ปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับออกซิเจนเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนสูง โลหะในหมู่ IA (คือกลุ่มพวกลิเทียม Li, โซเดียม Na, โพแตสเซียม K ฯลฯ) จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนอย่างรวดเร็วจนไม่สามารถนำมาใช้ในรูปของโลหะบริสุทธิ์ โลหะบางตัวก็สามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนได้อย่างรุนแรงและรวดเร็ว เช่นแมกนีเซียม Mg ที่สามารถลุกติดไฟและลุกไหม้ได้อย่างต่อเนื่องในอากาศถ้าได้รับความร้อนสูงมากพอเป็นตัวเริ่มต้น อะลูมิเนียม Al ในรูปแบบที่เป็นผงก็มีการนำมาใช้เป็นส่วนประกอบของวัตถุระเบิดบางชนิด ไทเทเนียม Ti ในรูปแบบที่เป็นผงฟุ้งกระจายในอากาศก็สามารถเกิดการระเบิดแบบ Dust Explsion ได้เช่นกัน การที่รูปแบบผงนั้นทำปฏิกิริยากับออกซิเจนได้รุนแรงก็เพราะมันมีพื้นที่ผิวสัมผัสกับอากาศสูงมาก
ในกรณีของโลหะเหล่านี้เมื่อนำมาขึ้นรูปเป็นชิ้นงานต่าง ๆ พื้นที่ผิวที่สัมผัสกับอากาศต่อจำนวนอะตอมโลหะทั้งหมดจะต่ำมาก มีเฉพาะอะตอมโลหะที่อยู่บนพื้นผิวที่สามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศเกิดเป็นสารประกอบโลหะออกไซด์ สารประกอบโลหะออกไซด์ของโลหะหลายตัวจะก่อตัวเป็นชั้นฟิล์มปกคลุมผิวโลหะที่อยู่ข้างใต้ไม่ให้สัมผัสกับอากาศอีก (เช่นชั้นออกไซด์ของอะลูมิเนียม) การทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศก็จะหยุด ในขณะที่ชั้นออกไซด์ของโลหะบางตัวเช่นเหล็ก Fe นั้นมันไม่ก่อตัวเป็นชั้นฟิล์มปกคลุม ผิวบนทำปฏิกิริยาเกิดเป็นสนิมเหล็กที่มีความพรุน (แถมยังหลุดร่อนได้ง่ายอีก) เปิดช่องทางให้ออกซิเจนในอากาศเข้าสัมผัสกับเนื้อเหล็กที่อยู่ลึกลงไปตลอดเวลา การกัดกร่อนจึงเกิดได้ต่อเนื่อง
เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้เรื่องแรกเป็นเหตุการณ์ที่เกิดในมหาวิทยาลัยแห่งหนึ่งในประเทศญี่ปุ่น ที่เกิดกับอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง โดยมีโลหะเป็นเชื้อเพลิง (การลุกไหม้ของไทเทเนียมนำไปสู่การลุกไหม้ของสแตนเลสสตีล - รูปที่ ๑) ส่วนเรื่องที่สองเป็นบทความที่เกี่ยวข้องกับโอกาสที่จะเกิดการลุกไหม้ของโลหะในสภาวะที่มีความเข้มข้นออกซิเจนสูง ที่มีการนำมาใช้เพื่อการรักษาทางการแพทย์ (รูปที่ ๒)
ไทเทเนียม (Titanium - Ti) เป็นโลหะที่นำมาใช้งานในทางวิศวกรรมตัวหนึ่งเนื่องจากการที่มันทนการกัดกร่อนและทนอุณหภูมิได้สูงกว่าเหล็ก ในขณะที่มีน้ำหนักเบากว่า แต่ในบางกรณีโลหะ Ti ก็ลุกติดไฟได้ง่ายเหมือนกัน โดยเฉพาะเมื่อเจอกับคลอรีน (Chlorine - Cl) ที่ "แห้ง"
คลอรีนเป็นตัวออกซิไดซ์ที่แรงว่าออกซิเจน สารประกอบคลอไรด์ของโลหะนั้นมักจะเป็นของแข็ง แต่ของไทเทเนียมจะแปลกอยู่หน่อยตรงที่มันเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องและยังมีความว่องไวในการทำปฏิกิริยากับสารหลายตัวเช่นน้ำ ในกรณีของแก๊สคลอรีนที่มี "ความชื้น" (ซึ่งก็คือน้ำ) ปนอยู่ ไทเทเนียมเททระคลอไรด์ (Titanium tetrachloride TiCl4) ที่เกิดขึ้นจะทำปฏิกิริยาต่อกับน้ำได้ กลายเป็นสารประกอบออกไซด์ปิดคลุมผิวโลหะส่วนที่เหลือเอาไว้ การทำปฏิกิริยาก็จะหยุด ดังนั้นอุปกรณ์ที่ทำจากโลหะไทเทเนียมจึงไม่มีปัญหาเมื่อใช้งานกับคลอรีนที่ "ชื้น" แต่จะลุกไหม้ได้เมื่อเจอกับคลอรีนที่แห้ง
ออกซิเจนที่ความเข้มข้นสูงขึ้นจะมีความสามารถในการทำปฏิกิริยาที่รุนแรงมากขึ้น และค่าพลังงานกระตุ้นที่ต้องใช้ในการเกิดปฏิกิริยาก็อาจลดลงมามากด้วย ดังนั้นโลหะที่ไม่ทำปฏิกิริยาเมื่อสัมผัสกับอากาศแม้ว่าจะมีอุณหภูมิสูงก็ตาม ก็อาจลุกไหม้ติดไฟได้ถ้าหากสัมผัสกับออกซิเจนที่มีความเข้มข้นสูงและมีพลังงานกระตุ้นที่มากพอ
คำว่า "ความเข้มข้นที่สูงขึ้น" ในที่นี้คือเมื่อคิดในหน่วย "ปริมาณ (ที่อาจเป็นโมลหรือน้ำหนัก) ต่อหน่วยปริมาตร" นะ เพราะในบางหน่วยเช่น "สัดส่วนโมล - mole fraction" ความเข้มข้นในรูปสัดส่วนโมลนี้จะไม่เปลี่ยนไม่ว่าแก๊สจะมีความดันเท่าใด แต่ถ้าคิดในหน่วย "ปริมาณต่อหน่วยปริมาตร" ที่ความดันสูงขึ้นก็จะมีความเข้มข้นสูงขึ้นด้วย
เหตุการณ์ที่เกิดในห้องทดลองแห่งหนึ่งของมหาวิทยาลัยในประเทศญี่ปุ่นนั้นเกิดขึ้นระหว่างการทดลองสังเคราะห์ตัวนำยิ่งยวด (superconductor) ที่ทดลองด้วยการเอาสารตั้งต้นนั้นมาทำปฏิกิริยากับออกซิเจนบริสุทธิ์ที่ความดันต่าง ๆ ด้วยเครื่อง thermal analysis กล่าวคือนำตัวอย่างมาบรรจุในภาชนะปิด เพิ่มความดันออกซิเจนให้ได้ตามต้องการ จากนั้นก็เพิ่มอุณหภูมิตัวอย่างให้สูงขึ้นและเฝ้าดูน้ำหนักที่เปลี่ยนไป (จะลดลงถ้ามีการสูญเสียออกซิเจน และจะเพิ่มขึ้นถ้ามีการทำปฏิกิริยากับออกซิเจน) ตัวอุปกรณ์นั้นเพิ่งจะเริ่มใช้งานได้ประมาณ ๒ เดือนและมีการทำการทดลองแบบเดียวกันไปแล้วประมาณ ๑๔-๑๕ ครั้งโดยไม่เกิดเรื่องอะไร
ในวันที่เกิดเหตุนั้นหลังจากเพิ่มอุณหภูมิไปจนถึง 600ºC และคงไว้นานกว่า 100 นาทีก็ไม่เกิดปัญหาอะไร และเนื่องจากผลการทดลองที่ได้ไม่ได้แสดงว่ามีการเปิดปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วในระหว่างกาารทดลอง สมมุติฐานเรื่องปฏิกิริยาเกิดการ runaway จึงถูกตัดไป สาเหตุที่คาดว่าเป็นตัวทำให้เกิดเพลิงไหม้ก็คือการเกิดไฟฟ้าลัดวงจร (ตัวอุปกรณ์วัดน้ำหนักต้องมีวงจรไฟฟ้าต่อเข้าไปอยู่แล้ว) และด้วยการที่เป็นบรรยากาศออกซิเจนบริสุทธิ์จึงทำให้วัสดุที่ไม่เป็นโลหะนั้นลุกติดไฟได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งนำไปสู่การลุกติดไฟของโลหะไทเทเนียมที่ใช้ทำชิ้นส่วนบางชิ้นของตัวอุปกรณ์ ความร้อนที่เกิดขึ้นทำให้โลหะหลอมเหลวและทำปฏิกิริยากับสแตนเลสสตีลที่เป็นวัสดุใช้ทำชิ้นส่วนของตัวอุปกรณ์เช่นกัน เกิดการระเบิดและเพลิงลุกไหม้ภายในช่องบรรจุตัวอย่างจนมีผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการลุกไหม้นี้ฉีดพ่นออกมาทางช่องทางที่ใช้เดินสายไฟเข้าไปข้างใน
เหตุการณ์ที่ประเทศญี่ปุ่นนี้ดูเผิน ๆ อาจเป็นเรื่องไกลตัว แต่จะว่าไปมันก็มีคนคำนึงถึงโอกาสที่จะเกิดเหตุการณ์ทำนองเดียวกันนี้ในสภาพการณ์ที่ใกล้กับตัวเราก็ได้ นั่นคือการรักษาอาการหรือความเจ็บป่วยต่าง ๆ ด้วยการให้ผู้ที่ต้องการได้รับการรักษานั้นได้เข้าไปอยู่ในบรรยากาศที่มีออกซิเจนสูง ที่อาจเข้าไปอยู่ทั้งตัว (ที่สามารถเอาหนังสือเข้าไปนอนอ่านได้) หรือเพียงแค่ส่วนใดส่วนหนึ่ง (เช่นใส่ hood ครอบศีรษะเอาไว้) ที่ปัจจุบันในบ้านเราก็มีบางโรงพยาบาลนำมาใช้ในการรักษา
บทความที่นำมาแสดงในรูปที่ ๒ เป็นการกล่าวถึงความเป็นไปได้ที่จะเกิดการลุกไหม้ของโลหะไทเทเนียมในระหว่างการรักษาด้วยการใช้ออกซิเจนความเข้มข้นสูง (Hyperbaric oxygen) ในกรณีเช่นนี้ถ้าจะบอกว่าถ้าเช่นนั้นก็ไม่ให้ใช้โลหะไทเทเนียมในการผลิตอุปกรณ์ดังกล่าวก็น่าจะสิ้นเรื่อง แต่ประเด็นที่ผู้เขียนตั้งเป็นข้อกังวลไม่ได้อยู่ตรงนั้น มันไปอยู่ตรงที่ในช่วงเวลานั้น (คือปีพ.ศ. ๒๕๔๖) และจะว่าไปก็สืบเนื่องมาจนถึงปัจจุบัน มันมีการนำเอาโลหะไทเทเนียมนี้มาใช้ทำเป็นทั้งกรอบแว่นตาและเครื่องประดับกันอย่างแพร่หลาย และสิ่งเหล่านี้มักจะเป็นสิ่งที่ทางโรงพยาบาลยอมให้ติดตัวคนไข้ไว้ในระหว่างการรักษาด้วย
ที่เล่ามาตอนต้นเรื่องว่าโลหะหลายตัวนั้นเมื่อสัมผัสกับอากาศมันก็จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนกลายเป็นสารประกอบออกไซด์ปิดคลุมผิวเอาไว้ ทำให้ปฏิกิริยาเกิดต่อไม่ได้ และเนื่องจากไม่ว่าจะเป็นเครื่องประดับหรือกรอบแว่นตาที่ติดตัวผู้ป่วยมานั้นมันก็สัมผัสกับอากาศมานานแล้ว แล้วมันจะก่อเรื่องได้อย่างไร ประเด็นที่ผู้เขียนบทความชี้ให้ควรพิจารณาก็คือการเกิดพื้นผิวใหม่ที่ยังไม่เคยสัมผัสกับอากาศมาก่อน เช่นการขีดข่วนที่เป็นการกำจัดพื้นผิวออกไซด์ที่ปกคลุมอยู่เดิมนั้นออกไป หรือการฉีกขาด (เช่นกรอบแว่นตาหัก) ที่จะเปิดพื้นผิวโลหะใหม่ตรงรอยฉีกขาดนั้น และด้วยบรรยากาศที่เป็นออกซิเจนบริสุทธิ์ ความรุนแรงของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นก็จะทำให้ตัวโลหะนั้นลุกติดไฟต่อเนื่องได้
กรณีการลุกไหม้ของโลหะไทเทเนียมเมื่อสัมผัสกับแก๊สคลอรีนแห้งที่เกิดในโรงงานก็มีการบันทึกเอาไว้หลายครั้ง ส่วนกรณีการลุกไหม้ของโลหะไทเทเนียมในบรรยากาศออกซิเจนบริสุทธิ์ และการลามไปสู่การลุกไหม้ของสแตนเลสสตีลเนี่ยเพิ่งจะมีโอกาสได้รับรู้เป็นครั้งแรก ซึ่งก็ไม่รู้ว่ามันเคยมีการเกิดขึ้นที่ไหนอีกหรือเปล่า คงต้องค่อย ๆ ค้นคว้ากันต่อไป
ส่วนเรื่องการลุกไหม้ของโลหะต่าง ๆ ในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูงและ/หรือออกซิเจนความเข้มข้นสูง จะว่าไปก็มีการศึกษากันมานานแล้วเหมือนกัน โดยเฉพาะกลุ่มที่ทำงานเกี่ยวกับจรวด (ที่บางทีก็ใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์เป็นตัวออกซิไดซ์) และอากาศยาน โดยเฉพาะเครื่องยนต์กังหันแก๊สหรือ jet engine ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงและมีแก๊สร้อนไหลผ่านด้วยความเร็วสูง และมีการนำเอาโลหะผสมไทเทเนียมมาผลิตเป็นชิ้นส่วนต่าง ๆ เพราะมันมีน้ำหนักที่เบากว่าและทนอุณหภูมิได้สูงกว่าโลหะอื่น แต่ไทเทเนียมมันก็มีพฤติกรรมที่แปลกอย่างหนึ่งคือ มันสามารถลุกติดไฟได้ในบรรยากาศ "ไนโตรเจน" บริสุทธิ์
ปัจจุบันมีการนำเอาเครื่องยนต์กังหันแก๊สมาใช้ในการผลิตไฟฟ้ากันอย่างแพร่หลาย ผมเองก็ไม่รู้ว่าโครงสร้างและวัสดุที่ใช้ในการผลิตนั้นแตกต่างกับที่ใช้กับอากาศยานมากน้อยแค่ไหน เพราะเครื่องยนต์ที่ตั้งอยู่บนพื้นมันไม่ได้มีข้อจำกัดด้านน้ำหนักมากเหมือนกรณีของอากาศยาน และน่าจะทำงานที่สภาวะค่อนข้างจะคงที่มากกว่าด้วย
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น