วันอังคารที่ 29 กันยายน พ.ศ. 2558

ถ้าเปิดประตูตู้เย็นตั้งทิ้งไว้ในห้อง อุณหภูมิในห้องจะเป็นอย่างไร MO Memoir : Tuesday 29 September 2558

"ตั้งตู้เย็นไว้ในห้องปิด เดินเครื่องให้ตู้เย็นทำงาน และเปิดประตูตู้เย็นทิ้งไว้ อุณหภูมิในห้องจะเปลี่ยนแปลงอย่างใด"

คำถามนี้มีมานานแล้ว ผมเข้าเรียนวิศวใหม่ ๆ เมื่อกว่าสามสิบปีที่แล้วก็ได้ยินคำถามนี้แล้ว เรียกได้ว่าเป็นคำถามคลาสสิกในการสอบสัมภาษณ์วิศวกรเข้าทำงาน เป็นคำถามสอบพื้นฐานความเข้าใจวิชาเทอร์โมไดนามิกส์
  
เครื่องปรับอากาศและตู้เย็นมีหลักการทำงานแบบเดียวกัน คือใช้การเปลี่ยนเฟสของสารทำความเย็นในการรับความร้อนจากแหล่งหนึ่ง และนำไประบายทิ้งยังอีกแหล่งหนึ่ง แต่มันมีความแตกต่างมันอยู่ตรงตำแหน่งที่ตั้งของแหล่งรับความร้อนและแหล่งระบายความร้อน แต่ก่อนอื่นเราลองมาทำความรู้จักระบบทำความเย็นที่ใช้กันทั่วไปในเครื่องปรับอากาศและตู้เย็นกันก่อนดีไหมครับ พิจารณารูปที่ ๑ ข้างล่างตามไปด้วยก็แล้วกัน
  
เริ่มจากทางด้านขวาของรูปที่เป็นตัวคอมเพรสเซอร์ (compressor) ตัวคอมเพรสเซอร์นี้จะรับพลังงานเข้ามา (ปรกติก็คือพลังงานไฟฟ้า) อัดไอสารทำความเย็นที่มีความดันต่ำ ให้กลายเป็นไอสารทำความเย็นที่มีความดันสูงและมีอุณหภูมิสูงขึ้น (พลังงานที่คอมเพรสเซอร์รับเข้ามา ส่วนหนึ่งก็ถูกเปลี่ยนไปเป็นความดันและอุณหภูมิของตัวสารทำความเย็นที่เพิ่มขึ้น) จากนั้นไอสารทำความเย็นที่มีความดันสูงและอุณหภูมิสูง จะไหลไปยังเครื่องควบแน่นหรือแผงระบายความร้อน ไอสารทำความเย็นจะระบายความร้อนสู่สารที่มารับความร้อน (สำหรับตู้เย็นหรือเครื่องปรับอากาศขนาดเล็กก็คืออากาศ แต่ถ้าเป็นเครื่องปรับอากาศขนาดใหญ่มักจะเป็นน้ำระบายความร้อน) กลายเป็นสารทำความเย็นที่เป็นของเหลวที่มีความดันสูง
รูปที่ ๑ แผนผังระบบทำความเย็น ที่ใช้การเปลี่ยนแปลงเฟสของสารทำความเย็น
  
จากนั้นสารทำความเย็นที่เป็นของเหลวที่ความดันสูงจะไหลต่อผ่านวาล์วลดความดันหรือท่อแคปปิลารี (ถ้าเป็นโรงงานขนาดใหญ่จะใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า expander หรือเครื่องกังหันเพื่อดึงเอาพลังงานกลับไปใช้ใหม่) ทำให้ความดันและอุณหภูมิของสารทำความเย็นนี้ลดลง
  
สารทำความเย็นที่เป็นของเหลวและมีอุณหภูมิต่ำนี้จะไหลต่อไปยังคอยล์เย็น (ในกรณีของเครื่องปรับอากาศคอยล์ก็คือตัวที่ติดตั้งอยู่ในห้อง ในกรณีของตู้เย็นคอยล์เย็นก็คือตัวช่องทำน้ำแข็ง) ที่คอยล์เย็นนี้สารทำความเย็นจะรับความร้อนจากอากาศที่อยู่ข้างนอกคอลย์เย็น (ในกรณีของเครื่องปรับอากาศก็คืออากาศที่พัดลมพัดให้ไหลผ่าน ในกรณีของตู้เย็นก็คืออากาศที่อยู่ในช่องทำน้ำแข็งนั่นเอง) ทำให้อากาศภายนอกคอยล์เย็นมีอุณหภูมิลดลง ส่วนตัวสารทำความเย็นเองจะระเหยกลายเป็นไอ และไหลต่อไปยังด้านขาเข้าของเครื่องคอมเพรสเซอร์ก่อนที่จะถูกอัดให้มีความดันสูงขึ้นมาใหม่

ทีนี้เราลองมาพิจารณากรณีของเครื่องปรับอากาศดูบ้าง (รูปที่ ๒) ดูเหมือนว่าเครื่องปรับอากาศเกือบทั้งหมดที่ใช้กันในปัจจุบันจะเป็นแบบแยกส่วนหมดแล้ว (แต่ก่อนจะมีแบบติดหน้าต่าง รูปทรงเป็นกล่องสีเหลี่ยมขนาดวงกบหน้าต่าง แต่เดี๋ยวนี้ไม่เห็นแล้ว) คือประกอบด้วยชุดคอยล์เย็นที่ติดตั้งอยู่ในห้องที่ต้องการทำความเย็น (ที่มีลมเย็นพ่นออกมานั่นแหละ ที่อาจติดห้อยอยู่กับเพดานหรือข้างผนัง หรือไม่ก็ตั้งอยู่กับพื้น) และชุดคอยล์ร้อยที่ติดตั้งอยู่ภายนอกห้องที่ต้องการทำความเย็นหรือภายนอกอาคาร ชุดคอยล์ร้อนก็คือตัวที่มีทั้งคอมเพรสเซอร์และพัดลมเป่าอากาศผ่านคอยล์ร้อน
  
กรอบเส้นประสี่เหลี่ยมสีน้ำตาลคือเขตตัวห้อง พึงสังเกตนะครับ มีการดึงเอาความร้อนออกจากภายในตัวห้อง (ที่คอยล์เย็น) และไปปล่อยทิ้งนอกต้วห้อง(ที่คอยล์ร้อน) ดังนั้นระดับพลังงานในห้องจะลดลง ทำให้อากาศในห้องเย็นลง จนกว่าจะถึงอุณหภูมิที่ตั้งเอาไว้ หรือจนกว่าอัตราการไหลของความร้อนเข้ามาในห้องร่วมกับอัตราการเกิดความร้อน (เช่นจากตัวคน) จะเท่ากับความสามารถของคอยล์เย็น

รูปที่ ๒ แผนผังตำแหน่งที่ตั้งอุปกรณ์ต่าง ๆ ของระบบปรับอากาศ
  
ทีนี้ถ้าเราลองมาพิจารณากรณีของตู้เย็นดูบ้าง (รูปที่ ๓) เริ่มจากกรณีที่ย้งปิดประตูตู้เย็นอยู่ ตัวตู้เย็นนั้นทั้งชุดคอยล์เย็นและคอยล์ร้อนอยู่รวมเป็นชุดเดียวกันกับตัวตู้ ดังนั้นพอเราเอาตู้เย็นเข้าไปตั้งในห้อง ตัวคอยล์ร้อนก็จะตามเข้าไปอยู่ในห้องด้วย คอยล์เย็นจะดึงเอาความร้อนออกจากอากาศที่อยู่ภายในตู้เย็น และระบายความร้อนออกทางคอยล์ร้อนที่อยู่ทางด้านหลังตู้เย็น (รุ่นเก่าจะเห็นชัดว่าเป็นแผงตะแกรงท่อเหล็ก แต่รุ่นใหม่เขาจะออกแบบซ่อนเอาไว้ทำให้เห็นผนังด้านหลังเรียบ) ดังนั้นความร้อนที่ระบายออกมาก็ระบายออกสู่อากาศที่อยู่ในห้อง ดังนั้นถ้าห้องที่ตั้งตู้เย็นนั้นไม่มีการระบายอากาศที่ดี ก็จะทำให้อากาศในห้องร้อนขึ้น (อันที่จริงการวางตู้เย็นเขาจะระบุว่าอย่าวางติดผนัง ให้เว้นที่ว่างไว้ เพื่อให้มีอากาศไหลเวียนหลังตู้ได้ จะได้ระบายความร้อนออกจากคอยล์ร้อนได้สะดวก)
  
แต่สำหรับบ้านทั่ว ๆ ไปนั้นไม่ค่อยจะรู้สึกเท่าใด เพราะปริมาตรอากาศในตัวตู้เย็นมันน้อย และตู้เย็นก็มีฉนวนความร้อนที่ดี ถ้าไม่มีการเปิดตู้เย็นบ่อยครั้ง ตู้เย็นมันก็จะทำงานเป็นพัก ๆ พอระดับความเย็นได้ที่ มันก็จะหยุดการทำงาน จนกว่าอุณหภูมิในตู้จะสูงเกินค่าที่ตั้งไว้ แล้วจึงค่อยทำงานใหม่

รูปที่ ๓ แผนผังการตั้งตู้เย็นไว้ในห้อง ภายในกรอบเส้นประสีน้ำเงินคือภายในตัวตู้เย็น ภายในกรอบเส้นประสีน้ำตาลคือภายในตัวห้อง

ทีนี้มาลองพิจารณาว่าถ้าเราเปิดประตูตู้เย็นทิ้งเอาไว้จะเกิดอะไรขึ้น อากาศที่คอยล์เย็นดึงเอาความร้อนออกก็คืออากาศที่อยู่ในห้องนั่นเอง และอากาศที่คอยล์ร้อนระบายความร้อนออกก็คืออากาศที่อยู่ในห้องนั่นเอง แต่ความร้อนที่คอยล์ร้อนระบายออกสู่อากาศภายในห้องนั้นมัน "มากกว่า" ความร้อนที่คอยล์เย็นดึงออกมาจากอากาศภายในห้อง (ความร้อนที่คอยล์ร้อนระบายออกมาประกอบด้วย ความร้อนที่ดึงออกมาจากอากาศภายในห้องที่คอยล์เย็น และความร้อนที่เกิดจากการอัดสารทำความเย็นที่ตัวคอมเพรสเซอร์) ดังนั้นอากาศภายในห้องนั้นจะ "ร้อนขึ้น"
  
สำหรับวิศวกรจบใหม่ในปัจจุบัน ผมว่าความยากของคำถามนี้มันไม่ได้อยู่ตรงที่ทฤษฎีเทอร์โมไดนานิกส์หรอก แต่มันไปอยู่ตรงที่รู้จักกันหรือเปล่าว่าเครื่องปรับอากาศหรือตู้เย็นนั้นประกอบด้วยชิ้นส่วนใดบ้าง ที่ทำหน้าที่อะไร และมันอยู่ตรงไหน นั่นแหละ

ปิดท้ายก็ไม่มีอะไร เห็นหน้ากระดาษมันว่างอยู่ ก็เลยขอเอารูปบรรยากาศการสอบของนิสิตปี ๒ เมื่อบ่ายวันนี้มาให้ชมกันก็แล้วกันครับ

วันจันทร์ที่ 28 กันยายน พ.ศ. 2558

อะเซทิลีน กลีเซอรีน และไทออล MO Memoir : Monday 28 September 2558

ไม่บ่อยครั้งนักที่จะได้เห็นการวิจัยค้นหาตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยา "ลดต่ำลง" กว่าของเดิม

ในยุคสมัยที่ถ่านหินยังเป็นแหล่งวัตถุดิบสำหรับสำหรับสารประกอบไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวโมเลกุลเล็กและอะโรมาติก สารประกอบไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวโมเลกุลเล็กตัวหนึ่งที่ได้รับความสนใจอย่างแพร่หลายว่าจะเอาไปใช้ประโยชน์ใดได้บ้างเห็นจะได้แก่อะเซทิลีน (Acelylene C2H2
   
พันธะสาม (triple bond) ระหว่างอะตอมคาร์บอนนั้น มีความสามารถในการทำปฏิกิริยาต่าง ๆ คล้ายคลึงกับพันธะคู่ (double bond) ระหว่างอะตอมคาร์บอน แม้ว่าในบางกรณีจะมีความแตกต่างกันอยู่บ้าง ปฏิกิริยาหนึ่งที่สามารถเกิดได้คือ Electrophilic addition ทั้งนี้เพราะบริเวณพันธะสามนั้นมีอิเล็กตรอนอยู่หนาแน่น จึงเป็นตำแหน่งดึงดูดให้สารที่ต้องการอิเล็กตรอนเข้ามาทำปฏิกิริยา
  
และปฏิกิริยาหนึ่งที่จะยกมาเล่าในวันนี้คือปฏิกิริยาระหว่าง C2H2 กับ arsenic trichloride (AsCl3)
 
รูปที่ ๑ ปฏิกิริยาระหว่าง C2H2 กับ arsenic trichloride (AsCl3) ได้ Chlorovinyldichloroarsine (L-1)

ปฏิกิริยานี้ถูกค้นพบโดยบังเอิญในปีค.ศ. ๑๙๐๔ โดยผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ Chlorovinyldichloroarsine (รูปที่ ๑) ที่เป็นสารที่ระเหยกลายเป็นไอได้ง่าย แต่มีพิษที่รุนแรง (เรียกว่าคนค้นพบโดยบังเอิญต้องเข้านอนโรงพยาบาลไปหลายวัน) และอันที่จริง AsCl3 ยังสามารถทำปฏิกิริยากับ C2H2 ได้ต่อไปได้ถึง 3 โมเลกุล (รูปที่ ๒)

รูปที่ ๒ Dichlorovinylchloroarsine (L-2) และ Trichlorovinylarsine (L-3) ที่เกิดจากการทำปฏิกิริยาระหว่าง AsCl3 กับโมเลกุล C2H2 จำนวน 2 และ 3 โมเลกุลตามลำดับ
  
ต่อมาในช่วงสงครามโลกครั้งที่ ๑ ก็ได้มีการปัดฝุ่นหาวิธีการผลิตสารนี้ในปริมาณมากกันใหม่เพื่อใช้เป็นอาวุธเคมี (อยู่ในกลุ่ม Vesicant หรือ Blister agent ที่ทำให้ผิวหนังไหม้เป็นแผลพุพองเช่นเดียวกับแก๊สมัสตาร์ด แต่ตัวนี้ยังมี As เข้าไปทำลายการทำงานของระบบประสาทด้วย) จนประสบความสำเร็จในปีค.ศ. ๑๙๑๘ ภายใต้ชื่อ Lewisite หรือ L-1 (เอาชื่อผู้คิดค้นกระบวนการคือ Lewis มาตั้งเป็นชื่อสาร แต่เป็นคนละคนกับคนที่นำเสนอทฤษฎีกรด-เบสนะ) แต่ก็ไม่ได้ถูกนำมาใช้งาน เพราะสงครามจบเสียก่อน คือผลิตในอเมริกา แต่พอขนมาถึงยุโรป สงครามก็สิ้นสุดพอดี เขาก็เลยเอาไปทิ้งทะเล (เรื่องปรกติที่ประเทศมหาอำนาจเขาทำกันเวลาที่ไม่รู้ว่าจะจัดการกับสารพิษอย่างไร) ใครสนใจก็ไปอ่านเรื่องราวต่าง ๆ เพิ่มเติมได้ที่ https://en.wikipedia.org/wiki/Lewisite หรือไม่ก็ที่ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK201338/
  
อันที่จริง Chlorovinyldichloroarsine นี้มีสองไอโซเมอร์ ขึ้นอยู่กับว่าตำแหน่งอะตอม Cl นั้นอยู่ฟากเดียวกัน (cis - isomer) หรืออยู่คนละฟาก (trans - isomer) กับหมู่ AsCl2 แต่เมื่ออยู่ในรูปสารละลายในน้ำ ตัว cis - isomer สามารถเกิดปฏิกิริยา photoconversion ไปเป็น trans - isomer ได้ อันที่จริงการเรียกไอโซเมอร์แบบ cis หรือ trans นั้นมันใช้กับไฮโดรคาร์บอนเป็นหลัก แต่สงสัยว่าสมัยนั้นยังไม่มีการกำหนดการเรียกแบบ E-Z notation ที่ครอบคลุมหมู่อื่นที่ไม่ใช่ไฮโดรคาร์บอน ก็เลยอนุโลมใช้การเรียกชื่อแบบนี้ไปก่อน
  
รูปที่ ๓ สิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาวิธีการผลิต Lewisite
  
ปฏิกิริยาระหว่าง C2H2 กับ AsCl3 ไม่ได้เกิดได้ง่าย จำเป็นต้องมีตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นกรดช่วย และตัวเร่งปฏิกิริยาในยุคแรกที่ใช้กันก็คือ AlCl3 แต่มีความว่องไวสูงเกินไป AlCl3 ทำให้เกิดปฏิกิริยาข้างเคียงและผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ที่ไม่ต้องการ อันที่จริงแม้ว่า Dichlorovinylchloroarsine (L-2) และ Trichlorovinylarsine (L-3) จะมีความเป็นพิษที่ร้ายแรงเช่นเดียวกันกับ Chlorovinyldichloroarsine (L-1) แต่สารสองตัวนี้มีจุดเดือดสูง ระเหยกลายเป็นไอได้น้อย จึงไม่ค่อยเป็นที่ต้องการสำหรับการนำไปใช้เป็นอาวุธ (เขาต้องการสารที่กลายเป็นไอได้ง่าย) ด้วยเหตุนี้จึงมีการวิจัยหาตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม (คือมีความว่องไวน้อยกว่า AlCl3 แต่ต้องไม่ต่ำมากเกินไป) และในที่สุดก็ประสบความสำเร็จโดยได้นำไปจดสิทธิบัตรในประเทศสหรัฐอเมริกา (เลขที่ 2,466,834) ในปีค.ศ. ๑๙๔๙ (รูปที่ ๓) ถ้าอยากรู้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่ค้นพบใหม่นั้นคือสารใดก็ลองตามอ่านได้จากสิทธิบัตรดังกล่าวเอาเอง (ค้น google ดูก็ได้)
  
สิทธิบัตรแบบนี้แปลกดีตรงที่มีการระบุเอาไว้อย่างชัดเจนตอนเริ่มเรื่องโดยว่ารัฐบาลสามารถนำไปใช้ได้โดยไม่ต้องจ่ายเงินค่าลิขสิทธิ์ แต่จะว่าไปแล้วถ้าตอนนั้นมีคนขอซื้อเขาจะยอมขายเหรอ แต่ถ้าถึงตอนนี้คงไม่มีปัญหาเรื่องการซื้อขายแล้วมั้ง เพราะสิทธิบัตรหมดอายุไปตั้งนานแล้ว

กำมะถัน (S) เป็นธาตุที่อยู่ในหมู่เดียวกับออกซิเจน (O) และสารอินทรีย์ที่มีกำมะถันเป็นองค์ประกอบที่ปรากฏอยู่ตามธรรมชาติก็มีอยู่ไม่น้อย แต่ก็แปลกที่เคมีเกี่ยวกับหมู่ฟังก์ชันที่มีกำมะถันเป็นองค์ประกอบมักไม่ค่อยปรากฏในตำราเคมีอินทรีย์ มีพอแทรกอยู่บ้างเล็กน้อยเช่นในบทแอลกอฮอล์ -OH ก็มีการกล่าวถึงหมู่ไทออล (thiol) หรือ -SH บ้าง
  
ในตำราเคมีอินทรีย์จะบอกไว้ว่าเราสามารถเปลี่ยนหมู่ -OH ให้กลายเป็นหมู่ -SH ได้ด้วยการนำแอลกอฮอล์มาทำปฏิกิริยากับ H2S ในภาวะที่มีกรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา อ่านแล้วก็คงรู้สึกว่าคงไม่ยากอะไร แต่ในความเป็นจริงนั้นในภาวะที่มีกรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา แอลกอฮอล์เองก็เกิดปฏิกิริยาอื่นได้เช่นกันไม่ว่าจะเป็น dehydration ในโมเลกุลของมันเองทำให้เกิดเป็นพันธะคู่ หรือระหว่างโมเลกุลของแอลกอฮอล์สองโมเลกุลกลายเป็นสารประกอบอีเทอร์ และเรื่องมันคงจะวุ่นขึ้นไปอีกถ้าหากแอลกอฮอล์ที่เป็นสารตั้งต้นนั้นมีหมู่ -OH มากกว่าหนึ่งหมู่ แถมยังอยู่ในตำแหน่งที่ใกล้กันอีกเช่นในกรณีของกลีเซอรีน (glycerine หรือบางทีก็เรียกว่ากลีเซอรอล glycerol)
  
หมู่ -SH มีความเป็นกรดที่แรงกว่าหมู่ -OH ดังนั้น R-SH จึงแตกตัวเป็น R-S- ได้ดีกว่า R-OH และในกรณีที่โมเลกุลนั้นมีหมู่ฟังก์ชัน R-S- จำนวนหลายหมู่ และหมู่นี้อยู่ใกล้กันหรือโมเลกุลสามารถบิดตัวจนหมู่นี้มาอยู่ใกล้กันได้ จึงทำให้สารประกอบเช่นนี้สามารถเกิดเป็นสารประกอบเชิงซ้อน (complex) ที่มีเสถียรภาพกับไอออนของโลหะได้ ตัวอย่างหนึ่งของสารนี้ที่พบเห็นและมีใช้กันทั่วไปในห้องปฏิบัติการคือ Ethylene diamine tetraacetic acid หรือ EDTA ที่ใช้ในการไทเทรตหาความกระด้างของน้ำ
  
ปัจจุบันเรามีกลีเซอรึน (glycerine) เป็นจำนวนมากที่เป็นผลพลอยได้จากการผลิตเมทิลเอสเทอร์จากน้ำมันปาล์ม มีความพยายามหลากหลายที่จะนำเอากลีเซอรีนที่ได้นี้ไปเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าเพิ่มสูงขึ้น (แต่คงยากอยู่เหมือนกัน เพราะกลีเซอรีนที่ได้จากกระบวนการผลิตเมทิลเอสเทอร์มีความบริสุทธิ์ไม่สูงนัก) สารประกอบตัวหนึ่งที่มีโครงสร้างโมเลกุลคล้ายคลึงกับกลีเซอรีนคือ 2,3-dimercaptopropanol โดยที่หมู่ -OH ที่ปลายข้างหนึ่งและที่อยู่ตรงกลายสายโซ่ถูกแทนที่ด้วยหมู่ -SH (รูปที่ ๔)
 
รูปที่ ๔ กลีเซอรีน (ซ้าย) ประกอบด้วยหมู่ -OH 3 หมู่ด้วยกัน ในขณะที่ Dimercaprol ที่มีโครงสร้างโมเลกุลคล้ายคลึงกับกลีเซอรีนนั้นหมู่ -OH ที่ปลายข้างหนึ่งและที่อยู่ตรงกลายสายโซ่ถูกแทนที่ด้วยหมู่ -SH
  
2,3-dimercaptopropanol นี้มีชื่อเรียกอื่นที่เป็นที่รู้จักกันมากกว่าคือ "Dimercaprol" หรือ "British Anti Lewisite" ที่ย่อว่า BAL สารตัวนี้ได้รับการพัฒนาขึ้นมาในประเทศอังกฤษเพื่อใช้รักษาผู้ได้รับสาร Lewisite จนทำให้มีการถอน Lewisite จากคลังอาวุธเคมี คงเป็นเพราะถ้ามันมียาแก้ก็ไม่รู้เหมือนกันว่าจะเก็บสารพิษนั้นเอาไว้ทำไม
  
ยา Dimercaprol ที่เป็นตัวที่ทำให้อาวุธเคมี Lewisite นั้นตกรุ่นไปมีการจดสิทธิบัตรวิธีการผลิตในประเทศสหรัฐอเมริกาเอาไว้ตั้งแต่ปีค.ศ. ๑๙๔๖ (รูปที่ ๕) หรือก่อนที่จะมีการจดสิทธิบัตรวิธีการผลิต Lewisite ถึง ๓ ปี ซึ่งก็นับว่าแปลกดีเหมือนกัน แต่ Dimercaprol ก็ยังคงมีการผลิตและใช้งานมาจวบจนถึงทุกวันนี้ โดยใช้เป็นยาในการรักษาอาการที่เกิดจากการได้รับโลหะหนักบางชนิดสะสมในร่างกายมากเกินไป โดยตัวหมู่ -SH ทั้งสองหมู่นั้นจะไปจับกับไอออนบวกของโลหะกลายเป็นสารประกอบเชิงซ้อนที่ละลายน้ำได้ทำให้สามารถขับออกจากร่างกายได้
  
รูปที่ ๕ สิทธิบัตรการสังเคราะห์ Dimercaprol

อุตสาหกรรมหนึ่งที่มีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิดกับการผลิตอาวุธเคมีคืออุตสาหกรรมผลิตยาปราบศัตรูพืช โดยเฉพาะยาฆ่าแมลง เพียงแต่ตัวไหนมีความเป็นพิษที่สูงมากจนไม่เหมาะที่จะให้คนทั่วไปใช้งานได้ก็นำไปใช้เป็นอาวุธเคมี ตัวไหนมีความเป็นพิษไม่แรงมากนัก สลายตัวได้ง่าย ก็ถูกนำมาจำหน่ายเป็นยาปราบศัตรูพืช ปฏิกิริยาเคมีการผลิตและการทำให้บริสุทธิ์นั้นอาจดูเรียบง่าย แต่การป้องกันไม่ให้เกิดการรั่วไหลและการจัดการกับผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นไม่ใช่เรื่องง่าย เรียกว่าผู้ปฏิบัติงานผลิตสารก็มีความเสี่ยงสูงอยู่ในตัวเช่นกัน ที่นำเรื่องนี้มาเล่าก็เพราะเห็นว่าแปลกดีที่มีการจดสิทธิบัตรสารที่ไม่มีการนำไปใช้ประโยชน์ในทางสร้างสรรใด ๆ เว้นแต่เพื่อใช้เป็นอาวุธเพื่อทำลายล้างมนุษย์ด้วยกัน

วันอาทิตย์ที่ 27 กันยายน พ.ศ. 2558

โน๊ตเพลง "ใกล้รุ่ง" และ "อาทิตย์อับแสง" MO Memoir : Sunday 27 September 2558

กระดาษโน๊ตเพลงสองแผ่นนี้เป็นโน๊ตเพลงสมัยเรียนตอนป. ๕ หรือเมื่อ ๔๐ ปีที่แล้ว ตอนนั้นดูเหมือนจะเรียนวิชาขับร้องและอ่านโน๊ตดนตรี ตอนเรียนก็เขียนชื่อโน๊ตเอาไว้ แต่พอจะเอามาอ่านทบทวนเพื่อการสอบก็เลยเอาปากการะบายชื่อโน๊ตที่เขียนเอาไว้ เพื่อจะเอามาใช้ทำเป็นแบบฝึกหัดอ่านใหม่ สุดสัปดาห์พอจะมีเวลาว่างบ้างก็เลยหยิบมันขึ้นมาปัดฝุ่นเขียนใหม่อีกครั้ง โดยยังใช้โปรแกรม MuseScore เช่นเดิม
  
ครั้งนี้เลือกเอาโน๊ตเพลงพระราชนิพนธ์ ๒ บทเพลงมาเขียนใหม่คือเพลง "ใกล้รุ่ง" และ "อาทิตย์อับแสง" เนื้อเพลงทั้งสองบทเพลงช่างขัดกันเหลือเกิน "ใกล้รุ่ง" เป็นเสมือนบทเพลงแห่งความสุขใจ ในขณะที่ "อาทิตย์อับแสง" เป็นบทเพลงแห่งความทุกข์ใจ ทั้งสองบทเพลงที่เลือกมานี้มีการแปลงเสียงโน๊ตให้เปลี่ยนไปครึ่งเสียงอยู่หลายตำแหน่งเหมือนกัน (ผมพิมพ์โน๊ตใหม่ตามต้นฉบับที่มี ไม่ได้แก้ไขอะไร)
  
ถ้าจำไม่ผิดดูเหมือนว่ามหาบัณฑิตคนเดียวของกลุ่มวิจัยของเราที่จะเข้ารับพระราชทานปริญญาบัตรในอีก ๒ สัปดาห์ข้างหน้าจะชอบเพลง "อาทิตย์อับแสง" อยู่เหมือนกัน (แต่ถ้าผมจำผิดก็แล้วกันไปนะ) ก็เลยถือโอกาสจัดเพลงนี้ให้เป็นของขวัญสำหรับการรับปริญญา 
   
ไม่รู้เหมือนกันว่าทำไมสาวสวยหุ่นดีถึงได้อาภัพรักเป็นประจำ หรือว่าชาติที่แล้วเที่ยวไปหักอกใครต่อใครเอาไว้มาก ชาตินี้ก็เลยต้องชดใช้กรรม (แต่ผมว่าน่าจะเป็นเพราะกำหนดสเป็คไว้สูงมากเกินไปต่างหาก)
  


วันเสาร์ที่ 26 กันยายน พ.ศ. 2558

การคำนวณเชิงตัวเลข (๑๕) ตัวอย่างการแก้ปัญหา สมการพีชคณิตไม่เชิงเส้นด้วยระเบียบวิธี successive iteration MO Memoir : Saturday 26 September 2558

ระเบียบวิธีทำซ้ำแบบสืบเนื่องหรือ successive iteration method เป็นวิธีหนึ่งสำหรับการหาคำตอบของสมการพีชคณิตไม่เชิงเส้น (nonlinear algebraic equation) ตามวิธีการนี้ เราจะจัดสมการให้อยู่ในรูปของ x = f(x) ก่อน จากนั้นทำการเดาค่า x เริ่มต้น (xtry) ก่อนแล้วแทนค่า xtry นี้ลงในฟังก์ชันเพื่อคำนวณค่า f(xtry) = xcal ถ้าพบว่าค่า xcal ที่คำนวณได้นั้นไม่เท่ากับค่า xtry ที่เดาไว้ ก็ให้ทำการคำนวณใหม่โดยใช้ค่า xcal ที่ได้นั้นมาเป็นค่า xtry แทนลงในฟังก์ชัน f(x)
  






Memoir นี้แสดงตัวอย่างปัญหาที่อาจเกิดขึ้นในการแก้ปัญหาสมการพีชคณิตไม่เชิงเส้น เพื่อต้องการแสดงให้เห็นว่าคำตอบที่ได้นั้นขึ้นอยู่กับวิธีการที่เลือกใช้และจุดเริ่มต้นที่ใช้ในการคำนวณ ประเด็นที่น่าตั้งคำถามคือในยุคปัจจุบันที่ต่างหันไปใช้โปรแกรมสำเร็จรูปในการหาคำตอบโดยที่ผู้ใช้รู้แต่เพียงแค่วิธีการป้อนโจทย์ให้กับโปรแกรมเท่านั้น และแทบจะไม่รู้เลยว่าโปรแกรมสำเร็จรูปนั้นหาคำตอบโดยวิธีใด คำตอบที่โปรแกรมสำเร็จรูปให้มานั้นเป็นคำตอบที่เป็นไปได้ทั้งหมดของสมการดังกล่าวหรือไม่ หรือเป็นเพียงแค่ส่วนหนึ่งของคำตอบที่เป็นไปได้ และถ้าเริ่มต้นการคำนวณด้วยจุดเริ่มต้นต่าง ๆ กัน (ใครเป็นคนกำหนดจุดเริ่มต้นในการคำนวณให้กับโปรแกรม และจุดเริ่มต้นที่เลือกมานั้นเหมาะสมหรือไม่) จะได้คำตอบที่แตกต่างไปหรือไม่

สุดท้ายนี้เนื่องในโอกาสที่วันนี้เป็นวันซ้อมใหญ่พิธีพระราชทานปริญญาบัตรของบัณฑิต มหาบัณฑิต และดุษฏีบัณฑิต คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ก็ขอแสดงความยินดีกับบัณฑิตทุกท่านที่ได้ฝ่าฟันปัญหาต่าง ๆ มาจนมีวันนี้ได้ แล้วค่อยพบกันวันงานจริงนะครับ :) :) :)

วันศุกร์ที่ 25 กันยายน พ.ศ. 2558

วิศวกรรมเคมี ใช่ว่าภาคนี้ไม่มีตำนาน (๒) MO Memoir : Friday 25 September 2558

ผมเรียนจบกลับมาทำงานเมื่อปี ๒๕๓๗ ก็ได้ห้องทำงานอยู่ที่ชั้นบนสุดคือชั้น ๔ ของตึกนี้ ช่วงนั้นกรุงเทพรถติดมาก เพราะมีการก่อสร้างรถไฟลอยฟ้าสายแรก แถมบางวันมีสอนหนังสือภาคนอกเวลาราชการ กว่าจะเลิกเรียนกันก็ร่วมสามทุ่มครึ่ง แถมวันรุ่งขึ้นยังมีสอนตอนแปดโมงเช้าอีก ยังดีที่ห้องน้ำของอาคารมีห้องอาบน้ำให้ใช้ ช่วงนั้นก็เรียกว่าใช้ห้องทำงานเป็นห้องนอน และถือโอกาสฝึกใช้เครื่องมือวิเคราะห์ต่าง ๆ ไปด้วยในตัว
  
แม้ว่าห้องที่ใช้นอนจะอยู่ออกมาอีกทางด้านหนึ่งของอาคาร แยกออกมาจากด้านที่นิสิตที่ทำงานค้างคืนกันใช้เป็นที่พักนอน แม้ว่าตึกนี้จะมีเรื่องเล่า แม้ว่าตึกนี้จะมีตำนาน แต่ก็ไม่เคยเจออะไรกับตัวเอง


ภาควิชาย้ายออกจากตึกนี้เมื่อปี ๒๕๔๐ โดยยังคงห้องแลปไว้ที่ชั้น ๓ ส่วนชั้น ๔ ก็ยกพื้นที่ให้ภาควิชาอื่นไปใช้งาน ผมเองก็เลยต้องย้ายห้องทำงานไปยังตึกใหม่ด้วย

แต่ ใช่ว่าตึกนี้ไม่มีเรื่องเล่า ใช่ว่าภาคนี้ไม่มีตำนาน

เมื่อวานซืนระหว่างสอนแลป คุณหนุ่มเพื่อนร่วมงานแอบมากระซิบพร้อมกับเอารูปที่ถ่ายเอาไว้เมื่อช่วงเช้ามาให้ดู (รูปข้างล่าง) พร้อมกับบอกว่า สงสัยว่าคนอยู่ข้างบนคงโดนอะไรเข้าไปบ้างแล้ว ผมก็เลยแอบแวะไปดูบ้าง ก็พบแต่ขวดน้ำและกระถางธูปวางเอาไว้ ส่วนจานข้าวที่ปรากฏในรูปที่ถ่ายไว้ช่วงเช้าหายไปแล้ว สถานที่ที่ถ่ายรูปคือบันไดด้านข้างอาคารด้านทิศตะวันตก ระหว่างชั้น ๓ และชั้น ๔ เห็นเหตุการณ์นี้ทำให้นึกถึงเรื่องที่เคยเกิดขึ้นกับนิสิตที่ตัวเองเป็นที่ปรึกษา เมื่อครั้งยังทำงานอยู่ที่ตึกนี้ได้ ส่วนเหตุการณ์ที่เกิดคืออะไรนั้นได้เล่าไว้แล้วใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๓๐ วันอังคารที่ ๙ มีนาคม ๒๕๕๓ เรื่อง "เหตุเกิดตอนทำแลปกลางคืน"


ส่วนสาเหตุที่แท้จริงคืออะไรนั้น ผมก็ไม่รู้เหมือนกัน คงได้แต่รอฟังเรื่องราวกันต่อไป :) :) :)

วันเสาร์ที่ 19 กันยายน พ.ศ. 2558

Electrophilic addition ของอัลคีน (๒) MO Memoir : Saturday 19 September 2558

ตำแหน่งพันธะคู่ระหว่างอะตอมคาร์บอน (พันธะ C=C) นั้นเป็นบริเวณที่มีอิเล็กตรอนอยู่หนาแน่น การเกิดปฏิกิริยาตรงตำแหน่งนี้จึงเริ่มจากสารที่ขาดอิเล็กตรอนหรือมีความเป็นขั้วบวก (ที่เรียกว่า electrophile ที่แปลว่าชอบอิเล็กตรอน) เข้ามาดึง pi อิเล็กตรอนและสร้างพันธะกับอะตอม C อะตอมหนึ่งของพันธะ C=C ส่วนจะสร้างกับอะตอม C ตัวไหนก็ขึ้นอยู่กับว่าสารมัธยันต์ (intermediate) ที่อาจเป็น free radical หรือ carbocation ที่เกิดขึ้นนั้นตัวไหนมีเสถียรภาพมากกว่ากัน จากนั้นสารมัธยันต์ที่เกิดขึ้นจึงทำปฏิกิริยาต่อไปเป็นผลิตภัณฑ์ ปฏิกิริยานี้เรียกว่า Electrophilic addtion (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ใน Memoir ปีที่ ๖ ฉบับที่ ๗๔๗ วันจันทร์ที่ ๑๐ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๗ เรื่อง "Electrophilicaddition ของอัลคีน")
  
electrophile ที่นิยมยกมาเป็นตัวอย่างในตำราเรียนเห็นจะได้แก่พวกไฮโดรฮาโลเจน (hydro halogen หรือ HX) และโมเลกุลที่มีขั้ว (เช่นน้ำ H2O) โดยในกรณีต่าง ๆ เหล่านี้จะเริ่มจากการที่โปรตอน (H+) เข้าทำปฏิกิริยากับพันธะ C=C ก่อนเกิดเป็น carbocation ที่เป็นสารมัธยันต์ จากนั้น carbocation จึงทำปฏิกิริยากับส่วนที่เหลือที่เป็นไอออนลบอีกที
  
ซัลเฟอร์ไดคลอไรด์ (sulphur dichloride : Cl-S-Cl) และซัลเฟอร์คลอไรด์ (sulphur chloride : Cl-S-S-Cl) ก็เป็น electrophile ตัวหนึ่งที่สามารถทำปฏิกิริยากับพันธะ (C=C) ได้ โดยอะตอม Cl ที่มีค่า electronegativity สูงกว่าอะตอม S ทำให้อะตอม S มีความเป็นขั้วบวกจนสามารถเข้าไปสร้างพันธะกับ pi อิเล็กตรอนของพันธะ C=C ได้ ปฏิกิริยาระหว่างสารสองตัวนี้กับโอเลฟินส์ (olefin) หรือไดโอเลฟินส์ (diolefin) ใช้ในการผลิตสารหล่อลื่น (lubricant) พวก extreme pressure lubricant (สารหล่อลื่นพื้นผิวที่รับความดันสูง เช่น รองลื่น (bearing) เกียร์ ของเหลวที่ใช้หล่อเลี้ยงในการตัดหรือกลึงโลหะ (cutting fluind) เป็นต้น - รูปที่ ๑) กระบวนการผลิตสารทั้งสองตัวนี้ได้รับการคิดค้นและจดสิทธิบัตรเอาไว้ตั้งแต่ช่วงต้นศตวรรษที่ ๒๐ หรือก่อนสงครามโลกครั้งที่ ๑ จะเกิดขึ้นเสียอีก (รูปที่ ๒)

อย่างไรก็ตามสารทั้งสองตัวนี้เป็นสารที่ได้รับการควบคุมการส่งออก เพราะได้รับการจัดอยู่ใน Australia Group Common Control List Handbook Volume I : Chemical Weapons-related Common Control Lists ในฐานะที่เป็นสารตั้งต้นที่ใช้ในการผลิตอาวุธเคมีจำพวก Vesicant (หรือ Blister agent) ที่ก่อให้เกิดพิษต่อเซลล์ที่สัมผัส (ที่อาจเป็นเซลล์ผิวหนังหรือของระบบทางเดินหายใจ) ในตระกูลที่มีชื่อว่า "ซัลเฟอร์มัสตาร์ด - Sulphur mustard" และสารตัวแรกที่มีการนำมาใช้ในการสงครามคือบิส(คลอโรเอทิล)ไธโออีเทอร์ (bis(chloethyl)thioether : Cl-CH2-CH2-S-CH2-CH2-Cl) ที่มีกลิ่นคล้ายมัสตาร์ด และเป็นที่มีของชื่อแก๊สมัสตาร์ด (Mustard gas) (เรื่องของไนโตรเจนมัสตาร์ดอ่านได้ใน Memoir ปีที่ ๗ ฉบับที่ ๘๗๗ วันพฤหัสบดีที่ ๒๓ ตุลาคม ๒๕๕๗ เรื่อง "ไตรเอทานอลเอมีน(Triethanolamine)")
  
บิส(คลอโรเอทิล)ไธโออีเทอร์เตรียมได้จากปฏิกิริยาระหว่างเอทิลีน (ethylene H2C=CH2) กับซัลเฟอร์ไดคลอไรด์ (หรือซัลเฟอร์คลอไรด์) โดยปฏิกิริยาจะเกิดเป็นสองขั้นตอน (รูปที่ ๓) แต่ปฏิกิริยาดังกล่าวก็ยังมีโอกาสปฏิกิริยาข้างเคียงอื่นร่วมด้วย ดังนั้นความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์ที่ได้จึงขึ้นอยู่กับกระบวนการผลิต ในกรณีที่ต้องการผลิตภัณฑ์ที่มีเสถียรภาพ ไม่ทำปฏิกิริยากับภาชนะที่บรรจุ ความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์ก็เป็นสิ่งจำเป็น (เช่นการทำเพื่อเก็บสะสม) แต่ถ้าทำเสร็จแล้วก็รีบนำไปใช้งานเลย ความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์นั้นก็อาจไม่จำเป็นเท่าใดนัก (เช่นในระหว่างสงครามโลกครั้งที่ ๑ ที่ผลิตเสร็จก็นำไปบรรจุกระสุนปืนใหญ่ใช้งานในสนามรบเลย) บทความวิชาการเกี่ยวข้องกับการผลิตแก๊สมัสตาร์ดนี้มีตีพิมพ์เผยแพร่ตั้งแต่หลังสงครามโลกครั้งที่ ๑ สิ้นสุด เพียงแต่เขาเลี่ยงไปใช้ชื่อว่าเป็นการศึกษากลไกการเกิดปฏิกิริยาระหว่างเอทิลีนกับซัลเฟอร์คลอไรด์แทน (รูปที่ ๔)
 
รูปที่ ๑ สิทธิบัตรการผลิต extreme pressure lubricant
  
รูปที่ ๒ สิทธิบัตรการผลิตซัลเฟอร์ไดคลอไรด์

รูปที่ ๓ ปฏิกิริยาระหว่างเอทิลีนและซัลเฟอร์ไดคลอไรด์
 

รูปที่ ๔ บทความเรื่อง "THE MECHANISM OF THE REACTION BETWEEN ETHYLENE AND SULFUR CHLORIDE" โดย J. B. Conant, E. B. Hartshorn, G. O. Richardson, J. Am. Chem. Soc., March 1920, 42 (3), pp 585–595. ที่นำเสนอกลไกการเกิดปฏิกิริยาระหว่างเอทิลีนกับซัลเฟอร์ไดคลอไรด์ บทความนี้ตีพิมพ์หลังสงครามโลกครั้งที่ ๑ สิ้นสุด

ถึงแม้ว่าหลังสงครามโลกครั้งที่ ๑ จะมีการห้ามการใช้อาวุธเคมีในการสงคราม แต่การวิจัยและพัฒนากระบวนการผลิต และอาวุธเคมีตัวใหม่ ๆ ก็มีอย่างต่อเนื่อง ดังเช่นสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาที่ยกตัวอย่างมาให้ดูในรูปที่ ๕ 
   
จะเห็นว่าปฏิกิริยาที่ใช้ในการผลิตแก๊สมัสตาร์ดนั้นไม่ได้ซับซ้อนอะไรเลย เป็นปฏิกิริยาเคมีที่มีปรากฏในตำราเรียนและสอนกันทั่วไปในวิชาเคมีอินทรีย์พื้นฐานที่ใครก็ตามได้เรียนวิชานี้ก็ได้เรียนกันทุกคน สำคัญคือผู้เรียนสามารถนำเอาหลักการพื้นฐานไปประยุกต์ใช้งานได้แค่ไหน หรือจำกัดเอาไว้เพียงแค่ตัวอย่างที่ปรากฏในตำราเรียนหรือบทความตีพิมพ์ ที่วันนี้เลือกเขียนเรื่องนี้ก็เพราะเห็นว่าคนร้ายต่างชาติรายหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับการวางระเบิดที่ราชประสงค์นั้นสำเร็จการศึกษาทางด้าน "วิศวกรรมเคมี" เท่านั้นเอง
  
รูปที่ ๕ สิทธิบัตรการผลิตแก๊สมัสตาร์ด

วันพฤหัสบดีที่ 17 กันยายน พ.ศ. 2558

ตะกอนกับตะกรัน คลอรีนกับคลอไรด์ MO Memoir : Thursday 17 September 2558

เมื่อประมาณปลายเดือนที่แล้วเห็นมีการส่งอีเมล์เวียนไปมาเกี่ยวกับปัญหาของระบบน้ำระบายความร้อนของโรงงานแห่งหนึ่ง แต่ข้อมูลมันก็ขาด ๆ หาย ๆ ประมาณว่ามีการติดต่อโดยใช้อีเมล์บ้าง โทรคุยกันบ้าง ก็เลยไม่ชัดเจนว่าที่มาที่ไปของเรื่องนั้นมันเป็นอย่างไร และเลือกใช้วิธีการใดในการแก้ปัญหา พอช่วงต้นเดือนที่ผ่านมาได้มีโอกาสไปเยี่ยมชมโรงงานดังกล่าวและได้มีโอกาสพบปะพูดคุยกับวิศวกรของโรงงานแห่งนั้น ก็เลยพอจะเข้าใจว่าปัญหามันคืออะไร และที่สำคัญคือเรื่องนี้ผมได้เคยเตือนเอาไว้เมื่อสองปีครึ่งก่อนหน้านี้ตอนที่เขาส่งแบบมาขอความเห็นจากผม
  
ก่อนอื่นเรามาทำความรู้จักระบบน้ำระบายความร้อนที่มีใช้กันมากในโรงงานอุตสาหกรรมต่าง ๆ และกับระบบปรับอากาศขนาดใหญ่ที่ใช้กันตามอาคารต่าง ๆ
  
รูปที่ ๑ หอทำน้ำเย็น (cooling tower) ที่ฉีดพ่นน้ำให้ไหลลงมาตาม packing และมีพัดลมดูดอากาศให้ไหลเข้าทางช่องบานเกล็ดที่เห็นทางด้านซ้ายในรูป (ด้านขวาก็มีช่องบานเกล็ดเช่นกัน) อากาศจะไหลเข้าสัมผัสกับน้ำร้อนที่ตกลงมาทางด้านบน และดึงเอาความร้อนออกจากน้ำด้วยการระเหยน้ำบางส่วนออกไปพร้อมกับอากาศที่ถูกดูดด้วยพัดลมที่ติดตั้งอยู่ทางด้านบนของหอทำน้ำเย็น ทำให้น้ำร้อนเย็นตัวลงและสามารถหมุนเวียนกลับไปรับความร้อนมาใหม่ได้
  
รูปที่ ๒ ด้านบนของหอทำน้ำเย็นในรูปที่ ๑ จะเห็นท่อนำน้ำร้อนกลับที่ไหลแยกเข้าทางด้านซ้ายและด้านขวา และพัดลมดูดอากาศให้ไหลเข้าทางด้านข้างและไหลออกทางด้านบนไปพร้อมกับไอน้ำที่ระเหยออกมา

ระบบน้ำระบายความร้อนที่ใช้กันทั่วไปนั้นอาจแบ่งออกได้เป็น ๓ แบบด้วยกัน
  
แบบที่ ๑ คือระบบปิด ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือระบบน้ำระบายความร้อนเครื่องยนต์ของรถยนต์ต่าง ๆ น้ำจะไหลเวียนในระบบปิด ความร้อนที่น้ำรับมาจากเครื่องยนต์จะระบายออกสู่อากาศผ่านทางหม้อน้ำที่เป็นรังผึ้งติดตั้งอยู่ทางด้านหน้าของรถ
  
แบบที่ ๒ คือระบบกึ่งเปิด ระบบนี้จะคล้าย ๆ กับระบบแรก แต่จะมีการสัมผัสกันโดยตรงระหว่างน้ำกับอากาศ ที่อุปกรณ์ที่เรียกว่าหอทำน้ำเย็น (cooling tower ดังตัวอย่างที่แสดงในรูปที ๑ และ ๒ ที่ใช้กับระบบขนาดเล็ก) น้ำร้อนบางส่วนจะระเหยกลายเป็นไอพร้อมกับการดึงเอาความร้อนออกจากน้ำ และออกไปพร้อมกับอากาศที่ไหลผ่าน (รูปที่ ๓) ทำให้น้ำร้อนมีอุณหภูมิลดลง เนื่องจากระบบนี้มีการสูญเสียน้ำไปบางส่วนจากการระเหย ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการเติมน้ำชดเชยน้ำที่สูญเสียไปกับการระเหย
  
รูปที่ ๓ แผนผังการทำงานของหอทำน้ำเย็น (cooling tower)
  
แบบที่ ๓ คือระบบเปิด ระบบนี้จะนำน้ำจากแหล่งน้ำมารับความร้อนและปล่อยทิ้งออกไป ระบบนี้จะใช้เมื่อมีแหล่งน้ำขนาดใหญ่ และสามารถระบายน้ำร้อนทิ้งได้โดยไม่รบกวนสิ่งแวดล้อม เช่นบริเวณที่อยู่ริมแม่น้ำหรือริมทะเล ข้อดีของระบบนี้คือไม่มีความจำเป็นต้องปรับสภาพน้ำ แต่น้ำที่นำมาระบายความร้อนนั้นเต็มไปด้วยสิ่งต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นแร่ธาตุหรือของแข็งแขวนลอยและไม่มีการควบคุมคุณภาพ ดังนั้นอุปกรณ์ที่ใช้จึงจำเป็นต้องสามารถทนต่อการกัดกร่อนและสึกหรอได้ดี

ตัวที่เป็นต้นเรื่องของเราในวันนี้คือแบบที่ ๒ ที่เป็นระบบกึ่งเปิด ในระบบนี้น้ำที่ใช้ในการระบายความร้อนนั้นมักจะมีแร่ธาตุละลายปนอยู่ (เรื่องปรกติของน้ำ) ชนิดและปริมาณแร่ธาตุที่อยู่ในน้ำจะขึ้นอยู่กับแหล่งน้ำที่นำมาใช้เป็นน้ำระบายความร้อนและฤดูกาล (บ่อยครั้งที่น้ำในช่วงหน้าแล้งและหน้าฝนมีแร่ธาตุเจือปนแตกต่างกัน ที่เห็นได้ชัดคือกรณีของน้ำประปาในเขตกรุงเทพในช่วงไม่กี่เดือนก่อนหน้านี้ ที่สถานการณ์ฝนแล้งทำให้มีน้ำเค็มจากทะเลไหลย้อน ส่งผลถึงแร่ธาตุที่มีอยู่ในน้ำประปาที่ผลิตได้) และน้ำดังกล่าวมีการปรับสภาพก่อนนำมาใช้งานหรือไม่ (เช่นมีการแลกเปลี่ยนไอออนเพื่อลดความกระด้าง) แร่ธาตุดังกล่าวไม่ได้ระเหยไปพร้อมกับน้ำที่ระเหยออกไป ดังนั้นจะสะสมอยู่ในระบบ และยังมีเพิ่มเติมเข้ามาอีกที่มาพร้อมกับน้ำที่เติมเข้ามาชดเชย (makeup water) น้ำส่วนที่ระเหยออกไป ทำให้ความเข้มข้นของแร่ธาตุที่ละลายอยู่ในน้ำเพิ่มสูงขึ้น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการควบคุมความเข้มข้นของแร่ธาตุเหล่านี้ไมให้สูงเกินไปด้วยการระบายน้ำบางส่วนทิ้งโดยตรง (ที่เรียกว่า blowdown)
  
แร่ธาตุบางชนิดละลายได้น้อยในน้ำร้อน ที่เห็นได้ชัดคือหินปูนหรือ CaCO3 บริเวณที่เกิดปัญหาคือพื้นผิวโลหะที่ร้อนที่เป็นตัวส่งผ่านความร้อนจากของไหลภายในระบบมายังน้ำที่รับความร้อนที่อยู่อีกทางฟากหนึ่งของผิวโลหะ (เช่นจากด้านนอกท่อมายังด้านในท่อ หรือผนังในกาต้มน้ำที่ใช้กันทั่วไปตามบ้าน) พื้นผิวดังกล่าวจะมีอุณหภูมิสูง ทำให้แร่ธาตุที่ละลายน้ำได้น้อยเกิดการตกผลึกเป็นของแข็งสะสมอยู่บนพื้นผิวถ่ายเทความร้อนนั้น กลายเป็นสิ่งที่เราเรียกว่า "ตะกรัน - scale"
  
แหล่งที่มาของแร่ธาตุที่ละลายในน้ำอีกแหล่งหนึ่งคือฝุ่นผงที่ล่องลอยมากับอากาศที่ไหลเข้าหอทำน้ำเย็น ฝุ่นผงดังกล่าวถ้ามีส่วนที่ละลายน้ำได้ก็จะไปเป็นตัวเพิ่มความเข้มข้นของแร่ธาตุที่ละลายอยู่ในน้ำ แต่ถ้าไม่ละลายก็จะกลายเป็นของแข็งที่แขวนลอยอยู่ในน้ำที่ไหลอยู่ในระบบ และถ้าบริเวณใดของระบบที่น้ำไหลช้าหรือหยุดนิ่ง ของแข็งดังกล่าวก็จะตกลงสู่พื้นสะสมรวมกันที่เรียกว่า "ตะกอน - deposit" ตะกอนยังอาจมากับน้ำที่เติมเข้ามาโดยตรงก็ได้ถ้าไม่มีการกรองออก
  
ดังนั้นจะเห็นว่าเป็นการยากที่จะป้องกันไม่ให้มีตะกอนหรือตะกรันเกิดขึ้นในระบบ ในกรณีของตะกอนนั้นเราสามารถป้องกันไม่ให้มันไหลกลับเข้าไปในระบบได้ด้วยการกรองเอามันออกจากน้ำที่สูบจากทางด้านล่างของหอทำน้ำเย็น ก่อนที่จะส่งน้ำนั้นไปรับความร้อนจากอุปกรณ์ต่าง ๆ ภายในโรงงาน ส่วนกรณีของตะกรันนั้น เราลดปัญหาได้ด้วยการปรับสภาพน้ำที่เติมเข้ามาชดเชย รวมทั้งใช้การระบายน้ำบางส่วนทิ้งเพื่อควบคุมความเข้มข้นของแร่ธาตุที่ละลายน้ำอยู่

ที่มันทำให้ผมสับสนตอนที่รับฟังเรื่องราวคือ ตกลงว่าปัญหามันเกิดจาก "ตะกรัน" หรือ "ตะกอน" หรือจากทั้งสองสาเหตุ เพราะมีการใช้คำทั้งสองร่วมกัน คือจากการพบปะพูดคุยนั้นดูเหมือนว่ามีปัญหาเรื่อง "ตะกอน" แต่แนวทางการแก้ปัญหาที่เห็นมีการเสนอนั้นมันเป็นการแก้ปัญหาการเกิด "ตะกรัน"

คลอไรด์ (chloride - Cl-) คือไอออนลบของคลอรีน (chlorine - Cl2) ทั้งคลอไรด์และคลอรีนมีฤทธิ์ในการกัดกร่อนโลหะ แม้แต่เหล็กกล้าไร้สนิมหรือที่เรามักเรียกจนติดปากกันว่าสแตนเลสสตีล (stainless steel) หรือเหล็กสแตนเลส นั้นก็ยังมีปัญหากับคลอไรด์และคลอรีนที่ละลายอยู่ในน้ำที่มันสัมผัส การกัดกร่อนเหล็กกล้าไร้สนิมด้วยคลอไรด์หรือคลอรีนมีรูปแบบที่เรียกว่า pitting คือเป็นรูเล็ก ๆ (ขนาดอาจประมาณ 1 มิลลิเมตรหรือเล็กกว่า) ลึกลงไปในเนื้อโลหะจนทะลุ แต่ถ้าเป็นหลุมขนาดใหญ่ขึ้นมาหน่อยจะเรียก crevice) การกัดกร่อนนี้จะเกิดได้ดีขึ้นในบริเวณที่น้ำไม่มีการไหลเวียน (เช่นใต้อนุภาคของแข็งที่ตกตะกอน หรือตรงผิวสัมผัสระหว่างชิ้นงานโลหะสองชิ้นที่วางติดกัน (เช่นระหว่างนอตกับหน้าแปลน)
  
เหล็กสแตนเลสเบอร์ 316 นั้นจะทนต่อคลอไรด์และคลอรีนได้ดีกว่าเหล็กสแตนเลสเบอร์ 304 ที่ราคาต่ำกว่า และคลอรีนนั้นมีฤทธิ์ในการกัดกร่อนมากกว่าคลอไรด์อยู่มาก ในขณะที่เหล็กสแตนเลส 316 สามารถทนต่อการกัดกร่อนจากคลอไรด์ได้ถ้าหากมีความเข้มข้นไม่เกิน 2000 ppm แต่จะทนต่อคลอรีนในน้ำได้ไม่เกิน 4 ppm* ในระบบน้ำประปานั้นคลอไรด์อาจมากับน้ำดิบที่ใช้ในการผลิตน้ำประปา หรือมาจากไฮโปคลอไรต์ (ClO-) ที่เติมลงไปเพื่อฆ่าเชื้อโรคในน้ำ และคลอรีนก็มาจากแก๊สคลอรีนที่เติมลงไปในน้ำเพื่อฆ่าเชื้อโรคในน้ำ ส่วนจะเลือกเติมไฮโปคลอไรต์หรือคลอรีนนั้นก็ขึ้นอยู่กับผู้ผลิตน้ำประปา

ที่ผมพบก็คือในการสื่อสารนั้นมีการใช้ทั้งคำว่า "คลอไรด์" และ "คลอรีน" ปะปนกัน โดยดูเหมือนว่าผู้สนทนาบางรายนั้นคิดว่ามันเป็นตัวเดียวกัน ซึ่งในความเป็นจริงนั้นมันไม่ใช่ กรณีนี้เป็นตัวอย่างของการสื่อสารระหว่างผู้ที่มีความรู้ความเชี่ยวชาญในสาขาที่แตกต่างกัน เมื่อมีการสนทนาร่วมกันในหัวข้อที่แต่ละคนนั้นไม่ได้รู้ลึกลงไปทางด้านดังกล่าว การใช้คำที่แตกต่างกันเพียงเล็กน้อยแต่มีความหมายแตกต่างกันมาก อาจนำไปสู่ความเข้าใจที่คลาดเคลื่อนได้

ปิดท้ายเรื่องน้ำของวันนี้ด้วยเรื่องการเติมกรดกำมะถัน H2SO4 เพื่อลดค่า pH ของน้ำหล่อเย็นในระบบกึ่งเปิด กล่าวคือถ้าน้ำที่เติมเข้ามาชดเชยน้ำระเหย (makeup water) มีคาร์บอเนต (CO32-) ละลายปนอยู่ ตัวคาร์บอเนตนี้เมื่อละลายน้ำจะไปดึงโปรตอนจากน้ำทำให้เกิดเป็นไบคาร์บอนเนต (HCO3-) และไฮดรอกไซด์ (OH-) ตัวไบคาร์บอนเนตนั้นเมื่อได้รับความร้อนจะสามารถสลายตัวกลายเป็นแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) กับไฮดรอกไซด์ (OH-) ที่เป็นเบสแก่ ทำให้ค่า pH ของน้ำเพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ ได้ ด้วยเหตุนี้ระบบน้ำหล่อเย็นหลายแห่งจึงจำเป็นต้องมีการเติมกรดลงไปเพื่อลดค่า pH และกรดที่เลือกใช้กันก็คือกรดกำมะถัน H2SO4 ทั้งนี้เพื่อลดความเสี่ยงจากไอออนลบที่ก่อให้เกิดปัญหากับโลหะ และถ้าในน้ำนั้นมี Ca2+ ละลายอยู่ก็ลดการเกิดตะกรันลงได้บ้าง เพราะ CaSO4 นั้นแม้ว่าจะลายน้ำได้น้อยลงเมื่อน้ำร้อนขึ้น แต่ก็ยังละลายน้ำได้ดีกว่า CaCO3

อันที่จริงความกระด้างของน้ำที่เกิดจาก CaCO3 นั้นเรียกว่า "ความกระด้างชั่วคราว" เพราะถ้านำน้ำนั้นไปต้ม CaCO3 จะตกตะกอนออกมา ทำให้ความเข้มข้นของ Ca2+ ในน้ำลดลง ตามโรงงานอุตสาหกรรมทั่วไปก็ใช้วิธีการนี้ในการลดความกระด้างน้ำ ด้วยการต้มน้ำก่อนนำไปใช้งาน ส่วนความกระด้างที่เกิดจาก CaSO4 นั้นเรียกว่า "ความกระด้างถาวร" เพราะ CaSO4 ไม่ตกตะกอนออกมาแม้ว่าจะเอาน้ำไปต้ม ความเข้มข้น Ca2+ ยังคงอยู่เหมือนเดิม