เหตุใดน้ำป้อนระบบรีเวิร์สออสโมซิสจึงยังคงมีคุณสมบัติในการออกซิไดซ์อยู่ แม้จะเติมสารรีดิวซ์เข้าไปแล้ว?

เมื่อไร ระบบรีเวิร์สออสโมซิส น้ำป้อนยังคงมีสภาพเป็นออกซิเดชันแม้หลังจากเติมสารรีดิวซ์แล้ว สาเหตุหลักโดยทั่วไปคือการเกิดกระบวนการออกซิเดชันแบบเร่งปฏิกิริยาที่ซับซ้อนภายในน้ำ ซึ่งนอกเหนือไปจากการทำให้คลอรีนที่ตกค้างเป็นกลางอย่างง่ายๆ

โซเดียมเมตาไบซัลไฟต์ (SMBS) ซึ่งเป็นสารรีดิวซ์ที่เราใช้กันทั่วไป สามารถกำจัดคลอรีนอิสระได้อย่างรวดเร็วผ่านปฏิกิริยาต่อไปนี้: HSO₃⁻ + HOCl → HSO₄⁻ + Cl⁻ + H⁺

ตามทฤษฎีแล้ว เมื่อคลอรีนที่เหลืออยู่ถูกกำจัดออกไปจนหมดแล้ว ศักยภาพในการออกซิไดซ์ของน้ำควรจะหายไป อย่างไรก็ตาม ในขั้นตอนนี้ ออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำจะกลายเป็นแหล่งออกซิไดซ์ใหม่ ภายใต้สภาวะปกติ ออกซิเจนที่ละลายอยู่จะมีฤทธิ์ออกซิไดซ์อ่อนๆ แต่เมื่อมีไอออนของโลหะทรานซิชัน เช่น เหล็กและทองแดง ไอออนเหล่านี้จะเร่งปฏิกิริยาลูกโซ่ของอนุมูลอิสระระหว่างไอออนไบซัลไฟต์ (ส่วนประกอบที่ออกฤทธิ์ของ SMBS) กับออกซิเจนที่ละลายอยู่ กระบวนการนี้จะสร้างสารที่มีฤทธิ์ออกซิไดซ์สูง รวมถึงอนุมูลซัลเฟตและอนุมูลไฮดรอกซิล

ศักยภาพรีดอกซ์ของอนุมูลอิสระเหล่านี้สูงกว่าศักยภาพรีดอกซ์ของคลอรีนตกค้างอย่างมาก ดังนั้น แม้ว่าจะมี SMBS เหลืออยู่ในระบบมากเกินไป น้ำก็ยังคงมีคุณสมบัติในการออกซิไดซ์ที่ชัดเจนซึ่งสามารถโจมตีเยื่อโพลีอะไมด์ได้โดยตรง

ไอออน Fe²⁺/³⁺ และ Cu⁺/²⁺ สามารถลดพลังงานกระตุ้นที่จำเป็นสำหรับการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันเองของซัลไฟต์เพื่อสร้างสารออกซิเจนที่ว่องไวได้อย่างมีนัยสำคัญ โดยทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการถ่ายโอนอิเล็กตรอน ไอออนเหล่านี้จะเร่งปฏิกิริยาลูกโซ่ที่คล้ายคลึงกับปฏิกิริยาเฟนตันหรือปฏิกิริยาที่คล้ายเฟนตัน:

Cu⁺ + O₂ → Cu²⁺ + O₂•⁻ (ซูเปอร์ออกไซด์แอนไอออน)

ขั้นตอนนี้นำไปสู่ปฏิกิริยาลูกโซ่ออกซิเดชันของซัลไฟต์ ซึ่งการสร้างอนุมูลอิสระจำนวนมากทำให้ศักยภาพในการออกซิไดซ์ของน้ำยังคงสูงอย่างต่อเนื่อง นี่คือเหตุผลหลักว่าทำไมแม้หลังจากเติม SMBS แล้ว น้ำก็ยังคงมีคุณสมบัติในการออกซิไดซ์ และทำไมการมีอยู่ของไอออนเหล็กและทองแดงจึงยิ่งทำให้แนวโน้มนี้รุนแรงขึ้น

ปรากฏการณ์นี้เด่นชัดเป็นพิเศษใน การกลั่นน้ำทะเล ระบบเหล่านี้เกิดขึ้นส่วนใหญ่เนื่องจากปฏิกิริยาเสริมฤทธิ์กันระหว่าง NaCl, NaHCO₃ และไอออนทองแดง:

ไอออนคลอไรด์ที่มีความเข้มข้นสูง (จาก NaCl) จะก่อตัวเป็นสารประกอบคลอโรคอมเพล็กซ์ที่เสถียรกับทองแดง (เช่น CuCl₂⁻, CuCl₃²⁻) การเกิดสารประกอบเชิงซ้อนนี้ไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มความสามารถในการละลายและความเสถียรของไอออนทองแดงอย่างมากเท่านั้น แต่ยังเปลี่ยนแปลงศักยภาพรีดอกซ์ของไอออนทองแดงด้วย ทำให้กิจกรรมเร่งปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ภายในวัฏจักรรีดอกซ์ Cu(I)/Cu(II) สารประกอบทองแดงที่เกิดคลอโรคอมเพล็กซ์เหล่านี้สามารถกระตุ้นออกซิเจนที่ละลายในน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น นำไปสู่การสร้างอนุมูลอิสระอย่างต่อเนื่อง การมีอยู่ของไบคาร์บอเนต (NaHCO₃) มีหน้าที่สองอย่าง: ในด้านหนึ่ง มันให้ความสามารถในการบัฟเฟอร์ รักษาค่า pH ให้อยู่ในช่วงที่เอื้อต่อปฏิกิริยาลูกโซ่ของอนุมูลอิสระ ในอีกด้านหนึ่ง ไอออน HCO₃⁻ สามารถสร้างสารประกอบคาร์บอเนตคอมเพล็กซ์กับทองแดงและอาจเกิดการออกซิเดชันโดยอนุมูลอิสระเพื่อสร้างอนุมูลคาร์บอเนต (CO₃•⁻) สารตัวหลังนี้ทำหน้าที่เป็นสารออกซิไดซ์แบบเลือกเฉพาะ และมีส่วนร่วมในปฏิกิริยารองที่ช่วยยืดอายุการใช้งานของสารออกซิไดซ์

การทำงานร่วมกันอย่างมีประสิทธิภาพของส่วนประกอบทั้งสามนี้ก่อให้เกิดวัฏจักรการออกซิเดชันแบบเร่งปฏิกิริยาที่ยั่งยืนด้วยตนเอง: ระดับคลอไรด์พื้นฐานที่สูงในน้ำทะเลช่วยให้ไอออนทองแดงละลายได้อย่างเสถียรและมีกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาสูง ในขณะที่ไบคาร์บอเนตให้การสนับสนุนด้านการประสานงานและความเป็นด่าง ดังนั้น แม้ว่าคลอรีนที่เหลืออยู่ในน้ำเสียจะถูกกำจัดออกไปอย่างสมบูรณ์โดย SMBS แล้วก็ตาม ระบบซัลไฟต์/ออกซิเจนละลายที่เร่งปฏิกิริยาโดยทองแดงก็ยังคงสร้างอนุมูลอิสระออกซิเดชันอย่างต่อเนื่อง ทำให้รักษาสภาพน้ำให้อยู่ในสภาวะออกซิเดชันอย่างต่อเนื่อง

ในสถานการณ์ที่รุนแรงเช่นนี้ การวัดคลอรีนตกค้างแบบดั้งเดิมไม่สามารถสะท้อนศักยภาพการออกซิเดชันที่แท้จริงได้เลย เนื่องจากสารที่เข้าโจมตีพื้นผิวเมมเบรนคืออนุมูลอิสระของคลอรีน ไม่ใช่กรดไฮโปคลอรัส ในทางตรงกันข้าม ศักยภาพการออกซิเดชัน-รีดักชัน (ORP) ให้การตอบสนองที่ครอบคลุมต่อสมดุลไดนามิกของสารออกซิเดชันและรีดักชันทั้งหมดที่มีอยู่

เมื่อตรวจพบค่า ORP สูงขึ้นผิดปกติ แม้ว่าค่าคลอรีนตกค้างจะยังคงเป็นศูนย์ก็ตาม แสดงว่ามีสารออกซิเจนที่ว่องไวซึ่งสามารถทำลายเยื่อกรองได้สะสมอยู่ในน้ำ ในกรณีเช่นนี้ ต้องดำเนินการแก้ไขโดยทันที เช่น การเพิ่มความเข้มข้นของการบำบัดลดออกซิเจน การกำจัดไอออนโลหะ หรือการปรับปริมาณสาร SMBS ให้เหมาะสม