การกลั่นน้ำและฮีทปั๊ม

น้ำเป็นสิ่งสำคัญต่อการดำรงชีวิต การขาดแคลนน้ำคุณภาพในหลายพื้นที่เนื่องจากภูมิประเทศและภูมิอากาศ การเพิ่มของประชากร ความเจริญทางเศรษฐกิจและอุตสาหกรรม ทำให้การกลั่นน้ำมีความจำเป็นมากยิ่งขึ้นและการพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อลดการใช้พลังงานสำหรับการกลั่นน้ำจึงเป็นสิ่งลำคัญ บทความนี้อธิบายเทคโนโลยีการการกลั่นน้ำพื้นฐานแบบต่างๆ และการใช้พลังงานทางเลือกได้แก่พลังงานจากแสงอาทิตย์ ลม กระแสน้ำ ความร้อนใต้พิภพ และอื่นๆ และนำเสนอการกลั่นน้ำด้วยเทคนิคการใช้ฮีตปั๊ม

การกลั่นน้ำทั่วไปจะต้องมีแหล่งน้ำดิบตามธรรมชาติเพื่อผลิตน้ำสะอาดที่มีคุณภาพตามต้องการ การกลั่นน้ำด้วยฮีตปั๊มเป็นการกลั่นน้ำจากอากาศเนื่องจากในอากาศมีความชื้นเป็นส่วนประกอบและไม่มีหมด การกลั่นน้ำจากอากาศจึงเป็นสิ่งจำเป็นเมื่อไม่มีแหล่งน้ำดิบ ฮีตปั๊มซึ่งเป็นเครื่องมือเพื่อการนำพลังงานทางเลือกที่อยู่ในธรรมชาติมาใช้งานแม้จะใช้ไฟฟ้าแค่ก็สามารถใช้ไฟฟ้าจากพลังงานทางเลือกได้

เทคนิการกลั่นน้ำพื้นฐานและการใช้พลังงานทางเลือกต่อไปสุปจาก Energy consumption and water production cost of conventional and renewable-energy-powered desalination processes: Renewable andS ustainable Energy Reviews24(2013)343–356: www.elsevier.com/locate/rser

เทคนิคการกลั่นน้ำด้วยความร้อน

              การกลั่นน้ำด้วยความร้อนได้แก่ MSF(Multi-stage flash), MED(Multi-effect distillation), MVC(Mechanical vapor compression), TVC(Thermal vapor compression)  ใช้ความร้อนเพื่อให้น้ำเปลี่ยนสถานะเป็นไอแยกออกจากน้ำดิบแล้วจึงทำให้ไอน้ำกลั่นตัวเป็นน้ำสะอาด

              MSFตามรูปที่ 1. กลั่นน้ำ3ลำดับโดยใช้ไอน้ำให้ความร้อน น้ำทะเลส่งเข้าเครื่องกลั่นลำดับที่ 3, 2และ1ตามลำดับ น้ำทะเลใช้สำหรับควบแน่นไอน้ำในเครื่องกลั่นจึงมีอุณหภูมิสูงขึ้นตามลำดับแล้วจึงรับความร้อนจากไอน้ำให้มีอุณหภูมิสูงสุด ภายในเครื่องกลั่นมีความดันลดลงจากลำดับที่ 1, 2และ3เนื่องจากใช้อีเจคเตอร์ไอน้ำลดความดันที่เครื่องกลั่นลำดับที่ 3 เมื่อน้ำทะเลร้อนเข้าเครื่องลำดับที่ 1 ความดันลดลงทำให้น้ำส่วนหนึ่งเดือดกลายเป็นไอและกลั่นตัวด้วยน้ำทะเล น้ำทะเลร้อนส่วนที่เหลือมีอุณหภูมิลดลงและไหลไปที่ลำดับต่อไปซึ่งมีความดันลดลงอีกทำให้น้ำกลายเป็นไอและกลั่นตัวเป็นลำดับจนถึงลำดับที่ 3 ซึ่งนำมีความเข้มข้นสูงจึงระบายทิ้งไป น้ำที่กลั่นตัวทั้ง3ลำดับจะถูกรวบรวมไปใช้

รูปที่ 1. แผนภูมิการทำงานของ MSF(Multi-stage flash)

MEDเป็นการกลั่นหลายลำดับ(ทั่วไป2-16ลำดับ)ตามรูปที่ 2.เป็นการกลั่น3ลำดับ ลำดับแรกใช้ให้ความร้อนกับน้ำดิบที่ฉีดมาที่คอยล์ไอน้ำและลดความดันภายในด้วยอีเจคเตอร์ไอน้ำเพื่อให้น้ำดิบส่วนหนึ่งกลายไอน้ำไหลมากลั่นตัวในคอยล์ของอันดับที่ต่อมาและขณะเดียวกันก็ฉีดน้ำเพื่อสร้างไอน้ำส่งมากลั่นตัวที่อันดับต่อไป ความดันภายในจะลดลงจากอันดับที่ 1, 2 และ 3 เพื่อให้จุดเดือดของน้ำต่ำลงตามลำดับ และจากลำดับสุดท้ายไอน้ำจะถ่ายเทความร้อนให้น้ำดิบที่ส่งเข้า อุณหภูมิน้ำดิบจึงต่ำกว่าอุณหภูมิไอน้ำในการกลั่นสามรถรับความร้อนในแต่ละลำดับได้ น้ำดิบในแต่ละลำดับจะถูกระบายออกเพื่อรักษาระดับและความเข้มข้น น้ำกลั่นจะถูหรวบรวมจากคอยล์ที่ 2ลงมา

รูปที่ 2. แผนภูมิการทำงานของ MED(Multi-effect distillation)

MVCเป็นการสร้างไอน้ำให้มีความดันและอุณหภูมิสูงขึ้นด้วยการอัดเชิงกล ไอน้ำอุณหภูมิสูงจะใช้ให้ความร้อนแก่น้ำดิบในภาชนะปิดเพื่อเพิ่มอุณหภูมิภายในจนสร้างความดันไอน้ำป้อนให้เครื่องอัดไอน้ำได้ ไอน้ำที่ออกจากคอยล์ในภาชนะจะกลั่นตัวในอุปกรณืแลกเปลี่ยนความร้อนกลายเป็นน้ำกลั่นนำไปใช้ น้ำดิบที่ป้อนให้ภาชนะจะรับความร้อนจากไอน้ำและน้ำร้อนที่ระบายจากภาชนะในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนก่อนที่จะฉีดเพื่อให้เกิดไอน้ำในภาชนะ ระบบMVCรสร้างอุณหภูมิและความดันใช้เครื่องอัดไอ ส่วนระบบTVCใช้อีเจคเตอร์ไอน้ำตามรูปที่ 3.

รูปที่ 3. แผนภูมิการทำงานของ MVC(Mechanical vapor compression) และ TVC(Thermal vapor compression) 

เทคนิคการใช้เมมเบรน

              เทคนิคการผลิตน้ำด้วยเมมเบรน ประกอบด้วย RO(Reverse osmosis) และ ED(Electro-dialysis และ electro-dialysis reversal) มีการทำงานดังต่อไปนี้

              ROทำงานตามรูปที่ 4.โดยใช้เมมเบรนที่ยอมให้น้ำผ่านได้ น้ำดิบผ่านการปรับคุณสมบัติด้วยการกรองและเติมสารป้องกันการเกิดผลึกและป้องกันการเติบโตของสิ่งมีชีวิตที่จะทำให้เมมเบรนอุดตัน แล้วจึงเพิ่มความดันด้วบปั๊มไฟฟ้าเพื่อให้น้ำสามารถผ่านเมมเบรนได้ น้ำที่ได้จะผ่านการบำบัดด้วยการกรองละเอียด กำจัดก๊าซที่สามารถผ่านเมมเบรนได้และปรับค่าความเป็นกรดก่อนการใช้งาน น้ำดิบในชุดเมมเบรนจะมีความเข้มข้นเพิ่มขึ้นจะต้องระบายออกเพื่อรักษาความเข้มข้น เนื่องจากน้ำที่ระบายออกมีความดันสูงจึงสามารถใช้เทอร์ไบน์เปลี่ยนความดันเป็นพลังงานเชิงกลเพื่อลดการใช้ไฟฟ้าของปั๊ม

รูปที่ 4. แผนภูมิการทำงานของ RO(Reverse osmosis)

EDใช้ไฟฟ้ากระแสตรงเพื่อผลักประจุโมเลกุลของเกลือในน้ำดิบผ่านเมมเบรนออกมาจึงเหลือเป็นน้ำคุณภาพ ระบบEDประกอบด้วยอุปกรณ์ปรับคุณภาพขั้นต้น ปั๊มความดันต่ำ แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง อุปกรณ์บำบัดน้ำก่อนการใช้ และชุดอุปกรณ์EDตามรูปที่ 5. แสดงการทำงานของระบบED อุปกรณ์EDมีแผ่นขั้วประจุลบและบวก(ทำด้วย niobium หรือ titanium)อยู่คนละด้านของอุปกรณ์ ซึ่งน้ำดิบไหลผ่านอุปกรณ์3ช่องทางโดยมีเมมเบรนกั้นระหว่างช่อง เกลือประจุบวกในน้ำดิบเคลื่อนที่ผ่านเมมเบรนที่เลือกให้ประจุบวกสามารถผ่านได้ไปทางแผ่นขั้วประจุลบและถูกน้ำดิบพาออกไป และเกลือประจุลบจะเคื่อนผ่านเมมเบรนที่เลือกไว้ให้ประจุลบผ่านได้มาทางขั้วประจุบวกและถุกน้ำดิบอีกด้านหนี่งพาออกไปทำให้น้ำช่องกลางกลายเป็นน้ำที่ไม่มีสารละลายปน

รูปที่ 5. แผนภูมิการทำงานของชุดED(Electro-dialysis และ electro-dialysis reversal)

เปรียบเทียบการกลั่นน้ำด้วยความร้อนและเมมเบรน

              การทำงานของเทคนิคการกลั่นน้ำด้วยความร้อนและเทคนิคการใช้Membraneแสดงในตารางที่ 1. ขนาดของเครื่องกลั่นน้ำขึ้นกับต้นทุนพลังงานที่ใช้ เครื่องที่ใช้ความร้อนเพื่อการสร้างไอน้ำแยกจากน้ำดิบด้วยการเผาไหม้เชื้อเพลิง(MSF, MED, TVC)จึงมีขนาดใหญ่กว่าเครื่องที่ใช้ไฟฟ้าเป็นต้นกำลัง(MVC)เนื่องจากไฟฟ้ามีราคาสูงกว่าการใช้เชื้อเพลิงโดยตรง ส่วนการใช้เมมเบรนนั้นขึ้นกับคุณภาพน้ำดิบด้วย ถ้าใข้ผลิตจากน้ำทะเล SWRO(Sea water reverse osmosis)ต้องใช้ความดันสูงกว่าการผลิตจากน้ำกร่อย BWRO(Brackish water reverse osmosis) ประเทศที่ใช้น้ำทะเลผลิตมีความจำเป็นเพราะไม่สามารถหาแหล่งน้ำคุณภาพดีกว่าได้จึงมีความจำเป็นที่ต้องใช้น้ำทะเลผลิตและต้องผลิตให้มากพอสำหรับประเทศจึงมีขนาดเครื่องใหญ่กว่า สำหรับEDก็เช่นเดียวกันเมื่อผลิตจากน้ำทะเลเนื่องจากความจำเป็นจึงต้องมีเครื่องขนาดใหญ่

การใช้พลังงานจากตารางที่ 1. เทคนิคการกลั่นน้ำด้วยความร้อน MSF, MED, MVC และ TVC ให้คุณภาพน้ำที่ดีมากแต่ใช้พลังงานสูงเนื่องจากต้องใช้ความร้อนเพื่อทำให้น้ำเปลี่ยนสถานะเป็นไอน้ำจึงมีการใช้พลังงานใกล้เคียงกันแต่MVCใช้เครื่องอัดไอสร้างความดันไอน้ำโดยไม่ใช้ความร้อนทำให้ใช้พลังงานน้อยกว่าแบบอื่นๆ ส่วนเทคนิคการใช้เมมเบรนสามารถผลิตน้ำดื่มได้โดยใช้พลังงานต่ำกว่าแต่คุณภาพน้ำต่ำกว่าไม่สามารถใช้กับงานที่ต้องการน้ำคุณภาพสูงเช่นงานเครื่องสำอาง ยาฉีดและน้ำเติมหม้อไอน้ำโรงไฟฟ้าเป็นต้น ระบบSWROผลิตจากน้ำทะเลต้องใช้ความดัน55-82บาร์จึงใช้พลังงานมากกว่า  BWROซึ่งผลิตจากน้ำกร่อยมีคุณภาพดีกว่าและใช้ความดันเพียง17-27บาร์ ระบบEDไม่ใช้ความดันจึงใช้พลังงานน้อยกว่า และถ้าใช้น้ำดิบคุณภาพดีก็จะใช้พลังงานน้อยลง EDสามารถใช้ผลิตน้ำคุณภาพสูงได้ถ้าผลิตจะผลิตจากน้ำROแต่การใช้พลังงานรวมจะสูงขึ้น

ตารางที่ 1 การใช้พลังงานของเทคนิคการกลั่นน้ำข้างต้น

การใช้พลังงานทางเลือก

              พลังงานทางเลือกเป็นพลังงานที่มีอยู่ในธรรมชาติ ต้นทุนของพลังงานจึงเป็นต้นทุนของอุปกรณ์ที่สร้างเพื่อนำพลังงานทางเลือกมาใช้ พลังงานจากธรรมชาติมีการเปลี่ยนแปลงตามเวลาภูมิอากาศภูมิประเทศและฤดูกาลไม่สามารถควบคุมให้คงที่การลงทุนจึงสูงขึ้นเพื่อการจัดเก็บหรือมีวิธีการที่จะผลิตน้ำเพื่อเสริมในเวลาที่ไม่สามาถใช้พลังงานทางเลือกได้ เทคนิคที่ใช้ผลิตน้ำได้แก่ Solarstills, Solarpond, MEH(Multi-effect humidification), MD(Membrane distillation), CSP(Concentrating solar thermal power), CSP/MED, CSP/RO, Solar-photovoltaic-coupleddesalination, PV/ROsystem, PV/ED(EDR)system, Wind-coupleddesalination, Wind/ROsystem, Wind/MVCsystem, Geothermal-coupleddesalination

              Solar stillsเป็นเทคนิคที่ใช้มานานนับสิบปี ประกอบด้วยภาชนะที่ใส่น้ำดับตื้นๆและมีกระจกปิดอยู่ด้านบน แสงอาทิตย์จะส่องผ่านกระจกให้ความร้อนแก่น้ำดิบในภาชนะให้กลายเป็นไอขึ้นไปกลั่นตัวด้านใต้ของกระจกไหลตามความเอีบงของกระจกออกด้านนอกของภาชนะ ผลิตน้ำได้เพียง 4-6ลิตร/วัน จึงมีการพัฒนาเป็นแบบต่างๆเพื่อเพิ่มปริมาณการผลิตหลายแบบตามรูปที่ 6.

รูปที่ 6. Solar stillsแบบต่างๆ

Solar pond คือการเก็บพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ไว้ในบ่อน้ำเกลือขนาดใหญ่ ซึ่งจะใช้เวลาในการเก็บความร้อนตามฤดูกาลแบ่งออกเป็นชั้นผิวด้านบนเป็นชั้นการพาความร้อน ชั้นกลางเป็นชั้นที่ไม่มีการพาความร้อน และชั้นล่างสุดเป็นชั้นเก็บความร้อน ความเข้มข้นของเกลือจะเพิ่มขึ้นตามความลึก ชั้นผิวด้านบนมีอุณหภูมิใกล้เคียงอากาศเนื่องจากมีการพาความร้อนสูง ชั้นกลางมีการพาความร้อนน้อย แต่ชั้นล่างสุดอาจมีอุณหภูมิสูงสุดถึง90Cเนื่องจากมีความเข้มข้นของเกลือสูงสุด เมื่อมีพื้นที่เก็บความร้อนมากก็สามารถใช้ความร้อนที่ระดับหนึ่งได้อย่างต่อเนื่องทั้งกลางวันกลางคืนและสามารถใช้เป็นแหล่งความร้อนสำหรับMSFและMEDเพื่อกลั่นน้ำได้ หรือเป็นแหล่งความร้อนสำหรับQRC(Organic rankin cycle)เพื่อผลิตไฟฟ้าสำหรับการกลั่นน้ำด้วยเมมเบรนแบบRO, ED

รูปที่ 7. การกลั่นน้ำด้วยเทคนิคSolar pond/MED

MEH เป็นการสร้างไอน้ำให้อากาศด้วยความร้อนจากแสงอาทิตย์และกลั่นตัวเป็นน้ำตามรูปที่ 8.ซ้าย น้ำดิบไหลผ่านคอยล์เพื่อใช้กลั่นน้ำในอากาศ น้ำดิบจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นและไหลไปเพิ่มอุณหภูมิด้วยความร้อนจากแสงอาทิตย์และฉีดในภาชนะเพื่อให้บางส่วนกลายเป็นไอน้ำกระจายไปที่กลั่นตัวที่คอยล์ รูปที่ 8.ขวานำอากาศเข้าและออกเนื่องจากในอาดาศมีไอน้ำในรูปความชื้นอยู่แล้วจึงช่วยลดการใช้ความร้อนได้ ข้อดีของระบบ MEHคือมีความยืดหยุ่นในการผลิตน้ำสูง มีการลงทุนและค่าผลิตน้ำปานกลาง การทำงานไม่ซับซ้อน และสามารถใช้อุณหภูมิต่ำได้(≈85C)

รูปที่ 8. แผนผังการทำงานของระบบMEH

MD เลือกใช้เมมเบรนที่ยอมให้น้ำผ่านได้จากด้านน้ำดิบไปสู่ด้านที่มีอากาศเพื่อกลั่นตัวที่ผิวของแผ่นเย็นที่ใช้น้ำดิบระบายความร้อน น้ำดิบจะร้อนขึ้นและเพิ่มอุณหภูมิ(≈85C)ด้วยความร้อนจากแสงอาทิตย์ส่งไปเมมเบรนตามรูปที่ 9. มีข้อดีเช่นเดียวกับMEHแต่มีขนาดเล็กและราคาสูงเนื่องจากเมมเบรน

รูปที่ 9. การทำงานของการกลั่นน้ำด้วยเมมเบรน MD(Membrane distillation)

CSPเป็นเทคนิคสำหรับโรงไฟฟ้าพลังแสงอาทิตย์ โดยใช้แผงแสงอาทิตย์แบบรวมแสงเพื่อผลิตไอน้ำขับเทอร์ไบน์ผลิตไฟฟ้า ถ้าเลือกใช้กะงหันไอน้ำแบบBack pressure turbineจะทำให้สามารถใช้แสงอาทิตย์เพื่อผลิตไฟฟ้าและใช้ไอน้ำที่ออกจากกังหันไอน้ำสำหรับการกลั่นน้ำได้ รูปที่ 10.แสดงแผนผังการกลั่นน้ำด้วยเทคนิคCSP/MED และรูปที่ 11. แผนผังการกลั่นน้ำด้วยเทคนิคCSP/RO และมีประสิทธิภาพดีกว่าเนื่องจากผลิตไฟฟ้าเป็นกระแสตรงเพื่อใช้ขับปั๊มความดันสูงสำหรับระบบRO

รูปที่ 10. แผนผังการกลั่นน้ำด้วยเทคนิคCSP/MED

รูปที่ 11. แผนผังการกลั่นน้ำด้วยเทคนิคCSP/RO

พลังงานทางเลือกอ่นๆได้แก่ PV(Solar-photovoltaic)หรือเซลแสงอาทิตย์ผลิตกระแสไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ ไฟฟ้าที่ได้สามารถนำมาใช้ในการกลั่นน้ำด้วยเทคนิคเมมเบรนได้ทุกประเภทได้แก่รูปที่ 12. PV/RO, รูปที่ 13. PV/ED(EDR), พลังงานลมอาจใช้กังหันลมผลิตไฟฟ้าเพื่อนำมาใช้ในการกลั่นน้ำด้วยเทคนิคเมมเบรนหรือใช้เป็นต้นกำลังสำหรับ Wind/RO, Wind/MVC และสุดท้ายคือพลังงานใต้พิภพ(Geothermal)ซึ่งสามารถใช้ความร้อนทำน้ำร้อนอุณหภูมิต่ำ(<150 C) และอุณหภูมิสูง(>150 C)สำหรับการกลั่นน้ำด้วยเทคนิค RO, ED, และMVC

รูปที่ 12. แผนผังการกลั่นน้ำด้วยเทคนิค PV/RO

รูปที่ 13. แผนผังการกลั่นน้ำด้วยเทคนิค PV/ED

เปรียบเทียบการกลั่นน้ำด้วยพลังงานทางเลือก

              สามารถสรุปข้อเปรียบเทียบของการกลั่นน้ำด้วยพลังงานทางเลือกได้ตามตารางที่ 2. พลังงานแสงอาทิตย์เปลี่ยนแปลงตามเวลา ภูมิอากาศและฤดูกาล เมื่อใช้พลังงานแสงอาทิตย์โดยไม่มีระบบเก็บพลังงานไม่สามารถกลั่นน้ำได้ต่อเนื่อง การใช้ Solar still, Solar MEH, Solar PV/RO, Solar PV/EDR, จึงมีขนาดไม่ใหญ่เนื่องจากลงทุนสร้างขนาดใหญ่ต้องใช้เงินลงทุนสูงแต่ผลิตได้ไม่เต็มความสามารถ Solar pond/MED, Solar pond/RO สามารถเก็บความร้อนจากแสงอาทิตย์ใช้อย่างต่อเนื่องได้จึงสามารถสร้างให้มีขนาดใหญ่ได้แต่ก็ต้องใช้พื้นที่มาก ส่วนSolar MDมีขนาดเล็กที่สุดเนื่องจากปัญหาของเมมเบรน

              CSPถูกออกแบบเพื่อการผลิตไฟฟ้าด้วยไอน้ำตามแผนผังรูปที่ 10.และ11.จึงมีหม้อไอน้ำเพื่อผลิตไอน้ำในช่วงเวลาที่พลังงานแสงอาทิตย์ไม่เพียงพอทำให้สามารถกลั่นน้ำได้อย่างต่อเนื่อง ขนาดเครื่องกลั่นน้ำจึงขึ้นกับหลายตัวประกอบซึ่งมีแนวโน้มที่จะเหมาะกับการกลั่นน้ำขนาดใหญ่ พลังงานจากลมขึ้นอยู่ภูมิประเทศและภูมิอากาศและข้อจำกัดเรื่องพื้นที่การติดตั้งจึงมีขนาดจำกัด พลังงานใต้พิภพขึ้นอยู่กับภูมิประเทศจึงถูกจำกัดเนื่องจากความเสถียรของแหล่งพลังงานไม่สามารถติดตั้งเครื่องกลั่นน้ำขนาดใหญ่ได้

ตารางที่ 2. เปรียบเทียบการกลั่นน้ำด้วยพลังงานทางเลือกแบบต่างๆ

ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

.             ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของการกลั่นน้ำที่ต้องพิจารณาได้แก่

1.        ก๊าซเรือนกระจกจากการใช้พลังงาน

2.        ปริมาณและอุณหภูมิของความร้อนที่ระบายทิ้งมากับน้ำดิบ

3.        สารเคมีที่ใช้ในระบบบำบัดน้ำดิบซึ่งต้องระบายทิ้งมากับน้ำดิบ

ก๊าซเรือนกระจกได้แก่CO, CO2, NO, NO2, และSO2ซึ่งเกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงซึ่งทั้งหมดจะถูกเปลี่ยนเป็ยค่าเทียบเท่ากับค่าของ CO2 ซึ่งเชื้อเพลิงแต่ละชนิดมีค่าไม่เท่ากัน และการใช้พลังงานไฟฟ้าจะทำให้เกิดก๊าซเรือนกระจกโดยคำนวณจากการใช้เชื้อเพลิงเพื่อผลิตไฟฟ้า ดังนั้นการใช้พลังงานทางเลือกจึงมีข้อดีต่อสิ่งแวดล้อม

น้ำดิบที่ระบายทิ้งจากการกลั่นน้ำจะมีเกลือ สารเคมีเข้มข้น และอุณหภูมิสูงขึ้นทำให้ออกซิเจนในน้ำลดลง ความเค็มของน้ำทะเลที่ระบายทิ้งจากROมีค่าเป็นสองเท่าของน้ำทะเลที่อุณหภูมิปกติ ส่วนน้ำทิ้งจากMSFหรือMEDมีความเค็มมากกว่าความเค็มน้ำทะเล15%และอุณหภูมิสูงขึ้น 5-10 C ทำให้ออกซิเจนในน้ำลดลง ในด้านอุณหภูมิการกลั่นด้วยความร้อนจึงมีผลกระทบต่อชีวิตต่อชีวิตของสัตว์น้ำและพืชน้ำมากกว่าการใช้เมมเบรน การใช้เมมเบรนต้องใช้เคมีเพื่อป้องกันเมมเบรนแต่โดยทั่วไปมีปริมาณน้อย

การใช้ฮีตปั๊มกลั่นน้ำ

              ฮีตปั๊มใช้พลังงานไฟฟ้าเพื่อดึงความร้อนแหล่งความร้อนอุณหภูมิต่ำเพื่อใช่ที่อุณหภูมิสูงโดยได้ความร้อนมากกว่าพลังงานไฟฟ้าที่ใช้3-7เท่า ฮีตปั๊มจึงเป็นอุปกรณ์ทางเลือกเพื่อช่วยมให้ใช้พลังงานทางเลือกได้อย่างต่อเนื่องและมีประสิทธิภาพสูงสุด ในอากาศภายนอกมีความชื้นอยู่แล้วจึงสามารถใช้ฮีตปั๊มทำให้ความชื้นในอากาศกลั่นตัว

              การใช้ฮีตปั๊มกลั่นน้ำตามรูปที่ 14. อากาศภายนอกผ่านที่กรองอากาศเพื่อทำความสะอาดแล้วจึงผ่านคอยล์เย็นเพื่อให้น้ำในอากาศกลั่นตัวและไหลลงมาที่กังเก็บน้ำ อากาศเย็นจากคอยล์เย็นจะใช้ระบายความร้อนให้คอยล์ร้อนเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพหรือCOP(Coefficient of performance)ของฮีตปั๊ม

รูปที่ 14. แผนผังของการกลั่นน้ำด้วยฮีตปั๊ม

ตัวอย่างของการกลั่นน้ำด้วยฮีตปั๊มแสดงในรูปที่ 15. อากาศภายนอกมีอุณหภูมิ36.2 Cdb, 26.9 Cwb คอยล์เย็น 70% ลัด 30% แล้วจึงระบายความร้อนให้คอยล์ร้อน อุณหภูมิคอยล์เย็น 12 C อุณหภูมิคอยล์ร้อน 50 C, Sub-cooled 15 C, ใช้ R-134a มี COP 4.7 คอมเพรสเซอร์ใช้ไฟฟ้า=18.17/4.7=3.87 kW ฮีตปั๊มใช้ไฟฟ้า 4.5 kW(รวมพัดลม) ได้น้ำ 10.38 kg/h สรุปกำลังไฟฟ้าในการผลิตน้ำได้=4.5x1000/10.38=433.5 kWe h/m3

รูปที่ 15. แผนภูมิไซโครเมตริกแสดงการกลั่นน้ำด้วยฮีตปั๊มตามรูปที่ 14.

เพื่อลดการใช้พลังงานจะใช้ฮีตปั๊มร่วมกับเมมเบรนตามรูปที่ 16. โดยใช้เมมเบรนโพรีเมอร์(Polymer membrane)ซึ่งสามารถส่งผ่านความร้อนและความชื้นจากอากาศสู่อากาศได้ ชุดกลั่นแบ่งอากาศและฮีตปั๊มเป็น2วงจร อากาศภายนอกเป็นวงจรเปิดหลังจากผ่านที่กรองอากาศและเมมเบรนเพื่อถ่ายเทความร้อนและความชื้นให้อากาศวงจรปิดในเครื่องแล้วผ่านคอยล์เย็น2.เพื่อกลั่นน้ำแล้วจึงใช้ระบายความร้อนให้คอยล์ร้อน1.ก่อนระบายออกนอกเครื่อง อากาศวงจรปิดในเครื่องเมื่อผ่านเมมเบรนจะมีอุณหภูมิและความชื้นสูงขึ้นแล้วจีงผ่านคอยล์เย็น1.เพื่อกลั่นน้ำและลดอุณหภูมิก่อนวนเข้าเมมเบรน น้ำกลั่นได้จากคอยล์เย็น1.และ2.และได้จากเมมเบรนเป็นครั้งคราวเมื่อความชื้นในอากาศภายนอกสูง

รูปที่ 16. แผนผังของการกลั่นน้ำด้วยฮีตปั๊มและเมมเบรน

ตัวอย่างของการกลั่นน้ำด้วยฮีตปั๊มแสดงในรูปที่ 17. อากาศภายนอกมีอุณหภูมิ36.2 Cdb, 26.9 Cwb ผ่านเมมเบรนผ่านเมมเบรนที่มี Sensible efficiency 73%, Enthalpy efficiency 60% เพื่อส่งความชื้นและความร้อนให้อากาศอีกด้านหนึ่ง สามารถคำนวณอุณหภูมิและEnthalpyของอากาศออกจากเมมเบรนได้จากสมการที่ 1.-4. แล้วจึงส่งอากาศผ่านคอยล์เย็น(อุณหภูมิคอยล์เย็น 15 C)กลั่นน้ำได้ 8.04 kg/h แล้วจึงผสมอากาศภายนอกเพิ่มมวล30%เพื่อใช้ระบายความร้อนให้คอยล์ร้อนซึ่งสามารถลดอุณหภูมิคอยล์ร้อนลงเป็น 49 c โดยมีอุณหภูมิsubcooled 10 C

ใช้คอมเพรสเซอร์ R-134a ตามอุณหภูมิคอยล์เย็นและคอยล์ร้อนข้างต้นได้ COP 5.1 คอมเพรสเซอร์จึงใช้ไฟฟ้า=10.1/5.1=1.96 kW ใช้พัดลมประมาณ 0.55 kW  รวมฮีตปั๊มใช้ไฟฟ้า 2.51 kW สรุปกำลังไฟฟ้าในการผลิตน้ำได้=2.51x1000/8.04=312.2 kWe h/m3 ประหยัดกว่าการกลั่นน้ำด้วยฮีตปั๊มประมาณ 40%

รูปที่ 17. แผนภูมิไซโครเมตริกแสดงการกลั่นน้ำด้วยฮีตปั๊มและตามตัวอย่าง

ส่งท้าย

              การเพิ่มขึ้นของประชากร การเจริญเติบโตทางด้านเศรษฐกิจและอุตสาหกรรมทำให้เกิดการขาดแคลนแหล่งน้ำดิบที่มีคุณภาพทำให้การกลั่นน้ำมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ การกลั่นน้ำด้วยเทคนิคพื้นฐานที่อธิบายข้างต้นเป็นการกลั่นน้ำในระดับอุตสาหกรรมทำให้มีต้นทุนและค่าพลังงานสำหรับการกลั่นต่ำ แหล่งน้ำดิบที่มีคุณภาพดีกว่าเช่นน้ำกร่อยจะทำให้ค่าพลังงานของการกลั่นน้อยกว่าน้ำทะเล เพื่อลดค่าพลังงานการกลั่นน้ำและเพื่อลดปัญหาโลกร้อนจากการใช้พลังงานจึงได้พัฒนาการใช้พลังงานทางเลือกในการกลั่นน้ำ ซึ่งสรุปสิ่งที่สำคัญที่สุดของการกลั่นน้ำคือต้องมีแหล่งน้ำดิบ

              สำหรับภูมิประเทศหรือเหตุใดๆที่ทำให้ไม่สามารถใช้แหล่งน้ำดิบได้ การกลั่นน้ำจากอากาศด้วยฮีตปั๊มจึงมีความจำเป็นเพื่อการดำรงชีวิตถึงแม้จะใช้พลังงานมากกว่าแต่ก็สามารถใช้พลังงานทางเลือกทำงานร่วมกันเพื่อลดการใช้พลังงานลง และด้วยการใช้ฮีตปั๊มร่วมกับเมมเบรนก็สามารถลดค่าพลังงานสำหรับการกลั่นน้ำลงได้ประมาณ 40%