การผลิตแก๊สคลอรีนเพื่อใช้ทำปฏิกิริยาในห้องปฏิบัติการ MO Memoir : Monday 13 April 2563

เมื่อตอนต้นเดือนที่ผ่านมา นักวิจัยจากสถาบันวิจัยแห่งหนึ่งในมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์โทรศัพท์มาปรึกษาผมเรื่องที่ว่าเขามีเพื่อนที่เป็นนักวิจัยที่ทำงานที่บริษัทแห่งหนึ่งมีปัญหาเกี่ยวกับแก๊สคลอรีนที่จะนำมาใช้ทำปฏิกิริยา ก็เลยขออนุญาตให้เพื่อนของเขาติดต่อปรึกษากับผมโดยตรง ซึ่งผมก็ตอบรับด้วยความยินดี

  

ปัญหาที่เขามีก็คือเขามีสารละลายโลหะ Mⁿ⁺ ในกรดเกลือ ทีนี้เขาต้องการออกซิไดซ์ไอออน Mⁿ⁺ ให้กลายเป็น M⁽ⁿ⁺¹⁾⁺ และจากการศึกษาของเขาก็พบว่า หนึ่งในวิธีการออกซิไดซ์ดังกล่าวทำได้ด้วยการใช้แก๊สคลอรีน (chlorine Cl₂)

  

อันที่จริงการออกซิไดซ์ไอออนโลหะตัวนี้มันยังมีวิธีการอื่นอีก แต่เดาว่าเมื่อเขาพิจารณาจาก วัตถุดิบที่เขามี, ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ และความรวดเร็วในการทำปฏิกิริยา เขาคงเห็นว่าการใช้แก๊สคลอรีนน่าจะเหมาะสมสุด แต่ปัญหาก็คือแก๊สตัวนี้เป็นแก๊สพิษ แถมยังถูกจัดให้เห็นยุทธภัณฑ์ด้วย ซึ่งถ้าต้องการครอบครองในระดับโรงงานก็ไม่น่าจะมีปัญหา แต่ถ้าต้องการเพียงไม่มากเพื่อมาทดลองทำแลป มันจะเป็นเรื่องใหญ่

  

แก๊สคลอรีนเป็นผลพลอยได้จากการผลิตโซดาไฟ (caustic soda NaOH) หรือสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ ซึ่งเมื่อนำสารละลายเกลือแกง (sodium chloride NaCl) มาแยกด้วยไฟฟ้าก็จะได้แก๊สไฮโดรเจนและแก๊สคลอรีน ทีนี้ถ้าทางโรงงานนั้นไม่ต้องการจะขายแก๊สคลอรีน เขาก็สามารถนำแก๊สไฮโดรเจนและคลอรีนที่ได้มาทำปฏิกิริยากับเป็นแก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์ (hydrogen chloride HCl) ซึ่งเมื่อนำไปละลายน้ำก็จะได้สารละลายกรดเกลือ (hydrochloric acid) หรือนำแก๊สคลอรีนไปทำปฏิกิริยากับสารละลาย NaOH ก็จะได้สารละลายโซเดียมไฮโปคลอไรต์ (sodium hypochlorite NaOCl) ที่เราใช้เป็นน้ำยาซักผ้าขาว (และยังใช้ฆ่าเชื้อโรคได้ด้วยที่ตอนนี้มีการนำมาใช้เป็นน้ำยาล้างทำความสะอาดพื้นผิว ตัวนี้มันดีกว่าเอทานอลตรงที่ไม่ติดไฟ แต่กลิ่นมันฉุน) ส่วนน้ำยาซักผ้าสีนั้นจะเป็นพวกไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (hydrogen peroxide H₂O₂) 

   

ปฏิกิริยาหนึ่งที่สามารถใช้สังเคราะห์แก๊สคลอรีนได้ก็คือปฏิกิริยาระหว่างกรดเกลือกับสารละลายไฮโปคลอไรต์ ซึ่งเมื่อเร็ว ๆ นี้ก็มีเรื่องปรากฏในเว็บบอร์ดแห่งหนึ่งที่มีผู้ใช้น้ำยาซักผ้าขาว (สูตรโซเดียมไฮโปคลอไรต์) ล้างห้องน้ำเพื่อฆ่าเชื้อโรค แล้วก็ราดน้ำยาล้างห้องน้ำ (สูตรกรดเกลือ) ตามลงไป ผลก็คือเกิดแก๊สคลอรีนฟุ้งเต็มห้องน้ำถึงกับต้องเผ่นออก

รูปที่ ๑ ตัวอย่างรูปแบบการออกแบบอุปกรณ์ทดลองที่ได้นำเสนอไปในการสนทนาครั้งแรก

  

ปฏิกิริยาหนึ่งที่นักวิจัยท่านนั้นมองเอาไว้ก็คือการผลิตคลอรีนด้วยปฏิกิริยาระหว่างสารละลายไฮโปคลอไรต์กับกรดเกลือ แต่เขาไม่แน่ใจว่าจะออกแบบอุปกรณ์การทดลองอย่างไรดีเพื่อให้ทำงานได้ปลอดภัย และนั่นก็เป็นต้นเรื่องที่นำสู่บทสนทนาเมื่อต้นเดือนที่ผ่านมา 

  

ผมถามเขาก่อนว่าสารละลายโลหะ Mⁿ⁺ ในกรดเกลือของเขานั้นมีกรดเกลือเหลืออยู่มากพอไหม ถ้ามีมากพอก็เสนอแนวคิดว่าน่าจะลองเติมสารละลายไฮโปคลอไรต์ลงไปในสารละลายโลหะโลหะ Mⁿ⁺ ในกรดเกลือนั้นเลย แต่การเติมนั้นไม่ใช่การเทลงไปโดยตรงหรือหยดลงไปโดยตรง เพราะถ้าให้สารละลายไฮโปคลอไรต์สัมผัสกับสารละลายโลหะ Mⁿ⁺ ในกรดเกลือจากทางด้านบน มันก็มีโอกาสสูงที่แก๊สคลอรีนที่เกิดขึ้นนั้นจะหลุดรอดออกจากพื้นผิวสารละลายออกไป แต่ควรที่จะทำการเติมสารละลายไฮโปคลอไรต์อย่างช้า ๆ ลงไปที่ด้านล่างของสารละลายโลหะ Mⁿ⁺ ในกรดเกลือ (รูปที่ ๑) ภายใต้สภาวะที่มีการปั่นกวน ทั้งนี้เพื่อให้แก๊สคลอรีนที่เกิดขึ้นทีละน้อย ๆ นั้นสามารถทำปฏิกิริยากับไอออน Mⁿ⁺ ได้หมดก่อนที่จะมีโอกาสหลุดรอดพื้นผิวของเหลวออกมา แต่เพื่อความปลอดภัยก็ได้แนะนำให้เขาติด condenser เอาไว้ข้างด้วย

  

ณ จุดนี้อาจมีคนแย้งว่าน้ำประปาที่ใช้เป็นน้ำหล่อเย็นนั้นมันไม่สามารถควบแน่นแก๊สคลอรีนได้ ซึ่งมันก็ถูกต้องครับ แต่วัตถุประสงค์ที่ให้ติดตั้ง condenser ก็เพราะว่าคลอรีนเป็นแก๊สที่หนักกว่าอากาศ การทำให้ท่อปล่อยแก๊สทิ้ง (vent) อยู่สูงขึ้นไปนั้นจะช่วยลดโอกาสที่แก๊สคลอรีนที่เกิดขึ้นนั้นจะหลุดรอดออกจากภาชนะที่ใช้ทำปฏิกิริยา (เช่นฟลาสค์ ๓ คอ) และเพิ่มโอกาสที่แก๊สคลอรีนที่ยังคงอยู่ในภาชนะนั้นจะละลายกลับเข้าไปในสารละลาย หรือในระหว่างการทำปฏิกิริยามีไอน้ำระเหยขึ้น ไอน้ำที่ควบแน่นกลับลงมาก็จะช่วยชะเอาแก๊สคลอรีนกลับลงไปด้วย หรือถ้าใช้ condenser แบบที่เป็นท่อตรง ก็อาจทำการบรรจุสารดูดซับที่สามารถดักจับแก๊สคลอรีนได้เอาไว้ข้างใน

  

แต่ระบบในรูปที่ ๑ นั้นมันมีสิ่งหนึ่งที่ต้องคำนึง พอจะมองเห็นไหมครับ สิ่งนั้นก็คือไอออนบวกที่มากับสารละลายไฮโปคลอไรต์นั้น มันจะเข้าไปผสมอยู่กับสารละลายผลิตภัณฑ์ ซึ่งก็ต้องมาพิจารณาอีกทีว่ามันก่อปัญหาในการนำเอาผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นไปใช้งานหรือไม่

  

ไฮโปคลอไรต์ที่ใช้กันทั่วไปก็มีอยู่สองตัวด้วยกัน ตัวแรกคือโซเดียมไฮโปคลอไรต์ (soium hypochlorite NaOCl) ที่เรามักใช้เป็นน้ำยาซักผ้าขาว และแคลเซียมไฮโปคลอไรต์ (calcium hypochlorite Ca(OCl)₂) ที่ใช้เป็นสารฆ่าเชื้อโรคในน้ำตามสระว่ายน้ำ

รูปที่ ๒ ระบบสำหรับที่ไม่ต้องการให้ไอออนบวกของสารละลายไฮโปคลอไรต์เข้าไปปนเปื้อนในสารละลายผลิตภัณฑ์

 

วันนี้ระหว่างที่กำลังเขียน Memoir ฉบับนี้อยู่ ก็มีโทรศัพท์จากทางนักวิจัยของทางบริษัทติดต่อมาก็เรื่องดังกล่าว คือมีผู้มาเสนอขายแคลเซียมไฮโปคลอไรต์ให้เขา เขาก็เลยโทรมาปรึกษาผมว่าถ้าใช้ตัวนี้แทนโซเดียมไฮโปคลอไรต์มันจะมีปัญหาอะไรไหม ซึ่งผมก็ตอบเขากลับไปว่าทางเขาคงต้องกลับไปพิจารณาว่า Ca²⁺ ที่ปนอยู่ในผลิตภัณฑ์นั้นจะก่อให้เกิดปัญหาอะไรหรือไม่ (ซึ่งผมคิดว่ามันน่าจะเกิดแน่ ๆ เมื่อพิจารณาจากความต้องการใช้งานสุดท้าย) แต่ถ้าคิดว่าการผลิตแก๊สคลอรีนจากแคลเซียมไฮโปคลอไรต์นั้นถูกกว่าการใช้โซเดียมไฮโปคลอไรต์ ก็ต้องออกแบบชุดอุปกรณ์ทดลองใหม่ โดยต้องแยกส่วนผลิตแก๊สคลอรีนออกจากส่วนทำปฏิกิริยา ดังตัวอย่างที่แสดงในรูปที่ ๒

  

รูปที่ ๒ เป็นเพียงแค่แผนผังนะครับ คนอยู่แลปเคมีที่มีเครื่องแก้วพร้อมก็น่าจะพอมองออกว่าจะดัดแปลงเอาอุปกรณ์ตัวไหนมาใช้ได้ สิ่งที่ต้องทำก็คือการทำปฏิกิริยาระหว่างสารละลายไฮโปคลอไรต์กับสารละลายกรดเกลือในภาชนะหนึ่ง แล้วให้แก๊สคลอรีนที่เกิดขึ้นนั้นไปทำปฏิกิริยากับสารละลายโลหะ Mⁿ⁺ ในกรดเกลือในอีกภาชนะหนึ่ง การทำปฏิกิริยานั้นอาจเป็นในรูปแบบให้ฟองแก๊สคลอรีนลอยผ่านสารละลายโลหะ Mⁿ⁺ ในกรดเกลือ หรือในรูปของหอ scrubber ที่ให้แก๊สคลอรีนนั้นไหลส่วนทางกับสารละลายโลหะ Mⁿ⁺ ในกรดเกลือที่ไหลลงมา โดยในรูปที่ ๒ นั้นก็แสดงไว้ทั้งสองแบบ คือให้แก๊สคลอรีนทำปฏิกิริยากับสารละลายโลหะ Mⁿ⁺ ในกรดเกลือก่อน และมีการสูบสารละลายโลหะ Mⁿ⁺ ในกรดเกลือไปป้อนเข้าตัว scrubber ที่ติดตั้งอยู่ทางช่องระบายแก๊สทิ้ง เพื่อดักจับเอาแก๊สคลอรีนไม่ให้หลุดรอดออกไป

  

ผลสุดท้ายจะเป็นอย่างไรนั้นผมก็ไม่รู้เหมือนกัน เพียงแต่ได้ให้ความช่วยเหลือทางด้านวิชาการไปตามที่มีผู้ร้องขอมา

  

ปิดท้ายที่ว่างของหน้าสุดท้ายด้วยข้อความที่ผมโพสเอาไว้บนหน้า facebook เมื่อกลางเดือนที่แล้วหน่อย เกี่ยวกับเรื่องการเรียนของนิสิตโดยที่ไม่ต้องมาเรียนที่มหาวิทยาลัย ที่ผมเห็นว่าเขาทำกันมานานแล้ว ไม่ใช่เพิ่งจะมาฮิตกันในช่วงนี้