รู้ทันนักวิจัย (๒๔) ไฮโดรเจนมาจากไหน MO Memoir : Sunday 28 June 2563

หลายสิ่งหลายอย่างนะครับที่เขาอ้างว่ามันสะอาด ไม่ก่อให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมเมื่อนำไปใช้งาน มันก็ทำให้รู้สึกเช่นนั้นได้ครับ ตราบเท่าที่ไม่ได้ไปดูว่ามันได้มายังไง มันมีทางเลือกอื่นที่ดีกว่าหรือไม่ และหลังจากใช้งานไปแล้ว มันเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมจริงอย่างที่เขาอ้างหรือไม่

  

ไฮโดรเจนเป็นสารที่ไม่ได้มีอยู่อย่างอิสระในธรรมชาติ เราจำเป็นต้องผลิตมันขึ้นจากวัตถุดิบที่มีอยู่ในธรรมชาติ ไฮโดรเจนถูกมองว่าเป็นพลังงาน "สะอาด" เนื่องจากการเผาไหม้มันนั้นทำให้เกิด "น้ำ - H₂O" เท่านั้น โดยไม่ทำให้เกิด "คาร์บอนไดออกไซด์ - CO₂" ที่เป็นแก๊สเรือนกระจก ซึ่งถ้ามองแค่นี้มันก็ถูกอย่างที่เขาอ้าง ตราบเท่าที่ยังไม่ไปดูว่าเราไปได้ไฮโดรเจนมาจากไหน

รูปที่ ๑ เส้นทางการผลิตไฮโดรเจน (๑) คือ Steam reforming ที่เป็นเส้นทางใหญ่ที่สุดของอุตสาหกรรมปิโตรเคมี เส้นทาง (๒) คือกระบวนการผลิตโซดาไฟ ไฮโดรเจนส่วนหนึ่งจากกระบวนการนี้ถูกนำไปผลิต HCl ด้วยการทำปฏิกิริยากับแก๊สคลอรีนที่เกิดร่วม เส้นทาง (๓) คือกระบวนการทำให้ไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่แตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง หรือดึงไฮโดรเจนออกจากโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวโดยตรง ปฏิกิริยานี้ใช้การเปลี่ยนน้ำมันหนัก (เช่นน้ำมันเตา) ให้เป็นน้ำมันเบา (เช่นเบนซิน ดีเซล) ที่มีความต้องการมากกว่าและมีมูลค่าสูงกว่า และใช้ในการผลิตโอเลฟินส์ที่เป็นสารตั้งต้งของอุตสาหกรรมปิโตรเคมี ส่วนเส้นทางล่างสุด (๔) คือความฝันที่ยังไม่เป็นจริงเสียทีคือจากกระบวนการ Cold fusion

   

สารอินทรีย์ในธรรมชาติที่มีสัดส่วนอะตอม H ในโมเลกุลมากที่สุดคือมีเทน CH₄ และบังเอิญว่าเรามีแหล่งแก๊สมีเทนอยู่ตามธรรมชาติในปริมาณมากด้วย แต่ปัญหาก็คือพันธะ C-H ของมีเทนนั้นมีพลังงานพันธะที่สูงเมื่อเทียบกับพันธะ C-H ของคาร์บอนอิ่มตัวด้วยกัน ทำให้การแตกพันธะ C-H ของมีเทนไม่ใช่เรื่องง่าย กระบวนการหลักในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีที่ใช้ผลิตไฮโดรเจนจากมีเทนคือปฏิกิริยา steam reforming (รูปที่ ๑ (๑)) โดยนำมีเทนมาทำปฏิกิริยากับไอน้ำที่อุณหภูมิสูง (ระดับ 1,000ºC) และยังต้องมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยอีก ผลิตภัณฑ์ที่ได้เรียกว่าแก๊สสังเคราะห์ (synthesis gas หรือนิยมเรียกกันย่อ ๆ ว่า syn gas) ที่ประกอบด้วย CO, CO₂ และ H₂ 

   

กระบวนการที่สอง (รูปที่ ๑ (๒)) ที่เป็นแหล่งที่มาของไฮโดรเจนอีกแหล่งหนึ่งได้แก่การผลิตโซดาไฟ (NaOH) ที่ได้จากการนำเอาสารละลายเกลือ (NaCl) มาเข้ากระบวนการ electrolysis ที่ใช้กระแสไฟฟ้า ในกระบวนการนี้จะได้แก๊สไฮโดรเจนและคลอรีนเป็นผลพลอยได้ (บางโรงงานอาจเอาไฮโดรเจนและคลอรีนไปผลิตเป็นกรดเกลือ HCl ต่อเลย จะได้ไม่มีปัญหาเรื่องการเก็บแก๊สคลอรีนที่เป็นแก๊สพิษ) พวกอุตสาหกรรมกลั่นน้ำมันหรือปิโตรเคมีจะไม่นิยมใช้กระบวนการนี้ (เพราะไม่รู้ว่าจะเอาสารละลายโซดาไฟกับแก๊สคลอรีนไปทำอะไร ต้องหาตลาดให้มันอีก) เว้นแต่จะเป็นกระบวนการที่มีความจำเป็นต้องใช้แก๊สคลอรีน (เช่นในการผลิตไวนิลคลอไรด์ H₂C=CHCl) 

   

กระบวนการที่สามที่เป็นแหล่งที่มาของไฮโดรเจนคือ thermal cracking/catalytic cracking/catalytic dehydrogenation (รูปที่ ๑ (๓)) สำหรับโรงกลั่นน้ำมันกระบวนการ cracking เป็นการทำให้โมเลกุลไฮโดรคาร์บอนขนาดใหญ่แตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง แต่สำหรับปิโตรเคมีจะเป็นการผลิตสารประกอบโอเลฟินส์ (พวกที่มีพันธะไม่อิ่มตัว C=C) เพื่อนำไปใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตสารอื่นต่อ ปฏิกิริยา thermal cracking นี้เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน ส่วนจะใช้อุณหภูมิระดับไหนก็ขึ้นอยู่กับสารตั้งต้น ถ้าเป็นพวกไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่ก็อาจอยู่ที่ระดับราว ๆ 500ºC ถ้าเป็นอีเทนก็อยู่ที่ระดับราว ๆ 900ºC ถ้าเป็นโรงงานที่อยู่ในกลุ่มอุตสาหกรรมที่มีโรงโอเลฟินส์ตั้งอยู่ด้วย ก็สามารถรับเอาไฮโดรเจนจากโรงงานผลิตโอเลฟินส์มาใช้ (ถ้าเขามีเหลือขายให้) แต่สำหรับโรงงานที่ตั้งอยู่โดดเดี่ยวหรือแยกห่างออกมานั้น (เช่นโรงงานผลิตเหล็กกล้าที่ปรกติก็ไม่ได้ตั้งอยู่ร่วมกับนิคมอุตสาหกรรมปิโตรเคมี) ก็อาจตั้งหน่วย thermal cracking ขึ้นมาเองโดยใช้แก๊สปิโตรเลียมเหลว (LPG) เป็นสารตั้งต้น

  

ทั้งสามกระบวนการหลักที่กล่าวมาข้างต้นจะเห็นว่ามีการใช้ "ความร้อน" และ "กระแสไฟฟ้า" เพื่อให้ได้มาซึ่งแก๊สไฮโดรเจน และในปัจจุบันการให้ได้มาซึ่งความร้อนและกระแสไฟฟเในการผลิตในระดับอุตสาหกรรม ยังพึ่งพาการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นหลักที่เป็นตัวปลดปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ ถึงแม้ว่าการผลิตไฟฟ้านั้นอาจจะมีจากแหล่งอื่นที่ไม่ได้มีการปลดปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์อยู่บ้างก็ตาม

  

กระบวนการที่สี่หรือ Cold fusion นั้นเคยเล่าไว้บ้างแล้วใน Memoir ฉบับวันเสาร์ที่ ๑๐ สิงหาคม ๒๕๖๒ เรื่อง "รู้ทันนักวิจัย (๒๒) ไฮโดรเจนจากน้ำและแสงอาทิตย์" คือเมื่อกว่า ๓๐ ปีที่แล้วมีความคาดหวังกันสูงว่าจะสามารถสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เรียกว่า cold fusion ได้ ซึ่งจะทำให้ได้แหล่งพลังงานที่มีการปลดปล่อยกัมมันตรังสีที่ต่ำกว่า nuclear fission ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันมาก และสามารถที่จะนำเอาความร้อนที่ได้นั้นไปผลิตกระแสไฟฟ้าเพื่อทำการแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน จากนั้นก็จะแยกเอาดิวทีเรียมออกจากน้ำเพื่อนำมาป้อนเข้าสู่กระบวนการ cold fusion ส่วนไฮโดรเจนที่เป็นผลิตภัณฑ์หลักที่ได้จากการแยกน้ำนั้นก็จะกลายมาเป็นเชื้อเพลิงสะอาด

  

บทความเรื่อง cold fusion นี้ (รูปที่ ๒) เป็นที่ฮือฮามากในช่วงเดือนมีนาคม-เมษายน ค.ศ. ๑๙๘๙ (พ.ศ. ๒๕๓๒) เรียกว่าเป็นข่าวใหญ่ในตอนนั้นเลย ทำให้หลายคณะวิจัยพยายามที่จะทำซ้ำการทดลองดังกล่าว แต่ดูเหมือนจะไม่มีใครสามารถทำซ้ำได้ ผ่านไปเพียงแค่เดือนเดียวพอเข้าต้นเดือนพฤษภาคมข้อสงสัยเรื่องความถูกต้องของการทำ cold fusion นี้ก็สะสมมากขึ้นเรื่อย ๆ จนถึงกับมีบทความตีพิมพ์ออกมา (รูปที่ ๓)

  

แต่จะว่าไปแล้วดูเหมือนว่าปัจจุบันก็ยังมีบางกลุ่มวิจัยยังทำวิจัยเรื่องนี้อยู่ เพียงแต่มันแทบจะไม่มีข่าวให้เห็น คงเกรงว่าจะเกิดเหตุการณ์ประวัติศาสตร์ซ้ำรอย

  

 รูปที่ ๒ บทความที่เป็นต้นเรื่อง cold fusion ที่ทำให้เกิดข่าวดังไปทั่วโลกเมื่อ ๓๐ ปีที่แล้ว ก่อนที่จะพบต่อมาว่าเป็นการทดลองที่ยังไม่มีใครสามารถทำซ้ำได้

ช่วงเวลาเดียวกันนั้น ในขณะที่มีความเชื่อว่าจะมีไฮโดรเจนราคาถูกในเวลาไม่นาน งานวิจัยในอีกสาขาหนึ่งก็มีการทำกันอย่างแพร่หลาย นั่นก็คือ "เซลล์เชื้อเพลิงหรือ Fuel cell" มีทั้งการศึกษาทั้งภาคปฏิบัติและภาคทฤษฎีกันอย่างแพร่หลาย ก่อนที่จะมีการแตกแนวทางออกไปเป็นการผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวล (biomass, การผลิตไฮโดรเจนจาก "ไฮโดรคาร์บอน" แล้วป้อนให้เซลล์เชื้อเพลิงโดยตรง รวมทั้งการใช้สารอินทรีย์โมเลกุลเล็กเป็นเชื้อเพลิงของเซลล์เชื้อเพลิง

  

การเปลี่ยนชีวมวล (ซึ่งรวมเชื้อเพลิงฟอสซิลด้วย) เป็นพลังงานความร้อน แล้วจึงนำเอาพลังงานความร้อนนั้นไปเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าหรือขับเคลื่อนยานพาหนะ เมื่อเทียบกับการใช้ทำให้ชีวมวลสลายตัวเพื่อนำเอาเฉพาะไฮโดรเจนมาเป็นเชื้อเพลิงให้กับเซลล์เชื้อเพลิงนั้น กระบวนการใดมีความคุ้มค่าไม่ว่าจะเป็นในแง่ของเศรษฐศาสตร์หรือสิ่งแวดล้อมนั้น ก็คงตอบได้ไม่ยากด้วยการมองรอบตัวเราว่าในขณะนี้ในชีวิตประจำวันเราใช้วิธีการใดอยู่

  

รูปที่ ๓ บทความหนึ่งที่กล่าวถึงความพยายามที่จะทำซ้ำผลการทดลอง บทความต้นฉบับนั้นยาวกว่านี้ ผมตัดข้อความมาบางส่วนเฉพาะตรงเนื้อหาส่วนที่เกี่ยวกับความพยายามที่จะทำซ้ำการทดลองด้วยคณะวิจัยอื่น แต่ไม่ประสบความสำเร็จ หรือพบว่าสิ่งที่มีการกล่าวอ้างนั้นเป็นผลจาก error ในการทำการทดลอง

  

ชีวมวลประกอบด้วยธาตุคาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจนเป็นหลัก การผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวลจำเป็นต้องทิ้งคาร์บอนออกไปในรูปของ CO₂ ดังนั้นการเอาไฮโดรเจนที่ได้จากชีวมวลไปใช้เป็นเชื้อเพลิง "สะอาด" มันก็อ้างได้ถ้าหากจำกัดการมองเพียงแค่ว่าตอนใช้งานไฮโดรเจน โดยห้ามมองย้อนกลับไปว่าไฮโดรเจนนั้นได้มาอย่างไร

  

ในทำนองเดียวกันความพยายามที่จะเปลี่ยน CO₂ กลับไปเป็นสารอินทรีย์ที่มีสัดส่วนไฮโดรเจนในโมเลกุลสูงขึ้นด้วยการอ้างว่าเป็นการลดภาวะโลกร้อนด้วยการนำเอา CO₂ มาใช้ประโยชน์นั้น มันก็อ้างได้ตราบเท่าที่ไม่หันไปมองว่าได้ไฮโดรเจนนั้นมาอย่างไร (ได้จากกระบวนการที่ปลดปล่อย CO₂ หรือไม่) และพลังงานจำนวนมากที่ต้องใส่เข้าไปเพื่อเปลี่ยน CO₂ นั้นให้กลายเป็นสารอินทรีย์ได้มาจากไหน (ได้จากกระบวนการที่ปลดปล่อย CO₂ หรือไม่)

  

ความพยายามที่จะเปลี่ยน CO₂ กลับไปเป็นสารอินทรีย์ที่มีสัดส่วนไฮโดรเจนในโมเลกุลสูงขึ้น (โดยเฉพาะพวกที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงเหลว) ด้วยการใช้ไฮโดรเจนที่แยกออกมาจากน้ำนั้นมีอยู่ แต่วัตถุประสงค์หลักนั้นไม่ใช่เพื่อการลดภาวะโลกร้อน แต่เป็นการผลิตเชื้อเพลิงเหลวให้กับอากาศยาน ลองนึกภาพกองเรือที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ที่มีอากาศยานประจำอยู่ที่ท่องเที่ยวไปในท้องทะเล สิ่งหนึ่งที่เป็นขีดจำกัดของกองเรือนี้คือเชื้อเพลิงอากาศยาน ไฮโดรเจนนั้นสามารถใช้ไฟฟ้าที่ได้จากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในเรือเป็นตัวผลิต ส่วน CO₂ นั้นก็อาจได้จากอากาศหรือน้ำทะเล ดังนั้นถ้าสามารถทำได้ กองเรือนี้ก็จะไม่ต้องกังวลเรื่องการส่งกำลังบำรุง โดยเฉพาะเชื้อเพลิงอากาศยาน

เวลาที่ผมอ่านโครงการที่มีคนขอให้ช่วยพิจารณา เนื้อหาส่วนบทนำหรือที่มาของปัญหานั้นเป็นส่วนหนึ่งที่ผมให้ความสำคัญมากเพราะเป็นส่วนที่แสดงให้เห็นว่าผู้ที่ทำวิจัยเรื่องนั้นมองเห็นภาพรวมของงานทั้งหมดหรือเปล่ามาอันที่จริงมันมีที่มาที่ไปอย่างไร หรือสักแต่ว่าเห็นบทความโน้นบทความนี้เขาว่าอะไร ก็ว่าตามนั้นไปโดยที่ไม่ได้พิจารณาถึงความสมเหตุสมผลของข้ออ้าง

รู้ทันนักวิจัย (๑๗) การวัดความสามารถของพื้นผิวของแข็งในการดูดซับโมเลกุลแก๊ส MO Memoir : Wednesday 26 September 2561

ส่วนสำคัญที่สุดของงานวิจัย คือ "วิธีการทำการทดลอง" ซึ่งหมายความรวมถึง การออกแบบอุปกรณ์การทดลอง ขั้นตอนต่าง ๆ ในการทำการทดลอง การเก็บตัวอย่าง และการวิเคราะห์ตัวอย่าง เพราะถ้าวิธีการทดลองมันมีปัญหา มันไม่น่าเชื่อถือ ผลการทดลองมันก็ไม่มีค่าควรต่อการพิจารณา ซึ่งส่งผลต่อไปยังการวิเคราะห์ผลด้วยที่ไม่มีค่าควรจะนำมาพิจารณา
 

แต่น่าแปลกที่ปัจจุบันมักจะนิยมไปที่ภาพการบรรยายผลที่ได้มานั้นว่ามันดูสวยหรูมากน้อยเพียงใด เอาเป็นว่าถ้าสามารถทำให้ผู้รับฟังนั้นสามารถเคลิบเคลิ้มตามคำบรรยายไปได้โดยไม่มีสติพิจารณาว่าสิ่งที่เขาบรรยายอยู่นั้นมันสมเหตุสมผลหรือไม่ ก็สามารถได้หน้าได้ตาได้รางวัลไป
 

ผมบอกกับนิสิตที่ผมสอนอยู่เป็นประจำว่า "นำเสนออย่างไรให้ดูดี" ผมสอนไม่เป็นหรอก แต่ถ้าอยากรู้ว่า "ฟังอย่างไรไม่ให้ถูกหลอก" ผมพอจะให้คำแนะนำได้ อย่างเรื่องที่จะนำมาเล่าให้ฟังในวันนี้

รูปที่ ๑ บทความนี้วัดความสามารถของวัสดุรูพรุนในการดูดซับแก๊สมีเทน โดยก่อนทำการทดลองนั้นจะมีการกำจัดแก๊สที่ค้างอยู่ในรูพรุนออกก่อนด้วยการทำสุญญากาศและใช้ความร้อนช่วยที่อุณหภูมิ 150ºC

วิธีการเก็บแก๊สเพื่อใช้งานนั้น (ที่ไม่ใช่ในระดับโรงงานอุตสาหกรรมนั้น) มีด้วยกันหลากหลายวิธี ขึ้นกับปริมาณที่ต้องการใช้ วิธีการใช้ และตัวผู้ใช้ แก๊สที่มีอุณหภูมิวิกฤต (critical temperature) สูงกว่าอุณหภูมิห้อง ก็สามารถใช้ความดันช่วยเพื่อทำให้แก๊สดังกล่าวเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง (เช่นพวกแก๊สหุงต้มต่าง ๆ) แก๊สที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าอุณหภูมิห้องจะไม่สามารถใช้ความดันทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้ (เช่นพวกอากาศ ไนโตรเจน ออกซิเจน) ถ้าใช้ในปริมาณไม่มากก็จะเก็บในรูปแบบของถังความดันสูง (ประมาณ 120 บาร์) แต่ถ้าใช้มากขึ้นก็สามารถใช้การเก็บในรูปแบบของเหลวเย็นจัด (cryogenic) ตัวอย่างของการเก็บในรูปของของเหลวเย็นจัดที่เห็นกันได้ง่ายได้แก่ถังออกซิเจนเหลวที่มีการติดตั้งตามโรงพยาบาลขนาดใหญ่ต่าง ๆ (ระเหยออกซิเจนจากถังแล้วส่งไปตามท่อไปยังห้องต่าง ๆ) หรือถังเก็บไนโตรเจนเหลวในอุตสาหกรรมที่ต้องการใช้ความเย็นจัด (เช่นในอุตสาหกรรมทำอาหารแช่แข็ง)
 

ปัญหาหนึ่งของการนำเอาไฮโดรเจนและมีเทนมาใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์ก็คือ ด้วยอัตราความต้องการเชื้อเพลิงที่สูง ทำให้รถยนต์นั้นต้องบรรทุกเชื้อเพลิงในปริมาณที่มากพออย่างน้อยก็สำหรับการใช้งานในแต่ละวัน "ระยะเวลาใช้งาน" โดยเฉพาะการใฃ้งานในเมืองต้องคิดรวมทั้งเวลาที่รถมีการเคลื่อนที่และรถติดด้วย จะคิดแต่ว่ารถวิ่งโดยไม่มีติดขัดไม่ได้ แต่ด้วยแก๊สทั้งสองชนิดมีค่าอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าอุณหภูมิห้อง ทำให้ต้องเก็บแก๊สทั้งสองในรูปถังความดันสูง ตัวระบบเก็บแก๊สจึงมีน้ำหนักมาก (เพื่อให้รับความดันได้สูง อย่างเช่นกรณีของแก๊สมีเทนที่ใช้กับรถยนต์นั้นจะใช้ถังความดันที่ 200 บาร์) และด้วยพื้นที่ในการติดตั้งอุปกรณ์เก็บแก๊สที่มีขนาดจำกัด จึงทำให้บรรทุกเชื้อเพลิงได้จำกัด
 

ด้วยเหตุนี้จึงมีการนำเสนอแนวทางการใช้วัสดุของแข็งที่มีรูพรุนสูงมาช่วยในการดูดซับแก๊สเอาไว้ เพื่อที่จะเก็บแก๊สได้ที่ความดันที่ต่ำลง
 

การใช้วัสดุของแข็งมีรูพรุนเพื่อการดูดซับโมเลกุลสารนั้นมีการใช้งานกันมานานแล้วในงานกำจัดสิ่งปนเปื้อนและการแยกสาร ตัวอย่างงานกำจัดสิ่งปนเปื้อนเช่น การกำจัดความชื้นออกจากแก๊ส การกำจัดไอน้ำมันออกจากอากาศ ตัวอย่างงานการแยกได้แก่ระบบ pressure swing adsorption ที่ใช้ความดันที่สูงในการทำให้พื้นผิวดูดซับสารหนึ่งเอาไว้ได้มากกว่าอีกสารหนึ่ง และใช้ความดันที่ต่ำในการปลดปล่อยสารที่ถูกพื้นผิวดูดซับเอาไว้นั้นออกมา 
  

แต่งานทั้งสองก็มีความแตกต่างกันอยู่ตรงที่ความแข็งแรงของการดูดซับ โดยในงานกำจัดสิ่งปนเปื้อนนั้นมักต้องการการดูดซับที่แข็งแรงเพื่อไม่ให้สิ่งปนเปื้อนนั้นหลุดออกไป ผลที่ตามมาก็คือพอสารดูดซับดูดซับสิ่งปนเปื้อนจนอิ่มตัว จะยากที่จะไล่โมเลกุลที่ถูกดูดซับนั้นออกไปจากพื้นผิว เช่นต้องใช้อุณหภูมิที่สูง ทำให้บางครั้งต้องทิ้งสารดูดซับนั้นไปหลังจากที่มันได้ดูดซับจนอิ่มตัวแล้ว โดยไม่สามารถนำกลับมาใช้งานใหม่ได้
 

ส่วนงานแยกสารนั้นสารดูดซับจะต้องไม่จับโมเลกุลที่ถูกดูดซับนั้นไว้แน่นเกินไป เพราะจะทำให้แยกเอาโมเลกุลที่ถูกดูดซับเอาไว้นั้นออกมาไม่ได้ แต่ในขณะเดียวกันก็ต้องมีสามารถที่แตกต่างกันมากเพียงพอในการดูดซับโมเลกุลต่างชนิดกัน ไม่เช่นนั้นก็จะไม่สามารถทำหน้าที่แยกสารได้ นอกจากนี้ในระดับโรงงานนั้นเวลาก็ไม่ใช่ปัจจัยหลักเสมอไปในการดึงเอาโมเลกุลออกจากพื้นผิวสารดูดซับ และยังอาจใช้การลดความดันร่วมกับการให้ความร้อนเพื่อเร่งการไล่โมเลกุลที่ถูกดูดซับเอาไว้ออกจากพื้นผิวได้ด้วย

ในกรณีของการใช้สารดูดซับเพื่อกักเก็บแก๊สเชื้อเพลิง เช่นไฮโดรเจนและมีเทน (ที่ไม่สามารถทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องด้วยการใช้ความดันเพียงอย่างเดียว) มีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณาที่แตกต่างไปจากงานที่กล่าวมาข้างต้น เช่น
 

- ความแข็งแรงของการดูดซับนั้นจะต้องไม่น้อยเกินไป ไม่เช่นนั้นมันจะไม่ช่วยอะไรมากนักในการกักเก็บ

- ในทางตรงกันข้าม ความแข็งแรงของการดูดซับจะต้องไม่มากเกินไป ไม่เช่นนั้นจะไม่สามารถดึงเอาโมเลกุลที่ถูกดูดซับเอาไว้นั้นออกมาใช้งานได้ด้วยการลดความดันเพียงอย่างเดียว

- น้ำหนักของสารดูดซับจะต้องไม่มากเกินไป เมื่อเทียบกับน้ำหนักภาชนะบรรจุแก๊สที่สามารถลดลงได้เนื่องจากการใช้ความดันเก็บกักที่ลดลง กล่าวคือ "น้ำหนักถังความดันต่ำที่บาง + น้ำหนักสารดูดซับ" ไม่ควรจะเท่ากับหรือมากกว่า "น้ำหนักถังความดันสูงที่หนากว่า"

รูปที่ ๒ บทความนี้วัดความสามารถของวัสดุรูพรุนในการดูดซับแก๊สมีเทนเช่นกัน แต่ข้อมูลที่นำมาเป็นขั้นตอนการวัดพื้นที่ผิวซึ่งต้องทำการกำจัดแก๊สต่าง ๆ ออกจากรูพรุนให้หมดก่อนจะทำการดูดซับแก๊สไนโตรเจน โดยการกำจัดแก๊สใช้การให้ความร้อนแก่ต้วอย่างที่อุณหภูมิ 400ºC นาน 4 ชั่วโมง จนกระทั่งความดันในระบบนั้นต่ำกว่า 1 Pa (ความดันบรรยากาศอยู่ที่ประมาณ 100,000 Pa)
 

เมื่อราว ๆ ต้นเดือนมิถุนายนผมได้รับคำถามเพื่อขอความเห็นเกี่ยวกับการวัดความสามารถของสารดูดซับชนิดหนึ่ง (ที่มีพื้นที่ผิวในระดับสูงเกินกว่า 1000 m²/g) เพื่อใช้ในการดูดซับแก๊สมีเทน (methane CH₄) และดูเหมือนความเห็นของผมจะก่อปัญหาตามมาให้กับคนถาม เพราะผมไปบอกว่าผมสงสัยว่าการทดลองเบื้องต้นที่เขาเอาผลมาใช้ต่อยอดงานในช่วงต่อมานั้นน่าจะมีปัญหาตรงเรื่องวิธีการทดลอง พร้อมทั้งชี้แจงไปว่าตรงจุดไหน จึงได้ให้คำแนะนำไปว่าน่าจะไปทำการทดลองเบื้องต้นใหม่ก่อนที่จะทำอะไรต่อไป หลังจากที่ได้ให้ความเห็นกลับไปก็มีความเห็นแย้งส่งกลับมา ผมก็เลยชิ้แจงเพิ่มเติมว่าทำไปผมจึงคิดว่าการทดลองเบื้องต้นนั้นมีปัญหา โดยได้เขียนไว้เป็นข้อ ๆ ไป ซึ่งตรงจุดนี้เห็นว่าน่าจะมีประโยชน์กับผู้ที่ต้องทำงานกับนักวิจัย ก็เลยขอนำมาบันทึกโดยเรียบเรียงเขียนใหม่ ณ ที่นี้

ประเด็นหลักที่เป็นข้อถกเถียงคือการศึกษาเบื้องต้นที่วัดการดูดซับแก๊ส CH₄ ด้วยการบรรจุตัวดูดซับลงในคอลัมน์ จากนั้นให้ความร้อนที่ "อุณหภูมิ 100ºC" ในบรรยากาศที่มีแก๊ส He ไหลผ่านด้วยอัตรา 45 ml/min "เป็นเวลา 2 ชั่วโมง" เพื่อไล่ "ความชื้น" ก่อนที่จะเริ่มทดลองวัดการดูดซับแก๊ส CH₄ นั้น วิธีการทดลองดังกล่าวมีความเหมาะสมหรือไม่ เพราะในส่วนของตัวผมเองนั้นมีความเห็นว่าการทดลองดังกล่าวน่าจะมีปัญหา และถ้าไม่ตรวจสอบยืนยันความถูกต้อง การนำผลการศึกษาเบื้องต้นดังกล่าวไปใช้งานต่อไปก็จะทำให้เกิดปัญหาตามมาอีก

แต่ก่อนอื่นทางผมเห็นว่าทางผมเองและทางผู้สอบถามความคิดเห็นต้องมีความเข้าใจที่ตรงกันในบางประเด็นก่อน โดยผมได้ไล่เป็นข้อ ๆ ไปดังนี้

๑. ในการวัดความสามารถของพื้นผิวของแข็งในการดูดซับโมเลกุลแก๊สชนิดหนึ่งเอาไว้ (สมมุติว่าเป็นแก๊ส A) เราจำเป็นต้องกำจัดการรบกวนจากการดูดซับของแก๊สชนิดอื่น ซึ่งอาจทำได้โดย

๑.๑ กำจัดโมเลกุลแก๊สทุกชนิดออกจากพื้นผิวก่อน ด้วยการทำสุญญากาศ (โดยอาจมีความร้อนช่วย) จากนั้นจึงค่อยเติมแก๊ส A เข้าสู่ระบบ และวัดปริมาณแก๊ส A ที่พื้นผิวดูดซับเอาไว้ได้ หรือ

๑.๒ กำจัดโมเลกุลแก๊สทุกชนิดออกจากพื้นผิวก่อน ด้วยการใช้แก๊ส B เข้าไปไล่ (โดยอาจมีความร้อนช่วย และโดยปรกติมักจะกระทำที่ความดันบรรยากาศ) จากนั้นจึงค่อยเติมแก๊ส A เข้าสู่ระบบ และวัดปริมาณแก๊ส A ที่พื้นผิวดูดซับเอาไว้ได้ วิธีการนี้จะใช้ได้ก็ต่อเมื่อพื้นผิวนั้นดูดซับแก๊ส A ได้ดีกว่าแก๊ส B มาก

๒. ตัวอย่างของการวัดในข้อ ๑.๑ คือการวัดพื้นที่ผิว BET ที่มีการวัด adsorption-desorption isotherm ส่วนตัวอย่างของการวัดในข้อ ๑.๒ คือการวัดพื้นที่ผิวแบบ Single point BET ที่แก๊ส B คือ He และแก๊ส A คือ N₂ โดยทั้งสองวิธีก็ต่างกระทำที่อุณหภูมิจุดเดือดของแก๊ส N₂ (-196ºC)

๓. วิธีการตามข้อ ๑.๒ นั้น (การใช้แก๊ส B เข้าไปไล่แก๊สชนิดอื่นออกจากพื้นผิวให้หมด จากนั้นจึงทำการดูดซับแก๊ส A ในบรรยากาศของแก๊ส B) ใช้ได้ดีกับตัวอย่างที่มีรูพรุนอยู่ในช่วง meso pore เป็นหลัก กล่าวคือจะให้ค่าที่ถูกต้องสูงถ้าพื้นที่ผิวอยู่ในช่วงประมาณ 0.1-200 m²/g (คู่มือเครื่องวัดก็ระบุเอาไว้ชัดเจน)

เหตุผลก็คือตัวอย่างของแข็งที่มีพื้นที่ผิวสูงเกินกว่า 200 m²/g มักจะมี micro pore ในปริมาณที่มีนัยสำคัญ ทำให้การแทนที่ "แก๊สชนิดอื่น" ที่อยู่ใน micro pore จนหมดด้วยแก๊ส He นั้นทำได้ยาก เพราะมีปัญหาเรื่อง counter diffusion

จากประสบการณ์ของผมเอง ตัวอย่างที่มีพื้นที่ผิวประมาณ 100 m²/g (ที่ไม่ค่อยจะดูดซับความชื้น) เมื่อใช้อุณหภูมิ 200ºC (โดยไม่มีการใช้สุญญากาศช่วย) ยังต้องใช้เวลาไม่น้อยกว่า 4 ชั่วโมงในการไล่ "แก๊สชนิดอื่น" ออกจาก meso pore จนหมด เพื่อให้ได้ผลการวัดปริมาณการดูดซับ N₂ ที่ถูกต้อง (การวัดพื้นที่ผิวแบบ Single point BET)
 

๔. "แก๊สชนิดอื่น" นั้นไม่ได้จำกัดแค่ไอน้ำ แต่ยังครอบคลุมไปถึง N₂ และ O₂ ในอากาศด้วย แต่เป็นที่น่าแปลกตรงที่นักวิจัยจำนวนไม่น้อยมักจะยึดติดอยู่เพียงแค่ต้องไล่น้ำออกจากพื้นผิว

จริงอยู่ที่ว่า "การอบที่อุณหภูมิสูงพอ ภายใต้สภาวะสุญญากาศเป็นเวลานานพอ" สามารถกำจัดแก๊สต่าง ๆ ออกจากรูพรุนระดับ micro pore ได้ แต่เมื่อใดก็ตามที่ตัวอย่างนั้นสัมผัสกับอากาศ อากาศก็จะกลับเข้าไปอยู่ในรูพรุนใหม่

๕. คำถาม ณ ขณะนี้ก็คือ หลังจากทำการอบตัวอย่างที่อุณหภูมิ 200ºC ในสุญญากาศเป็นเวลา 12 ชั่วโมง ก่อนที่จะนำตัวอย่างไปเก็บในตู้ดูดความฃื้นนั้น (งานวิจัยที่เขาถามความเห็นผมมา เขามีขั้นตอนการทำงานช่วงนี้อยู่) ช่วงเวลาการย้ายตัวอย่างจากตู้อบไปยังตู้เก็บความชื้นนั้น ตัวอย่างมีการสัมผัสกับอากาศหรือไม่ ถ้าหากตัวอย่างมีการสัมผัสกับอากาศ รูพรุนของตัวอย่างก็จะถูกเติมเต็มไปด้วยอากาศ (N₂ + O₂) ทันทีที่ตัวอย่างสัมผัสกับอากาศ (ไม่ว่าจะเป็นในขั้นตอนขนย้ายไปบรรจุลงเบดหรือนำไปใส่ในตู้ดูดความฃื้นก็ตาม)

๖. จากข้อ ๕. ซึ่งถ้าตัวอย่างมีการสัมผัสกับอากาศก่อนการวัดการดูดซับ CH₄ ก่อนเริ่มการทดลองวัดการดูดซับ CH₄ ก็จำเป็นต้องทำการไล่อากาศ (N₂ + O₂) ออกจากรูพรุนของตัวอย่างใหม่ (ไม่ใช่มองเพียงแค่น้ำ)

๗. คำถามที่ว่าการใช้อุณหภูมิ 100ºC ในบรรยากาศที่มีแก๊ส He ไหลผ่านเป็นเวลา 2 ชั่วโมงนั้น เพียงพอต่อการไล่อากาศ (N₂ + O₂) ออกจากรูพรุนของตัวอย่างและแทนที่แก๊สในรูพรุนนั้นด้วย He ได้สมบูรณ์หรือไม่นั้น ตอบได้ไม่ยาก โดยสามารถไปตรวจสอบได้จากอุณหภูมิและเวลาที่ต้องใช้ในการกำจัดเอาแก๊สทุกชนิดออกจากรูพรุนของตัวอย่าง (ที่มีการใช้สุญญากาศช่วยด้วย ก่อนที่จะทำการวัดพื้นที่ผิว BET ด้วยการให้ตัวอย่างดูดซับแก๊ส N₂ นั้น) ใช้เวลาในการกำจัดแก๊สนานเท่าใด

๘. จากข้อ ๗. ถ้าขั้นตอนการกำจัดแก๊สดังกล่าวใช้อุณหภูมิใกล้เคียงกับ 100ºC และใช้เวลา "ต่ำกว่า 2 ชั่วโมงมาก" ก็จะยืนยันว่าการใช้อุณหภูมิ 100ºC ในบรรยากาศที่มีแก๊ส He ไหลผ่านเป็นเวลา 2 ชั่วโมงนั้น เพียงพอต่อการไล่แก๊สทุกชนิดที่ไม่ใช่ He ออกจากรูพรุนทั้งหมดของตัวอย่าง สิ่งต่าง ๆ ที่ผมคำถามเอาไว้ก็จะเป็นอันตกไป

๙. แต่จากประสบการณ์ของผมเองนั้น (จากการส่งตัวอย่างไปวิเคราะห์พื้นที่ผิวและวัด adsorption/desorption isotherm) สำหรับตัวอย่างที่มีพื้นที่ผิวในระดับ 500-1000 m²/g แม้ว่าจะใช้อุณหภูมิระดับ 200ºC และมีการใช้สุญญากาศช่วย ก็ยังต้องใช้เวลาไม่ต่ำกว่า 10 ชั่วโมง ในการกำจัดแก๊สทุกชนิดออกจาก micro pore ได้หมด

๑๐. และที่กล่าวมาทั้งหมดข้างต้นคือเหตุผลที่ว่าทำไมผมจึงตั้งข้อสงสัยว่าการใช้อุณหภูมิ 100ºC ในบรรยากาศที่มีแก๊ส He ไหลผ่านเป็นเวลาเพียงแค่ 2 ชั่วโมง จึงไม่สามารถแทนที่อากาศ (N₂ + O₂) ที่อยู่ใน micro pore ของตัวอย่างได้ สิ่งที่เกิดขึ้นในการทดลองเบื้องต้นคือการแทนที่อากาศ (N₂ + O₂) ที่อยู่ใน meso pore ด้วย He ได้ส่วนหนึ่งเท่านั้น ดังนั้นผลการดูดซับที่เห็นในการทำการทดลองเบื้องต้น จึงเป็นผลการดูดซับที่เกิดขึ้นที่ meso pore เป็นหลักเท่านั้น

๑๑. การวัดพื้นที่ผิว BET ที่ส่วนใหญ่ปฏิบัติกันนั้น วัดปริมาณแก๊ส N₂ ที่ตัวอย่างดูดซับเอาไว้ได้ที่อุณหภูมิ "จุดเดือด" ของแก๊ส N₂ (ก็ประมาณ -196ºC)

ณ อุณหภูมิจุดเดือดนี้ N₂ สามารถควบแน่นเป็นของเหลวได้ในรูพรุนขนาดเล็ก และมีการดูดซับเรียงซ้อนกันมากกว่า 1 ชั้นบนพื้นผิวได้ (multi-layer adsorption) ด้วยเหตุนี้เราจึงสามารถคำนวณ "ปริมาตร" ของรูพรุนได้
 

๑๒. แต่การวัดการดูดซับ CH₄ ในบรรยากาศ He นั้น กระทำที่ความดันต่ำและอุณหภูมิที่สูงกว่าอุณหภูมิจุดวิกฤตของ CH₄ มาก ในสภาวะเช่นนี้การดูดซับจะเกิดขึ้นระหว่างโมเลกุล CH₄ (ที่สัมผัสกับพื้นผิว) กับพื้นผิวเท่านั้น ไม่ควรมีการดูดซับที่เกิดจากโมเลกุล CH₄ เรียงซ้อนไปบนโมเลกุลที่ถูกดูดซับเอาไว้ก่อนหน้า หรือกล่าวคือไม่ควรมีการเกิดการดูดซับแบบ multi-layer แต่ควรเป็นชนิด mono-layer มากกว่า

และเมื่อการดูดซับเป็นชนิด mono-layer พารามิเตอร์ที่มีบทบาทสำคัญในการกำหนดปริมาณแก๊สที่พื้นผิวจะดูดซับเอาไว้ได้จะเป็น "พื้นที่ผิว" ของรูพรุน ไม่ใช่ปริมาตรของรูพรุน (ปริมาตรรูพรุนจะมีบทบาทสำคัญในกรณีที่มีการควบแน่นเป็นของเหลวเกิดขึ้นในรูพรุน)

๑๓. แต่ทั้งนี้ "พื้นที่ผิว" ที่มีบทบาทสำคัญ ควรเป็นพื้นที่ผิวที่สามารถดูดซับและคายซับ CH₄ ได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งก็เป็นพื้นที่ผิวในส่วนของ meso pore (เพราะการคายซับแก๊สจาก micro pore นั้นทำได้ยากกว่ามาก ซึ่งก็คงจะทราบอยู่แล้วจากเวลาที่ต้องใช้ในการไล่แก๊สออกจากรูพรุนก่อนวัดพื้นทื่ผิว BET)

วัสดุที่มีพื้นที่ผิวสูงในระดับตั้งแต่ 1000 m²/g ขึ้นไปนั้นที่เคยพบเห็นมีอยู่สองแบบ แบบแรกคือพื้นที่ผิวส่วนใหญ่เป็นส่วนของ micro pore (รูพรุนที่มีขนาดเล็กกว่า 2 nm) แบบที่สองคือแบบที่พื้นที่ผิวส่วนใหญ่เป็นส่วนของ meso pore (รูพรุนในช่วง 2-50 nm) การคายซับโมเลกุลแก๊สออกจากรูพรุนของ mesopore นั้นเกิดได้รวดเร็วไม่เหมือนกับการคายซับออกจากรูพรุนของ micropore จะเรียกว่าถ้าคิดจะนำเอาวัสดุมีรูพรุนที่มีพื้นที่ผิวสูงไปใช้เพื่อการดูดซับแก๊สไฮโดรเจนหรือมีเทนเพื่อใช้กับรถยนต์ก็ควรพิจารณาวัสดุรูปพรุนแบบที่สองที่พื้นที่ผิวส่วนใหญ่เป็นส่วนของ mesopore ก็ได้ ทั้งนี้เพื่อให้มันจ่ายแก๊สออกมาชดเชยได้ทันต่อความต้องการของเครื่องยนต์ 
  

และด้วยความแตกต่างของขนาดรูพรุนที่ให้พื้นที่ผิวที่สูงตรงนี้เอง จึงทำให้การจะนำเอาสภาวะที่ใช้ในการเตรียมตัวอย่างก่อนการวัดของตัวอย่างรูปแบบหนึ่ง มาใช้กับตัวอย่างอีกรูปแบบหนึ่งนั้น ใช่ว่าจะเหมาะสมเสมอไป สิ่งสำคัญที่ต้องคำนึงคือ "หลักการ" ไม่ใช่วิธีการ กล่าวคือเราต้องการวัดอะไร และก่อนที่จะเริ่มทำการวัดนั้นตัวอย่างควรอยู่ในสภาพเช่นใด จากนั้นจึงค่อยออกแบบวิธีการที่เหมาะสมกับตัวอย่างที่มีเพื่อให้ตัวอย่างอยู่ในสภาพที่พร้อมกับการวัด ไม่ใช่ทำเพียงแค่ลอกสิ่งที่เห็นคนอื่นเขาทำหรือคิดเอาเองว่ามันพอแล้ว (โดยที่ไม่มีการทดลองทดสอบความคิดนั้น)

ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า flammability limit (๑) MO Memoir : Friday 28 July 2560

เนื้อหาใน Memoir ฉบับนี้เป็นเรื่องต่อเนื่องจาก Memoir ปีที่ ๙ ฉบับที่ ๑๓๖๙ วันศุกร์ที่ ๒๘ เมษายน ๒๕๖๐ เรื่อง "ผลของคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ต่อค่า flammability limits" โดยรูปต่าง ๆ ในฉบับนี้นำมาจากเอกสารที่มีชื่อเรื่องว่า "Flammability characteristics of combustible gases and vapors" โดย Michael G. Zabetakis, U.S. Bureau of Mines, Bulletin 627 ที่ค้นได้ทางอินเทอร์เน็ต เผยแพร่ในปีค.ศ. ๑๙๖๕

รูปที่ ๑ ค่า Flammability limits ของอีเทน + อากาศ + (N₂ หรือ CO₂) ที่ 25ºC ความดันบรรยากาศ

ใน Memoir ฉบับที่ ๑๓๖๙ นั้นได้กล่าวถึงผลของค่าความจุความร้อนของแก๊สเฉื่อยที่ทำให้ช่วง flammability limit ของเชื้อเพลิงนั้นแคบลง และได้นำเอากราฟของสารบางสารมาให้ดูกัน มาคราวนี้บังเอิญไปพบกราฟของสารตัวอื่น ก็เลยขอนำมาเผยแพร่เพิ่มเติม (รูปกราฟจากเอกสารต้นฉบับมีบางกราฟมีความผิดพลาด ที่จะได้กล่าวถึงในรูปนั้น)
 

ในรูปกราฟแต่ละรูปนั้น ค่า flammability limit หรือ explosive limit ของแต่ละสารในอากาศนั้นคือค่าที่ตำแหน่งแกน x เป็นศูนย์ รูปที่ ๑-๕ แสดงผลของแก๊สเฉื่อยที่มีการเพิ่มเติมเข้าไป (นอกเหนือไปจากไนโตรเจนที่มีอยู่ในอากาศแต่แรก) ที่มีต่อช่วง flammability limit โดยรูปที่ ๑-๓ เป็นกรณีของ อีเทน โพรเพน และบิวเทน เมื่อมีการเพิ่มไนโตรเจน (นอกเหนือไปจากที่มีอยู่ในอากาศ) หรือคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไป รูปที่ ๔ และรูปที่ ๕ เป็นกรณีของมีเทนและนอร์มัลเพนเทน ที่มีการผสมแก๊สเฉื่อยหลากหลายชนิด
 

สิ่งหนึ่งที่น่าสนใจคือผลของ CO₂ ที่มีต่อช่วง flammability limit ของมีเทนในรูปที่ ๔ โดยเฉพาะตรงส่วนผสมที่มี CO₂ 18% เพราะแก๊ส CNG เติมรถยนต์ที่ขายในบ้านเรานั้นมี CO₂ ผสมอยู่ 18%

รูปที่ ๒ ค่า Flammability limits ของโพรเพน + อากาศ + (N₂ หรือ CO₂) ที่ 25ºC ความดันบรรยากาศ
  

การทำงานของเครื่องยนต์เบนซิน (หรือดีเซล) นั้น เราใช้เชื้อเพลิงเผาไหม้ให้เกิดความร้อนและแก๊สร้อนที่ขยายไปดันลูกสูบ เชื้อเพลิงที่มีพลังงานความร้อนในตัวสูงกว่าก็จะใช้ปริมาณน้อยกว่าเชื้อเพลิงที่มีพลังงานความร้อนในตัวต่ำกว่า (พูดง่าย ๆ คือในกรณีของเชื้อเพลิงเหลว เทียบกันลิตรต่อลิตร เชื้อเพลิงที่มีค่าความร้อนสูงกว่าจะวิ่งได้กิโลเมตรต่อลิตรที่มากกว่า) เนื่องจาก CO₂ นั้นมีค่าความจุความร้อนที่สูงกว่าไนโตรเจน ดังนั้นถ้าเรามีส่วนผสมแก๊สสองส่วนผสมที่มีอัตราส่วนผสมระหว่างมีเทนและออกซิเจนเท่ากัน โดยส่วนผสมแรกนั้นแก๊สส่วนที่เหลือคือไนโตรเจน ส่วนส่วนผสมที่สองนั้นแก๊สส่วนที่เหลือคือไนโตรเจนและ CO₂ เมื่อทำการเผาไหม้แก๊สทั้งสองชนิดในปริมาณที่เท่ากัน (คิดเทียบเท่าปริมาณมีเทนที่เผาไหม้เท่ากัน) แก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่มีส่วนผสม CO₂ สูงจะมีอุณหภูมิที่ต่ำกว่า ทำให้มีการขยายตัวของแก๊สน้อยกว่า หรือถ้าคิดเทียบระยะทางที่รถวิ่งได้ต่อปริมาณมีเทนที่เผาไหม้ แก๊สผสมที่มี CO₂ ผสมอยู่จะให้ระยะทางที่รถวิ่งได้ต่อปริมาณมีเทนที่เผาไหม้นั้นต่ำกว่าแก๊สผสมที่ไม่มี CO₂ ผสมอยู่

รูปที่ ๓ ค่า Flammability limits ของบิวเทน + อากาศ + (N₂ หรือ CO₂) ที่ 25ºC ความดันบรรยากาศ

รูปที่ ๔ ค่า Flammability limits ของมีเทน + อากาศ + แก๊สเฉื่อยชนิดต่าง ๆ ที่ 25ºC ความดันบรรยากาศ

CNG เติมรถยนต์ที่ขายกันอยู่ทั่วไปในบ้านเรานั้นมี CO₂ ผสมอยู่ 18% รถยนต์ที่ใช้ CNG เป็นเชื้อเพลิงจึงมีปัญหาตรงที่ถ้าหากไปลดปริมาณ CO₂ ลงเพื่อให้รถวิ่งได้ระยะทางเพิ่มมากขึ้นต่อปริมาณแก๊สที่เติม ระบบฉีดจ่ายเชื้อเพลิงจะต้องสามารถลดปริมาณแก๊สที่ฉีดเพื่อเป็นการชดเชยค่าพลังงานความร้อนของเชื้อเพลิงที่สูงขึ้น เพราะถ้าไม่ทำเช่นนี้จะเกิดปัญหาเครื่องยนต์ร้อนจัดจนอาจเกิดความเสียหายได้ ในทางกลับกันเครื่องยนต์ที่ออกแบบมาสำหรับใช้ CNG ที่ไม่มี CO₂ ผสมนั้น ถ้านำเอา CNG ที่มี CO₂ ผสมอยู่ 18% มาใช้โดยไม่มีการฉีดเชื้อเพลิงเพิ่มเพื่อชดเชยค่าพลังงานความร้อนที่ลดลงของเชื้อเพลิง ก็จะทำให้เครื่องยนต์มีกำลังตกลง ปัญหาของรถยนต์ที่ใช้ CNG เป็นเชื้อเพลิงดูเหมือนว่าจะอยู่ตรงที่ระบบจ่ายเชื้อเพลิงนั้นไม่สามารถปรับเปลี่ยนปริมาณการฉีดให้เหมาะสมกับปริมาณ CO₂ ที่มีอยู่ในเชื้อเพลิงได้ ทำให้เมื่อมีแผนการณ์ที่จะนำเอา CNG ที่มี CO₂ ผสมอยู่น้อยมาชาย จึงต้องแยกขายให้กับกลุ่มที่มีความต้องการเฉพาะ
 

ก๊าชธรรมชาติสำหรับยานยนต์นี้ ชื่อเรียกภาษาอังกฤษและชื่อย่อตามมาตรฐานสากลและตามกฎหมายไทยคือ Compressed Natural Gas หรือ CNG ตัวย่อว่า NGV นั้นตามมาตรฐานสากลหมายถึงรถที่ใช้ CNG เป็นเชื้อเพลิงหรือNatural Gas Vehicle (บริษัทหนึ่งในบ้านเราเอาคำย่อ NGV นี้มาแปลความหมายผิดคือแปลเป็น Natural Gas for Vehicle) ดังนั้นถ้าจะคุยกับคนต่างชาติโดยต้องการสื่อความหมายไปที่ตัวเชื้อเพลิง ก็ต้องใช้คำว่าย่อว่า CNG ห้ามใช้คำว่า NGV เพราะมันเป็นคนละเรื่องกัน

รูปที่ ๕ ค่า Flammability limits ของนอร์มัลเพนเทน + อากาศ + แก๊สเฉื่อยชนิดต่าง ๆ ที่ 25ºC ความดันบรรยากาศ
 

ประกาศกรมธุรกิจพลังงาน เรื่อง กำหนดลักษณะและคุณภาพของก๊าซธรรมชาติสำหรับยานยนต์ พ.ศ. ๒๕๕๖ ได้แยกก๊าซธรรมชาติสำหรับยานยนต์ออกเป็นสองชนิด ชนิดแรกนั้นคือชนิดที่มีขายมาแต่ดั้งเดิมที่มี CO₂ ผสมอยู่ 18% ส่วนชนิดที่สองที่ตั้งขึ้นมาใหม่นั้นมี CO₂ ผสมอยู่เพียง 10% (ประกาศปีพ.ศ. ๒๕๕๒ มีเฉพาะชนิดมี CO₂ 18%) เครื่องยนต์รถที่ตั้งเครื่องมาเพื่อใช้กับแก๊สชนิดแรกนั้น ถ้าเปลี่ยนไปใช้แก๊สชนิดที่สองก็มีสิทธิเครื่องพังได้เนื่องจากร้อนจัด (เว้นแต่ว่าจะไปทำการปรับแต่งปริมาณการฉีดเชื้อเพลิงให้ลดต่ำลง) ส่วนเครื่องยนต์รถที่ตั้งมาเพื่อใช้กับแก๊สชนิดที่สองนั้น ถ้าเปลี่ยนไปใช้แก๊สชนิดแรกก็จะมีปัญหาเครื่องยนต์กำลังตก ปัญหานี้เคยเกิดทางภาคอีสานราว ๆ ปี ๒๕๕๐ - ๒๕๕๓ เห็นจะได้ ที่ตอนแรกนั้น CNG ที่ขายอยู่ทางภาคอีสานมี CO₂ น้อยกว่าที่อื่น รถที่ปรกติใช้งานอยู่ในกรุงเทพพอไปเติม CNG ทางภาคอีสานเกิดปัญหาเครื่องยนต์ร้อนจัด ส่วนรถที่ปรกติใช้งานอยู่ทางภาคอีสาน พอมาเติมเชื้อเพลิงแถวกรุงเทพก็เกิดปัญหาเครื่องยนต์กำลังตก ทางผู้จำหน่ายเลยแก้ปัญหาด้วยการเพิ่มปริมาณ CO₂ ให้กับแก๊สที่จำหน่ายทางภาคอีสาน (แต่ไม่ได้ลดราคาให้นะ)

รูปที่ ๖ ค่า flammability limit ของนอร์มัลเฮปเทนเมื่อมีไอน้ำผสม กราฟนี้แสดงผลของอุณหภูมิ จะเห็นว่าอุณหภูมิที่เพิ่มสูงขึ้นทำให้ช่วง flammability limit กว้างขึ้น
 

รูปที่ ๖ เป็นตัวอย่างผลของอุณหภูมิที่มีต่อค่า flammability limit ของนอร์มัลเฮปเทน รูปนี้แสดงให้เห็นว่าเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ช่วงความกว้างของค่า flammability limit ก็จะเพิ่มขึ้นด้วย (ที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ อุณหภูมิ autoignition temperature ของเฮปเทนอยู่ที่ 200ºC ต้น ๆ เท่านั้น ดังนั้นไม่ต้องแปลกใจว่าทำไปเขาจึงทำการทดลองได้เพียงแค่อุณหภูมิ 200ºC)
 

รูปที่ ๗-๑๑ แสดงผลของความดันต่อค่า flammability limit ของ มีเทน อีเทน และโพรเพน ในระบบ เชื้อเพลิง-ไนโตรเจน-อากาศ หรือ เชื้อเพลิง-คาร์บอนไดออกไซด์-อากาศ ซึ่งจะเห็นว่าที่ความดันสูงขึ้น ช่วงความกว้างของค่า flammability limit ก็จะเพิ่มขึ้นด้วยทำนองเดียวกับกรณีของอุณหภูมิ

รูปที่ ๗ ผลต่อความดันที่มีต่อค่า flammability limit ของแก๊สมีเทน-ไนโตรเจน-อากาศ

ค่า flammability limit ที่มีเผยแพร่กันทั่วไปนั้นมักจะเป็นค่าที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ แต่ก็มีหลายกระบวนการผลิตในงานวิศวกรรมเคมีที่ทำการผสมเชื้อเพลิง (สารอินทรีย์ที่เป็นสารตั้งต้นเช่นไฮโดรคาร์บอนต่าง ๆ) กับอากาศ และให้ทำปฏิกิริยากันที่อุณหภูมิสูงและความดันที่สูงกว่าความดันบรรยากาศ (พวกปฏิกิริยาการออกซิไดซ์แบบเลือกเกิด หรือที่เรียกเป็นภาษาอังกฤษว่า selective oxidation หรือ partial oxidation) และวิธีการพื้นฐานวิธีการแรกในการป้องกันอันตรายจากการระเบิดในขณะทำปฏิกิริยาคือการใช้ส่วนผสมที่อยู่นอกช่วง flammability limit
 

จากรูปที่ ๖-๑๑ จะเห็นว่าที่อุณหภูมิและความดันที่สูงขึ้น ความกว้างของช่วง flammbility limit จะเพิ่มมากขึ้น แต่ด้านที่เพิ่มมากจะเป็นด้านขอบเขตบน (upper limit หรือ upper explosive limit) คือค่าความเข้มข้นสูงสุดของเชื้อเพลิงที่ทำให้เกิดการเผาไหม้ได้เพิ่มขึ้นไปมาก ในขณะที่ด้านขอบเขตล่าง (lower limit หรือ lower explosive limit) จะได้รับผลกระทบน้อยกว่าหรือแทบไม่ได้รับผลกระทบ คือค่าความเข้มข้นต่ำสุดที่ทำให้เกิดการเผาไหมได้แทบจะไม่ได้ลดต่ำลงไปอีก

รูปที่ ๘ ผลต่อความดันที่มีต่อค่า flammability limit ของแก๊สอีเทน-ไนโตรเจน-อากาศ กราฟรูปนี้เอกสารต้นฉบับที่นำบทความเดิมในปี ๑๙๖๕ มาทำใหม่นั้น ไม่ได้ใส่ตัวเลขสเกลทั้งแกน x และ y ให้ แต่เมื่อเทียบรูปในบทความต้นฉบับปี ๑๙๖๕ แต่ละขีดของแกน x และแกน y จะอยู่ห่างกัน 8 หน่วย

แต่ทั้งนี้ไม่ได้หมายความว่าการทำปฏิกิริยาโดยที่ส่วนผสมนั้นอยู่ในช่วง flammability limit จะทำไม่ได้นะ ในปฏิกิริยา gas phase partial oxidation ของหลายกระบวนการใช้การทำปฏิกิริยาโดยที่ส่วนผสมสารตั้งต้นอยู่ในช่วง flammability limit แต่ก็ยังสามารถเดินเครื่องได้อย่างปลอดภัย เพราะมันมีเรื่องของ autoignition temperature หรืออุณหภูมิลุกติดไฟได้เองเข้ามาเกี่ยวข้องอีก 
  

คือการทำปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์มันไม่มีเปลวไฟหรือประกายไฟอยู่แล้ว สิ่งเดียวที่สามารถทำให้ส่วนผสมเกิดการระเบิดได้คือความร้อนที่คายออกมาจากการเกิดปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่นในระหว่างการเกิดปฏิกิริยา gas phase partial oxidation (ที่เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน) นั้นสารตั้งต้นจะมีความเข้มข้นลดต่ำลงในขณะที่ปฏิกิริยากำลังเดินไปข้างหน้า แต่อุณหภูมิของระบบจะเพิ่มสูงขึ้น ถ้าสามารถมั่นใจได้ว่าสามารถออกแบบระบบการทำปฏิกิริยาที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นจะลดต่ำลงจนอยู่นอกช่วง flammability limit ก่อนที่อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาจะขึ้นสูงถึง autoignition temperature ได้ ก็สามารถทำปฏิกิริยาได้อย่างปลอดภัย
 

เรื่อง flammability limit นี้ยังไม่จบนะ ยังมีต่ออีกตอนหนึ่ง จากนั้นก็จะไปยังเรื่อง autoignition temperature ก่อน แล้วค่อยไปคุยกันเรื่องเหตุการณ์ที่เกิดเมื่อเย็นวันอังคารที่ ๒๕ ที่ผ่านมา

รูปที่ ๙ ผลต่อความดันที่มีต่อค่า flammability limit ของแก๊สอีเทน-คาร์บอนไดออกไซด์-อากาศ รูปนี้บทความที่จัดทำใหม่มีที่ผิดนิดนึงตรงการคำนวณ %air ที่ต้องเป็น %CO₂ ไม่ใช่ %N₂ แต่ในบทความต้นฉบับปี ๑๙๖๕ นั้นระบุไว้ถูกต้องแล้ว

รูปที่ ๑๐ ผลของความดันที่มีต่อค่า flammability limit ของแก๊สโพรเพน-ไนโตรเจน-อากาศ รูปนี้เอกสารที่จัดทำขึ้นใหม่มีที่ผิดนิดนึงตรงลูกศรชี้เส้นความดันบรรยากาศที่ชี้ผิดเส้น รูปนี้ต้นฉบับปี ๑๙๖๕ ก็ผิดที่นี่เช่นกัน

หมายเหตุ : บทความที่เป็นต้นเรื่องของเนื้อหา Memoir ฉบับนี้สามารถดาวน์โหลดได้ฟรีทางอินเทอร์เน็ตด้วยการใช้ใส่ชื่อบทความ "Flammability characteristics of combustible gases and vapors" ลงไปในช่องคำค้นหา จะปรากฏลิงค์เชื่อมโยงไปทั้งบทความต้นฉบับที่พิมพ์เผยแพร่ในปี ค.ศ. ๑๙๖๕ และบทความที่มีการจัดทำขึ้นใหม่ราว ๆ ปีค.ศ. ๑๙๙๙ (ที่ยังเป็นรายงานฉบับร่าง) บทความที่จัดทำขึ้นใหม่ในปีค.ศ. ๑๙๙๙ นี้มีการวาดรูปใหม่ให้ชัดเจนกว่าบทความปี ๑๙๖๕ และรูปที่นำมาลงใน Memoir นี้ก็นำมาจากบทความฉบับหลังนี้ (เพราะรูปมันชัดเจนกว่า) แต่รูปที่วาดขึ้นใหม่ในบทความฉบับหลังนี้มีผิดอยู่บางรูป (รูปที่ ๘ และ ๙ ในที่นี้) เมื่อเทียบกับบทความต้นฉบับปี ค.ศ. ๑๙๖๕

รูปที่ ๑๑ ผลของความดันที่มีต่อค่า flammability limit ของแก๊สโพรเพน-คาร์บอนไดออกไซด์-อากาศ