การพัฒนาปรับปรุงเปรียบเทียบและทดสอบมาตรฐานต้นแบบเครื่องวัดฝุ่นละอองในอากาศแบบใช้หลักการเชิงไฟฟ้าสถิตเพื่อไปสู่มาตรฐานเครื่องมือวัดสากล US EPA (พานิช อินต๊ะ,2562)

รายงานวิจัยฉบับสมบรู ณ์ โครงการวิจัย เรื่อง ภาษาไทย การพัฒนา ปรับปรุง สอบเทียบและทดสอบมาตรฐานต้นแบบ เคร่ืองวัดฝุ่นละอองลอยในอากาศแบบใช้หลักการเชิงไฟฟ้า สถิตเพอ่ื ไปสมู่ าตรฐานเครอ่ื งมือวดั สากล US EPA ภาษาอังกฤษ Development, Refinement, Calibration and Standard Test of the Electrostatic PM Mass Monitor towards the US EPA International Standard Instruments ผู้วิจัย รองศาสตราจารยพ์ านชิ อนิ ตะ๊ โครงการวจิ ยั ประเภททุนวิจยั เปา้ หมายท่ี ๔ ประจาปงี บประมาณ ๒๕๖๐ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลลา้ นนา

บทคัดยอ่ ในโครงการวิจัยน้ีได้ทาการพัฒนาและปรับปรุงต้นแบบเคร่ืองวัดปริมาณฝุ่นละออง 2.5 แบบใช้ หลักการไฟฟ้าสถิตด้วยเวลาจริง สามารถเชื่อมโยงข้อมูลผลการตรวจวัดแบบไร้สายผ่านระบบเครือข่าย โทรศัพท์มือถือ GSM ในการศึกษานี้ได้ทาการทดสอบภาคสนามเพ่ือเปรียบเทียบกับวิธีการตรวจวัดมาตรฐาน ตามท่ีองค์การพิทักษ์ส่ิงแวดล้อมแห่งประเทศสหรัฐอเมริกากาหนดไว้ โดยได้ทาการทดสอบเปรียบเทียบ เครื่องวัดฝุ่นทพ่ี ัฒนาขึ้นกับแบบเทปเปอ อิลิเม้นท์ ออสซิเลติ้ง ไมโครบาลานซ์ โมเดล 1405DF ของ Thermo Fisher Scientific Inc. พบว่าค่าสมั ประสทิ ธิส์ หสัมพันธข์ องค่าเฉลี่ยราย 1 ชั่วโมง ที่ได้จากเคร่ืองมือวัดท้ังสอง วธิ มี คี า่ เทา่ กบั 0.9697 กับเครอื่ งวดั แบบเบต้า เรย์ โมเดล 5014i ของ Thermo Fisher Scientific Inc. พบว่า ค่าสัมประสิทธ์ิสหสัมพันธ์ของค่าเฉลี่ยราย 1 ชั่วโมง ท่ีได้จากเครื่องมือวัดท้ังสองวิธีมีค่าเท่ากับ 0.9811 และ กบั DustTrak ของ TSI พบวา่ คา่ สมั ประสทิ ธ์สิ หสมั พันธ์ของค่าเฉลย่ี ราย 1 ช่ัวโมง ที่ได้จากเครื่องมือวัดท้ังสอง วิธีมีค่าเท่ากับ 0.9364 โดยต้นแบบที่พัฒนาข้ึนสามารถวัดปริมาณความเข้มข้นเชิงมวลของฝุ่น PM2.5 ได้ ในช่วง 0 - 500 ไมโครกรัม ต่อ ลูกบาศ์กเมตร และสามารถใช้งานได้ต่อเน่ืองมากถึง 1,000 ช่ัวโมงของการ ทางาน

Abstract In this research project, the electrical PM mass monitor for PM2.5 for real-time continuous monitoring of airborne PM2.5 mass concentrations was modified and developed. The data of the developed monitor was connected to the internet through a GSM connection to a public cellular network. In this study, the measured data of PM2.5 was collected and compared for both developed monitor and commercially available TEOM model 1405DF. It was found the the comparison between the developed monitor and TEOM data values resulted in R2 of 0.9697 for 1-hour. The developed monitor was compared with a commercially available Thermo Scientific Model 5014i Beta Continuous Particulate Monitor for PM2.5 measurements. It was found that the comparison between the developed monitor and the Thermo Scientific Model 5014i Beta data values were R2 of 0.9811 for 1-hour and. Also, the developed monitor was compared with a commercially available DustTrak 8533, TSI for PM2.5 measurements. It was found that the comparison between the developed monitor and the DustTrak 8533 values were R2 of 0.9364. Particularly, it was showed that the developed monitor proved its advantages in measuring and detecting PM2.5 particulate air pollution for mass concentrations in the range from 0 to 500 µg/m3 with greater than 1,000 hour of operation.

กิตติกรรมประกาศ ผลการวิจัย พัฒนา และวิศวกรรมภายใต้โครงการน้ีได้รับการสนับสนุนจากเงินทุนอุดหนุน โครงการวจิ ัย พัฒนา และวิศวกรรมของมหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลล้านนา ประเภททุนวิจัยเป้าหมาย ท่ี 4 ประจาปีงบประมาณ 2560 รศ.ดร.พานชิ อินตะ๊ ก

สารบัญ หนา้ บทคัดยอ่ ก Abstract ข กิตติกรรมประกาศ ค สารบญั ง บทท่ี 1 บทนา 1 1.1 หลักการและเหตผุ ล 1 1.2 วัตถุประสงค์ 4 1.3 เปา้ หมาย 4 1.4 ระยะเวลาดาเนนิ การ 4 1.5 ผลงานวิจัยทีเ่ กย่ี วข้อง 5 บทท่ี 2 หลกั การและทฤษฎี 17 2.1 คุณภาพอากาศ 17 2.2 คุณสมบัติของฝุ่นละอองลอยในอากาศ 19 2.3 การเคลือ่ นของอนุภาคในแก๊ส 23 2.4 การไหลของของไหล 27 2.5 หลกั การควบคุมความชน้ื แบบการแลกเปลีย่ นความร้อน 28 2.6 หลักการวัดจานวนอนภุ าคเชิงไฟฟา้ สถิต 29 2.7 สนามไฟฟ้า 30 2.8 โคโรนาดสิ ชาร์จ 33 2.9 การอัดประจุไฟฟา้ อนุภาค 35 2.10 หลกั การตกตะกอนอนภุ าคเชงิ ไฟฟา้ สถิต 37 2.11 การวัดประจุไฟฟ้าสถติ ของอนุภาคด้วยลูกถว้ ยฟาราเดย์ 39 บทที่ 3 การพัฒนาตน้ แบบเครอื่ งวัดปริมาณฝนุ่ ละออง PM2.5 42 3.1 เป้าหมายในการพัฒนาต้นแบบ 42 3.2 สว่ นประกอบของระบบตรวจวดั ฝุน่ ละออง 45 3.3 ต้นแบบระบบตรวจวัดฝุ่นละออง 57 บทท่ี 4 อุปกรณ์และวธิ กี ารทดลอง 61 4.1 แผน่ กรองอนภุ าคประสทิ ธภิ าพสงู 61 ข

สารบญั (ตอ่ ) หนา้ 4.2 ระบบการจา่ ยและวดั ไฟฟ้าแรงดนั สงู 61 4.3 อเิ ล็กโทรมิเตอร์มาตรฐาน 61 4.4 ออสซิลโลสโคปแบบดจิ ิตอล 62 4.5 มลั ติมเิ ตอร์แบบดิจติ อล 62 4.6 เครือ่ งชัง่ น ้าหนกั แบบดจิ ิตอล 65 4.7 กล้องจุลทรรศน์อิเลก็ ตรอนแบบสอ่ งกราด 65 4.8 เครอ่ื งวดั ฝุ่น TEOM 66 4.9 เครื่องวดั ฝนุ่ DustTrak 66 4.10 เครือ่ งวดั ฝุน่ FH62C14 Beta Gauge 67 4.11 เคร่ืองวัดฝนุ่ 5014i Beta Continuous Ambient Particulate Monitor 67 4.12 Scanning Mobility Particle Sizer 69 4.13 Atomizer Aerosol Generator 69 บทท่ี 5 ผลการวจิ ัยและวจิ ารณผ์ ล 71 5.1 อนภุ าคขนาดมาตรฐาน 71 5.2 การวัดเปรียบเทยี บกบั เครือ่ งวัดฝนุ่ มาตรฐาน 72 บทที่ 6 สรุปผลการวจิ ัยและข้อเสนอแนะ 74 6.1 สรปุ ผลการวิจัย 74 6.2 ขอ้ เสนอแนะและการพฒั นาตอ่ ในอนาคต 75 เอกสารอา้ งองิ 76 ภาคผนวก ก แบบเชงิ เทคนิคของตน้ แบบระบบตรวจวดั ฝ่นุ ละออง 80 ภาคผนวก ข คมู่ อื การใช้งาน 122 ภาคผนวก ค บทความวิจัย 144 ภาคผนวก ง มาตรฐานผลิตภัณฑอ์ ุตสาหกรรม เคร่ืองตรวจวัดฝุน่ ละอองลอยแบบ 200 หลักการไฟฟ้าสถิต 211 ประวตั คิ ณะผู้วจิ ยั ค

บทที่ 1 บทนำ 1.1 หลกั กำรและเหตผุ ล ฝนุ่ ละอองในอากาศเปน็ หนึง่ ในสารมลพิษทางอากาศ โดยฝุ่นท่มี ขี นาดใหญเ่ ชน่ PM100 อาจสรา้ งความราคาญและ เขา้ สรู่ า่ งการไดบ้ างสว่ น แตฝ่ นุ่ ทม่ี ีขนาดเลก็ กว่าคือฝุ่น PM10 และ PM2.5 สามารถลอดผา่ นกลไกดักจบั ของร่างกายเข้าสู่ ระบบทางเดนิ หายใจไดล้ กึ ลงไป มีงานวิจยั ทางการแพทยร์ ะบุว่าฝนุ่ ขนาดเล็กเหล่านสี้ ามารถก่อให้เกดิ ภาวะการเจ็บป่วย จากโรคในระบบทางเดนิ หายใจและภาวะความเสย่ี งเปน็ โรคมะเรง็ จากการรบั สะสมเขา้ ไปในร่างกาย ทาให้ประเทศขาด โอกาสพฒั นาจากกาลงั ประชาชนที่แขง็ แรง อีกท้งั ยงั ส่งผลทางตรงตอ่ สภาพแวดลอ้ ม และผลทางอ้อมดา้ นเศรษฐกจิ โดยเฉพาะอยา่ งยง่ิ ทาใหข้ าดโอกาสสรา้ งรายไดเ้ ข้าประเทศจากการทอ่ งเทย่ี ว ส่งผลสญู เสยี ตอ่ ประเทศอย่างประเมนิ ค่า ไมไ่ ด้ ประเทศไทยไดต้ ระหนักถึงปญั หาเหลา่ น้ี โดยมกี ารตั้งหน่วยงานท่คี วบคุมดดู ้านมลพษิ ทางอากาศอยหู่ ลาย หน่วยงาน เชน่ กระทรวงวทิ ยาศาสตร์ เทคโนโลยแี ละส่งิ แวดลอ้ ม มหี น้าทอี่ อกมาตรฐานและขอ้ กาหนดต่างๆ กระทรวง ทรัพยากรธรรมชาติและส่งิ แวดลอ้ ม มหี นา้ ท่ีในดา้ นกาหนดมาตรฐานควบคมุ การปล่อยทิง้ อากาศเสยี และแหลง่ กาเนดิ มลพิษทว่ั ไป กระทรวงอุตสาหกรรม มีหนา้ ที่ในการกาหนดการตดิ ตัง้ เคร่อื งมือในการตรวจสอบคณุ ภาพอากาศจากโรงงาน ประเภทตา่ งๆ กรมโรงงานอุตสาหกรรม มีหน้าท่ใี นการกาหนดคณุ สมบตั ิของบคุ ลากรดา้ นส่ิงแวดลอ้ มประจาโรงงาน การ ฝกึ อบรมและการสอบมาตรฐาน กรมควบคมุ มลพษิ มหี นา้ ท่ีกาหนดคุณลกั ษณะของเครื่องมอื วดั ก๊าซหรือฝนุ่ ละออง นอกจากน้ี ยงั มีพระราชบัญญัตสิ ่ิงเสรมิ และรกั ษาคณุ ภาพสิ่งแวดลอ้ มแหง่ ชาติ ทก่ี าหนดใหม้ คี ณะกรรมการส่งิ แวดล้อม แหง่ ชาติและคณะกรรมการควบคมุ มลพิษ โดยคณะกรรมการสงิ่ แวดล้อมแห่งชาตไิ ด้ออกประกาศเกี่ยวกับฝุน่ ละอองใน อากาศ PM100 และ PM10 เมือ่ ปี พ.ศ. 2538 เปน็ ตน้ มา และในปี พ.ศ. 2553 ไดม้ กี ารออกกฎหมายฝุ่น PM2.5 เพ่ิมเตมิ โดยกรมคบุ คมุ มลพษิ ได้ออกประกาศเร่อื งเคร่อื งมอื ที่สามารถใชต้ รวจวดั ฝนุ่ PM10 ในปี พ.ศ. 2546 และฝุ่น PM2.5 ในปี พ.ศ. 2553 เปน็ ตน้ มา ในส่วนของสถานตรวจวดั คณุ ภาพอากาศท่กี รมควบคุมมลพษิ ทาหน้าทีต่ รวจวดั และแจง้ รายงานผล ต่อประชาชนมีประมาณ 70 สถานี (ในขณะท่ีประเทศเกาหลใี ตแ้ ละประเทศญ่ปี นุ่ ท่มี ีประชากรและพ้ืนท่ีใหล้เคยี งกับไทย มสี ถานตี รวจวดั คณุ ภาพอากาศกระจายทัว่ ประเทศในระดับหลายร้อยสถาน)ี สถานีตรวจวดั คณุ ภาพอากาศส่วนใหญเ่ ปน็ เครอ่ื งวัดฝุน่ PM10 ในขณะทเ่ี คร่อื งวดั ฝนุ่ PM2.5 มีไมถ่ งึ 5 สถานี ขอ้ จากดั สว่ นหนง่ึ มาจากกฎหมายทรี่ ะบุวา่ เครื่องมือ วดั ฝนุ่ ในบรรยากาศจะต้องเปน็ เครอื่ งมือชนิด TEOM, Beta ray, Dichotomous หรอื เคร่ืองมอื ทไี่ ด้รบั การรบั รองจาก องค์การพิทักษ์ส่ิงแวดลอ้ มแหง่ ประเทศสหรัฐอเมรกิ า (US EPA) ซ่ึงเคร่ืองมือทง้ั หมดน้ี ไมม่ ีผลติ ในประเทศ ต้องนาเข้า จากต่างประเทศท้งั หมด อีกทงั้ ยงั มีราคาแพงท้งั ตวั เครอื่ งมือเอง อุปกรณ์ประกอบอื่นๆ การบารงุ รกั ษาและการบริการ อน่ื ๆ ที่ดาเนนิ การไดเ้ ฉพาะตัวแทนเฉพาะทผ่ี ู้ผลิตกาหนด ตน้ ทนุ ดา้ นงบประมาณและคา่ ใชจ้ า่ ยหลงั การซือ้ ขายดังกลา่ ว เปน็ ข้อจากดั ในการขยายสถานีตรวจวัดคณุ ภาพอากาศในประเทศไทย คณะผวู้ จิ ัยไดศ้ ึกษาและพฒั นาเครื่องวเิ คราะห์อนภุ าคในอากาศทีม่ ีขนาดเล็กกวา่ 1 ไมครอน มาต้ังแต่ปี พ.ศ. 2546 จากนนั้ ต้งั แต่ปี พ.ศ. 2552 ได้ตระหนักถึงปัญหาฝนุ่ ละอองในอากาศที่ทวีความรนุ แรงขึน้ อย่างต่อเนอื่ ง จึงได้ศึกษา วจิ ยั ออกแบบและพฒั นาเครอื่ งตรวจวดั ฝ่นุ ละอองในอากาศแบบใชห้ ลักการทางไฟฟา้ เรือ่ ยมาอยา่ งต่อเน่ืองจนถึงปจั จุบัน จนประสบความสาเรจ็ สามารถใชต้ รวจวดั ฝนุ่ ละอองในอากาศชนดิ PM100, PM10, PM2.5 และ PM1.0 ได้ ผลงาน เครือ่ งตรวจวดั ฝุน่ ละอองในอากาศดังกล่าวเคยไดร้ บั รางวลั สิง่ ประดษิ ฐค์ ิดค้นดเี ดน่ จากสภาวิจัยแห่งชาติ ประจาปี 2554 และ รางวลั ส่งิ ประดิษฐค์ ดิ ค้นประกาศเกยี รติคณุ จากสภาวจิ ยั แหง่ ชาติ ประจาปี 2557 นอกจากนยี้ ังมีรางวัลเหรยี ญทอง จากงานประกวดสิง่ ประดิษฐใ์ นงาน SIIF2012 ณ กรงุ โซล ประเทศเกาหลีใต้ และสิทธิบตั รการประดษิ ฐเ์ ลขทค่ี าขอ 1101000983 ทีก่ ารนั ตคี วามสามารถของผลงานวิจยั เคร่ืองวัดฝุ่นหลกั การทางไฟฟ้าท่พี ัฒนาโดยคณะผูว้ จิ ยั มี ความสามารถใชง้ านวัดฝุน่ ละอองในอากาศไดต้ ่อเนอื่ ง รายงานผลไดร้ วดเรว็ กว่าเครอื่ งมอื วัดฝนุ่ ระบบ TEOM และ Beta Ray ซึง่ เรว็ ถงึ ในระดบั 0.1 วนิ าที ทาใหเ้ หน็ พฤตกิ รรมการเปล่ียนแปลงของฝ่นุ ได้อยา่ งทนั ที สามารถเพมิ่ ช่องการวดั ฝนุ่ หลายขนาดในเครื่องเดยี วกัน ในขณะทเ่ี คร่ืองมอื ท่ีมขี ายเชงิ พาณชิ ย์ สามารถวดั ไดเ้ พยี งเคร่อื งละ 1 ชนิดเท่านั้น ดว้ ย จดุ เดน่ ท่ีเป็นเทคโนโลยีทผ่ี ลติ โดยคนไทย ใชว้ ัสดภุ ายในประเทศทาใหม้ ีต้นทนุ ทีถ่ กู กวา่ มาก อีกท้งั ยังสามารถปรับเปล่ียน 1

ฟงั ก์ชันการทางานตามความตอ้ งการของผู้ใช้ได้ ในส่วนของความน่าเชอ่ื ถึอของผลการวดั ของเครื่องมอื น้ี ไดม้ กี ารทดสอบ ในห้องปฏิบตั กิ าร ทดสอบกับอนภุ าคมาตรฐาน และทดสอบวดั ฝุ่นละอองในอากาศภาคสนามเปรยี บเทยี บกบั เครื่องวดั แบบ TEOM, Beta Ray และ Light Scattering ทั้งกบั ฝนุ่ ชนดิ PM10, PM2.5 และ PM1 โดยมีคา่ สมั ประสิทธ์ิ สหสมั พันธ์ (Correlation Coefficient) ในระดบั 0.8 ถึง 0.9 ซงึ่ ถือวา่ มีผลการวดั ใกลเ้ คียงกับเครือ่ งมือมาตรฐานมาก การที่จะทาใหป้ ระเทศไทยไดเ้ ปน็ ผนู้ าในเทคโนโลยดี ้านการตรวจวัดและการเฝ้าระวังภยั ฝนุ่ ละอองในอากาศ ด้วย เครือ่ งวัดฝุ่นทใี่ ช้หลกั การทางไฟฟ้าน้ี มขี อ้ จากัดดา้ นมาตรฐานท่ีจะตอ้ งถกู รับรองโดย US EPA ท้ังนี้ในการยน่ื ขอรบั รอง มาตรฐานดงั กลา่ ว จะเปน็ ตอ้ งมีการทาสอบตามขอ้ กาหนดของ US EPA ตัวอย่างเช่นการทดสอบในสถานีเดยี วกันและ ต่างสถานดี ว้ ยเครอื่ งมือทีจ่ ะขอย่นื ทดสอบไม่น้อยกวา่ ทีก่ าหนดไว้ และมีการเปรยี บเทยี บกบั เครือ่ งมืออา้ งองิ ตามชนดิ และ จานวนที่ US EPA กาหนด ซึง่ การเตรยี มความพรอ้ มในการทดสอบตามข้อกาหนดของ US EAP จาเป็นตอ้ งมกี าร เตรยี มพรอ้ มทงั้ ด้านครุภณั ฑ์ เครอื่ งมอื อุปกรณ์ ใหพ้ รอ้ ม ทาการทดสอบในระยะยาวในชว่ งฤดูกาลเดียวกันซา้ หลายปี และเม่อื ได้ทาการทดสอบเสร็จจนไดก้ ารรบั รองเครื่องมอื จาก US EAP แลว้ เคร่ืองมอื วดั ฝุ่นโดยผลงานคนไทยเครอ่ื งแรก นี้ จะสามารถขยายผลเพมิ่ จานวนสถานีตรวจวดั คุณภาพอากาศภายในประเทศไดท้ นั ทตี ามทกี่ ฎหมายปจั จุบนั กาหนดไว้ ทาให้ทราบข้อมลู แทจ้ ริงของพฤตกิ รรมฝุน่ สามารถนาขอ้ มลู นไ้ี ดวางแผนแกไ้ ขปญั หามลพษิ ทางอากาศไดอ้ ยา่ งถูกต้อง แมน่ ยา มปี ระสิทธภิ าพและย่งั ยืน นอกจากน้ยี งั สามารถขยายผลเชงิ พาณชิ ย์ สปู่ ระเทศเพอื่ นบา้ น หรือประเทศตา่ งๆใน ภูมิภาคนีไ้ ด้ สร้างโอกาสทางธรุ กิจนารายไดเ้ ขา้ ประเทศได้ในอนาคต 1.2 วตั ถุประสงค์ 1.2.1 เพือ่ ทาสอบเคร่ืองมอื วัดฝุ่นหลกั การทางไฟฟ้าตามขอ้ กาหนดของ US EPA 1.2.2 เพอื่ เตรยี มขอ้ มลู ในการย่ืนขอการรบั ของคณุ ภาพเครอ่ื งมอื วดั จาก US EPA 1.3 เปำ้ หมำย 1) เชงิ ปรมิ าณ เครอื่ งมอื และอุปกรณ์พรอ้ มทาการทดสอบและรายงานผลการวดั ฝนุ่ ละอองในบรรยากาศ 2) เชงิ คณุ ภาพ ไดผ้ ลการเปรยี บเทยี บการวดั ฝุ่นละอองในอากาศตามทีอ่ งคก์ ารพิทักษส์ ่งิ แวดลอ้ มแหง่ ประเทศ สหรฐั อเมริกา (US EPA) กาหนด 1.4 ระยะเวลำดำเนินกำร 3 ปี 1.5 ผลงำนวจิ ยั อื่นท่ีเกย่ี วข้อง การสุม่ ตวั อยา่ ง ตรวจวดั และวิเคราะห์ปรมิ าณและความเป็นพิษของฝุ่นละอองลอยขนาดเลก็ PM2.5 เพ่ือ บ่งช้ปี ริมาณและแหล่งที่มาของฝุ่นละอองลอยเหล่านั้น เครื่องวิเคราะห์และเก็บตัวฝุ่นละอองลอยขนาดเล็กกว่า 2.5 ไมโครเมตรในอากาศจงึ มีความจาเปน็ อย่างมากในการทางานดังกลา่ ว จากการจากการสารวจขอ้ มลู จากผ้ทู เ่ี กีย่ วข้อง และเอกสารงานวิจยั ต่างๆ พบวา่ เครื่องวิเคราะห์และเกบ็ ตัวอยา่ งฝนุ่ ละอองลอยขนาดเล็กกวา่ 2.5 ไมโครเมตรท่ีมีใช้ งานในปัจจบุ ันมีหลายวธิ ขี ึน้ อยู่กบั วัตถปุ ระสงค์ของการตรวจวัด ลักษณะทางกายภาพ ขนาด และองค์ประกอบของ ฝุ่นละอองลอย เช่น วธิ กี ารกรอง (Filtration Method) วิธีการใช้แสง (Optical Method) วิธีการใช้รังสีบีตา (Beta Attenuation Method) วิธีการชั่งละเอียดท่ีวัดการส่ันพ้อง (Resonating Microbalance Method) วิธีการทาง ไฟฟ้า (Electrical Method) ซึง่ แต่ละวิธกี ารไดม้ ีการศกึ ษาวจิ ยั และพฒั นาสาหรับเปน็ เคร่ืองมือสาหรับตรวจวัดและ เกบ็ ตัวอย่าง PM อยา่ งตอ่ เน่อื งโดยรายละเอียดของเครื่องมือเหล่านี้มดี งั น้ี 2

AIRmetrics Minivol portable sample (Airmetrics, 2006) เป็นเคร่ืองวิเคราะห์และเก็บตัวอย่าง อากาศท่ีพฒั นาข้นึ โดยบรษิ ัท AIRmetrics ลกั ษณะโครงสร้างของ AIRmetrics Minivol portable sample แสดง ไว้ดังรูปท่ี 1.2 การทางานโดยเริ่มจาก อากาศถูกดูดเข้าทางด้านบนของเครื่องผ่านส่วนชุดคัดแยกฝุ่นละอองลอย ขนาดใหญ่ขาเข้า (impactor) เพ่ือทาหน้าท่ีแยกฝุ่นละอองลอยท่ีมีขนาดใหญ่กว่าที่กาหนด (PM 2.5 หรือ PM 10) ออกจากระบบ จากน้ันอากาศที่มีขนาดอนุภาคตามท่ีต้องการจะเข้าสู่ชุดกรอง (filter) ท่ีมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 47 มิลลิเมตร ท่ีติดต้ังบนตัวยึดแผ่นกรองอากาศ (filter holder) และอากาศที่ถูกดูดเข้ามาในระบบโดยใช้ป๊ัมดูด อากาศ (air pump) สามารถปรับอัตราการไหลอากาศได้ต้ังแต่ 0 ถงึ 5 ลติ รตอ่ นาที ปม๊ั ดูด Air Inlet Impactor PM 2.5 / PM 10 Filter holder Pump filter Cycle time (Hours) Air Motor Timer CPU / Controller Pump Drive Pulse Dampener Flow Meter Pressure Sensor Air Outlet (ก) รปู ถา่ ย AIRmetrics Minivol portable sample (ข) โครงสรา้ งของ AIRmetrics Minivol portable sample รปู ที่ 1.2 ลักษณะโครงสรา้ งของ AIRmetrics Minivol portable sample (Airmetrics, 2006) 3

รูปที่ 1.3 Met One โมเดล GT-521 (BPA Air Quality Solutions LLC, 2006) อากาศถกู ควบคมุ ด้วยส่วนควบคุมท่มี ีนาฬิกาตัง้ เวลา (programmable timer) ระบบควบคุมมีชุดตรวจจับความดัน (pressure sensor) ทาหน้าที่ส่ังตัดการทางานของปั๊มกรณีที่แผ่นกรองฝุ่นอุดตัน โดยระบบจะถูกจ่ายพลังงานด้วย แหล่งจ่ายไฟฟา้ กระแสตรงจากแบตเตอร่ี จากน้ันเม่ือใช้งานเครื่องและเก็บตัวอย่างฝุ่นละอองลอยแล้วสามารถหยุด เครอ่ื ง และนาแผน่ กรองไปวิเคราะห์ในงานท่เี กีย่ วข้องได้ AIRmetrics Minivol portable sample มรี าคาประมาณ 150,000 บาท Met One (BPA Air Quality Solutions LLC, 2006) เป็นอุปกรณ์ท่ีใช้ในการตรวจนับจานวนอนุภาคแบบ แสงเลเซอร์ (laser particle counter) Met One สามารถนับจานวนอนภุ าคไดใ้ นช่วงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.3 ไมโครเมตร ถึง 5 ไมโครเมตร ความเขม้ ขน้ จานวนของอนภุ าคได้ในชว่ ง 0 ถึง 3,000,000 อนุภาคต่อลูกบาศก์ฟุต ท่ี อตั ราการไหล 2.83 ลิตรตอ่ นาที และเวลาในการเก็บตัวอยา่ งสามารถปรบั ไดใ้ นชว่ ง 0 ถงึ 999 วนิ าที สามารถบันทึก ข้อมลู ได้สงู สุดถงึ 4,000 ข้อมลู รูปท่ี 1.3 แสดงรูปถ่ายของเครื่องนับจานวนอนุภาคของ Met One โมเดล GT-521 Met One มีราคาประมาณ 90,000 บาท Electrical Low Pressure Impactor หรือ ELPI (Keskinen, 1992; Dekati Ltd., 2003) เป็นเคร่ือง วเิ คราะห์อนุภาคที่สามารถวัดการแจกแจงขนาดอนุภาคด้วยเวลาจริง (real time) โดยมีลักษณะโครงสร้างและรูป ถ่ายแสดงไว้ในรูปท่ี 1.4 ซ่ึง ELPI จะประกอบด้วย Impactor จานวน 12 ชั้น ที่สอดคล้องกับขนาดอนุภาคท่ี 8.4, 5.3, 3.2, 2.0, 1.3, 0.81, 0.51, 0.33, 0.21, 0.14, 0.081 และ 0.042 µm ตามลาดับ ข้ันตอนแรกในการวิเคราะห์ ฯ อนุภาคที่เข้ามาจะได้รับการอัดประจุไฟฟ้าจากเครื่องอัดประจุแบบโคโรนา อนุภาคท่ีได้รับการประจุแล้วจะ เคลื่อนท่ีเข้าไปในส่วนของ impactor การทางานของส่วนน้ีจะอาศัยความเฉ่ือยในการคัดขนาดของอนุภาค โดยใน แต่ละชน้ั จะให้อนุภาคตวั อย่างท่ีตอ้ งการวัดไหลผา่ นเข้าชอ่ งเร่งขนาดเล็กๆ เพื่อเร่งความเร็วของกระแสการไหลของ อากาศ และวางแผน่ ตกกระทบขวางตรงทางออก ซง่ึ ทาให้อนภุ าคทม่ี ขี นาดใหญก่ ว่าหรือมีความเฉ่ือยมากตกกระทบ กบั ผิวของแผนตกกระทบ เพราะไม่สามารถเคลอ่ื นท่อี อ้ มผ่านแผน่ ตกกระทบได้ ส่วนอนุภาคท่ีมีขนาดเล็กกว่าหรือมี ความเฉื่อยน้อยก็จะสามารถเคลื่อนท่ีอ้อมแผ่นตกกระทบไปได้ ในการวัดการกระจายของขนาดอนุภาคน้ัน จะทา การวัดกระแสไฟฟ้าของอนุภาคที่มีประจุที่ตกกระทบและสะสมตัวอยู่บนแผ่นตกกระทบในแต่ละชั้นด้วยเครื่องวัด กระแสไฟฟ้าระดบั ตา่ โดยในแตล่ ะชั้นจะให้กระแสไฟฟ้าท่ีแตกต่างกัน เมื่อนากระแสไฟฟ้าที่ได้ไปแปลงค่าจะได้ค่า 4

ของจานวนของอนุภาคในชว่ งขนาดนัน้ ๆ สามารถวัดขนาดอนุภาคอยใู่ นช่วงต้ังแต่ 30 nm – 30 µm ที่ความเข้มข้น เชิงจานวนในช่วงโดยประมาณจาก 102 – 107 particles/cm3 โดยใช้เวลาประมาณ 5 s โดยปกติแล้ว ELPI ได้ถูก พัฒนาเป็นอุปกรณส์ าหรับการวดั อนภุ าคจากไอเสยี ในงานอตุ สาหกรรมและปล่องควนั ของโรงไฟฟา้ Aerosol inlet High voltage power supply Corona charger Ion trap voltage power supply Electrometers Cascade impactor ADC Computer and RS-232control serial electronics Vacuum pump External computer (ก) ลกั ษณะโครงสรา้ ง (Dekati Ltd., 2003) (ข) รปู ถา่ ย (Dekati Ltd., 2003) รูปท่ี 1.4 ลักษณะโครงสรา้ งของ ELPI 5

Activated HEPA carbon filter cartridge Aerosol charger High voltage power supply Mixing chamber Aerosol inlet Cyclone Pressure 1 µm cut transducer Ion trap Faraday Trap voltage cage power supply HEPA Orifice Orifice Pump HEPA filter filter Exhaust Electrometer Pressure transducer (ก) ลกั ษณะโครงสรา้ ง (TSI Incorporated, 2006) (ข) รปู ถ่าย (TSI Incorporated, 2006) รปู ที่ 1.5 ลกั ษณะโครงสรา้ งของ EAD Electrical Aerosol Detector หรือ EAD (Johnson et al., 2002; TSI Incorporated, 2006) เป็น เครื่องมือวัดจานวนอนุภาคที่อาศัยการอัดประจุแบบแพร่กระจายและตามด้วยการตรวจจับละอองลอยผ่านวงจรอิ เล็กโทรมเิ ตอร์ท่ีมีความไวสงู ลักษณะโครงสรา้ งของ EAD แสดงไว้ในรูปที่ 1.5 โดยละอองลอยเข้าไปในเคร่ืองมือวัด ด้วยอัตราการไหล 2.5 L/min การไหลจะถูกแยกผ่านไปยังตัวดักกรองและเครื่องสร้างไอออน (ionizer) 1 L/min และละอองลอย 1.5 L/min และการไหลท้ังหมดจะถูกรวมกันใหม่ในห้องผสม (mixing chamber) เมื่ออนุภาคใน การไหลของละอองลอยถกู ผสมกบั ไอออน ทาใหอ้ นุภาคไดร้ ับประจุ (charge state) จากน้ันอนภุ าคที่มีประจจุ ะผ่าน เขา้ ไปยงั ตัวดกั ไอออนเพื่อกาจัดไอออนท่มี คี วามสามารถในการเคลือ่ นตวั เชิงไฟฟ้าสูงออกจากการไหล และเคลื่อนท่ี เขา้ ไปยังฟาราเดยค์ ลบั ทาให้อนภุ าคถกู สะสมตัวบนตวั ดกั กรองทีเ่ ชือ่ มตอ่ เคร่อื งวัดกระแสต่าอเิ ลก็ โทรมิเตอร์เพ่ือการ วดั ประจไุ ฟฟ้า ซึ่งประจไุ ฟฟา้ ทวี่ ดั ไดจ้ ะสัมพนั ธ์กับความเข้มขน้ จานวนของอนภุ าค 6

Charger Ion trap Amplifier voltage voltage Insulator Corona charger Ion filter Aerosol Exhaust inlet Insulator Stage 1 Stage 2 Stage 3 Stage 4 Backup filter (ก) ลกั ษณะโครงสรา้ ง (Fierz et al., 2002) (ข) รูปถา่ ย (Fierz et al., 2008) รูปที่ 1.6 รปู ถา่ ยของ DCE Impactor Vacuum pump Aerosol Flow rate inlet control Diffusion Corona charger Flow rate battery control Particles Faraday cage growth High voltage Electrometer power supply Monitoring system รปู ที่ 1.7 ลักษณะโครงสร้างของ UPMS (Park et al. 2005) 7

Diffusion Charging Electrometer (DCE) (Fierz et al., 2002) เป็นเคร่ืองมือวัดความเข้มข้นจานวน ของอนุภาคอีกแบบหน่ึงแสดงไว้ดังรูปที่ 1.6 ข้อดีของ DCE เป็นอุปกรณ์ท่ีมีหลักการทางานง่ายที่และมีราคาถูก โครงสร้างของ DCE DCE ประกอบด้วยชุดใส่ประจุอนุภาค ตัวกรองไอออน (ion filter) และตัวกรองอนุภาคที่มี ประจุโดย DCE จะทางานโดยอาศัยการใส่ประจุให้กับอนุภาคด้วยวิธีการโคโรนาดิสชาร์จ เมื่ออนุภาคได้รับการใส่ ประจจุ ะถกู ผ่านเข้าไปยังแผ่นกรองเพื่อวัดกระแสไฟฟ้าท่ีถูกสร้างข้ึนจากการสะสมตัวของอนุภาคบนแผ่นกรองโดย วงจรอเิ ลก็ โทรมเิ ตอร์ทีม่ ีความไวสูง ซง่ึ คา่ กระแสไฟฟ้าทวี่ ัดได้จะสอดคล้องกับค่าความเข้มข้นของอนุภาคที่สะสมตัว อย่บู นแผน่ กรอง Ultrafine Particle Measurement System (UPMS) คือระบบการวัดอนุภาคระดับนาโนด้วยการใช้ เทคนิคการควบแน่นร่วมการอัดประจุอนุภาคท่ีพัฒนาข้ึนโดย Park et al. (2005) ลักษณะโครงสร้างและ ส่วนประกอบของ UPMS แสดงไว้ในรูปท่ี 1.7 UPMS ประกอบด้วย 5 ส่วน คือส่วนคัดแยกขนาดอนุภาคทางเข้า ส่วน Particle Growth ส่วนประจุละอองส่วนการสะสมตัวอนุภาคและส่วนการวัดกระแสไฟฟ้า การทางานของ UPMS เริ่มต้นโดยการคัดแยกช่วงขนาดของอนุภาคที่ต้องการวัดก่อน จากนั้นอนุภาคจะถูกนาเข้าไปในส่วน Particles Growth เพื่อควบแน่นอนุภาคให้มีขนาดใหญ่ขึ้นและอนุภาคจะถูกอัดประจุด้วยเคร่ืองอัดประจุอนุภาค แบบโคโรนาดิสชาร์จ อนุภาคที่มีประจุจะเข้าไปในส่วนของลูกถ้วยฟาราเดย์และแอมมิเตอร์เพื่อวัดกระแ สไฟฟ้า ระดบั ตา่ ประมาณ 10 pA ทีเ่ กิดจากการเหนียวนาโดยอนุภาคทีม่ ีประจสุ ะสมตัวบนแผ่นดักกรองในลูกถ้วยฟาราเดย์ และสัญญากระแสไฟฟ้าที่จะถูกเช่ือมต่อไปยังคอมพิวเตอร์สาหรับแสดงผลข้อมูลอนุภาคในเวลาจริง โดยค่า กระแสไฟฟา้ ที่วดั ไดจ้ ะถูกนาไปแปลงผันไปเปน็ ความเขม้ ขน้ เชิงจานวนของอนุภาคดว้ ยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ Aerosol inlet Alpha detector Filter 227AC source Vacuum pump รูปที่ 1.8 ลกั ษณะโครงสร้างของ Epiphaniometer (Gäggeler et al., 1989) Epiphaniometer (Gäggeler et al., 1989) เป็นอุปกรณ์สาหรับวัดความเข้มข้นของอนุภาค รูปท่ี 1.8 แสดงลักษณะโครงสร้างของ Epiphaniometer การทางานของ Epiphaniometer จะขึ้นอยู่กับการวัดอัตราการ เกาะติด (attachment rate) ของอะตอม 211Pb ธรรมชาตบิ นพนื้ ผวิ ของอนภุ าค โดยอะตอมของ 211Pb ถูกสร้างข้ึน ท่ีอัตราคงท่ีโดยการย่อยสลาย (decay) ของ short-lived radon isotope (219Rn) ที่พุ่งออกจาก long-lived artificial actinium source (227Ac) ที่ถูกวางในห้องการเกาะติด (attachment chamber) ของ Epiphaniometer อะตอมของ 211Pb จะเกาะติดกับอนุภาคละอองลอยท่ีถูกผ่านเข้าไป และผ่าเข้าไปยังตัวกรอง โดยอัตราการการเกาะติดจะหาได้โดย  -spectrocopy ผ่านการย่อยสลายของอะตอมของ 211Pb ซ่ึงจะเป็น สดั ส่วนกับจานวนทัง้ หมดของอะตอมท่ีเกาะติดบนพ้ืนผวิ ของอนุภาค 8

Beta Ray Attenuation (รูปที่ 1.9) ใช้ตรวจวัดฝุ่นละออง PM2.5 หรือ PM10 อย่างใดอย่างหน่ึง โดย ตรวจวัดฝุ่นอย่างต่อเน่ือง โดยเม่ือดูดอากาศเข้ามาในระบบ ฝุ่นจะตกลงบนกระดาษกรอง (รูปท่ี 1.10) และจะมี แหลง่ กาเนดิ ของรงั สีเบต้า ซึง่ เปน็ รงั สีพลังงานตา่ ฉายผ่านกระดาษกรอง ซง่ึ จะหาความสัมพนั ธ์ของปริมาณรังสีที่ฉาย และรังสีที่ผ่านกระดาษกรองออกมาเม่ือไม่มีและเมื่อมีฝุ่นละอองเกาะอยู่ และนาไปเทียบหาความเข้มข้นของฝุ่น ละอองทตี่ รวจวัด Tapered Element Oscillating Microbalance (รูปท่ี 1.11) ใช้ตรวจวัดฝุ่นละออง PM 10 โดยใช้ หลักการดูดอากาศผ่านหัวคัดขนาดสาหรับฝุ่นละอองไม่เกิน ๑๐ ไมครอนเพื่อให้ฝุ่นละอองตกสะสมบนแผ่นกรอง (รปู ที่ 1.12) ในขณะสนั่ สะเทือนและแปลงค่าความส่นั สะเทือนทเ่ี กดิ ข้ึนเปน็ คา่ เฉล่ียของฝนุ่ ละอองในบรรยากาศ รูปที่ 1.9 เครื่อง Beta Ray Attenuation (BAM-1020, 2013) 9

รปู ท่ี 1.10 ลักษณะแผน่ กรองของ Beta Ray Attenuation (BAM-1020, 2013) รูปท่ี 1.11 เคร่อื ง TEOM (TEOM, 2013) 10

รปู ท่ี 1.12 ลกั ษณะแผน่ กรองของเครื่อง TEOM BAM-1020 (Steven J P et al, 2007) Dichotomous ใช้ตรวจวัดฝุ่นละออง PM2.5 หรือ PM10 อย่างใดอย่างหนึ่ง โดยใช้หลักการดูดอากาศ ผ่านหัวคัดขนาดสาหรับฝุ่นละออง ขนาดไม่เกิน 10 ไมครอน ให้ตกกระทบกับอุปกรณ์คัดแยกฝุ่นละอองท่ีแน่นอน (Virtual Impactor) เพื่อแยกฝุ่นละอองออกเป็น 2 ขนาด คือ ขนาดไม่เกิน 2.5 ไมครอน และขนาดตั้งแต่ 2.5 ไมครอน แต่ไม่เกิน 10 ไมครอน แล้วนาแผ่นกรอง ทั้งสองแผ่น มาช่ังหาน้าหนักรวมของฝุ่นละอองท้ังหมด รูปที่ 1.13 เครื่อง Dichotomous ของบริษัท Thermo Scientific รุ่น 2025i-D Partisol™, Dichotomous Sequential Air Sampler รปู ท่ี 1.13 เคร่อื ง Dichotomous (2025i-D, 2013) รูปที่ 1.14 แสดงลักษณะโครงสร้างของเครื่องวิเคราะห์ปริมาณความเข้มข้นเชิงจานวนของอนุภาคนาโน (Electrical Particle Detector) หรือ EPD แบบใช้หลักการวัดประจุไฟฟ้าสถิต (พานิช อินต๊ะ, 2553) โครงสร้าง ของ EPD ประกอบด้วย ชุดคดั แยกสิง่ ปนเป้ือนขนาดใหญ่ ชดุ อดั ประจลุ ะอองลอยแบบโคโรนา ชุดดักจับไอออน ลูก ถ้วยฟาราเดย์ ชุดตรวจวัดกระแสระดับตา่ ชุดโปรแกรมบันทึกและประมวลผลข้อมูล และระบบควบคุมการไหลของ ของไหล โดยระบบการไหลของ EPD จะถูกจ่ายและควบคุมโดยตัวควบคุมอัตราการไหลเชิงมวล (Dwyer model RMA-SSV) กับเคร่ืองดูดสุญญากาศ (Busch โมเดล SV 1003) อยู่ในช่วง 0 ถึง 10 L/min การทางานของ EPD นี้ เร่ิมต้นโดยการดูดตัวอย่างละอองลอยที่ต้องการวัดผ่านท่อเก็บตัวอย่าง และผ่านเข้าไปยังชุดคัดแยกสิ่งปนเปื้อน 11

ขนาดใหญ่เพ่ือคัดแยกอนุภาคท่ีมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าช่วงขนาดท่ีต้องการวัดออกด้วยหลักการทาง อากาศพลศาสตร์ และจากนนั้ อนุภาคจะถกู ใส่ประจุไฟฟ้าด้วยวิธีการแพร่กระจายและสนามภายในชุดให้ประจุแบบ โคโรนาเขม็ ปลายแหลมทจ่ี า่ ยไฟฟา้ แรงสงู ขนาด 3.5 kV ด้วยโมดูลแหล่งจ่ายไฟฟ้าแรงสูงของ Bertan โมเดล PMT- 50CP และถูกควบคุมแรงดันเอาต์พตุ โดยโมดูลอนาลอกเอาต์พุตของ ADAM โมเดล 4024 จากนั้นอนุภาคท่ีมีประจุ จะผ่านเขา้ ไปยงั ชุดดักจับไอออนเพอ่ื กาจัดไอออนอิสระท่ีมีความสามารถในการเคลื่อนตัวทางไฟฟ้าสูงเจือปนมากับ อนุภาคทม่ี ปี ระจอุ อกก่อน เพอ่ื ปอ้ งกนั การเจอื ปนสญั ญาณทางไฟฟ้าของอนุภาคขณะทาการวัด ซ่ึงแรงดันไฟฟ้าของ ชุดดกั จบั ไอออนจะถกู จ่ายโดยโมดลู แหลง่ จ่ายไฟฟา้ แรงสงู ของ Bertan โมเดล PMT-05CP ทีค่ วบคมุ แรงดนั เอาตพ์ ตุ โดยโมดลู อนาลอกเอาต์พุตของ ADAM โมเดล 4024 เม่ืออนุภาคทมี่ ปี ระจอุ อกจากชดุ ดกั จับไอออนแล้วก็จะผ่านเข้า ไปยังลูกถ้วยฟาราเดย์ อนุภาคทม่ี ปี ระจุทั้งหมดจะตกสะสมตัวบนแผน่ ดกั กรอง DC high voltage power supply (Bertan model PMT-50CP) Size selective Corona External Computer, inlet charger Data Logging Aerosol Trap voltage power supply ADAM 4024 inlet (Bertan model PMT-05CP) Analog output module Ion trap Faraday RS-485 to USB cup converter HEPA filter Electrometer circuit Excess ADAM 4017 air Analog input module Mass flow controller (Dwyer model GFC-1111) รูปท่ี 1.14 ลักษณะโครงสรา้ งของเครอ่ื งวิเคราะหป์ รมิ าณความเขม้ ขน้ เชิงจานวนของอนภุ าคนาโนแบบใช้หลกั การ วัดประจไุ ฟฟา้ สถติ (ทีม่ า: พานชิ อนิ ตะ๊ , 2553) ประสิทธิภาพสูงแบบ HEPA ของ Whatman โมเดล EPM 2000 บรรจอุ ยภู่ ายในตวั จบั ยึดแผน่ กรองในลูกถ้วยฟารา เดย์ และเชื่อมต่อเข้ากับชุดวัดกระแสไฟฟ้าระดับต่าหรือวงจรอิเล็กโทรมิเตอร์เพ่ือวัดกระแสไฟฟ้าของอนุภาคท่ีตก สะสมตัวบนแผ่นกรอง ซึ่งกระแสไฟฟ้าของอนุภาคที่มีประจุที่วัดได้จะสัมพันธ์กับค่าความเข้มข้นเชิงจานวนของ อนภุ าคทผ่ี ่านเข้าไปยังฟาราเดย์คลับ โดยสญั ญาณกระแสไฟฟา้ ทีไ่ ดจ้ ะถกู แปลงผันไปเปน็ แรงดันไฟฟ้าในชว่ ง 0 ถงึ 5 V เพ่ือส่งไปยังตัวแปลงผันสัญญาณอนาลอกไปเป็นสัญญาณดิจิตอล ในการศึกษาน้ีจะใช้โมดูลอนาลอกอินพุตของ ADAM โมเดล 4017 เพอื่ นาสญั ญาณดิจติ อลท่ีได้ไปประมวลผลข้อมลู ดว้ ยโปรแกรมคอมพวิ เตอร์ การแสดงผลขอ้ มลู ของ EPD จะแสดงออกมาในรปู แบบของกราฟและตารางข้อมูลที่แสดงถึงค่าความเข้มข้นเชิงจานวนของอนุภาคที่มี การเปลยี่ นแปลงตามเวลา สาหรบั การเช่ือมตอ่ ระหว่างโมดลู อนาลอกอนิ พุตและเอาต์พุตและคอมพิวเตอร์จะใช้การ ติดต่อโดยมาตรฐาน RS-485 ผา่ นตัวแปลงผนั RS-485 ไปเป็น USB เวลาท่ใี ช้ในการเกบ็ ขอ้ มูลแต่ละครั้ง (sampling time) ประมาณ 100 มิลลิวินาที ถึง 1 วินาที รูปที่ 1.15 แสดงตัวอย่างการวัดค่าความเข้มข้นเชิงจานวนและ สัญญาณกระแสไฟฟ้าของอนุภาคของ EPD ท่ีมีการเปลี่ยนแปลงตามเวลาในช่วง 0 ถึง 100 s จากรูปพบว่าค่า กระแสไฟฟ้าเฉล่ียท่ีวัดได้จาก EPD เท่ากับ 150 pA และมีค่าสูงสุดและค่าต่าสุดที่ 176 และ 124 pA ตามลาดับ และมคี า่ ความเข้มขน้ เชิงจานวนของอนุภาคทีไ่ ด้มีคา่ เฉลยี่ ประมาณ 9.5  1011 particles/m3 12

1.50x1012 particle number concentration, particles/m31.25x1012200 particle current, pA 1.00x1012 150 7.50x1011 100 5.00x1011 50 2.50x1011 0.00 20 40 60 0 0 80 100 time, s รูปที่ 1.15 การวัดคา่ ความเข้มข้นเชิงจานวนและสัญญาณกระแสไฟฟ้าของอนุภาคตัวอย่างของ EPD ที่มกี ารเปลย่ี นแปลงตามเวลา รูปท่ี 1.16 แสดงเครื่องสาหรับตรวจจับและการเก็บตัวอย่างฝุ่นละอองขนาดเล็กกว่า 2.5 และ 10 µm หรอื DustDETEC (พานิช อินตะ๊ และอาทติ ย์ ยาวฑุ ฒ,ิ 2555) เครอื่ งนจี้ ะใช้หลักการวัดกระแสไฟฟ้าสถิตของอนุภาค ผ่านตวั กรองฝุ่นละอองประสิทธิภาพสูง HEPA ที่ประกอบด้วย ตัวคัดแยกสิ่งปนเปื้อนขนาดใหญ่ขาเข้า ตัวอัดประจุ ไฟฟา้ อนภุ าค ตัวกรองฝุ่นละอองประสิทธภิ าพสูง ตัวตรวจวัดอัตราการไหลของอากาศ ตัวควบคุมอัตราการไหล ตัว กาเนดิ ความดันสุญญากาศ ตัวจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง ตัวแปลงไฟฟ้า ตัวขยายสัญญาณกระแสไฟฟ้าระดับต่า ตัวแปลงผันสัญญาณอนาลอกเป็นดิจิตอล ตัวประมวลผลข้อมูล และตัวควบคุม การทางานของเคร่ืองเริ่มจาก อากาศตวั อยา่ งถูกดูดดว้ ยระบบการไหลทป่ี ระกอบดว้ ยตวั ตรวจวัดอัตราการไหลของอากาศ ตวั ควบคุมอัตราการไหล และตวั กาเนิดความดนั สุญญากาศ ผ่านสว่ นตวั คัดแยกสิ่งปนเปื้อนขนาดใหญ่ขาเข้า เพื่อทาหน้าท่ีแยกฝุ่นละอองที่มี ขนาดใหญ่กว่า 2.5 และ 10 µm ออกด้วยหลักการอากาศพลศาสตร์ จากนั้นอากาศท่ีมีขนาดอนุภาคขนาดตามท่ี ตอ้ งการจะเขา้ ส่ตู ัวอัดประจไุ ฟฟ้าอนุภาคแบบเส้นลวดโคโรนา โดยใชแ้ หลง่ จ่ายไฟฟ้าแรงสูงและตวั แปลงไฟฟ้าขนาด 3 kV ในการสรา้ งสนามโคโรนาดสิ ชาร์จเพ่ือสร้างไอออนบวกสาหรับอัดประจไุ ฟฟา้ ให้กับฝุ่นละอองด้วยการอัดประจุ แบบสนามและแพร่กระจาย หลังจากตัวอัดประจุไฟฟ้าอนุภาค ฝุ่นละอองที่มีประจุไฟฟ้า จะผ่านมายังตัวดักจับ ไอออน เพอ่ื กาจัดไอออนทม่ี ีความสามารถในการเคลอื่ นตัวเชิงไฟฟ้าสงู ออกจากการไหล และจะเคลื่อนท่ีเข้าไปยังตัว กรองฝุ่นละอองประสทิ ธภิ าพสงู ที่มีขนาดเส้นผ่านศนู ย์กลาง 47 mm ในลกู 13

PM impactor Ion driving voltage Spellman MM0.5P1.2/12 Particle charger Spellman MM10P1.5/12 Corona-wire voltage Air outlet Vacuum pump Internal Control electronics Flow meter Output signal computer and controller A/D Faraday cup electrometer LCD display (ก) ลักษณะโครงสรา้ ง (ข) รูปถา่ ย รูปที่ 1.16 ตน้ แบบเคร่อื งสาหรบั ตรวจจบั และการเก็บตัวอย่างฝุ่นละอองขนาดเล็กกว่า 2.5 และ 10 µm (พานิช อินตะ๊ และอาทติ ย์ ยาวฑุ ฒิ, 2555) 14

particle number concentration, particles/m3 2.5x109 Airborne Particle Counter 2.0x109 DustDETEC 1.5x109 1.0x109 5.0x108 0.0 19:26:26 19:40:09 19:53:36 20:07:04 time รูปท่ี 1.17 ผลการทดสอบภาคสนามเปรยี บเทียบ DustDETEC กบั เครอ่ื งมือมาตรฐาน ถ้วยฟาราเดย์ ทาให้อนุภาคถกู สะสมตวั และถ่ายประจุไฟฟ้าให้กับตัวกรองฝุ่นละอองท่ีเช่ือมต่อกับตัวขยายสัญญาณ กระแสไฟฟ้าระดับต่าเพ่ือขยายสัญญาณประจุไฟฟ้า ซึ่งจะสัมพันธ์กับความเข้มข้นจานวนและมวลของฝุ่นละออง โดยสัญญาณไฟฟ้าที่ได้จากประจุไฟฟ้าถูกส่งไปยังตัวแปลงผันสัญญาณอนาลอกเป็นดิจิตอล และตัวประมวลผล ข้อมลู เพอื่ แสดงคา่ การวดั ฝุน่ ละอองในหนว่ ยปริมาณอนุภาคต่อลกู บาศก์เมตรและบันทึกขอ้ มลู ลงหน่วยความจา โดย ข้อมูลจากหน่วยความจาของเคร่ืองสามารถส่งไปยังคอมพิวเตอร์ภายนอกผ่านพอร์ตอนุกรมภายใต้มาตรฐาน RS- 232 และนอกจากนี้ยังสามารถถอดตัวกรอง เพ่ือนาตวั อยา่ งฝุ่นละอองที่เก็บได้ไปใช้ในการวิเคราะห์คุณลักษณะทาง เคมีและกายภาพต่อไป โดยอัตราการไหลฝุ่นละอองสามารถปรับได้ต้ังแต่ 1 – 5 L/min ตัวกาเนิดความดัน สุญญากาศ ถูกควบคุมด้วยตัวควบคุม ที่มีชุดต้ังเวลา โดยเครื่องประดิษฐ์จะถูกจ่ายพลังงานด้วยแหล่งจ่ายไฟฟ้า กระแสตรงจากแบตเตอรี่ สามารถใช้เป็นแหล่งพลังงานสารองหรือแหล่งพลังงานหลักให้เคร่ืองมือ กรณีที่ตรวจวัด คุณภาพอากาศในบริเวณที่ห่างไกลจากแหล่งพลังงานไฟฟ้าได้ รูปที่ 1.17 แสดงผลการทดสอบภาคสนาม เปรียบเทียบ DustDETEC กับเครื่องมอื มาตรฐานบรเิ วณทม่ี ีการจราจรหนาแน่น โดยไดท้ าการเปรยี บเทยี บกับเคร่อื ง เครือ่ งนบั จานวนอนุภาคแบบเลเซอร์ ParticleScan โดยค่าความเข้มข้นจานวนของอนุภาคท่ีวดั ไดจ้ าก DustDETEC กับ ParticleScan มีค่าใกล้เคียงกันและมีแนวโน้นการเปลี่ยนแปลงของข้อมูลท่ีไปในทิศทางเดียวกัน โดยค่าความ แตกต่างระหวา่ งขอ้ มูลท่ีวดั ไดจ้ ากเครอื่ งมอื วดั ทง้ั สองประมาณ 5 % สิทธิบัตร US 3,953,792 ได้มีการประดิษฐ์เคร่ืองตรวจนับจานวนละอองลอยและฝุ่นละอองที่สอดคล้อง กับขนาดและมวลหรือพลังงาน ประกอบด้วย ตัวเร่งการไหล (Accelerator) ตัวตรวจจับแบบตัวเก็บประจุ (Capacitor Sensor) และตัวอา่ นข้อมลู (Readout) โดยตวั เรง่ การไหลจะทาหนา้ ที่เร่งการไหลของละอองลอยไปยัง ตวั ตรวจจับเพ่อื ถา่ ยเทประจุ (Discharge) และตวั อ่านข้อมูลจะทาหนา้ ทน่ี ับจานวนละอองลอยด้วยการวัดขนาดของ การถ่ายเทประจไุ ฟฟ้า ทต่ี ัวตรวจจับแบบตัวเกบ็ ประจทุ ามาจากตัวเกบ็ ประจแุ บบ Metal-Oxide-Silicon สิทธิบัตร US 4,550,591 ได้มีการประดิษฐ์เคร่ืองสาหรับแสดงผลการวัดฝุ่นละอองด้วยตัวกรอง (Filter) ผ่านของไหลทถ่ี ูกจัดวางด้วยการไหล การตรวจจับความดันตลอดตัวกรองจะสร้างสัญญาณของขนาดความแตกต่าง ของแรงดัน การประมวลผลจะรับสัญญาณของความดันและประเมินอัตราการการเปล่ียนแปลงของขนาดความ แตกต่างความดนั เพอื่ ให้ไดร้ ะดับฝุน่ ละอองในของไหล 15

สทิ ธบิ ตั ร US 4,827,760 ไดม้ ีการประดิษฐเ์ ครือ่ งสาหรับการวัดมวลของฝุ่นละออง ประกอบด้วยตัวกรอง ฝุ่นละอองสาหรับอุณหภูมิต่าถูกใช้ที่อุณหภูมิต่ากว่าจุดเดือดของฝุ่นละอองที่เป็นของเหลวในแก๊ส และตัวกรองฝุ่น ละอองสาหรบั อณุ หภมู ิสูงถูกใช้ท่ีอุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือนของฝุ่นละอองที่เป็นของเหลวแต่ต้องต่ากว่าจุดเผาไหม้ฝุ่น ละอองทเี่ ป็นของแขง็ มวลของฝุ่นละอองท้ังหมดจะสะสมตวั อยบู่ นตัวกรองทงั้ สอง และถูกคานวณจากความถี่ในการ แกวง่ (Oscillation Frequency) ของท้ังสองตัวกรอง สิทธิบัตร US 5,571,945 ได้มีการประดิษฐ์วิธีการและเครื่องเพื่อวัดฝุ่นละอองในแก๊สที่ประกอบด้วย แหล่งกาเนิดแก๊ส ตวั ตกตะกอนฝ่นุ ละอองที่ใต้แหล่งกาเนิดแก๊ส โดยแก๊สจากแหล่งกาเนิดจะผ่านตัวกรองเพ่ือกาจัด ฝุ่นละอองออกจากแกส๊ จากน้ันตัวตรวจจับความดันจะทาการตรวจจบั ความแตกตา่ งความดนั ของตวั กรองเพ่ือแสดง ถงึ ปริมาณมวลของฝ่นุ ละออง สทิ ธิบตั ร US 5,932,795 ได้มกี ารประดิษฐว์ ิธีการและเคร่ืองสาหรับการแสดงผลการวัดอย่างต่อเนื่องของ มวลฝ่นุ ละอองในอากาศขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า 10 ไมโครเมตร เพ่ือหาการแจกแจงขนาดของอนุภาคฝุ่น ละออง และเพื่อหาความหนาแน่นของฝุ่นละออง ท่ีประกอบด้วย ตัวคัดแยกขนาดอนุภาคแบบหลักการความเฉ่ือย ตัวดักความชื้อแบบแพร่กระจาย ตัวกรองประสิทธิภาพสูงแบบ HEPA ตัวตกตะกอนฝุ่นละอองและทรานสดิวเซอร์ ความดัน สิทธิบัตร US 6,674,528 B2 ได้มีการประดิษฐ์วิธีการและเครื่องสาหรับการวัดฝุ่นละอองลอยใน บรรยากาศทถ่ี ูกดดู ดว้ ยปม๊ั สญุ ญากาศ ซึ่งฝุน่ ละอองทล่ี อยอย่ใู นบรรยากาศจะประกอบด้วยประจุไฟฟา้ เหมาะสาหรับ การตกตะกอนเชิงไฟฟ้าสถิต ฝุ่นละอองที่ตกตะกอนจะถูกฉายแสงด้วยปืนยิงแสงเลเซอร์ภายใต้สภาวะท่ีฝุ่นละออง ถกู จา่ ยด้วยความเข้มข้นที่เหมาะสม ดังน้ันการกระจายของความเข้มแสงของแสงที่กระเจิงที่ได้รับโดยการฉายแสง ดว้ ยปืนยิงเลเซอร์ไปยังฝุ่นละอองจะถกู วัด สิทธิบัตร US 7,111,496 B1 ไดม้ กี ารประดิษฐ์วธิ กี ารและเครอ่ื งสาหรบั การวดั ความเขม้ ขน้ เชงิ มวลของฝุ่น ละออง ประกอบดว้ ยเซ็นเซอรม์ วล 2 ตัว ไดแ้ ก่ เซ็นเซอรเ์ ชงิ แสง (Optical Sensor) และเซ็นเซอร์ลดทอนรังสีเบต้า (Beta Radiation Attenuation Sensor) สาหรับการวัดฝุ่นละอองได้อย่างต่อเนื่อง เซ็นเซอร์มวลตัวแรกจะอ้างอิง การวัดเฉลี่ยด้วยเวลาของเซ็นเซอร์มวลตัวที่สอง โดยเซ็นเซอร์ตัวที่สองจะสอบเทียบการตอบสนองของเซ็นเซอร์ตัว แรกระหว่างการทางาน ถา้ เซน็ เซอร์ตวั แรกเป็นเซ็นเซอร์เชิงแสงการตรวจจับจะแสดงฝนุ่ ละอองในของไหล สัญญาณ เอาต์พุตของเซ็นเซอร์เชิงแสงจะให้การวัดความเข้มข้นเชิงมวลด้วยอัตราส่วนของการวัดความเข้มข้นของเซ็นเซอร์ มวลตวั ทส่ี องและตวั แรก ซงึ่ วิธีนใี้ หค้ วามละเอียดของเวลาในการวดั คอ่ นข้างสูง เคร่ืองวิเคราะห์ปริมาณอนุภาคด้วยวิธีการเชิงไฟฟ้าสถิตเป็นเคร่ืองมือวิเคราะห์ปริมาณอนุภาคที่อาศัย หลกั การพ้นื ฐานของคณุ สมบตั ิทางไฟฟ้าสถิตของอนภุ าคเหมาะสาหรบั วิเคราะห์ปริมาณความเข้มข้นของอนุภาคท่ีมี ชว่ งขนาดอนุภาคเล็กกว่า 1 µm โดยเครื่องวิเคราะห์ฯดังกล่าวได้มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องและยาวนาน อย่างไรก็ ตาม ยังมีหลายประเด็นทนี่ า่ สนใจและจะต้องมกี ารพฒั นาตอ่ ในอนาคตเพ่ือความถูกต้องและเพ่ิมขีดความสามารถใน การทางานของเคร่ืองวิเคราะห์อนุภาคฯให้ดียิ่งข้ึน อาทิเช่น การอัดประจุของตัวอัดประจุไฟฟ้าอนุภาคควรมีการ ทดสอบกับอนุภาคหลายๆ ชนิดท่ีครอบคลุมช่วงขนาดทาให้เข้าใจถึงประสิทธิภาพของการอัดประจุ การศึกษาผล ของคา่ คงทขี่ องความเปน็ ฉนวนของอนุภาคต่อประสทิ ธิภาพของการอัดประจุไฟฟ้าของอนภุ าค และการพฒั นาระบบ การตดิ ต่อสือ่ สารแบบไร้สาย ระบบฐานข้อมูลและระบบเครอื ขา่ ย และระบบการแจ้งเตือนต่างๆ ร่วมไปถึงสมองกล ฝ่ังตัวและซอฟต์แวร์สาหรบั บันทกึ และประมวลผลข้อมลู เปน็ สงิ่ ที่จาเป็นสาหรับการพัฒนาระบบการวัดฝุ่นละอองใน อากาศซึ่งจะทาให้ทราบขอ้ มูลผลการตรวจวดั ไดท้ ันที 16

บทท่ี 2 หลกั การและทฤษฎี 2.1 คุณภาพอากาศ คุณภาพอากาศ (air quality) เป็นเรื่องที่หลายประเทศท่ัวโลกกาลังให้ความสนใจและให้ ความสาคัญ เนื่องจากส่งผลต่อคุณภาพชีวิตของประชากรและต่อประสิทธิภาพการทางานของ คนทางาน เป็นที่ยอมรับว่าคุณภาพอากาศจะดีต่อสุขภาพหรือไม่น้ันจะขึ้นอยู่กับระดับหรือ ปริมาณ มลพิษท่ีปนเป้ือนในอากาศ สารมลพิษที่สาคัญคือสารอนุภาค (particulate matter) ท่ีมีขนาดเส้น ผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 2.5 µm หรือที่เรียกว่า PM 2.5 สารอนุภาคขนาดเล็กคือการรวมกันของ โมเลกุล (molecular) หรือกลุ่มโมเลกุลของสสารหรือสารประกอบต่างๆ ที่ลอยอยู่ปนกับฝุ่นละออง ลอยในอากาศที่เราหายใจเข้าไป ซ่ึงมีความหลากหลายทั้งทางด้านกายภาพ (physical) และ องค์ประกอบทางเคมี (chemical composition) มีท้ังสภาพท่ีเป็นของแข็ง (solid) หรือของเหลว (liquid) สามารถแขวนลอยได้เป็นเวลานาน กลุ่มโมเลกุลในอากาศมีแหล่งกาเนิดต่างๆ กัน เช่น เขม่า จากเคร่ืองยนต์ดีเซล การเผาป่า ฝุ่นจากการขนส่ง ฝุ่นจากการเกษตรกรรมหรือการก่อสร้าง หรือ กระบวนผลิตการอุตสาหกรรม นอกจากน้ียังเกิดจากปฏิกิริยาทางเคมีและแสงของแก๊สพิษ เช่น ซัลเฟอร์ไดออกไซด์หรือไนโตรเจนออกไซด์ในอากาศ ซ่ึงเป็นผลพวงจากการเผาไหม้ของน้ามัน เช้อื เพลงิ ในเครอ่ื งยนต์ ดังนั้น นานาประเทศจึงได้มีการกาหนดมาตรฐานฝุ่นละอองในบรรยากาศข้ึน สาหรับใน ประเทศสหรัฐอเมริกา โดยสานักงานป้องกันสิ่งแวดล้อมของอเมริกา หรือ USEPA (United State Environmental Protection Agency) ได้กาหนดค่ามาตรฐานของอนุภาคแขวนลอยรวม TSP (Total Suspended Particulate) และอนุภาคแขวนลอยที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า 10 µm หรือ PM 10 แต่เนื่องจากมีการศึกษาวิจัยอนุภาคแขวนลอยขนาดเล็กน้ันจะเป็นอันตรายต่อ สุขภาพมากกว่าอนุภาคแขวนลอยรวม เนอื่ งจากสามารถผ่านเข้าไประบบทางเดินหายใจส่วนในและมี ผลต่อสุขภาพมากกวา่ อนภุ าคแขวนลอยรวม USEPA จึงไดม้ ีการยกเลิกค่ามาตรฐานอนุภาคแขวนลอย รวม TSP และกาหนดค่ามาตรฐานอนุภาคแขวนลอยขนาดเล็กเป็น 2 ชนิด คือ PM 10 และ PM 2.5 โดย PM 10 หมายถึง อนุภาคหยาบ (coarse particle) เป็นอนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.5–10 µm อาจเกิดจากแหล่งกาเนิดการจราจรบนถนนท่ีไม้ได้ลาดยางตามการขนส่งวัสดุ ฝุ่นจากกิจกรรม บด ย่อยหิน ส่วน PM 2.5 หมายถึงอนุภาคละเอียด (fine particles) เป็นอนุภาคที่มีเส้นผ่าน ศูนย์กลางเล็กกว่า 2.5 µm มีขนาดเท่าเชื้อโรคไปจนถึงระดับโมเลกุล อนุภาคละเอียดอาจเกิดจาก แหล่งกาเนิดควันเสียของรถยนต์ โรงไฟฟ้า โรงงานอุตสาหกรรม ควันท่ีเกิดจากการหุงต้มอาหารโดย ใช้ฟืน นอกจากน้ีแก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (sulfur dioxide) หรือ SO2, ก๊าชออกไซค์ของไนโตรเจน หรือ NOx และสารอินทรีย์เคมีระเหย (volatile organic chemicals) หรือ VOC จะทาปฏิกิริยากับ สารอื่นในอากาศทาให้เกิดอนุภาคละเอียดได้ อนุภาคละเอียดจะตกสะสมได้ช้ากว่าอนุภาคหยาบ ย่ิง ขนาดเล็กมากๆ จะคงลอยอยู่ในอากาศได้นาน ตารางท่ี 2.1 แสดงมาตรฐานคุณภาพของอากาศ (National Ambient Air Quality Standards, NAAQS) ทยี่ อมรับได้ ซ่งึ มวลของอนุภาคเฉลยี่ 24 17

ตารางที่ 2.1 มาตรฐานคณุ ภาพของอากาศ (ทม่ี า : USEPA, 2009) ค่ามาตรฐาน PM2.5 PM10 นอ้ ยกวา่ 35 µg/m3 น้อยกวา่ 150 µg/m3 ค่าเฉล่ีย 24 ชวั่ โมง น้อยกวา่ 15 µg/m3 น้อยกวา่ 50 µg/m3 คา่ เฉลย่ี รายปี ช่ัวโมงจะต้องน้อยกว่า 35 และ 150 µg/m3 และรายปีจะต้องน้อยกว่า 15 และ 50 µg/m3 สาหรับ ขนาดอนุภาคเล็กกวา่ 2.5 และ 10 µm ตามลาดับ ฝุ่นละอองลอยขนาดเล็กกว่า 2.5 µm จะเป็นตัวก่อปัญหาแก่สุขภาพและคุณภาพชีวิตของ ประชากร เน่ืองจากสามารถผ่านระบบทางเดินหายใจเข้าไปได้ลกึ ลงไปถึงจนถึงระดับถุงลมปอด ซึ่งจะ สามารถสะสมได้ตลอดไปไมส่ ามารถขบั ออกจากรา่ งกายโดยการหายใจปกติ อนุภาคหยาบท่ีมีเส้นผ่าน ศูนย์กลางประมาณ 10 µm จะเข้าไปอยู่ในทางเดินหายใจบริเวณกล่องเสียง ในขณะที่อนุภาค ละเอียดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 2.5 µm สามารถผ่านเข้าไปถึงบริเวณถุงลมปอดไปจนถึง ระดบั เซลล์ในร่างกายได้ดงั แสดงไว้ในรูปท่ี 2.1 สารเคมหี รอื แก๊สบางชนิดท่ีผา่ นเขา้ มาในระบบทางเดิน หายใจรว่ มกับอนุภาคเหลา่ น้ี จะถกู ละลายรวมกับเนอ้ื เย่ือเมือกของเน้ือเย่ือบริเวณน้ันๆ หรือเยื่อเมือก ของถุงลมปอดแล้วไหลผ่านเข้าไปสู่ระบบไหลเวียนโลหิต ทาให้เกิดการเสียหายต่อเน้ือเยื่อบริเวณ ต่างๆ ของร่างกาย อนุภาคบางตัวอาจมีสารเคมีที่เป็นสารก่อมะเร็ง (carcinogen) หรือสารก่อกลาย พันธุ์ (mutagen) รวมอยู่ด้วย เช่น อนุภาคที่เกิดจากการเผาไหม้อย่างไม่สมบูรณ์ของเคร่ืองยนต์ ดเี ซลและปิโตรเลียม ซึง่ ผลกระทบต่อสุขภาพของมลพิษทางอากาศจาก PM 10 และ PM 2.5 มาจาก องค์ประกอบทางเคมีต่างชนิดปนเป้ือนอยู่ สารเคมีบางตัวมีคุณสมบัติออกซิแดนต์จึงทาให้เกิดผล กระทบต่อสุขภาพ เช่น สารโลหะที่มีคาร์บอน กรดเกลือ สารมลพิษอินทรีย์ รวมไปถึงสารมลพิษ ชีวภาพท่ีอาจจะเป็นเช้ือรา ไวรัส หรือแบคทีเรีย โดยการหายใจเอา PM 10 และ PM 2.5 เข้าไปจะ กระตุ้นให้มีการเปล่ียนแปลงระบบภูมิต้านทานของระบบหายใจ ทาให้เกิดการอักเสบหรือโรคภูมิแพ้ เช่น ไอ เจ็บคอ การหายใจผิดปกติ ตลอดจนทาให้โรคหวั ใจกาเรบิ ได้ ส่งผลให้การตายจากโรคทางเดิน หายใจมอี ตั ราเพิ่มสูงข้นึ (อษุ ณีย์ วนิ ิจเขตคานวณ และคณะ 2550) ซ่ึงการศึกษาวิจัยถึงการตอบสนองของเซลล์เย่ือบุผิวของทางเดินหายใจจากการกระตุ้นด้วย สารก่อภูมิแพ้โดย อุษณีย์ วินิจเขตคานวณ และคณะ (2550) พบว่าการค่ังค้างของอนุภาคละเอียด (PM 2.5) ในถุงลมปอดจะก่อให้เกิดอันตรายต่อเม็ดเลือดขาว เพราะเม็ดเลือดขาวจะกินอนุภาค ละเอียดเข้าไปเพ่ือจะทาลายโดยกลไกทางชีวเคมี สามารถทาให้เกิดการอักเสบของถุงลมปอด เม็ด เลือดขาวจะถูกกระตุ้นและจะหลั่งสารเร่งกระบวนการอักเสบออกมาสู่กระแสเลือดไปท่ีตับ ไขกระดูก และเกิดการกระตุ้นและส่งเสริมการตกตะกอนของเลือดท่ีเป็นสาเหตุของอุบัติการณ์ของโรคหัวใจ ล้มเหลว ซ่ึงจากผลการวิจัยจากต่างประเทศรายงานถึงกลไกการกระตุ้นการหล่ังสารกระตุ้นการ อักเสบ โดยอนภุ าคละเอียดจะสามารถเร่งใหเ้ กิดการสร้างอนุมูลอิสระและทาให้เกิดภาวะความเครียด ออกซเิ ดชัน ทาให้เกดิ การทาลายเม็ดเลือดขาวในปอด สง่ ผลใหเ้ กิดความเสียหายอย่างฉับพลันต่อปอด ทาให้ปอดอักเสบ ท้ังน้ีในบุคคลท่ีมีสุขภาพแข็งแรงและปกติ กลไกการป้องกันในร่างกายจะช่วย ป้องกันความเสียหายได้ แต่บุคคลที่มีปัญหาทางเดินหายใจ เช่น ผู้ที่เป็นโรคหอบหืด ผู้ท่ีเป็นโรค ภูมิแพเ้ รอ้ื รังหรอื มีการอักเสบทาง เดนิ หายใจ หรอื ผทู้ ่หี ายใจเอาสารมลพิษในอากาศ เชน่ ควนั บหุ ร่ี 18

7 – 11 µm 4.47 – 7 µm Pharynx 3.5 – 4.7 µm Trachea and Primary Bronchi 2.1 – 3.3 µm Secondary Bronchi 1.1 – 2.3 µm Terminal Bronchi 0.65 – 1.1 µm Alveoli 0.43 – 0.65 µm Alveoli รปู ท่ี 2.1 การสะสมตัวของอนุภาคในระบบทางเดินหายใจ (ทีม่ า : ปรบั ปรุงจาก http://www.acrd.bc.ca/cms.asp?wpID=314) หรือสูดโอโซน ความสามารถในการปอ้ งกันตนเองอาจจะไม่มีประสทิ ธภิ าพ ซ่งึ ทาให้เส่ียงต่อการท่ีปอด จะเสียหายและเป็นอันตรายจากสารมลพษิ อากาศได้ ข้อมูลระดับมลพิษจากแหล่งกาเนิดต่างๆ มีความสาคัญในการรวบรวมและนาไปจัดทาบัญชี การปล่อยมลพิษของเขตพ้ืนที่ศึกษา เพื่อใช้ในการควบคุมมลพิษทางอากาศต่อไป โดยทั่วไป แหล่งกาเนิดของมลพิษทางอากาศจาแนกตามลกั ษณะท่มี าได้ 2 แหลง่ คือ - แหล่งกาเนิดตามธรรมชาติ เช่น ภูเขาไฟระเบิด ทาให้เกิดฝุ่นละอองลอยแก๊สซัลเฟอร์ได ออกไซด์ ไฟไหม้ป่าทาให้เกิดควัน ฝุ่นละอองลอย สารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่เกิดจากพืช เช่น การ เน่าเปื่อยเป็นแก๊สมีเทน (CH4) ละอองเกสรดอกไม้ สารกัมมันตรังสีที่มีอยู่ตามธรรมชาติ อนุภาคสาร ต่างๆ จากดินที่ถูกพัดพาขึ้นไปแขวนลอยในอากาศ ไอระเหยจากทะเล ฝุ่นละอองจากลมพายุ แก๊ส ธรรมชาติ และแผ่นดนิ ไหว - แหล่งกาเนิดท่ีเกิดจากกิจกรรมของมนุษย์ เช่น แหล่งกาเนิดจากปล่องควัน (stationary source) ตัวอย่างเช่น มลพิษเกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงจากบ้านเรือน โรงงานอุตสาหกรรม โรงไฟฟ้า การก่อสร้าง โรงงานปูนซีเมนต์ เตาเผาขยะ แหล่งกาเนิดท่ีอยู่ในพื้นท่ี (area source) ตวั อย่างเช่น สถานบี ริการน้ามัน เขตท้ิงขยะ การเผาขยะและเศษวัสดุในพ้ืนท่ีทั่วไป และแหล่งกาเนิด ที่เคลื่อนท่ีได้ (mobile source) ตัวอย่างเช่น ยานพาหนะท่ีใช้ในการคมนาคมทางบก ทางน้า ทาง อากาศ ส่วนใหญ่มีการเผาไหม้ของเช้ือเพลิงเพ่ือใช้ในการขับเคลื่อนของเครื่องยนต์ เช่น รถยนต์ เรือ เคร่อื งบิน 2.2 คณุ สมบตั ขิ องฝนุ่ ละอองลอยในอากาศ ฝุ่นละอองลอยในอากาศหรือละอองลอย (aerosol) ได้ถูกนิยามไว้คืออนุภาค (particle) ที่ เป็นของแข็ง (solid) หรือของเหลว (liquid) หรือเป็นส่วนประกอบ (combination) ของทั้งสอง 19

สถานะท่ีแขวนลอยในแก๊สหรืออากาศโดยมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ในช่วงระหว่าง 1 nm และ 100 µm (Hinds, 1999) รูปที่ 2.2 แสดงภาพถ่ายสัณฐานของสารอนุภาคโดยทั่วไป ซึ่งขนาดอนุภาค (particle size) เป็นตัวแปรสาคัญที่อธิบายถึงพฤติกรรม (behavior) องค์ประกอบทางเคมี (chemical composition) และคุณสมบัติทางกายภาพ (physical properties) ของอนุภาค แขวนลอย ซึ่งปกติแล้วในการแยกประเภทของอนุภาคโดยท่ัวไปจะใช้ขนาดและความเร็วในการ ตกตะกอนของอนุภาค โดยอนุภาคท่ีมีขนาดใหญ่กว่า 100 µm จะมีการตกตะกอนค่อนข้างเร็วมาก (ระดับวินาทีถึงนาที) ส่วนอนุภาคท่ีมีขนาดเล็กกว่า 1 µm จะมีการตกตะกอนค่อนข้างช้าถึงช้ามาก (ระดับช่ัวโมงถึงวัน) จนในบางครั้งถือว่าเป็นประเภทลอยในอากาศอย่างถาวร ส่วนการแยกประเภท ของอนภุ าคแขวนลอยจะแบง่ ตามรปู ลักษณะ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง ได้แก่ - ควนั (smoke) คอื อนุภาคของคาร์บอนที่รวมตัวกับอนุภาคของของเหลวที่มาจากการเผา ไหม้ท่ีไม่สมบูรณ์ โดยทั่วจะมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 0.1–1 µm ปกติถ้าเป็น ของเหลวจะมีรูปร่างกลม ถ้าเป็นของแข็งจะมีรูปร่างไม่สม่าเสมอ เน่ืองจากอนุภาคควันมี ขนาดเล็กจึงแขวนลอยอยูไ่ ดน้ าน และมีการเคลอ่ื นทแ่ี บบส่มุ (random motion) - ฝุ่น (dust) เป็นอนุภาคของแข็งขนาดเล็กที่แขวนลอยในอากาศ มีขนาดเส้นผ่านศูนย์ กลางต้ังแต่ 1–100 หรือ 200 µm หรือใหญ่กว่า อนุภาคฝุ่นมีรูปร่างไม่แน่นอน ค่าขนาด จงึ เป็นค่าเฉล่ยี ของดา้ นต่างๆ ของแต่ละอนุภาค - ละออง (mist) เป็นอนุภาคที่เกิดจากกระบวนการ เช่น การระเหิด (sublimation) การ ควบแน่น (condensation) มีการตกตะกอนช้ามากและการเคล่ือนท่ีแบบบราวเนียน (Brownian motion) มขี นาดเสน้ ผา่ นศูนย์กลางตง้ั แต่ 0.1–1 µm - หมอกควัน (smog) มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 2–200 µm ส่วนละอองน้าท่ีมี ขนาดใหญก่ ว่า 200 µm จะจดั อยใู่ นประเภทของเม็ดฝน โดยสรุปอนุภาคขนาดเล็กกว่า 0.1 µm จะมาจากไอเสียรถยนต์มีปฏิกิริยาระหว่างแก๊สชนิด ตา่ งๆ ควันไฟ พายุฝุ่น ละอองน้าทะเล และโรงงานอุตสาหกรรม อนุภาคขนาดในช่วง 0.01–1.0 µm จะมาจากการรวมตัวของควัน ไอเสียกับไอน้า อนุภาคขนาดในช่วง 0.4–0.9 µm เป็นตัวการในการ กระจายแสงและทาให้ท้องฟ้าขมุกขมัว อนุภาคขนาดใหญ่กว่า 1.0 µm จะมาจากการรวมตัวใหญ่ขึ้น ของควนั ไฟ ขีเ้ ถา้ ผงโลหะจากการขัดสี เกสรดอกไม้ และแมลง รูปที่ 2.3 แสดงช่วงขนาดของอนุภาค ต่างๆ การกระจายขนาดละอองลอย (aerosol size distribution) ละอองลอยโดยท่ัวไปจะ ประกอบด้วยจานวนของอนุภาคที่มีขนาดแตกต่างกัน ละอองลอยที่แพร่กระจายแบบเดี่ยว (monodisperse aerosol) โดยนิยามประกอบด้วยอนุภาคท่ีมีขนาดเหมือนกันท้ังหมด และสามารถ สร้างได้ในห้องปฏบิ ตั ิการสาหรบั ใช้เป็นละอองลอยในการทดสอบ อย่างไรก็ตาม ละอองลอยโดยทั่วไป จะมีลักษณะการกระจายขนาดแบบหลากหลาย (polydisperse) ท่ีช่วงความกว้างของขนาดอนุภาค และการวัดเชงิ สถิตจะถกู นามาใช้ในการอธิบายถึงคุณลักษณะของขนาดอนุภาค ซ่ึงการกระจายขนาด ละอองลอยโดยทวั่ ไปแล้วสามารถแบ่งได้เป็น 3 โหมด คือ โหมด Nuclei โหมด Accumulation และ โหมด Coarse มกี ารแบง่ ขนาดอนุภาคเป็นช่วงๆ ตามลาดับของขนาดอนุภาคแขวนลอยในอากาศท่ีมี ขนาดตงั้ แตป่ ระมาณ 100 nm–100 µm ในโหมด Nuclei ประกอบดว้ ยอนุภาคที่มขี นาดเสน้ ผ่าน 20

(ก) อนุภาคขนาดเล็กกวา่ 100 nm (ข) อนุภาคขนาดเล็กกวา่ 500 nm (ค) อนุภาคขนาดเล็กกวา่ 1 µm (ง) อนุภาคขนาดใหญ่กวา่ 1 µm (จ) อนภุ าคขนาดใหญ่กวา่ 2.5 µm (ฉ) อนภุ าคขนาดใหญก่ วา่ 5 µm (ช) อนุภาคขนาดใหญ่กวา่ 5 µm (ซ) อนภุ าคขนาดใหญก่ วา่ 10 µm รูปที่ 2.2 ภาพถ่ายสณั ฐานของสสารอนุภาคโดยทว่ั ไป (ท่ีมา : รปู ก–ค Intra and Tippayawong, 2006 รูป ง–จ พานชิ อินตะ๊ และคณะ 2553 รปู ฉ–ซ พานชิ อินต๊ะ และคณะ 2556) 21

0.001 0.01 0.1 , µm 100 1000 1 10 10-2 cm 0.1 cm 1 1 nm 10 nm 100 nm 1100--46 cm 1100--35 cm 10-4 m 10-3 m (Angstrom) 10-9 m 10-8 m 10-7 m m m Nanometer Submicrometer Micrometer (Ultrafine) (Fine) (Coarse) Free Molecule Transition Continuum (Fume) (Dust) (Fog, Mist) (Smog) (Smoke) (Spray) (Cloud Droplets) Accumulation Coarse PM10 PM2.5 Thoracic Respirable (Mean Free Path) รูปท่ี 2.3 ชว่ งขนาดของอนภุ าคต่างๆ (ท่มี า : ปรบั ปรุงจาก Hinds, 1999) ศูนย์กลางน้อยกว่า 100 nm อนุภาคในโหมด Nuclei ถูกสร้างขึ้นจากการปล่อยออกมาจาก แหล่งที่มาและอนุภาคที่เกิดในบรรยากาศโดยการแปลงผันแก๊สไปอนุภาค (gas-to-particle conversion) และกระบวนการควบแน่น (condensation process) อนุภาคในโหมดน้ีจะมีการ กระจายขนาดละอองลอยเชิงจานวน (number-weighted aerosol size distribution) เนื่องจาก อนุภาคในโหมด Nuclei มีขนาดเล็กและมีมวลน้อยมากๆ จึงทาให้ไม่มีการกระจายขนาดเชิงมวล (mass weighted size distribution) โหมด Accumulation ประกอบดว้ ยอนุภาคที่มีขนาดเส้นผ่าน ศูนย์กลางในช่วงขนาดระหว่างประมาณ 100 nm และ 1 µm เช่น ผลิตภัณฑ์อินทรีย์ (organic product) อนุภาคหมอกควัน (smog particle) อนุภาคจากการเผาไหม้ (combustion particle) และอนุภาคในโหมด Nuclei ท่ีมีการเกาะรวมตัวกันกับอนุภาคในโหมด Accumu-lation เนื่องจาก อนุภาคในโหมดนี้ถูกสร้างขึ้นโดยการเกาะรวมตัวกันของอนุภาคในโหมด Nuclei ทาให้มีขนาดท่ี ใหญ่กว่าและมีจานวนที่น้อยกว่า จึงมีการกระจายขนาดละอองลอยแบบเชิงมวล (mass weighted aerosol size distribution) สาหรบั อนุภาคในโหมด Coarse ประกอบด้วยอนุภาคท่ีมีขนาดเส้นผ่าน ศูนย์กลางใหญ่กว่า 1 µm เช่น ฝุ่น (dust) อนุภาคเกลือทะเล (sea-salt particle) อนุภาคท่ีถูกสร้าง ข้นึ จากเคร่ืองจักรกล เช่น การทาเกษตรกรรม การทาเหมืองแร่ ถึงแม้ว่าอนุภาคในโหมด Coarse จะ มีมวลมาก แต่อนุภาคเหล่านี้จะมีจานวนน้อยมากๆ เม่ือเทียบกับอนุภาคในโหมด Nuclei และ Accumulation ดังนัน้ อนภุ าคในโหมดนี้จึงมีความสาคัญกับการกระจายขนาดท้งั เชงิ จานวนและมวล 22

2.3 การเคลือ่ นของอนุภาคในแกส๊ 2.3.1 ความหนืดของแกส๊ ความหนืด (viscosity) คือค่าคงท่ีของสัดส่วนที่มีความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นเฉือน (shear stress) และความเรว็ แกรเดียนท์ (velocity gradient) สาหรบั ลักษณะการไหลของของไหลที่ เปน็ ไปตามการสนั นษิ ฐานของนวิ ตัน (Newtonian fluid) คือ F  du (2.1) dy ความหนืดจะมีค่าเท่ากับ 1.81  10-5 Pa.s. สาหรับอากาศที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส ความหนืด ยังสามารถเขียนให้อยู่ในรูปของสัมพันธ์ระหว่างค่าความหนืดอ้างอิง (reference viscosity) ท่ี อุณหภูมิอา้ งอิง (reference temperature) ได้ดังสมการต่อไปน้ี (Willeke and Baron 1993)   r  Tr S  T  (2.2)  T S   Tr   เมอ่ื S คือค่าคงท่กี ารประมาณค่าพหนุ ามตอ่ เน่ืองของ Sutherland (Willeke and Baron 1993) จากสมการที่ 2.2 จะเห็นวา่ ความหนืดจะเปน็ อสิ ระหรือไม่ข้ึนอย่กู บั ความดนั 2.3.2 ตัวเลขเรยโ์ นลด์ของอนภุ าค ตัวแปร (parameter) ท่ีสาคัญที่ใช้ในการคัดแยกของพลศาสตร์ของอนุภาค (particle dynamic) คือตัวเลขเรย์โนลด์ของอนุภาค (particle Reynolds number, )Rep ที่อธิบายถึง คุณสมบัติเชิงอากาศพลศาสตร์ของอนุภาค ตัวเลขเรย์โนลด์คือจานวนไร้มิติที่บ่งบอกถึงการไหลของ ของไหลผา่ นท่อหรือลอ้ มรอบส่งิ กดี ขวาง เชน่ อนุภาค ซง่ึ ถกู นิยามเป็น (Hinds 1999) Rep   Vd p (2.3)  เม่ือ  คือความหนาแน่นของของไหล V คือความเร็วเฉลี่ยของของไหลต่ออนุภาค dp คือ ขนาด เสน้ ผ่านศนู ย์กลางของอนภุ าค และ  คอื คา่ ความหนืดสัมบูรณ์ของของไหล ตัวเลขเรย์โนลด์ ของอนุภาคคืออัตราส่วนของแรงเนื่องจากความเฉ่ือย (inertial force) ต่อแรงเนื่องจากความหนืด (viscous force) หรือแรงเสียดทาน (frictional force) ท่ีกระทาบนอนุภาค ปกติแล้ว ถ้า <Rep 1 การไหลล้อมรอบอนุภาคสามารถอธิบายเปน็ การไหลแบบราบเรียบ (laminar flow) ซึ่งจาเป็นสาหรับ การใชง้ านในการศกึ ษานี้ 23

2.3.3 กฎของสโตกสแ์ ละตัวชดเชยคนั นงิ แฮม เม่ืออนุภาคละอองเคลื่อนท่ีด้วยความเร็วสุทธิ (net velocity) Vp ด้วยสัมพันธ์กับแก๊สพา (carrier gas) ท่ีแขวนลอยอยู่ อนุภาคจะอยภู่ ายใตแ้ รงเสียดลากเชิงอากาศพลศาสตร์ (aerodynamic drag force) FD แรงเสียดลากนหี้ าได้จากกฎของสโตกส์ ( Stoke’s law) แสดงดงั สมการที่ 2.7 FD  3Vpd p (2.4) เมื่อ  คือค่าความหนืดของแก๊ส โดยกฎของสโตกส์เป็นวิธีการจาเพาะของสมการ Navier-Stokes โดยการสมมตุ ใิ ห้แรงเน่อื งจากความเฉ่ือยมีคา่ น้อยเมอื่ เทียบกบั แรงเนอ่ื งจากความหนืด มีค่าตัวเลขเรย์ โนลด์ของอนุภาคน้อยกวา่ ประมาณ 1 การเคลอื่ นทที่ ่ีคงทีข่ องอนภุ าคทม่ี ีรปู รา่ งแข็งไม่ยืดหยุนไม่มีผนัง ก้นั หรืออนภุ าคอื่นๆใกล้เคียง เปน็ ของไหลทอี่ ดั ตวั ไม่ได้และความเร็วของของไหลเป็นศูนย์ท่ีพ้ืนผิวของ อนุภาค เม่ืออนุภาคมีขนาดใกล้กับระยะการเคล่ือนที่อิสระเฉลี่ยของแก๊ส (gas mean free path) แรงต้านทานของแก๊สจะกระทาต่ออนุภาคอย่างไม่ต่อเน่ืองและอนุภาคจะ “ลื่นไถล(slip)” ที่พ้ืนผิว ระหวา่ งโมเลกุลของแก๊ส (ได้แก่ความเร็วของของไหลที่ล้อมรอบพื้นผิวอนุภาคจะไม่เป็นศูนย์) เพ่ือทา การนบั รวมสาหรับค่าลืน่ ไถลของพน้ื ผวิ นี้ จึงมคี วามจาเป็นต้องใช้ตัวชดเชย (correction factor) กับ สมการของกฎของสโตกส์ เพอ่ื อธบิ ายความเร็วทีอ่ นภุ าคตกเร็วขน้ึ ตัวชดเชยน้ี มีชื่อเรียกว่า ตัวชดเชย ของคันนิงแฮม (Cunningham slip correction factor) Cc (Cunningham, 1910) แสดงดัง สมการที่ 2.5 – 2.7 FD  3Vpd p (2.5) Cc Cc 1     0.55 dp  (2.6) dp  2.514 0.8exp         r  101.3  T   1110 / 293.15  (2.7)  P   293.15   1110 / T  เม่ือ Cc คอื ตวั ชดเชยของคนั นิงแฮม  คอื คา่ เฉลีย่ ระยะการเคลอื่ นท่ีอิสระของแก๊ส r คือ ค่าเฉลี่ย การเคล่ือนท่อี ิสระของอากาศ (ท่สี ภาวะมาตรฐานมีค่าเท่ากบั 0.0665 µm) P คือความดันของ ของไหล โดยความเร็วการตกสุดท้าย (terminal settling velocity) VTS ของอนุภาคที่ลอยตัวใน แก๊สนิ่งสามารถหาได้โดยสมการแรงเสียดลากสโตกส์ (Stoke’s drag force) ต่อแรงโน้มถ่วง ( FD = FG ) ความเรว็ การตกสดุ ท้ายนี้ สามารถคานวณไดจ้ าก 24

VTS   p d 2 gCc (2.8) p 18 เมื่อ p คือความหนาแนน่ ของอนุภาค และ g คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (มีค่าเท่ากับ 9.81 m/s2) ความเร็วการตกจะไม่มีความสาคัญสาหรับอนุภาคท่ีมีขนาดเล็กกว่า 1 ไมโครเมตร ความเร็ว ของอนุภาคจะแปรผันโดยตรงกับแรงท่ีกระทาต่ออนุภาค ตัวคงที่ที่ทาให้ความสัมพันธ์นี้เท่ากันมีชื่อ เรียกว่าความสามารถในการเคล่ือนตัวของอนุภาค (particle mobility) B นิยามเป็นอัตราส่วนของ ความเร็วอนุภาคตอ่ แรงเสยี ดลากทก่ี ระทาบนอนุภาค แสดงดังสมการท่ี 2.9 B  Cc (2.9) 3d p เม่ือขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใช้เป็นของเส้นผ่านศูนย์กลางเชิงอากาศพลศาสตร์ (aerodynamic diameter) 2.3.4 กลไกเชงิ เฉ่อื ย การไหลโค้งของกระแสละออง สามารถปล่อยให้อนุภาคแขวนลอยไหลไปตามเส้นทางที่ผิด แผกจากเส้นทางไหลของแก๊สรอบๆได้ เหตุที่เป็นเช่นนี้เพราะอนุภาคแขวนลอยมีความเฉ่ือยมากกว่า จึงไม่อาจเล้ียวโค้งได้ทันท่ี ดังน้ัน วัตถุท่ีวางขวางก้ันเส้นทางไหลของกระแสละอองจะเก็บอนุภาค เหล่านี้ได้ ในการวิเคราะห์การเกาะจับของอนุภาคจากกระแสการไหลลงบนส่ิงกีดขวาง ถ้าทาการ วิเคราะห์โดยถือว่าอนุภาคมีขนาดเล็กมากๆในกระแสแก๊ส แต่มีมวลมากกว่ามวลของแก๊ส กลไกการ กาจัดอนุภาคน้ีจะเรียกว่าการตกกระทบ (impaction) ในกรณีท่ีคานึงถึงขนาดอนุภาคและมีการ คานวณเส้นทางบินของอนุภาค (particle trajectory) รอบๆ สิ่งกีดขวางนั้น เพื่อดูว่าเกิดการสัมผัส ระหว่างอนุภาคกับผิวของส่ิงกีดขวางหรือไม่ กลไกการกาจัดอนุภาคน้ีเรียกว่า การสกัดก้ัน (interception) ในบางคร้ังอาจมีความจาเป็นต้องคานึงถึงกลไกการตกกระทบและกลไกการสกัดกั้น พร้อมๆกนั ในการวิเคราะหป์ ระสทิ ธภิ าพการกาจัดอนุภาค โดยประสิทธิภาพของอนุภาคถูกกาจัดออก จากกระแสการไหลของละอองโดยการตกกระทบ จะเป็นฟังก์ชั่นของตัวเลขสโตกส์ (Stoke’s number) Stk สามารถคานวณได้จาก Stk  S   pd p2Vf Cc (2.10) dc 18dc (2.11) S  mpBV0 25

เมอ่ื dc คือขนาดลกั ษณะเฉพาะ (characteristic dimension) ของส่ิงกีดขวาง Vf คือความเร็วของ ของไหล S คือระยะหยุดของอนุภาค (stop distance of particle) mp คือมวลของอนุภาค V0 คือ ความเร็วเริ่มต้นของอนุภาคที่เวลาเท่ากับศูนย์ เมื่อนิยามสโตกส์ของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ อนุภาคถูกใช้ จากการทดลองการสูญเสียเน่ืองการตกกระทบจะเกิดข้ึนเฉพาะสาหรับอนุภาคที่มี ตวั เลขสโตกสม์ ากกว่า 0.6 และการตกกระทบจะมคี วามสาคัญเฉพาะสาหรับอนุภาคท่ีมีขนาดเส้นผ่าน ศูนยก์ ลางใหญก่ ว่า 1 ไมโครเมตร) 2.3.5 การเคลอื่ นทแี่ บบบราวเนียนและการแพรก่ ระจาย อนุภาคใดๆ ที่แขวนลอยอยู่ในอากาศจะถูกชนอย่างต่อเนื่องโดยโมเลกุลของอากาศ ซ่ึง เหตุการณ์ท่ีไม่มีกฎเกณฑ์เหล่านี้แสดงให้เห็นว่า อนุภาคมีการเคล่ือนท่ีอย่างไม่มีกฎเกณฑ์อย่าง ตอ่ เนอ่ื ง หรือการเคลือ่ นท่แี บบบราวเนียน (Brownian motion) การเคล่ือนที่แบบบราวเนียนที่ใช้กับ อนภุ าคเด่ียวเป็นกระบวนการในระดับโมเลกุล เม่ือระบบถูกสังเกตเป็นโครงสร้างที่เป็นกลุ่มก้อนใหญ่ กับจานวนท้ังหมดของอนุภาคของการเปลี่ยนแปลงขนาด กระบวนการนี้ถูกเรียกว่าการแพร่กระจาย (diffusion) การเปรยี บเทยี บการกระจัดในระดบั โมเลกลุ ของจานวนท้งั หมดของอนุภาคที่เกิด โดยการ เคลอ่ื นท่ีแบบบราวเนียนกับการแพรก่ ระจายถกู อธบิ ายโดยกฎของ Fick’s ดังน้ี J  D  dn (2.12) dx เม่ือ J คือฟลักซ์ของอนุภาค (particles flux) dn dx คือแกรเดียนท์ความเข้มข้นของอนุภาค (particle concentration gradient) และ D คือสัมประสิทธิ์การแพร่กระจาย (diffusion coefficient) D จะสัมพันธ์กับขนาดอนภุ าคดังน้ี (Hinds, 1999) D  kTB  kTCc (2.13) 3d p ถ้าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคมีค่าลดลงฟลักซ์การแพร่กระจายบราวเนียน (Brownian diffusional flux) จะมีแนวโน้มเพิ่มขึ้น ซ่ึงหมายความว่าอนุภาคท่ีมีขนาดใหญ่จะมีการแพร่กระจาย ช้ากว่าอนุภาคท่ีมีขนาดเล็ก ตัวอย่างเช่น อนุภาคขนาด 100 นาโนเมตร ภายใต้เง่ือนไขอากาศ ล้อมรอบจะมีความเร็วในการแพร่กระจายเฉลี่ยเท่ากับ 14 cm/sec ขณะที่อนุภาคขนาด 10 นาโน เมตร ภายใต้เง่ือนไขเดียวกันจะมีความเร็วในการแพร่กระจายเฉลี่ยเท่ากับ 440 cm/sec ดังน้ันการ แพร่กระจายบราวเนียนต้องนามาคิดรวมกับการสูญเสียของอนุภาคในระบบการเตรียมตัวอย่าง ละอองดว้ ย การเคล่ือนที่แบบแพร่ในการศึกษาน้ี คือ ความสัมพันธ์ท่ีเกิดขึ้นในเคร่ืองคัดแยกขนาด อนุภาคเมื่ออนุภาคถูกผลักด้วยแรงทางไฟฟ้าสถิตตลอดเส้นโคจร (trajectory) ระยะการเคล่ือนท่ี แบบบราวเนียนจะนาไปสู่ระยะการเคลื่อนที่สุทธิแบบไร้ทิศทาง (random net displacement) ท่ี 26

เสริมเข้าไปบนเส้นโคจรปกติเนื่องจากการเคล่ือนที่ไฟฟ้าสถิต โดยผลสุทธิของการเคล่ือนท่ีแบบบราว เนียนที่เสริมขึ้นจะมีอิทธิพลต่อเส้นโครจรของอนุภาค โดยค่าเฉลี่ยกาลังสอง (root mean square) ของระยะการเคลื่อนท่ีบราวเนียน x ในช่วงคาบเวลา t หาได้จาก x  2Dt (2.14) 2.4 การไหลของของไหล 2.4.1 สมการการไหลของของไหล การไหลของของไหล (fluid flow) ภายในเครอ่ื งวิเคราะหค์ วามเข้มข้นเชิงจานวนของอนุภาค ในการศึกษานี้ จะสมมุติให้การไหลภายในเป็นการไหลแบบสมมาตรกับแกน (axisymmetric) แบบ ราบเรยี บ (laminar) แบบรูปร่างของความเร็วพัฒนาไปจากเดิมอย่างเต็มท่ี (fully developed) และ แบบไม่ยุบตัวตามความดัน (incompressible) โดยสมการความต่อเน่ือง (continuity equation) และสมการ Navier-Stokes แบบไม่ยุบตัวตามความดัน (incompressible Navier-Stokes equation) ได้ถูกนามาใช้ในการคานวณเชิงตัวเลขของสนามการไหลภายในเครื่องวิเคราะห์ขนาด อนุภาคน้ี ซ่ึงสามารถเขียนให้อยู่ในรูปของสมการเชิงอนุพันธ์ย่อย (partial differential equation, PDE) ในระบบพิกดั ทรงกระบอก (cylindrical coordinate system) แบบ 2 มิตไิ ดด้ งั นี้ สมการความต่อเน่ือง : 1   rur    uz   0 (2.15) r r z สมการ Navier-Stokes: สาหรบั ในแนวแกน (r) ur ur  uz ur  u2   1 p     1   rur    2ur    1 ur (2.16) r z r  r  r  r r  z 2  r2   สาหรับในแนวแกน (z) ur ur  uz uz  1 p    1   r uz   2uz  (2.17) r z  z  r r  r  z 2    27

สาหรบั ในแนวแกน ( ) ur u  uz u    1   r u   2u   2  u  (2.18) r z  r r  r  z 2  r  r    เมอื่ ux , uy และ u คือความเร็วของของไหลในแนวแกน x, y และ  ตามลาดับ p คือความดัน ของของไหล และ  คือความหนืดของของไหล (kinematic viscosity of air) 2.4.2 ตวั เลขเรยโ์ นลด์ของการไหลในท่อ ตัวเลขเรย์โนลด์ (Reynolds number) คือตัวเลขไร้มิติ (dimensionless number) ท่ีบ่ง บอกถึงคุณลักษณะการไหลของของไหลผ่านท่อ ในการศึกษาน้ีการไหลของของไหลภายในเคร่ือง วเิ คราะห์ฯถกู ให้ทางานที่เงื่อนไขการไหลแบบราบเรียบ (laminar flow condition) ดังนั้นตัวเลขเรย์ โนลด์จะต้องอยู่ในระบอบแบบราบเรียบ (laminar regime) สาหรับเครื่องวิเคราะห์ฯที่ใช้โดยปกติ ท่ัวไป จะเป็นอิเล็กโทรดทรงกระบอกซ้อนแกนร่วม (coaxially cylindrical electrodes) มีการไหล แบบวงแหวน (annular flow) และตวั เลขเรย์โนลด์ในรูปทรงเลขาคณติ แบบน้ีสามารถคานวณไดจ้ าก Re  2r2 1  U (2.19)  เม่ือ r2 คือรัศมีของอิเล็กโทรดทรงกระบอกด้านนอก (outer)  คือสัดส่วนของเส้นผ่านศูนย์กลาง ของทรงกระบอกด้านในต่อดา้ นนอก U คอื ความเรว็ การไหลเฉล่ีย และ  คือความหนาแน่ของแก๊ส (gas density) 2.5 หลักการควบคุมความช้ืนแบบการแลกเปล่ียนความร้อน หลักการควบคุมแบบการแลกเปลี่ยนความร้อน (heat exchanger) ให้อากาศมีอุณหภูมิต่า กวา่ จดุ นา้ คา้ งแขง็ (dew point) ทาให้ความชนื้ กล่นั ตวั เปน็ ของเหลวโดยสามารถคานวณได้จาก    UA T2  T1  (2.20) Qh    T2   ln  T1    เม่ือ U คือสัมประสิทธ์ิการถ่ายเทความร้อมรวม (overall heat transfer coefficient) A คือพ้ืนที่ ผิวการถ่ายเทความร้อน (heat transfer surface area) T1 คืออุณหภูมิขาเข้าและ T2 อุณหภูมิ ขาออก แลว้ ทาการดูดซับของเหลวน้ดี ้วยตวั ดักความช้นื ซิลิกาเจล (siliga gel) ซ่งึ เหมาะสมกับอัตรา 28

Particle charging Free ions removal Particle detection Signal current measurement Particle number concentration รปู ที่ 2.4 หลกั การของการวัดจานวนอนภุ าคเชิงไฟฟ้าสถติ การไหลอากาศที่มากกว่า 4 ลิตรต่อนาที สามารถปรับสภาพอากาศขาเข้าและจากัดความช้ืนอากาศ ไม่เกนิ รอ้ ยละ 50 จะสามารถหาปริมาณของ Siliga gel ที่ตอ้ งการ, Q , ไดจ้ ากสมการ Q  (CeqD)V (Nt) (2.21) MHF เมอ่ื Ceq คือความเขม้ ขน้ ของไอน้าท่ีจุดอิ่มตัว (concentration of water vapor at saturation) D คือความแตกต่างระหว่างความช้ืนภายนอกและภายในของตัวดัก V คือปริมาตรของตัวดัก N คือ จานวนของการแลกเปล่ียนอากาศต่อวัน (number of air exchanges per day) t คือจานวนสูงสุด ของวันที่ตวั ดักยังคงอยู่ได้รบั ความชน้ื ในช่วงยอมรับได้ MH คือความจุบัฟเฟอร์ความช้ืนซิลิกาเจลอยู่ ในช่วงท่ีเฉพาะเจาะจงความช้ืนที่ใช้งานและ F คือช่วงสูงสุดที่ยอมรับได้ของความผันผวนของ ความชื้นภายในระหวา่ งการวดั 2.6 หลักการวัดจานวนอนภุ าคเชิงไฟฟา้ สถิต การวัดและวิเคราะห์อนุภาคด้วยวิธีการเชิงไฟฟ้าสถิตเป็นวิธีการที่อาศัยหลักการพ้ืนฐานของ คุณสมบัติทางไฟฟ้าสถิตของอนุภาค ซึ่งเป็นท่ีนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในงานวิจัยเกี่ยวกับศาสตร์ และเทคโนโลยีอนุภาค โดยเฉพาะในช่วงขนาดอนุภาคเล็กกว่า 1 µm รูปที่ 2.4 แสดงหลักการของ การวัดจานวนอนุภาคด้วยวิธีการทางไฟฟ้าปกติแล้วจะประกอบด้วย 5 ข้ันตอนหลักๆ คือ การใส่ ประจุอนุภาค (particle charging) การกาจัดไอออนอิสระ (free ions removal) การตรวจจับ อนุภาค (particle detection) การตรวจวัดสัญญาณ (signal current measurement) และการ 29

แสดงผลปริมาณของอนุภาค (particle number concentration) ซึ่งการทางานของเครื่องวัดฯเชิง ไฟฟ้าสถิตจะเริ่มต้นโดยการดูดตัวอย่างอนุภาคฝุ่นท่ีต้องการวัดผ่านชุดอัดประจุไฟฟ้าอนุภาคเพ่ืออัด ประจุไฟฟ้าให้กับอนุภาค จากน้ันอนุภาคท่ีมีประจุจะผ่านเข้าไปยังชุดดักจับไอออนเพื่อกาจัดไอออน อิสระที่มีความสามารถในการเคลื่อนตัวทางไฟฟ้าสูงเจือปนมากับอนุภาคท่ีมีประจุออกก่อน เม่ือออก จากชดุ ดักจับไอออนแลว้ อนุภาคท่ีมีประจุจะผ่านเข้าไปยังตัวตรวจจับอนุภาค ตัวอย่างเช่น ลูกถ้วยฟา ราเดย์หรือเคร่ืองคัดแยกขนาดอนุภาค จากน้ันอนุภาคท่ีมีประจุจะถูกวัดสัญญาณทางไฟฟ้าด้วย เครื่องวัดสัญญาณไฟฟ้าระดับต่า ซ่ึงสัญญาณทางไฟฟ้าของอนุภาคที่มีประจุที่วัดได้จะสัมพันธ์กับค่า ปริมาณความเข้มข้นของอนุภาค ที่ผ่านเข้าไปยังตัวตรวจจับอนุภาค โดยสัญญาณไฟฟ้าที่ได้จะถูก นาไปประมวลผลข้อมูลด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ และแสดงผลข้อมูลออกมาในรูปแบบของกราฟท่ี แสดงถงึ ค่าความเขม้ ขน้ ของอนุภาค 2.7 สนามไฟฟา้ 2.7.1 ลักษณะรปู แบบของสนามไฟฟา้ สนามไฟฟ้าเกิดจากการจ่ายแรงดันไฟฟ้าแรงสูงให้ระหว่างขั้วอิเล็กโทรด (electrode) โดยท่ัวไปลักษณะรูปแบบสนามไฟฟ้า (electric field configuration) สามารถแบ่งได้เป็น 2 แบบ คือสนามไฟฟ้าสม่าเสมอ (uniform field) และสนามไฟฟ้าไม่สม่าเสมอ (non-uniform field) สาหรับสนามไฟฟ้าไม่สม่าเสมอน้ีแบ่งออกเป็น 2 แบบคือไม่สม่าเสมอเล็กน้อย (slightly non- uniform field) และไม่สม่าเสมอสูง (highly non-uniform filed) ลักษณะของอิเล็กโทรดของ สนามไฟฟ้า ถ้าจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับข้ัวอิเล็กโทรดลักษณะต่างๆท่ีวางอยู่ในอากาศจะพบว่า แรงดนั ไฟฟา้ ทีท่ าให้เกดิ เบรกดาวน์ (breakdown voltage) จะไม่เท่ากัน ถึงแม้ว่าจะจัดวางระยะห่าง ระหวา่ งขั้วอเิ ล็กโทรดให้เทา่ กันกต็ าม 2.7.2 สนามไฟฟา้ สม่าเสมอ สนามไฟฟ้าสม่าเสมอคือสนามไฟฟ้าเท่ากันทุกจุด เช่น ในช่องระหว่างอิเล็กโทรดระนาบ – ระนาบ (parallel plate) จะสามารถคานวณค่าความเข้มสนามไฟฟ้าสูงสุด (maximum electric field strength) ไดจ้ าก Emax  E  V (2.22) d เมื่อ Emax คือความเข้มสนามไฟฟ้าสูงสุด E คือความเข้มสนามไฟฟ้า ณ จุดใดๆระหว่างอิเล็กโทรด V คอื แรงดันท่จี ่ายให้ระหว่างอิเล็กโทรด และ d คือระยะห่างระหว่างอเิ ลก็ โทรด 2.7.3 สนามไฟฟา้ ไม่สม่าเสมอ สนามไฟฟ้าแบบไม่สม่าเสมอคือความเข้มสนามไฟฟ้าแต่ละจุดมีค่าแตกต่างกันขึ้นอยู่กับ ตาแหน่งของจุดนั้น ความแตกต่างกัน ณ จุดต่างๆจะมากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับลักษณะทางเรขาคณิต 30

(geometry) ของอิเล็กโทรดท่ีมีสนามไฟฟ้าไม่สม่าเสมอมากหรือน้อย เช่น ลักษณะการจัดวางขั้ว อิเลก็ โทรด โดยค่าความเข้มสนามไฟฟ้าสูงสุดที่เกิดข้ึนที่ผิวของอิเล็กโทรดทรงกลมสามารถคานวณได้ จากสมการ Emax  V (2.23) d * เมอ่ื * คอื แฟกเตอร์สนามไฟฟา้ (filed utilization factor) หาได้จาก *  Eav 0 * 1 (2.24) Emax เมื่อ Eav คือค่าเฉลีย่ ของความเข้มสนามไฟฟ้ามีค่าเท่ากบั V / d สาหรับในกรณีสนามไฟฟ้าไม่สม่าเสมอสูง (highly non-uniform field) ความเข้ม สนามไฟฟ้าสงู สุดจะอยู่ในบริเวณใกล้ผิวอเิ ลก็ โทรดทมี่ ีผิวน้อยท่ีสุด เช่น ขั้วอิเล็กโทรดปลายแหลมเมื่อ ความระยะห่างออกไปจากผิวอิเล็กโทรดตามแนวระนาบจะพบว่าค่าความเข้มสนามไฟฟ้าจะลดลง อย่างรวดเร็ว ถงึ แม้ว่าความเข้มสนามไฟฟ้าสูงสุดจะมีค่าถึงค่าวิกฤตแล้วก็ตามการเบรกดาวน์จะยังไม่ เกิดแต่จะเกิดโคโรนาดิสชาร์จ (corona discharge) บริเวณท่ีผิวอิเล็กโทรดเป็นบริเวณที่มี ความเครียดไฟฟ้าสูงสุด ส่วนบริเวณอ่ืนๆท่ีห่างออกๆไปจะมีความเข้มสนามไฟฟ้าลดลงและไม่เกิดโค โรนาดิสชาร์จ ฉะน้ันในช่องว่างอากาศระหว่างอิเล็กโทรดจะเกิดดิสชาร์จที่ไม่สมบูรณ์ที่เรียกว่า ดสิ ชาร์จบางสว่ น (partial discharge) ปรากฎการณ์อาจเกิดขึ้นอย่างต่อเน่ืองหรือเป็นช่วงๆ จึงทาให้ มีกระแสไหลในวงจรที่ป้อนแรงดันให้กับอิเล็กโทรด กระแสน้ีวัดได้ก่อนเกิดเบรกดาวน์เรียกว่ากระแส โคโรนา (corona current) หรือกระแสพรดี สิ ชาร์จ (pre-discharge current) 2.7.4 สนามไฟฟา้ แบบทรงกระบอกซ้อนแกนรว่ ม เมื่ออิเล็กโทรดมีลักษณะเป็นทรงกระบอกซ้อนแกนร่วม (coaxial electrodes) เส้นฟล๊ักซ์ ไฟฟ้า (electric flux) จะอยู่แนวรัศมีและพ้ืนผิว (surface area) ของทรงกระบอกก็คือพื้นผิว ศักย์ไฟฟ้าเท่า (potential) ดังน้ันโดยอาศัยการอินทีกรัลสมการที่ 2.25 ของแมกซ์เวลล์ (Maxwell's equations) Q  s DdA (2.25) เม่ือ Q คือประจุไฟฟ้า D คือความหนาแน่นฟลักซ์ไฟฟ้าและ A คือพ้ืนท่ีผิวของทรงกระบอก และ เม่อื ความเขม้ สนามไฟฟ้าคือ 31

E  D (2.26)  เมื่อ  คือค่าสภาพยอมรับได้ทางไฟฟ้า (permittivity) และสามารถหาค่าความเข้มสนามไฟฟ้าที่ รัศมี r ได้คือ Er  Q (2.27) 2 rL เม่ือ L คือความยาวของท่อทรงกระบอกและจะได้แรงดันท่ีจ่ายให้ระหว่างทรงกระบอกซ้อนท้ังสอง คือ r2 Q r2 dr (2.28) r1 2 L r1 r  V  Er dr ทาการอนิ ทีกรลั สมการที่ 2.28 จะได้ V  Q ln r2 r1  (2.29) 2 L ไดค้ วามเข้มสนามไฟฟ้าระหว่าง r1  r  r2 คือ E V (2.30) r ln(r2 / r1) ดงั นั้นความเขม้ สนามไฟฟา้ สูงสุด Emax ท่ีเกิดขึน้ ทผ่ี วิ ของทรงกระบอกซ้อนหาไดจ้ าก Emax  Er1  V / r1) (2.31) r1 ln(r2 เม่ือ r1 และ r2 คือรัศมีของทรงกระบอกด้านในและด้านนอก ตามลาดับ เนื่องจากผลของประจุค้าง (space charge effect) ของไอออน (ion) และไม่มีอนุภาคท่ีมีประจุลอยอยู่ในช่องระหว่างขั้ว อิเล็กโทรด สนามไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าและลักษณะของรูปทรง (geometry) ค่าความเข้ม ของสนามไฟฟ้า (electric field strength) จะเป็นสัดส่วนระหว่างแรงดันไฟฟ้าท่ีจ่ายให้กับข้ัว อเิ ลก็ โทรดกบั ระยะหา่ งระหวา่ งขว้ั อิเลก็ โทรด 32

2.8 โคโรนาดสิ ชารจ์ โคโรนาดิสชาร์จ (corona discharge) คือการดิสชาร์จแบบประทังตัวได้ที่เกิดขึ้นก่อนการ เบรกดาวน์โดยจะมีการไหลของกระแสไฟฟ้าจากข้ัวอิเล็กโทรดที่มีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าไปยังอากาศท่ีมี ศักย์ไฟฟ้าเป็นกลางโดยการแตกตัวของไอออนของอากาศที่สร้างขึ้นรอบๆข้ัวอิเล็กโทรดโดยจะมี กระแสไหลในระดับประมาณไมโครแอมป์ (µA) รูปลักษณะของโคโรนาจะแตกต่างกันตามลักษณะ รปู แบบของสนามไฟฟ้าท่ีใชร้ ูปท่ี 2.5 แสดงลักษณะการเกดิ โคโรนาดสิ ชาร์จของขว้ั อิเล็กโทรดแบบเข็ม กับแผ่นเรียบท้ังข้ัวบวกและลบ ดังแสดงในรูปท่ี 2.5 (ก) โคโรนาลบ (แรงดันท่ีใช้เป็นลบ) จะแบ่งเป็น การดิสชาร์จเรืองแสง (glow discharge) ท่ีผิวของปลายข้ัวอิเล็กโทรด แถบมืดของฟาราเดย์ และ ลาแสงบวก สาหรับโคโรนาบวก (แรงดันท่ีใช้เป็นบวก) ในขณะที่แรงดันต่าจะเกิดโคโรนาเป็นรูปแผ่น บางๆ หุ้มปลายข้ัวอิเล็กโทรด เม่ือแรงดันสูงข้ึนจะเกิดโคโรนาจะงอกยาวออกไปเป็นเส้นจานวนมาก เรียกว่าโคโรนาแบบแปรง (burst pulse corona) เม่ือแรงดันสูงข้ึนอีก ปลายของโคโรนาท่ีงอกยาว ออกไปจะไปถึงขั้วอิเล็กโทรดแผ่นระนาบเรียกว่าโคโรนาแบบสตรีมเมอร์ (streamer corona) ปลาย ของโคโรนาแบบสตรีมเมอร์ที่ไปถึงขั้วอิเล็กโทรดแผ่นระนาบจะสร้างจุดข้ัวลบข้ึน แม้ว่าขั้วอิเล็กโทรด ทั้งสองจะได้รับการเช่ือมต่อด้วยโคโรนาก็ตาม แต่ยังไม่เกิดการเบรกดาวน์ขึ้น กระแสจะไหลอยู่เพียง เลก็ นอ้ ย _ __ Trichel Pulseless Spark pulse corona corona (ก) โคโรนาลบ + ++ + Burst Streamer Glow Spark pulse corona corona corona (ข) โคโรนาบวก รูปท่ี 2.5 ลักษณะการเกิดโคโรนาดิสชาร์จ (Chang et al., 1995) 33

Spark-over Current, I Corona-onset voltage Voltage, V รปู ท่ี 2.6 กราฟแสดงคุณลักษณะของกระแสและแรงดันของโคโรนาดิสชาร์จ (Chang et al., 1995) เท่านั้น โคโรนาดิสชาร์จเป็นส่วนที่สาคัญอย่างหนึ่งของกระบวนการอัดประจุไฟฟ้าให้กับอนุภาค เพราะเปน็ กระบวนการที่สร้างไอออนท่ีทาให้อนุภาคได้รับประจุ ปกติแล้วโคโรนาดิสชาร์จจะแสดงใน รูปของคุณลักษณะของกระแสและแรงดัน (voltage-current characteristics) ดังแสดงไว้ในรูปท่ี 2.6 เมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าแรงดันเร่ิมเกิดโคโรนา (corona onset voltage) กระแสโคโรนา (corona current) จะค่อยๆ เพ่ิมขึ้นตามแรงดันไฟฟ้าท่ีเพิ่มขึ้น โดยแรงดันที่มีค่าสูงสุดจะสร้าง ประกายโคโรนา (spark-over corona) โคโรนาดิสชาร์จเป็นปรากฏการณ์แก๊สดิสชาร์จและมีหลาย ปัจจัยท่ีทาให้เกิดการเปล่ียนแปลง เช่น ความชื้น อุณหภูมิ ท่ีความช้ืนสูงการดูดซับของน้าบนพ้ืนผิว ของอนุภาคจะมีผลกระทบอย่างมีนัยสาคัญต่อสนามไฟฟ้าเริ่มเกิดโคโรนา (corona onset electric field) การเพิ่มประสิทธิภาพของการนาไฟฟ้า (electric conductivity enhancement) และความ เคล่ือนท่ีได้ทางไฟฟ้าของไอออน (electrical mobility of ions) จะทาให้ค่าสนามไฟฟ้าเริ่มเกิดโคโร นาลดลงเม่ือค่าความชื้นเพิ่มข้ึน โดยค่ากระแส-แรงดันของสนามไฟฟ้าแบบเข็ม-แผ่นระราบ (point- to-plate) สามารถคานวณไดจ้ าก I  AV (V Vo ) (2.32) เมื่อ I คอื กระแสดิสชาร์จ V คือแรงดันโคโรนาที่จ่ายให้เข็ม Vo คือแรงดันโคโรนาเร่ิมเกิด และ A คือค่าคงตัวมิติ (dimensional constant) ท่ีข้ึนอยู่กับระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรด รัศมีของ อิเล็กโทรด ความเคลื่อนที่ได้ทางไฟฟ้าของไอออนหรือประจุและปัจจัยทางเรขาคณิตอื่น และความ เคลือ่ นท่ีได้ทางไฟฟ้าของไอออนหรือประจุและปัจจัยทางเรขาคณิตอ่ืน และสามารถหาได้จากสมการ ของ Henson (1980) คอื I  (2 K / )[F( / )]2(V Vo )2 (2.33) 34

เมื่อ  คือรัศมีโกลว์โคโรนาน้อยสุด (minimum corona glow radius)  คือระยะห่างระหว่าง เข็มกับแผ่นระนาบ K คือค่าคงตัวมิติและ F( /) คือฟังก์ชั่นพหุนามของ  / โดยค่า สนามไฟฟ้าวิกฤติ (critical electric field) สาหรับการเกิดโคโรนาสามารถหาได้จากสมการของ Peek’s คือ Ec  mvEo 1 k (2.34)  r  mv คือสัมประสิทธ์ิความขรุขระ (roughness coefficient) ของพื้นผิวตัวนามีค่าเท่ากับ 1 สาหรับ ตัวนาท่ีมีพ้ืนผิวเรียบ r คือรัศมีปลายเข็ม k คือค่าคงตัวเชิงการทดลองสาหรับเลขาคณิต ทรงกระบอก (0.308 cm1/2)  คือปัจจัยความหนาแน่นอากาศสัมพัทธ์ (relative air density factor) จากสมการท่ี 10.3 สามารถหาแรงดนั โคโรนาเร่มิ เกิดไดจ้ าก Vo  mvEo 1 k r  r ln  S  (2.35)    r  เม่ือ S คือระยะห่างระหว่างเข็มกับแผ่นระนาบ โดยสมการที่ 2.35 จะไม่ได้คิดรวมผลของความชื้น เข้าไปในสมการ สาหรับในกรณีท่ีมีผลของความช้ืนเข้ามาเก่ียวข้องค่าแรงดันโคโรนาเร่ิมเกิดจะหาได้ จาก Vo  mvEo 1 k  r ln  S  1  5.76  0.69 1.63 0.21   Pw  H  (2.36) r   r    r   P   เม่อื H คือความช้ืนอากาศและ Pw คือความดันบางสว่ นของไอน้าอ่ิมตัว (saturated water vapor) สามารถคานวณไดจ้ าก Pw  611107.5T /(237.3T ) (2.37) 2.9 การอดั ประจไุ ฟฟ้าอนภุ าค การอัดประจุไฟฟ้าอนุภาค (particle charging) เป็นกลไกอันหน่ึงที่สาคัญสาหรับการ วิเคราะห์ความสามารถในการเคล่ือนตัวเชิงไฟฟ้า (electrical mobility analysis) หรือการ ตกตะกอนเชิงไฟฟ้าสถิต (electrostatic precipitator) ของอนุภาค วัตถุประสงค์ของการอัดประจุ ไฟฟ้าให้กับอนุภาคคือเพื่อกาหนดการแจกแจงประจุสุทธิ (net charge distribution) ท่ีรู้ค่าแน่นอน ใหก้ ับอนุภาคละอองลอย เน่ืองจากในการวิเคราะห์ความสามารถในการเคล่ือนตัวและการตกตะกอน เชิงไฟฟา้ สถิตของอนภุ าค จาเป็นตอ้ งรู้การแจกแจงประจุของอนุภาคแต่ละขนาด ประสิทธิภาพในการ อัดประจไุ ฟฟ้าอนุภาคสูงจะส่งผลทาใหม้ คี วามไวสูงในการวดั ฯและการตกตกตะกอนฯสูงตามไปด้วย 35

  Particle Free ion  รปู ท่ี 2.7 การอดั ประจุไฟฟา้ แบบแพร่กระจาย การอัดประจุไฟฟ้าอนุภาคคือการเกาะติดของไอออน (ion attachment) บนพ้ืนที่ผิวของอนุภาคเม่ือ อนุภาคเคลื่อนที่เข้าไปในกลุ่มของแก๊สไอออน (gaseous ions) โดยจานวนของประจุของอนุภาคจะ ขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาค (particle size) ความหนาแน่นของไอออน (ion density) และเวลาที่ อนุภาคลอยอยู่ในแก๊สไอออนหรือเวลาที่ใช้ในการอัดประจุไฟฟ้า (charging time) ในปัจจุบันมีกลไก ในการอัดประจุไฟฟ้าอนุภาคหลายแบบ เช่น การอัดประจุแบบเปลวไฟ (flame charging) การอัด ประจุแบบการปล่อยกระแสไฟฟ้าคงที่ (static electrification) การอัดประจุแบบแพร่กระจาย (diffusion charging) และการอัดประจุแบบสนาม (field charging) (Hinds 1999) อย่างไรก็ตาม การอัดประจุแบบแพร่กระจายและสนามเป็นกลไกท่ีได้รับความนิยมและมีการใช้กันอย่างแพร่หลาย สาหรับการอัดประจุไฟฟา้ อนุภาค เนื่องจากให้ประสิทธิภาพในการอัดประจุไฟฟ้าอนุภาคสูงกว่ากลไก อื่น (Intra and Tippayawong, 2011) สาหรับวิธีการสร้างไอออนสาหรับการอัดประจุไฟฟ้าอนุภาค แบบแพร่กระจายและสนามในแกส๊ สามารถทาได้หลายวิธี เช่น โคโรนาดิสชาร์จ (corona discharge) แสง UV หรอื โฟโตอ้ เิ ลก็ ทริก (photoelectric) และกัมมนั ตรงั สี (radiation) จากแหล่งกาเนิด -ray หรอื -ray เชน่ 85Kr, 241Am และ 210Po การอัดประจไุ ฟฟา้ แบบแพรก่ ระจายและสนามมีท้ังแบบยูนิ โพลา่ ร์ (unipolar) หรอื แบบไบโพลา่ ร์ (bipolar) ขึ้นอยูก่ บั ข้วั ของไอออนทเี่ กาะตดิ หรอื ชนกับอนุภาค 2.9.1 การอัดประจุไฟฟา้ อนุภาคแบบแพรก่ ระจาย สาหรับในกรณีท่ีไม่มีสนามไฟฟ้าใดๆ ปรากฏ อนุภาคจะถูกอัดประจุแบบแพร่กระจาย (diffusion charging) โดยการเคล่ือนที่ไร้ทิศทางบราวเนียน (Brownian random motion) ของ ไอออนไปยังอนุภาคดังแสดงไว้ในรูปท่ี 2.7 ค่าจานวนประจุเฉลี่ย nd ของการอัดประจุไฟฟ้าแบบ แพร่กระจายในช่วงเวลา t และขนาดเสน้ ผา่ นศูนยก์ ลางของอนภุ าค dp สามารถหาได้จาก nd  d pkT ln    K E d pcie2 Nit  (2.38) 2KEe2 1 2kT  เมอ่ื ci คือความเร็วเชิงความร้อนเฉลี่ยของไอออน (ion mean thermal speed) k คือค่าคงท่ีของ โบร์ทมานน์ (Boltzmann’s constant) มีค่าเท่ากับ 1.380658  10-23 J/K T คืออุณหภูมิทางาน 36

ของระบบ e คือค่าประจุของอิเล็กตรอนมีค่าเท่ากับ 1.6  10-19 C KE 1/ 40 Ni คือความ เข้มข้นของไอออน และ t คือเวลาที่ใช้ในการอัดประจุ ท่ีเง่ือนไขมาตราฐานสมการท่ี 2.38 จะมี ความถูกต้องท่ี Nit > 1012 ion.s/m3 สาหรับอนุภาคท่ีมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางจาก 0.07 ถึง 1.5 µm และ Nit > 1013 ion.s/m3 สาหรับอนุภาคที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางจาก 0.05 ถึง 40 µm (Hinds 1999) 2.9.2 การอดั ประจุไฟฟ้าอนภุ าคแบบสนามไฟฟ้า การอัดประจุไฟฟ้าอนุภาคแบบสนามไฟฟ้า (field charging) เป็นการอัดประจุไฟฟ้าด้วย ไอออนแบบยูนิโพล่าร์ (unipolar ions) ในสนามไฟฟ้าท่ีมีความเครียดสูงค่าจานวนประจุเฉล่ียบน อนภุ าคทไ่ี ด้มาในสนามไฟฟ้า nf จะสามารถหาไดจ้ าก nf  1 2 1   Ed 2    KEeZi Nit  (2.39)  2   p     KEeZi Nit    4KEe 1 เมื่อ  คือค่าสภาพยอมรับได้ทางไฟฟ้าของวัสดุอนุภาคและ E คือความเข้มของสนามไฟฟ้า และ Zi คือความสามารถในการเคล่ือนตัวทางไฟฟ้าของไอออน โดยสองเทอมแรกของสมการที่ 2.39 แสดงถึงสถานะท่ีประจุอ่ิมตัวไปถึงหลังเวลาเพียงพอ (sufficient time) ที่สภาวะการอัดประจุไฟฟ้าที่ กาหนด ในเทอมแรกจะอยู่บนพื้นฐานค่าคงที่ความเป็นฉนวนหรือค่าสภาพยอมรับได้ทางไฟฟ้าของ วัสดปุ กติจะมคี า่ อยูใ่ นช่วง 1.0 สาหรับ  = 1 ถึง 3.0 สาหรับ  =  ค่าสภาพยอมรับได้ทางไฟฟ้า ของวัสดุจะแสดงให้เห็นถึงความคงทนของสนามไฟฟ้าสถิตท่ีสร้างข้ึนในวัสดุที่แตกต่างกันโดยท่ี ศักย์ไฟฟ้าคงท่ีที่มีความสัมพันธ์เช่นเดียวท่ีสร้างขึ้นในสูญญากาศภายใต้เง่ือนไขเดียวกัน ซ่ึงค่าสภาพ ยอมรับได้ทางไฟฟ้าของวัสดุมีค่าจาก 1 (อนุภาคที่เป็นฉนวน) ไปจนถึงค่า  (อนุภาคท่ีเป็นตัวนา) สาหรับวัสดุทั่วไปแล้วค่าสภาพยอมรับได้ทางไฟฟ้าของวัสดุจะมีค่าอยู่ในช่วง 1 – 10  = 1.0 สาหรับสูญญากาศ 1.00058986 สาหรับอากาศ 5.1 สาหรับ Dioctylphthalate (DOP) 4.3 สาหรับ ควอตซ์ (quartz) 80 สาหรับนา้ บรสิ ุทธแ์ิ ละคา่ อนนั ต์สาหรับอนุภาคตัวนา 2.10 หลกั การตกตะกอนอนภุ าคเชิงไฟฟา้ สถิต การตกตะกอนเชิงไฟฟ้าสถติ เป็นกระบวนการในการกาจัดอนุภาคออกจากการไหลของก๊าซโดย อาศยั แรงทางไฟฟ้าสถติ ท่เี กดิ ขนึ้ ภายใต้สนามไฟฟ้า สนามไฟฟ้าจะประกอบด้วย 2 ส่วนหลักๆ คือ ขั้ว ดิสชาร์จ (discharge electrode) และข้ัวตกตะกอน (collection electrode) ดังรูปท่ี 2.8 เม่ือจ่าย ไฟฟ้าแรงดันสูงใหก้ บั ดสิ ชารจ์ อเิ ล็กโทรดโดยใชแ้ ผ่นตกตะกอนเป็นกราวด์จะทาให้เกิดปรากฎการณ์โค โรนาดิสชาร์จ (corona discharge) ข้ึนโดยรอบๆ ท่ีขั้วอิเล็กโทรด ไอออน (ions) และอิเล็กตรอน (electrons) จะถูกสร้างข้ึนในจุดท่ีเกิดโคโรนาและทาให้เกิดการไหลของกระแสไอออน ผ่านช่องว่าง ระหวา่ งดสิ ชาร์จอเิ ล็กโทรดกบั แผ่นตกตะกอน เม่ือมอี ากาศ 37

Discharge electrode Gas inlet v Clean gas outlet w Collection electrode รปู ที่ 2.8 ลกั ษณะการตกตะกอนของอนุภาคในสนามไฟฟ้า หรือก๊าซไอเสียที่มีอนุภาคฝุ่นไหลผ่านเข้ามาในช่องว่าง จะทาให้เกิดการชนกันระหว่างอนุภาคกับ ไอออน ไอออนก็จะเกาะติดกับอนุภาคที่ไหลเข้ามาหรือที่เรียกว่าการอัดประจุอนุภาคดังท่ีได้กล่าวใน บททผ่ี า่ นมา เป็นผลทาใหอ้ นภุ าคท่ีมีประจุถกู ทาใหเ้ คลอื่ นทด่ี ้วยแรงทางไฟฟ้าสถิตหรือที่เรียกว่าแรงคู ลอมบไ์ ปเกาะยังแผ่นตกตะกอนและถูกสะสมตัวอยู่บนแผ่นตกตะกอน โดยอนุภาคเหล่านี้จะถูกกาจัด ออกจากแผน่ ตกตะกอนโดยการเคาะแผ่นตกตะกอนดว้ ยคอ้ นเพื่อทาใหฝ้ นุ่ หลดุ ตกลงไป ดังน้ัน การตกตะกอนเชิงไฟฟ้าสถิตของอนุภาคในสนามไฟฟ้าจาเป็นต้องรู้สมดุลของแรง ทั้งหมดท่ีกระทาบนอนุภาค ซึ่งประกอบด้วยแรงโมเมนตัม (momentum force) FT แรงทางไฟฟ้า (electrical force) FE และแรงเสียดลาก (drag force) FD โดยผลรวมของแรงที่กระทาบนอนุภาค ทง้ั หมดจะเท่ากับศูนย์ดงั สมการท่ี 2.40 FT  FE  FD  0 (2.40) จากกฎของนิวตนั (Newton’s law) ของอนุภาคจะไดส้ มการเชิงอนุพันธ์ของการเคล่ือนท่ีของอนุภาค คือ mp dw  npeE  1 3d pw  mp g(p  ) (2.41) dt Cc  เมื่อ mp คือมวลของอนภุ าค np คือจานวนประจุของอนุภาค e คือค่าประจุของอิเล็กตรอน E คือ สนามไฟฟ้า  คือความหนืดของของไหลม่ีค่าเท่ากับ 1.846 x 10-5 m2/s dp คือขนาดเส้นผ่าน ศูนย์กลางของอนุภาค w คือความเรว็ ของอนุภาคที่เคลื่อนทไี่ ปยังขวั้ ตกตะกอน Cc คือตัวชดเชยของ คันนิงแฮม (Cunningham, 1910) g คือความเร่งเน่ืองจากแรงโน้นถ่วงของโลก p คือความ หนาแนน่ ของอนภุ าค  คือความหนาแน่นของอากาศมีคา่ เท่ากับ 1.1614 kg/m3 และ t คือเวลาใน การเคล่ือนท่ี โดยพิจารณาให้มวลของอนุภาคและผลของแรงโน้มถ่วงของโลกมีค่าน้อยมากเม่ือเทียบ กบั ผลของสนามไฟฟา้ ดังนนั้ จะไดค้ วามเร็วของอนุภาคทเ่ี คล่อื นท่ีไปยังขว้ั ตกตะกอนคือ 38

w  npeECc (2.42) 3d p การเคล่อื นท่ขี องอนุภาคภายในเครื่องตกตะกอนสามารถเขียนเป็นสมการเชิงอนุพนั ธ์ดังนี้คอื dr  npeCcE(r) (2.43) dt 3d p dz  v(r) (2.44) dt เมื่อ r คือระยะในแนวรัศมี z คือระยะในแนวแกนและ v(r) คือความเร็วของของไหล ทาการรวม สมการที่ 2.43 และ 2.44 ได้ดังน้ี dr (2.45) dr  dt  npeEi (r)Cc dz dz 3d pv(r) dt ทาการอินทเิ กรตสมการที่ 2.46 จะได้ระยะการเคลื่อนที่ของอนุภาคในสนามไฟฟา้ คือ z  3d p r v(r) (2.46) dr npeCc r1 E(r) 2.11 การวัดประจุไฟฟ้าสถิตของอนภุ าคด้วยลูกถ้วยฟาราเดย์ ลูกถ้วยฟาราเดย์ (Faraday cup) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการวัดประจุไฟฟ้าสถิตของอนุภาคที่มี ประจุ รปู ท่ี 2.9 แสดงลักษณะโครงสรา้ งของลูกถว้ ยฟาราเดย์ ภายในลกู ถว้ ยฟาราเดย์ประกอบด้วยตัว กรองอนุภาคประสิทธิภาพสูง (high efficiency particulate-free air filter) หรือที่เรียกว่าตัวกรอง อนุภาคแบบ HEPA ที่วางอยู่ภายในตัวจับยึด (filter holder) ที่ทาจากโลหะตัวนาไฟฟ้าบรรจุอยู่ ภายในลูกถ้วยโลหะตัวนาไฟฟ้าและถูกแยกออกจากกันทางไฟฟ้าจากลูกถ้วยด้วยฉนวนไฟฟ้าอย่างดี โดยทั่วไปนิยมใช้ Teflon® ซ่ึง Teflon® เป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีและมีผลของ piezoelectric น้อย สาหรบั ตัวเชอื่ มต่อแบบกนั สัญญาณรบกวนจะใช้ในการเชื่อมต่อเข้ากับตัวจับยึดแผ่นกรองอนุภาคเพ่ือ ส่งถ่ายประจุอนุภาคหรือไอออนที่สะสมบนแผ่นกรองไปยังเครื่องวัดกระแสระดับต่าปกติแล้วค่า สัญญาณกระแสไฟฟ้าท่ีวัดได้จะอยู่ในช่วง 0 ถึง 10 pA การวัดด้วยวิธีนี้จะสมมุติให้ตัวกรองอนุภาค สามารถกรองอนภุ าคทง้ั หมดที่ผ่านมากับอากาศตัวอย่างได้ ซึ่งประสิทธิภาพของตัวกรองอนุภาคแบบ HEPA จะมปี ระสิทธิภาพในการกรองอนภุ าคและไอออนได้ประมาณ 99.8 % แต่ข้อเสียของวิธีการนี้ก็ คอื การเกดิ ความดันตกระหวา่ งตัวกรองอนภุ าคซ่งึ จาเป็นต้องให้มีอตั ราการไหลของอากาศตวั อยา่ งท่ี 39

Teflon insulator Incoming charged Collected HEPA particles particles filter Aerosol   Aerosol inlet outlet Electrometer Metal housing Signal output Faraday cup รปู ท่ี 2.9 ลักษณะโครงสร้างของลูกถ้วยฟาราเดย์ สูงพอ โดยค่าสัญญาณกระแสไฟฟ้าของอนุภาค I p จะเป็นฟังก์ชั่นของค่าความหนาแน่นของประจุ สุญญากาศ (space-charge density)  อัตราการไหลของอนุภาค (aerosol flow rate) Qa ผ่าน ตัวกรองอนภุ าคดงั สมการคือ I p  Qa (2.47) เมอ่ื   npeN p (2.48) np คือจานวนประจุของอนุภาค e คือประจุของอิเล็กตรอนพ้ืนฐานมีค่าเท่ากับ 1.61 x 10-19 C และ Np คอื คา่ ความเข้มขน้ จานวนของอนุภาค โดยกระแสไฟฟา้ ทีว่ ัดไดจ้ ะถูกแปลงผันไปเป็นความเข้มข้น จานวนของอนุภาค Np สาหรับอนุภาคละอองลอยแบบขนาดเดียว (monodisperse) ดังสมการ ต่อไปน้ี (Intra and Tippayawong, 2007, 2008b, 2011) Np  Ip (2.49) g(np , d p )npeQa เมือ่ g(n,dp) คอื ความเปน็ ไปได้ (probability) ของอนภุ าคทมี่ ขี นาดเส้นผ่านศูนย์กลาง dp ท่ีได้รับ ประจุ np และสาหรับในกรณขี องอนุภาคละอองลอยแบบหลายขนาด (polydisperse) สมการความ เข้มขน้ จานวนของอนภุ าคในสมการท่ี 2.29 สามารถเขียนใหมไ่ ดด้ งั นี้ 40

N p (d p ) M g (n (d ), Ip (d )eQa d pi (2.50) i 1 d pi )npi pi pi pi เม่ือ M คือจานวนของ bin ขนาดอนุภาค dpi คือขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคเฉล่ียใน i ของ bin และ dpi คือความกว้างของ bin ขนาดอนุภาค i ดังสมการท่ี 2.49 และ 2.50 และ สามารถคานวณหาความเข้มข้นเชงิ มวลของอนภุ าคได้จาก mp Ip  p (d p )d 3 dd p (2.51) 6 eQp p np (d p ) เมอ่ื p คอื ความหนาแนน่ ของอนภุ าค 41

บทที่ 3 การพฒั นาต้นแบบเคร่ืองวัดปริมาณฝนุ่ ละออง PM2.5 3.1 เป้าหมายในการพฒั นาต้นแบบ การออกแบบของเคร่อื งวดั ปรมิ าณฝนุ่ ละอองในบรรยากาศแบบใช้หลักการเชิงไฟฟ้าให้สามารถ รายงานผลการวัดและควบคุมการทางานแบบออนไลน์ (online) ด้วยเวลาจริง (real-time) โดยใช้ เครือ่ งมือ วัสดุ อปุ กรณ์ เเละระบบควบคุมที่สามารถพัฒนาและหาได้ภายในประเทศ ทดแทนชิ้นส่วน จากตา่ งประเทศ และเพ่ือให้ได้เงื่อนไขของแบบเคร่ืองมือวัดท่ีเหมาะสมต่อการทางาน ราคา และการ ยอมรับของผู้ใช้เชิงพาณิชย์ ดังนั้น เพ่ือให้บรรลุเป้าหมายที่ตั้งไว้ เครื่องต้นแบบท่ีจะทาการพัฒนาข้ึน ดังกล่าวจะต้องสามารถวัดและเก็บตัวอย่างฝุ่นละออง PM2.5 ในอากาศได้ในเวลาเดียวกัน โดยมีช่วง ของความเข้มข้นของอนุภาค 0.1 ถึง 4,000 ไมโครกรัม ต่อ ลูกบาศก์เมตร โดยใช้เวลาในการ ประมวลผลน้อยกว่า 1 วนิ าที สามารถทาการวัดและแสดงผลการวัดได้เป็นระยะเวลายาวนานไม่น้อย กว่า 1,000 ชั่วโมง โดยไม่มีซ่อมบารุงรักษาหรือการถอดล้าง/เปลี่ยนอุปกรณ์ในขณะทาการวัด และ ทดสอบวัดฝุ่นละอองในบรรยากาศของประเทศไทยระยะยาวหรือในช่วงเวลา 1 ปี เพ่ือเปรียบเทียบ กับวธิ กี ารตรวจวัดมาตรฐานแบบอา้ งอิง (Federal Reference Method; FRM) ตามทอ่ี งค์การพิทักษ์ ส่ิงแวดล้อมแห่งประเทศสหรัฐอเมริกา (United States Environmental Protection Agency; US EPA) กาหนดไว้ ตารางท่ี 3.1 แสดงเกณฑ์ในการออกแบบโดยรวมของเครื่องต้นแบบท่ีจะทาการ พัฒนาในโครงการน้ี รูปท่ี 3.1 แสดงไดอะแกรมเคร่ืองวัดฝุ่นต้นแบบท่ีจะทาการพัฒนา โดยเคร่ืองต้นแบบจะใช้ หลักการวัดกระแสไฟฟ้าสถิต (Electrostatic Current) ของอนุภาคผ่านตัวกรองฝุ่นละออง ประสิทธิภาพสูง (High Efficiency Particulate Free Air Filter หรือ HEPA) ท่ีประกอบด้วย ชุดรับ ฝุ่นขาเข้า ชุดควบคุมสภาพแวดล้อมฝุ่นขาเข้า ชุดอัดประจุอนุภาค ชุดกาจัดไอออน ชุดคัดแยกฝุ่น ละออง PM2.5 ชุดตรวจวัดสัญญาณไฟฟ้าอนุภาคดว้ ยลกู ถว้ ยฟาราเดย์และวงจรอิเล็กโทรมิเตอร์ขยาย สัญญาณ ชุดควบคุมและประมวลผลข้อมูล ชดุ วัดและควบคมุ อัตราการไหลของอากาศ ป๊ัมสุญญากาศ แหล่งจ่ายไฟฟ้าแรงดันสูงกระแสตรง การทางานของเครื่องเริ่มจากอากาศตัวอย่างถูกดูดด้วยป๊ัม สุญญากาศที่อัตราการไหล 7 ลิตรต่อนาที เข้าทางชุดรับฝุ่น เป็นส่วนท่ีทาหน้าท่ีรับฝุ่นเข้ามาท่ี เครื่องวัดต้นแบบโดยจะต้องติดตั้งไว้ภายนอกอาคาร ท่ีระยะความสูงระดับ 1.5 ถึง 6 เมตร ตามที่ คณะกรรมการสง่ิ แวดล้อมแหง่ ชาติ ไดป้ ระกาศไวใ้ นเรื่อง กาหนดมาตรฐานฝุ่นละอองขนาดเล็กไม่เกิน 2.5 ไมครอน ในบรรยากาศทั่วไป (ประกาศคณะกรรมการส่ิงแวดล้อมแห่งชาติ, 2553) มีการป้องกัน ไม่ให้น้าฝน ละอองน้า สัตว์ขนาดเล็กหรือแมลงผ่านเข้ามาได้ และฝุ่นสามารถเคล่ือนผ่านได้ดีไม่ ก่อใหเ้ กดิ ความตนั ตกในระบบการวัด อีกท้ังตอ้ งทาจากวสั ดทุ ่สี ามารถทนต่อแสงแดดและน้าฝน ชุดนา ฝุ่นขาเข้า บริเวณส่วนปลายมีลักษณะเป็นทรงกระบอกทาจากวัสดุอลูมิเนียมขัดมัน มีหัวปิดสาหรับ ป้องกันนา้ มีช่องรบั ฝุน่ สาหรับรบั ฝนุ่ อตั ราการไหลมากถงึ 30 ลิตรต่อนาที โดยมีตะแกรงโลหะสาหรับ ปอ้ งกนั แมลงเข้าไปในระบบการวดั ฝ่นุ จากนัน้ อากาศตัวอยา่ งจะเข้ามาสู่ชุดอัดประจุอนุภาคแบบโคโร นาเพ่ืออัดประจุให้อนุภาคฝุ่นมีประจุไฟฟ้าสถิต จากนั้นจะเข้าไปสู่ชุดกาจัดไอออนเพื่อกาจัดไอออน อิสระออกกอ่ นเข้าไปยังชดุ คัดแยกฝนุ่ PM2.5 เพ่ือแยกฝ่นุ ทีม่ ีขนาดเกนิ กวา่ ชว่ งขนาดท่ตี อ้ งการวดั

(ก) ไดอะแกรม 43

(ข) ลกั ษณะโครงสรา้ ง รปู ท่ี 3.1 เคร่ืองวดั ฝุ่นตน้ แบบทจี่ ะทาการพัฒนาน้ี 44