การระเบิดเนื่องจากไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H2O2) สลายตัว (เรื่องที่ ๒) MO Memoir : Saturday 23 October 2564

เหตุการณ์ที่สองงที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจาก http://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1000137.html ในหัวข้อเรื่อง "Explosion of hydrogen peroxide due to the change of a feeding line to a vessel at a surfactant manufacturing plant" ซึ่งเป็นเหตุการณ์ที่เกิดที่เมือง Sodegaura, Chiba ประเทศญี่ปุ่น เมื่อวันที่ ๒๖ กรกฎาคม พ.ศ. ๒๕๓๒ ในเหตุการณ์นี้มีสารเคมีที่เกี่ยวข้องอยู่ 3 ตัวด้วยกันคือ ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์, dodecylbenzenesulphonic acid (C₁₂H₂₅-C₆H₄-S(O)₂OH) (รูปที่ ๑) และ alkyl amine (ในรายงานไม่ได้มีการระบุว่าเป็นตัวไหน)

รูปที่ ๑ โครงสร้างโมเลกุลของ dodecylbenzenesulphonic acid

Dodecylbenzenesulphonic acid เป็นสารชะล้าง (surfactant) ที่เราใช้กันอยู่ในชีวิตประจำวัน โครงสร้างโมเลกุลของสารนี้ประกอบด้วยส่วนที่ไม่มีขั้วซึ่งได้แก่หมู่อัลคิล (alkyl) ที่ทำหน้าที่ละลายไขมันหรือโมเลกุลไม่มีขั้ว และส่วนที่มีขั้วซึ่งได้แก่ -SS(O)₂O^-H⁺) ข้อดีของกรดตัวนี้คือมันไม่ตกตะกอนเมื่อพบกับไอออนที่มีประจุตั้งแต่ 2+ ขึ้นไป (เช่น Ca²⁺ และ Mg²⁺) ดังเช่นสบู่ที่ทำจากกรดไขมันพืชหรือสัตว์ จึงทำให้ใช้งานได้กับน้ำที่มีความกระด้าง ในการนำมาใช้งานนั้นจะทำการสะเทินกรดตัวนี้ด้วยเบสก่อน และเบสที่นิยมใช้กันก็คือโซเดียมไฮดรอกไซด์ (Sodium hydroxide NaOH)

แต่สำหรับผลิตภัณฑ์บางประเภท (เช่นที่มาในรูปของ unit dose) การสะเทินด้วย NaOH ทำได้ให้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณสมบัติที่ไม่เหมาะสม (เช่น ความหนืดที่มากเกินไป และการทำปฏิกิริยากับวัสดุห่อหุ้ม) จึงได้มีการใช้เบสตัวอื่น และเบสกลุ่มหนึ่งที่มีการนำมาใช้กันก็คือสารประกอบอัลคิเอมีน (Alkyl amine) ที่อะตอม N นั้นทำหน้าที่เป็นเบส โดยในบางกรณีนั้นก็อาจเปลี่ยนจากหมู่อัลคิลเป็นหมู่อัลคานอล (alkanol) หรือหมู่อัลคิลที่มีหมู่ -OH นั่นเอง โดยหมู่ -OH นั้นจะช่วยให้ละลายน้ำได้ดีขึ้น (ตัวอย่างการใช้งานนี้อ่านเพิ่มเติมได้ใน เอกสารสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 3,539,552 เรื่อง "Emulsifier compositions based on mixtures of amine salts of linear alkyl ary sulfonic acids" และเอกสารสิทธิบัตรสหภาพยุโรปเลขที่ WO 2016/175931 เรื่อง "Amine salts of alkylbenzene sulfonic acids and their use in detergent formulations")

ในกระบวนการของโรงงานที่เกิดเหตุนั้น (รูปที่ ๒) จะทำการป้อน Dodecylbenzenesulphonic acid เข้าสู่ถังผสม VE-301 โดยใช้ปั๊ม PU-301 จากนั้นจะทำการป้อน alkyl amine เข้าสู่ถังผสมด้วยปั๊ม (บทความไม่ได้ระบุว่าเป็นปั๊มตัวเดียวกันหรือเปล่าหรือเป็นคนละตัวกัน) จากนั้นจึงเติมไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ "เข้าสู่ถังผสมโดยตรงจากทางด้านบน" กล่าวคือเส้นทางป้อนไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์นั้นเป็นอีกเส้นทางหนึ่ง ในวันที่เกิดเหตุนั้นหลังจากที่ทำการป้อนกรดและ alkyl amine เข้าถังผสมแล้ว พบว่าค่า pH ของสารในถังอยู่ที่ 8.8 ซึ่งแสดงว่ามีกรดอยู่น้อยเกินไป โอเปอร์เรเตอร์จึงได้ทำการป้อนกรดเข้าถังเพิ่มเติมร่วมกับไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (เข้มข้น 60%) โดยให้ไหลผ่านปั๊ม ไม่นานก็เกิดการระเบิดขึ้นที่บริเวณใกล้กับปั๊ม ส่งผลให้มีผู้เสียชีวิต ๑ รายและบาดเจ็บ ๑ ราย

รูปที่ ๒ แผนผังของกระบวนการผลิต

ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์จะมีเสถียรภาพมากขึ้นในสภาวะที่เป็นกรด (มี H⁺) แต่จะมีเสถียรภาพลดลงในสภาวะที่เป็นเบส นอกจากนี้ไอออนบวกของโลหะหลายชนิด (เช่น Fe²⁺) ยังทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เร่งการสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และเนื่องจากการสลายตัวเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ความร้อนที่ปลดปล่อยออกมาก็สามารถเร่งการสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ได้อีก นั่นคือหลังจากที่ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เริ่มสลายตัวอันเป็นผลจากการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยา แต่หลังจากนั้นการสลายตัวก็จะสามารถดำเนินต่อไปได้โดยไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยาเพราะสามารถอาศัยความร้อนที่ปลดปล่อยออกมาจากการสลายตัวในช่วงแรกได้

ในที่นี้ ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ถูกนำมาผสมเพื่อใช้เป็นผงฟอกสี (bleaching agent) สำหรับกำจัดคราบสกปรก ข้อดีของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (และกรดเปอร์อะซีติก) คือใช้กับผ้าสีได้โดยไม่ต้องกังวลว่ามันจะกัดสีผ้า ส่วนผงฟอกสีพวกไฮโปคลอไรต์ (hypochlorite -ClO^-) ใช้ได้ดีกับผ้าขาว แต่ไม่เหมาะกับผ้าสีเพราะมันสามารถกัดสีของผ้าสีได้

ในเหตุการณ์นี้มีประเด็นหนึ่งที่น่าพิจารณาแต่ไม่ได้มีการกล่าวถึงในบทความคือ ทำไมโอเปอร์เรเตอร์จึงทำการป้อนไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์โดยใช้ปั๊ม การทำเช่นนี้เคยเกิดขึ้นมาก่อนหรือไม่ และทำไมจึงออกแบบให้ท่อจากถังบรรจุไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์นั้นสามารถต่อเข้ากับท่อขาเข้าปั๊มสำหรับกรดได้

ในกรณีของกระบวนการผลิตที่มีการใช้ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ร่วมด้วยนั้น ประเด็นสำคัญประเด็นหนึ่งที่ควรพึงระลึกไว้ก็คือการเลือกชนิดโลหะที่สามารถทนสารเคมีตัวอื่นได้ การที่โลหะนั้นสามารถทนต่อการกัดกร่อนของสารเคมีไม่ได้หมายความว่ามันจะไม่ทำปฏิกิริยาเลย แต่หมายถึงอัตราการทำปฏิกิริยาที่ต่ำและอยู่ในระดับที่ยอมรับได้ อย่างเช่นในกรณีนี้สารประกอบเหล็กออกไซด์หรือสนิมเหล็กที่เกิดขึ้นเมื่อหลุ่ดร่อนออกมาปนอยู่ในกรดที่ไหลอยู่ในท่อ มันไม่ได้ก่อให้เกิดปัญหาอะไรกับกรดที่ไหลผ่านตัวมัน แต่ถ้ามันสามารถหลุดรอดไปถึงบริเวณที่มีไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ปรากฏ (เช่นที่ถังผสม) มันก็อาจก่อให้เกิดปัญหาที่นั่นได้

แต่ในเหตุการณ์นี้สนิมเหล็กไม่ได้หลุดรอดไปยังถังผสม แต่กลับมีการป้อนไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ผ่านเส้นทางที่มันไม่ควรไหลผ่าน