การตัดวัสดุด้วย “น้ำ” ที่มีแรงดันสูง (Abrasive waterjets)

Abrasive waterjets คือกระบวนการในการตัดวัสดุด้วย “น้ำ” ที่มีแรงดันสูง ผสมเข้ากับผงตัด จัดว่าเป็นหนึ่งในกระบวนการตัดวัสดุที่ได้รับความนิยมรูปแบบหนึ่งในทางอุตสาหกรรม แต่กระนั้นก็ยังมีความถามที่น่าสงสัยเกิดขึ้นกับกระบวนการที่ผสมน้ำกับผงตัดเข้าด้วยกัน ว่าจะเป็นตัวก่อนให้เกิดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมได้หรือไม่ ซึ่งแน่นอนว่าวิธีการทางด้านอุตสาหกรรมดังกล่าว เป็นตัวการที่ส่งผลกระทบกับสภาพแวดล้อม ดังนั้น คำถามต่อไปคือ “กระบวนการ Abrasive waterjets ส่งผลกระทบต่อสภาพแวดล้อมมากน้อยแค่ไหนกัน ?”

ทำความเข้าใจกับ Abrasive waterjet 

กระบวนการตัดวัสดุด้วยวิธีนี้ในทางอุตสาหกรรม เป็นกระบวนการที่ได้รับความไว้วางใจว่าเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมได้มากกว่าการตัดแบบวิธีเก่าๆ ดั้งเดิม เนื่องจากวิธีนี้ตัดเอากระบวนการหล่อเย็นและหล่อลื่นออกไปในระหว่างขั้นตอน ดังนั้นจึงไม่มีการนำเอาสารเคมีเข้ามาใช้ ส่งผลให้ผลกระทบต่อสภาพแวดล้อมนั้นน้อยนิด

นอกเหนือจากนี้ หากได้ลองเปรียบเทียบการตัดที่ใช้ความร้อน กับการตัดด้วยน้ำจะแตกต่างกันคือ การตัดด้วยน้ำจะไม่ทำให้เกิดความร้อนที่เป็นปฏิกิริยาทางเคมีของการเผาไหม้เกิดขึ้น ไม่ก่อให้เกิดก๊าซพิษในระหว่างการตัด ซึ่งเรามักจะพบก๊าซพิษได้ในการตัดวัสดุด้วยความร้อนหรือเลเซอร์ โดยเฉพาะการตัดพลาสติก

การตัดวัสดุด้วยวิธี Abrasive waterjet จะมีส่วนผสมเพียงแค่ผงตัดประเภท “โกเมน” (garnet abrasive)  ผสมกับน้ำ จึงรับประกันได้ว่าจะไม่ส่งผลเสียต่อสภาพแวดล้อม น้ำที่ถูกนำไปใช้แล้ว ยังสามารถวนกลับนำเอามาใช้ในกระบวนการใหม่อีกครั้งได้ ด้วยขั้นตอนเพียงเล็กน้อยด้วยการผสมผงตัดและน้ำก่อนนำมาใช้เท่านั้น

ส่วนเศษผงที่เกิดขึ้นภายหลังจากการตัด จะเป็นเศษที่เกิดขึ้นจากการแตกหักของผงตัดที่รวมเข้ากับเนื้อวัสดุที่ถูกตัด ดังนั้นหากวัสดุที่ถูกตัดไม่ได้มีส่วนผสมของส่วนประกอบที่เป็นสารพิษ ก็เท่ากับว่าเศษชิ้นส่วนเหล่านั้นสามารถนำไปฝังกลบได้ โดยไม่ก่อให้เกิดอันตรายต่อสภาพพื้นดินในบริเวณนั้นๆ นอกจากจะเป็นวัสดุที่ทำจากตะกั่ว ที่จะต้องมีกระบวนการกำจัดที่ซับซ้อนขึ้นมา ช่วยป้องกันปัญหาสภาพแวดล้อมไม่ให้เสียหายได้

เศษของผงตัดบางอย่างที่มาจากเหล็ก ยังสามารถนำเอามาใช้ใหม่ร่วมกับผงตัดได้ด้วย เช่น ไทเทเนียม เหล็ก และอลูมิเนียม ซึ่งจะช่วยให้กระบวนการผลิตวัสดุถูกใช้งานอย่างคุ้มค่า เต็มประสิทธิภาพ เรียกได้ว่าทุกขั้นตอนได้ประโยชน์อย่างสูงสุด หรือที่เรียกกันในทางอุตสาหกรรมว่า “maximum material utilization”

ผลกระทบที่เกิดขึ้นได้ในเชิงสภาพแวดล้อม

อย่างไรก็ตามกระบวนการดังกล่าวเป็นการตัดที่ใช้ผงตัด น้ำ และไฟฟ้าร่วมกัน ผลกระทบต่อสภาพแวดล้อม แม้จะดูเป็นมิตรและปลอดภัย แต่ก็ยังมีผลกระทบเล็กๆ น้อยๆ เกิดขึ้นตามมาได้ นั่นก็คือความร้อนที่มาจากน้ำ และของเสียที่เป็นของแข็ง ซึ่งก็คือเศษผงที่เกิดขึ้นจากการตด แม้จะง่ายในการจัดการ แต่นั่นก็ถือว่าส่งผลกระทบต่อสภาพแวดล้อมได้เช่นกัน

ให้เราลองพิจารณาจากการตัดเหล็กที่มีความยาว 2.5 เมตร หนา 25 มิลลิเมตร ผ่านกระบวนการ Abrasive waterjet เมื่อเราตัดเหล็กดักล่าวด้วยแรงดันน้ำที่ 50,000 psi จากหัวฉีดที่มีขนาด 0.35 มิลลิเมตร โดยใช้ garnet flow ที่ 340 g/min ซึ่งในขั้นตอนนี้จะช่วยให้วัสดุุที่ถูกตัดมีผิวที่เรียบเนียนสวยงาม ใช้เวลาตัดประมาณ 57 นาที มีการใช้ garnet ไปราวๆ 19.14 กิโลกรัม

มีน้ำที่ถูกใช้ไป 197 ลิตร และไฟฟ้าถูกใช้ไปประมาณ 25 kWh ผลกระทบที่ตามมาคือเศษเหล็กที่มีน้ำหนัก 454 กรัม เป็นเศษขยะที่จะต้องถูกนำไปกำจัดทิ้ง เป็นคำถามที่ว่าผลที่ได้ออกมานี้จะส่งผลกระทบทั้งหมดเท่าไหร่กับสภาพแวดล้อม ?

• Garnet หรือผงตัดคือ ส่วนที่แพงที่สุดในกระบวนการดังกล่าว ซึ่งต้นทุนส่วนใหญ่จะไปตกที่ค่าขนส่ง ระยะทางที่ใช้ในการขนส่งผลตัดจะเฉลี่ยตามความจุของรถบรรทุกที่ 18.14 ตัน ในระยะทางโดยประมาณอยู่ที่ 1,610 กิโลเมตร เมื่อคิดเป็นอัตราสิ้นเปลืองจากการขนส่งด้วยรถบรรทุกจะอยู่ที่ 3.4 กิโลเมตร/ลิตร
• Garnet ที่มีน้ำหนัก 19.14 กิโลกรัม ในระยะทางประมาณ 1,610 กิโลเมตร จะต้องใช้พลังงานจากน้ำมันดีเซลไปราว 0.5 ลิตร นอกจากนี้ยังมีส่วนของกระบวนการตัดที่ต้องพึ่งไฟฟ้าเป็นองค์ประกอบด้วย เมื่อพิจารณาตามการผลิตจากโรงไฟฟ้าสมัยใหม่ ซึ่งการตัดใช้ไฟฟ้าที่ 25 kWh เทียบเท่ากับการเผาผลาญพลังงานน้ำมันดีเซลเพิ่มขึ้นอีก 4.5 ลิตร เป็นเหตุให้เราสามารถสรุปได้ว่า Carbon footprint ที่เกิดขึ้นจากการตัดเหล็กดังกล่าว จะเทียบเท่ากับการใช้น้ำมันดีเซลไปทั้งหมด 5 ลิตร ซึ่งใช้สำหรับการขับรถในระยะทางราว 50 กิโลเมตร

ส่วนในเรื่องความร้อนที่เกิดขึ้นจากการตัดวัสดุด้วยวิธีดังกล่าว เป็นสิ่งที่สามารถเกิดขึ้นได้อยู่แล้ว แต่ไม่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมแต่อย่างใด หากเป็นขั้นตอนที่ทำอยู่ภายในห้องควบคุมอุณหภูมิจากเครื่องปรับอากาศที่ช่วยให้ห้องเย็นลงเล็กน้อย ลดความร้อนที่เกิดขึ้นได้

น้ำที่ใช้ไปประมาณ 197 ลิตร เทียบได้กับการนำไปใช้รดน้ำต้นไม้ 10 นาที ซึ่งถือว่าน้อยมากกับการกระทบต่อสิ่งแวดล้อม และน้ำที่เกิดขึ้นจะระบายลงสู่สภาพแวดล้อมได้โดยไม่ต้องผ่านกระบวนการใดๆ ทั้งสิ้น มีเพียงแค่การกรองเอาโลหะหนักออกไปเท่านั้น กรณีที่กล่าวไป หากเป็นวัสดุที่มีสารพิษอย่างตะกั่วอยู่ด้วย จะกำจัดด้วยวิธีกรองเอาสารพิษออกจนหมดก่อนปล่อยทิ้งน้ำ และยังมีการกรองน้ำด้วยวิธี deionized เพื่อเอาน้ำกลับมาใช้ใหม่

จะเห็นได้ว่าผลกระทบที่เกิดขึ้นกับสิ่งแวดล้อมนั้น จะผ่านกระบวนการแก้ไขก่อนที่จะส่งน้ำกลับสู่สภาพแวดล้อมอีกครั้ง garnet ที่ใช้แล้ว ก็จะถูกนำมาใช้ใหม่หรือขายต่อเพื่อนำไปเป็นส่วนประกอบของกระดาษทราย