บทท 2 หลกการ ทฤษฎ และการทบทวนเอกสาร

ในบทนจะกลาวถงขอมลเบองตน หลกการหรอทฤษฎตางๆ ทไดน ามาใชในการประกอบการท าวจยเพอการสงเคราะหแกวพรนทเจอดวยเงนส าหรบตานเชอแบคทเรยในน าชนด Escherichia

coli (E. coli) ซงประกอบไปดวยขอมลเกยวกบ ความหมายของแกวพรน กลไกการการเกดฟอง เงนในโครงสรางแกว เศษแกวชนดโซดา-ไลม-ซลกา เชอแบคทเรย E. coli กลไกในการตานเชอแบคทเรย การกรอง และเทคนคตางๆ ทใชในการศกษาแกวพรนทเจอดวยเงน 2.1 แกว (Glass)

แกว มาจากภาษาองกฤษวา กลาส (Glass) เปนวตถโปรงใส เนอใสสะอาด มความมนแวววาว แขงแรงแตมความเปราะ แกวเปนสารประกอบของซลกากบโลหะออกไซดตามความหมายของแกวตาม ASTM (1945) [10] หมายถง ผลตภณฑอนนทรยของสารหลอมทผานการเยนตวจนอยในสภาพแขงตวโดยปราศจากผลก หรอกลาวอกนยหนงวา แกวเปนของแขงอสณฐาน (Amorphous

solid) ตอมางานวจยดานแกวไดมการพฒนาจนมผลตภณฑแกวใหมๆ เกดขน จงไดมการใหค าจ ากดความของแกวใหมในป ค.ศ. 1976 วา แกวคอวสดอสณฐานทมการเปลยนแปลงสมบตทางเทอรโมไดนามกส เชน ความจความรอน สมประสทธการขยายตวเพราะความรอนจากของแขงเปนของเหลวอยางรวดเรว ณ จดทเรยกวาจดแปรเปลยนสภาพแกว (Glass transition ; Tg) ส าหรบความหมายของแกวทอธบายในเทอมของการเปลยนแปลงความหนดของสารหลอมเหลว โดยสารหลอมทมการเยนตวอยางรวดเรวจนอยในสภาพของเหลวหนด (Supercooled liquid) ทมคาความหนดสงกวา 10

12 - 10

13 Pa.s โดยของเหลวนนสามารถคงรปรางและมคาความแขงสง ซงของแขง

ทไดถกเรยกวาแกว โดยทวไปแลวของเหลวหนดทจะเปลยนเปนแกวมกถกเรยกวา Glass-forming

melt [11] นอกจากนความหมายของแกวตาม Physicochemistry ทอธบายวา เมอของเหลวมการเยนตวอยางรวดเรวจนอยในสภาวะแชแขงโดยไมเกดผลก (Freezing-in process) ซงจะผานชวงอณหภมทมความสมดลทางเทอรโมไดนามกสท าใหปรมาตรของของแขงนนลดลงนอย ดงนนอาจกลาวไดวา แกว คอ ของเหลวทอยในสภาวะแชแขงจากการเยนตวอยางรวดเรว [12]

นกวทยาศาสตรบางกลมจดใหแกวเปนอกสถานะหนงของสารนอกจากของแขง (Solid)

ของเหลว (Liquid) และแกส (Gas) โดยจะอยก ากงระหวางของแขงและของเหลว ทงนเนองจาก

6

(ก) (ข)

แกวเปนของแขงทไมมความเปนผลกตางจากของแขงทวไปและยงมโครงสรางทไมตอเนองเหมอนของเหลว หรอแกวมสภาพความแขงเชงกล (Mechanical rigidity) เหมอนของแขง แตมการเรยงตวของอะตอมหรอโมเลกลแบบสมเหมอนของเหลว ดงแสดงในรปท 2.1 ซงเปนโครงสรางของซลกอนไดออกไซดทเปนผลกของซลกา (SiO2) อยางเปนระเบยบและตอเนอง (Continuous -

ordered arrangement) หรอมการจดเรยงตวแบบชวงยาว (Long range order) ในรป 2.1 (ก) ในขณะทโครงสรางแกวจากการหลอม SiO2 ทอะตอมของ Si และ O มการจดเรยงตวกนแบบสม

(Random - disordered arrangement) หรอจดเรยงตวแบบชวงสน (Short range order) ในรป 2.1 (ข) ซงเปนความแตกตางทชดเจนระหวางโครงสรางของแขงทมความเปนผลกและโครงสรางแกว

รป 2.1 การเปรยบเทยบโครงสรางแบบสองมตของ SiO2 (ก) ผลก (Crystal structure) (ข) แกว (Glass structure) [12]

จากรปท 2.1 เมอท าการตรวจสอบโครงสรางดวยเทคนคการเลยวเบนรงสเอกซ (X-ray

diffraction) ทสามารถบงบอกถงความเปนผลกและอสณฐานของของแขงได ดงแสดงในรปท 2.2 ซงเปรยบเทยบความเขมของการเลยวเบนรงสเอกซ (Intensity) และมมขของการเลยวเบน (sinθ/) ระหวางผลกของแขง แกว ของเหลว และแกส แสดงใหเหนวาแกสมการเลยวเบนรงสเอกซสงทมมเลกๆ และลดลงอยางตอเนองเมอมมเพมขน ส าหรบของเหลว พบวา มการเลยวเบนรงสเอกซสงทมมเลกๆ แตนอยกวาแกส และปรากฏพคทกวาง (Broad peak) ดวยมมทกวางขน

7

ส าหรบของแขง พบวา ความเขมการเลยวเบนรงสเอกซเกดขนทมมจ าเพาะดวยการปรากฏพคทแคบและแหลมชดเจน (Narrow sharp peak) ซงเกดจากโครงสรางผลกทเปนระเบยบและแนนอน เมอพจารณาการเลยวเบนรงสเอกซของแกว พบวา มลกษณะคลายกบของเหลวแตพคจะกวางนอยกวา จงเหนไดชดวาโครงสรางของแกวทเปนอสณฐานนนมความใกลเคยงกบโครงสรางของเหลวมากกวาของแขง ดงนนอาจกลาวไดวาแกวเปนเหลวทมความหนดสง (Viscous liquid) จนมความแขง (Rigid) สงทสามารถทรงรปรางได

รป 2.2 สเปกตรมการเลยวเบนรงสเอกซของสารทมสถานะแตกตางกนระหวาง ของแขงของเหลว แกส และแกว [13]

2.1.1 หลกการเกดแกว (Principle of glass formation)

การเกดแกวอธบายดวยไดอะแกรมปรมาตร-อณหภ ม (Volume-temperature

diagram) ดงแสดงในรปท 2.3 ซงแสดงถงการเปลยนแปลงปรมาตรจากสารหลอมเหลวกลายเปนแกวในชวงอณหภมตางๆ

8

รป 2.3 ความสมพนธระหวางอณหภมและปรมาตรของสถานะแกว ของเหลว และของแขง [11]

จากรป 2.3 เมอวตถอยในสภาพหลอมเหลวทอณหภมสงวาอณหภมหลอม (Fusion

temperature; Tf) ณ จด a ถกท าใหเยนตวเรวอยางยงยวด (Supercooled liquid) เปนผลใหปรมาตรของของเหลวนนลดลงตามเสน be ซงการลดลงของปรมาตรนเกดจากอะตอมมระดบการสนลดลงและมการเปลยนโครงสรางบางสวนจากการทอะตอมเขามาชดกน โดยการเปลยนแปลงโครงสรางทอณหภมใกล Tf จะมการเปลยนแปลงอยางรวดเรว (ความชนของเสนกราฟคอนขางชน) และตอเนองเมออณหภมลดลง ขณะเดยวกนความหนดของสารหลอมเหลวจะเพมขนจนกระทงกลายเปนของเหลวทมโครงสรางแบบของเหลวความหนดสง (Viscous liquid) สงผลใหปรมาตรลดลง ซงจด e นเปนจดทอะตอมของของเหลวมระดบการสนต ามากและจะลดลงเรอยๆ ตามการลดลงของอณหภมโดยมความชนของเสนกราฟลดลง โดยจด e นมชอเรยกวา “อณหภมแปรเปลยนสภาพแกว” (Transformation or glass transition temperature; Tg) เมออณหภมลดลงต ากวา Tg ของเหลวหนดนนจะกลายเปนแกว (Glass) หรอของแขงอสณฐาน (Amorphous) ทมการจดเรยงอะตอมแบบสมทเรยกวา Meta-stable equilibrium โดยทวไปแลวในการเปลยนจากของเหลวหนดเปนแกวนน บางครงอาจไมสามารถระบ Tg ไดทอณหภมใดอณหภมหนงไดชดเจน แตจะปรากฏออกมาเปน “ชวงอณหภมทเรยกวาชวงแปรเปลยนสภาพแกว (Glass

9

transformation range)” ถาท าการลดอณหภมจาก Tg ดวยอตราการเยนตวชาลง จนถงอณหภมหนงๆ (T) จะท าใหปรมาตรลดลงตามเสนประ ซงมอตราการเปลยนแปลงปรมาตรเทากนตงแตจด b จนถงอณหภม T ใดๆ ท าใหของหลอมเหลวหนดนนมการจดเรยงโครงสรางทสมดล (Equilibrium configuration) โดยมพลงงานอสระ (Free energy) ต าเพยงพอใหอะตอมมการจดเรยงตวเปนระเบยบมากขน แตยงคงสภาพเปนแกวอยแตจะมปรมาตรต ากวาของแขงทอยในสภาพแกวทผานการเยนตวเรว

ในท านองเดยวกนถาท าการลดอณหภมจาก Tg ชามากๆ จะท าใหของเหลวหนดนนมพลงงานอสระต ามากจนกระทงอะตอมสามารถจดเรยงตวเปนระเบยบกลายเปนของแขงทมผลก (Crystalline solid) แตอยางไรกตามทอณหภมใดๆทต ากวา Tg สามารถเปลยนของเหลวหนดใหมผลกไดถาท าการลดอณหภมชามากๆ อกกรณหนงถาท าการลดอณหภมจาก Tf อยางชาๆ จะท าใหของเหลวมปรมาตรลดลงอยางรวดเรวตามเสน bc ซงเกดจากการเรยงตวของอะตอมอยางเปนระเบยบจนกลายเปนผลก จนกระทงปรมาตรลดลงต าทสดตามเสน cd

จากรป 2.3 เหนไดชดเจนวาของเหลวทมการตกผลกของแขงจะมการเปลยนแปลงปรมาตรของสารอยางฉบพลนแบบไมตอเนอง (Discontinuous change) จากนนการเปลยนแปลงจะเรมชาลงอยางคงท แตถาของเหลวถกท าใหเยนตวเรวอยางยงยวดจะมการเปลยนแปลงปรมาตรอยางชาๆแบบตอเนอง (Continuous change) จนกระทงถงชวงแปรเปลยนสภาพแกว การเปลยนแปลงปรมาตรเทยบกบอณหภมจะเกดขนอยางชาๆ สงเกตไดจากความชนของกราฟลดลงจากชวงการเยนตวยงยวด (Supercooled liquid) ดงนนการเปลยนแปลงทางความรอนของการเกดแกวกบการเกดผลกจงตางกนโดยสนเชง

ในการเกดแกวนน อตราการเยนตวจะเปนตวแปรส าคญทจะก าหนดสมบตของแกวตอไป โดยเฉพาะอยางยงการเยนตวในชวงแปรเปลยนสภาพแกว โดยเปนชวงส าคญทสามารถปรบเปลยนโครงสรางและสมบตของแกวได ดงแสดงในรปท 2.4 ทแสดงใหเหนถงผลของอตราการเยนตวทมผลตอเอนทลปของของเหลวทจะท าใหไดของแขงทมผลก หรอของแขงสภาพแกว หรอแมแตของแขงสภาพแกว จะมสมบตตางกนไดถาท าการเยนตวดวยอตราแตกตางกน

10

รป 2.4 ผลของอตราการเยนตวกบการเปลยนแปลงเอนทลปตอการเกดแกว [14]

จากรป 2.4 เมอของเหลวทผานการเยนตวยงยวดมการลดอณหภมดวยอตราการเยนตวตางกน จะสงผลใหมการเปลยนแปลงเอนทลปและโครงสรางของแกวอยในภาวะสมดลตางกน โดยแกวทไดจากการเยนตวแบบชา (Slow cooled glass) จะไดแกวทมเอนทลปหรอปรมาตรสดทาย รวมถงมอณหภมแปรเปลยนสภาพ (Tg) หรอบางครงเรยกวา Fictive temperature (TF) นอยกวาแกวทไดจากการเยนตวแบบเรว (Fast cooled glass) เปนผลใหแกวทเยนตวอยางชามโครงสรางทเสถยรและคงทน (Stability) สง

นอกจากนแกวทผานการเยนตวชาจะมปรมาตรต า สงผลท าใหแกวมความหนาแนนและการหกเหแสงสงกวาแกวทผานการเยนทเรว ดงนน สมบตของแกวททดสอบทอณหภมหองจะขนกบอตราการเยนตวผานชวงแปรเปลยนสภาพแกวทจะตองมการก าหนดหรอควบคมใหแนนอน

จากรป 2.3 และ 2.4 มอณหภมทส าคญในการเกดแกวและการผลตแกวตอไป โดยแตละอณหภมแกวยงคงเปนของเหลวทมความหนดแตกตางกน เมอลดอณหภมลงจะท าใหแกวมความหนดสงขนจนสามารถทรงรปรางและเปลยนสถานะเปนของแขงไมมผลกได (Amorphous solid) อณหภมส าคญ [13] ไดแก

11

จดหลอมตว (Fusion point; TF) แกวอยในสภาพของเหลว มความหนด 101-10

2 Pa.s

จดไหลตว (Flow point; Tflow ) แกวอยในสภาพของเหลว มความหนด 103-10

6 Pa.s

จดออนตว (Softening point; Ts) แกวอยในสภาพของเหลวหนด มความหนด 106.6

Pa.s จดอบแกว (Annealing point; Ta) แกวอยในสภาพของแขง มความหนด 10

12 Pa.s

จดแปรเปลยนสภาพแกว (Transition point; Tg) แกวอยในสภาพของแขงมความหนด 1013

Pa.s จดเสถยรของแกว (Strain point; Tst) แกวอยในสภาพของแขง มความหนด 10

13.5 Pa.s

2.1.2 องคประกอบของแกวอนนทรยหรอแกวออกไซด [15] องคประกอบของแกวออกไซดประกอบดวยออกไซดชนดตางๆ โดยแตละออกไซดมบทบาทในการเกดเปนแกวทแตกตางกน เชน ออกไซดบางชนดเปนโครงสรางหลกของแกว บางชนดเปนสารปรบแตงสมบตบางอยางของแกว และบางชนดเปนสารทชวยท าใหการหลอมแกวท าไดงายขน เปนตน เมอน าออกไซดหลายชนดมารวมกนจะไดแกวทมลกษณะเฉพาะและสมบตตามตองการได เมอพจารณาถงหนาทของออกไซดแตละชนดในองคประกอบแกว จะแบงออกไซดไดเปน 3 กลม ดงแสดงในตารางท 1 ไดแก กลมท 1 ออกไซดทท าหนาทเปนโครงสรางแกว (Glass network formers) ออกไซดกลมนเปนออกไซดของโลหะทมประจบวกสงและขนาดอะตอมเลก เชน SiO2, B2O3 และ P2O5 เปนตน เพอท าใหเกดพนธะระหวางประจบวกนนและออกซเจนไดหลายพนธะ เชน 3 หรอ 4 พนธะ โดยพนธะทเกดขนตองมความแขงแรงเพยงพอทท าใหแกวมโครงสรางแขงแรง กลมท 2 ออกไซดทท าหนาทเปนสารชวยหลอม (Glass network modifiers) ออกไซดกลมนเปนออกไซดทหลอมตวไดงาย จงท าใหแกวหลอมตวไดทอณหภมต า ไดแก ออกไซดของอลคาไลน Na2O, K2O, Li2O ออกไซดของอลคาไลนเอรธ CaO, MgO, BaO รวมถง PbO และออกไซดทหลอมตวไดทอณหภมต าชนดตางๆ ซงออกไซดกลมนจะท าใหแกวมความแขงแรงต า ทนตอสารเคมไดนอยและสามารถละลายน าได กลมท 3 ออกไซดทท าหนาทเปนสารเพมความคงทน (Glass intermediate or glass

stabilizers) ออกไซดกลมนเปนออกไซดทมความแขงแรงและคงทนตอสารเคมสง เชน Al2O3,

ZnO เปนตน ซงท าใหแกวมความแขงสงตามไปดวย นอกจากนยงใชออกไซดกลมนเปนสารปรบแตงสมบตของแกวใหไดตามตองการ เชน การเตม Al2O3 จะท าใหแกวมความคงทนตอสารเคมมากขนและละลายน าไดนอยลง เนองจาก Al2O3 มความแขงแรงและทนไฟไดสง เปนตน

12

ตาราง 2.1 ออกไซดทเปนองคประกอบของแกวทแยกตามหนาทของการเกดแกว [15] ออกไซดใหโครงสรางแกว ออกไซดทเพมความคงทน ออกไซดทเปนสารชวยหลอม

SiO2 Al2O3 Na2O

B2O3 ZnO K2O

P2O5 BeO Li2O

GeO2 Sb2O3 CaO

V2O5 TiO2 MgO

As2O3 BaO

PbO

ตวอยางขององคประกอบแกวทใชงานดานตางๆ แสดงในตารางท 2.1 ส าหรบแกวทใช SiO2 เปนโครงสรางทเรยกแกวประเภทนวาแกวซลเกต (Silicate glass) และตารางท 2.3 ส าหรบแกวทใชออกไซดชนดอนเปนโครงสราง เชน ถาใช B2O3 จะเรยกวาแกวบอเรต (Borate glass) และถาใช P2O5 จะเรยกวาแกวฟอสเฟต (Phosphate glass) เปนตน ตาราง 2.2 องคประกอบแกวซลเกตทางการคาชนดตางๆ [15]

แกว SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO BaO Na2O K2O SO3 F2 ZnO PbO B2O3

Container

flint 74.1 1.8 n.d 8.8 1.4 0.2 13 0.4 0.1 0 - - -

Container

amber 71.7 2.6 0.3 9.9 1.6 - 13.3 0.4 0 0 - - -

Tableware

flint 74.6 1.2 0.04 5.3 3.8 - 14.6 0.3 0 - - -

Window

green 71.7 0.2 0.1 9.6 4.4 - 13.1 - 0.4 - - - -

Window 72 1.3 - 8.2 3.5 - 14.3 0.3 0.3 - - - -

Borosilicate* 81 2.5 - - - - 4.5 - - - - - 12

Borosilicate** 74.3 5.6 - 0.9 - 2.2 6.6 0.4 - - - - 10

Fiber glass 54.5 14.5 0.4 16 4.4 - 0.5 - - 0 - - 10

Lead

tableware*** 66 0.9 - 0.7 - 0.5 6 9.5 - - - 16 0.6

Lamp bulb 72.9 2.2 - 4.7 3.6 - 16.3 0.2 0.2 - - - 0.2

*แกวกนความรอน (Heat resisting) ** U.S.P. type I *** จอทว

13

ตาราง 2.3 องคประกอบแกวบางชนด [15] องคประกอบ (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)

GeO2 61.80 81.48 - - - - -

B2O3 2.34 0.17 36 12 40 4.0 -

Na2O - 10.11 - - - - -

K2O 6.15 - - - - 10.0 -

CaO - 6.59 - - - - -

ZnO 7.14 - - - - 1.0 10.0

BaO 22.20 - 27 - 20 - -

Sb2O3 - 1.32 - - - - -

As2O3 0.36 0.33 - - - - -

Al2O3 - - 27 - - 10.0 18.0

MgO - - 10 - - 4.0 -

Ta2O5 - - - 28 - - -

TiO2 - - - 12 - - -

ZrO2 - - - 6 - - -

La2O3 - - - 42 20 - -

ThO2 - - - - 20 - -

P2O5 - - - - - 70.7 72.0

FeO - - - - - 2.5 -

(1) Morey 9, Germanium glasses

(2) Morey 9

(3) Stanworth 10

, Sodium vapor lamp

glass

(4) Stanworth 10, Borate optical glass,

new type

(5) Stanworth 10

, Borate optical glass,

new type

(6) Stanworth 10

, Infrared absorbing glass

(7) Stanworth 10

, Hydrofluoric acid

resisting glass

จากตารางท 2.2 และ 2.3 แสดงใหเหนวาแกวแตละชนดมองคประกอบทแตกตางกน หรอแมแตแกวชนดเดยวกนยงมองคประกอบตางกน ซงในการผลตแกวจ าเปนตองทราบปจจยทจะน ามาควบคมและก าหนดขอจ ากดตางๆ เกยวกบองคประกอบของแกวแตละชนด ประกอบดวย 4 ประเดน คอ (1) แกวตองมองคประกอบเปนไปตามทตองการในการใชงาน (2) แกวตองมองคประกอบทสามารถหลอม ขนรปและมความเปนเนอเดยวกน (Homogenous) ไดทสภาวะก าหนด โดยเฉพาะอยางยงตองมความเหมาะสมในการขนรป (3) แกวตองมองคประกอบความเหมาะสมส าหรบการขนรปไดงายและเปนไปตามทก าหนด (4) การผลตแกวแตละองคประกอบตองมตนทนทยอมรบได

14

ส าหรบแกวองคประกอบหนง ถามการเพมปรมาณ Al2O3 จะท าใหแกวบรรจภณฑ (Container glass) มความทนตอสารเคมไดมากขน รวมถงสามารถเพมความคงทนไดเชนกน หรอการเพมปรมาณ Al2O3 และ CaO จะท าใหแกวมอตราการแขงตวทเหมาะสมส าหรบการขนรป หรอการควบคมอตราสวนระหวาง CaO ตอ MgO จะชวยท าใหสามารถหลอมแกวไดทอณหภมต าลง หรอการเพมปรมาณ MgO จะท าใหแกวมความทนตอการละลายน าได เปนตน นอกจากนยงตองพจารณาถงสมบตดานตางๆ ของแกวดวย ไดแก ความโปรงใส ส ความแขงแรง และการตกคางของฟองอากาศในแกว ซงจ าเปนตองมการเตมสารบางชนดเพอปรบสมบตของแกวใหดขน เชน การเตม As2O3 เพยง 0.5 wt% หรอเตม Sb2O3 เพยงเลกนอย จะชวยท าใหแกวไมมสและมความโปรงแสงมากขน หรอการเตมสารประกอบทใหแกสซลเฟอรไตรออกไซดในแกว (SO3) เชน Na2SO4, BaSO4 หรอ CaSO4.2H2O ในปรมาณเพยง 0.5 wt% จะชวยท าใหแกวใสขนและลดฟองอากาศตกคางในแกวได เนองจาก SO3 เปนสารออกซไดซ (Oxidizing agent) ท าใหการหลอมแกวเกดไดสมบรณ หรอการเตมฟลออไรดประมาณ 0.5 wt% จะชวยท าใหแกวมความหนดต าลงขณะทแกวหลอมเหลว 2.1.3 ชนดของแกวออกไซด การแบงชนดของแกวออกไซดสามารถแบงไดหลายแบบ เชน แบงตามกรรมวธการผลต แบงตามองคประกอบทางเคม หรอแบงตามการใชงาน แตโดยสวนใหญมกจะบอกชนดของแกวออกไซดตามออกไซดทใชเปนโครงสรางหลก (Back bone structure) ในแกว ซงแบงไดเปน 3 ชนด คอ แกวซลเกต แกวบอเรต และแกวฟอสเฟต (1) แกวซลเกต (Silicate glass) เปนแกวทใชซลกอนไดออกไซด หรอซลกา (SiO2) ในการใหโครงสรางหลกของแกว โดยซลกานอาจไดจากทราย ควอรซ สารประกอบซลเกตหรออะลมโนซลเกตอนๆ ทมซลกาเปนองคประกอบ ถาน าซลกามาหลอมใหกลายเปนของหลอมเหลว จากนนเยนตวอยางรวดเรว จะไดแกวทเรยกวาแกวหลอมซลกา ซงตองใชอณหภมหลอมสงถง 1723

oC แตในปจจบนไดมการน าออกไซดชนดอนๆมาผสมกบซลกา เพอใหมอณหภมหลอม

ต าลง และไดแกวชนดตางๆ ใหใชงานไดหลากหลาย แกวซลเกตนสามารถน ามาใชเปนแกวแผน (Window panes) ขวดแกว (Bottle glass) ภาชนะบรรจภณฑตางๆ (Container glass) เปนตน โดยแกวประเภทนแบงออกไดหลายชนดขนกบออกไซดทน ามาผสมกบซลกา ประกอบดวย (1.1) แกวหลอมซลกา (Silica glass หรอ Fused silica) เปนแกวทใชซลกอนไดออกไซดเพยงชนดเดยวเปนองคประกอบ

15

ซลกอนไดออกไซดหรอซลกา (SiO2) > 99.5 %โดยน าหนก แกวชนดนมการหลอมตวทอณหภมสง และมราคาแพง เปนแกวทแขงแรงและ

คงทน มคาการขยายตวเพราะความรอนทต าและความตานทางการเปลยนแปลงอณหภมฉบพลนสง มความทนทานตอสารเคมไดด มความโปรงแสงในชวงความยาวคลนคอนขางกวาง นอกจากนสามารถประยกตแกวชนดนในหลายๆ ดาน เชน หลอดไฟ เบาหลอมส าหรบซลคอนและเจอเมเนยม และอปกรณทางทศนศาสตร (Optical divices) เปนตน

(1.2) แกวไวคอร (Vycor glass) เปนแกวในกลมซลกาหลอมแตมการผสมดวยโบรอนออกไซดเลกนอย นยมใชท าเปนเครองมอทางวทยาศาสตรหรอการแพทยทจะใชงานทอณหภมสง โดยมองคประกอบเคมเปน

ซลกา 96 %โดยน าหนก โบรอนออกไซด (B2O3) 3-4 % โดยน าหนก

(1.3) แกวโซดา-ไลม-ซลกา (Soda-lime-silica glass) เปนแกวทพบเหนไดโดยทวไป ไดแก แกวทเปนขวด แกวน า กระจก เปนตน สามารถท าใหเกดสตางๆ ไดโดยการเตมออกไซดทมสลงไป ผลตจากวตถดบหลก คอ ทราย โซดาแอช หนปน โดโลไมท เฟลดสปาร และมองคประกอบอนๆ อกเลกนอย เชน อะลมเนยมออกไซด โซเดยมซลเฟต เปนตน แกวชนดนมองคประกอบหลกประกอบดวย

ซลกา 60-75 %โดยน าหนก โซเดยมออกไซด 12-18 %โดยน าหนก แคลเซยมออกไซด 5-12 %โดยน าหนก

แกวชนดนมการน าไปใชงานไดหลากหลาย โดยมการผลตมากทสดกวา 90% ของแกวทงหมด เชน การผลตเปนแกวแผนทเรยกวา Flat glass หรอ Float glass แกวบรรจภณฑทสามารถใชบรรจน า อาหารและสารละลายได

(1.4) แกวบอโรซลเกต (Borosilicate glass) หรอ Pyrex เปนแกวทมการเตมบอรอนออกไซดลงไปในชวง 5-25 %โดยน าหนก เพอท าหนาทเปนโครงสรางหลกรวมกบซลกา ท าใหมคาสมประสทธการขยายตวเพราะความรอนต า (ประมาณ 5 × 10

-6 /°C ท 20 °C) และทนตอ

การเปลยนแปลงอณหภมฉบพลน แกวทไดสามารถน าไปใชท าเครองแกววทยาศาสตร เครองมอแพทย ท าภาชนะแกวส าหรบใชในเตาไมโครเวฟ หลอดไฟ เปนตน องคประกอบเคมของแกวชนดนประกอบดวย

16

ซลกา 60-80 %โดยน าหนก โบรอนออกไซด 10-25 %โดยน าหนก อะลมเนยมออกไซด (Al2O3) 1-4 %โดยน าหนก

(1.5) แกวตะกว (Lead glass) หรอแกวครสตล (Crystal glass) เปนแกวทมสารผสมของตะกวออกไซดอยประมาณ 18-35 %โดยน าหนก เปนแกวทมดชนหกเหสง (1.5-1.7) มากกวาแกวชนดอน ท าใหมประกายแวววาวสวยงาม และแกะสลกเปนลวดลายตางๆ ได มความเปนฉนวนไฟฟาใชท าเครองแกวทมราคาแพง ใชท าหลอดไฟ เครองประดบ แกวตกแตง เปนตน แกวตะกวทน ามาใชงานแสงหรอเลนสจะเรยกวาแกว ฟรนท (Flint glass) ทมปรมาณของตะกวออกไซดมากกวา 24 %โดยน าหนก ซงตวอยางขององคประกอบเคมของแกวตะกวนประกอบดวย

ซลกา 30-70 %โดยน าหนก ตะกวออกไซด (PbO) 18-65 %โดยน าหนก โซเดยมออกไซดหรอ

โปแตสเซยมออกไซด (K2O) 5-20 %โดยน าหนก นอกจากแกวตะกวยงมสมบตทดอกหลายดาน เชน การน าไปเปนหลอดแกว

เทอรโมมเตอร ฉนวนกนไฟฟา จนถงสมบตทพเศษคอสามารถเปนเกราะปองกนรงสเอกซ (X-ray

protection) เปนตน (1.6) แกวอะลมโนซลเกต (Aluminosilicate glass) มอะลมนาประมาณ 20 %โดย

น าหนก และซลกาเปนสวนผสมหลก มคาสมประสทธการขยายตวเพราะความรอนต า มความแขงแรงสงและมจดออนตวของแกว (Softening point) สง มกใชประโยชนดานตวตานทานไฟฟา หลอดรงสทใชงานอณหภมไดถง 750

oC แกวชนดนถามการเตมบอรอนออกไซดและลดปรมาณ

โซเดยมออกไซดลง จะเรยกวาแกวอะลมโนบอโรซลเกต (Alumino-borosilicate glass) ทมความแขงแรงและทนตอสารเคมไดสงมาก ส าหรบองคประกอบเคมของแกวชนดนประกอบดวย

ซลกา 5-60 %โดยน าหนก โบรอนออกไซด 1-10 %โดยน าหนก

อะลมเนยมออกไซด 20-40 %โดยน าหนก แคลเซยมออกไซด 5-50 %โดยน าหนก

17

(1.7) แกวโอ-ปอล (Opal glass) เปนแกวทมการเตมสารบางตว เชน โซเดยมฟลออไรด หรอแคลเซยมฟลออไรด ท าใหมการตกผลก หรอการแยกเฟสขนในเนอแกว ท าใหแกวชนดนมความขนหรอโปรงแสง เนองจากสามารถหลอม และขนรปไดงายจงมตนทนการผลตต า และสามารถท าใหมความแขงแรงทนทานมากขนเมอน าไปผานกระบวนการทางความรอน (Heat

treatment) และการเคลอบผว (1.8) กลาส-เซรามกส (Glass-ceramics) เปนวสดทมสมบตรวมกนระหวางแกวและเซรามกส ท าจากการน าแกวมผานกระบวนการความรอนเพอใหเกดผลกขน เชน แกวประเภทลเธยมอลมโนซลเกตทม TiO2 หรอ ZrO2 เปนสารทเรงการตกผลกผสมอยเลกนอย ซงจะท าใหเกดผลกในเนอแกว ซงอาจท าใหแกวมความทบแสงหรอโปรงใสขนกบชนดของผลก กลาส-เซรามกสจะทนทาน และมสมประสทธการขยายตวเพราะความรอนต ามาก สามารถน าไปใชเปนภาชนะหงตม หรอเปนแผนบนเตาหงตมได (1.9) แกวส (Colored glass) เปนแกวทมการเตมสารใหส (Coloring agent) ลงไปขณะท าการหลอมแกว ซงสวนใหญเปนออกไซดของโลหะทรานซชน (Transition metal

oxides) เชน เหลกออกไซด (Fe2O3) โครเมยมออกไซด (Cr2O3) แมงกานสไดออกไซด (MnO2) ไททาเนยมไดออกไซด (TiO2) โคบอลตออกไซด (CoO) คอปเปอรออกไซด (CuO) เปนตน โดยจะเตมเพยงชนดเดยวหรอหลายชนดพรอมกนได ซงจะท าใหเกดสในแกวไดหลากหลายขนกบชนดและปรมาณของออกไซดเหลาน ดงแสดงในตารางท 2.4 ตาราง 2.4 ออกไซดของโลหะทรานซชนทท าใหเกดสในแกว [16]

ออกไซด อออน สทปรากฏ โครเมยม (Cr2O3) Cr

3+ เขยว

คอปเปอร (CuO) Cu2+

ฟา โคบอลต (CoO) Co

2+ น าเงน

นเกล (NiO) Ni2+

น าตาล แมงกานส (MnO2) Mn

3+ มวง

เหลก (Fe2O3) Fe2+

เขยวออน เหลก (Fe2O3) Fe

3+ เหลองออน

วาเนเดยม (V2O5) V3+

เขยว วาเนเดยม (V2O5) V

4+ ฟา

วาเนเดยม (V2O5) V5+

เหลองออน

18

(2) แกวบอเรต (Borate) เปนแกวทใชบอรอนออกไซด (B2O3) ในการใหโครงสรางหลกในแกว โดยแกวชนดนสามารถหลอมไดทอณหภมต า แตไดแกวทสามารถใชงานทอณหภมสง (Thermal resistance) มความแขงแรงสง ทนตอการขดส (Scratch resistance) รวมถงมความทนตอน าและสารเคม (Aqueous and chemical durabilities) นอกจากนแกวบอเรตยงนยมใชในงานดานแสง เชน ท าเลนสแสง (Optical lens) เลนสกลอง (Telescope lens) เปนตน [17, 18] (3) แกวฟอสเฟต (Phosphate glass) เปนแกวทใชฟอสฟอรสเพนตะออกไซด (P2O5) ในการใหโครงสรางแกว แกวชนดนมความทนตอสารละลายกรดไฮโดรฟลออรก (Hydrofluoric acid) ซงแกวซลเกตไมสามารถทนได และนยมใชท าใยแกวน าแสง (Optical fibers) โดยการเตมสาร

Rare earth ions ลงไป เมอท าการเตมเหลกออกไซดจะท าใหแกวฟอสเฟตมสมบตเปนสารดดความรอน (Heat absorber) หรอถาเตมตะกวออกไซดเพมเขาไปจะสามารถประยกตใชในการเปนวสดปองกนรงสนวเคลยรได นอกจากนถาท าการเตมฟลออรน (F) ลงไปจะท าใหใชแกวทมสมบตดดกลนแสงเหนอมวง (Ultraviolet radiation) นอยมาก จงใชท าเปนแกวอลทราไวโอเลต (Ultraviolet glass) รวมถงท าเปนหลอดไฟฟลออเรสเซนตได เปนตน [19, 20] 2.2 เศษแกว (Cullet) [21] เศษแกวเปนวสดอสณฐาน (Amorphous material) จดเปนวสดเหลอใช ทมาจากขวดแกว, กระจก, ภาชนะบรรจภณฑตางๆ เศษแกวโดยทวไปจดเปนแกวโซดา-ไลม-ซลกา (Soda-lime

glass) โดยท ท าจากวตถดบหลก 3 ชนด คอ ทราย โซดาแอช และหนปน ซงมองคประกอบทางเคมเปนรอยละโดยน าหนกของออกไซด ดงตาราง 2.5 ตาราง 2.5 องคประกอบทางเคมของเศษแกวโซดา–ไลม-ซลกา

การผลตแกวประเภทนมตนทนไมสง เนองจากวตถดบราคาคอนขางต า หลอมทอณหภมปานกลาง คอ 1300-1400 องศาเซลเซยส และสามารถขนรปไดดวยเครองมอทใชกนอยท วไป เชน

องคประกอบเคม SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O TiO2 SO2 L.O.I.

ปรมาณ (wt%) 72.4 0.7 0.11 8.6 4.00 13.6 0.3 0.02 0.20 -

19

การอด การเหวยง ผลตภณฑทไดจากแกวโซดา-ไลม-ซลกา มลกษณะเปนแกวใส และสามารถท าใหมสตางๆได โดยการเตมสารประเภทออกไซดทใหส แกวประเภทนมความแขงแรงและทนทานตอการใชงานทวๆไป แคความทนทานตอสภาพ กรด-ดางนนยงไมดมากนก ถาน าแกวนไปบรรจสารทมความเปนกรดมากเกนไป จะท าใหแกวเกดการละลาย และเกดรอยฝาในบรเวณผวทสมผสแกว ในกรณทสารซงสมผสกบแกวมความเปนดางสง โครงสรางของซลกาในแกวจะถกท าลาย และแกวจะเกดการละลายอยางรนแรง ในบรเวณทสารสมผสกบแกวจะมฟลมสขาวปรากฏขน ลกษณะเชนนจะพบไดหากน าแกวไปแชน ายาลางจานนานเกนไป แกวโซดา-ไลม ซลกา ไมเหมาะทจะน ามาบรรจอาหารเพอเขาเตาอบหรอใสของรอน เพราะมคาสมประสทธการขยายตวเนองดวยความรอนคอนขางสง โดยทวไปแกวโซดา-ไลม ซลกา จะเกดการแตกราวหากเกดการเปลยนแปลงอณหภมอยางฉบพลน และมความแขงแรงปานกลางเมอเปรยบเทยบกบแกวทวๆไป ในงานวจยน ไดรบความอนเคราะหเศษแกวจากหางหนสวนจ ากด แกวสงห (2000) เปนวตถดบส าหรบการเตรยมแกวพรนเพอใชเปนวสดกรอง ซงหางหนสวนจ ากด แกวสงห (2000) เปนสถานประกอบการทรบ-สง เศษแกว (Recycled glass or Cullet) ใหกบโรงงานอตสาหกรรมแกว เพอผลตแกวส าหรบการบรรจภณฑชนดตางๆ สามารถสงเศษแกวใหกบโรงงานฯ โดยเฉลยประมาณ 20 ตนตอวน ทจดไดวาอยในระดบเลกเมอเทยบกบบรษทอนทรบ-สงเศษแกวใหกบโรงงานฯ ทงนเศษแกวทรบ-สง นน เปนเศษแกวทมาจากขวดน า ขวดเครองดมประเภทตางๆ เปนตน ซงสวนใหญจะเปนแกวใส (Clear glass) คดเปนรอยละ 90 อกรอยละ 10 เปนแกวส (Colored glass) ขนตอนการเตรยมเศษแกวของหางหนสวนฯ แกวสงห (2000) มขนตอนทเปนการเตรยมแกวพรนดวยวธ Powder method แสดงเปนไดอะแกรมอยางงาย ไดดงรป 2.5 ดงน

20

2.3 แกวพรน (Porous glass) แกวพรน คอ วสดพรนทไดจากการเผาผงเศษแกวรวมกบสารกอฟองทอณหภมเผาผนก สารกอฟองเกดการแตกตวใหแกสซงจะขยายตวและดนแกวหลอม ท าใหเกดรพรนขน แกวพรนทไดมน าหนกเบา ทนแรงกดอดไดด ไมตดไฟ เฉอยตอปฏกรยาเคมและไมเปนพษ ทนตอการกดเซาะในน าและสารละลาย ทนตอแบคทเรย สามารถผลตไดงาย และผลตไดจ านวนมาก 2.3.1 การใชประโยชนของแกวพรน [22] (1) ใชเปนวสดกอสราง ปจจบนการใชงานแกวพรนจะเนนไปในการใชงานเพอการกอสรางทตองการสมบตความเปนฉนวนของวสดแกวพรน ซงลกษณะการใชงานของแกวพรนมดงตอไปน

ขวดแกว

แยกขวดแกวใสและขวดแกวส

เครองยอยขนาด และท าความสะอาด

แยกเศษโลหะและกระดาษ

จดเกบ และสงจ าหนวย

หางหนสวนฯ แกวสงห (2000) รบซอขวดแกวจากแหลงตางๆ

ท าการแยกสของขวดแกว โดยใชแรงงานคนคดแยกผานระบบสายพาน

ท าการยอยขนาดโดยใชเครองยอย Hammer mill โดยจะยอยขวดแกวใหไดเศษแกวขนาดประมาณ 2-3 นว พรอมกบใชน าลางเพอท าความสะอาด

ท าการแยกเศษโลหะทตดมากบคอขวดหรอเศษฝาปด และเศษกระดาษท เปนฉลากตดมากบขวดโดยใชแรงงานคนเพอคดแยก

ท าการจดเกบเปนกองๆ ในลานกลางแจงเพอท าใหเศษแกวแหง จากนนจงจดสงจ าหนาย

รป 2.5 ไดอะแกรมขนตอนการเตรยมเศษแกว

21

(1.1) ใชเปนวสดฉนวนใหกบอาคารทพกอาศย ท าหนาทเปนฉนวนความรอน โดยมกมการใชงานในกลมประเทศทอยในเขตอากาศหนาวในเขตดงกลาวภายในทพกอาศยหรอภายในตวอาคารมความจ าเปนตองตดเครองท าความรอนเพอเพมความอบอนภายในตวอาคารหรอทพกอาศย

รป 2.6 การใชงานแกวพรนเพอเปนฉนวนปพน [22]

ความแตกตางระหวางอณหภมภายนอกและในอาคารจะท าใหมความรอนสวนหนงในตวอาคารถกสงผานออกนอกตวอาคารท าใหเครองท าความรอนนนตองท างานหนกมากขนถอเปนการสนเปลองพลงงาน ดงนนการบวสดแกวพรนนจะชวยลดการถายเทความรอนออกสนอกตวอาคารเนองจากมรพรนสงจงท าหนาทเปนฉนวนความรอน ทงยงเปนการชวยประหยดพลงงาน ลดการท างานของเครองท าความรอนอกดวย โดยการใชงานในลกษณะนจะน าวสดแกวพรนทมลกษณะเปนกอนกลม ความหนาแนนประมาณ 350-500 กโลกรมตอลกบาศกเมตร ท าการเทแกวพรนลงบนพนดนความหนาประมาณรอยละ 1-2 ของความหนาของฐานตก (คอนกรตทใชปเปนฐานอาคาร) เมอเทแกวพรนแลวกจะตองท าการอดลงไปใหแนนดงรป 2.6 จากนนจงท าการเทคอนกรตลงไป

22

(1.2) ใชเปนวสดฉนวนปบนพนถนน ท าหนาทเปนฉนวนความรอนระหวางถนนกบลอรถ มกใชกบเขตกลมประเทศทอยในเขตรอน เนองจากอณหภมทคอนขางสงนนท าใหพนถนนมการดดซบความรอนไวมาก ยานพาหนะขบเคลอนผานบนทองถนนมการเสยดสกบพนถนน ท าใหอณหภมยางลอรถมสงขน ดงนนจงไดมการน าแกวพรนแบบเมดปบนพนถนน และท าการบดเพอใหเกดความเรยบ ดงรป 2.7 เพอเปนฉนวนความรอนใหกบพนถนน ลดความรอนทจะสงผานจากพนถนนส ท าใหลอรถมประสทธภาพการท างานทด

รป 2.7 การใชงานแกวพรนเปนฉนวนใหกบพนถนน [22]

(1.3) ใชเปนวสดฉนวนใหกบพนสนามกฬา ท าหนาทเปนฉนวนความรอนใหกบพนสนามกฬา-โรงยม ทตองการรกษาอณหภม ไมใหเปลยนแปลงตามสภาพอากาศภายนอก การตดตงจะท าในลกษณะเดยวกนกบขอ 2.3.1 (1) แตอาจมการเพมในกรณทมการบผนงดานขางของตวอาคาร ซงตองใชตวเชอมประสานเปน Bitumen ในการเกาะตดกบผนงเดมของตวอาคาร

23

(1.4) ใชเปนวสดฉนวนใหกบหลงคาของอาคารทพกอาศย ท าหนาทเปนฉนวนใหกบอาคารคลายกบขอ 2.3.1 (1) เพยงแตต าแหนงของการใชงานตางกน ซงใชไดทงกลมประเทศทอยในเขตรอนและเขตหนาว การใชงานในลกษณะนเปนการบไปตดกบหลงคาของอาคารซงมตวเชอมประสานเปน Bitumen เพอทจะเปนฉนวนความรอน ลดการแผของรงสความรอนจากดวงอาทตยเขาสตวบาน ทงยงชวยลดการท างานของเครองท าความเยนไมใหท างานหนก และยงเปนการประหยดพลงงานอกดวย (2) การใชงานดานอนๆ (2.1) ใชเปนวสดฉนวนส าหรบพนผว การใชงานในลกษณะนเพอควบคมอณหภมพนผวของดน ดงรป 2.8 ทจะมการน าวสดแกวพรนไปคลมผวดนส าหรบกรณทมการน าพชเขตรอนมาปลกในเขตหนาว เชน ตนกระบองเพชร ทตองการอณหภมของดนปลกคอนขางสง จงมการน าวสดแกวพรนมาใชคลมดนปลก หรอทราย เพอทจะควบคมใหดนสามารถคงสภาพอณหภมทเหมาะสมตอการเจรญเตบโตได

รป 2.8 การใชวสดแกวพรนในการคลมดนปลกพชเพอรกษาอณหภมทเหมาะสม ตอการเจรญเตบโต [22]

(2.2) ใชเปนวสดฉนวนทใชในอตสาหกรรม การใชงานในลกษณะนมกใชในการ หอหมอปกรณ เชน ถง, หมอ หรอ เตาปฏกรณตางๆทใชในอตสาหกรรมซงมความรอนสง เพอทจะเปนฉนวนความรอน และลดอนตรายระหวางปฏบตงานของพนกงาน ซงลกษณะของวสดแกวพรนทใชเปนฉนวนไดแสดงดงรปท 2.9 นอกจากน ยงมการใชงานในการเปนฉนวนความรอนใหกบทอขนสงสารหรอของเหลวรอนตางๆภายในอตสาหกรรม เพอลดการสญเสยความรอนลง จากการใชวสดแกวพรนหอหมดวย

24

รป 2.9 วสดแกวพรนทใชเปนฉนวนความรอนในอตสาหกรรม [22] 2.3.2 ประวตความเปนมา การวจยเกยวกบแกวพรน เรมตนตงแตปค.ศ.1930 ซงไมปรากฏแนชดวาใครเปนผ รเรมท าวจยเปนคนแรก จากการตดตามขอมลของลกษณะการจดสทธบตรสามารถแบงแกวพรนตามการผลตออกเปนสองประเภท คอ (1) การผลตแกวพรนโดยการเผาผนก (Sintering) ของผงเศษแกว (Powder cullet) ทบดละเอยดรวมกบสารกอฟอง (Foaming agent) โดยการเผาผนก คอ การเผาทอณหภมหนงทท าใหอนภาคเกดการขยบมาชดกนและผนกแนนกนยงขน ผงเศษแกว คอ เศษแกวโซดา-ไลมซลกา ทผานการบดจนเปนผงละเอยด สารกอฟอง คอ สารทสามารถแตกตวหรอสามารถผลตแกสออกมาจากปฏกรยาได เชนสารประกอบคารบอเนต หรอ ผงคารบอน เปนตน (2) การผลตแกวพรนโดยการใชผงเศษแกวหลอมใหเปนลกษณะเหลวหนดแลวเตมอากาศคารบอนไดออกไซดหรอ ไอน า ลงไปในแกวหลอม ปจจบนมเศษแกวทเหลอใชในปรมาณมาก เชน แกวบรรจภณฑ แกวแผนเรยบ แกวบรรจภณฑส าหรบอตสาหกรรมเคม หรอหลอดไฟฟลออเรนเซนส ซงเศษแกวเหลานมปรมาณ 10 ลานตน/ป ทงยงมการเพมปรมาณของเศษแกวมากขนทกปอยางตอเนอง จงไดเรมมงานวจยทเกยวกบการน าเศษแกวเหลอใชกลบมาใชประโยชน เชน การน าเศษแกวกลบมาเปนสวนผสมเพอหลอมแลวท าแกวใหมอกครง ส าหรบแกวบางชนดนนยงไมสามารถทจะใชในกระบวนการผลตได โดยเฉพาะเศษแกวทมสหรอแกวทอาจมสงเจอปนจ าพวกพลาสตก เซรามก อะลมนา เหลก กระดาษ หรอสารอนทรยอนๆ หากจะน ากลบมาหลอมใชใหมจะตองเสยตนทนคอนขางสงในการก าจด

25

อนภาค

คารบอน

อนภาค

คารบอน

อนภาค

แกว

เผาผนก

ผนงรพรน รพรน

สงเจอปนเหลาน นอกจากนยงอาจสงผลใหเกดต าหนในแกวทหลอมใหมไดอกเชนกน ดงนนจงไดมงานวจยทเกยวของกบการน าเศษแกวใชประโยชนในดานตางๆมากมาย โดยเฉพาะอยางยงผวจยใหความสนใจการท าแกวพรนจากเศษแกวเพอมาใชเปนวสดกรองน า 2.3.3 หลกการในการเกดแกวพรน [23]

T = อณหภมเผาผนก Tg = อณหภมแปรเปลยนสภาพแกว

รป 2.10 การเกดแกวพรนดวยสารกอฟองชนดคารบอน (ดดแปลง) [23] จากรป 2.10 อนภาคของเศษแกวผสมกบอนภาคสารกอฟองชนดผงคารบอน ท าการเผาทอณหภมเผาผนกซงมอณหภมสงกวาอณหภมแปรเปลยนสภาพแกว พบวา อนภาคของแกวจะเกดการผนกและออนตวเปนแกวเหลวทมความหนดสง ในขณะเดยวกนผงคารบอนจะเกดการแตกตวเปนแกสทมแรงดนสงคาหนง เพยงพอทขยายตวในแกวเหลวและดนแกวเหลวใหเกดชองวาง กลายเปนรพรน สวนแกวเหลวนนจะกอตวเกดกลายเปนผนงเซลล (Cell wall) หรอผนงรพรน (Glass shell) ของรพรนทเกดขน เมอผนงเซลลหลายๆ ผนงเซลลเชอมตอกน จะไดโครงสรางคลายรงผงทเรยกวาโครงสรางเซลลลลาร (Cellular structure) ดงแสดงในรป 2.11

26

ผนงเซลล

ชองวาง

บรเวณเชอมกนของผนงรพรน

(ก) (ข)

รป 2.11 ลกษณะของแกวพรน (ดดแปลง) [23]

จากรป 2.11 (ก) แสดงลกษณะโครงสรางของแกวพรนทมรปแบบคลายรงผ งหรอเซลลลลารจากการทรพรนจดเรยงตวตอเนองกนในสามมต และรป 2.11 (ข) เปนภาพจ าลองของการเกดรพรนภายในแกวพรน จะเหนวาแกสทเกดจากการแตกตวของสารกอฟองระหวางทถกเผาจะท าใหเกดชองวาง สวนแกวหลอมทถกดนออกมาเกดเปนผนงรพรน และบรเวณซอนทบของผนงรพรน ปรากฏรพรนเลกๆบรเวณซอนทบของผนงรพรน ซงอาจเกดจากสารกอฟองมการแตกตวหลงจากทแกวไดออนตวเปนแกวเหลวแลวไหลมาเชอมตดกนเปนผนงรพรน ท าใหมรพรนเลกๆตกคางอย ขณะทท าการเผาเพอใหเกดการแตกตวของสารกอฟองนน ถาท าการเพมระยะเวลาเผาแชไฟ (Soaking) ทอณหภมการแตกตวของสารกอฟอง มผลท าใหไดแกวพรนทมรพรนขนาดโตและผนงเซลลบางลง ดงแสดงในรป 2.12

รป 2.12 การขยายตวของรพรนในแกวพรน (ดดแปลง) [23]

อนภาคคารบอน

ไมแชไฟ เผาแชไฟ เพมเวลาเผาแชไฟ

27

จากรป 2.12 แสดงการขยายขนาดของรพรน หรอการขยายขนาดของแกวพรน โดยในชวงแรก ทสารกอฟองคา รบอนเ กดการแตกตวใหแกสคา รบอนมอนอกไซดห รอคารบอนไดออกไซด (CO/CO2) จ านวนหนง แกสดงกลาวเกดแรงดนทไปดนแกวเหลวใหเกดชองวางเกดขน โดยมรศมรพรน R1 และผนงรพรนหนา (R2-R1) และเมอท าการเพมเวลาในการแตกตวของคารบอน โดยการเพมเวลาในการแชไฟใหนานขน พบวา สารกอฟองคารบอนจะเกดการแตกตวทสมบรณท าใหมปรมาณของแกส CO/CO2 เพมมากขน ขณะเดยวกนแกสเหลานนมแรงดนสงขนจนท าใหชองวางของรพรนเดมใหขยายมากขน (คา R1 มากขน) ในขณะทปรมาตรของแกวเหลวมเทาเดม ท าใหเมอชองวางขยายมากขนผนงของแกวพรนทลอมรอบชองวางดงกลาวเกดการถายเทมวลใหทวทงชองวางนน สงผลใหผนงของรพรนนนมขนาดทบางลงกวาเดม (คา R2-R1 ลดลง) อกทงชนงานแกวพรนทงชนนนมขนาดขยายใหญขนกวาเดมไปดวย 2.3.4 การจ าแนกชนดของผลตภณฑแกวพรน [24] ผลตภณฑแกวพรนแบงออกเปน 3 ชนด ไดแก (1) Loose glass foam aggregate ใชเปนฉนวนความรอน (บรเวณพน,ทอ,หลงคาฉนวนความรอน) เตรยมไดจากผงเศษแกว กบสารกอฟอง (ท าการลดขนาดอนภาคสารกอฟอง ประมาณ 75-150 ไมครอน) ท าการผสมและปอนเขาสกระบวนการผลตอยางตอเนองดวยการล าเลยงผานสายพานเขาสเตาทอณหภม 700 และ 900 องศาเซลเซยส หลงจากแกวพรนเกดการเยนตว สามารถท าการตดแกวพรนใหแยกออกจากกน โดยมความกวาง 2 เมตร หนา 100 มลลเมตร หรอขนาดของแกวพรนสามารถท าไดขนกบการใชงาน โดยเปนแกวพรนทมขนาดรพรนเลกและแกวพรนมความแขงแรง (2) และ (3) Glass foam blocks and shapes ทงสองประเภทนเปนแกวพรนทมการเพมขนาด เปน 1200 x 600 x 160 มลลเมตร แกวพรนแบบ Block และ Shapes ทผลตไดนนจะมความหนาแนนทต ามาก ประมาณ 100-170 kg/cm

3 ความพรนตวมมากกวารอยละ 90 คาการน าความรอน (Thermal conductivity) มคาทต ามาก ประมาณ 0.04-0.05 W m

-1 k

-1 ดงนนแกวพรนจงสามารถใชทดแทนพอลเมอรทมความพรนได สวนใหญผลตดวยกระบวนการผลตอยางตอเนอง สวนการผลตแบบเปนชดสามารถผลตไดเชนกน แตไมเปนทนยม การใชงานของแกวพรนประเภทน สวนมากใชในการหลอบานประตคอนกรต, อฐคอนกรต,ทอฉนวนความรอน,ผนง,ปพนแบบบลอก แตโดยหลกแลวเนนการใชงานกบพนและหลงคาฉนวนความรอน

28

2.3.5 กระบวนการผลตแกวพรน [25] ในงานวจยทผานมาจนถงปจจบน ไดมการวจยทเกยวของกบการน าเศษแกวชนดตางๆ มาท าเปนแกวพรนดวยวธทแตกตางกน ทงนวธของการท าวสดพรนสามารถแบงไดเปน 3 วธหลก ไดแก

(1) วธเตรยมเปนสารแขวนลอย (Slurry method) เตรยมผงเศษแกวใหเปนสารแขวนลอยในสารละลายทเหมาะสม (Slurry) จากนนใชฟองน าจมลงในสารละลาย แลวท าการเผาเพอใหฟองน าสลายออกไปและผงแกวเกดการผนกกน ซงรพรนทไดเกดขนจากการสลายไปของฟองน า วธนอาจท าไดงาย แตไดรพรนขนาดโต และควบคมทงขนาดและปรมาณรพรนไดยาก ประกอบกบแกวพรนทไดเปราะ แตกหกงาย (2) วธอดดวยความรอนแบบพลงงานน า (Hydrothermal hot pressing: HHP) ผสมผงเศษแกวกบน าซงใชเปนสารกอฟอง จากนนบรรจในภาชนะแลวน าเขาหมอนงความดน (Autoclave) ทอณหภมประมาณ 200 องศาเซลเซยสทความดนสงประมาณ 20 MPa

เปนระยะเวลาทเหมาะสม ซงท าใหโมเลกลของน าเขาไปแทรกในโครงสรางของแกว จากนนน าไปเผาทอณหภมใกลเคยงกบจดออนตวของผงเศษแกว โดยขณะทท าการเผาจะเกดการระเหยของน าท าใหเกดชองวางเกดขน วธนจะไดขนาดรพรนทเลก แกวพรนทไดมความแขงเพยงพอ ไมตองใชสารกอฟองทเปนสารเคม แกสทระเหยออกมาเปนไอน าทไมเปนพษ แตพบวาวธนมหลายขนตอน และจะตองควบคมปจจยตางๆใหคงทไดคอนขางยาก ประกอบกบตองใชหมออดความดนทสามารถอดไดความดนสงซงมราคาแพง รวมทงอาจไมเหมาะกบการท าเปนวสดพรนในปรมาณมากๆ (3) วธเตรยมเปนผง (Powder method) ผสมผงเศษแกวรวมกบสารกอฟองท าการขนรปโดยใชตวชวยประสาน (Binder)

จากนนท าการเผาทอณหภมใกลเคยงกบจดออนตวของผงเศษแกว ซงขณะทท าการเผาจะเกดแกสทไดจากสารกอฟองท าใหเกดชองวางเกดขน จากนนชองวางจะขยายขนาด ขณะเดยวกนในสวนของผงเศษแกวจะเกดการผนกกนกลายเปนผนงของชองวางทเกดขนท าใหเกดเปนรพรนในวสด วธนท าไดไมยากนก สามารถทจะควบคมทงขนาดและปรมาณรพรนได อณหภมทใชเผาไมสง (ใกลเคยงกบจดออนตวของแกวทมคาในชวง 800 - 1000 องศาเซลเซยส ส าหรบเศษแกวทวไป) แกวพรนทไดมความแขงเพยงพอ สามารถเลอกท าแกวพรนไดหลากหลายทงขนาดและรปรางเพอประยกตใช

29

กบงานดานตางๆ นอกจากนยงสามารถท าวสดพรนไดในปรมาณทมากๆได แตพบวาวธนมปจจยทจะตองควบคมใหเหมาะสมอยหลายปจจย และอาจเกดแกสพษจากสารกอฟองไดถาเลอกใชสารกอฟองไมเหมาะสม การเตรยมแกวพรนดวยวธเตรยมเปนผงแสดงเปนไดอะแกรมไดดงรป 2.13 จากวธการท าแกวพรนทง 3 วธ งานวจยนใหความสนใจวธเตรยมเปนผง เนองจากเปนวธทไมซบซอน ใชอณหภมเผาไมสงมากนก เครองมอส าหรบท าวจยในสวนของท าแกวพรนมเพยงพอ และสามารถเตรยมแกวพรนในปรมาณมากได ท าใหตนทนการผลตไมสงมากนก จงเออประโยชนทจะน าไปสการขยายผลในอตสาหกรรม และประยกตใชกบงานดานอนๆได ส าหรบสารกอฟองทใชในการวจยครงนไดใชแคลเซยมคารบอเนต (CaCO3) หรอโดโลไมท (CaCO3.MgCO3) เนองจากเปนสารกอฟองทเกดแกสทไมเปนพษตอรางกายและสงแวดลอม หาไดงาย ราคาไมแพง ทงนผวจยเลงเหนวาแกวพรนทพฒนาไดจะเปนวสดพรนทางเลอกหนง เพอใชในการกรองบ าบดน าเสยในอตสาหกรรมเลยงปลาและอตสาหกรรมผลตนมไดอยางเปนรปธรรมในอนาคต นอกจาก นแกวพรนทเตรยมไดอาจประยกตใชในงานดานอนๆ ไดอก เชน ใชเปนตวดดซบโลหะหนกในน า ใชเปนตวรองรบ (Supportor) ส าหรบตวเรงปฏกรยา เปนตวรองรบเอนไซมส าหรบปฏกรยาทางชวภาพ เปนตน

สารกอฟอง ผงเศษแกว สารชวยประสาน

บด – ผสมระบบแหงเปนผง

ขนรปเปนชนทดสอบดวยการอด

เผาผนก

รป 2.13 ไดอะแกรมการเตรยมแกวพรนดวยวธเตรยมเปนผง

30

2.3.6 ปจจยทมผลตอการเกดแกวพรนในการเตรยมเปนผง [23] (1) ขนาดผงเศษแกวตงตน การใชผงเศษแกวทมขนาดเลกจะชวยท าใหเกดชองวางขนาดเลกและมจ านวนมากตอหนงหนวยปรมาตรกอนทเศษแกวจะเกดการผนก ขณะเดยวกนจะท าใหผนงของชองวางทเกดขนมความบางสงผลใหชองวางนนเกดการขยายปรมาตร ประกอบกบแกสทเกดจากสารกอฟองสามารถหลดออกจากชองวางนนไดงาย จงท าใหเกดเปนรพรนทมขนาดและปรมาณตามตองการ รวมทงใชอณหภมเผาผนกทต าลงเมอเทยบกบการใชผงเศษแกวขนาดโต (2) สารกอฟอง (2.1) ขนาดของสารกอฟอง การใชสารกอฟองทมขนาดเลกจะชวยใหเกดการกระจายตวของฟองอากาศทเกดจากการเผาไดอยางสม าเสมอทวทงชนงาน ประกอบกบจะเกดการแตกตวหรอเกดปฏกรยาทท าใหเกดฟองไดงายและเรว ชวยท าใหใชอณหภมต ากวาเมอใชสารกอฟองทมขนาดโต (2.2) ชนดของสารกอฟอง การเลอกใชสารกอฟองทเหมาะสมเปนสงจ าเปน เนองจากสารกอฟองบางชนดจะเกดแกสทเปนพษตอรางกายและสงแวดลอมได โดยเฉพาะแกสซลเฟอรไดออกไซด (SO2) แตถาสารกอฟองนนใหแกสจ าพวกคารบอนมอนอกไซด (CO) หรอ คารบอนไดออกไซด (CO2) จะท าใหความเปนพษลดลงมาก ถาแกสทไดเปนไอน า (H2O) หรอแกสไฮโดรเจน (H2) เปนสงทตองการ แตท าไดยากในกรณทเตรยมแกวพรนดวยวธเตรยมเปนผง ท งนสารกอฟองถกแบงออกเปน 2 กลม คอ กลมท 1 Neutral foaming agent เปนสารกอฟองทใหแกสเกดขนจากการแตกตวระหวางเผาทอณหภมแตกตวของสารกอฟองชนดนน เชน แคลเซยมคารบอเนต จะแตกตวทอณหภมประมาณ 900 องศาเซลเซยส หรออาจใชสารประกอบคารบอเนตอนๆ ดงตวอยางในสมการท 2.1

CaCO3 CaO + CO2 (gas) ……... (2.1) 900 oC

31

หรอสารกอฟองชนดโดโลไมท จะแตกตวทอณหภมในชวง 700-900 องศาเซลเซยส ดงแสดงในสมการท 2.2

กลมท 2 Reduced foaming agent เปนสารกอฟองทใหแกสเกดขนจากการเกดปฏกรยาเคมในระหวางการเผา เชน ผงคารบอน (C) จะท าปฏกรยากบออกซเจนเมอเผาดวยบรรยากาศออก ซ เดชน เ ก ด เ ปนแกสคา รบอนไดออกไซด ห รอท าป ฏ ก ร ย ากบแกสคารบอนไดออกไซดท เ กดขนจากการแตกตวของสารประกอบคารบอเนต เกดเปนแกสคารบอนมอนอกไซด ดงตวอยางในสมการท 4 และ 5 ตามล าดบ (3) สดสวนของผงเศษแกวและสารกอฟอง [23] ผงเศษแกวและสารกอฟองจะตองมสดสวนทเหมาะสม ซงจะมผลโดยตรงตอปรมาณรพรนหรอ ปรมาณพนทผวจ าเพาะ รวมทงน าหนกหรอความหนาแนนและความแขงแรงของแกวพรนทได (4) แรงดนอดทใชเพอการขนรป [23] แรงดนทใชเพอขนรปเปนเมดนนมผลตอการคงรปของแกวพรนทได เนองจากขณะทท าการเผานนจะเกดแรงดนจากแกสทไดจากสารกอฟอง ซงถาแรงดนทใชขนรปไมเพยงพอ จะท าใหเกดการแตกและเสยรปของชนงานได แตถาใชแรงดนมากเกนไปอาจท าใหแกสหลดออกไปไดยากหรอเกดการแตกของชนงานไดเชนกน

C + O2 CO2 (gas) …….. (2.4)

C + CO2 2CO (gas) …….. (2.5)

MgCO3.CaCO3 CaCO3 + MgO + CO2 (gas) 700 oC …….. (2.2)

CaCO3 CaO + CO2 (gas) ……... (2.3) 900 oC

32

(5) สภาวะการเผา [23] สภาวะการเผาจะเกยวของกบปจจยดงตอไปน (5.1) อตราการเผา (Heating rate) อตราการขนอณหภมตองมการควบคมใหดเพราะเปนปจจยทส าคญมากตอการท าแกวพรนทด นอกจากนอตราการขนอณหภมยงมความสมพนธกบขนาดและการกระจายตวของสารกอฟองและผงแกว การใชขนาดอนภาคของสารกอฟองและผงแกวทมขนาดใหญมกจะใช อตราการขนอณหภมทชาเพอปองกนไมใหแกวพรนเกดการแตก (Crack) ตลอดทงชนงาน อตราการขนอณหภมโดยทวไปจะใชในชวง 5-10 องศาเซลเซยสตอนาท แตไมนยมใชอตราการขนอณหภมทชามากๆ เพราะจะท าใหแกวเหลวมความหนดต ามากๆและมโอกาสในการไหลไปปดรพรนท าใหรพรนเลกลง แตถาใชอตราการขนอณหภมทเรวมาก ท าใหการแตกตวของสารกอฟองยงไมสมบรณ เกดแกสในปรมาณทนอยเกนไป ซงแกสทเกดขนไมเพยงพอในการขยายขนาดชองวางภายในรพรนใหใหญ ท าใหรพรนมขนาดเลก (5.2) อณหภมเผาเพอใหเกดฟอง (Foaming temperature) และ อณหภมเผาผนก (Sintering temperature) การเลอกอณหภมสงสดของการผลตแกวพรนเปนพนฐานทส าคญทสมพนธกบความหนดของแกวเหลว และอณหภมเพอใหเกดฟอง อณหภมทเหมาะสมสามารถพจารณาไดจากชวงอณหภมทท าใหแกวพรนมความเสถยรสงสด (ควบคมโดยความหนด) โครงสรางของผนงของรพรนทได (ลกษณะของการกระจายตว ขนาด รปรางของรพรนทได) และความหนาแนนทนอยสดของผนงของรพรน ดงนนการเลอกใชอณหภมของการเกดฟองทสงเกนไป จะท าใหแกวเหลวมความหนดทต ามาก (นอยกวา 10

3 Pa.s) ซงจะสงผลใหการควบคมโครงสรางของรพรนเปนไปได

ยาก เนองจากเมอความหนดต าเกนไป ฟองอากาศจะลอยขนดานบนของชนงานรพรนและรวมตวอยแคดานบนของชนงาน การกระจายตวของรพรนไมทวทงชนงาน แตในกรณทเลอกใชอณหภมของการเกดฟองทต าเกนไป ท าใหความหนดของแกวเหลวสงมาก การขยายตวของแกสจะเปนไปไดยากและการเพมปรมาตรของแกสจะนอยมาก

33

(5.3) เวลาในการแชไฟ (Soaking time) ในระหวางทมการแชไฟนน ความหนาแนนของแกวเหลวจะลดลงอยางตอเนองจนถงคาทต าสด และเมอถงจดสดทายแลวจะเกดการรวมตวของสสารทละนอยและแกสทไดจากการแตกตวของสารกอฟองจะดนตวใหเกดรพรนสงสด โดยมขนาดรพรนโตและผนงรพรนบาง ทงนปจจยสภาวะการเผาทง 3 ปจจยนจะตองสมพนธกน ซงจะมผลโดยตรงตอการเกดรพรน ความหนาแนน และความแขงของแกวพรนทได 2.4 การกรอง [25] การกรอง หมายถง การแยกอนภาคของแขงออกจากของไหลทเปนของเหลวหรอแกส โดยใหของไหลไหลผานตวกลางกรอง (Filter medium) และใหอนภาคของแขงเกาะคางอยบนตวกลางกรองนน ซงอนภาคของแขงทแขวนลอยในของไหลอาจเปนของแขงทหยาบหรอละเอยด แขงแตเปราะหรอหยนเหนยว ทรงกลมหรอทรงอนๆ หนกหรอเบา อยเกาะกนหรอแยกรวนจากกน ซงอาจจะมทงทรอนจดและเยนจด ภายใตสญญากาศหรอภายใตความดนสง ตวกลางกรองทใชตองสามารถสกดกนอนภาคของแขงตางๆไดโดยตวอยางของตวกลางกรอง เชน ตะแกรงกรอง (Screen) ผาหรอตวกลางทมรพรน ซงตวกลางกรองเหลานยอมใหเฉพาะของเหลวผานเทานน และกนอนภาคของแขงไวอกดานหนง ดงนน ลกษณะของตวกลางกรองจงมลกษณะเปนสารหรอวสดทมรพรนทผว และอาจเปนวตถทมขนาดเลกมากเมอวางเรยงตวกนแลวจะท าใหเกดชองวางระหวางอนภาคขน พอทจะใหน าไหลผานไปดวยแรงโนมถวงของโลก หรออาศยแรงกล เชน ความดน สญญากาศ หรอแรงหนศนยกลาง เขาชวยใหของเหลวไหลผานลงไปตามทศทางของน า และตวกลางกรองจะสกดกนไมใหสงปฏกลผานไปได เมอปรมาณของสงปฏกลถกกกไวมากขนจะท าใหรพรนของตวกลางกรองทเรยงตวกนเกดการอดตนจนท าใหน าไหลชาลง และในทสดจะไหลผานตวกลางกรองไมไดเรยกวา การเกดความตานทานการไหลซงโดยปรกตมกเกดขนจากแรงตานของชนปฏกล (Cake

resistance)

34

2.4.1 กลไกการกรอง [25] จากทฤษฎการกรองอาศยพนฐานจากเรองของความสามารถในการซมผานของของไหล (Permeability) และสมดลมวลสาร (Mass balance) ซงทฤษฎเหลานไดถกน าไปอธบายกลไกในการกรอง ซงแบงออกเปน 2 ชนดคอ (1) การกรองทเกดขนบรเวณผวของตวกลางกรอง (Surface filtration) เมอเกดขบวนการกรองขนทผวหนาของตวกลางอนภาคของแขงทอยในของไหลจะถกกกอยบนผวหนาของตวกลางกรอง ตวอยาง เชน การกรองดวยกระดาษกรอง (2) การกรองทเกดขนภายในความหนาของตวกลางกรอง (Depth filtration) การกรองจะด าเนนไปตามความหนาของตวกลางกรอง อนภาคของแขงของไหลจะถกกกอยในระหวางชองวางภายในตวกลางกรองนน ตวอยางเชน ถงทราย ถงถาน และถงกรองทรายเฟอโร เปนตน ทงนกลไกทจะก าหนดอตราการไหลของการกรองคอ ลกษณะของตวกลางกรอง และสถานะของของไหล ตวกลางกรองใหมๆจะกรองของไหลไดไมด โดยจะยอมใหอนภาคบางตวผานตวกลางกรองลงไปสน าสะอาด หลงจากนนอกระยะหนงการกรองจะดขนเพราะอนภาคของแขงบางตวจะไปจบอยตามชองวางของตวกลางกรองท าใหรพรนมขนาดเลกลง ตวกลางกรองทมโครงสรางภายในตางกนจะมประสทธภาพในการกรองตางกน และตวกลางกรองตางชนดกนจะมอตราการไหลผานไดของของไหลตางกนเชนกน 2.4.2 ประเภทของการกรอง [25] การกรองโดยทวไป แบงออกเปน 2 ประเภท คอ (1) การกรองโดยใชความดนคงท (Constant-pressure filtration) เปนการกรองทความดนคงทแตกตาง (Pressure drop) ระหวางชนของอนภาคแขงและตวกลางกรองคงทตลอดในขณะปฏบตการ การกรองทด าเนนไปนนชนของอนภาคแขงจะมความหนาเพมขนท าใหเกดความตานทานการไหลของน าหรอของไหลนนๆ ดงนนถาแรงดนของการไหลมคาคงทแลว จะท าใหอตราการไหลของของเหลวลดลง จนตองหยดปฏบตการเพอลางเอาอนภาคแขงออก

35

(2) การกรองโดยใหอตราการไหลของของเหลวคงท (Constant-rate filtration) เปนการกรองทมการควบคมความดนของระบบเพอใหอตราการไหลของของเหลวผานตวกรองมคาคงท ในการปฏบตงานจะมการเพมความดนในระบบเมอการกรองด าเนนผานไปในชวงเวลาหนง เพราะจะมสงปฏกลเขาไปอดตามรพรน ความดนทเพมขนเรอยๆนจะไปขบดนใหอตราการไหลของของเหลวคงท ในการกรองทวๆไปแลวจะอาศยการกรองทงสองแบบรวมกนคอ ในตอนเรมแรกจะท าการกรองโดยอตราการไหลของของเหลวเปนไปอยางชาๆ ซงจะท าใหเกดชนบางๆของสงปฏกล ตอจากนนจะควบคมความดนใหมอตราการไหลเพมขน เนองจากมสงปฏกลอดตน และสดทายจะเปนการกรองดวยความดนคงทจนสนสดการปฏบตงาน 2.4.3 ลกษณะและสมบตของวสดกรอง [25] ในปจจบนการกรองเปนทนยมส าหรบการบ าบดน าเสย โดยมการพฒนาวสดกรองใหเหมาะสมและมประสทธภาพ ทงนลกษณะหรอสมบตส าคญของวสดกรอง ประกอบดวย (1) พนทผวจ าเพาะของวสด วสดกรองควรมพนทผวจ าเพาะมาก โดยทวไปแลววสดกรองมคาพนทผวจ าเพาะอยในชวง 100–500 ตารางเมตร/ลกบาศกเมตร (2) การกระจายตวทวถงของพนทผวทงหมด วสดกรองจะตองมลกษณะทางกายภาพทเออตอการไหลผานของน า ออกซเจน หรอของเสยชองวางในวสดกรอง ซงวสดกรองจะตองมการกระจายตวของรพรนสม าเสมอทงชนงาน (3) ชองวางหรอรพรนทเหมาะสม ใหมประสทธภาพในการดกจบสารแขวนลอย รวมทงลดการอดตนและลดจดนง (Stagnation point) จะตองก าหนดของรพรนใหสอดคลองกบสารทจะท าการกรอง (4) งายตอการท าความสะอาด และสามารถใชซ าได วสดกรองจะตองท าความสะอาดงายและใชเวลานอย รวมทงเมอท าความสะอาดเรยบรอยแลวสามารถน ากลบมาใชใหมและยงคงมประสทธภาพใชงานไดคลายเดม (5) ความคงทนและความอยตวในขณะถกใชงาน วสดกรองตองไมเสยรปงาย ใชงานไดนาน (6) ความคงทนตอปฏกรยาตางๆ ทเกดขน รวมทงแสงแดดและสารเคมตางๆ

36

วสดกรองจะตองไมท าปฏกรยาใดๆ กบสารเคมทจ าเปนตองเตมลงในการเลยงปลาหรอสารเคมทใชท าความสะอาด รวมทงไมเสยหายหรอแตกเปนชนเลกๆ จากการถกแสงแดด (7) สามารถปรบแตงรปทรงใหเหมาะกบการใชงาน วสดกรองจะตองประยกตใชกบอปกรณเครองกรองทมขนาดแตกตางกนไดงาย (8) ไมมผลกระทบตอสขภาพในระยะยาวและตองเปนมตรกบสงแวดลอม วสดกรองจะตองไมปลอยสารพษทเปนอนตรายตอสขภาพและสงแวดลอม รวมทงเปนวสดทไมใชสารตองหาม หรอไมใชวสดทเปนทรพยากรทตองอนรกษ (9) ควรมน าหนกเบา วสดกรองควรมน าหนกเบา เคลอนยาย-ตดตงงาย และสามารถประยกตใชงานไดหลากหลาย 2.4.4 ปจจยทสงผลตอการกรอง [25] (1) ความพรนตวของวสด โดยทวไปวสดทถกผลตมาเพอเปนวสดกรองนน ภายในเนอวสดจะตองมชองวางเกดขนเสมอ จงจะสามารถทจะน าไปใชเปนวสดกรองได ดงนนปรมาตรบางสวนของเนอวสดท งหมดจะตองเปนรพรน ความพรนตวของวสดสามารถกลาวไดวา เปนสดสวนของอากาศทงหมดทถกลอมรอบดวยอนภาคของแขงซงเปนเนอวสด ความพรนตวแตกตางกบการซมผาน คอ ความพรนตวอาจจะเปนชองวางทตนหรอทะลผานตลอด สวนการซมผานเปนผลมาจากการทมรพรนทมชองวางยาวททะลผานไดโดยชนดของรพรนตามทศนะของ Washbern แบงออกไดเปน 6 ชนด [26] ดงแสดงในรป 2.14

37

รป 2.14 รปรางของรพรน [26] (1.1) รพรนทรงกลม (Closed or Sealed pores) : a เปนรพรนทมลกษณะเปนชองวางหรอโพรงทไมตดตอกบรพรนอน (1.2) รพรนทเปนชองยาว (Channel pores) : b จะมลกษณะเปนทอหรอเปนชองเลกๆทตดตอกบรพรนอน หรอผวของเนอวสด (1.3) รพรนเปนชองตน (Blind-alley pores) : c รพรนชนดนจะมปลายขางทอยในเนอวสดตน สวนปลายอกขางหนงจะเปดสผวของวสด (1.4) รพรนชนดเปนวงบรรจบ (Loop pores) : d รพรนชนดนจะมลกษณะเปนชองทสามารถเชอมตอกบรพรนอนๆไดหลายๆชองและสามารถเชอมตอกบผวของวสดไดดวย (1.5) รพรนชนดเปนถง (Pocket pores) : e เปนรพรนทมสวนหนงตดตอกบผวของวสดได โดยสวนทตดตอผวนนจะมลกษณะเปนคอคอดแคบๆ (1.6) รพรนทมขนาดเลกมากๆ (Micro pores) : f เปนรพรนทมขนาดเลกมากจนกระทงน าหรอของเหลวอนๆไมสามารถเขาไดโดยไมใชแรงอดดนชวย จากความแตกตางดงกลาวของรพรนทง 6 ชนดดงทกลาวมาเปนผล ท าใหแบงความพรนตวออกเปน 2 ชนดคอ 1.) ความพรนตวจรง (True porosity) เปนอตราสวนระหวางปรมาตรของชองวางทงหมด โดยรวมรพรนเปดและรพรนปดกบปรมาตรทงหมดของวตถ

38

2.) ความพรนตวปรากฏ (Apparent porosity) เปนอตราสวนระหวางปรมาตรของน าหรอของเหลวทสามารถถกดดซมในเนอวตถกบปรมาตรของวตถทงหมด โดยทรพรนปดหรอรพรนเปดอนๆทของเหลวไมสามารถซมเขาไปได จะไมถกนบเปนความพรนตวปรากฏ ทงความพรนตวจรงและความพรนตวปรากฏ คดไดจากทงรอยละโดยน าหนกหรอรอยละโดยปรมาตร ดงน ความพรนตวโดยน าหนก (Porosity % weight) = น าหนกของน าทถกดดซมโดยเนอของวตถ x 100 ---------- (2.6)

น าหนกของน าทถกดดซม + น าหนกของเนอวตถ ความพรนตวโดยปรมาตร (Porosity % by volume) = ปรมาตรของน าทถกดดซมโดยเนอวตถ x 100 ---------- (2.7) ปรมาตรของเนอวตถ (2) การซมผาน (Permeability) [25] การกรองจะตองมการซมผานหรอการไหลตวของของไหลผานตวกลางกรองอยางตอเนอง ซงขนอยกบปจจย ดงน (2.1) ขนาดและรปรางของชองวางหรอรพรนในแกว โดยจะตองมชองวางหรอรพรนทน าซมผาน (2.2) ความหนดของของเหลวทซมผาน (Viscosity of pore fluid) ในทางวศวกรรมโยธามกเกยวของกบน าเทานน แตความหนดของน ากอาจเปลยนแปลงไดเนองจากอณหภม และมกจะยดถอเอาความหนดทอณหภม 20 °C เปนจดอางอง เมออณหภมสงขน ความหนดจะลดลง ท าใหน าซมผานไดงาย (2.3) อตราสวนของชองวาง (Void ratio) คออตราสวนของชองวางหรอรพรนกบปรมาตรของชนงาน เชน วสดทมความพรนตว หรอชองวางมากกวายอมมการไหลของน าผานไปไดสะดวกและตอเนอง

39

(3) พนทผว (Specific surface area) วสดกรองควรมพนทผวจ าเพาะมาก โดยทวไปแลววสดกรองมคาพนทผวจ าเพาะอยในชวง 100–500 ตารางเมตร/ลกบาศกเมตร (4) ขนาดรพรน ชองวางหรอรพรนขนาดทเหมาะสมเพอใหมประสทธภาพในการดกจบสารแขวนลอย รวมทงลดการอดตนและลดจดนง 2.4.5 ประเภทของการกรองเพอบ าบดน าเสย การกรองเพอบ าบดน าเสยใหมคณภาพน าดขนสามารถแบงได 3 ลกษณะ ประกอบดวย (1) การกรองเชงกายภาพ (Physical or Mechanical treatment) เปนดานแรกของการกรอง โดยเปนการกรองสงเจอปนขนาดใหญและหนก กอนทจะเขาสการกรองในล าดบถดไป เพอเพมประสทธภาพในการกรอง วสดทใชกรองเปนวสดทมรพรนขนาดใหญ (Pack down media) ไดแก อฐหก ทรายหยาบ เศษปะการง ซงวสดเหลานหางาย แตจะอดตนงายและท าความสะอาดยาก (2) การกรองเชงเคม (Chemical treatment) เปนการกรองสงเจอปนขนาดเลก สารละลาย แกสและกลน วสดทใชกรองเปนวสดทมรพรนขนาดเลก ไดแก เรซน (Ion-exchanged resin) ผงถาน (Activated carbon) หนซโอไลท (Zeolite) เปนตน ซงวสดเหลานมประสทธภาพสง แตราคาแพง ใชไดกบสารบางกลม มประสทธภาพลดลงเมอสภาพแวดลอมเปลยนแปลง ท าความสะอาดยาก หรอบางครงไมสามารถน ากลบมาใชใหมได (3) การกรองเชงชวภาพ (Biological treatment) เปนการกรองสารละลายทอาศยแบคทเรยเปนตวยอยสารละลายนนๆ โดยแบคทเรยจะอาศยและสรางทอยบนพนผวของวสดกรอง (Bacteria colony or Biofilm) ในขณะทแบคทเรยยอยสลายของเสย จะเกดเมอกทางชวภาพสะสมในวสดกรอง ซงสามารถก าจดหรอลางออกได ดงนนวสดกรองทเหมาะสมจะตองเปนวสดกรองทมรพรนหรอพนทผวจ าเพาะมากๆ และออกซเจนจะตองถายเทผานวสดกรองไดสะดวกและเพยงพอ การบ าบดน าวธนถอไดวาเปนการบ าบดน าเสยทมประสทธภาพสง แตวสดกรองจะตองเหมาะสมกบการสรางทอยของแบคทเรย

40

สภาพแวดลอมมความเหมาะสมซงจะตองควบคมใหคงท รวมถงจะตองท าความสะอาดระบบกรองอยางสม าเสมอ

2.5 วสดตานแบคทเรย (Antibacterial materials) การใชวสดตานแบคทเรย นอกเหนอจากการตานเชอโรคตางๆ ดวยความรอนและรงส สามารถใชไดนานและตอเนอง รวมถงใชเปนวสดปองกนการปนเปอนของเชอแบคทเรยได วสดตานเชอแบคทเรยแบงเปน 2 กลม คอ กลมอนทรย เชน ฟนอล (Phenols) สารประกอบฮาโลเจน (Halogenated compounds) เกลอแอมโมเนย (Ammonium salts) พอลเมอร เปนตน และกลมอนนทรย เชน ออกไซตและฟอสเฟตของโลหะชนดตางๆ โลหะหนก เชน เงน ทองแดง เหลก สงกะส เปนตน รวมถงเซรามก และแกวทเจอดวยโลหะหนก เปนตน [27, 28] โดยการเตรยมวสดตานแบคทเรยแบงเปน 3 วธหลกไดแก การเจอสารตานแบคทเรยลงในวสดโดยตรง การเคลอบผววสดดวยสารตานแบคทเรย และการผสมระหวางวสดและสารตานแบคทเรย [28] ทงนสารตานแบคทเรยมหลายชนด ซงในงานวจยนจะกลาวถงเฉพาะสารตานแบคทเรยชนดเงนและสารประกอบของเงนเทานน 2.5.1 เงน (Silver; Ag) เงน คอ ธาตทมหมายเลขอะตอม 47 มจดหลอมเหลวท 960.8 องศาเซลเซยส มจดเดอดท 2210 องศาเซลเซยส มความหนาแนน 10.5 กรมตอลกบาศกเซนตเมตร ท 20 องศาเซลเซยส เลขออกซเดชนพนฐานเปนบวกหนง (Monovalent) โดยเงนเปนโลหะทรานซชนสขาว มเงามนเลกนอย มการน าความรอนและไฟฟาสง สารประกอบเงนสวนใหญเปนสารประกอบซลเวอรไนเตรท (AgNO3) ทมจดหลอมเหลว 212 องศาเซลเซยส จดเดอด 440 องศาเซลเซยส หรอซลเวอรซลไฟด (Ag2S) ทมกอยรวมกบเหลก ทองแดง และตะกวซลไฟด (PbS) โลหะเงนเปนธาตทเสถยรทสดธาตหนง ไมปรากฏการเปลยนแปลงใดๆ ในอากาศแหงและชน แตเงนสามารถท าปฏกรยากบสารประกอบอนๆ ไดด เชน เงนจะเกดการเปลยนแปลงทนทกบไฮโดรเจนซลไฟด (H2S) ทอณหภมหองเกดเปนซลเวอรซลไฟดทมลกษณะเปนคราบสด าเคลอบทผว หรอเงนท าปฏกรยากบกรดไนตรก เกดเปนสารละลายซลเวอรไนเตรด หรอเงนละลายไดชาๆ ในกรดซลฟรกทรอนเกดเปนซลเวอรซลเฟต (Ag2SO4) และเงนท าปฏกรยากบกรดไฮโดรคลอรกเกดเปนซลเวอรคลอไรด (AgCl) ไปเคลอบทผว นอกจากนโลหะเงนสามารถเกด

41

สารประกอบอนนทรยและสารอนทรยหลายชนด และเกดโลหะผสมกบโลหะหลายชนด เชน โลหะผสมเงน-ทองแดง (Ag-Cu) ประกอบดวย เงน 92.5% และ ทองแดง 7.5% โดยน าหนก เงนในรปของธาตอสระเปนพษไมมากนก แตเงนในรปสารประกอบทเปนเกลอสวนใหญจะเปนพษ เมอเขาสรางกายจะถกดดเขาสระบบหมนเวยนโลหต จะถกรดวซท าใหโลหะเงนตกคางตามเนอเยอตางๆ ทมผลท าใหผวหนงเกดจดสเทา (Argyria) ส าหรบความเปนพษในปลานนอยท 40-2800 ppb ทงนขนอยกบชนดของปลาดวย ดงตาราง 2.6 ตาราง 2.6 ผลของปรมาณอออนเงน (Ag

+) ทมความเปนพษตอปลาชนดตางๆ [29]

2.5.2 ความสามารถตานแบคทเรยในน าของเงน เงนเปนโลหะหนกชนดหนงทถกน ามาใชเปนสารตานแบคทเรยโดยจะตองอยในรปของ อออนเงน บวกหนง (Ag

+) หรอนาโนเงน (Nanocrystalline silver; Ag

0) จงจะตาน

แบคทเรยได ซง Ag+ และ Ag

0 จะถกปลดปลอยออกมาจากวสดเมออยในตวกลางของเหลว จนกระทงในตวกลางของเหลวมความเขมขนของ Ag

+ และ Ag0 เพยงพอจงจะมผลตานการเตบโต

ของแบคทเรยได [30-32] อออนเงนไดจากสารประกอบเงนชนดตางๆ เชน ซลเวอรไนเตรท ซลเวอรแคลเซยมฟอสเฟต ซลเวอรคลอไรด ซลเวอรซลโฟไดซน เปนตน ซงแตละชนดมความสามารถตานแบคทเรยไดแตจะใชไดระยะเวลาส น และสญเสยความสามารถในการตานแบคทเรยไดงาย ดงนนจงจ าเปนตองน าสารประกอบเงนเจอในวสดชนดอน [32,33]

42

ความสามารถในการตานแบคทเรยของเงนนขนกบปรมาณของอออนเงน [34, 35] เชน ขอมลเกยวกบการใชเงนเพอบ าบดน า พบวา อออนเงนทละลายอยในน าในปรมาณ 10

-5 กรมตอลตร มผลตานเชอ Escherichia coli (E. coli) และ Bacillus typhosus (B. typhosus) ในน าได การเจอเงนในปรมาณ 0.28 รอยละโดยน าหนก ลงในเซรามกสพรน พบวาสามารถตานเชอแบคทเรยไดเชนกน นอกจากนยงมรายงานอกวา ไดมการใชเงนเพอบ าบดน าในสระน าทดแทนการใชคลอรน หรอใชเพอบ าบดน าดม (Recycled drinking water) หรอแมแตใชบ าบดน าทงในโรงพยาบาลและโรงแรม [36] การใชเงนเปนสารตานแบคทเรยในรปแบบตางๆ ทมการวจยอยางตอเนอง โดยอออนเงน (Ag

0, Ag

+, Ag

2+ และ Ag3+

) เมอละลายอยในน า สามารถแทรกเขาไปในเชอแบคทเรย จากนนจะไปท าลายระบบดเอนเอ (DNA) ของแบคทเรย ท าใหเกดการตานการเตบโต การแพรพนธและลดความสามารถในการเกดโรคจากแบคทเรยได กลาวคอ การใชนาโนเงน เพอตานการเจรญเตบโตของแบคทเรยชนด E. coli [27] การเจอเงนในพอลเอไมด ซงจะมการปลดปลอยอออนเงนออกมาตานแบคทเรยชนด E. coli และ Staphylococcus aureus (S. aureus) [37] การเ ค ล อ บ ผ ว พ อ ล ย ร เ ท น แ ล ะ ซ ล โ ค นด ว ย เ ง น พบ ว า ส า ม า ร ถ ต า น แ บ ค ท เ ร ย ช น ด Staphylococcusepidermidis (S. epidermidis) ทขนกบความเขมขนของอออนเงนบนผว และไมเปนอนตรายตอคน [37] ในการเตรยมเปนสารผสมตานแบคทเรย (Antibacterial mixture) ทประกอบดวยซลกาเจลแกวอะลมโนซลเกตและเงน จากนนผสมในพอลเมอร ชนดตางๆ เชน พอลยรเทน พอลพรอพลน พอลคารบอเนต หรออะครโลไนไตรตะไดอน สไตรน พบวา สามารถตานแบคทเรยชนด E. coli ไดเปนอยางดโดยเฉพาะอยางยงการใชเงนมทขนาดอนภาคเลกทมการกระจายตวและสามารถควบคมอตราการปลดปลอยอออนเงนอยางชาๆ และตอเนองได เปนผลท าใหมความสามารถตานแบคทเรยไดเปนเวลานาน [38-40] จากขอมลสวนนท าใหผวจยมงใหความสนใจใชเงนเปนสารตานแบคทเรยทปะปนในน า โดยท าการเจอเงนลงไปในแกวพรนชนดโซดา-ไลม-ซลกา จากนนตดตามลกษณะและสมบตของอออนเงนทอยในโครงสรางแกวพรน และหาความสมพนธระหวางความสามารถตานเชอแบคทเรยของอออนเงนกบโครงสรางแกวพรน ซงคาดวาจะท าใหเกดความเขาใจถงกลไกและความสามารถตานแบคทเรยดวยเงนมากขน เพอน าแกวพรนทเจอดวยเงนใชท าเปนวสดกรองและบ าบดน าในการเลยงปลาตหรอปลาสวยงาม โดยงานวจยครงนมงเนนการเตรยมแกวพรนทอยในกลมของอนนทรยทเจอดวยเงนเปนสารตานแบคทเรย เพอใชเปนวสดกรองและบ าบดน า และจะท าการตดตามความสมพนธระหวางโครงสรางแกวพรนทเจอดวยอออนเงนกบความสามารถตานเชอแบคทเรยในน า ซงยงไมชดเจนมากนกเนองจากอออนเงนมหลาย

43

ออกซเดชน ไดแก Ag0, Ag

+, Ag

2+, และ Ag

3+ ซงแตละออกซเดชนจะมความสามารถและกลไกการตานเชอแบคทเรยทแตกตางกน [41] นอกจากนยงตดตามประสทธภาพการกรองน าของแกวพรน เพอใหไดคณภาพน าส าหรบอปโภค-บรโภค 2.5.3 การประยกตใชเงนกบแกวชนดตางๆ การน าเงนเปนสารตานแบคทเรยในการวจยนไดมงเนนการเจอเงนในแกวพรนชนดโซดา-ไลม- ซลกาดวยวธการหลอมทอณหภมสง (Melting method) เนองจากเปนวธทท าไดงาย สามารถเตรยมไดในปรมาณมาก ซงไดมผลงานวจยทเกยวของกบการเจอเงนในแกวชนดตางๆ กลาวคอ การศกษาการเจอ อออนเงนในแกวซลกา (Silica glass) พบวา อะลมเนยมอออนในโครงสรางแกวซลกา มผลท าใหอตราการปลดปลอยอออนเงนในสารละลายตวกลางลดลง โดยอตราสวนระหวางอะลมเนยมอออนตออออนเงนควรมต งแตหนงขนไป เพอท าใหอตราการปลดปลอยอออนเงนในน าเกดขนอยางชาๆ สงผลใหความสามารถในการตานแบคทเรยชนด Steptococcusmutans (S. mutants) เกดขนไดนาน นอกจากนยงพบอกวาเมอน าแกวซลกาเจอดวยเงนทมขนาดอนภาคเลกกวา 1 ไมครอนผสมในแผนฟลมพอลเมอร สามารถเพมประสทธภาพการตานแบคทเรยเนองจากมพนทผวและปรมาณอออนเงนทถกปลดปลอยออกมามากขน [9, 42] การเจอออกไซดเงน (Ag2O) ลงในแกวทมสวนผสมรอยละโดยน าหนกของ 50P2O5, 5CaO,

1.5Na2O, 10B2O3, 30ZnO, 0.5CeO2 และ 3Ag2O ท าการหลอมทอณหภม 1280 องศาเซลเซยส จากนนเทแกวเหลวในน าและบดใหไดขนาดอนภาค 100 ไมครอน เมอท าการทดสอบตานแบคทเรยชนด E. coli และ S. aureus พบวา สามารถตานแบคทเรยไดดมาก โดยเปรยบเทยบจากการเตบโตของเชอระหวางกอนและหลงการตานดวยแกวทเจอดวยเงน แตยงไมไดมรายงานเกยวกบลกษณะของอออนเงนในโครงสรางแกว [43] การเตรยมแกวบอโรซลเกตตานแบคทเรยจากการเจอดวยเงน พบวา สามารถเตรยมไดดวยวธการหลอมสวนผสมแกวทประกอบดวย SiO2,

B2O3, Al2O3, Na2O, MgO และ Ag2O ทอณหภมในชวง 1280-1330 องศาเซลเซยส เมอทดสอบตานแบคทเรยชนด E. coli พบวาความสามารถในการตานแบคทเรยขนกบปรมาณของออกไซดเงน ทเจอลงในแกวบอโรซลเกต ส าหรบอตราการปลดปลอย Ag

+ ในน าถกควบคมดวยอะลมนา (Al2O3) ทท าใหมอตราการปลดปลอยชาลง ท าใหมความสามารถตานแบคทเรยไดเปนเวลานาน แตยงไมไดศกษาถงอออนเงนในโครงสรางแกวบอโรซลเกต [44] การเตมเงนในวสดพรน Ag- P2O5- SiO2ทผานการเผาทอณหภม 600 องศาเซลเซยส จนไดขนาดรพรน 6.4 นาโนเมตร เมอท าการทดสอบตานแบคทเรยชนด E. coli ในน า พบวาสามารถตานแบคทเรยไดผลดท

44

อณหภมของน า 30 องศาเซลเซยส โครงสรางของแกวโซดา-ไลม-ซลกาทมอนภาคนาโนเงน พบวา การเกดอนภาคนาโนเงนขนาด 2.8-7 นาโนเมตร ทไดจากปฏกรยารดกชนดวยอออนของเหลกทอณหภมในชวง 380- 600 องศาเซลเซยส ซงจะกระจายตวในโครงสรางแกว แตยงไมไดศกษาถงการตานแบคทเรย [45] นอกจากนยงไดมการศกษาอออนเงนในโครงสรางแกวซลเกตดวยการแลกเปลยนอออนระหวางอออนเงนและอออนโซเดยม โดยโครงสรางของอออนเงนจะเปลยนแปลงไปขนกบปรมาณของออกไซดเงนทเจอเขาไปในโครสรางแกวซลเกต [46,47] จากขอมลสวนนท าใหผวจยสนใจทจะเจอเงนในแกวพรน เพอตดตามถงอออนเงนทอยในโครงสรางแกวพรนชนดโซดา-ไลม-ซลกา ทจะท าใหมความสามารถตานแบคทเรยในน าไดและเพอท าใหอออนเงนถกปลอยออกมาจากโครงสรางแกวพรนอยางชาๆ และตอเนอง โดยจะเปนองคความรใหมทในปจจบนยงไมมงานวจยใดไดกลาวถงอยางชดเจน รวมถงองคความร เกยวกบกลไกและความสามารถในการตานเชอแบคทเรยในระยะยาว (Long term bacterial activity) ท าใหสามารถใชบ าบดน าไดเปนเวลานาน 2.6 แบคทเรย (Bacteria) แบคทเรยเปนจลชพทกอใหเกดโรคในมนษยและสตวจ าแนกแบคทเรยแบงเปน 2 กลมใหญๆ คอแบคทเรยแกรมบวก (Gram-positive Bacteria) และแกรมลบ (Gram-negative Bacteria) ดงรป 2.15 โดยแบคทเรยแกรมบวกจะมผนงเซลลทประกอบดวย Peptidoglycan ทหนาประมาณ 30 นาโนเมตร ในขณะทแบคทเรยแกรมลบจะมชนของ Peptidoglycan หนาเพยง 2 – 3 นาโนเมตร และม Outer membrane หมอยดานนอกอกชนหนงดงตาราง 2.7 เนองจากแบคทเรยแกรมลบเปนพวกทสามารถเจรญเตบโตในชวงอณหภมของรางกายไดดกวาแบคทเรย แกรมบวก ดงนนแบคทเรยทเปนสาเหตของโรคทเกดกบคนและสตวสวนใหญจงมสาเหตมาจากแบคทเรยแกรมลบ

45

รป 2.15 การเปรยบเทยบชนดแบคทเรยแกรมบวกและแกรมลบ [48]

ตาราง 2.7 เปรยบเทยบชนดของแบคทเรยแกรมบวกและแบคทเรยแกรมลบ [48]

สวนประกอบ แกรมบวก แกรมลบ

กรดอะมโน ประกอบดวยกรดอะมโน 3-4 ชนด คอ Alanine , Glutamic acid ,

Lysine หรอกรดไดอะมโนพเมลลก

สวนใหญเปนกรดอะมโนทเ ป น ส วนประกอบขอ งโปรตนซงรวมทงกรดไดอะมโนพเมลลก

Peptidoglycan 60-100 % 5-20 %

ปรมาณ Lipid 0.20% 10-20 %

Polysaccharide 35-60 % 15-20%

ความหนา 20-80 นาโนเมตร 10 นาโนเมตร

กรดทโคอก บางชนดม ไมม

ผนงเซลล 1 ชน 2 ชน

ในงานวจยนมงเนนทดสอบประสทธภาพของอออนเงนตอการตานเชอแบคทเรยแกรมลบ คอ Escherichia coli (E. coli) มลกษณะดงรป 2.16 เปนแบคทเรยในกลมโคลฟอรม เปนตวชการ

46

ปนเปอนของอจจาระในน า มอยตามธรรมชาตในล าไสใหญของสตวและมนษย แบคทเรยชนดนท าใหเกดอาการทองเสยบอย ทสด ทงในเดกและผใหญ ท าใหถายอจจาระเหลว หรอเปนน า แตอาการมกไมรนแรง เพราะทงเดก และผใหญมกมภมตานทานอยบางแลว โดย E. coli นยมใชเปนตวชวดคณภาพน าอปโภค-บรโภค หรอแมแตคณภาพน าส าหรบการเลยงปลา โดยถามปรมาณ E. coli ในน านอย แสดงวาน ามคณภาพด รวมทงนยมน ามาใชเพอทดสอบประสทธภาพตานเชอแบคทเรยของวสดตานเชอชนดตางๆ ซงถา E. coli ถกท าใหมจ านวนลดลง หรอไมสามารถเตบโตได แสดงวา วสดตานเชอนนมประสทธภาพในการตาน E. coli ได เปนตน

รป 2.16 แบคทเรย Escherichia coli (E. coli) [48] 2.5 สาระส าคญของงานวจยทเกยวของ Mear และ คณะ [49] ไดศกษาลกษณะเฉพาะของแกวพรนทเตรยมจาก Cathode Ray Tube

(CRT)โดยใชหนาจอและชองทางหลอดภาพแสดงผลของโทรทศนและจอคอมพวเตอร ท าการแยกสวนประกอบหนาจอ และชองทางหลอดภาพทเปนแกวออกจากกน เนองจากท งสองสวนมองคประกอบเคมทแตกตาง ในสวนหนาจอจะประกอบดวยแกวไมมตะกว (Pb) และแบเรยมออกไซด (BaO) สวนของชองทางหลอดภาพเปนแกวทองคประกอบของตะกวออกไซด (Leadred

oxide) โดยเสนอ วธการสรางแกวโฟมจาก CRTs (Cathode Ray Tube) ทอณหภมต าและใชสารกอฟองเพอใหไดแกวโฟมทมรพรนขนาดเลกและสม าเสมอ ผลการทดลองพบวา สามารถเตรยมแกวพรนจาก CRT ได เมอท าการศกษาลกษณะเฉพาะและสมบตพรนหลงการเตรยมดวย การหาความหนาแนนดวยวธ Helium pycnometry หาพนทผวโดยวธ Mercury Porosimetry และใชกลองจลทรรศนอเลกตรอนศกษาโครงแกวพรน ระหวางเกดเปนโฟมมการเกดปฏกรยาชน

47

ภายในจากสารกอฟอง ท าใหแกวโฟมมความหนาแนนต า รพรนและการกระจายตวของขนาดรพรนสม าเสมอ ซงใชเปนตนแบบของการผลตแกวโฟม อทมพร และ วรพงษ [50] ไดเตรยมตนแบบแกวพรนจากเศษแกวดวยวธเตรยมแบบผงใหมขนาดรพรนเลกกวา 0.7 เซนตเมตร มพนทผวจ าเพาะมากกวา 18 ตารางเมตรตอกรม ขนาดพนทหนาตดของชนงานแกวพรนประมาณ 4 x 4 x 1 เซนตเมตร ส าหรบใชเปนวสดกรอง โดยท าการควบคมขนาดของผงเศษแกวใหเลกกวา 44 ไมโครเมตร ผสมกบรอยละโดยน าหนกของแคลเซยมคารบอเนต 7-15 โดโลไมท 7-15 และไดอะตอมไมท 3-23 ตามล าดบ ขนรปชนทดสอบดวยการอดแหงทความดน 40-75 กโลกรมตอตารางเซนตเมตร เผาผนกทอณหภม 700 องศาเซลเซยสในเตาไฟฟา ดวยอตราการเผา 1-5 องศาเซลเซยสตอนาท จากนนตรวจสอบขนาดรพรน พนทผว ความหนาแนนรวม การยยตวในน า ความสามารถในการทนกรด-ดาง ผลการทดลองพบวา ชนทดสอบแกวพรนมการผนกทด การกระจายตวของรพรนสม าเสมอเมอใชแคลเซยมคารบอเนตหรอโดโลไมท รอยละ 7 โดยน าหนก และใชไดอะตอมไมทรอยละ 5 โดยน าหนก ขนรปแบบอดผงแหงทแรงดน 40 กโลกรมตอตารางเซนตเมตร ขนาดของรพรนอยในชวง 0.23-0.47 มลลเมตร พนทผวจ าเพาะ 67-226 ตารางเมตรตอกรม เมอใชอตราการเผา 1-5 องศาเซลเซยสตอนาท และชนทดสอบแกวพรนมขนาดหนาตดประมาณ 4 x 4 x 1 เซนตเมตร แกวพรนทไดไมมการยยตวในน า และสามารถทนตอการกดกรอนดวยโพแทสเซยมไฮดอกไซดได เมอแชในน าเปนเวลา 15 วน ไมท าให pH ของน าเกดการเปลยนแปลง จากการทดสอบประสทธภาพการการกรองน าเสยทมของแขงรอยละ 6 พบวา ชนทดสอบแกวพรน มประสทธภาพการกรองไดถงรอยละ 98 ดวยอตราการกรอง 0.25 ลตรตอนาท Shen และคณะ[51] ไดเคลอบขนาดอนภาค Ag

+2 ลงในเซรามกสพรนใชไดอะตอมไมทเปนสารกอฟองส าหรบบ าบดน า ท าการศกษาลกษณะเฉพาะโดยวธ Mercury intrusion method,

XRD, XRS, FT-IR, SEM และ AAS ผลการทดสอบ พบวา Ag+2 ทเคลอบบนเซรามกสพรนได

อะตอมไมทมโครงสรางผลก 3 แบบ คอ Tetragonal และ monoclinic ของ Ag2+ และ cubic

ของ Ag1+ เมอใชรอยละโดยน าหนก Ag

2+ เปน 8.5 % ขนาดรพรนโดยเฉลยมขนาดเลกในชวง 0.754-3.862 µm ความหนาแนนปรากฏและปรมาณรพรนปรากฏของชนทดสอบเปน 1.794

g mL−1 และ 57.985 % ตามล าดบ ชนทดสอบสามารถปลดปลอยอออนเงนในน าได ดวยอตรา

48

7.420 × 10−3

mg L−1

h−1 ชนทดสอบมความสามารถในการตานแบคทเรยชนด Staphylococcus

aureus และ Escherichia coli ไดดทเวลา 20 นาท มอตราการท าลายเชอแบคทเรยไดถง 99.9 % Jeon และคณะ [52] ท าการศกษาการเคลอบแผนฟลมซลกาทเจอดวยเงนบนผวของกระเบองเซรามก เตรยมโดยวธโซลเจลเพอใชตานแบคทเรย ท าการเผาทอณหม 1100 องศาเซลเซยส เปนเวลาสองชวโมง ศกษาแผนฟลม Ag/SiO2 ทเคลอบบนกระเบองดวย Fourier transform infrared

spectroscopy (FTIR), Scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD),

Wavelength dispersive spectrometry (WDS) และใช Atomic absorption spectroscopy

(AAS) เพอศกษาปรมาณความเขมขนของไอออนเงนทถกปลอยออกมาจากแผนฟลม Ag/SiO2 ในชวงเวลา 24 วน ท าการทดสอบความสามารถตานเชอแบคทเรยของแผนฟลม Ag/SiO2 กบเชอ Escherichia coli และ Staphylococcus aureus ท าการวเคราะหผลการปรบปรงผวเคลอบทอณหภมสง พบวา เกดเปนสองเฟส คอ SiO2 และ Ag ทงนขนอยกบการเกดเฟส Ag ในโครงสรางซลกาดวยการปรากฎ Ag บนพนผวของกระเบองทเคลอบดวยฟลม ผลของความรอนทอณหภมสงท าใหเกดสเปกตรม และโครงสรางผลกของ Ag

+ ในระบบชดเจน อออนเงนถกปลดปลอยออกมาอยางตอเนองและอตราการปลดปลอยเฉลย (± SD) คอ 0.104 ± 0.01 μg/ml ในชวง 24 วน ผลการเคลอบฟลม Ag/SiO2 พบวามประสทธภาพทดตอการตานเชอแบคทเรย Escherichia coli และ Staphylococcus aureus Feng และคณะ [53] ไดทดลองใชอออนเงนบวกหนง (Ag

+) กบแบคทเรยแกรมบวก S.

aureus และแบคทเรยแกรมลบ E. coli พบวา อออนเงนสามารถยบย งการเจรญเตบโตและฆาเชอแบคทเรยทงสองชนดได นอกจากนผลการทดลองยงพบวา อออนเงนจะกระจายอยตามผนงเซลลและแทรกเขาไปภายในเซลลของแบคทเรยและท าใหเกดการรวมตว (Condensation) ของดเอนเอภายในเซลล ท าใหคาดไดวากลไกในการฆาแบคทเรยของอออนเงน เกดจากอออนเงนจบกบโปรตนทผนงเซลลของแบคทเรยทหม thiol (–SH) (เนองจากอออนเงนเปน Soft base จงสามารถจบกบ Soft acid เชน ก ามะถน (S) และฟอสฟอรส (P) ไดด) โดยอออนเงนท าใหโปรตนแปลงสภาพ (Denature) สงผลใหการควบคมการขนสงสารเขาและออกจากเซลลผดปกต ท าใหอออนแทรกเขาสภายในเซลลและท าใหดเอนเอภายในเซลลซงประกอบดวยฟอสฟอรสจ านวนมากเกดการรวมตวและสญเสยความสามารถในการเพมจ านวน (Replication) สงผลใหแบคทเรยไมสามารถเพมจ านวนได นอกจากนอออนเงนทแทรกเขาไปภายในเซลลยงสามารถจบกบโปรตนท

49

ส าคญอนๆ อก เชน โปรตนทเกยวของกบการหายใจระดบเซลล เมอโปรตนเหลานนไมสามารถท างานไดตามปรกต แบคทเรยจะตาย นอกจากนการขนสงสารเขาออกเซลลทผดปกตนจะท าใหเซลลแตก ท าใหแบคทเรยตายในทสด กลไกการท างานของ อออนเงนขางตนมประสทธภาพสงกบแบคทเรยแกรมลบมากกวาแบคทเรยแกรมบวก เนองจากแบคทเรยแกรมลบมชน Peptidoglycan ทบางกวาแบคทเรยแกรมบวก Morones และคณะ [54] ศกษาการฆาเชอแบคทเรยแกรมลบ 4 ชนด ดวยอนภาคนาโนของเงน ไดแก E. coli ท าใหเกดอาการทองเสย S.typhus ท าใหเกดโรคไทฟอยด P. aeruginosa ท าใหเกดการตดเชอในทางเดนปสสาวะ และ V. Cholerae ท าใหเกดอหวาตกโรค พบวาอนภาคนาโนของเงนสามารถฆาและตานเชอแบคทเรยท งสชนดได โดยประสทธภาพในการตานการเจรญเตบโตของแบคทเรยของอนภาคนาโนของเงนขนอยกบชนดของแบคทเรย โดยความเขมขนของอนภาคนาโนของเงนมากกวา 75 ppm จะมประสทธภาพการตานการเจรญเตบโตของแบคทเรยใกลเคยงกน แตอาจเกดการตานเชอดวยกลไกทแตกตางกน ซงสวนใหญ พบวาอนภาคนาโนของเงนกระจายอยตามผนงเซลลและแทรกเขาไปภายในเซลลของแบคทเรย และเกดการรวมตวของดเอนเอภายในเซลล เมอพจารณาขนาดของอนภาคนาโนของเงนทสามารถฆาเชอไดอยางมประสทธภาพ พบวา อยในชวง 1 – 10 นาโนเมตร เนองจากอนภาคขนาดเลกจะแสดงอทธพลของผลประจไฟฟา ไดดยงขนท าใหความวองไวของพนผวของอนภาคขนาดนาโนในการเกดปฏกรยาสงขน อกทงความแขงแรงในการจบของอนภาคนาโนของเงนกบแบคทเรยขนกบพนทผวทเกดอนตรกรยา ดงนนพนทผวทเพมขนเมออนภาคมขนาดเลกลง ท าใหประสทธภาพของอนภาคนาโนของเงนเพมขน ผวหนาของอนภาคนาโนของเงนทสามารถจบกบแบคทเรยไดดคอ ระนาบ {111} จากผลการทดลองขางตนท าใหสามารถสรปไดวาม 3 กลไกหลกทท าใหอนภาคนาโนของเงนสามารถตอตานแบคทเรยไดด ไดแก 1. อนภาคนาโนของเงนในชวง 1 – 10 นาโนเมตร จบกบผวหนาของเยอหมเซลลของแบคทเรยและรบกวนการท างานระดบเซลลของแบคทเรย เชน การขนสงสารเขาออกจากเซลล และการหายใจ 2. อนภาคนาโนของเงนสามารถแทรกเขาไปภายในเซลลแบคทเรยและรบกวนการท างานระดบโมเลกลโดยจบกบสารทมก ามะถนและฟอสฟอรสเปนองคประกอบ เชน ดเอนเอ 3. อนภาคนาโนของเงนเกดการสลายตวและปลดปลอยอออนเงน เนองจากอนภาคนาโนของเงนมขนาดเลกและมเปนจ านวนมาก ท าใหสามารถปลดปลอยอออนเงน ออกมาดวยความเขมขนสง สามารถฆาแบคทเรยไดอยางรวดเรว