VCE case 3 แก๊สรั่วจากปฏิกิริยา runaway 2544(2001) MO Memoir : Wednesday 4 December 2567

ยารักษาสิวก็ระเบิดได้แรงพอที่จะทำลายโรงงานได้เหมือนกันนะ

ตอนแรกที่อ่านคำบรรยายเหตุการณ์นี้ ก็คุ้น ๆ เหมือนกับว่าจะเคยเขียนเรื่องทำนองนี้เอาไว้ พอตรวจสอบดูก็พบว่าได้เขียนไว้เมื่อเกือบ ๖ ปีที่แล้วในเรื่อง "VCEcase 2 แก๊สรั่วจากปฏิกิริยาrunaway 2549(2006)" (บทความวันอาทิตย์ที่ ๖ มกราคม ๒๕๖๒) ซึ่งเป็นเรื่องที่เกิดหลังจากเรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้เกือบ ๕ ปี แต่สองเหตุการณ์นี้เหมือนกันมากไม่ว่าจะเป็นรูปแบบและขนาดถังปฏิกรณ์ (reactor), สารเคมีที่เกี่ยวข้อง และต้นตอที่ทำให้เกิดการรั่วไหลจนเกิดการระเบิด

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "An explosion accident - Causes and safety information management lessons to be learned" โดย Tzou และคณะ เผยแพร่ในเอกสาร Symposium series No. 149 ของ Institute of Chemical Engineer (IChemE) ของประเทศอังกฤษในปีค.ศ. ๒๐๐๓ เนื้อหาในบทความให้ข้อมูลเกี่ยวกับการทำงานต่าง ๆ ก่อนที่จะเกิดการระเบิด และสิ่งที่คาดว่าจะเป็นต้นตอ แต่ผู้เขียนบทความก็บอกไว้เหมือนกันว่าในขณะที่เขียนบทความนั้น ทางกรรมการสอบสวนยังไม่ตกลงกันได้การระเบิดที่เกิดขึ้นรุนแรงนั้นเกิดจากอะไร

เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นในช่วงบ่ายวันที่ ๑๘ พฤษภาคม ค.ศ. ๒๐๐๑ (พ.ศ. ๒๕๔๔) ที่โรงงาน Fu-Kao Chemical Plant ประเทศไต้หวัน หน่วยที่เกิดเหตุเป็นถังปฏิกรณ์ขนาด 6 ตัน (ประมาณ 6 m³ หรือ 1500 US gallon ซึ่งเป็นขนาดเดียวกับเหตุการณ์ที่เล่าไว้ใน VCE case 2) สภาพโรงงานหลังการระเบิดแสดงไว้ในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

รูปที่ ๑ สภาพโรงงานหลังการระเบิด

ถังปฏิกรณ์ที่เป็นต้นเรื่องใช้สำหรับผลิตเรซินที่ใช้น้ำเป็นตัวทำละลาย (water-born resin) ที่ทำจากปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ (polymerisation reaction) กรดอะคริลิกในตัวทำละลาย โดยใช้สารประกอบเปอร์ออกไซด์ (Dibenzoyl peroxide (BPO) H₅C₆-C(O)-O-O-C(O)-C₆H₅) เป็นตัวกระตุ้นให้ปฏิกิริยาเกิด (initiator) ตัวทำละลายที่ใช้เป็นสารผสมระหว่างเมทานอลกับไอโซโพรพานอล

ถังปฏิกรณ์ที่เกิดเหตุมีขนาด 6 ตัน (ปริมาตรก็ประมาณ 6 m³) มีเครื่องควบแน่น (condenser) อยู่ทางด้านบน มีถังป้อนน้ำและปั๊ม และถังน้ำหล่อเย็นฉุกเฉิน ตัวถังปฏิกรณ์มีผนัง jacket หุ้ม โดยสามารถป้อนไอน้ำเพื่อให้ความร้อน (ในกรณีที่ต้องการทำให้ปฏิกิริยาเกิด) หรือป้อนน้ำหล่อเย็น (เพื่อระบายความร้อนของปฏิกิริยา) การตัดสินใจว่าเมื่อใดควรจะเปลี่ยนจากการให้ความร้อนมาเป็นการระบายความร้อน ขึ้นอยู่กับประสบการณ์ของโอเปอร์เรเตอร์ การควบคุมการปิด-เปิดวาล์วทั้งหมดใช้มือ (คือไม่มีระบบควบคุมอัตโนมัติหรือระยะไหล) รูปที่ ๒ ข้างล่างแสดงแผนผังของระบบถังปฏิกรณ์

ในการทำปฏิกิริยานั้น หลังจากใส่สารตั้งต้นและตัวกระตุ้นเข้าไปในถังปฏิกรณ์แล้ว ปฏิกิริยาจะยังไม่เกิดเนื่องจากสารกระตุ้นยังไม่สลายตัวเป็นอนุมูลอิสระ การทำให้สารกระตุ้นสลายตัวต้องใช้ความร้อนซึ่งทำโดยการใช้ไอน้ำ เมื่อปฏิกิริยาเริ่มเกิดแล้วก็จะมีความร้อนคายออกมา ปฏิกิริยาก็จะเกิดมากขึ้นเรื่อย ๆ จนถึงระดับหนึ่งที่ต้องเปลี่ยนจากการให้ความร้อนมาเป็นการระบายความร้อน เพื่อป้องกันไม่ให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มต่อไปอีก

รูปที่ ๒ ถังปฏิกรณ์ที่เกิดการรั่วไหล

ขั้นตอนการทำงานเพื่อผลิตเรซินมีดังนี้

๑. เติมเมทานอล 1393.2 kg และไอโซโพรพานอล 373.3 เข้าไปในถังปฏิกรณ์

๒. เปิดการทำงานใบพัดปั่นกวน

๓. เติมอะคริลิกโมโนเมอร์ต่าง ๆ ได้แก่กรดอะคริลิก 172.8 kg, เมทิลอะคริเลต 1500 kg, กรดเมทาอะคริลิก 32.6 kg และอะคลิโรไนไตรล์ 20 kg เข้าไปในถังปฏิกรณ์ตามลำดับ

๔. เติมน้ำ 2130 kg และเบนโซอิลเปอร์ออกไซดื 5.6 kg

๕. ป้อนไอน้ำเข้าทาง jacket ให้ความร้อนแก่สารผสมจนมีอุณหภูมิ 60-65ºC เพื่อให้ปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์เริ่มเกิด (สารผสมในถังปฏิกรณ์จะอยู่ในสภาวะที่เดือด)

๖. เมื่อปฏิกิริยาเริ่มเกิดแล้ว เปลี่ยนจากไอน้ำเป็นน้ำหล่อเย็น (ควบคุมด้วยมือ) เพื่อให้อุณหภูมิค่อย ๆ เพิ่มจนถึง 70ºC ในเวลา 70 นาที

๗. หยุดการไหลเวียนน้ำหล่อเย็นที่เข้า jacket หยุดการปั่นกวน และคงปฏิกิริยานั้นไว้ประมาณ 4 ชั่วโมง

๘. เมื่อปฏิกิริยาเสร็จสมบูรณ์ ก็ทำการระบายเอาสารในถังปฏิกรณ์ออก

ในระหว่างการทำงาน ความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมาจะทำให้ตัวทำละลายระเหยกลายเป็นไอ โดยไอะเหยจะไปควบแน่นในเครื่องควบแน่นที่อยู่ด้านบน กลายเป็นของเหลวเย็นไหลกลับคืนสู่ถังปฏิกรณ์ ในขั้นตอนการทำงานที่กล่าวมาข้างต้นไม่ไม่มีการกล่าวถึงการทำงานของเครื่องควบแน่น แต่น่าจะทำงานอยู่ตลอดเวลาแม้ว่าจะหยุดการไหลเวียนน้ำหล่อเย็นเข้า jacket แล้วก็ตาม ถังปฏิกรณ์ใบนี้ได้รับการออกแบบมาเมื่อ ๒๐ ปีก่อนหน้าการเกิดอุบัติเหตุ และไม่มีระบบระบายสารในถังทิ้งในกรณีเกิดเหตุฉุกเฉิน

ในวันที่เกิดเหตุ โอเปอร์เรเตอร์เริ่มการทำงานเวลาประมาณ ๘.๐๐ น เริ่มให้ความร้อนแก่สารตั้งต้นที่เวลาประมาณ ๑๐.๐๐ น เวลาประมาณ ๑๒.๑๐ น ออกไปพักรับประทานอาหารและกลับมาประมาณ ๑๒.๔๐ น ระหว่างการพักรับประทานอาหารเที่ยงไม่มีผู้อยู่ดูแลการเกิดปฏิกิริยา เมื่อโอเปอร์เรเตอร์กลับมาพบว่าอุณหภูมสูงถึง 65ºC แล้ว จึงเริ่มหยุดการป้อนไอน้ำและเปลี่ยนมาเป็นป้อนน้ำหล่อเย็นเมื่อเวลา ๑๒.๕๐ น หลังจากนั้นประมาณ ๕ นาทีถัดมาโอเปอร์เรเตอร์พบว่าอุณหภูมิในถังปฏิกรณ์เพิ่มเป็น 80ºC และเริ่มอยู่นอกเหนือการควบคุมจึงได้พยายามเพิ่มน้ำหล่อเย็นเข้าไปอีกแต่ไม่ประสบความสำเร็จ และเมื่อเวลาประมาณ ๑๓.๑๐ น ก็มีสารฉีดพุ่งออกมาทางด้านบนของถังปฏิกรณ์จึงได้มีการแจ้งสัญญาณเตือนภัยเพื่อให้ทำการอพยพทันที ในช่วงเวลาถัดจากนั้นไม่นานก็เกิดการระเบิดขึ้นหลายครั้ง ส่งผลให้มีผู้เสียชีวิต ๑ รายแลบาดเจ็บ ๑๑๒ คน รูปที่ ๓ คือภาพถังปฏิกรณ์หลังการระเบิด

การสอบสวนพบต้นตอที่เกี่ยวข้องกับการเกิดการระเบิดหลายข้อ ไม่ว่าจะเป็นเรื่อง

- การควบคุมอุณหภูมิที่ใช้การทำงานด้วยมือโดยให้โอเปอร์เรเตอร์ตัดสินใจเองเรื่องการควบคุมการเปิด-ปิดวาล์วไอน้ำและน้ำหล่อเย็น ซึ่งถ้ามีความล่าช้าในการตัดสินใจดังกล่าวก็จะทำให้ปฏิกิริยาเร่งตัวเองจนนอกเหนือการควบคุมได้ (ที่เรียกว่าการเกิด runaway)

- การออกแบบกระบวนการที่ให้ทำงานที่อุณหภูมิ 65-70ºC ที่ใกล้กับอุณหภูมิที่ทำให้ปฏิกิริยาเร่งตัวเองจนนอกเหนือการควบคุมได้ (80ºC) ซึ่งถ้าหากโอเปอร์เรเตอร์มีความล่าช้าในการตัดสินใจหรือการทำงาน ก็จะทำให้ปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นนั้นสูงเกินความสามารถในการระบายความร้อนออกได้

การสอบสวนยังพบว่าก่อนหน้านี้ก็มีโอเปอร์เรเตอร์ได้รายงานเหตุการณ์ที่อุณหภูมิในถังปฏิกรณ์เพิ่มรวดเร็วผิดปรกติ จนสูงเกินอุณหภูมิสูงสุดที่กำหนดไว้ในขั้นตอนการทำงาน แต่ในที่สุดอุณหภูมิก็ค่อย ๆ ลดลงมาอยู่ที่ระดับปรกติ โดยเหตุการณ์นี้ได้เกิดขึ้นหลายครั้ง แต่ทางฝ่ายบริหารก็ไม่ได้มีการสอบสวนสาเหตุของเหตุการณ์เหล่านี้

- ถังปฏิกรณ์ไม่มีการติตดั้งระบบความปลอดภัย ไม่ว่าจะเป็นระบบลดอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว หรือระบบระบายสารในถังปฏิกรณ์ทิ้ง เพื่อหยุดปฏิกิริยาเคมี

รูปที่ ๓ ภาพถังปฏิกรณ์หลังการระเบิด รูปนี้น่าเป็นภาพทางด้านบน โดยมุมขวาบนน่าจะเป็นเครื่องควบแน่น

การสอบสวนพบว่าอุณหภูมิในถังปฏิกรณ์ได้เพิ่มอย่างรวดเร็วจาก 60ºC ไปถึงประมาณ 170-210ºC และอัตราการเพิ่มอุณหภูมิสูงสุดอาจสูงถึง 192ºC ต่อนาที บทความนี้กล่าวว่าสิ่งที่คณะกรรมการสอบสวนยังตกลงกันไม่ได้คือการระเบิดที่รุนแรงสุดนั้นเกิดจากอะไร โดยการระเบิดครั้งแรกนั้นเกิดจากสารในถังปฏิกรณ์ที่รั่วไหลออกมา ซึ่งประมาณแรงระเบิดได้เทียบเท่ากับระเบิด TNT 1000 kg ส่วนการระเบิดครั้งที่สองเกิดจากการเผาไหม้เบนโซอิลเปอร์ออกไซด์ (สารนี้เป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง) จำนวน 100 kg ที่จัดเก็บในชั้นวางที่ห่างถังปฏิกรณ์ไป 10 เมตร ซึ่งความร้อนจากการระเบิดครั้งแรกทำให้สารนี้สลายตัวที่อุณหภูมิ 104ºC และระเบิดตามมาหลังจากนั้นในเวลา 0.1-0.3 วินาที แม้ว่าสารนี้จะมีปริมาณไม่มาก แต่ให้การเปลี่ยนแปลงความดันจากการระเบิดสูงมาก (900-1100 bar/sec) ซึ่งสูงกว่าการระเบิดของไอสารอินทรีย์ 2-3 เท่า

ความรุนแรงของการระเบิดขึ้นอยู่กับอัตราการคายพลังงานออกมา ยิ่งอัตราการคายพลังงานสูง ความรุนแรงก็จะสูงตาม เพราะทำให้อัตราการเปลี่ยนแปลงความดันมีค่าสูงมาก ตัวอย่างเช่น TNT ถ้าเผาไหม้สมบูรณ์จะได้พลังงานความร้อนออกมาเพียงแค่ 1 ใน 3 ของน้ำมันเบนซิน แต่ถ้าเกิดการระเบิดจะให้พลังงานออกมาเพียงแค่ไม่ถึงครึ่งของพลังงานที่ได้จากการเผาไหม้สมบูรณ์ แต่ด้วยอัตราการคายพลังงานที่สูงมาก จึงทำให้อำนาจการทำลายล้างสูงกว่า

ถ้าเอาคำ "เบนโซอิลเปอร์ออกไซด์" หรือ "benzoyl peroxide" นี้ไปให้ google ค้นดู รายการแรก ๆ ที่โผล่ขึ้นมาจะเกี่ยวข้องกับการใช้เป็นยารักษาสิว

จากโอเลฟินส์ถึงพอลิอีเทอร์ (From olefins to polyethers) MO Memoir : Wednesday 14 October 2558

ในขณะที่เคมีอินทรีย์เน้นไปที่การสอนให้เรารู้จักกลไกการเกิดปฏิกิริยาแต่ละปฏิกิริยา คือเน้นไปที่ทำอย่างไรจึงจะทำให้เกิดหมู่ฟังก์ชันที่ต้องการ แทบจะไม่มีการกล่าวถึงการจัดการกับผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่เกิดขึ้น ไม่มีการมองถึงวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์ที่สัมผัสกับสารเคมีว่าทนการกัดกร่อนของสารเคมีได้หรือไม่ (เพราะมักมองว่าใช้เครื่องแก้วเป็นหลัก) วิศวกรรมเคมีจะเน้นไปที่การสอนให้มองกระบวนการผลิตทั้งกระบวนการ คือให้มองด้วยว่าจะได้สารตั้งต้นนั้นมาอย่างไร ในสภาพใด (ความบริสุทธิ์และสารปนเปื้อนที่ติดมาด้วย) การทำปฏิกิริยานั้นอยู่ในสภาพที่อุปกรณ์เครื่องใช้ต่าง ๆ ที่เป็นโลหะที่สัมผัสกับสารเคมีต่าง ๆ นั้นทนการกัดกร่อนได้หรือไม่ และจะจัดการกับผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่เกิดขึ้นนั้นอย่างไร
  

Memoir ฉบับนี้ก็เป็นการเอาแผ่นใสเก่า ๆ ที่เคยใช้สอนเคมีอินทรีย์ให้กับนิสิตวิศวกรรมเคมีมาเรียบเรียงเขียนใหม่ เพราะมันคงจะไม่ได้ใช้อีกต่อไปแล้วทั้ง ๆ เพราะตอนนี้ตามห้องเรียนต่าง ๆ ก็แทบไม่มีเครื่องฉายแผ่นใสเหลือให้ใช้อีกแล้ว และขอเริ่มด้วยเรื่อง "จากโอเลฟินส์ถึงพอลิอีเทอร์" หรือในชื่อภาษาอังกฤษ (ที่ตั้งขึ้นเอง) ว่า "From olefins to polyethers"

เราเริ่มจากปฏิกิริยาแรกก่อน พันธะ C=C ของอัลคีน (alkene) นั้นสามารถเกิดปฏิกิริยากับฮาโลเจนได้โดยไม่ต้องมีแสงหรือความร้อนช่วย ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือสารประกอบอัลคิลเฮไลด์ (alkyl halide) โดยอะตอม C ของพันธะ C=C แต่ละอะตอมจะมีอะตอมเฮไลด์เข้าไปเกาะ แต่ถ้าหากในปฏิกิริยานั้นมีน้ำ (H₂O) ร่วมอยู่ด้วย หลังจากที่อะตอมเฮไลด์อะตอมแรกเข้าไปสร้างพันธะกับอะตอม C 1 อะตอมของพันธะ C=C แล้ว โมเลกุลของน้ำจะเข้าไปแย่งเกาะกับอะตอม C อีกอะตอมหนึ่งของพันธะ C=C เดิม เกิดเป็นหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) เกาะที่อะตอม C อะตอมนั้น สารประกอบที่ได้จะมีหมู่ -OH และเฮไลด์เกาะอยู่บนอะตอม C 2 อะตอมที่อยู่เคียงข้างกัน สารประกอบนี้เรียกว่าฮาโลไฮดริน (halohydrin)
 

รูปที่ ๑ (ซ้าย) ปฏิกิริยาระหว่างเอทิลีน (H₂C=CH₂) กับคลอรีน (Cl₂) จะได้ผลิตภัณฑ์ออกมาเป็น 1,2-dichloroethane แต่ถ้าในปฏิกิริยานั้นมีน้ำร่วมอยู่ด้วย (ขวา) น้ำจะสามารถเข้าไปแย่งอะตอม Cl ตัวที่สองเกาะกับอะตอม C ได้ผลิตภัณฑ์ออกมาเป็น 2-chloroethanol (เรื่องการเตรียม 2-chloroethanol เคยกล่าวไว้ใน Memoir ปีที่ ๗ ฉบับที่ ๘๘๖ วันศุกร์ที่ ๗ พฤศจิกายน ๒๕๕๗ เรื่อง "แก๊สมัสตาร์ดกับกลิ่นทุเรียน")

ปฏิกิริยาหนึ่งของสารประกอบที่มีหมู่ -OH คือปฏิกิริยา dehydration หรือการกำจัดน้ำออก ปฏิกิริยานี้เกิดได้โดยมีกรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ในปฏิกิริยานี้หมู่ -OH จะถูกดึงออกจากอะตอม C ร่วมกับอะตอม H อีกอะตอมหนึ่ง (ที่ไม่ได้เกาะอยู่กับอะตอม C ที่มีหมู่ -OH เกาะอยู่) ถ้าหากว่าอะตอม H นั้นเป็นอะตอม H ที่เกาะอยู่บนอะตอม C ที่อยู่เคียงข้างอะตอม C ที่มีหมู่ -OH เกาะอยู่ ก็จะเกิดเป็นพันธะคู่ C=C แต่ถ้าหากอะตอม H นั้นมาจากหมู่ -OH อีกหมู่หนึ่ง ก็จะเกิดเป็นโครงสร้างอีเทอร์ (ether) -O- ส่วนผลิตภัณฑ์ที่ได้จะออกมาเป็นอะไรนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ เช่นในกรณีของเอทานอล ที่อุณภูมิต่ำจะได้ไดเอทิลอีเทอร์ (H₅C₂-O-C₂H₅) แต่ถ้าเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นจะได้เอทิลีน (H₂C=CH₂) (รูปที่ ๒)

รูปที่ ๒ ปฏิกิริยา dehydration ของเอทานอลด้วยกรดกำมะถัน ที่อุณหภูมิสูง (บน) จะได้เอทิลีน แต่ที่อุณหภูมิต่ำ (ล่าง) จะได้ไดเอทิลอีเทอร์

กรณีที่น่าสนใจคือกรณีของสารประกอบไกลคอล (พวกที่มีหมู่ -OH สองหมู่ในโมเลกุลเดียวกัน) ที่หมู่ -OH ทั้งสองนั้นอยู่บนอะตอม C ที่เคียงข้างกัน อย่างเช่นในกรณีของเอทิลีนไกลคอล (ethylene glycol) และโพรพิลีนไกลคอล (propylene glycol) ทั้งสองกรณีนั้นไม่พบการเกิดพันธะ C=C แต่จะเป็นการเกิดเป็นโครงสร้างอีเทอร์ -O- เป็นหลัก โดยถ้าเป็นการหลอมรวมกันระหว่างหมู่ -OH ที่อยู่เคียงข้างกันของอะตอมเดียวกัน จะกลายเป็นโครงสร้าง -O- ที่เป็นวงที่เรียกว่า epoxide เกิดเป็นสารประกอบอีพอกไซด์ แต่ถ้าเกิดขึ้นระหว่างหมู่ -OH จากสองโมเลกุลมาหลอมรวมกัน ก็จะเกิดเป็นโมเลกุลอีเทอร์ที่ใหญ่ขึ้น โดยที่ปลายแต่ละด้านนั้นยังคงมีหมู่ -OH หลงเหลืออยู่ (รูปที่ ๓)
 

รูปที่ ๓ การเกิดปฏิกิริยา dehydration ของเอทิลีนไกลคอลและโพรพิลีนไกลคอล ผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นอาจเป็นสารประกอบอีพอกไซด์หรือโมเลกุลอีเทอร์ที่ยังคงมีหมู่ -OH อยู่ที่ปลายสายโซ่ทั้งสองข้าง
 

ประเด็นที่น่าสนใจก็คือการควบแน่นของหมู่ -OH สองหมู่จากสองโมเลกุลไกลคอล ที่ทำให้ผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นยังคงมีหมู่หมู่ -OH อยู่ที่ปลายสายโซ่ทั้งสองข้าง และหมู่ -OH ที่ปลายสายโซ่นี้ก็ยังสามารถเกิดปฏิกิริยา dehydration กับหมู่ -OH ของโมเลกุลไกลคอลตัวใหม่ได้ กลายเป็นโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ ได้ ผลิตภัณฑ์ที่ได้เรียกว่าพอลิอีเทอร์ (polyether) ที่มีโครงโมเลกุลประกอบไปด้วยหมู่อัลคิล R กับพันธะอีเทอร์ -O- เรียงตัวสลับกันไปในรูปแบบ ... -R-O-R-O-R-O- .... ถ้าสารตั้งต้นคือเอทิลีนไกลคอล ผลิตภัณฑ์ทีได้ก็คือพอลิเอทิลีนไกลคอล (polyethylene glycol ที่ย่อว่า PEG) และถ้าสารตั้งต้นคือโพรพิลีนไกลคอล ผลิตภัณฑ์ทีได้ก็คือพอลิโพรพิลีนไกลคอล (polypropylene glycol ที่ย่อว่า PPG) ไกลคอลทั้งสองตัวนี้และพอลิอีเทอร์ของไกลคอลทั้งสองตัวนี้ต่างพบได้ในส่วนผสมของผลิตภัณฑ์เกี่ยวกับผิวที่ใช้กันทั่วไปในชีวิตประจำวัน
 

รูปที่ ๔ ตัวอย่างสลากผลิตภัณฑ์ที่มีไกลคอลและพอลิอีเทอร์เป็นส่วนผสม ตัวเลขที่ต่อท้ายเป็นตัวบอกขนาดของสารโซ่พอลิเมอร์ ถ้าตัวเลขมากขึ้นก็แสดงว่าเป็นพอลิเมอร์ที่ใหญ่ขึ้น และนอกจากนี้ยังอาจมีการให้หมู่ -OH ที่ปลายโซ่ทำปฏิกิริยาเกิดเป็นเอสเทอร์กับกรดอินทรีย์ ก็เลยมีการเพิ่มชื่อสารที่นำมาทำปฏิกิริยาต่อท้ายเข้าไปอีก
 

การสังเคราะห์พอลิเอทิลีนไกลคอลและพอลิโพรพิลีนไกลคอลจากเอทิลีนไกลคอลและโพรพิลีนไกลคอลนั้นมันมีข้อดีตรงที่สารตั้งต้น (เอทิลีนไกลคอลและโพรพิลีนไกลคอล) เป็นสารที่มีความปลอดภัยในแง่ที่มันมีเสถียรภาพ แต่ไปมีปัญหาตรงที่มันมีน้ำเกิดขึ้นจากการทำปฏิกิริยาที่ต้องมีการกำจัดออก ในอุตสาหกรรมนั้นมองว่าการใช้อีพอกไซด์เป็นสารตั้งต้นน่าจะดีกว่า เพราะมีความว่องไวในการทำปฏิกิริยาที่สูงกว่า (โครงสร้างอีพอกไซด์มีความเครียดของพันธะค่อนข้างสูง เพราะมุมพันธะค่อนข้างเล็ก ทำให้ว่องไวในการทำปฏิกิริยา) และยังไม่เกิดน้ำเมื่อมีการต่อโมเลกุลเข้าด้วยกัน แต่ทั้งนี้ก็ต้องเพิ่มความระมัดระวังในการใช้งานสารประกอบอีพอกไซด์ ด้วยการที่มันมีเสถียรภาพที่ต่ำกว่า และการสลายตัวของมันอย่างรุนแรงก็ก่อให้เกิดอันตรายได้ แต่ถึงกระนั้นก็ตามในอุตสาหกรรมการก็ยังเลือกที่จะใช้เอทิลีนออกไซด์ (ethylene oxide หรือบางทีเรียกย่อว่า EO) เป็นสารตั้งต้นในการผลิตพอลิเอทลีนไกลคอล และใช้โพรพิลีนออกไซด์ (propylene oxide หรือบางทีเรียกว่า PO) เป็นสารตั้งต้นในการผลิตพอลิโพรพิลีนไกลคอล

รูปที่ ๕ จากเอทิลีนมาเป็นเอทิลีนออกไซด์และกลายเป็นพอลิเอทิลีนไกลคอล

ในอดีตนั้นเอทิลีนออกไซด์เตรียม 2-chloroethanol โดยดึงเอาอะตอม Cl และอะตอม H ของหมู่ -OH ออก (แบบเดียวกับปฏิกิริยา Williamson synthesis ที่ใช้ในการสังเคราะห์อีเทอร์จากสารประกอบเฮไลด์กับแอลกอฮอล์ แต่คราวนี้หมู่เฮไลด์และ -OH นั้นอยู่บนโมเลกุลเดียวกันและอยู่เคียงข้างกัน) แต่ในปัจจุบันในระดับอุตสาหกรรมจะสังเคราะห์เอทิลีนออกไซด์จากปฏิกิริยาการออกซิไดซ์เอทิลีนกับออกซิเจนโดยตรง โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยา (เช่นที่เป็นโลหะตระกูล Ag) ช่วยในการเร่งปฏิกิริยา

รูปที่ ๖ การสังเคราะห์โพรพิลีนออกไซด์ เส้นทางบนเป็นการสังเคราะห์ผ่านปฏิกิริยาคลอโรไฮดริน (ในความเป็นจริงจะเกิดปฏิกิริยา chlorination ร่วมด้วย)  ส่วนเส้นล่างเป็นการสังเคราะห์ผ่านปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ด้วยสารประกอบเปอร์ออกไซด์
 

การสังเคราะห์โพรพิลีนออกไซด์จากปฏิกิริยาระหว่างโพรพิลีนกับออกซิเจนนั้นทำได้ยากกว่า เพราะผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นมีความว่องไวสูง พร้อมที่จะทำปฏิกิริยาต่อกับออกซิเจนจนสลายตัวไปเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (แต่ปัจจุบันก็เริ่มมีการจดสิทธิบัตรกระบวนการผลิตด้วยวิธีการดังกล่าวบ้างแล้ว คงรอแต่ว่าเมื่อใดจะสามารถออกมาเป็นกระบวนการผลิตหลัก) การได้มาซึ่งโพรพิลีนออกไซด์จึงมาจากเส้นทางที่แตกต่างไปจากการได้มาซึ่งเอทิลีนออกไซด์ ปัจจุบันเส้นทางหลักที่ใช้ในการผลิตโพรพิลีนออกไซด์มีอยู่ด้วยกันสองเส้นทางคือ (๑) ผ่านทางปฏิกิริยาคลอโรไฮดริน และ (๒) ผ่านทางการออกซิไดซ์ด้วยสารประกอบเปอร์ออกไซด์
 

เส้นทางคลอโรไฮดรินนั้นเริ่มจาก เอทิลีน คลอรีน และน้ำ มีนอกจากจะได้โพรพิลีนออกไซด์แล้วยังมีผลิตภัณฑ์ร่วมเกิดขึ้นคือ 1,2-dichloropropane และ CaCl₂ (มาจากหินปูนที่ใช้ในการดักจับคลอรีนและคลอไรด์) ตัวอย่างหนึ่งของแผนผังกระบวนการผลิตแสดงไว้ในรูปที่ ๗ ข้างล่าง กระบวนการนี้แม้ว่าจะพึ่งสารตั้งต้นจากปิโตรเคมีเพียงตัวเดียว (คือโพรพิลีน) แต่ก็มีปัญหาคือจะทำอย่างไรกับผลิตภัณฑ์ร่วมที่เกิดขึ้นสองตัวนั้น
  

รูปที่ ๗ กระบวนการผลิตโพรพิลีนออกไซด์ผ่านทางเส้นทางคลอโรไฮดริน (จากบทความเรื่อง "The production of propylene oxide : Catalytic processes and recent developments" โดย T. Alexander Nijhuis, Michiel Makkee, Jacob A. Moulijin และ Bert M. Weckhuysen ในวารสาร Ind. Eng. Chem. Res. ปีค.ศ. 2006, 45, หน้า 3447-3459)
 

อันที่จริงรูปที่ ๗ แสดงให้เห็นปัญหาข้อหนึ่งที่ตำราเคมีอินทรีย์มักไม่กล่าวถึง คือเวลาตำราเคมีอินทรีย์พูดถึงปฏิกิริยาฮาโลไฮดริน ก็พูดแต่ปฏิกิรยานี้ปฏิกิริยาเดียว โดยไม่กล่าวถึงปฏิกิริยาฮาโจนีเนชัน (halgenation) ที่สามารถเกิดคู่ควบได้ ในกรณีของปฏิกิริยาคลอโรไฮดรินของเอทิลีน ก็หลีกไม่ได้ที่จะเกิดปฏิกิริยา chlorination ร่วมด้วย ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่เป็น 1,2-dichloroethane ออกมา ส่วนจะเกิดมากน้อยเท่าใดนั้นขึ้นอยู่กับสภาวะที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาโดยเฉพาะอัตราส่วนของสารตั้งต้นแต่ละตัว (ตรงนี้คงต้องขอทิ้งไว้เป็นโจทย์ให้ไปคิดกันเองเล่น ๆ)
  

เส้นทางการผลิตโพรพิลีนออกไซด์ผ่านทางการใช้สารประกอบเปอร์ออกไซด์นั้นเริ่มจากการเตรียมสารประกอบเปอร์ออกไซด์ขึ้นก่อน (คือเตรียมขึ้นเองในโรงงานแล้วก็ใช้งานเลย) ตัวอย่างกระบวนการที่แสดงในรูปที่ ๘ นั้นใช้ปฏิกิริยาการออกซิไดซ์เอทิลเบนซีนให้กลายเป็นสารประกอบเปอร์ออกไซด์ก่อน จากนั้นจึงนำเอาโพรพิลีนมาทำปฏิกิริยากับสารประกอบเปอร์ออกไซด์ที่ได้ ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือโพรพิลีนออกไซด์และแอลกอฮอล์ ตัวแอลกอฮอล์เองจะถูกนำไปผ่านปฏิกิริยา dehydration เพื่อดึงหมู่ -OH ออกกลายเป็นสไตรีน 
  

แม้ว่าเส้นทางนี้จะมีข้อดีกว่าเส้นทางคลอโรไฮดรินคือไม่มีปัญหาในการหาทางจัดการกับผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่มีปัญหาในการกำจัดมากกว่า (1,2-dichloropropane) แต่ก็จำเป็นต้องพึ่งพาสารตั้งต้นจากปิโตรเคมีสองตัว แลยังต้องหาทางจำหน่ายสไตรีนที่เป็นผลิตภัณฑ์ร่วมที่เกิดขึ้นในสัดส่วนเดียวกับโพรพิลีนออกไซด์ที่ได้นั้นด้วย แต่ถึงกระนั้นก็ตามโดยภาพรวมทำให้ในปัจจุบันกระบวนการหลังนี้เป็นที่นิยมมากกว่าเส้นทางคลอโรไฮดริน และก็ความพยายามที่จะสังเคราะห์โพรพิลีนออกไซด์จากปฏิกิริยาการออกซิไดซ์โพรพิลีนกับออกซิเจนโดยตรงนั้นก็ยังคงอยู่
 

รูปที่ ๘ การผลิตโพรพิลีนออกไซด์ผ่านปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ด้วยสารประกอบเปอร์ออกไซด์ โดยในที่นี้สารประกอบเปอร์ออกไซด์ที่ใช้นั้นเตรียมจากปฏิกิริยาการออกซิไดซ์เอทิลเบนซีน (C₆H₅-CH₂-CH₃) (จากบทความเดียวกับรูปที่ ๗)

ที่กล่าวมาทั้งหมดนั้นคือสิ่งที่อยากให้ผู้เรียนได้เรียนรู้และทำความเข้าใจเมื่อผมสอนเรื่องปฏิกิริยา dehydration ของหมู่ -OH โดยการยกเอาการสังเคราะห์พอลิเอทิลีนไกลคอลและโพรลิโพรพิลีนไกลคอลมาเป็นตัวอย่าง โดยอยากให้มองเห็นภาพตั้งแต่การได้มาซึ่งสารตั้งต้น สิ่งที่เกิดขึ้นจากกระบวนการผลิต และการจัดการกับผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่เกิดขึ้น ส่วนแผ่นใสต้นฉบับที่ใช้เป็นต้นเรื่องของบทความฉบับนี้หน้าตาเป็นอย่างไร ก็ดูได้จากรูปที่ ๙ ในหน้าถัดไป
 

รูปที่ ๙ หน้าตาของแผ่นใสต้นฉบับที่ใช้เป็นต้นเรื่องของบทความฉบับนี้

อีเทอร์กับการเกิดสารประกอบเปอร์ออกไซด์ MO Memoir : Friday 27 March 2558

ตอนที่กลับมาทำงานใหม่ด้วยการรับหน้าที่ดูแลห้องปฏิบัติการเคมีพื้นฐานที่ใช้สอนนิสิตปี ๒ นั้น งานแรกที่กระทำคือจัดการกับสารเคมีต่าง ๆ ที่ไม่มีการใช้งาน และจัดระเบียบการเก็บสารเคมี และสารตระกูลหนึ่งที่มีการพิจารณาการใช้งานเป็นพิเศษคือสารตระกูล "อีเทอร์ - Ether"
  

เมื่อพิจารณาจากจำนวนอะตอม C H และ O ที่มีอยู่ในโมเลกุล สามารถจัดได้ว่าอีเทอร์ R-O-R' เป็นไอโซเมอร์กับแอลกอฮอล์ R-OH จึงไม่แปลกที่ตำราเคมีอินทรีย์หลายเล่มจะรวมเรื่องของอีเทอร์ไว้กับหัวข้อแอลกอฮอล์ ทั้ง ๆ ที่สารทั้งสองมีพฤติกรรมการทำปฏิกิริยาเคมีที่แตกต่างกัน (ค่อนข้างจะมากซะด้วย)
  

อีเทอร์จัดว่าเป็นสารประกอบที่ค่อนข้างเฉื่อย (ทำนองเดียวกับอัลเคน) แต่เนื่องด้วยโครงสร้างโมเลกุลอีเทอร์มีทั้งส่วนที่ไม่มีขั้ว (หมู่ R และ R') และส่วนที่มีขั้วอยู่เล็กน้อย (ตรงอะตอม O) ทำให้สารอินทรีย์จำนวนมากสามารถละลายได้ในอีเทอร์ จึงทำให้นิยมใช้อีเทอร์ในการสกัดสารอินทรีย์ และประกอบกับการที่อีเทอร์มีจุดเดือดต่ำ ทำให้สามารถแยกอีเทอร์ออกจากสารอินทรีย์ที่มันสกัดออกมาได้โดยไม่ต้องใช้อุณหภูมิสูง (ซึ่งอาจทำให้สารอินทรีย์ที่สกัดออกมานั้นเสื่อมสภาพได้) เพียงแค่ใช้อุณหภูมิไม่มากกับสุญญากาศช่วย ก็สามารถแยกอีเทอร์ออกจากสารที่สกัดออกมาได้ง่าย
  

แต่ถึงกระนั้นก็ตามอีเทอร์ในสภาพที่เก็บรักษาเอาไว้ในขวดนั้น สามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศ (ซึ่งมักจะเริ่มการสัมผัสเมื่อเปิดขวดใช้ครั้งแรก) ได้อย่างช้า ๆ เกิดเป็นสารประกอบไฮโดรเปอร์ออกไซด์ (hydroperoxide - ดูรูปที่ ๑ ข้างล่าง) ซึ่งสารประกอบไฮโดรเปอร์ออกไซด์นี้สามารถเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรซ์เป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นของสารประกอบเปอร์ออกไซด์ (peroxide)

รูปที่ ๑ การเกิดสารประกอบเปอร์ออกไซด์ของไดเอทิลอีเทอร์ (Diethyl ether H₃C-CH₂-O-CH₂-CH₃)

สารประกอบเปอร์ออกไซด์ของอีเทอร์ตัวนี้แหละที่เป็นปัญหา เพราะมันเป็นสารประกอบที่ไม่เสถียรและไวต่อการเสียดสี ในกรณีของอีเทอร์ที่บรรจุขวดมานั้น บริเวณที่มีการสัมผัสกันระหว่างอีเทอร์กับออกซิเจนในอากาศก็คือบริเวณฝาขวดที่จะเริ่มมีการสัมผัสกันครั้งแรกเมื่อมีการเปิดขวดอีเทอร์ขวดนั้นครั้งแรก ดังนั้นบริเวณนี้จะเป็นที่สะสมของสารประกอบเปอร์ออกไซด์ที่เกิดขึ้น แรงเสียดสีที่เกิดขึ้นเมื่อทำการเปิดฝาขวดนั้นมากเพียงพอที่จะทำให้สารประกอบเปอร์ออกไซด์ที่สะสมอยู่นั้นสลายตัวและเกิดการระเบิดขึ้นมาได้
  

ด้วยเหตุนี้สำหรับผู้ที่ต้องใช้อีเทอร์ในการทำการทดลองนั้น จึงควรที่จะต้องทำการบันทึกเอาไว้ว่าขวดอีเทอร์ที่ใฃ้นั้นมีการเปิดใช้ครั้งแรกเมื่อใด และถ้าหากใช้ไม่หมดภายใน ๖ เดือนก็ต้องทำการกำจัดเปอร์ออกไซด์ที่เกิดขึ้น (ถ้ายังต้องการเก็บอีเทอร์ขวดนั้นไว้ใช้ต่อ) หรือกำจัดอีเทอร์ขวดนั้นทิ้งไป (ถ้าไม่ต้องการใช้อีเทอร์ขวดนั้นอีกแล้ว) แต่การระเบิดนั้นก็ไม่จำเป็นต้องเกิดขณะเปิดฝาขวด แม้ว่าจะเก็บขวดอีเทอร์ดังกล่าวไว้ในตู้เย็น ก็ยังสามารถเกิดการระเบิดขึ้นมาได้ (ดูรูปที่ ๒ ข้างล่าง)
  

รูปที่ ๒ ภาพตู้เย็นเก็บสารเคมี (ตัวซ้าย) เสียหายจากการระเบิดของอีเทอร์อันเนื่องมาจากการเกิดสารประกอบเปอร์ออกไซด์ (จากหนังสือ A Short Course in Organic Chemistry โดย Edward E. Burgoyne พิมพ์ครั้งที่ 3 ปีค.ศ. 1985)

แต่ไม่ได้หมายความนะว่าสารประกอบอีเทอร์ทุกตัวจะมีปัญหาเรื่องการเกิดสารประกอบเปอร์ออกไซด์ อีเทอร์บางตัวก็ไม่ค่อยมีปัญหาดังกล่าว (เรียกได้ว่าเป็นข้อยกเว้น) เมทิลเทอร์เชียรีบิวทิลอีเทอร์ (Methyl tertiary butyl ether - MTBE) ที่ใช้เป็นสารเพิ่มเลขออกเทนในน้ำมันเบนซิน (มีผสมอยู่ในน้ำมันเบนซิน 10%) ที่มีการผลิตใช้กันมากในอุตสาหกรรมจากปฏิกิริยาระหว่างไอโซบิวทิลีนกับเมทานอล (รูปที่ ๓) ก็สามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงได้อย่างปลอดภัย ไดเมทิลอีเทอร์ (Dimethyl ether H₃C-O-CH₃) ที่มีความพยายามคิดจะนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงแทนแก๊สหุงต้มหรือน้ำมันดีเซลก็เป็นอีกตัวหนึ่งที่ทนต่อการเกิดสารประกอบเปอร์ออกไซด์
  

รูปที่ ๓ ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ Methyl tertiary butyl ether หรือ MTBE ที่ใช้เป็นสารเพิ่มเลขออกเทนหลักในน้ำมันเบนซินจากปฏิกิริยาระหว่างไอโซบิวทิลีนกับเมทานอล

ส่วนไดเอทิลอีเทอร์ (Diethyl ether H₃C-CH₂-O-CH₂-CH₃) หรือไดไอโซโพพิลอีเทอร์ (Diisopropyl ether (H₃C)₂-CH-O-CH-(CH₃)₂) จะมีปัญหาการเกิดเปอร์ออกไซด์ที่สูงกว่า และมักจะได้รับการกล่าวถึงอยู่เสมอ

รูปที่ ๔-๖ เป็นภาพข่าวที่ค้นมาให้ดูเป็นตัวอย่าง เป็นกรณีของอุบัติเหตุที่เกิดจากการระเบิดของสารประกอบเปอร์ออกไซด์ที่เกิดจากการทำปฏิกิริยาระหว่างสารที่ต้องการใช้ (ไดเอทิลอีเทอร์ในรูปที่ ๔ และเททระไฮโดรฟูรานในรูปที่ ๕ และ ๖) กับออกซิเจนในอากาศ ซึ่งปฏิกิริยาดังกล่าวเกิดขึ้นหลังจากที่มีการเปิดขวดสารเคมีใช้ ตัวอย่างที่ยกมานี้มีผู้ได้รับบาดเจ็บทั้งสิ้น และดูเหมือนว่าผู้ที่ได้รับบาดเจ็บนั้นไม่ใช่อาจารย์ แต่เป็น "นิสิต" ผู้ทำการทดลอง ในทั้งสองกรณีนั้นการระเบิดไม่ได้เกิดขึ้นในขณะพยายามเปิดขวด แต่เป็นในระหว่างที่มีการนำสารเคมีดังกล่าวนั้นมาใช้งาน อุบัติเหตุทั้งสองกรณีมีรูปแบบการเกิดที่เหมือนกันคือใช้ตัวทำละลายที่มีเปอร์ออกไซด์ปนเปื้อนอยู่ และเมื่อระเหยตัวทำละลายออกไป ความเข้มข้นของเปอร์ออกไซด์ในสารละลายที่เหลือก็เพิ่มสูงขึ้น ประกอบกับอุณหภูมิที่ใช้ในการระเหย (ดูแล้วไม่น่าจะมากเท่าใด) ก็เลยทำให้เกิดการระเบิดของสารประกอบเปอร์ออกไซด์นั้น
  

รูปที่ ๔ ข่าวการระเบิดที่การสอบสวนคาดว่าน่าจะเกิดจากการใช้ไดเอทิลอีเทอร์ที่มีสารประกอบเปอร์ออกไซด์ปนเปื้อนอยู่ (จาก http://www.ab.ust.hk/hseo/Lesson/Diethyl%20ether%20explosion.htm)
  

รูปที่ ๕ ข่าวการระเบิดจากการเกิดเปอร์ออกไซด์ของเททระไฮโดรฟูราน (tetra hydrofuran)

รูปที่ ๖ จดหมายข่าวเหตุการณ์ระเบิดในรูปที่ ๕

(รูปที่ ๕ นำมาจาก https://www.ehs.uci.edu/salerts/Lesson%20Learned_Peroxide.pdf)

(รูปที่ ๖ นำมาจาก http://www2.lbl.gov/msd/assets/docs/safety/Mat_Safety_january07.pdf)

อันที่จริงการระเบิดที่ (เชื่อว่าน่าจะเกิดจาก) สารประกอบเปอร์ออกไซด์ก็เคยเกิดขึ้นในห้องแลปที่กลุ่มของเราทำการทดลองร่วมกับกลุ่มอื่น ซึ่งเคยเล่าเอาไว้เมื่อกว่า ๔ ปีที่แล้วใน Memoir ๒ ฉบับก่อนหน้านี้คือ

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๐๕ วันจันทร์ที่ ๒๐ กันยายน ๒๕๕๓ เรื่อง "เมื่อขวดทิ้งสารระเบิด" (ฉบับนี้มีภาพประกอบ) และ

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๓๒ วันอังคารที่ ๑๔ ธันวาคม ๒๕๕๓ เรื่อง "ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์และคีโตน"

กรณีที่เกิดขึ้นในห้องแลปเรานั้นเป็นกรณีของการเกิดสารประกอบเปอร์ออกไซด์จากการผสมสารเคมีสองชนิดที่ไม่ควรนำมาผสมกัน (หรือต้องกระทำด้วยความระมัดระวังถ้าต้องการผสมกันจริง และต้องรู้ด้วยว่ากำลังเล่นกับอะไรอยู่) แต่มีการนำมาผสมเข้าด้วยกันอย่างตั้งใจโดยที่ "ไม่รู้" ว่ามันมีสิทธิเกิดปฏิกิริยาอะไรขึ้นมาบ้าง
  

ที่เขียนเรื่องนี้ก็ไม่ใช่อะไรหรอก ใครทำแลปอยู่ก็ควรลองชำเลืองดูรอบข้างหน่อยด้วย ว่ามีใครใช้สารอะไรกันบ้าง เพราะเวลาที่มันเกิดเรื่องแต่ละที คนที่ไม่รู้อิโหน่อิเหน่ที่อยู่รอบข้างจะเจ็บตัวไปด้วย