หายนะที่ Bhopal กับปฏิกิริยาเคมีที่เกิด ตอนที่ ๑ ปฏิกิริยาระหว่าง Methyl isocyanate กับน้ำ MO Memoir : Thursday 2 October 2557

เมื่อปลายเดือนกรกฎาคมที่ผ่านมา ผมมีโอกาสได้ไปเข้ารับการอบรมเรื่อง Process Safety Management ที่วิศวกรรมสถานแห่งประเทศไทย โดยวิทยากรผู้บรรยายเป็นวิศวกรเครื่องกลที่มีประสบการณ์การทำงานในโรงกลั่นน้ำมันและอุตสาหกรรมปิโตรเคมีมานาน ต้องยอมรับเลยครับว่าวิทยากรผู้บรรยายนั้นสามารถสื่อสารให้ผู้ฟังมองเห็นภาพได้ชัดแม้ว่าในบางช่วงของการบรรยายจะประสบกับปัญหาเครื่องฉายภาพไม่ทำงาน แต่ทั้งนี้ผู้ฟังต้องเป็นผู้ที่มีประสบการณ์ในโรงงานมาบ้างจึงจะมองเห็นภาพอุปกรณ์และการทำงานต่าง ๆ ได้ชัดเจน
  

ในช่วงหนึ่งของการบรรยาย วิทยากรได้นำเอาคลิปวิดิโอสารคดีเรื่อง Second from disaster ตอน Bhopal มาให้ผู้เข้ารับการอบรมได้ชมเป็นตัวอย่างความผิดพลาดของการทำงานที่แม้ว่าจะมีระบบรักษาความปลอดภัยป้องกันเอาไว้ถึง ๓ ชั้น แต่ก็ยังสามารถเกิดปัญหาที่ระบบรักษาความปลอดภัยทั้ง ๓ ชั้นนั้น เมื่อเกิดความต้องการใช้งานจริงกลับไม่สามารถใช้งานได้เลยสักชิ้น
  

หายนะที่เมือง Bhopal ประเทศอินเดียเกิดขึ้นในวันที่ ๓ ธันวาคม ปีค.ศ. ๑๙๘๔ (พ.ศ. ๒๕๒๗) ซึ่งนับถึงวันนี้ก็ขาดอีกเพียงแค่สองเดือนก็จะครบรอบ ๓๐ ปีแล้ว เรื่องนี้เคยเล่าเอาไว้ก่อนหน้านี้บ้างแล้วใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๘๔ วันอังคารที่ ๓ ธันวาคม พ.ศ. ๒๕๕๒ แต่ตอนนั้นกล่าวถึงเพียงแค่การนำสารตั้งต้น ๓ ชนิดมาทำปฏิกิริยาเชื่อมต่อกันนั้น การเลือกสารคู่แรกที่จะเชื่อมต่อโมเลกุลเข้าด้วยกันก่อนที่เหมาะสมก็สามารถที่จะหลีกเลี่ยงการเกิดหายนะได้

ในระหว่างการอภิปรายหลังการบรรยายนั้น มีอยู่ประเด็นหนึ่งที่ผมเห็นต่างไปจากวิทยากรอยู่บ้าง คือที่มาของปริมาณ "ความร้อน" ที่ทำให้ methyl isocyanate (หรือที่เรียกย่อว่า MIC) ร้อนจนเดือด ทำให้ความดันในถังเก็บเพิ่มสูงขึ้นมาก จนทำให้เกิดการระบายความดันผ่านทาง rupture disc ออกสู่บรรยากาศภายนอก

เป็นที่ทราบกันทั่วไปว่าสาเหตุที่ทำให้ MIC ในถังเก็บร้อนขึ้นนั้นเริ่มจากการที่มีน้ำรั่วไหลเข้าไปในถังเก็บ MIC เป็นสารที่ทำปฏิกิริยากับน้ำอย่างรุนแรง เกิดการสลายตัวและให้ความร้อนออกมา ซึ่งตรงนี้ทำให้หลายต่อหลายคนคิดว่านี่เป็นสาเหตุเดียวที่ทำให้เกิดความร้อนจำนวนมากในถังเก็บนั้น แต่จะว่าไปแล้วสิ่งที่สารคดีที่กล่าวมาข้างต้นนั้นนำเสนอ และจากข้อมูลต่าง ๆ ที่ค้นได้ทางอินเทอร์เน็ต ก็บอกเอาไว้ค่อนข้างชัดเจนว่า นั่นเป็นเพียงแค่จุดเริ่มต้นของการเกิดปฏิกิริยาทั้งหมด
  

การสอบสวนอุบัติเหตุที่ Bhopal นั้นอยู่ภายใต้การควบคุมของรัฐบาลอินเดีย โดยบริษัท Union Carbide ที่เป็นเจ้าของเทคโนโลยีนั้นไม่ได้มีโอกาสเข้าไปร่วมในการสอบสวน แต่เนื่องจากทาง Union Carbide เองก็มีโรงงานรูปแบบเดียวกันที่ตั้งอยู่ในประเทศสหรัฐอเมริกา ทำให้ทาง Union Carbide เองต้องทำการสอบสวนด้วยว่าความผิดพลาดดังกล่าวเกิดจากอะไร เพราะถ้าความผิดพลาดดังกล่าวเกิดจากการออกแบบโรงงาน ก็จะกระเทือนไปถึงโรงงานอื่นรูปแบบเดียวกันที่กำลังเดินเครื่องผลิตอยู่ด้วย
  

ตอนแรกคิดว่าจะจบเรื่องนี้ใน Memoir ฉบับเดียว แต่พอลงมือเขียนแล้วปรากฏว่ามันทำท่าจะยาวถึง ๒๐ หน้า ก็เลยต้องขอตัดเป็นสองตอน โดยตอนที่ ๑ นี้ผมแบบภาพเอกสาร ที่เป็นเนื้อหาที่ปรากฏในหน้า ๘๓ ของหนังสือ "Ethical Choices in Business", 2nd edtion เขียนโดย R.C. Sekhar มาให้ดูด้วย หนังสือนี้มีให้ดูเพียงแค่บางหน้าในอินเทอร์เน็ตแต่ก็โชคดีที่หน้าที่ให้ข้อมูลเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมีที่เกิดนั้นเปิดให้ดูฟรี
  

เกริ่นมาหน้านึงแล้ว ทีนี้เรามาเข้าเรื่องกันเลยดีกว่า

- การสังเคราะห์ methyl isocyanate (MIC)

MIC สังเคราะห์จากปฏิกิริยาในเฟสแก๊สระหว่าง monomethylamine กับ phosgene ที่อุณหภูมิสูง ได้ MIC และ HCl ดังปฏิกิริยาข้างล่าง

ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจะถูกทำให้เย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว (เอกสารของ Union Carbide ใช้คำว่า "quench") ด้วย "Chloroform - CHCl₃" แผนผังอย่างง่ายของกระบวนการผลิต MIC แสดงข้างล่าง โดยนำมาจากเอกสารของบริษัท Union Carbide ซึ่งจะคัดเนื้อหาบางส่วนมาให้ดูใน Memoir ฉบับถัดไปที่เป็นตอนที่ ๒ ของเรื่องนี้

และ chloroform ตัวนี้แหละ เป็นอีกตัวหนึ่งที่มีบทบาทสำคัญของปฏิกิริยาเคมีที่นำไปสู่หายนะครั้งใหญ่

  
- ปฏิกิริยาระหว่าง MIC กับน้ำ

MIC ทำปฏิกิริยารุนแรงกับน้ำ เกิดการสลายตัวและให้ความร้อนออกมา ส่วนผลิตภัณฑ์ที่เกิดจะได้อะไรนั้นขึ้นอยู่กับสัดส่วนระหว่าง MIC กับน้ำ ถ้ามีน้ำเยอะก็จะได้ 1,3-dimethylurea แต่ถ้าน้ำน้อยก็จะได้ 1,3,5-trimethylurea ดังสมการในรูปข้างล่าง (สมการนำมาจาก http://en.wikipedia.org/wiki/Methyl_isocyanate แต่รูปนี้ผมวาดขึ้นมาใหม่)

แต่ทั้งสองปฏิกิริยาก็คายความร้อนออกมาทั้งคู่

ปฏิกิริยาระหว่าง MIC กับน้ำนี้ทางโรงงานผลิตนำมาใช้ประโยชน์ในการกำจัด MIC ที่อาจมีการระบายออกจากถังเก็บ ด้วยการติดตั้ง scrubber ที่ฉีดพ่นน้ำ (และเบส เพื่อช่วยเร่งการสลายตัว) ไว้ในระบายแก๊สออกสู่บรรยากาศ และยังเป็นขั้นตอนหนึ่งของโรงงานในการจัดการกับ MIC ที่รั่วไหลออกมาข้างนอกด้วยการฉีดเป็นม่านน้ำป้องกัน
  

ประเด็นที่ผมเห็นต่างไปจากวิทยาการในวันนั้นคือ "ปริมาณความร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่าง MIC กับน้ำนั้น มากเพียงพอที่จะทำให้ MIC ในถังเดือดจนความดันสูงขึ้นมากจน ruture disc เปิดออกได้หรือไม่"

เหตุการณ์ที่เกิดที่ Bhopal นั้นเป็นที่ยอมรับกันทั่วไปว่าปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในถังเก็บน้ำเกิดจากการมีน้ำรั่วเข้าไปทำปฏิกิริยากับ MIC ที่อยู่ในถังเก็บ ส่วนน้ำรั่วเข้าไปได้อย่างไรนั้นก็มีอยู่หลายสมมุติฐาน ทางฝ่ายสอบสวนของอินเดียก็สรุปเอาไว้อย่างหนึ่ง ทางบริษัท Union Carbide เจ้าของกระบวนการผลิตเองก็กล่าวเอาไว้อีกอย่างหนึ่ง
  

แต่ตัวเลขที่มีการให้ไว้ก็ให้ตัวเลขประมาณที่ใกล้เคียงกัน คือมีน้ำประมาณเกือบ 1,000 kg รั่วเข้าไปในถังเก็บที่มี MIC อยู่ประมาณ 40,000 kg และ chloroform อีกประมาณ 1,300 kg
  

ในกระบวนการผลิตตามปรกตินั้น จะทำการแยก MIC และ chloroform ออกจากกันก่อนที่จะส่ง MIC ไปเก็บไว้ในถังเก็บ ดังนั้น MIC ในถังเก็บอาจมีการปนเปื้อน chloroform อยู่บ้าง แต่ไม่ใช่มีมากจนเป็นระดับพันกิโลกรัมเช่นนี้
  

ประเด็นแรกที่ผมเห็นว่าควรพิจารณาก่อนคือ "อัตรา" การรั่วไหลของน้ำเข้าไปในถังเก็บว่า "รั่วไหลเข้าไปอย่างรวดเร็ว" หรือ "ค่อย ๆ รั่วซึมเข้าไป"
  

ในกรณีของเหตุการณ์ที่ Bhopal ไม่มีข้อสรุปที่ตรงกันว่าน้ำเข้าไปในถังเก็บรวดเร็วแค่ไหน (บางรายงานกล่าวว่าเป็นการจงใจเติมเข้าไปเพื่อก่อความเสียหายให้กับทางโรงงาน) โดยความเห็นส่วนตัวนั้นถ้าน้ำค่อย ๆ รั่วซึมเข้าไปในถังเก็บ ความร้อนที่เกิดขึ้นในถังก็จะเกิดขึ้นทีละน้อย ๆ และไม่ควรมากพอที่จะทำให้ MIC ส่วนที่เหลือเดือดกลายเป็นไอได้มากในเวลาอันสั้น จนทำให้ความดันในถังเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว
  

แต่ถ้าน้ำรั่วเข้าไปเป็นปริมาณมาก ๆ ในเวลาอันสั้น ก็เป็นไปได้ที่จะทำให้ MIC ที่ไม่ได้ทำปฏิกิริยากับน้ำนั้นร้อนจนเดือดกลายเป็นไอได้ ทำให้ความดันในถังเพิ่มสูงขึ้น แต่ตรงประเด็นนี้ก็มีคำถามเกิดขึ้นคือ

"ถ้าความร้อนที่เกิดขึ้นในระบบนั้นเกิดจากปฏิกิริยาระหว่า MIC กับน้ำเท่านั้น และเนื่องจากน้ำมีปริมาณน้อยกว่า MIC มาก ความร้อนที่เกิดขึ้นนั้นสามารถทำให้ MIC ระเหยได้มากน้อยเท่าใด และมากเพียงพอที่จะทำให้ความดันในถังเพิ่มสูงขึ้น และสามารถทำให้ MIC เดือดจนระเหยกลายเป็นไอได้ต่อเนื่องเป็นเวลานานหรือไม่"
  

ถ้าจะให้เปรียบเทียบก็คงต้องขอให้นึกภาพการผสมกรดเข้มข้น (เช่นกรดกำมะถัน) กับน้ำ สำหรับผู้ที่ทำงานในห้องปฏิบัติการเคมีแล้วเวลาเจือจางกรดก็มักจะค่อย ๆ เท "กรด" เข้มข้นลงในน้ำ ไม่ใช่เท "น้ำ" ลงในกรดเข้มข้น เพราะว่าในระหว่างการผสมกันระหว่างน้ำกับกรดเข้มข้นนั้นจะมีการคายความร้อนออกมามาก การเทกรดลงไปในน้ำ ถ้าความร้อนที่เกิดขึ้นนั้นทำให้น้ำเดือด สิ่งที่จะกระเด็นออกมาคือกรดเจือจาง แต่ถ้าเทน้ำลงไปในกรด สิ่งที่จะกระเด็นออกมาคือกรดเข้มข้น
  

แต่ถ้าเราอยากเทน้ำลงไปในกรดเข้มข้นก็กระทำได้ แต่ต้องค่อย ๆ เทลงไปทีละน้อย ๆ อย่างช้า ๆ เมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้นทีละน้อย ๆ ความร้อนที่เกิดขึ้นก็จะเกิดขึ้นทีละน้อย ๆ และจะถูกของเหลวดูดซับเอาไว้โดยที่ตัวของเหลวนั้นไม่เดือด และค่อย ๆ ระบายความร้อนนั้นออกสู่สิ่งแวดล้อมได้ทันเวลา สารละลายที่ได้ก็จะไม่ร้อนขึ้นมาก ถ้าใช้วิธีการเช่นนี้เราก็จะสามารถเทน้ำปริมาณมากลงสู่กรดเข้มข้นได้โดยที่สารผสมระหว่างกรดเข้มข้นกับน้ำนั้นไม่ร้อนจนเดือด

ดังนั้นถ้าจะสรุปว่าความร้อนที่เกิดขึ้นนั้นมาจากปฏิกิริยาระหว่าง MIC กับน้ำเท่านั้น ก็ต้องพิสูจน์ให้ได้ว่ามีน้ำปริมาณที่มากรั่วเข้าไปในถังเก็บในเวลาอันสั้น และความร้อนที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยานั้นมากเพียงพอที่จะทำให้ MIC เดือดกลายเป็นไอที่มีปริมาณมากจนทำให้ความดันในถังเก็บสูงมากพอที่จะทำให้ rupture disc เปิดออก และยังทำให้ของเหลวในถังนั้นเดือดกลายเป็นไอต่อเนื่องต่อไปอีก
  

MIC มีน้ำหนักโมเลกุล 57 ส่วนน้ำมีน้ำหนักโมเลกุล 18 ในกรณีของการเกิด dimethyl urea นั้นน้ำ 1 โมลทำปฏิกิริยากับ MIC 2 โมล หรือคิดเป็นอัตราส่วนโดยน้ำหนักระหว่างน้ำกับ MIC คือ 1:6.3 ดังนั้นน้ำที่รั่วเข้าไป 1,000 kg ก็จะทำปฏิกิริยากับ MIC ได้ประมาณ 6,300 kg (จากทั้งหมดประมาณ 40,000 kg) ส่วนในกรณีของการเกิด trimethyl urea นั้นน้ำ 1 โมลทำปฏิกิริยากับ MIC 3 โมล หรือคิดเป็นอัตราส่วนโดยน้ำหนักระหว่างน้ำกับ MIC คือ 1:9.5 ดังนั้นน้ำที่รั่วเข้าไป 1,000 kg ก็จะทำปฏิกิริยากับ MIC ได้ประมาณ 9,500 kg Union Carbide เองประมาณว่ามี MIC ที่ไม่ทำปฏิกิริยารั่วไหลออกมาจากถังเก็บประมาณ 24,500 kg ในเวลาสองชั่วโมงร่วมกับผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาอีกประมาณ 12,000 kg

การพิจารณาปฏิกิริยาที่เกิดตรงนี้ผมเห็นว่ามีข้อควรคำนึงนิดนึง คือถ้าเรามองภาพรวมทั้งถังจะเห็นว่าเรามีสัดส่วนของ MIC มากกว่าปริมาณน้ำที่รั่วเข้าไปมาก แต่ถ้าเราพิจารณาเฉพาะตำแหน่งตรงจุดที่น้ำรั่วเข้าไป ตรงบริเวณนั้นเราจะมีน้ำในสัดส่วนที่สูงกว่า MIC มาก ดังนั้นการบอกว่าปฏิกิริยานี้เกิดในสภาวะที่มีใครมากกว่าใครนั้นจึงไม่ควรมองภาพรวมทั้งถังเป็นหลัก แต่ควรพิจารณาตรงจุดที่มีน้ำรั่วไหลเข้าไปและเกิดการผสมกัน เช่นน้ำเข้าทางเหนือผิวของเหลวหรือใต้ผิวของเหลว เข้าบริเวณกลางถังหรือที่ปลายด้านหนึ่งของถัง (ถังเก็บ MIC เป็นถังยาว วางตัวในแนวนอน) เป็นต้น

แต่ยังมีอีกเส้นทางหนึ่งที่ทำให้เกิดความร้อนจำนวนมากในถังเก็บได้ และเกิดขึ้นได้อย่างต่อเนื่องจนกว่า MIC ในถังเก็บจะทำปฏิกิริยาจนหมดไป (หรือถังเก็บมีอุณหภูมิเย็นลง) นั่นคือปฏิกิริยาการสลายตัวหรือการรวมตัวเข้าด้วยกันเองของ MIC ซึ่งผมเห็นว่าประเด็นนี้เป็นประเด็นที่น่าสนใจ เพราะนั่นหมายถึง MIC ที่ยังหลงเหลือจากการทำปฏิกิริยากับน้ำอีกกว่า 30 ตันสามารถเกิดปฏิกิริยานี้ได้

นั่นคือปฏิกิริยาการสลายตัวหรือการรวมตัวกันของ MIC ที่เกิดขึ้นได้เมื่อมีอุณหภูมิที่สูงพอ และมี "ตัวเร่งปฏิกิริยา" ช่วย ซึ่งเหตุการณ์นี้สามารถเกิดขึ้นได้แม้ว่าการรั่วซึมของน้ำจะเป็นแบบค่อยเป็นค่อยไป ประเด็นนี้คงต้องขอยกยอดไปในตอนที่ ๒ ของเรื่องนี้