต | 0.2-10.0 | 55-99 |
| เครื่องคัดแยกอนุภาคแบบเปียก | 0.2-50.0 | 10-99 |
| ไซโคลน | 0.5-100.0 | 1-99 |
ไซโคลนเป็นเครื่องมือคัดแยกอนุภาคของแข็ง (ละอองฝุ่น) ออกจากของไหล (ของเหลว หรือ ก๊าซ) โดยอาศัยแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง (Rhodes, 2008) ดังแสดงในรูปที่ 2 ที่ตำแหน่งทางเข้าของไซโคลน อนุภาคของแข็งที่ผสมกับของไหลจะถูกป้อนเข้ามา โดยอนุภาคของแข็งจะเคลื่อนที่ไปตามผนังของไซโคลนที่เป็นรูปทรงกระบอก ทำให้เกิดไหลแบบหมุนวน และ ก่อตัวเป็นกระแสหมุนวน (vortex) ขณะที่อนุภาคของแข็งถูกเหวี่ยงอยู่ในกระแสหมุนวนจะเกิดแรงในแนวสัมผัส (tangential force) ที่จะผลักให้อนุภาคของแข็งเคลื่อนตัวออกจากศูนย์กลางกระแสวนออกสู่ผนังไซโคลน ด้านล่างของไซโคลนที่ลักษณะเป็นทรงกรวยที่ปลายทางออกมีลักษณะบีบเข้า ทำให้กระแสวนมีการเปลี่ยนทิศทางการไหลสวนทางย้อนกลับขึ้นด้านบน ด้วยความต่างของความหนาแน่นของของไหลและอนุภาคของแข็ง จึงทำให้อนุภาคของแข็งถูกผลักลงสู่ทางออกทางด้านล่าง และของไหลที่ปราศจากอนุภาคของแข็งจึงไหลออกที่ทางออกด้านบนของไซโคลน
การออกแบบไซโคลนในปัจจุบัน มักคำนึงถึงการใช้งานออกเป็น 2 ประเภทหลัก คือ การใช้งานที่เน้นประสิทธิภาพการคัดแยกอนุภาคสูง (high efficiency cyclone) ไซโคลนประเภทนี้มักจะมีขนาดเล็กที่เน้นในการแยกอนุภาคของแข็งให้มีประสิทธิภาพสูงสุด แต่ก็ต้องใช้พลังงานสูงในการดำเนินการ ด้วยข้อจำกัดในด้านอัตราการไหลของของไหลที่อุปกรณ์สามารถรับได้ เช่น ไซโคลน Stairmand ไซโคลน Peterson และ Whitby ไซโคลน Leith and Licht และไซโคลน Lapple จึงทำให้มีไซโคลนอีกประเภทหนึ่ง ซึ่งจะเน้นที่ปริมาณในการคัดแยกหรืออัตราการไหลที่สูง (high flowrate cyclone) ตัวไซโคลนมักมีขนาดใหญ่กว่า จึงทำให้สามารถรับรองอัตราการไหลที่สูงขึ้นแต่ก็แลกมากับประสิทธิภาพในการคัดแยกที่ต่ำลง เช่น ไซโคลน Sproull และไซโคลน Barth ไซโคลนแต่ละชนิดที่กล่าวมาข้างต้นมีโครงสร้างหลัก ดังแสดงในรูปที่ 2 ทั้งนี้ ไซโคลนแต่ละชนิดจะมีความแตกต่างกันที่สัดส่วนท่อทรงกระบอก ท่อทรงกรวย ความยาวของตัวไซโคลน ช่องป้อนเข้าของไหล และขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง เป็นต้น
ที่มา: Leith & Mehta, 1973
1.การต่อไซโคลนแบบอนุกรม
การต่อไซโคลนแบบอนุกรมจะทำการป้อนเข้าของไหลและอนุภาคของแข็งที่ไซโคลนตัวที่หนึ่งหลังจากเกิดการคัดแยกอนุภาค ของแข็งที่ไม่สามารถคัดแยกได้ด้วยไซโคลนตัวแรก จะถูกส่งต่อเข้าสู่ไซโคลนตัวที่สอง ดังแสดงใน รูปที่ 4 เพื่อทำการคัดแยกอีกครั้งจนได้ประสิทธิภาพในการคัดแยกที่ต้องการเมื่อทำการเปรียบเทียบการคัดแยกด้วยอุปกรณ์ไซโคลนตัวเดียวและอุปกรณ์ไซโคลนสองตัวแบบต่ออนุกรม พบว่า ความดันลดในระบบที่ใช้อุปกรณ์ตัวเดียวมีค่าสูงกว่าไซโคลนตัวแรกแบบต่ออนุกรม (Whitelock & Buser, 2007) โดยไซโคลนตัวแรกจะเสมือนเป็นการคัดกรองอนุภาคแบบหยาบที่เน้นการดักจับอนุภาคของแข็งปริมาณมาก และไซโคลนตัวที่สอง ทำหน้าที่ในการขัดแยกอนุภาคแบบละเอียดอีกครั้ง จึงสังเกตได้ว่าประสิทธิภาพในการคัดแยกโดยรวมนั้นสูงกว่าการใช้อุปกรณ์ไซโคลนเพียงตัวเดียว
2.การต่อไซโคลนแบบขนาน
การต่อไซโคลนแบบขนาน ของไหลและอนุภาคของแข็งจะถูกแบ่งออกไปป้อนเข้าสู่ไซโคลนทั้งสองตัวพร้อมกันในรูปแบบการต่อแบบขนานดังแสดงในรูปที่ 5 การต่อแบบขนานนั้นให้ประสิทธิภาพในการแยกได้ดีเมื่อเทียบกับการใช้แบบตัวเดียวโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อความเร็วในการป้อนเข้าของของไหลสูง ดังนั้นการต่อแบบขนานจึงเหมาะกับการเพิ่มขีดจำกัดความสามารถในการรองรับอัตราการไหลที่เพิ่มขึ้น (Liu, Chen, Zhang, Wang, & Dong, 2014) อย่างไรก็ตามข้อจำกัดของการต่อไซโคลนแบบขนาน คือ การรักษากระแสวนภายในไซโคลนทั้งสองตัว และการแบ่งอัตราการไหลป้อนเข้าให้เท่ากัน
นอกจากรูปแบบการต่อไซโคลนแบบอนุกรมและแบบขนานแล้ว ยังมีปัจจัยอื่นที่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพในการแยกของไซโคลนอีกมากมาย ตัวอย่างที่พบได้มากในการใช้งานไซโคลนในกระบวนการ ได้แก่ ปริมาณของแข็งในระบบ การแตกหักของอนุภาคของแข็ง และระบบลำเลียงของแข็ง เป็นต้น
1.ปริมาณของแข็งในระบบ
สำหรับระบบที่มีปริมาณของแข็งในตัวกลางมาก จะทำให้อนุภาคมีโอกาสสัมผัสกันและเกาะตัวเป็นกลุ่มก้อนขนาดใหญ่ขึ้น เมื่ออนุภาคมีขนาดใหญ่ขึ้นจึงทำให้สามารถแยกได้ดีขึ้นด้วย อย่างไรก็ตาม การมีอนุภาคของแข็งมากเกินไป อาจจะทำให้ไซโคลนอุดตัน ทำให้ความดันลด (pressure drop) ของไซโคลนเพิ่มมากขึ้น จึงส่งผลให้ประสิทธิภาพในการแยกลดลงได้ อย่างไรก็ตาม การอุดตันของไซโคลน อาจเกิดจากปัญหาทางการก่อสร้างของไซโคลนอื่น เช่น รอยต่อรอยเชื่อมของตัวไซโคลน หรือ ขนาดที่ไม่เหมาะสม เป็นต้น
2.การแตกหักของอนุภาคของแข็ง
การแตกของอนุภาคของแข็งเป็นอีกหนึ่งปัจจัยที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพในการแยก การแตกของอนุภาคมักเกี่ยวข้องกับสมบัติของตัวอนุภาค พบได้มากในระบบที่มีการหมุนเวียนของของแข็งซึ่งมีการแยกอนุภาคที่บริเวณทางออกของระบบด้วยไซโคลน เพื่อนำของแข็งกลับมาป้อนเข้าในเครื่องปฏิกรณ์อีกครั้ง เมื่อระบบดำเนินการไประยะเวลาหนึ่ง อนุภาคมีการชนกันเอง หรือชนกับผนัง จึงทำให้อนุภาคเกิดการแตกเป็นอนุภาคที่มีขนาดเล็กลง ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการคัดแยกของไซโคลนลดลง
3.ความชื้นในตัวกลาง
ความชื้นในตัวกลางส่งผลต่อการเกาะกลุ่มกันของอนุภาคของแข็งขนาดเล็ก ทำให้เกิดการเกาะตัวเป็นกลุ่มก้อนขนาดใหญ่ กลุ่มก้อนอนุภาคขนาดใหญ่มีแนวโน้มที่จะทำให้สามารถแยกได้ดีขึ้น แต่ในการดำเนินการจริงนั้น ความชื้นอาจทำให้เกิดการสะสมและเกาะติดของอนุภาคบริเวณขอบผนังของไซโคลน ส่งผลให้เกิดการอุดตัน และทำให้ประสิทธิภาพในการแยกลดลง
4.ระบบลำเลียงของแข็ง
ระบบลำเลียงของของแข็งออกจากไซโคลน ในการใช้งานภายใต้สภาวะปกติที่มีการใช้ความดันในระบบ หากเกิดการรั่วของระบบลำเลียงเพียงเล็กน้อยอาจจะไม่ส่งผลต่อประสิทธิภาพในการคัดแยกมากนัก แต่อาจทำให้สูญเสียผลิตภัณฑ์ที่เราต้องการและปลดปล่อยอนุภาคออกสู่สิ่งแวดล้อม แต่ในกรณีที่ระบบดำเนินการภายใต้สภาวะสุญญากาศการที่ระบบลำเลียงมีรอยรั่วจะทำให้ความดันจากภายนอกระบบไหลย้อนกลับเข้าสู่ภายในระบบส่งผลให้ประสิทธิภาพในการแยกลดลงอย่างเห็นได้ชัดเจน
ในอดีตที่ผ่านมา ไซโคลนมักถูกใช้เป็นอุปกรณ์การแยกหลักในภาคอุตสาหกรรม แต่ในปัจจุบัน ได้มีการประยุกต์ใช้หลักการทำงานของไซโคลนในอุปกรณ์ในครัวเรือนมากยิ่งขึ้น เช่น เครื่องดูดฝุ่น (รูปที่ 6) โดยทั่วไปหากใช้เครื่องดูดฝุ่นไปสักระยะหนึ่งจะต้องทำการเปลี่ยนหรือชำระล้างถุงเก็บฝุ่น (filter/bag) จึงทำให้เครื่องดูดฝุ่นแบบดั้งเดิมมีขนาดใหญ่ อีกทั้งความสามารถในการดูดฝุ่นจะลดลงเมื่อถุงกรองนั้นใกล้เต็มหรืออุดตัน ดังนั้นการใช้ไซโคลนในการคัดแยกอนุภาคฝุ่นขนาดเล็กออกจากอากาศที่ดูดเข้าไปก่อนทำการกักเก็บในภาชนะที่ออกแบบมากับตัวเครื่อง ส่งผลให้ไม่จำเป็นต้องใช้ถุงเก็บฝุ่นอีกต่อไป เครื่องดูดฝุ่นในปัจจุบันจึงมีขนาดที่เล็ก ทำให้สามารถใช้งานต่อครั้งได้นานขึ้น และยังรักษาแรงดูดให้คงที่ได้อย่างสม่ำเสมอตลอดการใช้งาน
ที่มา: “Sir James Dyson: 15 Things You Probably Didn’t Know (Very Interesting Guy),” n.d.
ที่มา: “Water Treatment Hydrocyclones,” n.d.
