ข้อควรระวังเมื่อใช้ออกซิเจนความเข้มข้นสูง (การทำวิทยนิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๕๓) MO Memoir : Monday 7 October 2556

"คุณช่วยอธิบายวิธีการทำการทดลองให้ผมฟังใหม่ได้ไหม" ผมถามเขาหลังจากเขานำเสนองานเสร็จ (เมื่อเดือนที่แล้ว) ด้วยไม่แน่ใจว่าเขาจะทำอย่างนั้นจริง

ปฏิกิริยาที่เขาทำการศึกษาเป็นปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ไฮโดรคาร์บอนตัวหนึ่งด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา ในการทดลองของเขานั้นจะใส่สารตั้งต้น (ไฮโดรคาร์บอนที่เป็นเฟสของเหลว) ลงในเครื่องปฏิกรณ์แบบปั่นกวน เติมตัวเร่งปฏิกิริยา แทนที่แก๊ส (ที่ว่างเหนือผิวของเหลว) ในระบบด้วย O₂ 100% จากนั้นทำการปิดผนึกเครื่องปฏิกรณ์ นำไปให้ความร้อน ณ อุณหภูมิที่กำหนด (สูงกว่าอุณหภูมิห้อง) และเมื่อถึงเวลาที่กำหนดก็จะหยุดปฏิกิริยา และนำเอาเฟสของเหลวมาทำการวิเคราะห์วัดปริมาณผลิตภัณฑ์ที่เกิด

อ่านวิธีการทดลองของเขาแล้วรู้สึกสะกิดใจอะไรบ้างไหม แต่สำหรับผมแล้ววิธีการทดลองของเขาทำให้ผมนึกถึงเรื่องที่เคยเล่าเอาไว้ใน Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๓๖๓ วันศุกร์ที่ ๑๔ ตุลาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "อุบัติเหตุจาก Saturator"

รูปที่ ๑ นิยามของ Autoignition temperature และผลของออกซิเจนที่มีต่อค่าอุณหภูมิดังกล่าว จะเห็นว่าสำหรับออกซิเจนบริสุทธิ์นั้นอาจทำให้ค่า autoignition temperature ลดต่ำลงได้ถึง 300ºC จากค่าที่วัดได้ในอากาศ (O₂ 21%) (จาก https://i-systems.dechema.de/chemsafe/def_e.php)
 

ในอุตสาหกรรมนั้นมีการออกซิไดซ์ไฮโดรคาร์บอน (หรือสารตั้งต้นตัวอื่นที่เป็นสารอินทรีย์) ทั้งในเฟสของเหลวและแก๊ส สารออกซิไดซ์ที่ใช้กันมากที่สุดคืออากาศ เพราะไม่ต้องไปหาซื้อ ถ้าเป็นการออกซิไดซ์ในเฟสแก๊สก็จะใช้การระเหยสารตั้งต้นให้กลายเป็นไอ มันจะผสมเป็นเนื้อเดียวกับอากาศ จากนั้นก็ป้อนเข้าเครื่องปฏิกรณ์เพื่อทำปฏิกิริยา ถ้าเป็นการออกซิไดซ์ในเฟสของเหลวก็จะทำการอัดอากาศให้ลอยเป็นฟองขึ้นจากทางด้านล่างของถังปฏิกรณ์ที่บรรจุสารตั้งต้น (ที่เป็นของเหลวเอาไว้) ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นระหว่างฟองอากาศที่ลอยขึ้นมากับของเหลวในถังปฏิกรณ์นั้น (เหมือนการให้อากาศในตู้ปลา)

เนื่องจากในการทำปฏิกิริยาเช่นนี้มีการผสมเชื้อเพลิง (สารอินทรีย์ที่เป็นสารตั้งต้น) กับสารออกซิไดซ์ (อากาศ) เข้าด้วยกัน ดังนั้นสิ่งที่ต้องคำนึงให้มากในการทำปฏิกิริยาดังกล่าวเพื่อหลีกเลี่ยงการระเบิดมี 
 

(ก) สัดส่วนระหว่างอากาศกับสารตั้งต้นที่ติดไฟได้ และ 
 

(ข) อุณหภูมิการจุดระเบิดได้ด้วยตนเอง หรือ autoignition temperature

โดยปรกติเพื่อความปลอดภัยแล้ว ถ้าสัดส่วนความเข้มข้นของสารตั้งต้นในอากาศนั้นอยู่นอกช่วง explosive limit การทำปฏิกิริยาก็จะมีความปลอดภัย ดังนั้นการออกซิไดซ์ในเฟสแก๊สจึงมักกระทำที่ความเข้มข้นสารตั้งต้นนั้นอยู่ "ต่ำกว่า" ค่า lower explosive limit ในขณะที่การออกซิไดซ์ในเฟสของเหลวนั้นกระทำที่ความเข้มข้นสารตั้งตั้นนั้น "สูงกว่า" upper explosive limit 
  

แต่ก็มีเหมือนกันที่การออกซิไดซ์ในเฟสแก๊สนั้นกระทำโดยการป้อนสารตั้งต้นที่มีสัดส่วนผสมอยู่ในช่วง explosive limit แต่ทั้งนี้จะต้องมั่นใจว่าอุณหภูมิของระบบนั้นจะไม่สูงถึง autoignition temperature ในขณะที่ความเข้มข้นของสารนั้นอยู่ในช่วง explosive limit (เช่นการทำปฏิกิริยาใน fixed-bed เมื่อทำปฏิกิริยาไปเรื่อย ๆ อุณหภูมิของระบบจะเพิ่มสูงขึ้นในขณะที่ความเข้มข้นสารตั้งต้นลดลง ดังนั้นต้องมั่นใจว่าความเข้มข้นสารตั้งต้นลดลงต่ำกว่า lower explosive limit ก่อนที่อุณหภูมิระบบจะสูงถึง autoignition temperature)
 

autoignition temperature เป็นอุณหภูมิที่สารผสมระหว่างเชื้อเพลิงกับสารออกซิไดซ์นั้นระเบิดได้เองโดยไม่ต้องพึ่งพาเปลวไฟหรือประกายไฟเป็นตัวจุด เช่นเมื่อไอสารผสมระหว่างเชื้อเพลิงกับอากาศที่มีสัดส่วนพอเหมาะไปสัมผัสกับพื้นผิวร้อน (อาจเป็นผิวท่อ เครื่องแก้ว ฯลฯ) ไอสารผสมดังกล่าวก็จะระเบิดได้เองทั้ง ๆ ที่ไม่มีเปลวไฟหรือประกายไฟ 
  

ตัวอย่างเช่นนอร์มัลเฮกเซน (n-hexane - C₆H₁₄) มี autoignition temperature 234ºC และมีช่วง explosive limit 1.2-7.7% ถ้าไอผสมระหว่างเฮกเซนกับอากาศที่มีความเข้มข้นเฮกเซนในช่วง 1.2-7.7% นั้นมีอุณหภูมิสูงถึง 234ºC หรือสัมผัสกับพื้นผิวที่มีอุณหภูมิสูงถึง 234ºC (หรือมากกว่า) ไอผสมนั้นก็จะเกิดการระเบิดขึ้นได้เอง

ข้อมูลเกี่ยวกับ autoignition temperature และ explosive limit ที่มีเผยแพร่กันอยู่ทั่วไปนั้น เป็นข้อมูลเมื่อใช้ "อากาศ" เป็นสารออกซิไดซ์ และที่ความดันบรรยากาศ และก็เป็นที่ทราบกันว่าถ้าเป็นที่ "ความดัน" สูงขึ้นหรือ "ความเข้มข้นออกซิเจน" เพิ่มสูงขึ้น ค่าดังกล่าวจะเปลี่ยนแปลงไป โดยจะเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางที่ "ระเบิดได้ง่ายขึ้น"

เป็นที่น่าเสียดายที่ข้อมูล autoignition temperature และ explosive limit ที่ความดันสูงกว่าบรรยากาศและ/หรือความเข้มข้นออกซิเจนสูงกว่า 21% นั้นไม่ได้มีเผยแพร่ทั่วไป ดังนั้นใครก็ตามที่ทำการทดลองในภาวะที่ความดันสูงกว่าบรรยากาศและ/หรือความเข้มข้นออกซิเจนสูงกว่า 21% นั้นควรต้องพึงระวังให้มาก ข้อมูลที่ค้นได้ที่นำมาแสดงในรูปที่ ๑ นั้นกล่าวว่าในกรณีของออกซิเจนบริสุทธิ์นั้น ค่า autoignition temperature สำหรับบางสารนั้นอาจลดต่ำลงได้ถึง 300ºC จากค่าที่วัดได้ในอากาศ (O₂ 21%) ดังนั้นการทดลองที่อาจกระทำได้อย่างปลอดภัยเมื่อความเข้มข้น O₂ ในระบบมีเพียงแค่ 21% อาจเป็นการทดลองที่อันตรายอย่างใหญ่หลวงเมื่อความเข้มข้น O₂ ในระบบวิ่งเข้าหา 100% 
  

ตัวอย่างหนึ่งที่เห็นได้ชัดคือเกจวัดความดันที่หัวถังแก๊สที่เราใช้ในแลป จะมีรูปเครื่องหมายกระป๋องหยอดน้ำมันหล่อลื่นที่มีกากบาททับเอาไว้ หรือคำว่า "use no oil" ซึ่งหมายถึงห้ามใช้น้ำมันหล่อลื่น (รูปที่ ๒) ในสภาพความดันปรกติน้ำมันหล่อลื่นหรือจารบีจะติดไฟยาก แต่เมื่ออยู่ในภาวะที่อากาศความดันสูงแล้ว สารดังกล่าวจะลุกติดไฟได้ง่ายมากขึ้น

รูปที่ ๒ รูปแบบต่าง ๆ ของคำเตือนบนเกจวัดความดันว่า "ห้ามใช้น้ำมันหล่อลื่น" ซึ่งอาจมาในรูปของกระป๋องหยดน้ำมันเครื่องที่มีเครื่องหมายกากบาททาบ (สองรูปบน) หรือคำเตือนว่า "use no oil" (รูปล่าง)
  

ไฟล์ "Safetygram #33 The hazards of oxygen and oxygen-enriched mixtures" ของบริษัท Airproducts ที่แนบมาให้กล่าวไว้ว่าแก๊สผสมใดก็ตามที่มี O₂ เข้มข้นสูงเกินกว่า 23% ให้ปฏิบัติเหมือนออกซิเจนบริสุทธิ์ เพราะที่ความเข้มข้น O₂ ตั้งแต่ระดับนี้ขึ้นไปจะทำให้ปฏิกิริยาเคมีการเผาไหม้นั้นเปลี่ยนแปลงไปโดยมีพฤติกรรมเหมือนกับเมื่ออยู่ในออกซิเจนบริสุทธิ์มากขึ้น
 

การทดลองที่น่าสนใจที่รายงานเอาไว้ในเอกสารนี้อยู่ในหน้าที่ ๓ และ ๔ โดยผมเอารูปมาลงไว้ในรูปที่ ๓ ในหน้าถัดไป ในการทดลองนี้ได้นำเอาเสื้อผ้าฝ้ายที่เป็นชุดใส่ทำงานทั่วไปมายัดด้วยกระดาษไว้ข้างใน จากนั้นทำให้อิ่มตัวด้วยแก๊ส O₂ 100% เสื้อผ้าจะกักเก็บแก๊สที่มีออกซิเจนความเข้มข้นสูงนี้เอาไว้ระหว่างรูพรุนระหว่างเส้นใยแต่ละเส้นของเนื้อผ้า ภายในหุ่นดังกล่าวบรรจุหลอดไฟที่ทำให้กระเปาะแก้วแตกออก เหลือแต่ไส้หลอดอยู่ข้างใน เมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับหลอดไฟดังกล่าว (ไส้หลอดทำหน้าที่เป็นตัวจุดระเบิด) ก็ได้ผลการทดลองดังแสดงในภาพ

เส้นผมก็ก่อให้เกิดปัญหาเช่นเดียวกันโดยแก๊สออกซิเจนความเข้มข้นสูงจะสะสมในบริเวณที่ว่างระหว่างเส้นผม ในเอกสารดังกล่าวให้คำแนะนำว่าถ้าใครก็ตามบังเอิญไปอยู่ในบรรยากาศที่มีออกซิเจนความเข้มข้นสูง ให้นำตัวออกไปยังบริเวณที่ปลอดภัยที่ปราศจากสิ่งที่จะทำให้ติดไฟได้ ให้อยู่ในบริเวณที่มีอากาศบริสุทธิ์ และตบไปตามเสื้อผ้า (คิดว่าคงทำไปเพื่อไล่แก๊สออกซิเจนความเข้มข้นสูงที่กักขังอยู่ในรูพรุนของเสื้อผ้า แต่ทำไมไม่แนะนำให้ถอดเสื้อผ้าออกเลยก็ไม่รู้) และใช้นิ้วมือสางเส้นผม (ไม่ได้บอกให้ใช้หวี ไม่แน่ใจว่ากลัวปัญหาเรื่องไฟฟ้าสถิตย์หรือเปล่า ถ้าเป็นเช่นนี้คนคนนั้นก็ต้องสางผมตัวเอง)
  

สำหรับระบบที่มีความเข้มข้นออกซิเจนอย่างน้อย 5% แต่ที่ความดันสูงกว่า 30 barg (450 psig) เอกสารดังกล่าวก็แนะนำให้ใช้ความระมัดระวังเหมือนกับออกซิเจนบริสุทธิ์เช่นเดียวกัน

รูปที่ ๓ การลุกไหม้อย่างรุนแรงของหุ่นทดสอบที่สวมเสื้อผ้าฝ้ายที่เป็นชุดทำงาน แต่ภายในยัดเอาไว้ด้วยกระดาษ และผ่านการทำให้อิ่มตัวด้วย O₂ 100% รูปจากเอกสาร "Safetygram #33 The hazards of oxygen and oxygen-enriched mixtures" จาก http://www.airproducts.com/~/media/Files/PDF/company/safetygram-33.pdf 

การทำปฏิกิริยาจำนวนไม่น้อยมันมีความปลอดภัยตราบเท่าที่สภาวะการทำปฏิกิริยานั้นมันยังอยู่ใน "ขอบเขตที่ปลอดภัย" แต่ปัญหาก็คือผู้ทำการทดลองนั้นนั้น "รู้หรือไม่" ว่าปฏิกิริยาที่เขาศึกษานั้นมันมีขอบเขตที่ปลอดภัย (แม้ว่าเราจะไม่ทราบแน่นอนว่าขอบเขตมันอยู่ตรงไหน) สาเหตุที่ผมถามคำถามเขาในวันนั้นก็คือผมต้องการทราบหรือเปล่าว่าปฏิกิริยาของเขานั้นมันมี "ขอบเขตที่ปลอดภัย" สำหรับการทำปฏิกิริยา ถ้าเขาทราบว่ามีและก็รู้ว่ามันอยู่ตรงไหน มันก็แล้วไป

แต่ดูเหมือนว่าเขา (รวมทั้งที่ปรึกษา ?) ไม่ทราบว่ามันมี นิสิตผู้ทำการทดลองเองเพิ่งจะมาสะกิดใจตรงที่ผมเกริ่นเรื่อง saturator ระเบิดให้เขาได้ยิน