แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๓ (ตอนที่ ๑๐) MO Memoir : Friday 30 December 2554

เนื้อหาในเอกสารฉบับนี้เกี่ยวกับความเป็นมาของงานที่กำลังกระทำอยู่ เพื่อความเข้าใจที่ตรงกันสำหรับผู้ที่กำลังจะทำการสอบโครงร่างวิทยานิพนธ์ในปีหน้า (อันที่จริงก็สัปดาห์หน้านั่นแหละ) และขอให้นิสิตรหัส ๕๔ ศึกษาทำความเข้าใจเอาไว้ด้วย เพราะอีกไม่กี่เดือนข้างหน้าก็ต้องรับช่วงงานต่อแล้ว

เนื้อหาในเอกสารนี้นำลง blog เพียงบางส่วน

๑. การกำจัด NOx ด้วยปฏิกิริยา NH₃ SCR

ผมจะเริ่มจากการปูพื้นฐานทั่วไปก่อนนะ แล้วค่อยให้รายละเอียดว่างานของแต่ละคนนั้นมีจุดที่แตกต่างกันตรงไหน 

 

พร้อมกันนี้ผมได้แนบไฟล์ประกาศกระทรวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และสิ่งแวดล้อม เรื่อง

(ก) "กำหนดมาตรฐานการควบคุมการปล่อยทิ้งอากาศเสียจากโรงไฟฟ้า" ที่ประกาศในราชกิจจานุเบกษาเดือนมกราคม พ.ศ. ๒๕๓๙ และ

(ข) "กำหนดมาตรฐานการควบคุมการปล่อยทิ้งอากาศเสียจากโรงไฟฟ้าใหม่" ที่ประกาศในราชกิจจานุเบกษาเดือนมกราคม พ.ศ. ๒๕๕๓

มาให้ด้วยเพื่อที่พวกคุณจะได้มองเห็นภาพของงานที่เรากำลังทำอยู่ได้ชัดเจนขึ้น ปัจจุบันประกาศทั้ง ๒ ฉบับนี้ยังมีผลบังคับใช้อยู่ ผม download มาจาก http://www.pcd.go.th/download/regulation.cfm?task=s2)

ขอเริ่มเป็นข้อ ๆ ไปก็แล้วกัน

๑.๑ องค์ประกอบของแก๊สที่เกิดจากการเผาไหม้นั้นขึ้นอยู่กับเชื้อเพลิงที่ใช้ (ถ่านหิน น้ำมัน และแก๊ส) ถ่านหินจัดว่าเป็นเชื้อเพลิงที่มีสัดส่วนไฮโดรเจนต่ำสุด ในขณะที่แก๊สธรรมชาติจัดว่าเป็นเชื้อเพลิงที่มีสัดส่วนไฮโดรเจนสูงสุด ดังนั้นถ้าพิจารณากันตามนี้ แก๊สที่เกิดจากการเผาถ่านหินก็ควรที่จะมีปริมาณไอน้ำต่ำสุด ในขณะที่แก๊สที่เกิดจากการเผาแก๊สธรรมชาติควรจะมีปริมาณไอน้ำสูงสุด

๑.๒ ในทางทฤษฎีนั้น เพื่อให้การเผาไหม้มีประสิทธิภาพสูงสุด (อุณหภูมิแก๊สร้อนที่ได้จากการเผาไหม้สูงที่สุด) ปริมาณอากาศที่ใช้ต้องอยู่ที่ stoichiometric ratio ซึ่งการเผาไหม้ในสภาวะนี้จะเรียกว่า stoichiometric combustion แต่ในทางปฏิบัตินั้นเพื่อให้การเผาไหม้เกิดได้สมบูรณ์ จะต้องใช้อากาศที่ "มากเกินพอ" อยู่เล็กน้อย

๑.๓ ในภาวะที่มีอากาศมากเกินพอนั้น แก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้จึงถือได้ว่าปราศจาก CO และเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ไม่หมด

๑.๔ เช่นเดียวกัน ในทางทฤษฎีนั้น ประสิทธิภาพของวัฏจักรกำลังต่าง ๆ จะขึ้นอยู่กับผลต่างระหว่างอุณหภูมิของแหล่งให้ความร้อนและอุณหภูมิของแหล่งรับความร้อน ยิ่งผลต่างนี้มีค่ามากเท่าใด ประสิทธิภาพก็จะสูงขึ้น แต่เนื่องจากแหล่งรับความร้อนมักจะเป็นน้ำระบายความร้อน และอุณหภูมิของน้ำระบายความร้อนที่ใช้กันจะมีอุณหภูมิประมาณอุณหภูมิห้อง ดังนั้นการเพิ่มประสิทธิภาพจึงต้องไปที่การทำให้อุณหภูมิของแหล่งให้ความร้อนมีค่ามากที่สุดเท่าที่จะทำได้

๑.๕ แต่ปฏิกิริยาการเกิด NOx ก็จะสูงมากตามอุณหภูมิด้วย ดังนั้นยิ่งแก๊สที่เผาไหมม้มีอุณหภูมิสูงมากเท่าใด ปริมาณ NOx ที่เกิดขึ้นก็มากตามไปด้วย

๑.๖ NOx ที่กล่าวถึงในข้อ ๑.๕ นั้นเป็นตัวที่เกิดจาก N₂ กับ O₂ ในอากาศ แต่ยังมี NOx อีกส่วนหนึ่งที่เกิดจากสารประกอบไนโตรเจนที่มีอยู่ในเชื้อเพลิง ซึ่งสารประกอบพวกนี้มักจะมีอยู่แล้วในถ่านหินและน้ำมันเตา ปริมาณที่มีอยู่จะขึ้นอยู่กับชนิดของถ่านหินและน้ำมันที่เอามาเผาไหม้ ดังนั้นถ้าเราไปดูมาตรฐาน NOx สูงสุดที่อนุญาตให้ปล่อยทิ้งได้ จะพบว่าของถ่านหินและน้ำมันเตาจะสูงกว่าของแก๊สธรรมชาติ

๑.๗ อีกแนวทางในการลดการเกิด NOx ได้แก่การลดอุณหภูมิแก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ให้ต่ำลง ซึ่งอาจทำโดยการใช้อากาศมากเกินพอ หรือโดยการฉีดไอน้ำเข้าไป แต่การทำดังกล่าวก็จะทำให้ประสิทธิภาพการเผาไหม้ลดลงไปด้วย

๑.๘ องค์ประกอบในแก๊สร้อนที่ออกจากเตาเผา และองค์ประกอบในแก๊สปล่อยทิ้งสู่บรรยากาศทางปล่องนั้น "ไม่จำเป็นต้องเหมือนกัน" เพราะในระหว่างทางนั้นอาจมีการผสมอากาศหรือแก๊สอื่น (เช่นไอน้ำ) เข้าไป เพื่อทำให้ความเข้มข้นของสารพิษต่าง ๆ ในแก๊สนั้นลดลง แต่ปริมาณไม่ได้ลดลงนะ เพราะปริมาตรแก๊สปล่อยทิ้งจะมากขึ้น ดังนั้นเพื่อป้องกันการโกงดังกล่าว ในมาตรฐานจึงต้องกำหนดไว้ว่าการวัดนั้นต้องทำที่ "สภาวะแห้ง" และ "ปริมาตรอากาศส่วนเกินในการเผาไหม้" หรือ "ปริมาตรออกซิเจนส่วนเกินในการเผาไหม้" เอาไว้ด้วย

๑.๙ ในภาวะที่มีออกซิเจนมากเกินพอในแก๊สปล่อยทิ้งนั้น เราไม่สามารถนำตัวเร่งปฏิกิริยา 3-way catalyst ที่ใช้กับรถยนต์ (เครื่องยนต์เบนซิน) มาใช้ได้ เพราะตัวเร่งปฏิกิริยาพวกนั้นจะทำงานได้กับไอเสียที่ได้จากการเผาไหม้ในภาวะที่มีออกซิเจน "พอดี" กับการเผาไหม้เท่านั้น เพราะตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวใช้ไฮโดรคาร์บอนที่หลงเหลือจากการเผาไหม้ในการรีดิวซ์ NOx ที่เกิดขึ้น แต่ในภาวะที่มีออกซิเจนและ NOx อยู่ร่วมกันนั้น ตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวจะทำปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรคาร์บอนกับออกซิเจนก่อน โดยที่ NOx ไม่สามารถเข้าร่วมทำปฏิกิริยาได้จนกว่าออกซิเจนจะหมด ดังนั้นถ้านำเอามาใช้กับแก๊สปล่อยทิ้งจากโรงไฟฟ้าที่มีความเข้มข้นออกซิเจนหลาย % (เช่น 15% ในกรณีของเรา) ในขณะที่มี NOx ต่ำมาก (แค่ระดับ ppm ดังเช่นกรณีของเรา)

๑.๑๐ ตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการกำจัด NOx จากไอเสียดังกล่าวที่ถูกพัฒนาขึ้นมาในยุคแรกคือ V₂O₅ บนตัวรองรับต่าง ๆ โดยใช้ NH₃ เป็นสารรีดิวซ์

๑.๑๑ Alumina เป็นตัวรองรับที่มีพื้นที่ผิวสูงและทนอุณหภูมิสูง แต่ไม่ทนต่อ SO₂ ในแก๊ส ส่วน TiO₂ (anatase) แม้ว่าจะมีพื้นที่ผิวต่ำกว่าและทนอุณหภูมิได้ต่ำกว่า แต่สามารถทนต่อ SO₂ ในแก๊ส ดังนั้นการที่จะเลือกใช้ตัวรองรับเป็นตัวใดนั้นจึงต้องดูองค์ประกอบของแก๊สด้วย

๑.๑๒ แต่ในขณะเดียวกัน V₂O₅ ก็เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในการผลิตกรดกำมะถัน โดยสามารถออกซิไดซ์ SO₂ ให้กลายเป็น SO₂ ได้ ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนถูกควบคุมด้วยสมดุลเคมี ดังนั้นถ้าพิจารณาจากแง่สมดุลเคมีแล้วปฏิกิริยานี้จะไปข้างหน้าได้มากที่อุณหภูมิต่ำ แต่ที่อุณหภูมิต่ำนั้นอัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะต่ำลงไปด้วย ด้วยเหตุนี้จึงไม่จำเป็นว่าจะเกิดการออกซิไดซ์ SO₂ ไปเป็น SO₂ ได้มากที่อุณหภูมิต่ำ

๑.๑๓ V₂O₅ จัดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำงานได้ดีในช่วงอุณหภูมิปานกลาง (เอาเป็นว่าไม่เกิน 500ºC ก็แล้วกัน) ในช่วงอุณหภูมิสูงพวก WO₃ จะทำงานได้ดีกว่า ดังนั้นอย่าแปลกใจว่าทำไมในช่วงหลังจึงมีการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ WO₃ เกิดขึ้น แต่นั่นไม่ได้หมายความว่า WO₃ ดีกว่า V₂O₅ แต่เป็นเพราะมีการออกแบบโรงไฟฟ้าที่แก๊สปล่อยทิ้งมีอุณหภูมิสูงมาก (พวกมีแต่กังหันแก๊สโดยที่ยังไม่มีระบบกังหันไอน้ำร่วม) เพราะถ้าเอา WO₃ มาใช้ในช่วงอุณหภูมิปานกลาง มันก็ทำงานสู้ V₂O₅ ไม่ได้

๑.๑๔ ในทำนองเดียวกัน MoO₃ ก็เป็นตัวที่ทำงานได้ดีกว่า V₂O₅ ในช่วงอุณหภูมิต่ำ (เอาเป็นว่าไม่เกิน 250ºC ก็แล้วกัน) แต่ถ้าอุณหภูมิสูงขึ้นก็ทำงานสู้ V₂O₅ ไม่ได้

๑.๑๕ ด้วยเหตุนี้จึงได้มีการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยา V₂O₅- WO₃ สำหรับการทำงานในช่วงอุณหภูมิปานกลางถึงสูง (ถ้าเป็นช่วงอุณหภูมิสูงจะไม่มี V₂O₅ หรือมีอยู่น้อยมาก) และตัวเร่งปฏิกิริยา V₂O₅- MoO₃ สำหรับการทำงานในช่วงอุณหภูมิต่ำถึงปานกลาง

๑.๑๖ ด้วยเหตุนี้เราจึงได้คิดที่จะลองนำโลหะออกไซด์ทั้ง ๓ ชนิดมารวมกัน เพื่อที่จะดูว่าช่วงความสามารถในการทำปฏิกิริยาของตัวเร่งปฏิกิริยาตัวใหม่นี้จะเป็นอย่างไร 

๑.๑๗ เป็นที่ทราบกันมานานแล้ว (อย่างน้อยก็กว่า ๒๐ ปีแล้ว) ว่า V₂O₅ ที่เคลือบลงไปบนพื้นผิว TiO₂ (anatase) จะแตกต่างไปจากบนพื้นผิวอื่น โดยบนพื้นผิว TiO₂ (anatase) V₂O₅ จะกระจายตัวออกเป็นชั้นบาง ๆ ที่เรียกว่า monolayer (มีเพียงชั้นเดียว) ก่อน จนกว่าพื้นผิวจะถูกปกคลุมเอาไว้ทั้งหมด จากนั้นจึงค่อยก่อตัวเป็นผลึก แต่ถ้าเป็นบนพื้นผิวอื่นจะเกาะรวมตัวกันเป็นผลึกได้ตั้งแต่แรก

๑.๑๘ และมีรายงานด้วยว่า V₂O₅ และ MoO₃ สามารถรวมตัวกันเป็นออกไซด์ผสมตัวใหม่ โดยการเกิดออกไซด์ผสมตัวใหม่นี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ถ้าใช้อุณหภูมิสูงก็จะเกิดได้ดีขึ้น

๑.๑๙ ส่วนออกไซด์ผสมระหว่าง V₂O₅ และ WO₃ หรือ WO₃ และ MoO₃ นั้นผมเองยังไม่เคยค้นดู ขอให้พวกคุณลองไปดูกันหน่อยแล้วกันว่ามันเกิดได้หรือเปล่า

ข้อ ๑.๑ ถึง ๑.๑๙ ที่กล่าวมาข้างบนนั้นเป็นการปูพื้นฐานเผื่อต้องใช้ในการบรรยายให้กรรมการสอบได้เห็นภาพที่มาที่ไปของงานที่เรากำลังทำวิจัยอยู่

๑.๒๐

๑.๒๑ 

๑.๒๒ 

๑.๒๓

๑.๒๔ 

๑.๒๕ 

๑.๒๖ ปัญหาที่ทั้งสองคนมีร่วมกันก็คือจะวิเคราะห์ได้อย่างไรว่ามีสารประกอบโลหะออกไซด์ตัวใหม่เกิดขึ้น หรือผลการทำปฏิกิริยาที่แตกต่างกันนั้น (ถ้ามันแตกต่างกัน) เกิดจากอะไร วิธีการวิเคราะห์ที่ผมเห็นว่าควรต้องเตรียมทำก็มี XRD FT-IR และ H₂-TPR

๑.๒๗ ในกรณีของ XRD นั้นผมยังสงสัยอยู่ว่าถ้าหากเกิดออกไซด์ผสมตัวใหม่ขึ้นจริง จะมองเห็นพีคหรือไม่ และถ้าหากเรามองเห็นพีค เราจะสามารถระบุได้หรือไม่ว่าเป็นพีคของอะไร ดังนั้นในขณะนี้ผมจึงยังไม่คาดหวังอะไรจากเทคนิคนี้มากนั้น

๑.๒๘ ในกรณีของ FT-IR นั้นผมคิดว่ามีโอกาสสูงกว่าที่จะเห็นความแตกต่าง เพราะจากประสบการณ์เท่าที่ผ่านมานั้นพบว่าในกรณีของออกไซด์ที่ไม่ก่อโครงสร้างเป็นผลึกเช่นกรณีของ V₂O₅ บน TiO₂ ที่ V₂O₅ ก่อตัวเป็นชั้น monolayer บน TiO₂ นั้น XRD ไม่สามารถตรวจจับการมีอยู่ของ V₂O₅ ได้ แต่ FT-IR สามารถตรวจจับได้

๑.๒๙ ส่วน H₂-TPR นั้น (งานส่วนนี้ยังไม่ต้องกล่าวถึงในการสอบโครงร่าง) เป็นตัวบอกว่าออกไซด์ของเรานั้นถูกรีดิวซ์ได้ง่ายหรือยาก ซึ่งการวิเคราะห์ความยากง่ายในการหลุดออกของ O^2- นั้นจะให้ข้อมูลที่ดีถ้าหากปฏิกิริยาของเรานั้น สารตั้งต้นต้องมีการมาดึงเอาออกซิเจนออกจากโครงร่างผลึกของตัวเร่งปฏิกิริยาโดยผ่านทางแบบจำลอง REDOX แต่ที่ผ่านมานั้นมีผู้เสนอว่าปฏิกิริยา SCR นี้มันผ่านทางแบบจำลอง Rideal ซึ่งเป็นปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลที่ถูกดูดซับบนพื้นผิวกับโมเลกุลในเฟสแก๊สที่วิ่งเข้ามาชน ซึ่งพิจารณาเพียงแค่แง่มุมนี้การวัด H₂-TPR ก็ไม่น่าจะให้ข้อมูลสำคัญใด ๆ

๑.๓๐ แต่ถ้ามองจากมุมมองที่ว่า NH₃ ต้องลงไปเกาะบนพื้นผิวก่อน ตำแหน่งที่ NH₃ ลงไปเกาะนั้นจะมีส่วนที่เป็น Lewis acid site หรือตำแหน่งที่เป็นไอออนบวกของโลหะ ความยากง่ายในการรีดิวซ์ออกไซด์ของโลหะบนพื้นผิวจะทำให้เลขออกซิเดชันของไอออนบวกของโลหะ V Mo และ W แตกต่างกันไป ซึ่งอาจทำให้ความสามารถของตัวเร่งปฏิกิริยาในการดูดซับ NH₃ แตกต่างกันไปด้วย และอาจเป็นเหตุผลที่ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยามีความว่องไวที่แตกต่างกันได้

ในส่วนของกลุ่ม DeNOx นั้นของฝากเอาไว้แค่ ๓๐ ข้อนี้ก่อน

๒. ปฏิกิริยา Hydroxylation

ผมขอเริ่มด้วยการปูพื้นฐานทั่วไปซ้ำอีกครั้ง เพราะอันที่จริงเรื่องนี้ก็ได้กล่าวไปเยอะแล้วใน Memoir ฉบับที่เกี่ยวข้องกับหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์ของนิสิตรหัส ๕๒ (ไม่รู้เหมือนกันว่าตอนนั้นพวกคุณสนใจอ่านกันแค่ไหน)

๒.๑ เป็นที่ทราบว่าพื้นผิวของ TS-1 นั้นเป็นพื้นผิวที่ชอบโมเลกุลไม่มีขั้ว แต่ในการทำปฏิกิริยาของเรานั้นสารตั้งต้นของเราเป็นโมเลกุลที่มีเฉพาะโครงสร้างที่ไม่มีขั้ว (ไฮโดรคาร์บอน) และโมเลกุลที่มีเฉพาะโครงสร้างที่มีขั้ว (H₂O₂)

๒.๒ ดังนั้นถ้าตัวเร่งปฏิกิริยาของเราสัมผัสกับไฮโดรคาร์บอนมากเกินไป ปฏิกิริยาจะไม่สามารถเกิดได้ เพราะ H₂O₂ จะไม่สามารถเข้าไปถึงพื้นผิวได้

๒.๓ แต่พอเรามาแก้ปัญหาด้วยการใช้น้ำเป็นตัวกลางในการทำปฏิกิริยา (จากเหตุผลด้าน ความปลอดภัย ความสะดวกในการปั่นกวน ตัดปัญหาเรื่องการแยกตัวทำละลายประสานเฟส เป็นสิ่งที่หาได้ง่าย ฯลฯ) ก็เกิดปัญหาที่ตรงข้ามกันคือเรามีแต่ H₂O₂ บนพื้นผิว โดยมีไฮโดรคาร์บอนอยู่น้อยมาก ทั้งนี้เป็นเพราะไฮโดรคาร์บอนละลายน้ำได้น้อยมาก

๒.๔ แต่จากงานของศราวดีเราพบว่าถ้าเราสามารถเพิ่มปริมาณ (ปริมาณ = ความเข้มข้น x ปริมาตรน้ำ) ของไฮโดรคาร์บอนที่ละลายอยู่ในเฟสน้ำได้ ปฏิกิริยาจะดำเนินไปข้างหน้าได้ดีขึ้น

๒.๕ ที่ผ่านมานั้นเราพบว่าการเพิ่มปริมาณทำได้โดยการเพิ่มปริมาตรน้ำที่ใช้เป็นตัวกลาง (ในกรณีนี้ความเข้มข้นคงที่) และ/หรือโดยการเพิ่มอุณหภูมิการทำปฏิกิริยา (ในกรณีนี้ความเข้มข้นเพิ่มสูงขึ้น) เพราะที่อุณหภูมิสูงขึ้นไฮโดรคาร์บอนจะละลายน้ำได้มากขึ้น

๒.๖ ต่อมาเราพบว่าการที่น้ำนั้นมีสารประกอบไอออนิกบางชนิดละลายอยู่ อัตราเร็วในการละลายของไฮโดรคาร์บอนเข้าไปในเฟสน้ำ และความความข้นอิ่มตัวของไฮโดรคาร์บอนในเฟสน้ำจะเปลี่ยนไป จึงทำให้เราเกิดแนวความคิดขึ้นมาว่าถ้าเราละลายสารประกอบไอออนิกบางตัวเข้าไปในเฟสน้ำ จะส่งผลต่อการเกิดปฏิกิริยาอย่างไร

๒.๗ แต่ทั้งนี้ในขณะนี้เรายังไม่มีข้อมูลว่าสารประกอบไอออนิกที่ละลายนั้นจะไปทำอะไรบ้างกับพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา และการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นที่เราเห็นนั้นเป็นผลจากพฤติกรรมการละลายที่เปลี่ยนแปลงไป หรือเกิดจากพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาเปลี่ยนแปลงไปเนื่องจากมีไอออนบางตัวลงไปเกาะเพิ่มขึ้น

๒.๘

๒.๙ 

๒.๑๐ 

๒.๑๑

๒.๑๒ 

๒.๑๓ 

๒.๑๔ 

๒.๑๕ 

๒.๑๖ 

๒.๑๗ 

๒.๑๘ 

๒.๑๙ 

๒.๒๐ อีกสมมุติฐานหนึ่งที่ทั้งสองคนควรพิจาณาคือ เป็นไปได้ไหมว่าไอออนที่เราละลายเข้าไปในน้ำนั้น เข้าไปเกาะบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา ทำให้พื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถดูดซับH₂O₂ ได้ดีขึ้น จึงทำให้ปฏิกิริยาเกิดไปข้างหน้าได้ดีขึ้น

๒.๒๑ งานของพวกคุณทั้งสองคนเป็นการศึกษาผลของไอออน ดังนั้นสิ่งที่เราทำการปรับเปลี่ยนในการทำการทดลองคือชนิดของสารประกอบไอออนิกที่เรานำมาละลายน้ำ และอุณหภูมิการทำปฏิกิริยา โดยที่จะไม่ปรับเปลี่ยนชนิดตัวเร่งปฏิกิริยาหรือสัดส่วนสารตั้งต้นที่ใช้

๒.๒๒ โดยส่วนตัวผมคิดว่าในงานของพวกคุณ การวิเคราะห์ NH₃-TPD คงไม่จำเป็น เพราะเราทำปฏิกิริยาในเฟสของเหลว พื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยามีน้ำปกคลุม แต่การวัด NH₃-TPD นั้นเป็นการวัดในเฟสแก๊สและที่อุณหภูมิที่สูงกว่าที่ใช้ในการทำปฏิกิริยา ดั้งนั้นข้อมูลสภาพพื้นผิวที่ได้จากการวัด NH₃-TPD อาจไม่สะท้อนภาพที่แท้จริงของพื้นผิวเมื่อมีของเหลวปกคลุมอยู่

ปี ๒๕๕๔ นี้ผมของปิดท้ายด้วย Memoir ฉบับนี้ หวังว่าพวกคุณทุกคนคงเที่ยวและพักผ่อนกันเต็มที่ เพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการสอบในสัปดาห์หน้า ขอให้สุขสันต์วันปีใหม่กันทุกคน

ทำไม fixed-bed จึงวางตั้ง MO Memoir : Tuesday 27 December 2554

ผมเคยถามหลายคนที่ผ่านการเรียนการคำนวณหาค่าความดันลดคร่อม fixed-bed (หรือ packed bed หรือเบดนิ่ง) มาแล้วว่า "fixed-bed นั้นควรวางตั้ง (ของไหลไหลในแนวดิ่ง) หรือวางนอน (ของไหลไหลในแนวนอน) หรือจะวางอย่างไรก็ได้ ให้เหตุผลประกอบด้วย"

ปรากฏว่ามักจะตอบไม่ได้กัน

เราลองดูรูปที่ ๑ ข้างล่างกันก่อน ผมเอาขวดโหลพลาสติกมาใบหนึ่ง กรอกทรายลงไปจนล้น แล้วปาดที่ปากขวดโหลให้เรียบ (รูปทางด้านซ้าย) จะเห็นว่าระดับทรายนั้นเสมอกับขอบปากขวดโหล

จากนั้นก็หยิบขวดโหลเคาะกับพื้นเบา ๆ จะเห็นว่าทรายในขวดมีระดับลดลง ทั้ง ๆ ที่ทรายไม่ได้หกออกมาจากขวดโหล แต่การลดลงนั้นเกิดจากการที่ทรายอัดตัวกันแน่นมากขึ้น

รูปที่ ๑ (ซ้าย) โหลใส่ทรายก่อนการเคาะเบา ๆ (ขวา) หลังการเคาะเบา ๆ จะเห็นทรายยุบตัวลงไป

รูปที่ ๒ (ซ้าย) ถ้า fixed-bed วางตั้ง เมื่อเบดเกิดการยุบตัว ของแข็งที่บรรจุอยู่ในเบดยังคงอยู่เต็มพื้นที่หน้าตัดการไหล (ขวา) แต่ถ้าเบดวางนอน เมื่อเบดเกิดการยุบตัวจะทำให้เกิดช่องว่างทางด้านบนของเบด ของไหลจะไหลผ่านทางช่องว่างนั้นไป (เพราะมีความต้านทานการไหลที่ต่ำกว่า) โดยไม่ไหลผ่านเบด

เมื่อเราวาง fixed-bed ในแนวดิ่งนั้น เมื่อใช้งานไปเบดจะเกิดการยุบตัว แต่ของแข็งที่บรรจุในเบดเองก็ยังคงขวางทิศทางการไหลเอาไว้เต็มพื้นที่หน้าตัดการไหล ดังนั้นของไหลจึงยังไหลผ่านตัวของแข็งที่บรรจุอยู่ (รูปที่ ๒) แต่ถ้าเราวางเบดในแนวนอน เมื่อของแข็งเกิดการยุบตัวจะทำให้เกิดช่องว่างทางด้านบนของเบด ของไหลที่ไหลมาทางแนวนอนจะไหลออกทางช่องว่างด้านบนของเบดเพราะช่องทางนี้มีความต้านทานการไหลต่ำ ดังนั้นจะทำให้ไม่มีของไหลไหลผ่านของแข็งที่บรรจุในเบด

ทีนี้ถ้าหากเราวางเบดในแนวดิ่ง คำถามถัดมาก็คือของไหลที่ไหลผ่านเบดนั้น (เอาเพียงเฟสเดียวเท่านั้น) ควรจะไหลจาก "บนลงล่าง" หรือไหลจาก "ล่างขึ้นบน"

สำหรับ fixed-bed ส่วนใหญ่นั้นจะเป็นการไหลจาก "บนลงล่าง" เหตุผลก็เพราะการไหลจากบนลงล่างนั้นไม่ทำให้เกิดการฟลูอิไดซ์ (fluidisation) ไม่ว่าของไหลนั้นจะไหลด้วยความเร็วเท่าใดก็ตาม

ผมใช้คำว่า "ส่วนใหญ่" ในย่อหน้าข้างบน เพราะเคยเห็นบางระบบเหมือนกันที่ใช้การไหลจาก "ล่างขึ้นบน" แต่ก็เป็นส่วนน้อย เช่นพวกที่ต้องการให้มีการไหลกลับทิศทาง กรณีของของเหลวที่มีฟองแก๊สปนอยู่ ซึ่งการไหลจากล่างขึ้นบนจะช่วยให้ฟองแก๊สไหลสู่ด้านบนได้ง่ายกว่าการที่จะดันให้ฟองแก๊สไหลตามของเหลวจากบนลงล่าง แต่ทั้งนี้ต้องระวังเรื่องความเร็วของการไหลซึ่งจะต้องไม่มากจนทำให้ของแข็งในเบดหลุดลอยออกจากเบดไปได้

การเปลี่ยนพลาสติกเป็นน้ำมัน MO Memoir : Thursday 22 December 2554

เมื่อตอนต้นสัปดาห์ที่แล้วมีเพื่อนคนหนึ่งโทรศัพท์มาหา ฝากขอความเห็นเรื่องที่บริษัทหนึ่งมีแนวความคิดที่จะซื้ออุปกรณ์เปลี่ยนขยะพลาสติกเป็นน้ำมันจากประเทศญี่ปุ่น โดยคิดจะนำมาบริจาคให้กับทางมหาวิทยาลัยเอามาทำวิจัย ผมเอาเรื่องดังกล่าวมาคิดอยู่สัปดาห์กว่า พอรวบรวมความคิดได้ก็เลยส่งอีเมล์ตอบกลับไป คิดว่าเรื่องดังกล่าวคงมีประโยชน์กับพวกคุณในด้านการพิจารณาจากมุมมองต่าง ๆ เลยขอคัดลอกนำอีเมล์ดังกล่าวส่งมาให้พวกคุณได้อ่านกันด้วย ตั้งแต่ย่อหน้าถัดไปคือจดหมายที่ผมตอบกลับไป

ความเห็นเรื่องการเปลี่ยนพลาสติกเป็นน้ำมัน

ขออนุญาตให้ความเห็นโดยจะสมมุติว่าผู้อ่านนั้นไม่ได้ทำงานที่ใช้วิชาเคมีโดยตรง หรือไม่ได้ใช้ความรู้ทางนี้มานานแล้วและได้ลืมเลือนไปแล้ว

ผมขอให้ความเห็นในส่วนเรื่องการเปลี่ยนขยะพลาสติกเป็นน้ำมันก่อน เรื่องที่ว่าจะทำวิจัยอะไรคงเอาไว้ทีหลัง ก่อนอื่นอยากให้ลองพิจารณากันก่อนว่า โดยสภาพแวดล้อมที่มีอยู่นั้น เหมาะสมที่จำเอาอุปกรณ์กล่าวมาใช้หรือไม่

นิยาม

PE ย่อมาจาก polyethylene สูตรโครงสร้าง -[-CH₂-CH₂-]_n-

PP ย่อมาจาก polypropylene สูตรโครงสร้าง -[-CH(CH₃)-CH₂-]_n-

PS ย่อมาจาก polystyrene สูตรโครงสร้าง -[-CH(C₆H₅)-CH(C₆H₅)-]_n-

เท่าที่ดูจาก catalogue ของผู้จำหน่ายนั้น ไม่ได้ให้รายละเอียดใด ๆ เกี่ยวกับการทำงานของเครื่อง แต่คาดเดาว่าใช้หลักการให้ความร้อนเพียงอย่างเดียวจนโมเลกุลของพอลิเมอร์แตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง (ปฏิกิริยาที่เรียกว่า Pyrolysis)

ถ้าเป็นพลาสติกที่หลอมได้ง่าย ก็อาจเริ่มต้นได้จากการนำพลาสติกที่เป็นของแข็งมาให้ความร้อนจนหลอมเหลว และสายโซ่พอลิเมอร์แตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง

ถ้าเป็นพลาสติกที่หลอมได้ยาก ก็อาจเริ่มด้วยการเติมไฮโดรคาร์บอน (หรือตัวทำละลายอื่นที่เหมาะสม แต่คงต้องเป็นพวกที่มีจุดเดือดสูงในระดับเดียวกันกับน้ำมันที่ผลิตได้) ลงไปก่อนเพื่อช่วยให้พลาสติกละลายกลายเป็นของเหลวได้ง่ายขึ้น

การทำให้สายโซ่พอลิเมอร์แตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง (สายโซ่ที่สั้นลง) อาจใช้ความร้อนเพียงอย่างเดียวหรือใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยก็ได้

ในการเกิดพอลิเมอร์นั้นจะนำเอาโมเลกุลโมโนเมอร์ (monomer) มาต่อเข้าด้วยกัน ปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ดังนั้นการทำให้สายโซ่พอลิเมอร์แตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลงจะเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน ดังนั้นในกระบวนการผลิตพลาสติกเป็นน้ำมันนั้นจะต้องมีการใส่พลังงานเข้าไป

พอลิเมอร์ที่เหมาะสมที่โมเลกุลแตกแล้วจะได้โครงสร้างที่ "เทียบเท่า" น้ำมันจะเป็นพวก PE และ PP

ตรงนี้คงต้องทำความเข้าใจก่อนว่าคำว่า ตัวน้ำมันนั้นเป็นสารที่ไม่มีจุดเดือดที่แน่นอน เป็นสารผสมระหว่างสารที่มีจุดเดือดต่าง ๆ กัน ดังนั้นในการบอกคุณสมบัติของน้ำมันจึงมีการใช้อุณหภูมิการกลั่น ซึ่งเป็นการวัดอุณหภูมิและปริมาณน้ำมันที่ระเหย โดยเริ่มตั้งแต่เริ่มการระเหยจนน้ำมันระเหยหมด

"น้ำมันแก๊สโซลีน - gasoline" (หรือที่เราเรียกว่าน้ำมันเบนซิน) หมายถึงสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอนอยู่ในช่วงประมาณ 6-12 อะตอมและ

"น้ำมันดีเซล - Diesel" นั้นหมายถึงสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอนอยู่ในช่วงประมาณ 12-20 อะตอม

น้ำมันก๊าด - Kerosene จะอยู่ตรงรอยต่อระหว่างน้ำมันแก๊สโซลีนหนัก (ส่วนของน้ำมันแก๊สโซลีนที่มีจุดเดือดสูง) กับน้ำมันดีเซลเบา (ส่วนของน้ำมันดีเซลที่มีจุดเดือดต่ำ)

ไฮโดรคาร์บอนเหลวที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอน 6-12 อะตอมจัดอยู่ในช่วงของน้ำมันแก๊สโซลีน แต่ไม่ได้หมายความว่าสามารถเอาน้ำมันนั้นไปใช้กับเครื่องยนต์เบนซินได้ทันที เพราะน้ำมันแก๊สโซลีนที่เหมาะสมกับเครื่องยนต์เบนซินนั้นยังมีคุณสมบัติข้ออื่นอีก เช่นเลขออกเทน ปริมาณไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัว สิ่งปนเปื้อน ฯลฯ

ในทำนองเดียวกันไฮโดรคาร์บอนเหลวที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอน 12-20 อะตอมจัดอยู่ในช่วงของน้ำมันดีเซล แต่ไม่ได้หมายความว่าสามารถเอาน้ำมันนั้นไปใช้กับเครื่องยนต์ดีเซลได้ทันที เพราะน้ำมันดีเซลที่เหมาะสมกับเครื่องยนต์ดีเซลนั้นยังมีคุณสมบัติข้ออื่นอีก เช่นเลขซีเทน ปริมาณสารประกอบอะโรแมติก (aromatics) กำมะถัน สิ่งปนเปื้อน ฯลฯ

ด้วยเหตุนี้จึงเข้าใจว่าทางผู้ผลิตอุปกรณ์จึงใช้คำว่า "เทียบเท่า - equivalent" ในการโฆษณา เช่น gasoline equivalent kerosene equivalent และ diesel equivalent และไม่ได้โฆษณาว่าเอาไปใช้กับเครื่องยนต์ได้ แต่บอกว่าเอาไปเผาเป็นเชื้อเพลิงได้

โดยปรกติถ้านำ PE และ PP มาให้ความร้อน ของเหลว (น้ำมัน) ที่ได้น่าจะประกอบด้วยสารประกอบไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวที่มีขนาดความยาวโซ่ต่างกัน (อาจเป็นโซ่ตรงหรือโซ่กิ่ง ที่จัดว่าเป็นพวก aliphatic hydrocarbon เป็นหลัก โดยอาจมีพวกวงแหวนเกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียงได้) ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและเวลาที่ใช้ การใช้อุณหภูมิสูงและเวลาที่นานก็จะทำให้ได้โมเลกุลที่เล็กลง แต่ถ้าใช้อุณหภูมิและ/หรือเวลามากเกินไปก็จะสูญเสียไปเป็นแก๊สมากขึ้น

PE และ PP พวก Injection grade จะมีโมเลกุลที่มีสายโซ่สั้น ทำให้หลอมเหลวได้ง่าย ฉีดขึ้นรูปกับแม่แบบที่มีช่องว่างเล็ก ๆ ได้ง่าย (เช่นพวกทำฝาน้ำอัดลม ปลอกปากกา) พวกที่เป็น film grade ที่ใช้ทำถุงนั้นจะเป็นโมเลกุลที่มีสายโซ่ยาวกว่า ต้องใช้อุณหภูมิสูงกว่าในการหลอมเหลว ความยาวสายโซ่พอลิเมอร์ของพวกที่เป็น blow molding grade (เช่นที่ใช้ทำขวด) จะอยู่ตรงกลางระหว่าง Injection grade กับ film grade

ดังนั้นถ้าทำน้ำมันโดยเริ่มจากพลาสติกพวก Injection grade (เช่นฝาขวดน้ำอัดลมที่เป็นพลาสติก ซึ่งดูเหมือนในเว็บของผู้ขายจะมีตัวอย่างนี้อยู่ - รูปข้างล่าง) เพียงอย่างเดียว ก็น่าจะเกิดน้ำมันได้ง่ายกว่าการใช้พวก blow molding grade หรือ film grade เพียงอย่างเดียว

รูปที่ ๑ รูปจากเว็บของบริษัท ที่แสดงให้เห็นว่าใช้ฝาขวดเป็นวัตถุดิบ (http://www.blest.co.jp/seihin-1englis.html)

ผมเดาเอาว่าถ้าทำน้ำมันจากพลาสติกพวก blow molding grade หรือ film grade ก็ควรที่จะผสมพลาสติกพวก Injection grade ลงไปด้วย เพื่อให้พวก Injection grade ละลายก่อน และจะไปช่วยในการละลายของพวก blow molding grade และ film grade

PS นั้นแม้ว่าจะจัดเป็นไฮโดรคาร์บอนได้ (เพราะโมเลกุลประกอบด้วย C และ H) แต่โมเลกุล PS ประกอบด้วยโครงสร้างที่เป็นวงแหวนเบนซีน (C₆H₅-) ซึ่งโครงสร้างนี้มีเสถียรภาพสูง ไม่แตกตัวด้วยความร้อนง่าย ๆ ดังนั้นถ้านำ PS มาให้ความร้อนก็น่าจะได้โมเลกุลตระกูล alkyl benzene คือเป็นสารที่มีส่วนที่เป็นวงแหวนเบนซีนและส่วนที่เป็นสารโซ่ไฮโดรคาร์บอนอยู่ในโมเลกุลเดียวกัน ซึ่งในเอกสารของบริษัทเรียกว่าstyrene monomer styrene dimer และ styrene trimer (styrene monomer - C₆H₅-CH=CH₂ ถ้าเป็น styrene dimer ก็คือ styrene monomer สองโมเลกุลต่อเข้าด้วยกัน styrene trimer ก็คือ styrene monomer สามโมเลกุลต่อเข้าด้วยกัน) ซึ่งโครงสร้างนี้ไม่เหมาะสำหรับจะใช้เป็นน้ำมันสำหรับเครื่องยนต์ดีเซล (น้ำมันดีเซลที่ดีควรต้องมีไฮโดรคาร์บอนโซ่ตรง (ไม่มีกิ่ง) จำนวนมาก ไม่มีโมเลกุลที่เป็นโครงสร้างอะโรแมติก)

ดังนั้นถ้าจะเปลี่ยน PS เป็นน้ำมัน ก็ควรที่จะผสม PE และ PP ลงไปด้วย ในตัวอย่างของบริษัทก็แสดงให้เห็นว่าต้องผสม PS กับตัวอื่นก่อน ไม่มีการใช้ PS เพียงตัวเดียว

จะว่าไปแล้วถ้าสามารถแยกพลาสติกออกเป็นชนิดต่าง ๆ ได้ การนำพลาสติกเหล่านั้นไปขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์อื่น (ที่ไม่ต้องการพลาสติกความบริสุทธิ์สูง) น่าจะคุ้มค่าและปกป้องสิ่งแวดล้อมมากกว่าการที่นำเอาพลาสติกนั้นไปใช้เป็นเชื้อเพลิง พลาสติกที่นำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงควรเป็นประเภทที่ไม่สามารถแยกเอากลับไปหมุนเวียนใช้ใหม่ได้

และถ้านำไปเผาเป็นเชื้อเพลิง การนำพลาสติกไปเผาเป็นเชื้อเพลิงให้ความร้อนโดยตรงจะประหยัดกว่าการที่นำไปเปลี่ยนเป็นน้ำมันก่อนแล้วจึงเอาน้ำมันที่ได้ไปเผา เพราะการเปลี่ยนขยะพลาสติกเป็นน้ำมันต้องมีค่าใช้จ่ายด้านพลังงานในการเปลี่ยน และยังมีการสูญเสียพลาสติกไปเป็นแก๊สซึ่งไม่สามารถรวบรวมเอามาเผาได้ แต่ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับว่าทางผู้ใช้ใช้วิธีการใดในการเผาเชื้อเพลิง ถ้าระบบที่มีอยู่เดิมเป็นการเผาเชื้อเพลิงเหลว การนำเอาพลาสติกไปเปลี่ยนเป็นน้ำมันก่อนก็จะทำให้ใช้งานกับระบบที่มีอยู่เดิมได้ แต่ถ้ามีระบบที่สามารถเผาเชื้อเพลิงแข็งได้ ก็น่าจะพิจารณาการนำเอาพลาสติกไปเผาโดยตรงโดยไม่ต้องเปลี่ยนเป็นของเหลวก่อน

ผมเดาเอาว่าในต่างประเทศทางซีกโลกเหนือ ในฤดูหนาวอาคารต่าง ๆ จะให้ความอบอุ่นในอาคารโดยการต้มน้ำร้อน และส่งน้ำร้อนนี้ไปตามท่อไปยังห้องต่าง ๆ ในอาคาร เชื้อเพลิงที่ใช้ต้มน้ำจะเป็นน้ำมันดีเซล ซึ่งเป็นน้ำมันที่ปลอดภัยกว่าเบนซิน (ไวไฟสูง) และใช้งานได้ง่ายกว่าน้ำมันเตา (ความหนืดสูง)

ดังนั้นถ้าเขาต้องการเอาขยะพลาสติกมาใช้เป็นแหล่งพลังงานในการต้มน้ำ ก็จำเป็นต้องนำขยะพลาสติกมาเปลี่ยนเป็นน้ำมันก่อน ซึ่งจะทำให้ลดปริมาณน้ำมันที่ต้องใช้ในการต้มน้ำลงได้

การนำขยะพลาสติกมาใช้เป็นเชื้อเพลิงในอาคารจึงเป็นการลดปริมาณขยะที่ต้องลำเลียงไปทิ้งนอกอาคารด้วย

แต่ถ้ามองอีกแง่หนึ่ง การเปลี่ยนขยะพลาสติกเป็นน้ำมันจำเป็นต้องใช้พลังงาน "ไฟฟ้า" ดังนั้นจึงเหมือนกับว่า "ลด" การใช้น้ำมัน แต่ "เพิ่ม" การใช้ไฟฟ้า ถ้าพิจารณาว่า

(ก) เอาพลังงานไฟฟ้ามาเปลี่ยนพลาสติกให้กลายเป็นน้ำมัน และเปลี่ยนน้ำมันให้กลายเป็นพลังงานความร้อนในน้ำร้อน และให้พลังงานความร้อนในน้ำร้อนเปลี่ยนเป็นความร้อนให้กับอากาศในห้อง เปรียบเทียบกับ

(ข) เอาพลังงานไฟฟ้าไปเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนให้กับอากาศโดยตรง (ติดตั้ง heater ที่ใช้ไฟฟ้าในห้อง)

ทำให้สงสัยว่าการทำตามข้อ (ก) จะคุ้มค่ากว่าการทำตามข้อ (ข) หรือไม่

อีกประเด็นที่ต้องพิจารณาคือ เนื่องจากพลาสติกนั้นมีสารเติมแต่งหลายอย่างผสมอยู่ และแม้แต่ตัวพลาสติกเองก็ตามเวลาที่เกิดการเปลี่ยนแปลง ก็สามารถเกิดเป็นของเสียที่เป็นของแข็ง ซึ่งคงมีคำถามต่อไปอีกว่าจะกำจัดของเสียที่เป็นของแข็งนี้อย่าง่ไร

แต่ถ้ามองอีกแง่หนึ่ง การแยกขยะพลาสติกเพื่อนำพลาสติกไปหลอมใช้งานใหม่นั้น จะมีปัญหาเรื่องแรงงานที่ต้องใช้แยก และความสะอาดของขยะพลาสติกที่รวบรวมได้ ซึ่งคงต้องมีการทำความสะอาดขยะพลาสติกก่อนที่จะนำไปหลอมขึ้นรูปเป็นเม็ดพลาสติกใช้แล้ว แต่การเปลี่ยนขยะพลาสติกเป็นน้ำมันหรือการเอาขยะพลาสติกไปเผาเป็นเชื้อเพลิงโดยตรงนั้นอาจทำได้โดยไม่ต้องทำความสะอาดขยะพลาสติกที่ได้ เพราะสิ่งที่ไม่ย่อยสลายเป็นน้ำมันหรือไม่เผาไหม้ก็จะกลายเป็นกากของแข็งตกค้างอยู่ในเครื่อง

เรื่องการเปลี่ยนขยะพลาสติกเป็นน้ำมันนั้น เคยมีข่าวคนไทยออกแบบสร้างโรงงานนี้เหมือนกันเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา ลองค้นหาจาก google ใช้คำ "เปลี่ยนพลาสติกเป็นน้ำมัน" ก็จะเจอ

เพิ่มเติมอีกนิดนึง ถ้าจะเปลี่ยนพลาสติก (พวก PE PP) เป็นน้ำมันเพื่อเอาไปใช้เป็นเชื้อเพลิง คิดว่าน่าจะขยายรวมไปถึงการเปลี่ยนยางรถยนต์ที่ไม่ใช้แล้วเป็นน้ำมันด้วย เพราะส่วนที่เป็นยางธรรมชาติที่นำมาใช้ผลิตยางรถยนต์นั้นคือ Polyisoprene เมื่อตัดโมเลกุลนี้ออกก็ควรจะได้สารประกอบพวก aliphatic hydrocarbon ด้วย แต่ยางรถยนต์นั้นจะมีปัญหาเรื่องกำมะถัน (ที่ต้องผสมลงไปเพื่อทำให้เกิด cross link ระหว่างโมเลกุลยาง) และยังมีส่วนของเส้นใยเหล็กและพอลิเอสเทอร์ ซึ่งเป็นส่วนที่ไม่สามารถเปลี่ยนเป็นน้ำมันได้ แต่การเปลี่ยนยางรถยนต์เป็นน้ำมันนั้นคงต้องใช้เครื่องจักรขนาดใหญ่ เพราะถ้าใช้เครื่องขนาดเล็กก็ต้องมีการตัดยางรถยนต์ให้กลายเป็นชิ้นเล็ก ๆ ซึ่งคิดว่าคงไม่ใช่งานที่ง่ายเท่าใดนัก

คำถาม-คำตอบที่ปรากฏในเว็บของบริษัท (http://www.blest.co.jp/s-5english.html)

Small-Scale Continuous Waste Plastic Oiling System Blester　B120

Capacity Approx. 5kg/H* (It depends on the kind of waste plastic)

Main Body Dimension 2500 (W) × 1950 (D) × 2450 (H) mm

Weight Approx. 2400kg

Feature 24 hours continuous operation is possible

　 Simple Operation

　 Oil ratio is approx. 80%. (It depend on plastic waste)

Q&A

Q1 What kind of plastics can be converted to oil?

A Recyclable plastics are polypropylene (PP), polyethylene (PE) and polystyrene (PS).

Plastics should be clean before putting into the Blest Machine.

Q2 What kind of oil is converted from plastics?

A Recycled oil can be used as fuel for boilers and incinerators and so on.

In case of PP and PE

PP and PE will be converted to oil, which contains gasoline equivalent, kerosene equivalent, diesel equivalent and heavy oil. So, we call this oil "Mixed Oil".

In case of PS

PS oil does not contain gasoline equivalent, kerosene equivalent, diesel equivalent and heavy oil.

PS oil contains styrene monomer, styrene dimer and styrene trimer. PS oil can be used as assitant fuel.

Or, if you purify PS oil, you can get Styrene monomer rich, which is raw material for plastic.

So, if you need gasoline equivqalent or diesel equivalent, please process PP & PE.

Q3 How much oil can oiling machine convert 1kg plastic waste to oil?

A. Averagely, 1Kg plastic waste is converted to 1 L oil. It depends on plastic waste.

แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๓ (ตอนที่ ๙) MO Memoir : Tuesday 20 December 2554

เอกสารฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเนื้อหาลง blog

BOD หรือ DO MO Memoir : Friday 16 December 2554

BOD ในที่นี้ย่อมาจาก biological oxygen demand แปลเป็นไทยก็คือความต้องการออกซิเจนทางชีวเคมี หมายถึงปริมาณออกซิเจนที่จุลินทรีย์ต้องใช้ในการย่อยสลายสารเคมีในน้ำ

DO ในที่นี้ย่อมาจาก dissolved oxygen หมายถึงปริมาณออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำ

ผมเคยเล่าถึงค่า BOD ไว้ครั้งหนึ่งใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๘๙ วันพุธที่ ๑๖ ธันวาคม ๒๕๕๒ เรื่อง "BOD และ COD" ซึ่งนับถึงวันนี้ก็ ๒ ปีแล้ว

แต่คราวนี้เป็นการจับคู่ระหว่าง BOD กับ DO

กล่าวคือเมื่อปลายเดือนที่ได้แล้วผมได้มีโอกาสนั่งคุยกับอาจารย์จากภาควิชาวิศวกรรมสิ่งแวดล้อม และได้มีการพูดคุยกันเรื่อง EM (ไม่ว่าจะเป็นน้ำหรือลูกบอล) ที่มีการนำเอาไปใส่ในบริเวณที่มีน้ำท่วมขัง (และบริเวณที่มีน้ำไหล) ตามสถานที่ต่าง ๆ ในระหว่างวิกฤษการณ์น้ำท่วมกำลังรุนแรง

ความเห็นของผมที่บอกกับอาจารย์ท่านนั้นก็คือต่างฝ่ายต่างพูดถึงพารามิเตอร์คนละตัวกัน

คือทางฝ่ายที่สนับสนุนการใช้ EM บอกว่ามันสามารถลดค่า BOD ในน้ำได้

ส่วนอีกฝ่ายที่เตือนให้ระมัดระวังในการใช้งานบอกว่ามันจะไปทำให้ค่า DO ในน้ำลดลง

ตามความรู้ที่ผมมีก็คือทั้งสองฝ่ายต่างให้ข้อมูลที่ถูกต้อง

คำถามที่เราน่าจะถามก็คือการที่จะบอกว่าน้ำใดเป็นน้ำเสียนั้น เราใช้อะไรเป็นตัวตัดสิน

ถ้าเราไปดูมาตรฐานน้ำทิ้งจากแหล่งต่าง ๆ ที่มีการกำหนดไว้ จะเห็นว่ามีการกำหนดค่า BOD สูงสุดเอาไว้ (ส่วนใหญ่จะไม่เกิน 20 mg/l) แต่ไม่มีการกำหนดค่า DO (ดูตัวอย่างในรูปที่ ๑)

ถ้าไปดูเกณฑ์คุณภาพน้ำที่เหมาะสมต่อการดำรงชีวิตของสัตว์น้ำ จะเห็นว่ามีการกำหนดค่า DO ต่ำสุดเอาไว้ แต่ไม่มีการกำหนดค่า BOD (ดูรูปที่ ๒)

รูปที่ ๑ มาตรฐานควบคุมการระบายน้ำทิ้งจากระบบบำบัดน้ำเสียชุมชน (ถ้าเป็นน้ำทิ้งจากแหล่งอื่นก็จะมีมาตรฐานที่แตกต่างกันไป)

รูปที่ ๒ เกณฑ์คุณภาพน้ำที่เหมาะสมต่อการดำรงชีวิตของสัตว์น้ำ

(หมายเหตุ มาตรฐานน้ำทิ้งจากแหล่งต่าง ๆ และเกณฑ์คุณภาพน้ำที่เหมาะสมต่อการดำรงชีวิตของสัตว์น้ำ ดูได้จากเว็บของกรมควบคุมมลพิษ http://www.pcd.go.th/info_serv/reg_std_water.html)

ดังนั้นถ้ามองจากแง่ BOD การใส่ EM ลงไปในน้ำ เชื้อ EM จะเข้าไปย่อยสลายสารอินทรีย์ที่อยู่ในน้ำ โดยการย่อยสลายนั้นอาจ

(ก) เป็นการเปลี่ยนสารอินทรีย์ตัวเดิมให้กลายเป็นสารอินทรีย์ตัวอื่นที่มีสัดส่วนอะตอมออกซิเจนในโมเลกุลเพิ่มมากขึ้น หรือ

(ข) ทำให้สารอินทรีย์ตัวเดิมนั้นสลายตัวกลายเป็น CO₂ และน้ำไป

แต่ไม่ว่าจะเป็นแบบใดก็ตาม ค่า DO จะลดลงด้วย เพราะเชื้อ EM ต้องการใช้ออกซิเจนในการดำรงชีวิต แต่ค่า BOD ของน้ำจะลดลง ดังนั้นถ้าเอามาตรฐานน้ำทิ้งมาใช้ก็จะบอกว่าคุณภาพน้ำดีขึ้น

ประเด็นที่เราน่าจะลองพิจารณากันก็คือ การที่ค่า BOD ลดลงนั้น "ปริมาณ" สารอินทรีย์ในน้ำลดลงไปด้วยหรือไม่

ถ้าหากสารอินทรีย์ในน้ำถูกย่อยสลายกลายเป็น CO₂ และน้ำ อันนี้แน่นอนว่าปริมาณสารอินทรีย์ในน้ำลดลงแน่ ๆ

แต่ถ้าสารอินทรีย์เดิมถูกเปลี่ยนไปเป็นสารอินทรีย์ตัวอื่นที่มีสัดส่วนอะตอมออกซิเจนในโมเลกุลเพิ่มมากขึ้น อันนี้ถ้าพิจารณาในแง่ปริมาณคาร์บอนในน้ำ อันนี้ก็ไม่ได้หมายความว่าปริมาณสารอินทรีย์ในน้ำจะลดลง

สมมุติว่าเริ่มต้นเรามีเอทานอลหรือ CH₃CH₂-OH จำนวน 0.1 โมลละลายอยู่ในน้ำ การย่อยสลายเอทานอลจำนวนนี้ให้กลายเป็น CO₂ และน้ำจะต้องใช้ออกซิเจน (O₂) 0.3 โมล

แต่ถ้าเอทานอลจำนวน 0.1 โมลนี้ถูกแบคทีเรียย่อยสลายกลายไปเป็นอะเซทัลดีไฮด์หรือ CH₃CO-H จำนวน 0.1 โมล การย่อยสลายอะเซทัลดีไฮด์จำนวนนี้ให้กลายเป็น CO₂ และน้ำจะต้องใช้ออกซิเจน (O₂) 0.25 โมล ซึ่งจะเห็นว่าปริมาณออกซิเจนที่ต้องใช้ในการทำลายนั้นลดลง แต่ปริมาณสารอินทรีย์เมื่อคิดในแง่ของจำนวนอะตอมคาร์บอนที่อยู่ในน้ำนั้นยังคงเท่าเดิม

และถ้าอะเซทัลดีไฮด์จำนวน 0.1 โมลนี้ถูกออกซิไดซ์ต่อกลายไปเป็นกรดอะซีติกหรือ CH₃COOH จำนวน 0.1 โมล การย่อยสลายกรดอะซีติกจำนวนนี้ให้กลายเป็น CO₂ และน้ำจะต้องใช้ออกซิเจน (O₂) 0.2 โมล ซึ่งจะเห็นว่าปริมาณออกซิเจนที่ต้องใช้นั้นลดลงไปอีก แต่ปริมาณสารอินทรีย์เมื่อคิดในแง่ของจำนวนอะตอมคาร์บอนที่อยู่ในน้ำนั้นก็ยังคงเท่าเดิมอยู่

ถ้ามองแบบนี้ก็จะเห็นได้ว่าการที่ค่า BOD ลดลงนั้นก็ไม่ได้หมายความว่าปริมาณสารอินทรีย์ในน้ำต้องลดลง

โดยปรกตินั้นเวลาที่ออกซิเจนในน้ำหมดไป เชื้อจุลินทรีย์ที่เติมโตได้ในภาวะที่ไม่มีออกซิเจน (anaerobic bacteria) ก็จะขยายพันธ์เพิ่มจำนวนขึ้นและแบคมีเรียพวกนี้สามารถใช้ S แทน O ทำให้เกิดแก๊ส H₂S ที่มีกลิ่นเหม็นเกิดขึ้นได้ ดังนั้นถ้าเราเอามาตรฐานน้ำที่สิ่งมีชีวิตพวกสัตว์น้ำต่าง ๆ (เช่น ปลา ปู กุ้ง หอย) สามารถดำรงอยู่ได้ ก็จะบอกว่าคุณภาพน้ำเลวลง

ถ้าเราเอาน้ำกลั่น (ซึ่งไม่มีแร่ธาตุและสารอินทรย์อะไรเลยละลายอยู่) ไปทำการต้มเพื่อไล่ออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำกลั่นนั้นให้หมดไป ถ้าเอา BOD มาจับก็จะบอกว่าน้ำกลั่นนี้เป็นน้ำสะอาด แต่ถ้าเอา DO มาจับก็จะบอกว่าน้ำกลั่นนี้เป็นน้ำที่ไม่เหมาะแก่การดำรงชีวิตของสัตว์น้ำ

ผมรู้สึกว่าการเรียนรู้ในสังคมไทยเป็นแบบสูตรสำเร็จ จำเอาไปใช้โดยไม่เข้าใจว่ามันทำงานได้อย่างไร คิดว่าเมื่อมันใช้ได้ผลดีกับกรณีหนึ่ง มันก็ต้องใช้ได้ผลดีกับกรณีอื่นที่คล้ายคลึงกันด้วย ซึ่งก็ไม่จริงเสมอไป อยู่กันด้วยความเชื่อและทำตาม ๆ กันโดยไม่มีความรู้ความเข้าใจว่าสิ่งที่ตนเองนำมาใช้นั้นมีข้อจำกัดอย่างไร พอมีคนทักท้วงก็โวยวายโดยไม่สามารถให้เหตุผลได้ว่าข้อทักท้วงนั้นผิดตรงไหน แต่ทำโดยการเอาเหตุผลอื่น (ซึ่งบางทีมันก็ดูแปลก ๆ) มาประกอบสิ่งที่ตนเองเชื่อโดยไม่สามารถบอกได้ว่าสิ่งที่โดนทักท้วงถูกหรือผิด พฤติกรรมทำนองนี้ไม่ได้มีเฉพาะกับชาวบ้านทั่วไปเท่านั้น แม้แต่ในระดับอาจารย์มหาวิทยาลัยที่เรียกตัวเองว่าเป็นปัญญาชนก็มีให้เห็นอยู่บ่อย ๆ

อุณหภูมิและการดูดซับ MO Memoir : Wednesday 14 December 2554

บ่อยครั้งที่มักพบการนำเสนองานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการใช้ของแข็งที่มีรูพรุนในการดูดซับสารบางชนิดออกจากของเหลว พารามิเตอร์หนึ่งที่ผู้วิจัยมักทำการเสนอคือผลของอุณหภูมิที่มีต่อความสามารถในการดูดซับของสารดูดซับ (absorbent) และผลการวิจัยดังกล่าวมักออกมาในทำนองที่ว่า เมื่ออุณหภูมิของของเหลว "เพิ่มสูงขึ้น" การดูดซับจะเกิดได้ "ดีขึ้น"

ก่อนอื่นเราลองกลับมาทบทวนพื้นฐานเทอร์โมไดนามิกส์เรื่องพลังงานเสรีกิบส์ (Gibbs free energy) กันสักหน่อยดีกว่า โดยเริ่มจากสมการ

∆G = ∆H - T∆S (1)

เมื่อ ∆G - พลังงานเสรีกิบส์

∆H - เอนทาลปี (enthalpy)

∆S - เอนโทรปี (entropy)

T - อุณหภูมิ

ปฏิกิริยาการดูดซับบนพื้นผิวของแข็งนั้นเป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นได้เอง ดังนั้น ∆G ของปฏิกิริยาจึงมีค่าเป็น (-) แต่เนื่องการในการดูดซับนั้น โมเลกุลที่อยู่กันอย่างไม่เป็นระเบียบในเฟสแก๊สหรือของเหลวที่อยู่เหนือพื้นผิวตัวดูดซับนั้น เมื่อมาเกาะบนพื้นผิวตัวดูดซับ การเคลื่อนที่ของโมเลกุลนั้นจะลดลง โมเลกุลที่เกาะอยู่บนพื้นผิวจะมีความเป็นระเบียบมากกว่าโมเลกุลที่ล่องลอยอยู่เหนือพื้นผิวของแข็ง ดังนั้นการดูดซับจึงทำให้ค่า ∆S ของระบบลดลง

เนื่องจากอุณหภูมิ (T) มีค่าเป็น (+) เสมอ ดังนั้นผลคูณ T∆S จึงมีค่าเป็น (-) ดังนั้นเพื่อให้ผลรวม ∆H - T∆S (ซึ่งเท่ากับ ∆G นั่นเอง) ทางด้านขวาของสมการที่ (1) มีค่าเป็น (-) ค่า ∆H จึงต้องมีค่าเป็น (-)

กล่าวอีกนัยหนึ่งคือการดูดซับต้องเป็นปฏิกิริยา "คาย" ความร้อน

ที่เราเรียนกันมาในวิชาเคมีเรื่องค่าคงที่สมดุลเคมีนั้น สำหรับปฏิกิริยาคายความร้อน ถ้าอุณหภูมิระบบเพิ่มสูงขึ้น ปฏิกิริยาจะไปข้างหน้าได้น้อยลง ดังนั้นในกรณีของการดูดซับนั้น ถ้าอุณหภูมิระบบเพิ่มสูงขึ้น การดูดซับก็ควรที่จะเกิดได้ "น้อยลง"

ถ้าว่ากันตามทฤษฎีที่กล่าวมาข้างต้นนี้ เราจะสรุปได้ทันทีเลยไหมว่าผลการทดลองที่ผู้ทำการทดลองนั้นเห็นว่า "เมื่อเพิ่มอุณหภูมิระบบให้สูงขึ้น การดูดซับจะเกิดได้ดีขึ้น" เป็นผลการทดลองที่ผิดพลาด

ก่อนอื่นเรามาพิจารณากันว่าเป็นไปได้ไหมที่ผู้ทำการทดลองจะพบว่า "เมื่อเพิ่มอุณหภูมิระบบให้สูงขึ้น การดูดซับจะเกิดได้ดีขึ้น" คำตอบก็คือ "เป็นไปได้" แต่สาเหตุที่เป็นไปได้ไม่ได้เกิดจากการที่พื้นผิวของแข็งยึดจับโมเลกุลได้แน่นหนามากขึ้นจนทำให้โมเลกุลหลุดออกจากพื้นผิวได้ยากขึ้น แต่เกิดจากการที่มี "พื้นผิว" ของแข็งมากขึ้นสำหรับยึดจับโมเลกุล

ถึงตอนนี้คงมีคนสงสัยว่าพื้นผิวที่มีเพิ่มมากขึ้นนั้นมาจากไหน

ของแข็งที่มีรูพรุนนั้น เมื่ออยู่ในอากาศก็จะมีอากาศอยู่ในรูพรุน แต่เมื่อเราเอาของแข็งนั้นใส่ลงไปในน้ำ (หรือของเหลวอื่นก็ได้ แต่ในที่นี้ขอยกตัวอย่างว่าเป็นน้ำ) อากาศก็จะยังคงอยู่ในรูพรุนของของแข็งนั้น ดังนั้นพื้นที่ผิวในรูพรุนของของแข็งจึงไม่ได้สัมผัสกับน้ำโดยตรง พื้นผิวที่อยู่ในรูพรุนนั้นจึงไม่สามารถดูดซับเอาสารที่ละลายอยู่ในน้ำได้ (ดูรูปที่ ๑)

 รูปที่ ๑ การแทรกของน้ำเข้าไปในรูพรุนของของแข็ง

แต่เมื่อเราให้ความร้อนแก่ของเหลว แก๊สที่อยู่ในรูพรุนของของแข็งจะขยายตัวออกและเริ่มหลุดรอดออกมา ทำให้น้ำแทรกเข้าไปในรูพรุนได้มากขึ้น พื้นที่ผิวของแข็งที่สัมผัสกับน้ำก็มากขึ้นตามไปด้วย ทำให้เห็นของแข็งนั้นดูดซับสารได้ดีขึ้นเมื่อเพิ่มอุณหภูมิสูงขึ้น

ที่ผ่านมานั้นผู้ที่ทำปฏิกิริยา hydroxylation ของกลุ่มเราก็เคยประสบปัญหาเช่นนี้ ในปัจจุบันจึงต้องกำหนดให้มีการต้มตัวเร่งปฏิกิริยาในน้ำก่อนที่จะเติมสารตั้งต้นเข้าไป การต้มนี้ก็เพื่อไล่อากาศที่อยู่ในรูพรุนออกให้หมด และให้น้ำเข้าไปอยู่ในรูพรุนจนเต็ม ดังนั้นเมื่อเราเติมสารตั้งต้นเข้าไปในน้ำ สารตั้งต้นก็จะแพร่เข้าไปในรูพรุน (ไปตามน้ำ) ได้ ผลการทดลองก็ออกมาคงเส้นคงวามากขึ้น (กล่าวคือสามารถทำซ้ำได้)

ด้วยเหตุนี้ผมจึงมักย้ำเตือนอยู่เสมอว่าในการทำวิทยานิพนธ์นั้นส่วนที่สำคัญที่สุดคือ "วิธีการทดลอง" เพราะถ้าวิธีการทดลองไม่ถูกต้องหรือผิดพลาด ผลการทดลองนั้นก็ไม่ควรค่าแก่การพิจารณาใด ๆ แต่จากประสบการณ์พบว่ามีนักวิจัยจำนวนไม่น้อยสนแต่ว่าได้ผลการทดลองที่ "ดูดี" หรือไม่ ถ้าได้ผลการทดลองที่ดูดีก็จะรีบนำเสนอทันที (เช่นเอาไปตีพิมพ์) โดยที่ไม่ทำการตรวจสอบก่อนว่ามันน่าเชื่อถือหรือไม่ ด้วยเหตุนี้จึงเกิดเหตุการณ์ผลการทดลองที่ดูดีในบทความ แต่ไม่มีการนำเอาไปใช้งานจริง เพราะมันเป็นการผลการทดลองที่ไม่มีใครทำซ้ำได้เกิดขึ้น

ถ้ามีการนำผลการทดลองประเภทนี้ไปทำเพียงแค่ตีพิมพ์บทความ เรื่องมันก็คงจบแค่นั้น แต่ที่มันเป็นเรื่องก็เพราะมีการนำเอาผลการทดลองเช่นนี้ไปขายให้กับบริษัท แล้วทางบริษัทเขาพบว่าผลการทดลองดังกล่าวไม่สามารถทำซ้ำได้

แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๓ (ตอนที่ ๘) MO Memoir : Saturday 10 December 2554

เอกสารฉบับนี้เป็นการบันทึกงานในช่วงสัปดาห์ที่ผ่านมาของกลุ่ม DeNOx และเป็นการแนะนำการเตรียมการสอบโครงร่างของกลุ่ม Hydroxylation

๑. กลุ่ม DeNOx

เนื่องจากเครื่อง NOA-7000 นั้นมีอันเป็นไปซะแล้ว (อย่างทึ่ผมได้คาดไว้และได้กล่าวเอาไว้ว่าให้ระวังตั้งแต่โครงการในปีที่แล้ว) เนื่องจากการใช้งานหนัก เพราะเราทำการเปิดมันตลอดเวลาที่ทำการทดลองและทำการทดลองต่อเนื่องกันตลอดสัปดาห์ ผมเดาเอาว่าในการประชุมวันศุกร์ที่ ๑๖ ที่จะถึงนี้คงมีรายการ

ก) "ไม่เป็นไร เดี๋ยวเราใช้ draeger tube แทน" (หรือ dräger tube มีจุดสองสุดอยู่บนตัว a นะ) ซึ่งวิธีการนี้ผมคิดว่าเป็นการแก้ขัดชั่วคราวก่อน แต่รับรองว่ามีปัญหาแน่ เพราะเจ้าตัว draeger tube ราคาก็ไม่ถูก แถมใช้ได้เพียงครั้งเดียว ดังนั้นถ้าจะนำมาใช้แทนละก็ ในการทดลองแต่ละครั้งเฉพาะค่า tube ก็คงหมดเป็นหมื่นแล้ว และที่สำคัญคือในระหว่างที่เราเปลี่ยนอุณหภูมินั้น เราไม่มีทางรู้ว่าระบบเข้าที่หรือยัง ถ้าเราวัดในขณะที่ระบบยังไม่เข้าที่ก็จะทำให้การวัดนั้นเสียเปล่าไป

ข) คงหันมาถามนิสิตผู้ทำการทดลองว่า "แล้วเมื่อไรเครื่องจะซ่อมเสร็จ" ถ้าได้รับคำตอบ (จะได้เหรอ) ว่าไม่นานก็จะเสร็จ ก็คงบอกว่านั้นหันไปทำงานพวกเตรียมและวิเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาแทนไปก่อนจนกว่าเครื่องจะซ่อมเสร็จ ซึ่งคงทำฆ่าเวลาได้ไม่นานนัก แต่ถ้าได้รับคำตอบว่า "ไม่รู้" หรือ "อีกหลายเดือน" ก็คงจะสนุกดี

ค) คงมีการหันมาถามผมว่า "เมื่อไร GC จะใช้งานได้" โดยมีการทำทีเหมือนกับว่าได้มอบหมายงานติดตั้งเครื่อง GC ให้ผมเป็นคนทำ ถ้าผมบอกว่ายังตอบไม่ได้ ก็คงจะมีรายการโวยวายแล้วบอกว่าให้โทรไปตามช่างมา จากนั้นก็คงจะมีรายการโทรศัพท์ตามช่างให้มาปรับแต่งเครื่อง GC ในระหว่างการประชุมให้ดู ซึ่งถ้าเป็นอย่างนี้ ผมคิดว่าถ้ามีความสนใจในการทำการทดลองและมีความตั้งใจจริงที่จะทำให้งานมันเดินหน้าต่อไปได้โดยคิดจะตามช่างให้มาปรับแต่งเครื่อง GC ก็ควรจะโทรตั้งแต่สัปดาห์นี้ที่ช่างเอาเครื่อง NOA-7000 ไปซ่อม ไม่ต้องรอให้มีประชุมกับทางบริษัทก่อนแล้วจึงค่อยโทรให้ดูต่อหน้า

อันที่จริงงานทำให้เครื่อง GC-2014 ทั้งสองเครื่อง (FPD และ ECD & PDD) ให้ใช้งานได้นั้นไม่มีใครบอกให้ผมทำหรอก ผมทำของผมเอง อยากทำเมื่อไร มีช่วงจังหวะว่างเมื่อไรก็จะลงมือ เพราะเห็นตั้งแต่เครื่องมาวางเอาไว้ก็ไม่มีใครสนใจมันเลย นอกจากผมคนเดียว แต่อันนี้เป็นเทคนิคในการเอาตัวรอดในที่ประชุม โดยทำเหมือนว่าได้มอบหมายงานนี้ให้คนอื่นไปรับผิดชอบแล้วโดยใช้การตั้งคำถามที่ทำให้คนฟังที่ไม่รู้เรื่องรู้ราวคิดอย่างนั้นได้ (ลองกลับไปดูคำถามข้างบนนะ แล้วลองคิดดูว่าถ้าคุณเป็นคนนอกเพิ่งจะเข้ามาร่วมประชุมเป็นครั้งแรก พอคุณได้ยินคนถามคำถามดังกล่าวหันไปถามคำถามนี้กับผู้ร่วมงานอีกคนหนึ่ง คุณจะเข้าใจอย่างไร) ถ้างานนี้มันไม่เดินไปข้างหน้า หรือเสร็จไม่ทันเวลา คนที่ถูกถามคำถามดังกล่าวต้องเป็นคนรับผิดชอบ ส่วนคนถามคำถามก็จะลอยตัวไป

ส่วนจะเกิดเหตุการณ์ตามข้อไหนบ้างนั้นคงต้องติดตามดูกันต่อไป

ช่วงนี้ผมเชื่อว่าเป็นโอกาสดีที่กลุ่มเราจะได้ทำการจัดการเครื่อง GC-2014 ECD & PDD ให้เรียบร้อยสักที

แต่งานของกลุ่มเราก็ใช่ว่าจะหยุดชะงักนะ โอกาสนี้สิ่งที่เราควรจะทำคือการศึกษาปฏิกิริยา SO₂ oxidation ไปเป็น SO₃ ซึ่งเป็นสิ่งที่ทางบริษัทต้องการทราบอยู่เหมือนกัน เพราะตัวเร่งปฏิกิริยา DeNOx ที่ดีนั้นไม่เพียงแต่จะต้องกำจัด NOx ได้มาก แต่จะต้อง "ไม่" ทำให้เกิดปฏิกิริยา SO₂ oxidation ไปเป็น SO₃ ด้วย

ตามการคาดการณ์ของผม พวกคุณสองคนที่ยังขาดประสบการณ์กับเครื่อง GC-2014 FPD นั้นคงจะต้องใช้เวลาร่วมเดือนกว่าจะได้ผลการทดลองที่เชื่อถือได้ (แต่ถ้าไม่มีคนอื่นเข้ามาใช้งานแทรก การทำงานก็คงจะเร็วขึ้น) งานที่ต้องทำก็คือการสร้าง calibration curve ของ SO₂ และการทำการทดลองปฏิกิริยา SO₂ oxidation

ก่อนอื่นขอเริ่มด้วยการทดสอบปฏิกิริยา SO₂ oxidation ก่อน

สมมุติว่าในการทดลองปรกติเราใช้แก๊สต่าง ๆ ที่มีอัตราการไหลดังนี้ คือN₂ a ml/min O₂ b ml/min SO₂ c ml/min NH₃ d ml/min และ NO e ml/min ซึ่งปริมาตรการไหลรวมคือ 200 ml/min ที่ความเข้มข้นไอน้ำ 15% และความเข้มข้น SO₂ 30 ppm

ในการทดสอบปฏิกิริยา SO₂ oxidation ก็ให้คงอัตราการไหลของN₂ ไว้ที่ a ml/min O₂ ไว้ที่ b ml/min และ SO₂ ไว้ที่ c ml/min และคงอุณหภูมิของ saturator ที่ใช้ผลิตไอน้ำและอัตราการไหลของแก๊สที่ไหลผ่าน saturator ไว้ที่เดิม (แก๊สที่ไหลผ่าน saturator ที่เราใช้ก็คือออกซิเจน) แต่ปิดการไหลของ NH₃ และ NO (อัตราการไหลของแก๊สสองตัวนี้เป็นศูนย์)

ดังนั้นอัตราการไหลรวมจะลดต่ำลงกว่า 200 ml/min และความเข้มข้นของ SO₂ จะสูงกว่า 30 ppm (เพราะอัตราการไหลของ SO₂ จากถังยังเท่าเดิม แต่อัตราการไหลรวมลดลง) และความเข้มข้นของออกซิเจนจะเพิ่มจาก 15% ไปเล็กน้อย ซึ่งไม่เป็นไรเพราะสิ่งที่เราสนใจคือมีการออกซิไดซ์ SO₂ ไปเป็น SO₃ หรือไม่ 

 

ความเข้มข้นที่แท้จริงของ SO₂ และ O₂ ในระหว่างการทดสอบปฏิกิริยา SO₂ oxidation ที่ภาวะอัตราการไหลที่ผมกล่าวมาข้างต้นหวังว่าพวกคุณคงจะคำนวณกันเองได้นะ

ในขณะเดียวกันก็ขอให้ทำ calibration curve ของ SO₂ ไปด้วย

การทำ calibration curve ของ SO₂ ให้ใช้อัตราการไหลของแก๊สเช่นเดียวกันกับตอนที่ทดสอบปฏิกิริยา SO₂ oxidation กล่าวคือ N₂ a ml/min O₂ b ml/min SO₂ c ml/min และปิดการไหลของ NH₃ และ NO (อัตราการไหลของแก๊สสองตัวนี้เป็นศูนย์) และ "ไม่" ต้องทำการผ่านน้ำเข้าไปแก๊ส

ดังนั้นความเข้มข้นของ SO₂ ในแก๊สที่ใช้ทำ calibration curve จะสูงกว่าในขณะที่ทดสอบปฏิกิริยา SO₂ oxidation อยู่เล็กน้อย เนื่องจากในระหว่างการทำ calibration curve นั้นเราไม่มีการเติมไอน้ำเข้าไป (แต่ไม่เป็นไร) และก็อย่าลืมคำนวณหาความเข้มข้นที่แท้จริงด้วย

การปรับเปลี่ยนความเข้มข้นของ SO₂ ในแก๊สที่ใช้ทำ calibration curve ให้ใช้วิธีปรับอัตราการไหลของ SO₂ เพียงตัวเดียวก็น่าจะพอ เช่นถ้าเราต้องการความเข้มข้นที่ต่ำลงก็ให้ลดอัตราการไหลของ SO₂ ให้ลดต่ำลงโดยไม่ต้องไปปรับอัตราการไหลของแก๊สตัวอื่น

เหตุผลที่ให้ทำ calibration curve ของ SO₂ ในภาวะที่มีออกซิเจน 15% ก็เพราะเราพบว่าออกซิเจนส่งผลต่อสัญญาณของ FPD คือทำให้เกิดพีคกลับหัวที่จุดสิ้นสุดของพีคหัวกลับนี้ซ้อนทับกับจุดเริ่มต้นของพีค SO₂ ซึ่งทำให้เกิดปัญหาในการแยกพีคอยู่ (ดู memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๗๒ วันศุกร์ที่ ๑๘ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "GC-2014 FPD กับระบบ DeNOx ตอนที่ ๔ ผลกระทบจากออกซิเจน")

ถ้ามีข้อสงสัยใด ๆ ก็ให้รีบมาปรึกษา เพราะตอนนี้เป็นโอกาสทองของเราในขณะที่เครื่อง NOA-7000 มันใช้งานไม่ได้ ซึ่งเชื่อว่าจะทำให้คนอื่นไม่มาใช้ reactor ไปสักพักหนึ่ง

สำหรับนิสิตปี ๑ ก็ขอให้มาคอยเฝ้าการทำงานของรุ่นพี่ได้แล้ว เพื่อที่จะได้รับการสืบทอดงานไปได้อย่างต่อเนื่อง และที่สำคัญก็คือในระหว่างการปรับแต่งให้เครื่อง GC ใช้งานได้นั้น พวกคุณจะได้เรียนรู้อะไรมากมายกว่าตอนที่เครื่อง GC มันใช้งานได้แล้ว ซึ่งตอนนั้นพวกคุณจะได้เรียนรู้เฉพาะวิธีการใช้เครื่องแค่นั้นเอง แต่จะไม่รู้ว่ากว่าจะมาถึงจุดนี้ต้องผ่านปัญหาอะไรมามากน้อยเท่าใด ความรู้ตรงนี้ไม่มีอยู่ในหนังสือหรือจะมีคนเปิดคอร์สบรรยายให้ฟัง เป็นการเรียนรู้กันหน้างานโดยตรงเพียงอย่างเดียว

๒. กลุ่ม Hydroxylation

ผมขอย้ำว่าประเด็นสำหรับการเขียนโครงร่างวิทยานิพนธ์ไม่ได้อยู่ตรงที่ผลของ "กรด" แต่เป็นผลของ "ไอออน"

ที่ผ่านมานั้นเราพบว่าปัจจัยที่เป็นตัวกำหนดว่าปฏิกิริยาจะดำเนินไปข้างหน้าได้มากเท่าใดนั้นขึ้นอยู่กับ "ปริมาณ" ไฮโดรคาร์บอนที่ละลายเข้าไปในเฟสน้ำได้

การเพิ่ม "ปริมาณ" ไฮโดรคาร์บอนในเฟสน้ำที่ผ่านมานั้นเราทำโดยการเพิ่มปริมาตรน้ำและการเพิ่มอุณหภูมิ

แต่ในช่วงเวลาเดียวกันเราก็พบว่าถ้าหากน้ำมี "กรด" ละลายปนอยู่ "ความเข้มข้น" อิ่มตัวของไฮโดรคาร์บอนในน้ำก็จะเพิ่มมากตามไปด้วย ทำให้ "ปริมาณ" (ซึ่งเท่ากับผลคูณระหว่างความเข้มข้นกับปริมาตร) เพิ่มตามไปด้วย

แต่จากงานที่เราทำในช่วงถัดมา (ที่พวกคุณกำลังทำกันอยู่) เราพบว่าการมี "เกลือ" บางชนิดละลายอยู่ก็สามารถเพิ่ม "ความเข้มข้น" อิ่มตัวของไฮโดรคาร์บอนในน้ำได้เช่นเดียวกัน ในขณะที่เกลือบางตัวกลับไม่ส่งผลใด ๆ

ตรงนี้ที่ผมสงสัยอยู่ก็คือความเข้มข้นอิ่มตัวของไฮโดรคาร์บอนในน้ำมันมีความสัมพันธ์กับ ionic strength หรือความหนาแน่นของประจุของไอออนกันแน่

ในส่วนของ ionic strength นั้นผมไม่ค่อยแน่ใจเท่าใดนัก เพราะเราพบว่าการที่มีเกลือบางตัวละลายอยู่ (ซึ่งน่าจะทำให้ ionic strength ของสารละลายเพิ่มสูงขึ้น) แต่ก็ไม่ได้ทำให้ความเข้มข้นอิ่มตัวของไฮโดรคาร์บอนในน้ำเพิ่มสูงขึ้น แต่ถึงกระนั้นผมก็ยังไม่อยากตัดประเด็นนี้ออกไป

อีกเรื่องที่เรายังไม่มีคำอธิบายคือ "อัตราเร็ว" ในการละลาย ซึ่งที่ผ่านมาจากการที่ได้ทดลองกับกรดหลายชนิดนั้นเราได้พบว่าถ้ามีกรดที่ความเข้มข้นเท่ากันละลายอยู่ ความเข้มข้นอิ่มตัวของไฮโดรคาร์บอนในน้ำจะเท่ากัน แต่ความเร็วในการละลายเข้าไปในเฟสน้ำจนอิ่มตัวนั้นแตกต่างกันไป ตรงนี้ผมยังสงสัยว่าจะเกี่ยวกับการที่ไอออนที่ละลายเข้าไปในน้ำนั้นส่งผลต่อความแข็งแรงของพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลน้ำหรือไม่ กล่าวคือถ้ามันไปทำให้ความแข็งแรงของพันธะไฮโดรเจนในโมเลกุลน้ำลดลง ไฮโดรคาร์บอนก็จะแทรกเข้าไปได้รวดเร็วขึ้น แต่ตรงนี้เราคงต้องศึกษาทฤษฎีเพิ่มเติมกันก่อน

สิ่งที่ผมสงสัยอยู่และรอผลจากพวกคุณอยู่ก็คือ ถ้าเราใช้เกลือที่ทำให้ไฮโดรคาร์บอนละลายน้ำได้น้อยลง ดังนั้นถ้าเราเพิ่มอุณหภูมิของระบบให้สูงเกินกว่า 100ºC เราจะเห็นผลที่ได้จากการใช้เบนซีนกับโทลูอีนออกมาเหมือนกันหรือไม่ ซึ่งตอนนี้ผมสงสัยว่าอาจจะออกมาแตกต่างกันก็ได้

ฉบับนี้คงพอแค่นี้ก่อน วันอังคารเปิดเทอมใหม่วันแรกค่อยว่ากันอีกที