เหล็กในน้ำบาดาลและการกำจัดเหล็ก

 

เหล็ก

            เหล็กคือ ธาตุโลหะมีชื่อละตินว่า "Ferum" มีอักษรย่อ "Fe" เป็นสัญลักษณ์ของธาตุเหล็กประกอบด้วยอะตอมที่มีค่าอะตอมมิกนัมเบอร์เท่ากับ 26 มีวาเลนซีเท่ากับ 2 และ 3 และมีน้ำหนักอะตอมเท่ากับ 66.85

            เหล็กมีปรากฏในธรรมชาติในสภาวอิสระเป็นปริมาณน้อย เหล็กที่มีปรากฏอยู่ในโลก ส่วนใหญ่ปรากฏรวมตัวอยู่กับธาตุอื่นเป็นสารประกอบ เช่น ในแร่แมกเนไตท์ (Fe3O4)แร่เฮมาไตท์สีแดง (Fe2O3) แร่ลิมอนไนท์ (Fe2O33H2O) แร่ลิเดอไรท์ (FeCO3) แร่พายไรท์(FeS2) เป็นต้น สินแร่เหล็ก (Iron Ore) เหล่านี้มีอุดมสมบูรณ์และกระจายกันอยู่ตามที่ต่างๆทั่วโลก เช่น อยู่ตามชั้นหิน และชั้นดินต่างๆ เป็นต้น

การกำเนิดของเหล็กในน้ำ

เหล็กที่ปรากฏอยู่ในธรรมชาติ มักเป็นแหล่งกำเนิดของเหล็กในน้ำ เหล็กเกือบทั้งหมดที่พบในหินและดิน ส่วนใหญ่ปรากฏรวมตัวกันอยู่กับธาตุอื่นๆ เป็นสารประกอบของเหล็กออกไซด์ เหล็กซัลไฟด์ และเหล็กคาร์บอเนต เหล็กออกไซด์เกิดจากแร่ 3 ชนิด คือ แร่เฮมาไตท์สีแดง (Red Hematile) หรือ Fe2O3 แร่แมกเนไตท์(Magnetile)หรือ  Fe3O4 แร่ลิมอนไนท์หรือแร่เฮมาไตท์สีน้ำตาล  (Brown Hematile) หรือ Fe2O33H2O เหล็กซัลไฟท์ เกิดจากแร่พายไรท์ (Pyrites)หรือ FeS2 ส่วนเหล็กคาร์บอเนตเกิดจากแร่สิเดอไรท์ (Siderites) หรือ Fe2O3 เหล็กในน้ำบาดาลเกิดจากธาตุทั้งหมดที่กล่าวมา สามารถละลายน้ำได้และอยู่ในรูปของ เหล็กเฟอร์รัส การที่เหล็กสามารถละลายในน้ำบาดาลเป็นเหล็กเฟอร์รัสได้ มักมีสาเหตุจาก

            -ในดินมีแบคทีเรีย ที่ทำให้เกิดกระบวนการย่อยสลายสารอินทรีย์นั้น กระบวนการนี้จะทำให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งเมื่อละลายน้ำจะได้กรดคาร์บอนิคซึ่งเป็นกรดอ่อน ดังนั้น เมื่อน้ำไหลผ่านชั้นหินหรือชั้นดินที่มีแร่เหล็กอยู่ ก็จะละลายแร่เหล็กนั้น เหล็กที่ถูกละลายจะอยู่ในรูปของเหล็กเฟอร์รัส ดังสมการที่ 2.3

                        FeCO3+ CO2+ H2O            Fe  (HCO3)2  ........................   (2.3)

ภายในภาวะที่ขาดออกซิเจน แบคทีเรียที่อยู่ในชั้นดินซึ่งมีสารอินทรีย์สามารถเปลี่ยนเหล็กเฟอร์ริคในแร่ธาตุเป็นเหล็กเฟอร์รัสในชั้นแรก คือ

                        2Fe2O3+Organic Matter         4FeO + CO2  .......................    (2.4)

ต่อมาเหล็กเฟอร์รัสนั้น จะถูกละลายน้ำได้ ดังสมการที่ 2.5

FeO + 2H2O + 2CO2         Fe (HCO3)2 + H2O   ......................     (2.5)

สำหรับน้ำผิวดิน มักเป็นแหล่งกำเนิดของเหล็กอินทรีย์ ซึ่งมีสาเหตุมาจากการระบายน้ำเสียที่มีสารอินทรีย์ลงไปในน้ำหรือเมื่อฝนตกน้ำฝนจะละลายสารอินทรีย์บนผิวดินแล้วไหลลงไปในน้ำเมื่อรวมกับเหล็กในน้ำก็จะกลายเป็นเหล็กอินทรีย์

3.ชนิดของเหล็กที่พบในน้ำ

เหล็กในน้ำแบ่งเป็น 2 ชนิด คือ

3.1 เหล็กอนินทรีย์

เป็นเหล็กที่พบอยู่ในน้ำบาดาลเป็นสวนใหญ่ น้ำที่มีเหล็กอนินทรีย์เมื่อสูบขึ้นมาใหม่ๆ จะมีลักษณะใสมาก แต่เมื่อทิ้งให้สัมผัสอากาศสักครู่น้ำนั้นจะปรากฏความขุ่นให้เห็น

            เหล็กอนินทรีย์ในน้ำบาดาล มักจะพบในรูปสารประกอบของเหล็กคาร์บอเนตมากที่สุด เช่น เฟอร์รัสไบคาร์บอเนต หรือ Fe( HCO3)2 รองลงไปอยู่ในรูปของเฟอร์รัสซัลเฟต หรือ FeSO4 และอาจพบอยู่ในรูปสารประกอบของเหล็กคลอไรด์ หรือ Fe CI 2

3.2 เหล็กอินทรีย์

            เป็นเหล็กที่พบอยู่ในน้ำผิวดินเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งมักจะอยู่ในรูปสารประกอบอินทรีย์เชิงซ้อน (Organic Complex Compounds) เช่น Humic Acid , Fulvic Acid หรือ Tannic Acid เป็นต้น

เหล็กในน้ำบาดาลจะมีลักษณะต่างๆ เป็น 3 ลักษณะ คือ

            1.เหล็กในน้ำบาดาลชนิดที่ตกตะกอนได้ทันทีภายหลังการเติมอากาศ

            2 เหล็กในน้ำบาดาลชนิดที่ไม่ยอมตกตะกอนได้ง่ายๆภายหลังการเติมอากาศ ทั้งนี้เพราะน้ำบาดาลนั้นมีสภาพเป็นกรด

            3.เหล็กในน้ำบาดาลชนิดที่บางส่วนตกตะกอนได้ แต่บางส่วนไม่ยอมตกตะกอน เลย ภายหลังการเติมอากาศ เหล็กในน้ำบาดาลชนิดนี้จะพบมากที่สุด

            Haver   ได้กล่าวไว้ว่า เหล็กในน้ำบาดาลซึ่งเป็นเหล็กอนินทรีย์ ส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของเฟอร์รัสไบคาร์บอเนต  Fe( HCO3)2 และเฟอร์รัสคาร์บอเนต  (Fe CO3) สารละลายนี้เกิดจากแร่ธาตุ ในชั้นหินที่เรียกว่า สิเดอร์ไรท์ ซึ่งเป็นแร่ที่มีสภาพการละลาย (Solubility)    ประมาณ 65 มก/ล (ในที่นี้หมายถึงน้ำ 1 ลิตร สามารถละลายแร่สิเดอร์ไรท์ได้ 65 มก.) ค่าของสภาพการละลายนี้จะเพิ่มมากขึ้น หรือมีคาร์บอนไดออกไซด์มากขึ้น  เฟอร์รัสไบคาร์บอเนตนี้เมื่อทำปฏิกิริยากับน้ำและออกซิเจน  จะได้เฟอร์รัสไฮดรอกไซด์หรือ(FeCOH)2 ซึ่งมีสภาพการละลายไม่เกิน 7 มก/ล.เฟอร์รัสไฮดรอกไซด์หรือ(FeCOH)2ซึ่งไม่ละลายน้ำเช่นกัน Haver กล่าวอีกว่า เหล็กในน้ำบาดาลที่พบในรูปของ เฟอร์รัสซัลเฟต มักเกิดจากแร่พายไรท์หรือเฟอร์รัสซัลไฟด์ มักมีสภาพการละลายไม่เกิน 5 มก./ล.และแร่เฟอร์รัสซัลไฟด์ มักมีสภาพการละลายไม่เกิน 5 มก./ล. ขณะที่แร่สิเดอร์ไรด์มีสภาพการละลายประมาณ 65 มก./ล. จึงเป็นเหตุผลที่สามารถกล่าวได้ว่าเหล็กในน้ำบาดาลส่วนใหญ่มักอยู่ในรูปของเฟอร์รัสไบคาร์บอเนตหรือเฟอร์รัสคาร์บอเนตมากกว่าเฟอร์รัสซัลเฟต

4.สถานะต่างๆของเหล็กในน้ำ

            สถานะต่างๆของเหล็กที่ปรากฏอยู่ในน้ำตามธรรมชาติ สามารถสรุปได้ดังแสดงไว้ในรูปที่ 2.6 อธิบายได้ว่าเหล็กทั้งหมดในน้ำหรือ Total Iron แบ่งเป็น 2 รูป คือเหล็กในรูป Fe +2  เหล็กในรูป  Fe +3 อาจรวมตัวกับธาตุอื่น เป็นสารประกอบที่อาจจะประกอบด้วยธาตุอื่น ธาตุเดียว เช่น   FeS2 (ที่ไม่ละลายน้ำ) และ Fe (HCO 3)2 ที่ละลายน้ำได้ เป็นต้น หรือธาตุอื่นมากกว่าสองธาตุซึ่งอยู่ในรูปของเชิงซ้อน (Complex  form) Mineral Complex และ/หรือ Organic Complexes เป็นต้น ส่วนเหล็ก  Fe +3  อาจจะรวมตัวกับธาตุอื่นเป็นสารประกอบที่อาจประกอบด้วยธาตุเดียว เช่น  Fe (HO3) (ที่ไม่ละลายน้ำ) เป็นต้น หรือธาตุอื่นมากกว่า 2 ธาตุ ซึ่งอยู่ในรูปเชิงซ้อน (Complex  form) เช่น   Mineral Complexs และ/หรือ  Organic Complexes เป็นต้น

5.ปัญหาของเหล็กในน้ำ

การมีเหล็กในน้ำทำให้เกิดปัญหาที่ยุ่งยากหลายอย่าง คือ

-ถ้ามีเหล็กในน้ำจะทำกระบวนการผลิตกระดาษ ผลิตกระดาษแล้วมีสีเหลือง หรืออาจเป็นจุดสีเหลือง หรือสีสนิมเหล็ก

-โรงงานผลิตเสื้อผ้าหรือฟอกหน้า หากมีเหล็กจะทำให้เกิดจุดขึ้นบนเสื้อผ้าหรือหน้าได้

-โรงงานผลิตอาหารหากในน้ำมีเหล็ก จะทำให้อาหารมีรสชาติที่เปลี่ยนแปลงไป

-น้ำที่มีเหล็กก่อให้เกิดความขุ่น ทำให้ไม่เหมาะต่อการอุปโภคบริโภค

-น้ำที่มีเหล็กก่อให้เกิดการอุดตันในระบบท่อจ่ายน้ำประปาได้

-น้ำที่มีเหล็กเวลานำมาซักเสื้อผ้า จะทำให้เสื้อผ้าเป็นสีเหลือง หุงข้าวทำให้ข้าวบูดเร็ว

-น้ำที่มีเหล็กมาก มีโอกาสทำให้หม้อน้ำเกิดตะกรันขึ้นภายในหม้อน้ำได้

6.การออกซิเดชั่นเหล็ก

กระบวนการออกซิเดชั่นเหล็กจะทำให้เหล็กเฟอร์รัสเปลี่ยนรูปเหล็กเฟอร์ริค จะสามารถตกตะกอนได้ดี หรือกรองได้ด้วยทรายกรอง การออกซิเดชั่นเหล็กมีหลายวิธีดังนี้ คือ

6.1 การเติมอากาศ (Aeration)

การเติมอากาศ หรือ ออกซิเดชั่นโดยตรง จะสามารถเปลี่ยนเหล็กในรูปเหล็กเฟอร์รัสไปเป็นเหล็กเฟอร์ริค ปฏิกิริยาของเหล็กเฟอร์รัสมีรายละเอียดดังนี้

4Fe (HCO 3)2+ O2 + 2H2O    4F(OH)3 + 8CO 2  .........................  ( 2.6)

 

การทำปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นได้ดีเพียงใด มีองค์ประกอบที่สำคัญคือ ระดับของ pH ความเป็นด่าง ระยะเวลาทำปฏิกิริยา ปริมาณออกซิเจนละลายในน้ำ การเกิดตะกอนเหล็กหากจะทำให้ตกตะกอนต้องใช้เวลาในการตกตะกอนนานถึง 12-24 ชั่วโมง หรือมากกว่านี้ ด้วยเหตุนี้ระบบกำจัดเหล็กจึงมีการเติมอากาศแล้วกรอง ในทางทฤษฎีพบว่า ออกซิเจน 0.14 มก/ล. สามารถออกซิไดซ์ เหล็กเฟอร์รัสได้ 1 มก./ล.

6.2 การใช้คลอรีน , คลอรีนไดออกไซด์ หรือไฮโปคลอไรท์

การทำปฏิกิริยาโดยการใช้ CI 2 ในการออกซิไดซ์เหล็กในน้ำบาดาลเป็นไปตามสมการที่ 2.7

2Fe (HCO 3)2+ CI2 + Ca (HCO3)2        2Fe (HO)3+ CaCI2 + 6 CO2 ................... (2.7)

ปฎิกิริยาดังกล่าวใช้คลอรีน 1 มก/ล. สามารถออกซิไดซ์เหล็กเฟอร์รัสในน้ำได้ 1.6 มก./ล. สามารถออกซิไดซ์ได้ดีที่ pH 7 ปฎิกิริยาอาจนานขึ้นถ้าอุณหภูมิของน้ำต่ำ การใช้ CI 2 เป็นสาเหตุให้เกิดกลิ่นและรสในน้ำ ทำให้เกิดสารประกอบคาร์ซิโนเจน (Carcinogen) ซึ่งเป็นสาเหตุของโรคมะเร็งได้

6.3 การใช้ด่างทับทิม

การออกซิไดซ์เหล็กด้วยด่างทับทิม สามารถดำเนินการได้ตามสมการ

Fe (HCO 3)2+ KMnO4 + 7H2OCa(HCO 3)2          MnO2 + 3Fe (OH) 3 + KMnO3+ 5H2OC3

ในทางทฤษฎีด่างทับทิม 1 มก./ล. สามารถออกซิไดซ์เหล็กได้ 1.06 มก/ล. แต่เนื่องจากมีแมงกานีสออกไซด์ ( MnO2 ) เป็นตัวเร่งปฎิกิริยาออกซิเดชั่นได้ดี ดังนั้นในทางปฏิบัติ จึงพบว่า ด่างทับทิม 1 มก./ล. สามารถออกซิไดซ์เหล็กเฟอร์รัสได้ถึง 1.66 มก./ล.

KMnO3 และ  H2CO2 จะแตกไปกับน้ำ ซึ่ง H2CO3 จะแตกตัว (Break down) เป็นน้ำและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ตามสมการ

H2CO3    «    H2O + CO2   …………………………….

6.4 การเติมอากาศตามด้วยการเติมปูนขาว

การเติมอากาศแล้วตามด้วยการเติมปูนขาวนี้ จะทำให้เกิดปฏิกิริยาการกำจัดเหล็กตามสมการดังนี้

Fe (HCO 3)2+ Ca(OH )2                     Fe (OH)2 + Ca(HCO3)2 .............................

4Fe (OH)2 + 2H2O + O2                       4Fe (OH)3 ........................................

pH ที่จะทำให้ปฏิกิริยาสมบูรณ์อยู่ที่ 8.4 จากการทำปฏิกิริยาดังกล่าว จะทำให้เกิดชั้นตะกอน ในถังตกตะกอน ชั้นตะกอนนี้จะทำหน้าที่กำจัดเหล็กได้แล้ว ยังช่วยกำจัดความกระด้างแบบไบคาร์บอเนตได้อีกด้วย สำหรับค่าสารเคมีต่างๆที่ใช้ในการกำจัดเหล็ก แสดงในตาราง

ตาราง ปริมาณสารเคมีต่างๆที่ใช้ในการกำจัดเหล็ก

 

สารเคมี

ปริมาณสารเคมี

Oxygen

0.14

CI 2

0.64

Ca(OCI)2

0.64

NaOCI2 

0.67

KMnO4

0.94

CIO 2

1.21

O 3

0.43

 

  |ประปาไทยดอมคอม|เทคโนโลย|

มา : หนังสือภูมิปัญญาท้องถิ่นในการบริหารจัดการน้ำอุปโภคบริโภค

         สำนักบริหารจัดการน้ำ   กรมทรัพยากรน้ำ