เมื่อวันจันทร์ที่ ๒๑ ธันวาคมที่ผ่านมา มีนิสิตเก่าที่ปัจจุบันกำลังทำวิจัยระดับปริญญาเอกอยู่ที่เยอรมันมาเยี่ยม (และมาถามปัญหา) เห็นว่าเป็นเรื่องน่าสนใจก็เลยขอเอามาเล่าสู่กันฟัง
หัวข้อที่เขากำลังทำวิจัยอยู่คือการหาทางเปลี่ยนระบบตัวเร่งปฏิกิริยาเอกพันธุ์ (homogeneous catalyst) ให้กลายเป็นระบบตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์เทียม (Pseudo-heterogeneous catalyst ชื่อนี้ผมตั้งเองนะ) โดยการห่อหุ้มตัวเร่งปฏิกิริยาเอกพันธุ์ (ที่เป็นของเหลว) เอาไว้ด้วยเมมเบรนที่เป็นของแข็ง ซึ่งผมก็พึ่งจะเคยได้ยินเรื่องนี้เป็นครั้งแรกก็เมื่อวันนั้นแหละ
ตัวเร่งปฏิกิริยาเอกพันธุ์ (เช่นไอออนบวกของโลหะ หรือโปรตอน) นั้นมีข้อดีตรงที่ทุก ๆ อนุภาคของตัวเร่งปฏิกิริยา (อาจเป็น ไอออนของอะตอมเดียว หรือหลายอะตอมรวมกัน) จะเหมือนกันหมด ดังนั้นพฤติกรรมการทำปฏิกิริยาก็ควรจะเหมือนกันหมด ค่าการเลือกเกิด (selectivity) ก็ควรที่จะสูงมากตามไปด้วย ถ้านึกภาพไม่ออกลองนึกภาพว่าถ้าเราเอา NaCl ไปละลายน้ำ NaCl จะแตกตัวออกเป็น Na+ และ Cl- ซึ่งแต่ละไอออนของ Na+ ก็จะเหมือนกันหมด และแต่ละไอออนของ Cl- ก็จะเหมือนกันหมดเช่นกัน ส่วนตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์ที่เป็นของแข็งนั้นแต่ละอะตอมหรือไอออนบนพื้นผิวของแข็งจะไม่เหมือนกัน ซึ่งขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่อยู่ เช่น อยู่บนระนาบ บนขอบ หรือตำแหน่งมุมของผลึก และยังขึ้นอยู่กับชนิดและจำนวนของอะตอม/ไอออนที่อยู่ข้างเคียงด้วย ทำให้มีตำแหน่งที่ว่องไวหลายรูปแบบอยู่บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา จึงทำให้เกิดปฏิกิริยาได้หลายปฏิกิริยา ค่าการเลือกเกิดจึงต่ำกว่า
แต่ตัวเร่งปฏิกิริยาเอกพันธุ์ก็มีข้อเสียตรงที่ไม่สามารถแยกตัวเร่งปฏิกิริยาออกจากระบบทำปฏิกิริยาได้ ทำให้ต้องสูญเสียตัวเร่งปฏิกิริยาไปกับผลิตภัณฑ์ที่เกิด
กรดอนินทรีย์เช่น H2SO4 หรือ HCl นั้นเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีสำหรับบางปฏิกิริยาของสารอินทรีย์ แต่ปัญหาที่เกิดขึ้นคือกรดเหล่านี้เป็นสารละลายในน้ำในขณะที่สารอินทรีย์ที่มันต้องเข้าทำปฏิกิริยา เช่นไฮโดรคาร์บอน นั้นไม่ละลายในน้ำ ทำให้ระบบการทำปฏิกิริยาเป็นแบบวิวิธพันธุ์โดยมีไฮโดรคาร์บอนลอยอยู่บนผิวหน้าของสารละลายกรด การเกิดปฏิกิริยาจึงเกิดที่ผิวสัมผัสระหว่างเฟสสารละลายกรด (เฟสมีขั้ว) และเฟสสารตั้งต้นไฮโดรคาร์บอน (เฟสไม่มีขั้ว)
เพื่อแก้ปัญหาที่ได้กล่าวมาข้างต้น จึงมีผู้นำเสนอแนวความคิด (ไม่รู้เหมือนกันว่าเป็นใคร) ที่จะห่อหุ้ม (encapsulate) ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของเหลวนี้เอาไว้ด้วยเมมเบรนที่เป็นของแข็ง จากนั้นจึงนำตัวเร่งปฏิกิริยาที่ผ่านการห่อหุ้มแล้ว (encapsulated liquid catalyst) มาใช้ทำปฏิกิริยา ซึ่งก็จะเสมือนกับการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งแขวนลอยอยู่ในสารตั้งต้นที่เป็นของเหลว แนวความคิดดังกล่าวแสดงไว้ในรูปที่ 1 ข้างล่าง
รูปที่ 1 แนวความคิดของ encapsulated homogeneous catalyst ที่ทำการห่อหุ้มสารละลายตัวเร่งปฏิกิริยา (สีเหลือง) ไว้ในเมมเบรนที่มีรูพรุน (สีแดง) แล้วนำไปแขวนลอยในสารละลายสารตั้งต้นที่เป็นของเหลว
ประเด็นที่เขามาปรึกษาผมคือหลักการของระบบนี้เป็นอย่างไร และควรจะนำปฏิกิริยาใดมาใช้ทดลอง ซึ่งผมก็ได้ให้มุมมองของผมซึ่งพอจะแยกเป็นข้อ ๆ ได้ดังนี้
1. เหตุผลที่ว่าทำไมต้องหาเมมเบรนมาห่อหุ้มสารละลายตัวเร่งปฏิกิริยาเอาไว้
ก็ได้อธิบายไปแล้วข้างต้น
2. เมมเบรนที่ใช้ควรมีคุณสมบัติอย่างไร
ตรงจุดนี้ผมได้ให้มุมมองไว้ว่า
- สารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจะต้องสามารถแพร่ผ่านเมมเบรนได้
- ตัวเร่งปฏิกิริยาจะต้องไม่สามารถแพร่ผ่านเมมเบรน
- เมมเบรนจะต้องทนต่อสารละลายของสารตั้งต้นและสารละลายตัวเร่งปฏิกิริยา กล่าวคือต้องไม่ละลายในตัวทำละลายของเฟสสารตั้งต้นและตัวทำละลายของเฟสตัวเร่งปฏิกิริยา เมมเบรนที่เป็นสารอนินทรีย์ (เช่นสารประกอบออกไซด์ต่าง ๆ) อาจทนต่อความมีขั้วหรือไม่มีขั้วของสารละลาย แต่ต้องพิจารณากรณีที่เฟสใดเฟสหนึ่งเป็นกรดหรือเบส ส่วนเมมเบรนที่เป็นสารอินทรีย์ (เช่นพอลิเมอร์ต่าง ๆ) อาจไม่ต้องกังวลเรื่องความเป็นกรด-เบส แต่ต้องระวังเรื่องความมีขั้วหรือไม่มีขั้วของสารละลาย
- กลไกการแพร่ผ่านเมมเบรนนั้นใช้กลไกใด เช่น รูปร่างโมเลกุล ขนาดโมเลกุล น้ำหนักโมเลกุล หรือความเป็นขั้วของโมเลกุล
- หาจุดร่วมที่สารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์มี และหาจุดต่างระหว่างตัวเร่งปฏิกิริยากับสารตั้งต้น/ผลิตภัณฑ์ และใช้ข้อมูลจุดร่วม/จุดต่างนั้นเป็นตัวกำหนดว่าเมมเบรนควรมีคุณสมบัติอย่างไร จึงจะทำให้เฉพาะสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์แพร่ผ่านได้ โดยที่ตัวเร่งปฏิกิริยาไม่สามารถแพร่ผ่านได้ ตัวอย่างเช่นถ้าสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์มีส่วนโครงสร้างโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว ส่วนตัวเร่งปฏิกิริยานั้นเป็นไอออนบวก เราก็ควรลองเลือกใช้เมมเบรนที่โมเลกุลโครงสร้างเมมเบรนเป็นโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว (รายละเอียดเพิ่มเติมเคยกล่าวไว้ใน MO Memoir 2551 Dec 8 Mon การละลายเข้าด้วยกันของโมเลกุลมีขั้ว-ไม่มีขั้ว)
- กรณีที่ตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นไอออนบวกของโลหะ เป็นไปได้ไหมที่เราจะใช้สารคีเลต (chelating agent) บางตัวมาจับไอออนบวกนั้นเอาไว้ เพื่อให้กลายเป็นสารประกอบเชิงซ้อนที่มีขนาดโมเลกุลใหญ่ ทั้งนี้เพื่อป้องกันไม่ให้ไอออนบวกของตัวเร่งปฏิกิริยาแพร่ผ่านเมมเบรนไปได้
- ความดันระหว่างสารละลายภายนอกกับสารละลายที่อยู่ภายใน encapsulated homogeneous catalyst นั้นจะส่งผลต่อการแพร่ผ่านของสารละลายหรือไม่ เช่นถ้าเราเตรียม encapsulated homogeneous catalyst ไว้ที่ความดันต่ำ (เช่นที่ความดันบรรยากาศ) แต่นำไปใช้ที่ความดันสูง (เช่นนำไปใช้ที่ความดันสูงกว่าบรรยากาศ) ความดันภายนอกที่สูงกว่านั้นจะส่งผลอย่างไรต่อโครงสร้างเมมเบรน เช่นอาจทำให้เมมเบรนยุบตัวลง หรือดันให้สารละลายภายนอกไหลเข้าไปผสมกับสารละลายตัวเร่งปฏิกิริยภายใน หรือในทางตรงกันข้ามถ้าความดันของระบบการทำปฏิกิริยานั้นต่ำกว่าความดันที่ใช้ในการเตรียม encapsulated homogeneous catalyst ความดันภายนอกที่ต่ำกว่านั้นจะทำให้สารละลายที่อยู่ข้างใน encapsulated homogeneous catalyst รั่ว (หรือระเหย) ออกมาหรือไม่
- เครื่องปฏิกรณ์ที่จะนำเอาอนุภาค encapsulated homogeneous catalyst ไปใช้นั้นเป็นแบบไหน ถ้าเป็น fixed-bed ตัวอนุภาค encapsulated homogeneous catalyst ก็ต้องมีความแข็งแรงที่จะรองรับน้ำหนัก (แรงกด) ที่เกิดขึ้นในเบดได้ ถ้าเป็นเครื่องปฏิกรณ์แบบปั่นกวน ตัวอนุภาค encapsulated homogeneous catalyst ก็ต้องทนการกระแทกที่เกิดขึ้นในระหว่างปั่นกวนได้
ในขณะนี้คงช่วยได้แค่นี้ ส่วนผลจะออกมาเป็นอย่างไรก็ขอให้คนทำวิจัยเรื่องดังกล่าวโชคดีก็แล้วกัน
พอสามีกลับเมืองไทยแล้วก็คงจะมีสมาธิทำแลปดีขึ้นนะ :) คงได้เที่ยวน้อยลงแล้ว
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น