การเลือกวัสดุสำหรับ Cl2 และ HCl MO Memoir : Sunday 27 October 2562

ช่วงกลางเดือนตุลาคมที่ผ่านมา มีโอกาสได้เข้ารับการอบรมที่ทางสถานฑูตสหรัฐอเมริกาประจำประเทศไทยจัดให้กับเจ้าหน้าที่ของกรมการค้าต่างประเทศ กระทรวงพาณิชย์ และบุคคลากรจากทางมหาวิทยาลัย เกี่ยวกับการพิจารณาสินค้าที่ใช้ได้สองทาง (Dual-used item หรือ DUI) โดยการอบรมครั้งนี้จะเน้นไปที่การพิจารณาตัวผู้รับสินค้าเป็นหลักเสียเป็นส่วนใหญ่ โดยมีเรื่องเกี่ยวกับความสมเหตุสมผลของสินค้า (เช่นราคาต่อหน่วย คุณภาพสินค้ากับงานที่จะนำไปใช้) รวมอยู่บ้าง
    

ในการอบรมดังกล่าวมีสินค้าตัวอย่างชิ้นหนึ่งซึ่งก็คือ "วาล์ว" ที่ถูกยกขึ้นมาเป็นโจทย์ประกอบการพิจารณาว่าเหตุผลที่ทางผู้ซื้อของซื้อนั้นดูสมเหตุสมผลหรือไม่ โดยผู้ซื้ออ้างว่าจะนำไปใช้กับระบบแก๊สคลอรีนที่ใช้ในการปรับปรุงคุณภาพน้ำเสีย 
    

ตัวคลอรีนเองนั้นไม่ได้ปรากฏในรายชื่อสินค้าที่ใช้ได้สองทางที่กระทรวงพาณิชย์เป็นผู้รับผิดชอบ กฎหมายของบ้านเราเองนั้นมันไปปรากฏอยู่ในรายชื่อสารเคมีที่ใช้ในการสงครามเคมีที่กระทรวงกลาโหมเป็นผู้รับผิดชอบ ตามประกาศกระทรวงกลาโหม เรื่อง "กำหนดยุทธภัณฑ์ที่ต้องขออนุญาต ตามพระราชบัญญัติควบคุมยุทธภัณฑ์ พ.ศ. ๒๕๓๐" ลงวันที่ ๓๐ พฤศจิกายน ๒๕๕๐ (ไม่ทราบเหมือนกันว่าขณะนี้มันมีฉบับที่ใหม่กว่านี้หรือเปล่า) โดยที่ตัวแก๊สคลอรีนเองก็เป็นที่รู้กันทั่วไปว่ามันเป็นอาวุธเคมีตัวแรกที่ถูกนำมาใช้ โดยใช้ครั้งแรกในสงครามโลกครั้งที่ ๑

   

รูปที่ ๑ คู่มือการเลือกใช้โลหะผสมในงานที่เกี่ยวข้องกับ แก๊สคลอรีน (Chlorine - Cl₂) แก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์ (Hydrogen chloride - HCl) และกรดไฮโดรคลอริก (Hydrochloric acid - HCl_aq) ที่จัดทำโดย Nickel institute เอกสารฉบับนี้ดาวน์โหลดได้ที่ https://www.nickelinstitute.org/media/3795/nickelpub10020_12pgdec03final.pdf
   

แม้ว่าคลอรีนจะเป็นแก๊สพิษตัวแรกที่ถูกนำมาใช้ แต่มันก็ถูกแทนที่อย่างรวดเร็วด้วยตัวอื่นที่มีพิษรุนแรงกว่า แต่ในตัวอย่างที่เขายกมานั้นคงต้องการสื่อถึงการนำเอาสิ่งของที่ใช้กับคลอรีนไปผลิตเป็นอาวุธทำลายล้างสูงตัวอื่น ดังนั้นก่อนที่จะเข้าใจว่าสิ่งของนั้นมันเกี่ยวข้องกับการนำไปผลิตเป็นอาวุธทำลายล้างสูง (ส่วนที่ไม่ใช่อาวุธเคมี) ได้อย่างไร ก็เลยต้องขอทบทวนความรู้ (ของตัวเอง) เกี่ยวกับการผลิตแก๊สคลอรีนและการนำไปใช้งานก่อนเสียหน่อย

    

รูปที่ ๒ ตารางส่วนผสมของโลหะผสมรหัสต่าง ๆ ที่นำมาจากเอกสารในรูปที่ ๑   
     

รูปที่ ๓ ตารางส่วนผสมของโลหะผสมรหัสต่าง ๆ (ต่อจากรูปที่ ๒)
     

คลอรีน (Chlorine - Cl₂) เป็นแก๊สที่เป็นผลพลอยได้จากการผลิตโซดาไฟ (Caustic soda หรือโซเดียมไฮดรอกไซด์ Sodium hydroxide - NaOH) ในกระบวนการผลิตโซดาไฟจะนำเกลือแกง (โซเดียมคลอไรด์ Sodium chloride - NaCl) มาละลายน้ำ (เกลือสินเธาว์จะดีกว่าเกลือทะเลตรงที่เกลือสินเธาว์มีความบริสุทธิ์สูงกว่า) แล้วนำสารละลายที่ได้ไปแยกด้วยไฟฟ้ากระแสตรง จะเกิดแก๊สคลอรีนที่ขั้วบวกและแก๊สไฮโดรเจนที่ขั้วลบ แก๊สที่ออกมาจากขั้วไฟฟ้านี้จะเป็นแก๊สที่มีความชื้นปะปนอยู่อันเป็นผลจากการระเหยของน้ำและอุณหภูมิที่สูงขึ้นของสารละลาย
     

สารที่มีฤทธิ์เป็นกรดที่เมื่อละลายน้ำแล้วแตกตัวให้โปรตอน H⁺ กลายเป็น H₃O⁺ (Hydronium ion) นั้น ตัวที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเหล็กก็คือ H₃O⁺ ตัวนี้ ดังนั้นถ้าสารนั้นไม่มีน้ำที่เป็นของเหลวปนอยู่ (คือเป็นของเหลวที่ไม่มีน้ำปนอยู่เลยหรือแก๊สที่ไม่มีโอกาสที่ไอน้ำจะเกิดการควบแน่นเป็นของเหลวได้ในระบบ) มันก็จะไม่กัดกร่อนเหล็ก ตัวอย่างของสารเหล่านี้ได้แก่ กรดกำมะถันเข้มข้น (Sulphuric acid - H₂SO₄) แก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์ (Hydrogen chloride - HCl) เป็นต้น แต่ทั้งนี้ก็ต้องระวังเหมือนกันถ้าหากสารนั้นเกิดปฏิกิริยา Autoprotolysis ได้ ปฏิกิริยานี้คือปฏิกิริยาที่โมเลกุลหนึ่งแตกตัวให้ H⁺ ออกมาโดยมีอีกโมเลกุลหนึ่งทำหน้าที่เป็นตัวรับ H⁺ ตัวนั้น ตัวอย่างของสารนี้ได้แก่กรดอะซีติก (Acetic acid - CH₃COOH หรือกรดน้ำส้มสายชู) เพราะกรดตัวนี้แม้ว่าจะเป็นกรดเข้มข้นที่ไม่มีน้ำปนก็ยังสามารถกัดกร่อน carbon steel ได้ง่าย

    

รูปที่ ๔ ขอบเขตอุณหภูมิการใช้งานสำหรับโลหะบางชนิดกับแก๊สคลอรีนที่แห้ง

คลอรีนและฟลูออรีน (Fluorine - F₂) มีการทำปฏิกิริยากับโลหะที่แตกต่างไปจากรูป HX คือแก๊สเหล่านี้เมื่อละลายน้ำแล้วก็จะได้สารละลายกรดที่กัดกร่อนโลหะได้ แต่ในสภาพที่ไม่มีน้ำปนเลยนั้นนั้นก็ใช่ว่ามันจะไม่กัดกร่อน เพราะมันสามารถทำปฏิกิริยากับโลหะบางชนิดกลายเป็นสารประกอบเฮไลด์ของโลหะตัวนั้นได้โดยตรง เช่นกรณีของโลหะไทเทเนียม (Titanium - Ti) ที่เกิดการลุกไหม้ได้เมื่อสัมผัสกับคลอรีนเหลวที่แห้งแม้ว่าจะเป็นที่อุณหภูมิต่ำถึง -18ºC แต่ถ้าเป็นคลอรีนที่มีความชื้นอยู่จะไม่เป็นอะไร เพราะจะเกิดปฏิกิริยาทำให้เกิดชั้นฟิล์มป้องกันบนพื้นผิวโลหะที่หยุดยั้งการกัดกร่อนลึกลงไป ในขณะที่ carbon steel นั้นไม่มีปัญหากับคลอรีนที่แห้ง แต่ถูกกัดกร่อนรุนแรงเมื่อสัมผัสกับคลอรีนที่มีความชื้น
    

แก๊สคลอรีนที่เกิดที่ขั้วไฟฟ้าในระหว่างกระบวนการผลิตโซดาไฟนั้นเป็นแก๊สที่มีความชื้น ดังนั้นระบบท่อตรงนี้ต้องใช้วัสดุที่ทนต่อคลอรีนที่ชื้นได้ แต่เมื่อผ่านกระบวนการกำจัดความชื้นออกไปแล้วก็สามารถเปลี่ยนไปใช้วัสดุที่ไม่ถูกกัดกร่อนด้วยคลอรีนแห้ง ตัวที่มีปัญหาก็คือระบบกำจัดความชื้นออกจากคลอรีน เพราะต้องทนทั้งคลอรีนที่ชื้นและคลอรีนที่แห้ง

   

รูปที่ ๕ ขอบเขตอุณหภูมิการใช้งานสำหรับโลหะบางชนิดกับแก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์ที่แห้ง

แก๊สคลอรีนที่ได้จากกระบวนการผลิตอาจถูกนำไปใช้ต่อในรูปของคลอรีนเหลวบรรจุถัง (แบบถังแก๊สหุงต้ม) เพื่อไปใช้ในการฆ่าเชื้อโรคในกระบวนการผลิตน้ำประปาและการบำบัดน้ำเสีย (ฆ่าเชื้อโรคที่เป็นอันตรายก่อนปล่อยน้ำทิ้ง) หรือนำไปใช้ในการผลิตไวนิลคลอไรด์ (Vinyl chloride H₂C=CHCl) ที่เป็นสารตั้งต้นในการผลิตพอลิไวนิลคลอไรด์ (Polyvinylchloride - PVC) หรือนำไปผลิตเป็นโซเดียมไฮโปคลอไรต์ (Sodium hypochlorite - NaOCl) ที่ใช้เป็นผลิตภัณฑ์ฟอกขาว (Bleaching agent เช่นน้ำยาซักผ้าขาว) และฆ่าเชื้อโรค หรือนำไปทำปฏิกิริยากับแก๊สไฮโดรเจนที่เกิดจากขั้วไฟฟ้าอีกขั้วหนึ่งเพื่อผลิตแก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์ (Hydrogen chloride - HCl) ก่อนนำไปละลายน้ำให้กลายเป็นกรดเกลือหรือกรดไฮโดรคลอริก (Hydrochloric acid - HCl) อีกทีที่มีการนำไปใช้ในผลิตภัณฑ์หลายอย่าง (เช่นน้ำยาล้างห้องน้ำ)
   

สำหรับคนที่มีความรู้เรื่องเคมีอยู่บ้างอาจรู้สึกเบื่อที่เห็นว่าทำไปต้องวงเล็บชื่อสารเคมีเอาไว้ทั้ง ๆ ที่มันก็เป็นที่รู้จักกันทั่วไป เหตุผลก็เพราะบทความนี้เขียนเผื่อคนที่ไม่ได้มีพื้นฐานเรื่องเคมีเข้ามาอ่านด้วย เพื่อที่พวกเขาจะได้ทำความเข้าใจได้บ้างว่ากำลังพูดถึงเรื่องอะไรอยู่
   

เนื้อหาการเลือกวัสดุสำหรับคลอรีน ไฮโดรเจนคลอไรด์ และกรดไฮโดรคลอริก ที่นำมาเขียนบทความนี้นำมาจากเอกสารคู่มือการเลือกใช้โลหะผสมที่จัดทำโดย Nickel Institute ที่แสดงในรูปที่ ๑ รูปที่ ๒ และ ๓ เป็นตารางชื่อโลหะผสม (อิงตาม Unified Numbering System - UNS ซึ่งจะแตกต่างไปจากชื่อการค้าที่เรียกกันในท้องตลาดอยู่) และอัตราส่วนผสม อัตราการกัดกร่อนของโลหะนั้นจะใช้หน่วยเป็น mm/yr (มิลลิเมตรต่อปี) หรือ in./yr (นิ้วต่อปี) หรือ mil/yr (หน่วย mil ในที่นี้คือ 1/1000 นิ้ว)
   

รูปที่ ๖ กราฟแนะนำการเลือกชนิดโลหะสำหรับใช้กับสารละลายกรดไฮโดรคลอริก

Carbon steel ทนต่อคลอรีนที่แห้งได้ดี (รูปที่ ๔) แต่ทั้งนี้ต้องอยู่ในรูปแบบที่เหมาะสมและอุณหภูมิจะต้องไม่สูงเกินไป ไม่เช่นนั้นจะเกิดการลุกไหม้ได้ (พวกที่เป็นฝอยจะลุกไหม้ได้ง่าย) ด้วยเหตุนี้คลอรีนเหลวที่แห้งจึงสามารถเก็บในถังเหล็กกล้าที่อุณหภูมิห้องได้
    

ความทนทานต่อการกัดกร่อนยังขึ้นอยู่กับความเค้นที่มีอยู่ในเนื้อโลหะด้วย โลหะบางตัวนั้นทนต่อการกัดกร่อนถ้าหากอยู่ในสภาพที่ไม่มีความเค้น (stress) เช่นในสภาพที่แช่อยู่ หรือไม่ได้มีความเค้นสูง ผลของความเค้นที่ทำให้โลหะถูกกัดกร่อนได้ง่ายขึ้นนั้นเรียกว่า stress corrossion cracking อุปกรณ์บางชนิดจะมีบางชิ้นส่วนที่มีความเค้นมากกว่าชิ้นส่วนอื่นในขณะใช้งาน จึงจำเป็นต้องใช้โลหะที่แตกต่างออกไป เช่นในกรณีของ globe valve ตัว disk ที่ใช้ในการปิดช่องทางการไหลด้วยการกดอัดปิดรูที่ตัว seat ตัว stem ที่ใช้ในการเคลื่อนตัว disk ขึ้นลงและทำหน้าที่กดอัดตัว disk ให้ปิดแน่น รวมทั้งตัวสลักเกลียวที่ใช้ยึดส่วน Bonnet และ Body ของวาล์วเข้าด้วยกัน (ซึ่งต้องมีการขันตึงในระดับหนึ่ง และอาจสัมผัสกับ fluid ภายในที่ซึมออกมา) จะมีความเค้นในตัวที่สูงกว่าส่วนอื่น ๆ แม้ว่าจะทำงานที่ความดันเดียวกัน
     

รูปที่ ๕ เป็นกรณีของแก๊ส HCl ที่แห้ง พึงสังเกตว่าเมื่อเทียบกับรูปที่ ๔ แล้ว Carbon steel และ 18-8 Stainless steel ทนต่อ HCl ที่แห้งได้ดีกว่า Cl₂ ที่แห้ง (พิจารณาจากอุณหภูมิใช้งานที่ใช้ได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้น) ในขณะที่ Alloy 400 (UNS no. N04400 ในรูปที่ ๒) ทนต่อ Cl₂ ที่แห้งได้ดีกว่า HCl ที่แห้ง
     

หลายคน (รวมทั้งผมด้วย) คงไม่คุ้นกับชื่อ Alloy 400 แต่จะคุ้นกับชือ Monel เสียมากกว่า Monel เป็นชื่อทางการค้าของโลหะผสม Ni-Cu ที่มีสัดส่วนของ Ni อยู่ประมาณ 60% ขึ้นไป ซึ่งถ้าเทียบกับชื่อระบบ UNS แล้วก็จะตรงกับพวก Alloy 400
    

Inconel ก็เป็นชื่อของโลหะผสมของ Ni-Cr-Fe (โดยอาจมี Mo ร่ว
    

สารละลายกรด HCl เป็นตัวที่มีปัญหาในการกัดกร่อนมากกว่าทั้งคลอรีนและแก๊ส HCl ที่แห้ง เรียกว่าไม่สามารถใช้ได้ทั้ง carbon steel และ stainless steel เบอร์ 304 และ 316 (ที่เป็นที่ใช้งานกันทั่วไป) อันที่จริงในกรณีที่ไม่ได้ทำงานที่อุณหภูมิสูง ก็อาจใช้พวกท่อพลาสติกหรือท่อเหล็กที่บุผิวในไว้ด้วยพลาสติกที่เหมาะสมที่ไม่ทำปฏิกิริยากับสารละลาย HCl ก็ได้ โดยไม่จำเป็นต้องเลือกใช้โลหะที่ทนการกัดกร่อนได้ (ที่มักจะมีราคาสูงตามไปด้วย) เช่นท่อ PVC สามารถใช้กับสารละลาย HCl เข้มข้นได้ถึง 30 wt% ที่อุณหภูมิไม่เกิน 60ºC แต่ทั้งนี้การต่อท่อต้องไม่ใช่ต่อด้วยกาวนะ คงต้องใช้การเชื่อม

   

รูปที่ ๗ กราฟแสดงช่วงใช้งานของโลหะกับสารละลายกรด HCl ที่ความเข้มข้นและอุณหภูมิต่าง ๆ (ดูรูปที่ ๘ ประกอบ) 
    

รูปที่ ๘ รายชื่อโลหะที่ใช้งานได้สำหรับแต่ละ Zone ในรูปที่ ๗

ตัววาล์วก็เช่นกัน ในกรณีที่ไม่ได้รับความดันและอุณหภูมิสูง (และไม่คาดคิดว่าจะมีปัญหาไฟไหม้ลุกครอกตัววาล์ว) ก็อาจเลือกใช้พวก diaphragm valve ในการควบคุมการปิดเปิดก็ได้ โดยไม่จำเป็นต้องหันไปใช้วาล์วที่ทำจากโลหะที่ทนการกัดกร่อนสูง

ฉบับนี้คงพอเพียงแค่นี้ก่อน ตอนต่อไปจะเป็นกรณีของฟลูออรีนและไฮโดรเจนฟลูออไรด์บ้าง