วันศุกร์ที่ 30 ตุลาคม พ.ศ. 2552

ลอย ลอยกระทง MO Memoir : Friday 30 October 2552

ก่อนอื่นต้องขอต้อนรับสมาชิกใหม่อีก ๒ คนของกลุ่มที่ได้เข้ามาร่วมทีมงานในภาคการศึกษาปลายนี้ เพื่อให้เข้ากับบรรยากาศงานเทศกาลของไทยคืองานเทศกาลลอยกระทงที่จะมีในวันจันทร์ที่ ๒ พฤศจิกายน นี้ Memoir ฉบับนี้เลยขอตั้งคำถามเล่น ๆ (สำหรับบางรายอาจจะรู้สึกว่าคำถามมันดูกวน ๆ ด้วยซ้ำ) ให้คิดกันเล่น ๆ ระหว่างคิด อนุญาตให้ร้องเพลงหรือฟังเพลงลอยกระทงคลอตามไปด้วยได้)

คำถาม ๑ ถ้ามีน้ำอยู่ถังหนึ่ง แล้วทิ้งขนมปังลงไปสักก้อน เมื่อปล่อยทิ้งไว้หลายวัน น้ำนั้นจะเป็นอย่างไร

คำถาม ๒ ถ้ามีน้ำอยู่ถังหนึ่ง แล้วทิ้งโฟมลงไปสักก้อน เมื่อปล่อยทิ้งไว้หลายวัน น้ำนั้นจะเป็นอย่างไร

ผมเดาว่าคำตอบที่จะตอบกันสำหรับคำถาม ๑ คือน้ำนั้นจะเน่าเสีย เนื่องจากเป็นผลของการย่อยสลายขนมปังด้วยกระบวนการทางธรรมชาติ ส่วนคำตอบสำหรับคำถาม ๒ คือน้ำนั้นจะยังคงเหมือนเดิม คือไม่เกิดการเน่าเสียเพราะโฟมมันไม่ย่อยสลายด้วยกระบวนการทางธรรมชาติ

ทีนี้ถ้าลองตั้งคำถามใหม่ว่า

คำถาม ๓ ถ้าลอยกระทงโดยใช้กระทงที่ทำจากวัสดุที่ย่อยสลายได้ด้วยกระบวนการทางธรรมชาติ (เช่นต้นกล้วย) จะส่งผลต่อ "คุณภาพของน้ำ" ของแหล่งน้ำที่ใช้ลอยกระทงอย่างไร

คำถาม ๔ ถ้าลอยกระทงโดยใช้กระทงที่ทำจากวัสดุที่ไม่ย่อยสลายด้วยกระบวนการทางธรรมชาติ (เช่นโฟม) จะส่งผลต่อ "คุณภาพของน้ำ" ของแหล่งน้ำที่ใช้ลอยกระทงอย่างไร

ลองตอบคำถาม ๓ และ ๔ ก่อน แล้วจึงอ่านคำถาม ๕ ข้างล่าง

คำถาม ๕ ถ้าเอาคำตอบของคำถาม ๑ และ ๒ มาใช้พิจารณาว่าควรใช้วัสดุใดในการทำกระทง กับสิ่งที่เขารณรงค์ให้ใช้กัน คุณว่ามันขัดกันไหม

จะว่าไปแล้วคำถาม ๓ และ ๔ ยังไม่สมบูรณ์นัก เพราะคำตอบของคำถาม ๓ และ ๔ ขึ้นอยู่กับลักษณะของแหล่งน้ำที่ใช้ลอยกระทงว่าเป็น "แหล่งน้ำเปิด" หรือ "แหล่งน้ำปิด"

"แหล่งน้ำเปิด" คือแหล่งน้ำที่มีการไหลถ่ายเทหมุนเวียนของน้ำได้ดี เช่น แม่น้ำและลำคลอง (ที่มีการเปิดประตูระบายน้ำให้น้ำไหลผ่านได้) ส่วน "แหล่งน้ำปิด" คือแหล่งน้ำที่น้ำไม่มีการไหลถ่ายเทหมุนเวียน เช่น สระ คู บ่อ ฯลฯ

น้ำในแหล่งน้ำเปิดนั้นมีการเปลี่ยนถ่ายอยู่ตลอดเวลา และกระทงที่ลอยในแหล่งน้ำเปิดนั้นก็อย่าคาดหวังว่าจะมีเจ้าหน้าที่มาเก็บกวาดขึ้นมาจากน้ำหลังจากลอยไปแล้ว แต่น้ำในแหล่งน้ำปิดนั้นไม่มีการหมุนเวียน (หรือมีก็น้อยเต็มที) และหลังจากเสร็จสิ้นงานแล้วก็มักมีเจ้าหน้าที่มาทำความสะอาดแหล่งน้ำนั้นโดยเก็บกระทงต่าง ๆ ที่คนลอยไว้ในคืนวันงานเอาไปทิ้ง ส่วนจะเก็บกวาดได้หมดหรือไม่หมดนั้นก็เป็นอีกเรื่องหนึ่ง ถ้าเก็บกวาดได้หมดก็แล้วไป แต่ถ้าเก็บกวาดไม่หมด กระทงที่ย่อยสลายได้ก็จะเกิดการย่อยสลายในแหล่งน้ำนั้น ส่วนกระทงที่ไม่ย่อยสลายก็จะยังคงอยู่ของมันไปเรื่อย ๆ

เมื่อมีการย่อยสลายสารอินทรีย์ในน้ำ จุลินทรีย์ที่ย่อยสลายสารอินทรีย์ที่อาศัยออกซิเจนจะเติบโตเพิ่มจำนวนอย่างรวดเร็วและใช้ออกซิเจนในน้ำจนทำให้ออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำนั้นลดลง สิ่งมีชีวิตเช่นปลาจะอยู่ไม่ได้ ซึ่งจะเห็นได้จากปลาเริ่มมาหายใจที่ผิวหน้าน้ำ เพราะเป็นบริเวณที่น้ำสัมผัสกับอากาศและมีความเข้มข้นออกซิเจนสูงกว่าใต้ผิวน้ำ บ่อปลาในหลายแห่งที่มีคนเอาอาหารหรือขนมปังโยนลงไปให้ปลากิน พอปลากินไม่ทัน อาหารหรือขนมปังที่เหลือก็จะทำให้น้ำเน่าเสีย ทำให้ปลาตายหมดทั้งบ่อได้ พอออกซิเจนหมดไป พวกจุลินทรีย์ที่ไม่ต้องการออกซิเจนก็จะเข้ามาแทนที่ มีการเปลี่ยนสารประกอบกำมะถันให้กลายเป็น H2S ซึ่งมีกลิ่นเหม็น

ถ้ามองจากมุมการใช้วัสดุที่ย่อยสลายได้มาทำกระทง ก็จะมีข้อดีตรงที่มันถูกทำลายได้โดยกระบวนการทางธรรมชาติ และเหมาะกับแหล่งน้ำเปิดหรือแหล่งน้ำปิดขนาดใหญ่ และแม้ว่าจะเก็บกวาดขึ้นมาก็กำจัดได้ง่ายกว่า แต่ถ้ามองจากมุมมองของการใช้วัสดุที่ไม่ย่อยสลายโดยธรรมชาติ ก็จะมีข้อดีตรงที่ถ้าตกค้างอยู่ในแหล่งน้ำปิดก็จะไม่ทำให้แหล่งน้ำได้เสีย ส่วนคำตอบว่าควรใช้วัสดุอะไรมาทำกระทงนั้น ก็ต้องเอาข้อดี-ข้อเสีย ทั้งหมดมาพิจารณา แล้วดูว่าภาพโดยรวมแล้ววัสดุไหนจะดีกว่ากัน ซึ่งเชื่อว่าพวกคุณทุกคนคงหาคำตอบเองได้

ขอให้เที่ยวอย่างสนุกในคืนวันลอยกระทง

วันอังคารที่ 20 ตุลาคม พ.ศ. 2552

เรื่องของสุญญากาศกับ XPS MO Memoir : Tuesday 20 October 2552

เครื่อง XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) เป็นเครื่องมือที่ราคาแพงเครื่องหนึ่งในแลปของเรา ราคาตอนที่ซื้อมานั้นกว่า 200,000 เหรียญสหรัฐ (นี่เป็นราคาของรุ่นต่ำสุดแล้วนะ และเป็นราคาเพื่อสถาบันการศึกษาซะด้วย) แต่ก็เป็นเครื่องที่มีปัญหามากเครื่องหนึ่ง สาเหตุหนึ่ง (หรือเป็นสาเหตุหลักเลยก็ได้) คือคนที่ต้องการใช้เครื่องไม่ได้สนใจที่จะเรียนรู้จักการทำงานของเครื่อง ไม่ได้สนใจที่จะเฝ้าดูการทำงานของเครื่องเพราะเห็นว่าเครื่องมันมีคอมพิวเตอร์ควบคุมตลอดเวลาแล้วคงไม่ต้องนั่งเฝ้าก็ได้ และที่สำคัญคือความเร่งรีบในการวิเคราะห์เพื่อให้มีผลการวิเคราะห์ส่ง (ขืนไม่มีเดี๋ยวโดนด่า) ทำให้เกิดการลัดขั้นตอนการเตรียมตัวอย่าง

มีอยู่ครั้งหนึ่งมีความพยายามที่จะออกกฎให้ทำการวิเคราะห์ตัวอย่าง (ให้ใส่ตัวอย่างเข้าเครื่อง) ได้ทีละ 1 ตัวอย่าง โดยอ้างเหตุผลว่าพอนิสิตใส่ตัวอย่างเข้าไปหลายตัวอย่างแล้ว พอเริ่มวิเคราะห์ตัวอย่างแรกความดันในห้องวิเคราะห์ก็เพิ่มสูงขึ้นกระทันหันเมื่อทำการวิเคราะห์ จนทำให้ระบบป้องกันของเครื่อง XPS หยุดการทำงานของเครื่อง แต่ตัวเครื่องนั้นสามารถรับได้ถึง 10 ตัวอย่าง (แต่จริง ๆ จะใส่เต็มที่ 9 แล้วว่างไว้ตำแหน่งหนึ่งสำหรับวางตัวอย่างมาตรฐาน) และในความเป็นจริงนั้นผมก็สามารถใส่ตัวอย่างเข้าวิเคราะห์ได้เต็มที่ถึง 9 ตัวอย่างและทำการวิเคราะห์ได้ทุกตัวอย่างโดยที่เครื่องไม่มีปัญหาใด ๆ สาเหตุที่ทำได้เป็นเพราะการใส่ตัวอย่างและการเตรียมการวิเคราะห์ได้ทำอย่างเหมาะสมและถูกต้อง เรื่องนี้ได้อธิบายไปหลายครั้งแล้วแต่ก็ไม่มีใครสนใจที่จะปฏิบัติตาม ได้แต่ฟัง ๆ ไปอย่างงั้น ทั้งนี้ผมคิดว่าอาจเป็นเพราะว่าถ้าทำตามที่ผมบอกไว้ จะทำให้สามารถวิเคราะห์ตัวอย่างได้แค่ประมาณ 30 ตัวอย่างต่อสัปดาห์ แม้ว่าจะทำการวิเคราะห์ตลอด 24 ชั่วโมงโดยไม่มีวันหยุดเลยก็ตาม (ตัวเลขนี้มาได้อย่างไรรอดูการคำนวณข้างล่างก็แล้วกัน) แต่ความต้องการผลการวิเคราะห์มาก ๆ โดยเร็วเพื่อ ...... (เติมคำในช่องว่างเอาเอง) ทำให้สิ่งที่ผมเตือนเอาไว้ไม่ได้รับความสนใจ

เรื่องสำคัญเรื่องหนึ่งที่ต้องทำความเข้าใจในการเตรียมการวิเคราะห์คือ "ความสัมพันธ์ระหว่างตัวอย่างที่ต้องการวิเคราะห์กับการทำสุญญากาศของเครื่อง"

เครื่อง XPS นั้นวัดพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจะอะตอมด้วยการกระตุ้นของรังสีเอ็กซ์พลังงานต่ำ (เส้น Mg Kα หรือ Al Kα) หรือลำอิเล็กตรอนพลังงานต่ำ เครื่อง XPS ที่ใช้ในแลปเรานั้นจะใช้รังสีเอ็กซ์เป็นตัวกระตุ้น อิเล็กตรอนที่หลุดออกมาซึ่งเรียกว่า photo electron นั้นมีพลังงานจลน์ต่ำ กล่าวคืออยู่ในระดับหลักสิบหรือหลักร้อยอิเล็กตรอนโวลต์ (eV) (เพื่อเป็นการเปรียบเทียบ ขอยกตัวอย่างลำอิเล็กตรอนที่ใช่ส่องดูตัวอย่างในกล้องจุลทรรศอิเล็กตรอน ซึ่งมีพลังงานในระดับหลักพันหรือหลักหมื่น eV) ดังนั้นเพื่อให้ photo electron ที่หลุดออกมาจากตัวอย่างเดินทางไปถึง detector ได้ ความดันในห้องวิเคราะห์จะต้องต่ำมาก โดยอยู่ในระดับที่เรียกว่าสุญญากาศยวดยิ่ง (Ultra High Vacuum - UHV) ซึ่งอยู่ในระดับต่ำกว่า 10-10 mmHg หรือ 10-8 Pa (เพื่อเป็นการเปรียบเทียบ ความดันในการส่องตัวอย่างของกล้องจุลทรรศอิเล็กตรอนจะอยู่ที่ประมาณ 10-3 ถึง 10-4 Pa)

อุปกรณ์การทำสุญญากาศนั้นแตกต่างไปจากอุปกรณ์เพิ่มความดันให้เหนือบรรยากาศ ตัวอย่างเช่นในกรณีของการเพิ่มความดันนั้น ถ้าเราใช้ปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) แล้วพบว่าความดันที่เพิ่มขึ้นนั้นยังสูงไม่พอ เราก็แก้ปัญหาได้โดยการเลือกปั๊มที่มีหลายใบพัดต่อนุกรมกันเพื่อเพิ่มขั้นตอนการอัด (การออกแบบยังเป็น centrifugal pump เหมือนเดิม) หรือเลือกใช้ปั๊มที่มีความเร็วรอบการหมุนสูงกว่าเดิมก็ได้ (ผมเคยปีประสบการณ์กับปั๊มหอยโข่ง single stage ที่สามารถอัดของเหลวจากความดันบรรยากาศขึ้นไปถึงประมาณ 70 bar (เมื่อวาวล์ด้านขาออกปิด) ในขั้นตอนเดียว แต่ว่าใบพัดหมุนที่ความเร็วกว่า 10,000 รอบต่อนาที (ปั๊มหอยโข่งทั่วไปจะหมุนด้วยความเร็วรอบประมาณ 1,500 รอบต่อนาทีหรือต่ำกว่า)) แต่การทำสุญญากาศและอุปกรณ์วัดความดันสุญญากาศนั้นจะขึ้นอยู่กับระดับสุญญากาศที่ต้องการ กล่าวคือปั๊มสุญญากาศที่ทำสุญญากาศได้ในระดับปานกลางหรือระดับต่ำ จะไม่สามารถทำสุญญากาศในระดับต่ำมากได้ (ต้องใช้ปั๊มที่ได้รับการออกแบบต่างระบบกันไปเลย)

ปั๊มสุญญากาศที่ทำสุญญากาศในระดับสุญญากาศยวดยิ่งหรือต่ำมาก จะไม่เหมาะสมหรือใช้งานได้ถ้าเริ่มต้นทำสุญญากาศยวดยิ่งจากความดันบรรยากาศ แต่จะดีกว่าถ้าเริ่มทำสุญญากาศยวดยิ่งจากระบบที่มีความดันต่ำกว่าบรรรยากาศในระดับหนึ่งแล้ว ส่วนอุปกรณ์วัดความดันนั้นก็เช่นกัน อุปกรณที่วัดความดันได้ต่ำจะไม่สามารถวัดความดันสูงได้ (เพราะเกจวัดความดันจะพัง) ในทำนองเดียวกันอุปกรณ์ที่วัดความดันสุญญากาศในระดับสุญญากาศยวดยิ่งหรือต่ำมากก็จะทำงานไม่ได้ถ้าระดับสุญญากาศนั้นยังไม่ต่ำมากพอ เพราะจะทำให้อุปกรณ์วัดความดันเสียหายได้

ต่อไปจะเริ่มกล่าวถึงความสัมพันธ์ระหว่างการใส่ตัวอย่างและการทำสุญญากาศของเรื่อง XPS ที่ใช้อยู่ในแลปของเราโดยขอให้พิจารณารูปที่ 1 ข้างล่างประกอบที่แสดงแผนผังอย่างง่ายของส่วนประกอบต่าง ๆ ของเครื่อง XPS ที่ใช้อยู่ในแลปของเรา

รูปที่ 1 แผนผังส่วนประกอบของเครื่อง XPS

ในการใส่ตัวอย่างเข้าเครื่องนั้น เราจะใส่ตัวอย่างเข้าในห้อง "ช่องใส่ตัวอย่าง" ก่อนโดยวางบนแขนสำหรับใส่ตัวอย่าง ห้องช่องใส่ตัวอย่างนี้เป็นจุดเชื่อมต่อระหว่างความเป็นสุญญากาศยวดยิ่งและบรรยากาศภายนอก ปริมาตรภายในของห้องช่องใส่ตัวอย่างจะมีขนาดเล็กเพื่อลดการปนเปื้อนของอากาศเข้าไปในห้องวิเคราะห์ นอกจากนี้ยังได้รับการ purge ด้วยแก๊สไนโตรเจนที่แห้ง (เพื่อป้องกันความชื้นและออกซิเจนเข้าไปในระบบ)

โดยทั่วไปเราจะใส่ตัวอย่างเข้าไปในห้องช่องใส่ตัวอย่างก่อน จากนั้นจะทำให้ห้องช่องใส่ตัวอย่างเป็นสุญญากาศในระดับหนึ่ง (ประมาณ 0.01-0.0001 Pa) เมื่อความดันในห้องช่องใส่ตัวอย่างลดต่ำลงถึงระดับความดันสูงสุดที่ยอมรับได้แล้วจะมีไฟสัญญาณแจ้ง จากนั้นจึงทำการเปิดวาล์วเพื่อเลื่อนแขนส่งตัวอย่างเข้าไปในห้องวิเคราะห์ พอตัวอย่างเข้าไปในห้องวิเคราะห์แล้วก็จะทำการเลื่อนแขนส่งตัวอย่างกลับมาอยู่ในห้องช่องใส่ตัวอย่าง และปิดวาวล์ของช่องทางเชื่อมต่อ

ในขณะที่เปิดวาลว์นั้น แก๊สที่ตกค้างอยู่ในห้องช่องใส่ตัวอย่างจะไหลเข้าไปในห้องวิเคราะห์ แม้ว่าปริมาตรของห้องวิเคราะห์จะใหญ่กว่าของห้องช่องใส่ตัวอย่างมาก แต่ห้องวิเคราะห์นั้นทำงานที่ความดันที่ต่ำกว่ามาก (10-8 Pa) ดังนั้นแก๊สที่ไหลจากห้องช่องใส่ตัวอย่างเข้าไปในห้องวิเคราะห์แม้ว่าจะมีความดันเพียง 0.01-0.0001 Pa แต่ก็มากเพียงพอที่อาจทำให้ความดันในห้องวิเคราะห์สูงเกินกว่าที่อุปกรณ์จะทำงานได้

ปัญหาแรกเกิดขึ้นตอนใส่ตัวอย่าง นิสิตส่วนใหญ่พอเห็นไฟสัญญาณบอกว่าความดันลดลงได้ที่แล้ว ก็ทำการป้อนตัวอย่างจากห้องช่องใส่ตัวอย่างเข้าไปในห้องวิเคราะห์ทันที ซึ่งวิธีการดังกล่าวนั้นไม่เหมาะสมเท่าใดนั้น เพราะไฟนั้นจะติดขึ้นเมื่อความดันในห้องช่องใส่ตัวอย่างลดลงถึงระดับความดันสูงสุดที่ยอมรับได้ (สมมุติว่าเป็น 0.01 Pa) แต่ถ้าเรารอต่อไปอีกแม้ว่าไฟสัญญาณจะติดแล้ว ความดันในห้องช่องใส่ตัวอย่างก็จะลดลงไปอีก (อาจลงไปเป็น 0.0001 Pa) ซึ่งทำให้ปริมาตรแก๊สที่รั่วเข้าไปในห้องวิเคราะห์นั้นแตกต่างกัน

กล่าวอีกนัยหนึ่งคือการปล่อยให้ตัวอย่างอยู่ในห้องช่องใส่ตัวอย่างเป็นเวลา 30 นาที จะทำให้แก๊สรั่วเข้าไปในห้องวิเคราะห์น้อยกว่าการปล่อยให้ตัวอย่างอยู่ในห้องช่องใส่ตัวอย่างเพียง 15 นาที

ถ้าเราวิเคราะห์ตัวอย่างเพียงตัวอย่างเดียว ปัญหาที่เกิดจากการรีบใส่ตัวอย่างเข้าไปในห้องวิเคราะห์อาจจะไม่เห็นผลเสมอไป แต่ถ้าเราทำการวิเคราะห์หลายตัวอย่างมักจะเกิดปัญหาขึ้นเสมอ ปั๊มสุญญากาศที่ดึงแก๊สออกจากห้องวิเคราะห์นั้นออกแบบมาทำงานที่ความดันที่ต่ำมาก และไม่เหมาะกับการปั๊มแก๊สในปริมาณมากออก และอุปกรณ์วัดความดันที่วัดความดันต่ำมากนั้น (ion gauge) ถ้าทำงานในภาวะที่มีความดันสูงเกินไปก็จะเกิดการเสียหายได้

สิ่งที่เกิดจากการใส่ตัวอย่างหลายตัวอย่างติดต่อกันโดยไม่ทิ้งตัวอย่างให้อยู่ในห้องช่องใส่ตัวอย่างนานพอคือ หลังจากป้อนตัวอย่างแรกเข้าไป จะทำให้ความดันในห้องวิเคราะห์สูงขึ้น (สมมุติว่าเป็น P1) ปั๊มสุญญากาศของห้องวิเคราะห์จะพยายามระบายแก๊สออกเพื่อให้ความดันลดต่ำลงเหมือนเดิม (สมมุติว่าค่าเดิมเป็น P0 โดย P1 > P0) แต่ถ้าเราป้อนตัวอย่างที่สองเข้ามาก่อนที่ความดันในห้องวิเคราะห์ (P) ยังไม่ลดลงต่ำเท่าเดิม (P1 > P > P0) จะทำให้ความดันในห้องวิเคราะห์หลังการป้อนตัวอย่างที่สองสูง (P2) กว่าความดันหลังการป้อนตัวอย่างแรก (ความดัน P + ความดันที่เกิดจากแก๊สที่ไหลเข้ามาเพิ่มเติม กลายเป็นความดัน P2 ซึ่งมากกว่า P1) และถ้าทำเช่นนี้ต่อไปเรื่อย ๆ จะทำให้ความดันในห้องวิเคราะห์สูงจนระบบป้องกันความเสียหายทำงานและหยุดการทำงานของอุปกรณ์ได้

จากประสบการณ์นั้นผมพบว่าในการใส่ตัวอย่างแรกควรปล่อยให้ตัวอย่างแรกที่จะใส่อยู่ในห้องช่องใส่ตัวอย่างอย่างน้อย 15-20 นาทีก่อน จากนั้นจึงค่อยใส่ตัวอย่างที่สอง แต่ทั้งนี้มีข้อแม้ว่าถ้าความดันในห้องวิเคราะห์ยังไม่ลดต่ำลงกลับมาอยู่ที่ระดับประมาณ 10-6 Pa ก็ควรรอต่อไปอีก ซึ่งกว่าจะใส่ตัวอย่างสุดท้าย (ตัวอย่างที่ 9) ได้ ก็ต้องให้ตัวอย่างที่ 9 รออยู่ในห้องช่องใส่ตัวอย่างเป็นเวลาอย่างน้อย 1 ชั่วโมง และเมื่อใส่ตัวอย่างสุดท้ายเข้าไปแล้วก็ต้องทำสุญญากาศในห้องวิเคราะห์ต่อไปอีกอย่างน้อย 12 ชั่วโมง เพื่อให้ความดันในห้องวิเคราะห์ลดลงมาอยู่ที่ระดับ 10-8 Pa จึงค่อยทำการวิเคราะห์ (ปรกติใส่ตัวอย่างแต่เช้าตรู่ ซึ่งตัวอย่างสุดท้ายจะใส่ได้ราวตอนเย็น และปล่อยให้ทำสุญญากาศต่อข้ามคืน แล้วค่อยมาเดินเครื่องวิเคราะห์ในเช้าวันถัดมา กล่าวคือใช้เวลา 2 วันวิคราะห์ได้ 9 ตัวอย่าง 6 วันก็จะวิเคราะห์ได้เต็มที่ 27 ตัวอย่าง)


ปัญหาที่สองคือความไม่พยายามหรือความไม่คิดที่จะทำความเข้าใจในพฤติกรรมของตัวอย่าง และการใช้สูตรสำเร็จในการใส่ตัวอย่าง ประเภทรุ่นพี่บอกว่าใส่ตัวอย่างเข้าไปรอในห้องช่องใส่ตัวอย่าง xxx นาที พอไฟติดก็เลื่อนตัวอย่างเข้าห้องวิเคราะห์ทันที ซึ่งนิสิตชอบทำกันแต่มันไม่ถูกต้อง โดยคิดว่าทำตามรุ่นพี่บอกก็เพียงพอแล้ว เพราะถ้าเกิดปัญหาอะไรขึ้นก็จะได้รอดตัว เพราะอ้างได้ว่าก็รุ่นพี่ที่สอนเขาทำอย่างนี้เขาก็วิเคราะห์ได้ ผมก็ทำเหมือนเขาเช่นเดียวกัน

เพราะถ้าจะว่าไปแล้วระยะเวลาที่ควรปล่อยให้ตัวอย่างอยู่ในห้องช่องใส่ตัวอย่างก่อนที่จะใส่เข้าไปในห้องวิเคราะห์นั้น "ขึ้นอยู่กับชนิดตัวอย่าง" ด้วย ตัวอย่างบางชนิดนั้นไม่ต้องรอนาน แต่ตัวอย่างบางชนิดนั้นอาจต้องรอสักอย่างน้อย 1 ชั่วโมง ตัวอย่างของแข็งแต่ละชนิดนั้นสามารถดูดซับแก๊สได้ในปริมาณหนึ่ง ปริมาณแก๊สที่ถูกดูดซับไว้บนพื้นผิวจะอยู่ในภาวะสมดุลกับความดันของระบบ ถ้าระบบมีความดันที่ต่ำลง พื้นผิวของแข็งก็จะคายแก๊สที่ถูกดูดซับไว้ออกมา ตัวอย่างที่มีพื้นที่ผิวสูงและมีรูพรุนขนาดเล็กจะใช้เวลาทำสุญญากาศนานกว่าตัวอย่างที่มีพื้นที่ผิวต่ำกว่าและมีรูพรุนขนาดใหญ่กว่า ใครที่วิเคราะห์ BET กับตัวอย่างที่เป็นซีโอไลต์ก็คงจะเห็นปัญหานี้ (คงเห็นนะถ้ามีการสังเกต แต่ถ้าไม่สังเกตก็จะไม่เห็น) เพราะตัวอย่างที่เป็นซีโอไลต์จะใช้เวลาทำสุญญากาศนานกว่าตัวอย่างที่มีพื้นที่ผิวต่ำกว่าและรูพรุนใหญ่กว่าเช่นไททาเนีย เช่นในกรณีของตัวอย่างที่เป็นซีโอไลต์ กว่าจะทำสุญญากาศได้ระดับก็ต้องทำกันข้ามคืน แต่ถ้าเป็นไททาเนียจะใช้เวลาไม่กี่ชั่วโมง ดังนั้นวิธีการใส่ตัวอย่างที่ใช้ได้ดีกับไททาเนียอาจใช้ไม่ได้เมื่อนำมาใช้กับซีโอไลต์ เพราะแก๊สที่อยู่บนพื้นผิวไททาเนียนั้นน้อยกว่า ทำให้เวลาการทำสุญญากาศสั้นกว่า

ดังนั้นอีกปัจจัยหนึ่งที่ต้องนำมาพิจารณาร่วมเสมอในการกำหนดว่าเมื่อใดเราจึงจะสามารถย้ายตัวอย่างจากห้องช่องใส่ตัวอย่างเข้าไปในห้องวิเคราะห์ได้คือ "ความดันของห้องวิเคราะห์" ไม่ใช่ใช้แต่ "ความดันในห้องช่องใส่ตัวอย่าง" หรือ "เวลาที่อยู่ในห้องช่องใส่ตัวอย่าง" เพียงอย่างเดียว

ปัญหาที่สามคือการไม่คอยเฝ้าดูเหตุการณ์ที่เกิดขึ้น โดยเฉพาะเมื่อเริ่มฉายรังสีเอ็กซ์ลงไปบนตัวอย่าง ถ้าเราสังเกตดูในระหว่างที่รังสีเริ่มฉายรังสีเอ็กซ์ลงไปบนตัวอย่าง เราจะเห็นว่าความดันในห้องวิเคราะห์เพิ่มสูงขึ้น เหตุที่ความดันในห้องวิเคราะห์เพิ่มสูงขึ้นเป็นเพราะรังสีเอ็กซ์ทำให้ตัวอย่างร้อนขึ้น แก๊สที่ถูกดูดซับไว้อย่างแน่นหนาและยากที่จะหลุดออกมาด้วยการทำสุญญากาศจึงหลุดออกมาในขณะที่ตัวอย่างได้รับรังสีเอ็กซ์ จากประสบการณ์ที่ผ่านมาพบว่าตัวอย่างบางชนิดนั้น ถ้าไม่ทิ้งให้ตัวอย่างอยู่ในห้องวิเคราะห์นานเพียงพอ พอเริ่มวิเคราะห์ตัวอย่างแรกเท่านั้น แก๊สที่หลุดออกมาก็เพิ่มความดันในห้องวิเคราะห์ให้สูงจนเครื่องตัดการทำงานของระบบ ในกรณีเช่นนี้แม้ว่าความดันในห้องวิเคราะห์ลดลงถึง 10-8 Pa แล้ว แต่ก็ยังไม่ควรรีบวิเคราะห์ทันที ควรปล่อยให้ระบบสุญญากาศทำงานต่อเนื่องต่อไปอีกเป็นระยะเวลาหนึ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้ามีหลายตัวอย่างอยู่ในห้องวิเคราะห์ก็ต้องปล่อยให้อยู่นานขึ้น

ตัวห้องวิเคราะห์นั้นเมื่อใช้งานไปเป็นระยะเวลาหนึ่ง (แม้ว่าจะใช้งานอย่างถูกต้องก็ตาม) จะพบว่าระบบจะไม่สามารถลดความดันลงให้ต่ำมากได้ สาเหตุเป็นเพราะแก๊สที่ไหลเข้าไปในระบบจากการใส่ตัวอย่างแต่ละครั้ง และแก๊สที่ติดเข้าไปพร้อมกับตัวอย่างหลุดออกมาในขณะทำสุญญากาศหรือได้รับรังสีเอ็กซ์ ไปดูดซับอยู่บนพื้นผิวชิ้นส่วนอุปกรณ์ต่าง ๆ ในห้องวิเคราะห์ การแก้ปัญหาดังกล่าวทำได้โดยการให้ความร้อนแก่ห้องวิเคราะห์และปั๊มเอาแก๊สเหล่านั้นออกไป วิธีการนี้เรียกว่า "Baking" ซึ่งตัวเครื่องนั้นจะมีเทปให้ความร้อนพันอยู่รอบตัวเครื่องอยู่แล้ว ซึ่งการ baking นี้อาจกินเวลาหลายวันกว่าระบบจะกลับมาดีเหมือนเดิม

กล่าวโดยภาพรวมคือปัญหาที่ประสบไม่ว่ากับเครื่องมือใด ๆ คือ ผู้มีความต้องการใช้ไม่ยอมศึกษาวิธีการใช้งานเครื่องและปรับรูปแบบการทำงานให้เหมาะสมกับตัวอย่างของตนเอง คอยแต่ถามว่าคนอื่นทำอย่างไรและก็ทำตามนั้น ทั้ง ๆ ที่แต่ละคนวิเคราะห์ตัวอย่างที่แตกต่างกัน หรือไม่ก็หาทางหาคนอื่นมาทำการวิเคราะห์ให้แทน ซึ่งวิธีการที่เหมาะกับตัวอย่างหนึ่งไม่ได้หมายความว่าจะใช้ได้กับตัวอย่างอื่น ๆ ทุกตัวอย่าง พอมีปัญหาเกิดขึ้นทีไรก็บอกแต่เพียงว่าทำตามรุ่นพี่สอน จะว่าไปแล้วตัวรุ่นพี่เองก็จะบอกว่าทำตามรุ่นพี่ก่อนหน้าสอนมา เป็นอย่างนี้ย้อนหลังไปเรื่อย ๆ แต่ละคนไม่ยอมเสียเวลาที่จะหาวิธีการที่เหมาะสมกับตัวอย่างของตัวเอง เพราะเกรงว่าจะเหนื่อยอยู่คนเดียวและเสียเวลาทำการทดลองและคนอื่นจะได้ประโยชน์โดยที่ไม่ต้องเหนื่อย

เหตุการณ์ประเภทนี้ขณะนี้กำลังเกิดขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ตัวหนึ่งของแลปเรา มีคนอยากใช้งานอุปกรณ์ตัวนี้มาก แต่ไม่มีใครยอมมาจัดการปรับตั้งเครื่องมือ ใช้วิธีการไปทำงานอย่างอื่นก่อน โดยคาดหวังว่าจะต้องมีใครสักคนที่ไม่สามารถเลี่ยงไปทำงานอย่าอื่นได้แล้วก่อนตัวเองมาเป็นคนปรับตั้งเครื่องมือ แล้วตัวเองก็จะได้มาใช้งานต่อสบาย ๆ งานนี้เรียกว่าแข่งกันว่าใครดำน้ำได้อึดกว่ากัน มีการกล่าวโทษเครื่องมือว่าใช้งานไม่ดี ใช้งานไม่ได้ พอมาปรึกษาผม ผมก็บอกไปว่าการใช้งานเครื่องนี้มันเป็นศิลป ไม่ใช่ศาสตร์ เปรียบเสมือนกับการสอนวาดรูปคนนั่นแหละ เทคนิคการลากเส้นการลงแสงนั้นเป็นอย่างไร อาจารย์ผู้สอนบอกให้รู้ได้ แต่ผู้เรียนจะทำได้หรือเปล่าหรือทำได้แค่ไหนนั้นต้องมาจากการฝึกหัดทำของแต่ละคน ไม่ใช่ว่าพอวาดรูปไม่ได้แล้วโทษว่าดินสอกับกระดาษมันไม่ดี (ทั้ง ๆ ที่คนอื่นใช้ดินสอและกระดาษแบบเดียวกันกลับทำได้) แล้ววันหลังจะเล่าเรื่องใครดำน้ำได้อึดกว่ากันนี้ให้ฟัง

วันเสาร์ที่ 17 ตุลาคม พ.ศ. 2552

แก๊สเข้าทางไหน MO Memoir : Saturday 17 October 2552

ตอนแรกกะว่าจะเล่าเรื่องเครื่อง XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) สักหน่อยว่าทำอย่างไรเครื่องมันถึงพังได้ แต่บังเอิญเมื่อวานตอนหัวค่ำมีนิสิตมาปรึกษาเรื่องเครื่อง TGA (Thermogravimetric Analysis) ที่ช่างพึ่งจะซ่อมเสร็จไปว่าควรจะมีข้อกำหนดอะไรบ้างในการวิเคราะห์ ก็เลยขอหยิบเอาเรื่องนี้ขึ้นมาเล่าก่อนก็แล้วกัน จะได้ทราบเทคนิคการทำให้เครื่องมือที่มันใช้งานได้ดีพังลงได้ ตัวผมเคยเล่นกับเครื่อง TGA-50 ของ Shimadzu ส่วนเครื่องที่เกิดปัญหานั้นเป็นเครื่องใหม่รุ่น SDT-50 (ไม่แน่ใจนะว่าจะจำรุ่นได้ถูก) ซึ่งผมไม่เคยใช้งาน ได้แต่เดินผ่านไปมาและชำเลืองดูเวลาคนอื่นเขาใช้งาน แต่เทคนิคการทำให้เครื่องทั้งสองรุ่นนี้พังลงได้ มันเป็นเทคนิคเดียวกัน

เรื่องที่จะเล่าต่อไปมีการเรียบเรียงใหม่นิดหน่อย เพื่อให้เห็นภาพและเข้าใจได้ง่ายขึ้น และขอเป็นกำลังใจให้นิสิตทั้งสองคนที่ได้มาคุญกับผมในฐานะที่ต้องเข้ามาดูแลเครื่องมือนี้ด้วย

เรื่องราวมันเริ่มต้นจากมีนิสิตมาแจ้งว่าเครื่องมันเสีย วัดอุณหภูมิไม่ได้ ควบคุมอัตราการให้ความร้อนไม่ได้ ช่างที่มาตรวจแล้วเสนอให้เปลี่ยนบีม (beam - ในที่นี้คานวางตัวอย่างอย่างซึ่งมีเทอร์โมคัปเปิลอยู่ในตัว แต่ต่อจะขอเขียนทับศัพท์แล้วกันเพราะขี้เกียจกดแป้นสลับภาษา) ผมได้ฟังข้อกล่าวหาที่มีต่อเครื่องเสร็จก็เกิดความสงสัย ถามว่าตกลงว่าอะไรกันแน่ที่เสีย คำถามที่ผมถามกลับไปมี

(ก) เครื่องยังอ่านอุณหภูมิของเตาเผาได้หรือไม่ ถ้าอ่านไม่ได้ก็เป็นไปได้ว่า

- เทอร์โมคัปเปิลเสีย หรือ

- การเชื่อมต่อระหว่างเทอร์โมคับเปิลกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์เสีย (เทอร์โมคัปเปิดไม่ได้เสีย) หรือ

- เสียทั้งสองจุดที่กล่าวมาข้างบน

(ข) ถ้าเครื่องยังอ่านอุณหภูมิของเตาเผาได้ ก็มีคำถามต่อไปอีกว่าค่าที่อ่านได้นั้นถูกหรือผิด ถ้าค่าที่อ่านได้นั้นผิดก็เป็นไปได้ว่าเทอร์โมคัปเปิลมีปัญหา

(ค) แต่ถ้าเครื่องอ่านอุณหภูมิได้ถูก ปัญหาก็ไม่น่าที่จะอยู่ที่เทอร์โมคับเปิล

ข้อมูลที่ได้รับเพิ่มเติมมาคือเทอร์โมคับเปิลอ่านอุณหภูมิได้ แต่ไม่รู้เหมือนกันว่าที่อ่านนั้นมันถูกหรือผิด รู้แต่ว่าไม่สามารถควบคุมอัตราการเพิ่มอุณหภูมิของเตาเผาได้ โดยเฉพาะช่วงอุณหภูมิต่ำ ผมก็ถามต่อไปว่า

(ง) ที่ว่าควบคุมไม่ได้นั้นเป็นอย่างไร คือคอมพิวเตอร์สั่งให้เพิ่มอุณหภูมิแต่อุณหภูมิไม่เพิ่มขึ้น ถ้าเป็นเช่นนี้ปัญหาน่าจะอยู่ที่เตาเผาหรือไม่ก็การสื่อสารระหว่างคอมพิวเตอร์กับเตาเผา

(จ) หรือว่าอัตราการเพิ่มอุณหภูมิไม่เป็นไปตามที่กำหนด แกว่งไปมาเอาแน่เอานอนไม่ได้

ผมก็ได้รับข้อมูลเพิ่มเติมมาอีกว่า อัตราการเพิ่มอุณหภูมิควบคุมไม่ได้ ก็เลยถามต่อไปอีกว่า

(ฉ) เครื่องนี้สามารถปรับค่าพารามิเตอร์ควบคุม PID (เรียน Process Dynamic Control กันมาแล้ว น่าจะรู้จักแล้วนะว่ามันคือค่าอะไร) ได้หรือไม่ ถ้าทำได้ มีใครไปปรับเปลี่ยนมันหรือเปล่า

คำตอบที่ได้รับคือไม่รู้ และไม่รู้ด้วยว่าทำได้หรือเปล่า ที่ "รุ่นพี่" สอนกันมาไม่เคยพูดถึงเรื่องนี้ คำตอบที่ทำให้ผมมึนไปเหมือนกันคือคำถามที่ถูกถามกลับมาว่า ค่า PID มันคืออะไรหรือ แล้วมันสำคัญอย่างไรกับการควบคุม (ว่าแต่ว่าเมื่ออ่านมาถึงจุดนี้แล้ว คุณเป็นแบบเขาหรือเปล่า)

ข้อมูลที่ได้รับทราบเพิ่มเติมจากนิสิตคือช่างบอกว่าบีมถูกกัดกร่อน และคิดว่าปัญหาน่าจะมาจากแก๊สที่เกิดจากการสลายตัวของตัวอย่าง แต่ผมก็มีคำถามที่สงสัยตามมาคือ

(ช) ตำแหน่งการติดตั้งบีมนั้นสัมพันธ์กับทิศทางการไหลของแก๊สและจุดวางตัวอย่างอย่างไร ถ้าบีมอยู่ทางด้าน upstream ของทิศทางการไหลแล้ว แก๊สที่เกิดจากการสลายตัวของตัวอย่างไม่ควรที่จะไหลย้อนกลับมากัดกร่อนบีมได้ ถ้าการกัดกร่อนนั้นเกิดจากแก๊สที่เกิดจากการสลายตัวของตัวอย่างจริง แล้วแก๊สนั้นไหลย้อนต้านการไหลของ purge gas ได้อย่างไร ต้องมีคำอธิบายตรงจุดนี้

คำตอบที่ได้รับก็คือ ไม่รู้เหมือนกันว่าแก๊สมันไหลจากไหนไปไหน รู้แต่ว่ามันเข้าทางด้านหลังเครื่อง ส่วนเตาเผาอยู่ทางด้านซ้ายมือหรือขวามือก็จำไม่ได้ บีมยื่นมาจากทางด้านไหนจะอยู่ upstream หรือ downstream ของทิศทางการไหลของแก๊สก็ไม่รู้เหมือนกัน รู้แต่ว่าใช้แก๊ส "ออกซิเจน 100%" เป็น purge gas ด้วยอัตราการไหล 100 ml/min พอผมได้ยินว่าใช้อะไรเป็น purge gas ก็นิ่งไปเหมือนกัน (พลางคิดในใจว่าพวกนี้รอดมาได้ยังไง ไม่เกิดไฟไหม้หรือระเบิดก็บุญแล้ว ไม่รู้เหมือนกันว่าผู้ทื่ได้รับประโยชน์จากผลการทดลองนั้นรู้หรือเปล่าว่านิสิตเหล่านี้เผชิญกับอะไรอยู่ในระหว่างการทดลอง) แล้วถามต่อไปว่าใครเป็นคนต้นคิดให้ใช้แก๊สตัวนี้ คำตอบที่ได้รับก็คือใช้ต่อ ๆ กันมา ผมเองก็บอกเขาไปว่าสงสัยว่าตัวที่ทำให้บีมพังคงไม่ใช่แก๊สที่เกิดจากตัวอย่างหรอก สงสัยเป็นเพราะออกซิเจน 100% ที่ใช้เป็น purge gas ซะมากกว่าที่เป็นตัวการต้นเหตุ

ขอพักเรื่องที่เกิดไว้ตรงนี้ก่อนก็เพื่อที่จะแนะนำให้รู้จักกับเครื่อง TGA

เครื่อง TGA ที่เคยเห็นนั้นพอจะแยกออกเป็น 3 ชิ้นส่วนหลัก ๆ ด้วยกันคือ

1. ส่วนเตาเผา (Furnace) ที่ทำหน้าที่ให้ความร้อนแก่ตัวอย่าง

2. ส่วนเครื่องชั่งหนักหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งเป็นส่วนที่ทำหน้าที่ชั่งน้ำหนักตัวอย่าง

3. ส่วนควบคุม ซึ่งทำหน้าที่ควบคุมการทำงานของเครื่อง ส่วนควบคุมนี้อาจเป็นอุปกรณ์ตัวหนึ่งที่ติดมากับตัวเครื่อง หรือเป็นเครื่องไมโครคอมพิวเตอร์ที่ควบคุมผ่านทางซอฟแวร์ก็ได้

รูปแบบการจัดวางอุปกรณ์ (เฉพาะส่วนเตาเผาและส่วนเครื่องชั่งน้ำหนัก) ที่เคยเห็นนั้น พอจะทำให้แบ่งรูปแบบการออกแบบเครื่อง TGA ออกได้เป็น 2 รูปแบบคือ

1. รูปแบบจัดวางในแนวดิ่ง รูปแบบนี้จะจัดวางส่วนเครื่องชั่งอยู่เหนือเตาเผา (เช่นเครื่อง TGA-50 ที่มีใช้อยู่ในแลปเรา) ซึ่งมีทิศทางการไหลของแก๊ส (ทั้ง purge gas และ reactive gas) จากบนลงล่าง โดยตัวเตาเผาเป็นตัวที่เลื่อนขึ้น-ลง (ดูรูปที่ 1 ประกอบ) หรือจัดวางเตาเผาอยู่เหนือส่วนเครื่องชั่ง (เช่นเครื่อง TGA-40 ที่อยู่ที่ศูนย์เครื่องมือวิเคราะห์ ถ้าอยากเห็นก็ติดต่อมา จะพาไปดูให้ได้) ซึ่งมีทิศทางการไหลของแก๊ส (ทั้ง purge gas และ reactive gas) จากล่างขึ้นบน โดยเวลาใช้งานที่ก็เลื่อนเตาเผาลงมาสวมครอบตัวอย่างเอาไว้

2. รูปแบบการจัดวางในแนวนอน รูปแบบนี้จะวางส่วนเครื่องชั่งและส่วนเตาเผาอยู่เคียงข้างกัน โดยทิศทางการไหลของแก๊ส (ทั้ง purge gas และ reactive gas) จะอยู่ในแนวนอน (จะซ้ายไปขวาหรือขวาไปซ้ายก็ไม่สำคัญ ขึ้นอยู่กับคนออกแบบ (ดูรูปที่ 2 ประกอบ)

แต่ละแบบก็มีข้อดีข้อเสียของมันเอง แล้วแต่ว่าแบบไหนเหมาะสมกับงานของเรามากที่สุด

รูปที่ 1 รูปแบบเครื่อง TGA ที่ใช้วิธีแขวนตัวอย่างในแนวดิ่ง


รูปที่ 2 รูปแบบเครื่อง TGA ที่จัดรูปแบบอุปกรณ์ในแนวนอน

ลักษณะทั่วไปนั้น ส่วนเครื่องชั่ง (กล่องสีน้ำเงิน) จะเป็นส่วนที่อยู่กับที่ โดยส่วนเตาเผา (กล่องสีเขียวแก่) เป็นส่วนที่เลื่อนเข้า-ออกได้ เนื่องจากส่วนเครื่องชั่งนั้นต้องมีลวดสำหรับแขวนตัวอย่าง (สีเขียวอ่อนในรูปที่ 1) หรือบีมสำหรับวางตัวอย่าง (สีเขียวอ่อนในรูปที่ 2) โผล่ยื่นออกมาจากตัวกล่องหุ้มห่อเครื่องชั่ง ตำแหน่งที่ลวดหรือบีมนั้นโผล่ออกมาเป็นตำแหน่งที่เป็นรูเปิดเชื่อมต่อกันระหว่างตัวเครื่องชั่งกับเตาเผา ดังนั้นเพื่อป้องกันไม่ให้แก๊สที่เกิดจากการเผาไหม้เข้าไปรบกวนการวัดหรือทำความเสียหายต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของเครื่องชั่ง จึงต้องทำการป้องกันบริเวณส่วนนี้ด้วยการป้อนแก๊สที่เฉื่อย (เช่น He N2 Ar หรืออากาศ) เข้าไป "ทุกครั้งและตลอดเวลา" ที่ทำการวิเคราะห์ แก๊สเหล่านี้คือ "Purge gas" ที่ได้กล่าวถึงมาก่อนหน้า

Purge gas นอกจากทำหน้าที่ป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของเครื่องชั่งแล้วยังมีหน้าที่สำคัญอีกหน้าที่หนึ่งคือ ทำการ "เป่าไล่" แก๊สที่เกิดจากการสลายตัวของสารตัวอย่างให้ระบายออกไปทางด้านรูระบาย (vent) พึงสังเกตในรูปจะเห็นว่าการวางลวดแขวนตัวอย่างหรือบีมวางตัวอย่างนั้น ตัวลวดหรือตัวบีมจะอยู่ทางด้าน upstream ของการไหลของแก๊ส ส่วนตัวอย่างจะอยู่ทางด้าน downstream ของการไหลของแก๊ส ดังนั้นเมื่อตัวอย่างสลายตัว แก๊สที่เกิดจากการสลายตัวจะถูกพัดพาออกไปจากชิ้นส่วนที่บอบบางเหล่านี้

เพื่อให้มั่นใจว่าตัวอุปกรณ์ได้รับการป้องกันจากแก๊สที่เกิดจากการสลายตัว อัตราการไหลของ purge gas จึงต้องเหมาะสมกับ ปริมาตรของกล่องบรรจุเครื่องชั่ง ปริมาตรและขนาดพื้นที่หน้าตัดของเตาเผา และปริมาณแก๊สที่คาดว่าจะเกิดจากการสลายตัวของสารตัวอย่างรวมกัน โดยหลัก ๆ ก็คือเราต้องการให้แก๊สที่เกิดจากการสลายตัวนั้นถูกพัดออกไปจากตัวอุปกรณ์ทันที โดยไม่มีการฟุ้งสะสมอยู่ในเตาเผา (ถ้าให้ผมเริ่มต้นทดลอง ผมก็จะลองใช้ purge gas ที่อัตราการไหลอย่างน้อย 2 เท่าของปริมาตรของเตาเผาต่อนาทีก่อน แล้วค่อยปรับกันใหม่อีกที) เพราะถ้าอัตราการไหลของ purge gas ต่ำเกินไปก็จะทำให้แก๊สที่เกิดจากการสลายตัวสะสมอยู่ในเตาเผา

ในกรณีที่เราต้องการใช้แก๊สที่มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยา (Reactive gas ต่าง ๆ เช่น H2 NH3 CO O2 ฯลฯ) เข้าทำปฏิกิริยากับตัวอย่างในระหว่างการเผา เราก็สามารถป้อนแก๊สเหล่านี้ไปยังตัวอย่างได้ แต่ต้องป้อนผ่านช่องทางพิเศษที่เป็นทางเข้าของ reactive gas ไม่ใช่ป้อนเข้าทางช่อง purge gas (ดังเช่นกรณีของการป้อน O2 100% ที่เล่ามาก่อนหน้านี้) ช่องทางพิเศษนี้จะนำ reactive gas ไปปล่อยออกถึงตรงตำแหน่งที่วางตัวอย่าง และโดยทั่วไปแล้วอัตราการไหลของ reactive gas ควรจะต่ำกว่าอัตราการไหลของ purge gas เพื่อให้มั่นใจว่าจะไม่มี reactive gas ตกค้างสะสมอยู่ในเตาเผา ซึ่งอาจก่อให้เกิดความเสียหายหรืออันตรายได้

จะว่าไปแล้วข้อห้ามและข้อกำหนดต่าง ๆ สำหรับแก๊สที่จะป้อนเข้าเครื่องได้มีบอกไว้แล้วในหนังสือคู่มือและส่วน Help ของซอฟแวร์ควบคุมการทำงาน แต่ดูเหมือนว่าจะไม่มีใครคิดที่จะอ่านมัน เป็นเรื่องปรกติที่เมื่อผมถามหาหนังสือคู่มือเวลาที่อุปกรณ์ใดมีปัญหา ผมจะโดยถามกลับมาว่า "มีด้วยหรือ"

ดูเหมือนว่าคำสอนของรุ่นพี่ถือเป็นคัมภีร์ที่ต้องปฏิบัติตามอย่างเคร่งครัด ส่วนคู่มือของเครื่องที่ผู้ผลิตและออกแบบอุตส่าห์เขียนขึ้นมาไม่ต้องไปสนใจ

วันศุกร์ที่ 16 ตุลาคม พ.ศ. 2552

แต่ละจุดควรต่างกันเท่าใด MO Memoir : Friday 16 October 2552

จากประสบการณ์ที่เกี่ยวข้องกับการสอนนิสิตทำการทดลองต่าง ๆ ให้ห้องปฏิบัติการมาเป็นเวลาหลายปี พบว่านิสิตส่วนใหญ่ (หรือเกือบทุกคน) เป็นผู้ปฏิบัติตามคำสั่งที่ดี แต่อาจจะเรียกว่าดีเกินไปแบบ "เถรตรง" ก็ได้ กล่าวคือถ้ากำหนดวิธีการทำการทดลองต่าง ๆ ไว้ล่วงหน้า นิสิตแต่ละรายก็จะทำการทดลองไปตามนั้น และก็ไม่คิดที่จะสังเกตอะไรถ้าหากว่าคู่มือการทำการทดลองไม่ได้กล่าวไว้ อย่างเช่นถ้าคู่มือการทำการทดลองบอกว่าให้สังเกตการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ นิสิตก็จะคอยเฝ้าดูแต่ว่ามีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิหรือไม่ บางรายก็ดูแค่ว่าอุณหภูมิมันเปลี่ยนจริง ๆ แต่พอถามต่อว่าแล้วมันเปลี่ยนแบบเพิ่มขึ้นหรือลดลงก็ตอบไม่ได้ เพราะคู่มือการทดลองบอกว่าให้ดูว่าเปลี่ยนหรือไม่เปลี่ยน ไม่ได้บอกให้ดูว่าเปลี่ยนแบบเพิ่มขึ้นหรือลดลง หรือถ้าหากมีการเปลี่ยนแปลงสีด้วยในระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ แต่ถ้าคู่มือไม่ได้บอกให้ดูการเปลี่ยนสี นิสิตก็จะไม่สนใจว่ามีการเปลี่ยนสีด้วยหรือไม่

การทดลองในระดับปริญญาตรีนั้นเป็นการทดลองเพื่อแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีต่าง ๆ ที่เรียนกันมาในห้องเรียนนั้นเป็นจริง และการออกแบบการทดลองนั้นก็เพื่อให้ง่ายต่อผู้ที่ต้องทำการจัดเตรียมอุปกรณ์ สารเคมี ฯลฯ และเพื่อให้ง่ายแก่ผู้ที่ทำการตรวจรายงานการทดลอง แต่การทดลองในระดับบัณฑิตศึกษานั้นแตกต่างออกไป

การทดลองในระดับบัณฑิตศึกษาเป็นการทดลองเพื่อศึกษาว่าทฤษฎีที่ตั้งขึ้นมานั้นเป็นจริงหรือไม่ หรือศึกษาในสิ่งที่ยังไม่มีผู้ใดเคยทำการศึกษามาก่อน ระเบียบวิธีการทำการทดลองต้องเขียนขึ้นมากันเอง พารามิเตอร์ต่าง ๆ ที่ต้องทำการควบคุมหรือเปลี่ยนแปลงก็ต้องกำหนดกันเอง ปัญหาหนึ่งที่ผู้ทำการทดลองมักประสบคือในการศึกษาเพื่อต้องการทราบว่าเมื่อพารามิเตอร์แต่ละตัวเปลี่ยนแปลงไปนั้นผลการทดลองที่ได้จะเป็นอย่างไร คำถามที่สำคัญที่ผู้ทำการทดลองต้องตอบให้ได้ก็คือ เมื่อทำการเปลี่ยนค่าพารามิเตอร์นั้น ค่าแต่ละจุด "ควรจะแตกต่างกันเท่าใด" เพราะถ้าแตกต่างกันน้อยเกินไปก็อาจทำให้ไม่เห็นผล แต่ถ้าแตกต่างกันมากเกินไปก็อาจได้ข้อมูลที่อยู่ต่างกันสุดขั้วเกินไปจนไม่อาจทราบได้ว่าผลการทดลองที่ได้นั้นมีความว่องไว (sensitive) ต่อการเปลี่ยนค่าพารามิเตอร์ดังกล่าวมากน้อยเพียงใด

Memoir ฉบับนี้คงไม่ได้ให้คำตอบแบบฟันธงไปว่า "ค่าแต่ละจุดควรจะแตกต่างกันเท่าใด" แต่จะขอยกตัวอย่างบางตัวอย่างที่เคยประสบมามาเล่าสู่กันฟัง

ตัวอย่างที่ 1 การสร้าง titration curve

ในการสอนวิชาปฏิบัติการเคมีวิเคราะห์เรื่องการหาจุดยุติของการไทเทรตกรด-เบสด้วยการใช้พีเอชมิเตอร์วัดค่าพีเอชของสารละลายเมื่อหยดสารละลายมาตรฐาน (ในที่นี้สมมุติให้เป็นเบส) ลงไปในสารตัวอย่าง (ในที่นี้สมมุติว่าให้เป็นกรด) ในปริมาตรต่าง ๆ กัน แล้วนำปริมาตรสารละลายเบสที่หยด กับค่าพีเอชของสารละลายตัวอย่างที่วัดได้ มาเขียนเป็นกราฟที่เรียกว่า titration curve นั้น ผมจะบอกนิสิตเสมอว่า ในช่วงที่อยู่ห่างจากจุดสมมูล (ไม่ว่าจะก่อนถึงหรือเลยไปแล้ว) มากนั้น คุณอาจเติมเบสลงไปได้ทีละ 10-20 ml โดยที่ค่าพีเอชของสารละลายเปลี่ยนไปเพียงแค่ 0.1-0.3 หน่วย แต่ในช่วงที่เข้าใกล้จุดสมมูลหรือช่วงที่กำลังเคลื่อนที่ผ่านจุดสมมูลนั้น การเติมเบสลงไปเพียงแค่ 0.1 ml ก็สามารถทำให้ค่าพีเอชของสารละลายเปลี่ยนไปได้ถึง 1-3 หน่วย ดังนั้นถ้าทำการทดลองโดยกำหนดให้เติมเบสแต่ละครั้งในปริมาณที่เท่า ๆ กันก็ก่อให้เกิดปัญหาในการทำการทดลองได้ กล่าวคือถ้าเลือกเติมเบสทีละ 0.1 ml ตั้งแต่เริ่มทำการทดลอง ก็ไม่รู้ว่าจะทำการทดลองเสร็จในเวลา 3 ชั่วโมงหรือเปล่า แต่ถ้าเลือกเติมทีละ 0.5 ml ก็จะมองไม่เห็นตำแหน่งของจุดสมมูล จะเห็นเพียงแค่ตำแหน่งก่อนถึงจุดสมมูล และตำแหน่งที่เลยจุดสมมูลไปแล้ว

ดังนั้นเพื่อให้การทดลองเสร็จสิ้นในเวลาที่เหมาะสมและได้ผลการทดลองที่ถูกต้อง ในช่วงที่อยู่ห่างจากจุดสมมูลมากเราก็ควรต้องเติมเบสลงไปทีละมาก ๆ แต่ในช่วงที่เข้าใกล้จุดสมมูลเราต้องค่อย ๆ เติมเบสลงไปทีละน้อย ๆ แต่ปัญหาที่เกิดขึ้นกับนิสิตก็คือจะรู้ได้อย่างไรว่าขณะนั้นเราอยู่ห่างหรืออยู่ใกล้จุดสมมูล
สิ่งที่ต้องเฝ้าติดตามคือ "อัตราการเปลี่ยนแปลง" ซึ่งในที่นี้ก็คือ "ค่าพีเอชที่เปลี่ยนไป" หารด้วย "ปริมาตรเบสที่เติมเพิ่มเข้าไป" หรือ dpH/dV (ดูแต่ขนาด ไม่คิดเครื่องหมาย) ดังนั้นในระหว่างการทดลองนั้น ไม่ใช่สักแต่เพียงว่าเติมเบสลงไป แล้วก็อ่านค่าพีเอชแล้วก็เติมเบสเพิ่มเข้าไปอีก แล้วก็อ่านค่าพีเอช ..... แต่สิ่งที่ควรต้องทำคือ เติมเบสลงไป อ่านค่าพีเอช แล้วก็คำนวณค่า dpH/dV ว่ามีขนาดเท่าใด จากนั้นจึงใช้ค่า dpH/dV ที่คำนวณได้เป็นตัวตัดสินใจว่าครั้งต่อไปควรเติมเบสลงไปอีกเท่าไร (เท่าเดิม เพิ่มมากขึ้น หรือลดลง)

รูปที่ 1 กราฟการไทเทรตสารละลายกรด H2SO4 ด้วยสารละลายมาตรฐานเบส NaOH 0.1 M

รูปที่ 1 ข้างบนเป็นตัวอย่างที่ได้มาจากการทดลองการไทเทรตสารละลายกรด H2SO4 ด้วยสารละลายมาตรฐานเบส NaOH 0.1 Mที่ทำไว้ตั้งแต่วันพุธที่ ๒๘ มิถุนายน พ.ศ. ๒๕๔๙ ในการทดลองนั้นผู้ทำการทดลองเกรงว่าจะพลาดบริเวณที่ค่าพีเอชมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว ก็เลยค่อย ๆ หยดเบสลงมาทีละน้อย ๆ ผลก็คือกว่าจะเสร็จการทดลองก็ได้จุดสำหรับเขียนกราฟเกือบ 150 จุด

ตัวอย่างที่ 2 การเก็บตัวอย่าง

ในการทดลองหนึ่ง นิสิตผู้หนึ่งต้องทดสอบเสถียรภาพ (stability) และการเสื่อมสภาพ (deactivation) ของตัวเร่งปฏิกิริยา โดยการทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงต่อเนื่องเป็นเวลา 7 วัน การตรวจดูว่าตัวเร่งปฏิกิริยามีการเสื่อมสภาพหรือไม่ อาศัยการเก็บตัวอย่างของแก๊สที่ออกมาจากเครื่องปฏิกรณ์ไปทดสอบ ถ้าตรวจพบการเพิ่มขึ้นของสารตั้งต้นหรือการลดลงของผลิตภัณฑ์ที่เกิดก็แสดงว่าตัวเร่งปฏิกิริยามีการเสื่อมสภาพ ปัญหาก็คือเราไม่อาจทราบได้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาจะเสื่อมสภาพด้วยอัตราเร็วเท่าใด ตลอดเวลา 7 วันนั้นตัวเร่งปฏิกิริยาอาจเสื่อมสภาพในวันแรกจนกระทั่งความว่องไว (activity) ลดลงจนคงที่ หรือตัวเร่งปฏิกิริยาค่อย ๆ เสื่อมสภาพลงตลอด 7 วันที่ทำการทดลอง ซึ่งจะทำให้เราเห็นความว่องไวของตัวเร่งปฏิกิริยาลดลงตลอดเวลา

เป็นเรื่องที่เป็นไปไม่ได้ที่จะให้นิสิตผู้นั้นคอยเก็บตัวอย่างให้ถี่ที่สุดเท่าที่จะทำได้ตลอดระยะเวลา 7 วัน ดังนั้นความถี่ในการเก็บตัวอย่างจะต้องแปรเปลี่ยนตามอัตราการเสื่อมสภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา สิ่งที่ต้องตรวจสอบว่าจะเกิดขึ้นหรือไม่คือตัวเร่งปฏิกิริยาเกิดการเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วในช่วงนาทีหรือชั่วโมงแรก ๆ ของการใช้งานหรือไม่ ดังนั้นถ้าหากเราเก็บตัวอย่างแรกและตัวอย่างที่สองช้าเกินไป เราก็จะตรวจไม่พบการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว (ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในบางปฏิกิริยานั้นเสื่อมสภาพจนความว่องไวลดลงจนคงที่ภายในเวลาไม่ถึง 15 นาที)

เมื่อเริ่มจับเวลาทำการทดลองนั้น ก็จะทำการเปิดให้แก๊สสารตั้งต้นไหลผ่านตัวเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นตัวอย่างแรกที่จะเก็บได้จึงควรเก็บเมื่อประมาณว่าแก๊สสารตั้งต้นได้ไหลผ่านตัวเร่งปฏิกิริยาและระบบการไหลของแก๊สคงที่แล้ว ผลที่ได้จากตัวอย่างนี้จะเป็นตัวบอกความว่องไวเริ่มต้นของตัวเร่งปฏิกิริยาได้ดีที่สุด ส่วนการเก็บตัวอย่างที่สองนั้นควรทำเมื่อใดขึ้นอยู่กับว่าเราสามารถเก็บตัวอย่างเอาไว้เพื่อรอการวิเคราะห์ได้หรือไม่ ถ้าเราสามารถดึงเอาแก๊สตัวอย่างมาเก็บไว้ในภาชนะบรรจุเพื่อรอฉีด GC เราก็สามารถเก็บตัวอย่างที่สองในเวลาใดก็ได้ แต่ถ้าเป็นระบบที่ต่อตรงเข้ากับเครื่อง GC หรือเราไม่สามารถเก็บแก๊สตัวอย่างมารอการวิเคราะห์ (กล่าวคือเมื่อเก็บมาได้แล้วก็ต้องรีบนำไปฉีดเข้าเครื่อง GC เลย) การเก็บตัวอย่างที่สองจะทำได้ก็ต่อเมื่อเครื่อง GC วิเคราะห์ตัวอย่างแรกเสร็จ ดังนั้นการปรับตั้งเครื่อง GC ให้วิเคราะห์ตัวอย่างได้รวดเร็วจึงเป็นสิ่งสำคัญ เพราะจะทำให้เราจะเก็บตัวอย่างที่สองได้ในเวลาไม่นานหลังจากที่ได้เก็บตัวอย่างแรก

รูปที่ 2 การออกซิไดซ์ 1-Propanol ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา Co-Mg oxide บน Al2O3 ที่อุณหภูมิ 500 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 48 ชั่วโมง

รูปที่ 2 เป็นผลการทดลองที่นิสิตปริญญาโทผู้หนึ่งทำไว้ในปีพ.ศ. 2544 จะเห็นว่าค่า conversion (จุดสีแดง) ของสารตั้งต้น (propane) ลดลงอย่างเห็นได้ชัดในช่วง 10 ชั่วโมงแรก จากนั้นจึงค่อนข้างคงที่ การเก็บตัวอย่างในช่วงแรกจะเก็บทุก ๆ 30 นาที (เนื่องจาก GC วิเคราะห์ตัวอย่างหนึ่งใช้เวลาเกือบ 30 นาที) จากนั้นเมื่อเห็นค่า conversion มีการเปลี่ยนแปลงอย่างช้า ๆ จึงยืดเวลาการเก็บตัวอย่างแต่ละตัวอย่างห่างกัน 1 ชั่วโมงจนถึง 6 ชั่วโมงในช่วงท้าย (ในความเป็นจริงนั้นในช่วง 24 ชั่วโมงแรกของการทดลองต้องหาเพื่อนที่ไว้วางใจในฝีมือได้มาช่วยทำการทดลอง เพราะยังต้องเฝ้าเก็บตัวอย่างที่ 1-2 ชั่วโมงอยู่)

ตัวอย่างที่ 3 อุณหภูมิทดสอบ

บ่อยครั้งที่เราทำการทดลองเพื่อศึกษาผลของอุณหภูมิที่มีต่อ ปริมาณสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยาไป ค่าการเลือกเกิดผลิตภัณฑ์ เสถียรภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา ฯลฯ ในกรณีที่เป็นการทดลองในเครื่องปฏิกรณ์แบบเบดนิ่ง (fixed-bed) ที่เราทำกันอยู่ประจำนั้น มักจะเริ่มทำการทดลองโดยเริ่มจากอุณหภูมิต่ำก่อน (เช่น 150 องศาเซลเซียส) เมื่อระบบเข้าที่แล้วจึงเก็บตัวอย่างวิเคราะห์

ก่อนที่จะเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นนั้นควรที่จะรอดูผลการวิเคราะห์ก่อนว่าใช้ได้หรือไม่ ถ้าตรวจแล้วพบว่าผลการวิเคราะห์นั้นยอมรับได้จึงค่อยเพิ่มอุณหภูมิระบบให้สูงขึ้น แต่ถ้าพบว่ายังใช้ไม่ได้ก็ให้เก็บตัวอย่างใหม่ การที่ต้องทำเช่นนี้เป็นเพราะถ้าเพิ่มอุณหภูมิระบบให้สูงขึ้นไปแล้วมาพบว่าตัวอย่างที่เก็บไว้ก่อนหน้าที่อุณหภูมิต่ำนั้นใช้ไม่ได้ เราจะไม่สามารถลดอุณหภูมิระบบลงมาเพื่อทำการทดลองที่อุณหภูมิต่ำใหม่ได้อีก เพราะเมื่อตัวเร่งปฏิกิริยาได้รับอุณหภูมิสูงแล้วอาจเกิดการเปลี่ยนแปลงที่ไม่ผันกลับได้ แต่สิ่งที่พบอยู่ประจำคือเมื่อเก็บตัวอย่างแล้วผู้ทดลองก็จะเพิ่มอุณหภูมิระบบเลย โดยไม่รอดูผลการวิเคราะห์ก่อน เนื่องจากต้องการให้เสร็จการทดลองเร็ว ๆ จะได้เอาเวลาไปทำอย่างอื่น ผลที่ตามมาคือต้องกลับมาทำการทดลองใหม่อยู่เสมอ

ในกรณีของระบบที่เป็นแบบ batch นั้นแตกต่างออกไป ตัวอย่างเช่นเราต้องการศึกษาผลของอุณหภูมิที่มีต่อการทำปฏิกิริยาในช่วงอุณหภูมิ 70-90 องศาเซลเซียส เราก็ควรทำการทดลองที่อุณหภูมิที่จุดปลาย 2 ข้างก่อน คือที่ 70 องศาเซลเซียสและที่ 90 องศาเซลเซียส ความแตกต่างของผลการทดลองที่ได้จากสองอุณหภูมินี้จะเป็นตัวกำหนดว่าในช่วง 70-90 องศาเซลเซียสนั้นเราควรทำการทดลองที่อุณหภูมิใดบ้าง ถ้าพบว่าแตกต่างกันมากเราก็อาจต้องทำการทดลองที่ 75 80 และ 85 องศาเซลเซียสเพิ่มเติม แต่ถ้าแตกต่างกันไม่มากเราก็อาจทำการทดลองเพียงแค่ที่อุณหภูมิ 80 องศาเซลเซียสที่เดียวพอ

อีกตัวอย่างหนึ่งได้แก่การศึกษาความคงทนต่ออุณหภูมิ (thermal stability) ของตัวเร่งปฏิกิริยา เช่นในกรณีที่เราคาดว่าตัวเร่งปฏิกิริยานั้นในสภาพใช้งานจริงไม่ควรเจออุณหภูมิสูงเกิน 500 องศาเซลเซียส เวลาที่จะทดสอบความทนต่ออุณหภูมิเราก็อาจนำตัวเร่งปฏิกิริยานั้นมาใช้งานที่ 550 หรือ 600 องศาเซลเซียส (หรือที่อุณหภูมิใด ๆ ที่เหมาะสมที่สูงเกินกว่า 500 องศาเซลเซียส) ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่สูงเกินว่าอุณหภูมิการใช้งานปรกติ

ตัวอย่างที่ 4 องค์ประกอบที่เปลี่ยนแปลงไป

ในการทดลองเพื่อหาผลที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงปริมาณสาร (เช่น ปริมาณโลหะที่มีอยู่ในตัวเร่งปฏิกิริยา ความเข้มข้นของสารปนเปื้อนในสารตั้งต้น ค่าพีเอชของสารละลาย ฯลฯ) เราต้องทำการทดลองโดยการปรับเปลี่ยนปริมาณสารนั้น ๆ เพื่อดูว่าจะเกิดอะไรขึ้น กรณีนี้ก็คล้ายคลึงกับการเลือกอุณหภูมิทดสอบ คือในสองการทดลองแรกเราควรเลือกจุดที่คิดว่าน่าจะแตกต่างกันจนเห็นผลก่อน จากนั้นจึงค่อยพิจารณาดูว่าจากผลการทดลองที่ได้มาสองผลนั้น ควรทำการเลือกการทดลองที่จุดต่อไปอย่างไร

ตัวอย่างเช่นสมมุติว่าเราต้องการศึกษาผลของพีเอชที่มีต่อการทำปฏิกิริยาในสารละลายในน้ำที่มีปริมาตรรวม 40 ml การทดลองแรกนั้นเราอาจทำการทดลองโดย

(ก) ใช้น้ำเพียงอย่างเดียว 40 ml ก่อนเพื่อใช้เป็นฐานเปรียบเทียบ

(ข) จากนั้นจึงทำการทดลองที่สองโดยอาจทำการผสมน้ำ 39 ml + กรด 1 ml เพื่อดูผลกระทบที่เกิดจากค่าพีเอชที่ลดลง

(ค) ถ้าพบว่าผลการทดลองที่ได้นั้นแตกต่างกันไม่มาก การทดลองครั้งที่สามก็อาจทำโดยการผสมน้ำ 37 ml + กรด 3 ml (ตรงนี้ผมแค่ยกตัวอย่างนะ กรุณาอย่าเถรตรงมากเกินไป เพราะในความเป็นจริงอาจเป็นน้ำ 38 ml + กรด 2 ml หรือน้ำ 35 ml + กรด 5 ml ก็ได้ ซึ่งขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างผลการทดลองสองครั้งแรก) หรือ

(ง) ถ้าพบว่ากรดที่เติมเข้าไปส่งผลกระทบอย่างมาก เราก็อาจปรับเป็นน้ำ 39.5 ml + กรด 0.5 ml หรือใช้น้ำ 39 ml + กรด 1 ml เหมือนเดิม แต่ลดความเข้มข้นของสารละลายกรดที่ใช้แทน

ในกรณีของการศึกษาปริมาณโลหะบนตัวเร่งปฏิกิริยาก็เช่นเดียวกัน เราควรเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาสองตัวที่มีปริมาณโลหะแตกต่างกันมากไว้ก่อน จากนั้นจึงนำตัวเร่งปฏิกิริยาสองตัวนี้ไปทำการทดลอง แต่สิ่งที่ต้องระวังคือบ่อยครั้งที่เราพบว่าการเติมโลหะเข้าไปในปริมาณน้อย ๆ (สมมุติว่าเป็น 1 wt%) กับการเติมโลหะเข้าไปในปริมาณมาก ๆ (สมมุติว่าเป็น 10 wt%) ให้ผลการทดลองที่ไม่ได้แตกต่างกันมาก สิ่งนี้ไม่ได้แปลว่าปริมาณโลหะไม่ส่งผลถึงความสามารถในการทำปฏิกิริยา แต่เป็นเพราะปริมาณโลหะที่ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยามีความว่องไวมากที่สุดนั้นต้องมีปริมาณที่เหมาะสม กล่าวคือไม่มากหรือน้อยเกินไป เพราะพอเรามาทำการทดลองโดยปรับปริมาณโลหะให้อยู่ในช่วง 1-10 wt% ก็อาจพบว่าปริมาณโลหะที่เหมาะสมที่ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาว่องไวมากที่สุดคือ 3 wt% ก็ได้ ถ้าเติมไปน้อยหรือมากกว่านี้ก็จะทำให้ความว่องไวของตัวเร่งปฏิกิริยาลดลง

การทำการทดลองนั้นไม่ใช่สักแต่ว่าทำตามคำสั่งแบบไม่ให้ผิดเพี้ยน เพราะถ้าผมต้องการคนมาทำการทดลองเพื่อให้ทำแบบตามคำสั่งไม่ให้ผิดเพี้ยนแบบนี้ก็ไม่ต้องรับนิสิตป.โท หรือป.เอก หรอก รับใครก็ได้ที่คิดอะไรไม่เป็นมาทำการทดลองก็ได้ผลเหมือนกัน สิ่งสำคัญที่พวกคุณควรจะได้ไปในระหว่างการทำการทดลองคือการหัดสังเกต (ทั้ง ตาดู หูฟัง และจมูกดมกลิ่น) และการตัดสินใจแก้ปัญหาเฉพาะหน้า เพราะเมื่อการทดลองเริ่มแล้วถ้าหยุดเมื่อใดก็ต้องกลับมาเริ่มใหม่หมด ซึ่งหมายถึงเสียเวลาไปทั้งวันโดยที่ไม่ได้อะไรเลย แต่ถ้าในขณะที่เราเจอปัญหาและเราสามารถแก้ปัญหานั้นได้ทัน (ภาวนาเสมอขอให้พวกคุณมีความสามารถเช่นนั้น) เราก็สามารถทำการทดลองต่อไปได้โดยที่อาจยืดเวลาการทดลองในวันนั้นออกไปหน่อย แต่ไม่ต้องมาเริ่มต้นใหม่หมดในอีกวันถัดมา

เรื่องที่ว่าควรต่างกันเท่าใดนั้นก็เป็นเรื่องยากที่จะให้ระบุเป็นตัวเลขลงไป เพราะมันเปรียบเสมือนการขับรถแล้วคุณต้องหยุดรถนั่นแหละ คุณตอบได้ไหมว่าควรจะเหยียบเบรคแรงเท่าใด จะค่อย ๆ เหยียบลงไปช้า ๆ หรือกระทืบลงไปทันที ซึ่งตรงนี้ขึ้นอยู่กับความเร็วรถที่คุณขับและระยะห่างระหว่างรถของคุณกับรถคันข้างหน้า หรือเส้นหยุดรถ หรือบางรายที่ขับรถเกียร์ธรรมดาเข้าก็จะบอกว่าถ้าขับมาเร็ว ๆ ก็ให้ลดเกียร์ลงต่ำก่อน แล้วค่อยเหยียบเบรค จะเห็นว่าการลดความเร็วรถได้อย่าง "ปลอดภัย" ไม่จำเป็นต้องใช้เบรคเพียงอย่างเดียวเสมอไป

ว่าแต่ว่าวันนี้ คุณอยากฝึกใช้ความคิดบ้างหรือยัง

วันพฤหัสบดีที่ 15 ตุลาคม พ.ศ. 2552

เสียงอะไรดัง MO Memoir : Thursday 15 October 2552


รูปที่ 1 เครื่อง Powder XRD (X-ray Diffractometer) ที่ใช้ในห้องปฏิ่บัติการของเรา แหล่งกำเนิดรังสีเอ็กซ์จะอยู่ทางด้านซ้าย ตัวอย่างจะวางตรงกลาง และมีหัววัดรังสีเอ็กซ์ที่เลี้ยวเบนออกมาจากตัวอย่างทางด้านขวา โดยอุปกรณ์ทั้ง 3 ชิ้นจะติดตั้งอยู่บนวงล้อ (ตัวกลม ๆ) ที่เรียงซ้อนกันและมีการหมุนสัมพันธ์กัน

เครื่อง XRD (X-ray Diffractometer) ที่ใช้ในการวิเคราะห์โครงร่างผลึกโดยอาศัยรูปแบบการหักเหรังสีเอ็กซ์นั้นอาศัยหลักการที่ว่า รูปแบบ (ความแรงของสัญญาณที่วัดได้ ณ ตำแหน่งมุมต่าง ๆ) ของผลึกแต่ละชนิดต่างมีลักษณะเฉพาะตัวของมันเอง (เหมือนลายนิ้วมือของคน)

ตัวอุปกรณ์นั้นมีชิ้นส่วนเคลื่อนที่คือวงล้อที่เห็นเป็นวงกลมในรูป โดยจะมีวงล้อ 3 วงซ้อนกันอยู่โดยแต่ละวงล้อจะติดตั้ง แหล่งกำเนิดรังสีเอ็กซ์ ตัวอย่าง และหัววัดรังสี ในระหว่างการวิเคราะห์นั้นตัววงล้อแต่ละวงจะมีการหมุนที่สัมพันธ์กันตามรูปแบบที่ต้องการวิเคราะห์

การวิเคราะห์ตามปรกติที่นิสิตส่วนเกือบทุกคนในแลปเราใช้กันนั้น แหล่งกำเนิดรังสีเอ็กซ์จะมีการหมุนไปพร้อม ๆ กับหัววัดรังสี โดยจะทำมุมกับตัวอย่างเป็นมุมที่เท่ากัน (กล่าวคือถ้าแหล่งกำเนิดรังสีฉายรังสีที่ทำมุมตกกระทบ 30 องศากับตัวอย่าง หัววัดรังสีก็จะอยู่ในตำแหน่งที่ทำมุม 30 องศากับตัวอย่างด้วยเพื่อวัดรังสีที่สะท้อนออกมา ณ ตำแหน่งมุมนั้น ๆ)

เมื่อไม่นานมานี้นิสิตผู้ดูแลเครื่องมาปรึกษากับผมว่าเครื่องมีปัญหา โดยเล่าอาการว่าในระหว่างการวิเคราะห์นั้นมีเสียงดังผิดปรกติออกมาเป็นบางครั้ง เมื่อเรียกช่างมาดู ช่างบอกว่าเป็นเพราะบอร์ด (แผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์) ที่ควบคุมการทำงานของวงล้อนั้นเสีย ทำให้ส่งสัญญาณไปควบคุมการหมุนของได้ไม่ดี เสนอให้เปลี่ยนบอร์ดใหม่ โดยราคาของบอร์ดใหม่อยู่ที่ประมาณ 300,000 บาท (สามแสนบาท) แต่ถ้าเปลี่ยนแล้วยังไม่หายเพราะปัญหาไม่ได้อยู่ที่บอร์ด ก็จะเอาบอร์ดตัวเก่าใส่ให้เหมือนเดิม และไม่คิดราคาบอร์ดตัวใหม่

ข้อเสนอนี้ฟังดูเข้าที แต่มันยังไงยังไงอยู่

ผมถามนิสิตผู้ดูแลว่าที่ว่าเสียงดังนั้น เสียงอะไรดัง หรือมันดังอย่างไร นิสิตผู้นั้นก็ไม่สามารถตอบได้ เนื่องจากไม่ได้เป็นผู้ประสบเหตุ เพียงแต่ได้รับแจ้งจากรุ่นน้องที่เป็นผู้ใช้เครื่อง คำถามต่อไปคือเสียงมันดังในขณะไหน เกิดขึ้นเมื่อวงล้ออยู่ที่ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งหรือเกิดขึ้นแบบเอาแน่เอานอนไม่ได้ ซึ่งก็ไม่ได้รับคำตอบอีก เพราะในระหว่างการวิเคราะห์นั้นนิสิตมักจะปล่อยให้เครื่องทำงานของมันเองโดยไม่ (เคยคิดจะแม้แต่เพียงสักครั้งเดียว) ดูการทำงานของมันเลยว่ามันทำงานได้เรียบร้อยหรือเปล่า

แล้วผมก็ยกตัวอย่างว่าเวลาที่เครื่องคอมพิวเตอร์มีปัญหามันก็ส่งเสียงดังได้ ซึ่งเสียงนั้นพอจะบอกที่มาของปัญหาได้ ตัวคอมพิวเตอร์เองมีแหล่งกำเนิดเสียงอยู่สองประเภทคือ ลำโพง และอุปกรณ์เคลื่อนไหว (เช่น พัดลม ฮาร์ดดิสก์ เครื่องอ่านแผ่นดิสก์ ซีดี) ซึ่งเสียงแต่ละชนิดมันไม่เหมือนกัน เช่นถ้ามีเสียงดัง แกรก แกรก หรือเสียงหวีดหวิว พวกนี้ควรจะเป็นปัญหาทางกล ที่เกิดจากการหมุนหรือการเคลื่อนที่ที่ผิดปรกติหรือมีปัญหาของชิ้นส่วนเคลื่อนที่ได้ แต่ถ้าเป็นเสียงดังประหลาดออกมาจากลำโพงนั่นก็เป็นอีกเรื่องหนึ่ง อาจเป็นเพราะตัวเมนบอร์ดติดต่อกับชิ้นส่วนต่าง ๆ มีปัญหา ก็เลยส่งเสียงเตือนออกมา ผมก็เคยมีปัญหาเรื่องนี้กับรถยนต์ที่ผมขับ ผมแจ้งช่างว่ามีเสียงดังผิดปรกติเวลาวิ่ง (ดังนั้นมันไม่ใช่เสียงเครื่องยนต์หรือสายพาน เพราะเสียงดังกล่าวทดสอบได้โดยการจอดรถอยู่กับที่ เข้าเกียร์ว่าง แล้วเร่งเครื่อง) เสียงที่ดังในระหว่างการขับที่เป็นไปได้คือเสียงลม (ซึ่งถ้าเป็นปัญหานี้จริงควรจะได้ยินกับรถทุกคันตั้งแต่ซื้อมา หรืออาจเกิดจากชิ้นส่วนบางชิ้นหลุดออก แล้วเกิดการปะทะของลม) เสียงยาง (ที่ใช้งานมานานจนเนื้อยางแข็งหรือหมดสภาพ) และเสียงลูกปืนล้อ (ที่แตก) ผมนั่งรถฟังเสียงไปกับช่างเป็นระยะทางกว่า 20 กิโลเมตร ช่างก็บอกว่าเป็นเสียงยางรถยนต์ แต่ผมก็ยืนยันว่ายางรถยนต์พึ่งจะเปลี่ยน และผมก็ยังได้ยินเสียงยางรถยนต์เวลาวิ่งยังดังเหมือนเดิม แต่มีเสียงนี้แทรกเข้ามา ตัวผมเองนั้นสงสัยว่าจะเป็นเสียงลูกปืนล้อ เพราะเคยมีปัญหาดังกล่าว แต่ครั้งนี้เสียงที่ดังมันไม่เหมือนกับเสียงโลหะบดสีกัน ผมก็เลยไม่แน่ใจ สุดท้ายช่างก็บอกว่าจะเอาล้อขึ้นปั่น แล้วก็พบว่าเสียงนั้นเป็นเสียงลูกปืนล้อแตกจริง ๆ

จากมุมมองของผมนั้น เนื่องจากเครื่อง XRD ไม่ได้มีลำโพงเหมือนเครื่องคอมพิวเตอร์ ดังนั้นผมจึงคิดว่าเสียงที่ดังออกมาควรเป็นปัญหาทางกลที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของวงล้อ และอุปกรณ์ดังกล่าวตั้งแต่ซื้อมาใช้งานเป็นเวลากว่า 10 ปีก็ไม่เคยมีการหล่อลื่นชิ้นส่วนนี้แต่อย่างไร ผมก็เลยสงสัยว่าปัญหาจะอยู่ที่การหล่อลื่นหรือเปล่า ก็เลยให้นิสิตลองติดต่อช่างว่าถ้าทำเพียงแค่ถอดชิ้นส่วนวงล้อมาหล่อลื่นใหม่จะเสียค่าใช้จ่ายเท่าใด ซึ่งก็ได้คำตอบกลับมาคืออยู่ในหลักพันบาท ผมก็เสนอให้เรียกช่างมาทำการหล่อลื่นก่อนแล้วรอดูว่าจะมีปัญหาใดหรือเปล่า

สิ่งที่น่าสนใจก็คือถ้าหากปัญหาอยู่ที่การวงล้อขาดการหล่อลื่น โดยที่ตัวบอร์ดไม่เกี่ยวข้องอะไร แต่เราเรียกช่างมาเปลี่ยนบอร์ดแทน (จ่ายตั้งสามแสนบาท) ปัญหาดังกล่าวจะหมดไปหรือไม่

คำตอบก็คือ "เป็นไปได้ทั้งสองอย่าง"

ถ้าช่างทำเพียงแค่ถอดบอร์ดเก่าออกแล้วใส่บอร์ดใหม่เข้าไปแทน แล้วเราก็เฝ้าช่างตลอดเวลาว่าให้ทำเพียงเท่านี้นะ แล้วทดลองเดินเครื่องเพื่อฟังเสียงดูว่าเกิดอะไรหรือเปล่า เราก็จะพบว่าปัญหาดังกล่าวยังอยู่ ดังนั้นเราก็ไม่ต้องจ่ายค่าบอร์ดตั้งสามแสนบาทตามราคาที่เขาเสนอ

แต่ถ้าเราไม่ได้จับตาการทำงานของช่างตลอดเวลา ช่างอาจไม่ได้ทำการเปลี่ยนเพียงแค่บอร์ด อาจทำโน่นทำนี่ เช่นถอดชิ้นส่วนมาประกอบใหม่ รวมทั้งทำการหล่อลื่นวงล้อด้วย เราก็จะพบว่าปัญหาเรื่องเสียงดังกล่าวมันหมดไป ช่างก็จะบอกเราว่าปัญหาอยู่ที่บอร์ด (ทั้ง ๆ ที่มันไม่เกี่ยวกันเลย) เราก็จะต้องจ่ายค่าบอร์ดสามแสนบาททั้ง ๆ ที่บอร์ดของเดิมมันไม่ได้เสีย

เป็นเรื่องปรกติที่อุปกรณ์ที่มีการเคลื่อนไหวมักเกิดการหลวมคลอนของนอตหรือชิ้นส่วนต่าง ๆ ที่ยึดตัวอุปกรณ์นั้นไว้ การหลวมคลอนดังกล่าวก็ทำให้เกิดเสียงดังได้ในระหว่างการเคลื่อนไหวของอุปกรณ์นั้น เมื่อเราทำการถอดอุปกรณ์ดังกล่าวออกมาแล้วประกอบเข้าไปใหม่ ในขณะประกอบเราก็ได้ทำการขันนอตหรือตัวยึดที่หลวมคลอนนั้นให้แน่นดังเดิม ดังนั้นเมื่อประกอบของเดิมกลับคืนเข้าไปใหม่เสียงดังนั้นก็จะหายไป ปัญหาบางอย่างเกิดที่ตัวยึดหลวมคลอนแค่นั้น แต่ช่างบอกว่าชิ้นส่วนนั้นเสีย (ทั้ง ๆ ที่ความจริงมันไม่เสีย เพียงแต่ว่ามันสั่นในขณะทำงานเพราะตัวยึดมันหลวม) เมื่อทำการถอดชิ้นส่วนเก่าออกเพื่อใส่ชิ้นส่วนใหม่เข้าไป ก็จะมีการขันตัวยึดที่หลวมนั้นให้แน่นดังเดิม เสียงที่ดังก็จะหายไป

สำหรับเครื่อง XRD เครื่องนี้หลังจากที่นิสิตได้เรียกช่างเข้ามาทำการหล่อลื่นการหมุนของวงล้อแล้ว เท่าที่ทราบในขณะนี้คือปัญหาดังกล่าวหายไป ยังไม่มีการแจ้งใด ๆ ว่ามีเสียงดังผิดปรกติเหมือนเดิมอีก

เครื่อง XRD เครื่องนี้เคยเกิดปัญหาแบบที่ผมอยากเรียกว่าปัญหา "โทษเครื่องไว้ก่อน ฉันไม่ผิด" เมื่อหลายปีที่แล้วมีการแจ้งว่าเครื่องมีปัญหา เนื่องจากไม่มีสัญญาณการหักเห ปัญหานี้เกิดขึ้นกับนิสิตเพียงรายเดียวเท่านั้น พอถามคนอื่นก็บอกว่าไม่เห็นจะมีปัญหาใด ๆ เรื่องทั้งเรื่องคือนิสิตดังกล่าวเตรียมผลึกตัวเร่งปฏิกิริยาขึ้นมาแล้วต้องการวิเคราะห์โครงร่าง แต่ผลการวิเคราะห์กลับไม่มีสัญญาณการหักเหใด ๆ เหมือนที่เขาเคยวัดได้ ผมก็เลยถามกลับไปว่าแล้วตัวอย่างที่คุณเตรียมมันมีความเป็นผลึกหรือเปล่าล่ะ เพราะคนอื่นเขาก็วัดได้ แสดงว่าปัญหามันไม่ได้อยู่ที่เครื่อง แต่อยู่ที่ตัวอย่างของคุณมากกว่าว่าเตรียมตัวอย่างออกมาแล้วไม่เป็นผลึก แต่เขาก็แย้งกลับมาว่าก็ผมเตรียมตามแบบนี้มันก็ควรจะต้องออกมาเป็นผลึก ผมก็แย้งกลับไปว่าถ้าคุณมั่นใจว่าคุณเตรียมแล้วออกมาเป็นผลึก แล้วคุณมาวัด XRD ทำไม การที่คุณนำตัวอย่างมาวัด XRD ก็เพื่อตรวจสอบว่าตัวอย่างที่เตรียมได้เป็นผลึกอย่างที่ต้องการหรือเปล่าไม่ใช่หรือ งานนี้ไม่มีการซ่อมเครื่อง แต่เขาก็ไม่กลับมาคุยอะไรกับผมอีกเลย

อีกปัญหาหนึ่งเกิดก่อนหน้านั้นอีก โดยมีลักษณะคล้าย ๆ กันคือวัดออกมาแล้วความแรงสัญญาณที่วัดได้นั้นต่ำมาก และเกิดขึ้นกับทุกคน ผมก็เลยขอให้นิสิตทำการวิเคราะห์ให้ดูและ "เฝ้าดู" การทำงานของเครื่อง จากการเฝ้าดูพบว่าในระหว่างที่เครื่องทำงานนั้น แหล่งกำเนิดรังสีเอ็กซ์นิ่งอยู่กับที่ ไม่มีการเคลื่อนไหว มีแต่หัววัดรังสีเท่านั้นที่หมุนไป พอไปตรวจสอบโปรแกรมควบคุมการทำงานของเครื่องก็พบว่ามีการเปลี่ยนรูปแบบการวัด จากปรกติที่ให้แหล่งกำเนิดรังสีและหัววัดรังสีเคลื่อนที่สัมพัทธ์กัน กลายเป็นกำหนดให้แหล่งกำเนิดรังสีอยู่กับที่และมีการเคลื่อนที่เฉพาะหัววัดรังสีเท่านั้น พอเปลี่ยนพารามิเตอร์ดังกล่าวกลับคืนเดิม เครื่องก็กลับมาเป็นปรกติเหมือนเดิม

นิสิตแต่ละรายยืนยันอย่าหนักแน่นว่า "ไม่" มีใครไปเปลี่ยนพารามิเตอร์ดังกล่าว ผมก็ถามกลับไปว่าแล้วพวกคุณมีใครเฝ้าเครื่องไว้ตลอด 24 ชั่วโมงหรือเฝ้าดูการกดปุ่มของแต่ละคนที่มาใช้เครื่องหรือเปล่า ถ้าคุณมั่นใจว่าไม่มีคนไปกดเปลี่ยน ก็ขอคำอธิบายที่เป็น "วิทยาศาสตร์" ว่ามันเกิดขึ้นได้อย่างไร

ผมไม่ได้รับคำอธิบายที่เป็น "วิทยาศาสตร์" กลับมา

วันอังคารที่ 13 ตุลาคม พ.ศ. 2552

เกลียวแบบไหน MO Memoir : Tuesday 13 October 2552

ปรกติแล้วในการทำงานกับระบบท่อนั้น ถ้าเราทำงานกับ pipe เพียงอย่างเดียวหรือทำงานกับ tube เพียงอย่างเดียวมักจะไม่ค่อยมีปัญหาอะไรเวลาต่อท่อหรือวาล์วเข้าด้วยกัน ปัญหามักจะเกิดเมื่อเราต้องต่ออุปกรณ์อื่น (เช่นเกจวัดความดัน) หรือต่อระบบท่อของเราเข้ากับอุปกรณ์ที่เราทำขึ้นเอง หรือต่อระบบ pipe และ tube เข้าด้วยกัน หรือแม้แต่ต่อระบบ pipe เข้าด้วยกัน แต่เป็น pipe เหล็กกับ pipe พีวีซี ปัญหาที่เกิดคือเรื่องรูปร่างของเกลียว

"pipe" และ "tube" นั้นภาษาไทยเรียกรวม ๆ กันว่า "ท่อ" แต่ความหมายในทางวิศวกรรมนั้นแตกต่างกัน ดังนั้นเพื่อไม่ให้เกิดความสับสน ในที่นี้จึงขอใช้คำว่า "pipe" ตามคำนิยามของ pipe และคำว่า "tube" ตามคำนิยามของ tube ในทางวิศวกรรม และใช้คำว่า "ท่อ" ในความหมายที่รวมทั้ง pipe และ tube

เกลียวที่ใช้ในการต่อท่อนั้นจะมีอยู่ 2 แบบคือเกลียว NPT (ย่อมาจาก National Pipe Thread Tapered Thread) ซึ่งมีลักษณะเรียวสอบ และเกลียวตรง (Straight หรือ Parallel Thread) รูปร่างของเกลียวทั้ง 2 แสดงไว้ในรูปที่ 1 ถึง 3


รูปที่ 1 เกลียว (ซ้าย) NPT ตัวเมีย และเกลียว (ขวา) NPT ตัวผู้

(ภาพจาก http://www.dixonpowhatan.com/resources/thread_info.php)


รูปที่ 2 รูปขยายเกลียว NPT ตัวผู้ ขอให้สังเกตลักษณะเรียวสอบของเกลียวที่มีลักษณะเรียวสอบจากทางด้านขวามาซ้าย แนวเส้นสีแดงคือระยะที่เกลียวกัดลงมาลึกที่สุด (วัดจากผนังท่อด้านนอก) ดังนั้นความหนาของท่อที่ตำแหน่งเกลียวตัวสุดท้าย (ด้านซ้ายสุด) ที่วัดจากผนังท่อด้านในมาจนถึงเส้นสีแดงจะมีความหนาน้อยที่สุด ความหนาของผนังท่อที่จะนำมาใช้ในการคำนวณแรงดันสูงสุดที่ท่อสามารถรองรับได้จึงต้องใช้ความหนา ณ ตำแหน่งนี้

(ภาพจาก www.plumbingsupply.com/pipethreadsizing.html)


รูปที่ 3 (ซ้าย) เกลียวตรงตัวเมีย และ (ขวา) เกลียวตรงตัวผู้ พึงสังเกตว่าจะถูกกัดลงไปลึกเท่า ๆ กัน ดังนั้นถ้าเราลากเส้นตรงผ่านสันเกลียวแต่ละสันของเกลียวที่อยู่ทางด้านบนและด้านล่างของรูป จะพบว่าเส้นตรงสองเส้นนั้นขนานกัน

(ภาพจาก http://www.dixonpowhatan.com/resources/thread_info.php)


ที่พบเห็นในบ้านเรา เกลียวท่อประปาที่เป็นท่อเหล็กนั้นจะเป็นเกลียว NPT ส่วนเกลียวท่อพีวีซีหรือเกลียวที่ใช้ต่อกับอุปกรณ์ต่าง ๆ ในห้องน้ำ (เช่นสายฝักบัว ก๊อกที่อ่างล้างหน้า) นั้นจะเป็นเกลียวตรง ดังนั้นก๊อกน้ำที่ออกแบบมาเพื่อใช้กับท่อเหล็กก็จะทำเกลียวตัวผู้เป็นแบบ NPT ส่วนก๊อกน้ำที่ใช้สำหรับต่อกับท่อพีวีซีหรืออุปกรณ์ต่าง ๆ ในห้องน้ำก็จะเป็นเกลียวตรง

ถ้าเราเอาเกลียว NPT ตัวผู้ขันเข้าไปในเกลียวตรงตัวตัวเมีย จะพบว่าสามารถหมุนได้ลื่นมากจนเกลียวตัวผู้จมเข้าไปจนสุด แต่จะไม่รู้สึกว่าขันได้แน่น ทั้งนี้เพราะการจับกันระหว่างเกลียวตัวผู้และเกลียวตัวเมียมีการจับกันมั่นคงเพียงแค่เกลียวตัวผู้ตัวที่อยู่ที่ด้านโคน (ซึ่งเป็นตัวที่มีขนาดใหญ่ที่สุด) และเกลียวตัวเมียตัวที่อยู่ทางด้านปากทางเข้า ส่วนเกลียวตัวผู้ที่ถูกสอดลึกเข้าไปข้างในนั้น (ซึ่งมีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ เนื่องจากการเรียวสอบ) จะไม่จับกับเกลียวตัวเมียของข้อท่อที่เป็นเกลียวตรง ดังนั้นจึงมักพบกับการรั่วซึม ซึ่งถ้าเป็นน้ำประปาก็คงฝืนแก้ได้ด้วยการพันเทปตรงเกลียวตัวผู้ให้หนา ๆ หน่อย แต่ก็ไม่ใช่วิธีการที่ถูกต้อง

ในทางกลับกันถ้าเราเอาเกลียวตรงตัวผู้ขันเข้าไปในเกลียว NPT ตัวเมีย จะพบว่าสามารถหมุนเข้าไปได้เพียงนิดเดียวเท่านั้นก็จะติดขัดแล้ว ทั้งนี้เพราะรูของเกลียวตัวเมียที่เป็น NPT นั้นจะมีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ เมื่อเข้าไปข้างใน ในกรณีนี้จะพบว่าไม่สามารถต่อเกลียวทั้งสองเข้าด้วยกันได้

การป้องกันการรั่วซึมของการต่อท่อด้วยระบบเกลียวนี้จะใช้การสัมผัสกันระหว่างพื้นผิวของเกลียวตัวผู้และเกลียวตัวเมีย ในกรณีของเกลียว NPT นั้นเมื่อใช้กับระบบที่ไม่ได้มีแรงดันสูงหรือไม่มีอันตรายใด ๆ (เช่นท่อน้ำประปา) และเป็นกรณีที่เกลียวตัวผู้มีความยาวมากกว่าความลึกของเกลียวตัวเมีย เราอาจพบว่าเพียงแค่ขันเกลียวให้แน่นก็ป้องกันการรั่วซึมได้แล้ว แต่เนื่องจากพื้นผิวของเกลียวตัวผู้และเกลียวตัวเมียไม่ได้ผ่านการทำให้ราบเรียบจนแนบสนิทได้ทุกตำแหน่ง ดังนั้นเพื่อความแน่นอนแล้วจึงควรมีการพันเทปลอน (แต่ก่อนจะใช้เชือกป่าน) เอาไว้ด้วยเพื่อให้มั่นใจว่าจะไม่เกิดการรั่วซึม

อีกปัญหาหนึ่งที่เคยประสบคือกรณีของเกลียวตรงที่เกลียวตัวผู้และเกลียวตัวเมียมีจำนวนเกลียวต่อนิ้วไม่เท่ากัน เช่นตัวหนึ่งอาจมี 10 เกลียวต่อนิ้ว ส่วนอีกตัวหนึ่งอาจมี 11 เกลียวต่อนิ้ว เมื่อนำเกลียวทั้งสองมาประกอบเข้าด้วยกันจะพบว่าเมื่อขันด้วยมือเข้าไปได้สักนิดจะพบว่าเกิดการติดขัดไม่สามารถขันได้อีก ในกรณีเช่นนี้ "ห้าม" ฝืนขันต่อโดยใช้ประแจช่วยขัน เพราะจะทำให้เกิดการปีนเกลียวเกิดขึ้นและทำให้เกิดความเสียหายถาวรต่อเกลียวตัวผู้และตัวเมียได้ (ขึ้นอยู่กับว่าโลหะของเกลียวตัวไหนจะแข็งกว่ากัน ตัวที่ทำจากโลหะที่อ่อนกว่าจะเป็นตัวที่พัง)

วันอาทิตย์ที่ 11 ตุลาคม พ.ศ. 2552

โครงงานนิสิตปี ๔ ปีการศึกษา ๒๕๕๒ MO Memoir : Saturday 10 October 2552

MO Memoir ฉบับนี้เป็นบันทึกความความเข้าใจ (Minute of Understanding - MOU) เรื่องที่มาที่ไปของงานที่มอบหมายให้นิสิตซีเนียร์โปรเจคทำ เพื่อให้เป็นข้อมูลสำหรับการสอบหัวข้อโครงร่างในวันจันทร์ที่ ๑๒ ตุลาคม ๒๕๕๒ นี้

อนึ่ง สำหรับข้อมูลพื้นฐานบางส่วนได้กล่าวไว้ในบันทึกก่อนหน้านี้ ๔ ฉบับ คือ

MO Memoir : Saturday 15 November 2551 Hydroxylation/Partial oxidation by H2O2 (ตอนที่ 1)
MO Memoir : Saturday 27 June 2552 แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๑
MO Memoir : Saturday 4 July 2552 แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๑ (ตอนที่ ๒)
MO Memoir : Tuesday 6 October 2552 แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๑ (ตอนที่ ๓)

สำหรับนิสิตปี ๔ ขอให้อ่านเพื่อทำความเข้าใจ ถ้ามีอะไรสงสัยให้โทรถามได้ โดยผมจะพยายามสรุปเป็นข้อ ๆ ไป โดยเริ่มจากภูมิหลังของงาน และสิ่งที่คาดว่าจะทำ สำหรับรุ่นพี่ป.โทก็ขอให้อ่านทำความเข้าใจด้วย จะได้ทราบว่ารุ่นน้องได้รับมอบหมายงานอะไร ส่วนคนอื่นที่เหลือก็ถือว่าอ่านเล่น ๆ ก็แล้วกัน

1. ปฏิกิริยาการแทนที่ที่วงแหวนเบนซีน

เนื่องจากวงแหวนเบนซีนมีพายอิเล็กตรอนอยู่หนาแน่น ดังนั้นหมู่ที่จะเข้ามาแทนที่อะตอมไฮโดรเจนที่เกาะอยู่ที่วงแหวนเบนซีนได้ต้องเป็นหมู่ที่ชอบอิเล็กตรอน ปฏิกิริยาดังกล่าวจึงเรียกว่า Electrophilic substitution (ชื่อตรงตัวเลยนะคือ Electro (อิเล็กตรอน) + philic (ชอบ))

ถ้ายังจำกันได้ (แต่เชื่อว่าพวกคุณคงลืมไปแล้ว) ตอนที่เรียนแลปเคมีอินทรีย์เมื่ออยู่ปี ๒ นั้น มีการทดลองปฏิกิริยา nitration ด้วยกรด HNO3 และ sulfonation ด้วยกรด H2SO4 ซึ่งจะพบว่าเกิดปฏิกิริยาแทนที่ได้ โดยในกรณีของกรด HNO3 นั้นหมู่ที่เข้าไปแทนที่คือหมู่ NO3- ซึ่งแม้ว่าโดยรวมนั้นหมู่นี้จะเป็นไอออนลบ แต่อะตอม N นั้นมีความเป็นบวก (ขาดอิเล็กตรอน) เนื่องจากถูกอะตอมออกซิเจนถึง ๓ อะตอมดึงอิเล็กตรอนออกไป ทำให้อะตอม N ไปดึงอิเล็กตรอนต่อจากวงแหวนเบนซีนได้ ส่วนในกรณีของกรด H2SO4 นั้นหมู่ที่เข้าไปแทนที่คือ SO42- ซึ่งแม้ว่าโดยรวมนั้นหมู่นี้จะเป็นไอออนลบ แต่อะตอม S มีความเป็นบวกเนื่องจากถูกอะตอมออกซิเจนถึง ๔ อะตอมดึงอิเล็กตรอนออกไป ทำให้อะตอม S ไปดึงอิเล็กตรอนต่อจากวงแหวนเบนซีนได้

แต่ในกรณีของ HCl ส่วนที่เป็นไอออนลบคือ Cl- ซึ่งเป็นหมู่ที่มีอิเล็กตรอนอยู่หนาแน่น ทำให้ไม่สามารถเข้าไปแทนที่อะตอมไฮโดรเจนที่เกาะกับวงแหวนเบนซีนได้

2. การออกซิไดซ์สารประกอบอัลคิลแอโรแมติก (Alkyl aromatic)

นิยามของสารประกอบอัลคิลแอโรแมติกในที่นี้คือสารประกอบที่อะตอมไฮโดรเจนที่เกาะอยู่กับวงแหวนเบนซีนอย่างน้อยหนึ่งอะตอม ถูกแทนที่ด้วยหมู่อัลคิล (-CnH2n+1) ตัวอย่างของสารประกอบเหล่านี้เช่น โทลูอีน (C6H5CH3 ซึ่งมีการแทนที่ด้วยหมู่ -CH3 จำนวน ๑ หมู่) เอทิลเบนซีน (C6H5C2H5 ซึ่งมีการแทนที่ด้วยหมู่ -C2H5 จำนวน ๑ หมู่) และไซลีน (C6H4(CH3)2 ซึ่งมีการแทนที่ด้วยหมู่ -CH3 จำนวน ๒ หมู่)

โดยปรกตินั้นหมู่อัลคิลจะถูกออกซิไดซ์ได้ง่ายกว่าส่วนที่เป็นวงแหวน ปฏิกิริยานี้จะเห็นได้ชัดถ้าเราใช้ตัวออกซิไดซ์ที่รุนแรง (แต่ไม่ได้อยู่ในภาวะที่รุนแรงเกินไป) เช่นออกซิเจนจากอากาศ สารประกอบเปอร์แมงกาเนต (เช่น KMnO4) สารประกอบไดโครเมต (เช่น K2Cr2O7) เช่นถ้าเราออกซิไดซ์โทลูอีนก็จะได้กรดเบนโซอิก (Benzoic acid C6H5COOH) ซึ่งเป็นการออกซิไดซ์ที่หมู่ -CH3 ที่เกาะอยู่กับวงแหวน โดยที่ไม่เกิดการทำให้วงแหวนแตกออก แต่ถ้าหากใช้ภาวะการออกซิไดซ์ที่รุนแรงมาก (เช่นในภาวะที่เป็นกรดหรือใช้อุณหภูมิสูง) ก็สามารถทำให้งแหวนเบนซีนแตกออกได์

3. ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์

ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H2O2 หรือ H-O-O-H) เป็นสารที่มีฤทธิ์เป็นตัวออกซิไดซ์ตัวหนึ่ง โดยสารนี้จะสลายตัวให้อะตอมออกซิเจน (O) ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวออกซิไดซ์ และน้ำ ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เป็นสารที่ไม่เสถียร สลายตัวได้เมื่อได้รับแสงแดด ในภาวะที่เป็นเบสจะเร่งการสลายตัว ส่วนในภาวะที่เป็นกรดการสลายตัวจะช้าลง นอกจากนี้ยังสลายตัวได้ด้วยการเร่งปฏิกิริยาของไอออนบวกของโลหะต่าง ๆ (ยกเว้นหมู่อัลคาไลน์และอัลคาไลน์เอิร์ธ) หลายชนิด

ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่ขายกันทั่วไป (รวมทั้งที่เราซื้อมาใช้ในแลป) จะมีความเข้มข้นสูงสุดประมาณร้อยละ ๓๐ โดยน้ำหนัก แต่ก็อาจผลิตกันจนถึงร้อยละ ๕๐ โดยน้ำหนักได้ สารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ในน้ำจะมีจุดเดือดสูงกว่าจุดเดือดของน้ำ

ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซไซด์สามารถออกซิไดซ์พันธะคู่ C=C ให้กลายเป็นโครงสร้างอีพอกไซด์ (epoxide) ได้ แต่ไม่แรงพอที่จะออกซิไดซ์สายโซ่ไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวหรือวงแหวนแอโรแมติกได้ จากที่ผ่านมาทางเราเคยทดลองต้มเบนซีนหรือโทลูอีนกับสารละลาย H2O2 ก็ไม่พบการออกซิไดซ์เบนซีนหรือโทลูอีนไปเป็นผลิตภัณฑ์ใด ๆ (ก่อนหน้านี้เราเคยคิดว่าการออกซิไดซ์โทลูอีนไปเป็นเบนซาลดีไฮด์นั้น เป็นการออกซิไดซ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาการสลายตัวของ H2O2 แต่ตอนนี้ผมกลับมาสงสัยว่ามันเป็นเช่นนั้นจริงหรือไม่ แต่ตอนนี้ยังไม่มีคำอธิบายที่ดีกว่านี้) แต่เมื่อใช้ร่วมกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม (TS-1 ในที่นี้) ก็พบว่าสามารถแทรกหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) เข้าไปที่วงแหวนเบนซีน หรือออกซิไดซ์หมู่เมทิล (-CH3) ให้กลายเป็นอัลดีไฮด์ (-COH) ได้

4. ไทเทเนียมซิลิการไลต์-1 (Titanium Silicalite-1 หรือ TS-1)

TS-1 เป็นโครงสร้างที่เกิดจากการแทนที่ไอออน Si4+ บางไอออน (บางส่วนเท่านั้น ไม่ใช่ส่วนใหญ่) ด้วยไอออน Ti4+ มีการพบว่าตัวเร่งปฏิกิริยานี้เมื่อใช้ร่วมกับ H2O2 ที่เป็นสารออกซิไดซ์ สามารถแทรกหมู่ -OH เข้าไปที่วงแหวนเบนซีนโดยตรงได้

มุมมองของผมในตรงนี้คือ TS-1 ช่วยให้ H2O2 สลายตัวกลายเป็นสารมัธยันต์ (intermediate) ที่มีความสามารถในการออกซิไดซ์แรงขึ้น ที่สามารถออกซิไดซ์วงแหวนเบนซีนได้ และสามารถออกซิไดซ์หมู่อัลคิลที่เกาอะยู่กับวงแหวนได้เช่นเดียวกัน (อย่างที่ได้กล่าวมาก่อนหน้าในหัวข้อที่ 3 ว่า ลำพัง H2O2 เพียงอย่างเดียวไม่สามารถออกซิไดซ์วงแหวนเบนซีนได้)

ณ จุดนี้เราจึงได้ทดลองปรับแต่งคุณสมบัติในการเร่งปฏิกิริยาออกซิไดซ์ด้วย H2O2 ของ TS-1 โดยการเติมโลหะตัวที่สองลงไป แต่อย่างที่ได้กล่าวไว้ว่าไอออนบวกของโลหะจำนวนมาก (โดยเฉพาะโลหะทรานซิชัน) สามารถเร่งปฏิกิริยาการสลายตัวของ H2O2 ได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเลือกโลหะที่จะเติมเข้าไปอย่างเหมาะสม โลหะที่เราเลือกเติมเข้าไปคือโลหะทรานซิชันในแถวแรกและอะลูมิเนียม ทั้งนี้เพราะคิดว่าไอออนบวกของโลหะทรานซิชันในแถวแรก (เช่น
Fe Co Cr หรือ V) หรือไอออนบวกของอะลูมิเนียม มีขนาดใกล้เคียงกับขนาดของไอออน Si4+ ดังนั้นไอออนบวกเหล่านั้นจึงน่าจะเข้าไปแทนที่ไอออน Si4+ ได้โดยที่ไม่ทำให้โครงสร้าง silicalite เสียหาย

จะว่าไปแล้วเราได้แต่ "คาดว่า" โลหะตัวที่สองจะเข้าไปแทนที่ไอออน Si4+ แต่เราก็ยังไม่สามารถพิสูจน์ได้ว่าเป็นเช่นนั้น เพราะปริมาณที่เติมเข้าไปนั้นน้อยมาก และยังมีการล้างตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยกรด HNO3 อีก ทำให้เราเชื่อว่าถ้าโลหะตัวที่สองมีการตกผลึกในรูปของสารประกอบออกไซด์อยู่บนพื้นผิว TS-1 สารประกอบออกไซด์เหล่านั้นน่าจะถูกชะล้างออกไปในขั้นตอนการล้างด้วยกรด
การเติมโลหะตัวที่สองนั้นจะเติมโดยการเติมสารประกอบของโลหะตัวนั้นเข้าไปก่อนการตกผลึกเป็นโครงสร้าง silicalite ส่วนควรเติมโดยใช้เกลือตัวไหน และควรเติมเข้าไปในสารละลายฝั่งไหน (ฝั่ง A หรือฝั่ง B ในแผงผังการเตรียม) ก็ให้ไปดูได้ในวิทยานิพนธ์ของรุ่นรหัส ๔๘

5. ผลของโลหะตัวที่สอง

ที่ผ่านมานั้นเราพบว่าโลหะตัวที่สองที่เติมเข้าไปนั้นส่งผลต่อคุณสมบัติการทำปฏิกิริยาของ TS-1 ในหลายแง่ด้วยกัน ซึ่งพอจะสรุปได้ดังนี้

5.1 การคำนวณค่า conversion และค่า selectivity

ก่อนอื่นขอย้ำเตือนหน่อยว่าเรามีการเปลี่ยนแปลงวิธีคำนวณค่า conversion (ค่าการเลือกเกิด) จากเดิมที่อิงปริมาณไฮโดรคาร์บอนนั้นมาเป็นใช้ปริมาณ H2O2 ที่ทำปฏิกิริยาไปเป็น "ผลิตภัณฑ์ที่เป็นสารอินทรีย์ - Organic products" เป็นหลัก ดังนั้นจากจุดนี้เป็นต้นไป เมื่อกล่าวถึงค่า conversion จะหมายถึงค่า conversion ของ H2O2 ที่เปลี่ยนไปเป็นผลิตภัณฑ์สารอินทรีย์ เว้นแต่จะมีการระบุไว้เป็นอย่างอื่น

ปฏิกิริยาระหว่างโทลูอีนกับ H2O2 ไปเป็นครีซอลจะทำในสัดส่วนโดยโมล 1:1 แต่ถ้าโทลูอีนถูกเปลี่ยนไปเป็นเบนซาลดีไฮด์จะทำในสัดส่วน 1:2 (ใช้ H2O2 เพิ่มมากขึ้น)

การวัดปริมาณ H2O2 ที่ทำปฏิกิริยาไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่เป็นสารอินทรีย์เราคำนวณจากปริมาณผลิตภัณฑ์ที่เป็นสารอินทรีย์ที่ตรวจวัดได้ด้วยเครื่อง GC

สาเหตุที่เราไม่วัดปริมาณ H2O2 ที่หายไปในระหว่างการทำปฏิกิริยาโดยตรงเป็นเพราะ

(ก) H2O2 มีการหายไปเนื่องจากการสลายตัวของตัวมันเอง
(ข) ปริมาณ H2O2 ที่หายไปทั้งหมด (ทำปฏิกิริยาไปเป็นผลิตภัณฑ์ + ที่สลายตัว) นั้นมีค่าน้อย ทำให้การวัดปริมาณ H2O2 ที่เหลืออยู่ด้วยวิธีการไทเทรตทำได้ไม่แม่นยำ และ
(ค) การไทเทรตหาปริมาณ H2O2 ที่เหลืออยู่เป็นการไทเทรตแบบรีดอกซ์ และผลิตภัณฑ์สุดท้ายของเราที่ได้ก็มีสารอินทรีย์ที่สามารถถูกออกซิไดซ์ต่อไปเป็นสารอื่นได้อีก ดังนั้นถ้าไม่ระมัดระวังให้ดีแล้ว ผลการวัดที่ได้จะมีการรบกวนจากสารอินทรีย์ที่อยู่ในสารละลาย H2O2 ที่เหลืออยู่

ในแง่มุมมองของการนำไปประยุกต์ใช้งานจริงนั้น (ตอนนี้ปฏิกิริยานี้ยังไม่มีการนำไปใช้งานจริงใด ๆ เป็นเพียงแค่งานวิจัยในห้องปฏิบัติการ ดังนั้นถ้ามีการถามว่าแล้วในอุตสาหกรรมทำอย่างไร ก็ตอบไปเลยว่าใช้เส้นทางอื่นในการผลิตครีซอลหรือเบนซาลดีไฮด์) ถือว่า H2O2 เป็นสารนั้นต้นที่ไม่สามารถแยกออกเพื่อนำกลับมาใช้งานใหม่ได้ ในขณะที่การแยกไฮโดรคาร์บอน (เช่น เบนซีนหรือโทลูอีน) จะทำได้ง่ายกว่า ดังนั้นจึงหาทางที่จะใช้ H2O2 ให้คุ้มค่ามากที่สุด กล่าวคือให้ H2O2 ที่เติมเข้าไป เปลี่ยนไปอยู่ในผลิตภัณฑ์ที่เป็นสารอินทรีย์ให้ได้มากที่สุด ดังนั้นในแง่ทฤษฎีแล้ว เป้าหมายสูงสุดคือพบว่าปริมาณ H2O2 ที่ทำปฏิกิริยาไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่เป็นสารอินทรีย์คือ 100% (แต่ในความเป็นจริงคงทำไม่ได้หรอก เพราะเรายังไม่สามารถยับยั้งการสลายตัวของ H2O2 ได้)

ส่วนค่า selectivity นั้นเรากลับคำนวณโดยดูจากปริมาณผลิตภัณฑ์ที่เกิดเป็นหลัก กล่าวคือถ้าพบว่าในผลิตภัณฑ์มีครีซอล 1 โมลและเกิดเบนซาลดีไฮด์ 1 โมล เราจะบอกว่าค่า selectivity ของครีซอลคือ 50% และค่า selectivity ของเบนซาลดีไฮด์คือ 50% แต่ถ้าดูค่า conversion ของ H2O2 ที่เปลี่ยนไปเป็นผลิตภัณฑ์แล้ว จะพบว่าค่า conversion ของ H2O2 ที่เปลี่ยนไปเป็นครีซอลจะเป็นเพียงครึ่งเดียวของค่า conversion ของ H2O2 ที่เปลี่ยนไปเป็นเบนซาลดีไฮด์ ทั้งนี้เพราะปริมาณ H2O2 ที่ต้องใช้ในการเกิดเบนซาลดีไฮด์ 1 โมลเป็นสองเท่าของปริมาณที่ต้องใช้ในการเกิดครีซอล 1 โมล

ผลิตภัณฑ์ที่เราเห็นนั้นเป็นเฉพาะส่วนที่เป็นสารอินทรีย์ที่ละลายอยู่ในสารละลายสุดท้ายที่ได้ เพราะในความเป็นจริงนั้นอาจมีบางส่วนตกค้างอยู่บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาได้ เช่นถูกดูดซับอยู่ แต่การที่เราเติมเอทานอลเข้าไปตอนรวมเฟสนั้น ทำให้ปริมาตรรวมของสารละลายสุดท้ายเพิ่มขึ้นเพิ่มขึ้น เราก็คาดหวังว่าสารอินทรีย์ที่เกาะอยู่บนพื้นผิวจะถูกแทนที่ด้วยเอทานอลและมาอยู่ในสารละลายแทน

5.2 การเปลี่ยนแปลงของค่า conversion และ selectivity

ที่ผ่านมานั้นเราพบว่าโลหะตัวที่สองส่งผลต่อค่า conversion และค่า selectivity แต่การแปลผลจำเป็นต้องดูให้รอบคอบ

อย่างที่ได้กล่าวไว้ในหัวข้อ 5.1 แล้วว่า H2O2 บางส่วนสลายตัวไปเป็นน้ำและแก๊สออกซิเจน
การที่เราเห็นค่า conversion เพิ่มสูงขึ้น แสดงว่า H2O2 ทำปฏิกิริยากับโทลูอีนมากขึ้น แต่ไม่ได้หมายความว่าการสลายตัวของ H2O2 จะคงที่ เพราะมันอาจจะลดลงหรือคงที่ก็ได้ หรืออาจเพิ่มขึ้นก็ได้ (ตราบเท่าที่ยังเหลือ H2O2 ให้ทำปฏิกิริยาอยู่)

การที่เราเห็นค่า conversion ลดลงแสดงว่า H2O2 ทำปฏิกิริยากับโทลูอีนน้อยลง แต่ไม่ได้แปลว่าตัวเร่งปฏิกิริยามีความว่องไวลดลงเสมอไป สาเหตุอาจเป็นเพราะตัวเร่งปฏิกิริยาไปเร่งการสลายตัวของ H2O2 ให้เพิ่มขึ้นมากจนปฏิกิริยาการออกซิไดซ์โทลูอีนไปเป็นสารอินทรีย์แย่ง H2O2 มาใช้ไม่ทัน ซึ่งในกรณีนี้พอจะทดสอบได้โดยการเติมตัวเร่งปฏิกิริยาเข้าไปในสารละลาย H2O2 แล้วดูว่าเกิดฟองแก๊สมากหรือไม่ (ฟองแก๊สนั้นคือแก๊สออกซิเจนที่เกิดจาการสลายตัว) ถ้าเกิดมากแสดงว่ามีการสลายตัวมาก
การที่เราเห็นค่า conversion เพิ่มขึ้นแสดงว่า H2O2 ทำปฏิกิริยากับโทลูอีนมากขึ้น แต่ไม่ได้หมายความว่าการสลายตัวของ H2O2 จะลดลงหรือคงที่ แต่อาจจะเพิ่มมากขึ้นด้วยก็ได้ ทั้งนี้ถ้าหากอัตราการเกิดปฏิกิริยาระหว่างโทลูอีนกับ H2O2 เพิ่มมากขึ้นมากกว่าการเพิ่มของอัตราการสลายตัวของ H2O2 ก็ทำให้เห็นค่า conversion เพิ่มขึ้นได้

ในการที่เรามีผลิตภัณฑ์สองผลิตภัณฑ์ A และ B (ในที่นี้คือครีซอลและเบนซาลดีไฮด์) เวลาที่เราเห็นค่า selectivity ของผลิตภัณฑ์ตัวใดตัวหนึ่งเพิ่มสูงขึ้น (ในที่นี้สมมุติว่าเป็นของ A) และอีกตัวหนึ่งเกิดลดลง (ในที่นี้สมมุติให้เป็นของ B) อาจเป็นเพราะ

- เกิดผลิตภัณฑ์ A เพิ่มมากขึ้น เกิดผลิตภัณฑ์ B เพิ่มมากขึ้น แต่การเพิ่มของผลิตภัณฑ์ A สูงกว่าของผลิตภัณฑ์ B ในที่นี้จะเห็นค่า conversion สูงขึ้น

- เกิดผลิตภัณฑ์ A เพิ่มมากขึ้น เกิดผลิตภัณฑ์ B เท่าเดิม ในที่นี้จะเห็นค่า conversion สูงขึ้น

- เกิดผลิตภัณฑ์ A เพิ่มมากขึ้น เกิดผลิตภัณฑ์ B ลดลง ในที่นี้จะเห็นค่า conversion เท่าเดิม สูงขึ้น หรือลดลงก็ได้ ขึ้นอยู่กับว่าการเพิ่มขึ้นของ A กับการลดลงของ B อันไหนมากกว่ากัน ถ้าการเพิ่มขึ้นของ A เท่ากับการลดลงของ B ก็จะเห็นค่า conversion เท่าเดิม ถ้าการเพิ่มขึ้นของ A มากกว่าการลดลงของ B ก็จะเห็นค่า conversion สูงขึ้น และถ้าการเพิ่มขึ้นของ A น้อยกว่าการลดลงของ B ก็จะเห็นค่า conversion ลดลง

- เกิดผลิตภัณฑ์ A เพิ่มมากขึ้น เกิดผลิตภัณฑ์ B เพิ่มมากขึ้น แต่การเกิดผลิตภัณฑ์ A เพิ่มมากกว่าการเกิดผลิตภัณฑ์ B ในที่นี้จะเห็นค่า conversion สูงขึ้น

- เกิดผลิตภัณฑ์ A เท่าเดิม เกิดผลิตภัณฑ์ B ลดลง ในที่นี้จะเห็นค่า conversion ลดลง

- เกิดผลิตภัณฑ์ A ลดลง เกิดผลิตภัณฑ์ B ลดลง แต่การเกิดผลิตภัณฑ์ B ลดลงมากกว่าการลดลงของการเกิดผลิตภัณฑ์ A ในที่นี้จะเห็นค่า conversion ลดลง

การแปลผลว่าสิ่งที่เห็นนั้นเป็นรูปแบบไหน ต้องคำนวณปริมาณผลิตภัณฑ์ A และ B ที่เกิดขึ้น (คิดเป็นโมล)

6. ผลของกรด

ขณะนี้เราได้แต่คาดการณ์ (จากข้อมูลทางทฤษฎีที่มีอยู่) หรือคาดหวังว่าเมื่อเติมกรดลงไปนั้น การสลายตัวของ H2O2 น่าจะลดลง ซึ่งน่าจะเปิดโอกาสให้เราใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีความว่องไวสูงขึ้น หรือทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นอีกได้ (ที่ผ่านมาเราพบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาบางตัวทำงานได้ดีกว่าตัวอื่นที่อุณหภูมิ 70 องศาเซลเซียส แต่พอเพิ่มอุณหภูมิเป็น 90 องศาเซลเซียสปรากฏว่าตัวเร่งปฏิกิริยาตัวนั้นทำให้ H2O2 สลายตัวหมดจนไม่เหลือสำหรับการทำปฏิกิริยา)

ผลการทดลองเบื้องต้นที่มีอยู่ในตอนนี้ที่ได้จากการเติมกรดลงไปในปริมาณหนึ่ง (ยังไม่มีการเปลี่ยนปริมาณกรดที่เติม) เท่าที่ผมทราบคือเราเห็นค่า conversion เพิ่มมากขึ้น (แต่ยังไม่สามารถตีความได้ว่าการสลายตัวของ H2O2 ลดลง) แต่ได้ค่าการเลือกเกิดของเบนซาลดีไฮด์เพิ่มสูงขึ้น (ข้อสรุปตรงนี้ถ้าผิดพลาดอย่างไรขอให้นฤมลแจ้งกลับมาด้วย)

สิ่งที่ได้ให้นิสิตปี ๔ ทำคือลองปรับเปลี่ยนสัดส่วนปริมาณกรด (ตอนนี้ที่กะไว้คร่าว ๆ คือสัก ๓ ปริมาณก่อน) และอุณหภูมิการทำปฏิกิริยา (สัก ๒ ค่า) โดยที่ไม่เปลี่ยนชนิดตัวเร่งปฏิกิริยา รวมแล้ว ๖ การทดลอง (ก็น่าจะใช้เวลาสัก ๖ วันเต็ม) จากนั้นค่อยว่ากันอีกทีว่าจะต้องทำอะไรต่อไปอีกหรือไม่

ส่วนทำไมเราเลือกใช้ HCl ก็ได้ให้เหตุผลไว้แล้วส่วนหนึ่งในหัวข้อที่ 1 อีกเหตุผลหนึ่งคือมันหาง่าย (ง่ายกว่า HF HBr หรือ HI) และปลอดภัยกว่าการใช้ HF ด้วย (HF มันเป็นกรดกัดแก้ว ไม่สามารถนำมาใช้ในภาชนะที่เป็นแก้วได้ และ reactor ของเราก็ทำจากแก้วด้วย และถ้าเปลี่ยนไปใช้ reactor ที่ทำจากโลหะก็จะโดนกรดกัดอีก)

หวังว่า Memoir ฉบับนี้คงช่วยพวกคุณได้ในการสอบวันจันทร์ที่ ๑๒ ที่จะถึงนี้

วันอาทิตย์ที่ 4 ตุลาคม พ.ศ. 2552

ตัวเลขมันสวย แต่เชื่อไม่ได้ MO Memoir : Sunday 4 October 2552 (ขึ้น ๑๕ ค่ำ เดือน ๑๑ วันออกพรรษา)

มีคนกล่าวว่า

"สถิติ" เป็นวิชาที่สอนให้คนรู้จักโกหกอย่างมีเหตุผล และ
ถ้าคุณมีตัวเลขมากพอ คุณสามารถทำให้ค่าสถิติเป็นอย่างไรก็ได้


เป็นเรื่องปรกติที่ในการทดลองทางวิทยาศาสตร์นั้นเรามักต้องการวัดค่าต่าง ๆ ออกมาเป็นตัวเลขให้ได้ และการตรวจสอบความถูกต้องของการทดลองก็มักจะนำเอาเทคนิคต่าง ๆ ทางคณิตศาสตร์ เช่นเทคนิคทางสถิติมาใช้

ในวิชาสถิตินั้นเราได้เรียนรู้จักวิธีการที่จะทำการหาค่าเฉลี่ยของตัวเลข (ที่อาจได้มาจากการทดลองหรือการวัดหลาย ๆ ครั้ง) แต่สิ่งหนึ่งที่อยู่ในวิชาสถิติที่เรามักไม่ได้เรียนหรือไม่ได้สนใจคือการ "ให้ความสำคัญ" (หรือการถ่วงน้ำหนัก - weighting) ของข้อมูลตัวเลขแต่ละตัว ซึ่งที่ผ่านมาเรามักจะให้ตัวเลขทุก ๆ ตัวที่นำมาหาค่าเฉลี่ยมีความสำคัญเท่ากันหมด ทั้ง ๆ ที่ในความเป็นจริงแล้วมันไม่จำเป็นต้องเท่ากันเลย

ตัวอย่างของปัญหาเรื่องการให้ความสำคัญของข้อมูลแต่ละตัวได้ยกตัวอย่างไว้ใน "MO Memoir Oct 2 Thu เท่ากับเท่าไร" แล้ว ก็ขอให้ไปอ่านย้อนหลังเองก็แล้วกัน หรือถ้าหาไฟล์ไม่เจอก็ไปเปิดอ่านใน blog ของกลุ่มได้ (ที่ www.tamagozzilla.blogspot.com)

บันทึกฉบับนี้ขอเล่าเรื่องเกี่ยวกับตัวเลขอีกสัก 2 ตัวอย่างก่อนที่จะลืม ทั้งสองเรื่องเป็นเรื่องที่เกิดขึ้นที่ผมประสบมาเอง ข้อมูลและตัวเลขที่แสดงได้รับการดัดแปลงนิดหน่อย


1. ไฮโดรเจนมาจากไหน

เรื่องนี้เกิดขึ้นเมื่อ 13 ปีที่แล้ว (ราว ๆ พ.ศ. 2539)

Coke ที่จะกล่าวต่อไปในที่นี้ไม่ใช่น้ำอัดลมและไม่ใช่ถ่านหิน แต่เป็นสารประกอบคาร์บอนที่เกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียงและสะสมอยู่บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้งานในระบบที่มีสารอินทรีย์เป็นสารตั้งต้น โดย coke อาจจะเกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียงของสารตั้งต้นและ/หรือปฏิกิริยาต่อเนื่องของผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้น coke ที่สะสมอยู่บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาจะปกคลุม active site เอาไว้ ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาเสื่อมสภาพ (deactivation) จนไม่สามารถทำหน้าที่ได้อีกต่อไป และต้องนำมาทำการฟื้นสภาพ (regeneration) ด้วยการเผากับแก๊สที่มีออกซิเจนเป็นองค์ประกอบ ส่วนจะมีออกซิเจนเท่าไรนั้นก็ขึ้นอยู่กับว่าอยากจะเผาอย่างรุนแรงแค่ไหน ถ้าแก๊สที่ใช้เผามีความเข้มข้นออกซิเจนสูงก็จะเผาไหม้รุนแรง จนอาจเกิดความร้อนสูงจนกระทั่งตัวเร่งปฏิกิริยาเสื่อมสภาพอย่างถาวรจาก sintering ได้


องค์ประกอบของ coke นั้นไม่แน่นอน แต่เป็นที่ทราบกันว่าโครงสร้างหลักเป็นสารประกอบ polyaromatic ที่มีวงแอโรแมติกหลายวงต่อเข้าด้วยกัน (อัตราส่วนโดยโมลของอะตอม H:C << 1) และถ้าปล่อยให้เกิดต่อเนื่องเป็นเวลานานก็จะกลายเป็นแกรไฟต์ได้ (อัตราส่วนโดยโมลของอะตอม H:C = 0) ยิ่งปริมาณไฮโดรเจนใน coke ลดลงเท่าใด การเผาทำลาย coke นั้นก็ยิ่งยากขึ้น

การแก้ปัญหาการสะสมของโค้กมีอยู่ 2 แนวทางด้วยกัน แนวทางแรกคือการไปลดการเกิด ซึ่งอาจทำโดยการสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาให้มีจำนวน active site ที่ทำให้เกิด coke ลดน้อยลง เช่นโดยการทำให้ผลึกโลหะบน support มีขนาดเล็กลง (coke ชอบเกิดบนผลึกขนาดใหญ่) ซึ่งอาจทำโดยอาศัยเทคนิคการเตรียมหรือการผสมโลหะตัวที่สองเข้าไป หรือไปลดความเป็นกรดของพื้นผิว support (coke ต้องการตำแหน่งที่เป็นกรดในการเกิด) ซึ่งอาจทำโดยการเติมโลหะอัลคาไลน์ลงไปหรอืเปลี่ยนชนิดของ support เลย

แนวทางที่สองคือการรีบทำลาย coke ที่เกิดขึ้นก่อนที่มันจะมีโครงสร้างที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น ซึ่งกระทำได้โดยการเติมโลหะตัวที่สองที่มีคุณสมบัติในการตัดทำลายพันธะระหว่างอะตอมคาร์บอน (เช่น Re) และเพิ่มปริมาณไฮโดรเจนในแก๊สที่ทำปฏิกิริยา แนวทางนี้จะใช้กับกรณีที่ยังต้องการความเป็นกรดของพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาในการเกิดปฏิกิริยา เช่นในกรณีของ dual function catalyst ที่ใช้ในปฏิกิริยา reforming

วิธีการทั่วไปในการวัดปริมาณ C และ H ในสารอินทรีย์ทำโดยการนำเอาสารอินทรีย์นั้นไปเผาให้สลายตัวเป็นแก๊สให้หมด แล้ววัดปริมาณน้ำและ CO2 ที่เกิดขึ้น ในงานวิจัยหนึ่งผู้วิจัยทำการวัดอัตราส่วน H:C ของ coke โดยการนำตัวเร่งปฏิกิริยาที่มี coke สะสมไปเผา โดยก่อนการเผามีการไล่น้ำด้วยการ purge ด้วยไนโตรเจนที่อุณหภูมิ 120 องศาเซลเซียส จากนั้นจึงผสมออกซิเจนเข้าไปและค่อย ๆ เพิ่มอุณหภูมิการเผาไหม้ให้สูงขึ้นเรื่อย ๆ วัดปริมาณน้ำและ CO2 ที่เกิดขึ้น การเพิ่มอุณหภูมิกระทำจนตรวจไม่พบน้ำและ CO2 ออกมา ซึ่งแสดงว่าได้เผาไหม้ coke จนหมดแล้ว ผลการทดลองที่ได้แสดงไว้ในตารางข้างล่าง

ตารางที่ 1 อัตราส่วนโดยโมลของ H/C ของ coke ที่สะสมบนตัวเร่งปฏิกิริยา (A และ B คือโลหะอัลคาไลน์)

ตัวเร่งปฏิกิริยา
Pt/Al2O3
Pt-Sn/Al2O3
Pt-Sn-A/Al2O3
Pt-Sn-B/Al2O3
อัตราส่วน H:C
0.12
1.47
1.82
2.41

ผู้วิจัยรายงานว่าอัตราส่วน H:C ของ coke ที่ได้เมื่อมีการเติมโลหะ Sn หรือโลหะอัลคาไลน์ (A หรือ B) ลงไป มีค่าสูงขึ้น ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการเติม Sn หรือโลหะอัลคาไลน์ช่วยลดปัญหาการเกิด coke โดยป้องกันไม่ให้ coke ที่เกิดขึ้นพัฒนาตัวเองต่อไปจนอยู่ในรูปใกล้เคียงแกรไฟต์ (H/C เข้าใกล้ศูนย์) และผลการทดลองที่ได้สอดคล้องกับผลการทดลองที่มีนักวิจัยอื่นได้รายงานเอาไว้ก่อนหน้า ซึ่งที่ปรึกษาพอทราบผลสรุปดังกล่าวก็พอใจ โดยที่ดูเหมือนจะไม่ได้สนใจพิจารณาตัวเลขที่ผู้ทำวิจัยได้มา

แต่ข้อมูลในตารางที่ 1 มีความผิดพลาดอยู่ คุณสังเกตเห็นไหม

ค่าอัตราส่วน H:C ของไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว (alkane) เท่ากับ (2n+2)/n เมื่อ n คือจำนวนอะตอมคาร์บอน ค่า H:C ของอัลคีนที่มีพันธะคู่ 1 พันธะเท่ากับ 2 สายโซ่ไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวที่มีความยาวมาก ๆ เช่นพอลิเอทิลีน ค่า H:C คือ 2 ในกรณีของเบนซีนค่า H:C คือ 1 และถ้าเป็นพวก polyaromatic จะมีค่า H:C ที่น้อยกว่า 1

ดังนั้นถ้านำเอาค่า H:C ที่ได้จากการทดลองมาประมาณสูตรโครงสร้างโมเลกุลของ coke ก็จะพบว่า ในกรณีของ Pt-Sn/Al2O3 coke จะมีสูตรโมเลกุล C4H6 (butadiene?) ในกรณีของ Pt-Sn-A/Al2O3 coke จะมีสูตรโมเลกุล C5H9 - C5H10 (pentadiene + pentene?) และในกรณีของ Pt-Sn-B/Al2O3 coke จะมีสูตรโมเลกุล C5H12 (pentane?)

สารประกอบเหล่านี้ต่างมีจุดเดือดต่ำ และไม่น่าจะตกค้างอยู่บนผิวตัวเร่งปฏิกิริยาในลักษณะของ coke สีดำที่เกาะอยู่ได้ และถ้าหากว่าเกาะอยู่ได้ก็ควรต้องถูกกำจัดออกไปในขั้นตอนการไล่ความชื้นที่ 120 องศาเซลเซียส ดังนั้นประเด็นที่ต้องพิจารณาคือค่า H:C ที่วัดได้มีค่าค่อนข้างมากเป็นเพราะ

(ก) วัดคาร์บอนไดออกไซด์ได้น้อยกว่าความเป็นจริง หรือ

(ข) วัดไฮโดรเจนในรูปของน้ำได้มากกว่าความเป็นจริง

จากการที่ได้เคยตรวจสภาพตัวเร่งปฏิกิริยา (ตัวอื่นที่ไม่ใช่ตัวที่แสดงค่าในตาราง) หลังการเผาทำให้เชื่อว่าภาวะการเผาที่เขาใช้สามารถเผาสารประกอบคาร์บอนได้หมด (ว่าแต่ว่าคนที่ทำการทดลองดังกล่าวและที่ปรึกษาจะเคยสนใจเรื่องนี้บ้างหรือเปล่าผมก็ไม่รู้) และจากคุณสมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งไม่น่าจะดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์เอาไว้ ทำให้มั่นใจว่าปัญหาไม่ได้เกิดจากการวัดคาร์บอนไดออกไซด์ได้น้อยกว่าความเป็นจริง (เพราะถ้ามีการดูดซับคาร์บอนได้ออกไซด์จากอากาศเอาไว้จะต้องทำให้เห็นคาร์บอนมากกว่าความเป็นจริง) ดังนั้นประเด็นในการพิจารณาจึงมุ่งไปที่การวัดไฮโดรเจนในรูปของน้ำได้มากกว่าความเป็นจริง

น้ำที่ตรวจวัดได้ในระหว่างการเผานั้นมีที่มาจาก 2 แหล่งด้วยกัน แหล่งแรกคือน้ำที่ถูกดูดซับไว้โดยตัวเร่งปฏิกิริยาหรือเป็นน้ำที่อยู่ในโครงร่างผลึกของตัวเร่งปฏิกิริยา และแหล่งที่สองคือน้ำที่เกิดจากการเผาไหม้ coke ที่เกาะอยู่บนตัวเร่งปฏิกิริยา ในการคำนวณค่า H:C ของ coke เราต้องใช้เฉพาะค่าน้ำที่เกิดจากการเผาไหม้เท่านั้นจึงจะได้ค่าที่ถูกต้อง ดังนั้นประเด็นในการพิจารณาจึงมุ่งไปที่น้ำจากแหล่งแรกถูกกำจัดหมดไปก่อนที่จะเริ่มทำการเผา coke หรือไม่ และคำตอบที่ได้รับคือ "ไม่หมด"

น้ำที่อยู่กับผลึกของแข็งนั้นอยู่ด้วยกันได้ 3 รูปแบบคือ

(ก) น้ำที่ถูกดูดซับทางกายภาพ (Physical absorption) น้ำพวกนี้จะไล่ได้ด้วยการให้ความร้อนสูงเกินจุดเดือดของน้ำ (100 องศาเซลเซียส)

(ข) น้ำที่ถูกดูดซับทางเคมี (Chemical absorption) น้ำพวกนี้อาจอยู่ในรูปของหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) บนพื้นผิว ซึ่งต้องให้ความร้อนสูงกว่าน้ำพวกแรก เพื่อให้หมู่ไฮดรอกซิลสลายตัวกลายเป็นโมเลกุลน้ำออกมา และ

(ค) น้ำที่อยู่ในโครงสร้างผลึก ซึ่งอุณหภูมิการไล่น้ำพวกนี้จะขึ้นอยู่กับผลึกแต่ละชนิด ในผลึกบางชนิดต้องทำการไล่ที่อุณหภูมิเกินกว่า 600 องศาเซลเซียส

ภาวะที่ผู้ทำการวิเคราะห์ไล่น้ำนั้น ทำให้เชื่อว่าได้ทำการไล่น้ำที่ถูกดูดซับทางกายภาพออกไปหมด ดังนั้นประเด็นที่ต้องพิจารณาต่อไปคือมีน้ำอยู่ในรูปของน้ำที่ถูกดูดซับทางเคมีหรือน้ำที่อยู่โครงร่างผลึกตกค้างอยู่หรือเปล่า น้ำที่อยู่ในโครงร่างผลึกมีสิทธิที่จะตกค้างอยู่ได้ถ้าหากอุณหภูมิที่ใช้ในการทดลองมีค่า "ต่ำ" กว่าอุณหภูมิที่ใช้ในการเผา coke ดังนั้นน้ำที่อยู่ในโครงร่างผลึกจะไม่ถูกกำจัดออกไปในระหว่างการทดลอง (ที่ทำให้เกิด coke) แต่จะออกมาจากโครงร่างผลึกเมื่อทำการเผา coke ที่อุณหภูมิที่สูงกว่า ส่วนน้ำที่ถูกดูดซับทางเคมีนั้นจะขึ้นอยู่กับประสบการณ์ของตัวเร่งปฏิกิริยาว่าหลังจากที่ผ่านการทดลองที่ทำให้เกิด coke ขึ้นมาแล้ว ดังเร่งปฏิกิริยานั้นได้สัมผัสกับอากาศที่มีความชื้นในปริมาณเท่าใด เป็นเวลานานเท่าใด ก่อนที่จะถูกนำมาเผาไล่ coke

ในกรณีนี้พบว่ามีปัญหาที่เกิดจากมีน้ำที่ถูกดูดซับทางเคมีและน้ำที่อยู่ในโครงร่างผลึกหลุดออกมาเมื่อทำการเผาไหม้ coke ที่อุณหภูมิสูง


2. ตัวเลขของผมสวยกว่านะ

เรื่องนี้เกิดขึ้นเมื่อประมาณ 6 ปีที่แล้ว ราว ๆ ปีพ.ศ. 2546 ในระหว่างการสอบวิทยานิพนธ์

ผู้วิจัยผู้หนึ่งทำการศึกษาการอัตราการแพร่ของสารผ่าน membrane ที่อุณหภูมิต่าง ๆ กัน ผลการทดลองที่ได้แสดงไว้ในตารางที่ 2

ตารางที่ 2 อัตราการแพร่ของสารผ่าน membrane ที่อุณหภูมิต่าง ๆ

อุณหภูมิ (K)
323
333
343
อัตราการแพร่
0.6748
0.6617
0.6378

จากบทความที่เขาอ่านมา อ้างว่าความความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและอัตราการแพร่เป็นไปตามสมการของ Arrhenius กล่าวคืออัตราการแพร่แปรผันตามฟังก์ชัน exp(-Ea/RT) ดังนั้นเมื่อนำไปเขียนกราฟระหว่าง ln(rate) กับ 1/T ก็ควรจะได้กราฟเส้นตรง ซึ่งเมื่อเขานำข้อมูลดังกล่าวไปเขียนกราฟ ก็ได้กราฟดังรูปที่ 1 ข้างล่าง




รูปที่ 1 กราฟระหว่าง ln(rate) กับ 1/T

ซึ่งเขาบอกว่าได้ค่า R2 = 0.96378 ซึ่งเข้าใกล้ 1 ดังนั้นผลการทดลองของเขาจึงสอดคล้องกับผลการทดลองของบทความที่มีรายงานไว้ก่อนหน้า

แต่ผมแย้ง (ในระหว่างการสอบวิทยานิพนธ์ว่า) ปรกติแล้วอัตราการแพร่จะแปรผันกับรากที่สองของอุณหภูมิไม่ใช่หรือ และถ้านำข้อมูลของเขาไปเขียนกราฟระหว่าง rate กับรากที่สองของอุณหภูมิก็จะได้กราฟดังรูปที่ 2


รูปที่ 2 กราฟระหว่าง rate กับรากที่สองของ T

ซึ่งถ้าทำตามที่ผมเสนอแนะจะได้ค่า R2 = 0.97095 ซึ่งเข้าใกล้ 1 มากกว่าแบบจำลองที่เขาเสนออีก เขาก็แย้งกลับมาว่าก็บทความเขาว่ามาอย่างนี้ เขาก็ว่าไปตามที่บทความเขาบอกมา ผมก็เลยถามกลับไปว่าดังนั้นทำไมจึงไม่เสนอว่าสิ่งที่บทความแนะนำมาเป็นสิ่งที่ไม่ถูกต้อง ทำไมต้องเชื่อบทความไปทุกอย่าง

งานนี้ไม่มีใครตอบคำถามของผมได้

แล้วใครถูกใครผิดล่ะ

กลไกการแพร่ผ่าน membrane นั้นขึ้นอยู่กับว่าเป็น membrane ประเภทไหน ในกรณีของ membrane ที่เป็นรูพรุนแล้วให้โมเลกุลสารแพร่ผ่านรูพรุนเล็ก ๆ นั้นโดยอาศัยความแตกต่างของมวลหรือรูปร่างโมเลกุล อัตราการแพร่จะแปรผันตามรากที่สองของอุณหภูมิ แต่ถ้าแพร่ผ่านด้วยการไกการดูดซับที่ต้องมีการดูดซับทางเคมีเกิดขึ้นก่อน (Chemical absorption) ขั้นตอนการดูดซับทางเคมีเป็นปฏิกิริยาเคมี ดังนั้นอัตราการแพร่จะแปรผันตามสมการของ Arrhenius

ในกรณีนี้เป็นการแพร่ผ่านซึ่งต้องอาศัยการดูดซับทางเคมีก่อน ดังนั้นแม้ว่าแบบจำลองที่ 2 (ที่บอกว่าอัตราเร็วในการแพร่แปรผันกับรากที่สองของอุณหภูมิ) จะให้ค่า R2 ที่เข้าใกล้ 1 มากกว่า แต่แบบจำลองนี้เป็นแบบจำลองที่ไม่ถูกต้องกับระบบที่เขาศึกษา คำถามที่ผมถามไปเป็นเพื่อทดสอบความเข้าใจพื้นฐานของเรื่องที่เขาทำวิจัย

สาเหตุที่เขาตอบคำถามผมไม่ได้อาจเป็นเพราะเขาไม่มีความเข้าใจเรื่องการแพร่ผ่าน membrane ที่ดีพอ คิดแต่ว่าตัวเองทำวิจัยเรื่องนี้ดังนั้นรู้เพียงแค่เรื่องนี้เรื่องเดียวก็พอ หรืออาจคิดว่ามันไม่มีรูปแบบอื่นอีกแล้วก็ได้ อันนี้ผมก็ไม่รู้เหมือนกัน