ปัญหาการใช้แอมโมเนียเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน MO Memoir : Wednesday 1 May 2567

เนื่องจากเราไม่สามารถทำให้ไฮโดรเจน (Hydrogen H₂) กลายเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องด้วยการใช้ความดันเพียงอย่างเดียว การใช้ไฮโดรเจนกับยานพาหนะจึงต้องใช้การกักเก็บในรูปถังความดันสูง ทำให้เกิดปัญหาเรื่องน้ำหนักและปริมาตรของถังบรรจุที่ต้องใช้เพื่อให้ยานพาหนะนั้นสามารถเดินทางได้เป็นระยะทางที่เหมาะสม และยังมีปัญหาเรื่องการลำเลียงไฮโดรเจนจากแหล่งผลิตไปยังสถานีบริการ แบบเดียวกับที่บ้านเรามีปัญหาในการส่ง CNG ไปยังปั๊มเติมต่าง ๆ (ภาษา "สากลและกฎหมายไทย" เรียกแก๊สธรรมชาติอัดความดันที่ใช้กับยานพาหนะว่า CNG ที่ย่อมาจาก Compressed Natural Gas ส่วนยานยนต์ที่ใช้ CNG เป็นเชื้อเพลิงเรียกว่า NGV ที่ย่อมาจาก Natural Gas Vehicle กล่าวคือถ้าต้องการกล่าวถึงแก๊สเติมรถก็ต้องเรียก CNG ถ้าต้องการกล่าวถึงรถที่ใช้ CNG เป็นเชื้อเพลิงก็ต้องเรียก NGV)

พอเห็นว่าการนำเอาไฮโดรเจนไปใช้เป็นเชื้อเพลิงหลักยังห่างไกลจากความเป็นจริงเพราะยังมีอีกหลากหลายปัญหาที่ยังแก้ไม่ตก (ถึงขนาดเริ่มมีการประกาศปิดปั๊มเติมไฮโดรเจนแล้ว) ก็เริ่มมีการเปลี่ยนเรื่องคุยด้วยการหยิบยกเอาแอมโมเนีย (Ammonia NH₃) ขึ้นมาพูดแทน (ส่วนเรื่องไฮโดรเจนที่คุยโอ้อวดไว้ว่าเป็นพลังงานแห่งอนาคตอันใกล้นี้ก็ลืม ๆ ไปก่อน)

Coal gasification เป็นปฏิกิริยาระหว่างถ่านหินกับไอน้ำที่อุณหภูมิสูง แก๊สผลิตภัณฑ์ที่ได้จะมีคาร์บอนมอนอกไซด์ (Carbon monoxide CO) และไฮโดรเจนเป็นตัวหลัก แก๊สที่ได้จากปฏิกิริยานี้สามารถนำไปเปลี่ยนเป็นเชื้อเพลิงเหลวด้วยกระบวนการ Fischer-Tropsch synthesis หรือแยกเอาไฮโดรเจนไปใช้ในปฏิกิริยา Coal liquefaction ซึ่งสองกระบวนการนี้จะได้ผลิตภัณฑ์เป็นไฮโดรคาร์บอนเหลว หรือจะนำไปสังเคราะห์เป็นเมทานอล (Methanol CH₃OH) หรือจะแยกเอาไฮโดรเจนไปผลิตเป็นแอมโมเนีย

รูปที่ ๑ การใช้แอมโมเนียเป็นเชื้อเพลิงสำหรับยานยนต์นั้นมีมานานแล้ว ตั้งแต่ยุคทศวรรษ ๑๙๓๐ (ก่องสงครามโลกครั้งที่ ๒ อีก) ถ้านับจนถึงปัจจุบันก็เรียกว่าเกือบ ๑๐๐ ปีแล้ว

แอมโมเนียที่ผลิตขึ้นส่วนใหญ่ถูกนำไปใช้ในการผลิตปุ๋ยเคมี (ปุ๋ยไนโตรเจนพวกยูเรีย) หรือสารประกอบไนเทรต (เช่นแอมโมเนียมไนเทรตและกรดไนตริก) แต่เนื่องจากมันเป็นแก๊สที่ติดไฟได้ แม้ว่าจะจุดติดยากและให้ค่าพลังงานความร้อนต่ำ ก็ยังเคยมีคนพยายามนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน (รูปที่ ๑) เมื่อเกือบ ๑๐๐ ปีที่แล้ว

รูปที่ ๒ คุณสมบัติของแอมโมเนียเทียบกับเชื้อเพลิงชนิดอื่น (จากบทความเรื่อง "Ammonia as zero-carbon fuel for Internal Combustion Enginer: "where are we today?" 15th International Conference on Engines & Vehicles (ICE2021) โดย Prof. Christine Mounaim-Rousselle)

เครื่องยนต์สันดาปภายใน (Internal Combustion Enginer - ICE) ที่เราใช้งานกันหลัก ๆ ในชีวิตประจำวันคือเครื่องยนต์แก๊ซโซลีนหรือที่บ้านเราเรียกเครื่องเบนซิน และเครื่องยนต์ดีเซล เครื่องยนต์สองแบบนี้มีรูปแบบการจุดระเบิดเชื้อเพลิงที่แตกต่างกัน โดยเครื่องยนต์เบนซินจะใช้การผสมอากาศกับเชื้อเพลิงให้กลายเป็นไอผสมเนื้อเดียวกันก่อน จากนั้นจึงค่อยใช้ประกายไฟจากหัวเทียนจุดระเบิดไอผสม ให้เปลวไฟที่เกิดขึ้นวิ่งแผ่กระจายออกไปจากเขี้ยวหัวเทียน (ตำแหน่งจุดระเบิด) ส่วนเครื่องยนต์ดีเซลนั้นจะใช้การอัดอากาศเพียงอย่างเดียวให้มีปริมาตรเล็กลง ซึ่งจะทำให้อากาศที่ถูกอัดนั้นมีอุณหภูมิสูงขึ้น จากนั้นจึงฉีดน้ำมันให้สัมผัสกับอากาศร้อน น้ำมันนั้นก็จะลุกติดไฟได้เองทันที

ด้วยเหตุนี้เครื่องยนต์ทั้งสองแบบจึงต้องการเชื้อเพลิงที่มีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน คือเครื่องยนต์เบนซินต้องการเชื้อเพลิงที่มีค่าอุณหภูมิจุดติดไฟได้ตนเองหรือ auto-ignition temperature ที่สูง เพื่อป้องกันไม่ให้ไอผสมในกระบอกสูบเกิดการจุดระเบิดขึ้นเองก่อนเปลวไฟจะวิ่งไปถึง ในขณะที่เครื่องยนต์ดีเซลต้องการเชื้อเพลิงที่มีค่า auto-ignition temperature ที่ต่ำ เพื่อให้เชื้อเพลิงติดไฟได้ทันทีเมื่อสัมผัสกับอากาศร้อน

แอมโมเนียมึค่าอุณหภูมิ auto-ignition temperature ที่สูงกว่าไฮโดรเจนและมีเทน (รูปที่ ๒) ดังนั้นการใช้แอมโมเนียเป็นเชื้อเพลิงเพียงอย่างเดียวในเครื่องยนต์ดีเซลจึงไม่ใช่เรื่องง่ายในทางปฏิบัติ ที่ทำได้ง่ายกว่าคือการใช้ในรูปของเชื้อเพลิงผสม คือการใช้ร่วมกับน้ำมันดีเซล โดยให้น้ำมันดีเซลเป็นตัวจุดติดไฟก่อนจากนั้นจึงค่อยเผาแอมโมเนียร่วม (การใช้ CNG (มีเทน) เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลก็มีการทำแบบนี้มาก่อน แต่ไม่ค่อยแพร่หลาย ที่ทำกันมากกว่าคือแปลงเครื่องยนต์ดีเซลให้กลายเป็นเบนซินด้วยการเปลี่ยนฝาสูบและติดตั้งหัวเทียน)

เครื่องยนต์เบนซินที่ใช้หัวเทียนจุดระเบิดดูแล้วน่าจะช่วยแก้ปัญหาเรื่องการเผาแอมโมเนียได้ แต่มันก็มีปัญหาอื่นตามมาอีก ปัญหาแรกคือพลังงานกระตุ้นที่ใช้ในการจุดระเบิดแอมโมเนียมีค่าสูง ในบ้านเราเองมีแอมโมเนียรั่วจากโรงงานผลิตน้ำแข็งหลายครั้งแต่ไม่เคยมีการระเบิด แต่ตรงนี้ก็แก้ได้ง่ายด้วยการออกแบบหัวเทียนที่เหมาะสม แต่มันมีอีก ๓ ปัญหาที่แก้ยากกว่าก็คือการที่มันมีความเร็วเปลวไฟของการเผาไหม้ (flame speed) ต่ำ, มีระยะห่างผนังที่เปลวไฟดับ (quenching distance) ที่กว้าง และเกิดไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) ในปริมาณมาก

รูปที่ ๓ ตัวอย่างการออกแบบห้องเผาไหม้แอมโมเนีย พึงสังเกตว่าจะวางตำแหน่งจุดระเบิดไว้ตรงกลางห้องเผาไหม้ที่เป็นทรงกลม (รูปจากสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 3,455,282)

ในเครื่องยนต์เบนซินที่ใช้น้ำมันเป็นเชื้อเพลิงนั้น เขี้ยวหัวเทียนที่เป็นตัวจุดระเบิดไอดีจะอยู่ทางด้านบนใกล้กับฝาสูบ การจุดระเบิดจะเกิดขึ้นที่นี่และวิ่งแผ่กระจายออกไป โดยเชื้อเพลิงควรต้องเผาได้ไหม้หมดโดยเร็วเพื่อให้เกิดแก๊สร้อนความดันสูงอย่างรวดเร็วเพื่อผลักดันลูกสูบเคลื่อนที่ลงล่าง เปลวไฟการเผาไหม้ที่เคลื่อนที่ช้าจะทำให้ความดันในกระบอกสูบนั้นเพิ่มขึ้นช้ากว่า ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพที่จะได้

(ในทางทฤษฎี เครื่องยนต์เบนซินทำงานตาม OTTO cycle ซึ่ง ณ จังหวะจุดระเบิดนั้นความดันในห้องเผาไหม้จะต้องเพิ่มขึ้นทันทีโดยไม่มีการเปลี่ยนปริมาตร ยิ่งความดันสุดท้ายที่ได้นั้นสูงเท่าใด ประสิทธิภาพการเปลี่ยนความร้อนเป็นพลังงานก็จะมากขึ้น แต่ในความเป็นจริงนั้นลูกสูบไม่ได้อยู่นิ่ง มีการเคลื่อนที่ขึ้นลง ถ้าการเผาไหม้ยังคงเกิดขึ้นในขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ลง ความดันสูงสุดที่ได้ก็จะลดลง ส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานลดลงตามไปด้วย)

รูปที่ ๓ เป็นตัวอย่างหนึ่งของวิธีการแก้ปัญหาที่มีการจดสิทธิบัตรไว้ กล่าวคือออกแบบห้องเผาไหม้ให้มีลักษณะเป็นทรงกลมโดยวางตำแหน่งเขี้ยวหัวเทียนไว้ที่จุดศูนย์กลาง ทรงกลมนั้นเกิดจากโครงสร้างของฝาสูบที่เว้าขึ้นด้านบน และพื้นผิวด้านบนของลูกสูบที่เว้าลงล่าง ดังนั้นเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ถึงตำแหน่งสูงสุด (ศูนย์ตายบนหรือ top dead centre) ก็จะเกิดห้องเผาไหม้ที่มีรูปร่างทรงกลม ระยะจากเขี้ยวหัวเทียนไปยังผนังในทิศทางต่าง ๆ ก็จะเท่ากันหมด (รัศมีของทรงกลม) ตรงนี้จะแตกต่างจากเครื่องยนน์เบนซินปรกติที่ตำแหน่งเขี้ยวหัวเทียนจะอยู่ใกล้กับด้านบนของผนังฝาสูบ ซึ่งจะทำให้ระยะทางที่เปลวไฟต้องวิ่งจากบนลงล่างนั้นมีค่าเป็นอย่างน้อยสองเท่าของรัศมีทรงกลม แต่ด้วยการที่ไฮโดรคาร์บอนและไฮโดรเจนมีความเร็วในการเผาไหม้ที่สูง มันจึงไม่มีปัญหาเผาเชื้อเพลิงไม่ทันเวลา

รูปที่ ๔ องค์ประกอบแก๊สไอเสียที่เกิดจากการเผาไหม้แอมโมเนีย (บน) เทียบกับมีเทน (ล่าง) แกนนอนคือ mixture equivalent ratio คืออัตราส่วน (ความเข้มข้นเชื้อเพลิงในส่วนผสมเชื้อเพลิงกับอากาศที่ทำการเผาไหม้จริง) ต่อ (ความเข้มข้นเชื้อเพลิงในส่วนผสมที่ stoichiometric ratio) กล่าวคือถ้ามีค่ามากกว่า 1 คืออากาศไม่เพียงพอสำหรับการเผาไหม้สมบูรณ์ ถ้าถ้าน้อยกว่า 1 คืออากาศเพียงพอสำหรับการเผาไหม้สมบูรณ์และยังมีออกซิเจนเหลือ ถ้าเท่ากับ 1 คืออากาศพอดีสำหรับการเผาไหม้สมบูรณ์ (ไม่มีออกซิเจนเหลือ) ที่เรียกว่า stoichiometric ratio ทิศทางของสเกลนี้มันจะกลับกับ Air/Fuel ratio ที่ทางเครื่องกลใช้กัน

การมี quenching distance ที่กว้างจะทำให้มีไอผสมที่ไม่ถูกเผาไหม้ในปริมาณมากขึ้น (คือส่วนที่อยู่ระหว่างผนังกับตำแหน่งที่เปลวไฟดับ) ตรงนี้จะส่งผลต่อมลภาวะที่จะออกทางท่อไอเสีย รูปที่ ๔ เป็นตัวอย่างองค์ประกอบแก๊สไอเสียที่เกิดจากการเผาแอมโมเนียและมีเทนที่สัดส่วนอากาศต่างกัน โดยการเผาเป็นแบบจุดให้เป็นเปลวไฟลุกไหม้ต่อเนื่องแล้ววัดองค์ประกอบที่ตำแหน่ง 40 มิลลิมเตรทางด้าน downstream ของจุดที่เกิดความร้อนมากที่สุด (รูปแบบการเผาไหม้แตกต่างไปจากการเผาไหม้ในเครื่องยนต์เบนซิน) พึงสังเกตว่าการเผาแอมโมเนียนั้น ถ้าเผาไหม้ในสภาวะที่มีอากาศมากเกินพอจะเกิดแก๊สไนตริกออกไซด์ (Nitric oxide NO) สูงกว่าการเผามีเทนถึง 10 เท่า และยังเกิดไนโตรเจนไดออกไซด์ (Nitrogen dioxide NO₂) ที่เมื่อละลายน้ำแล้วจะกลายเป็นกรดไนตริก (HNO₃)

แต่ถ้าเผาในสภาวะอากาศน้อยเกินไป นอกจากจะเหลือแอมโมเนียในปริมาณมากแล้ว ยังจะเกิดไนตรัสออกไซด์ (Nitrous oxide N₂O) ขึ้นอีกด้วย

และที่สำคัญคือ N₂O นี้เป็น green house gas ที่แรงกว่า CO₂ 200-300 เท่า (ข้อมูลหลายแหล่งให้ตัวเลขแตกต่างกันอยู่ แต่ก็อยู่ในระดับที่สูงกว่า 200)

กรองไอเสีย (ตัวเร่งปฏิกิริยาสามทางหรือ catalytic converter) ของเครื่องยนต์เบนซินนั้นจะใช้ไฮโดรคาร์บอนที่หลงเหลือจากการเผาไหม้ และ CO ในการทำลาย NOx ในกรณีของการเผาไหม้แอมโมเนียนั้นแก๊สไอเสียจะไม่มีไฮโดรคาร์บอนและ CO สำหรับกำจัด NOx การกำจัด NOx ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาอีกกลุ่มหนึ่งที่เรียก DeNOx catalyst (อ่านว่า "ดีน็อก") โดยจะใช้แอมโมเนียเป็นตัวทำลาย NOx นั่นก็คือถ้าเครื่องยนต์ทำงานในช่วงที่มีออกซิเจนมากเกินพอ ก็ต้องมีการแบ่งแอมโมเนียมาส่วนหนึ่งมาผสมกับไอเสียก่อนผ่านเข้าสู่ระบบกำจัด แต่ถ้าเครื่องยนต์ทำงานในช่วงที่มีแอมโมเนียหลงเหลือจากการเผาไหม้ ก็สามารถใช้แอมโมเนียที่หลงเหลือนั้นเป็นตัวกำจัด NOx ได้ แต่ทั้งนี้ไม่ว่าจะเป็นกรณีไหนก็ต้องไม่ให้มีแอมโมเนียหลงเหลือในแก๊สที่ผ่านการกำจัด NOx เพราะแอมโมเนียก็เป็นแก๊สพิษตัวหนึ่งเช่นกัน

แต่มันก็มีปัญหาตรงที่ ตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับกำจัด NOx ด้วยแอมโมเนียนั้นจะมีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ไม่กว้าง (ส่วนจะอยู่ตรงช่วงไหนก็ขึ้นอยู่กับว่าใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาตัวไหน) ถ้าอุณหภูมิแก๊สนั้นสูงเกินไป แอมโมเนียที่ป้อนเข้าไปกำจัด NOx จะกลายเป็น NOx เสียเอง ทำให้แก๊สปล่อยทิ้งมี NOx เพิ่มมากกว่าเดิมอีก แต่ถ้าอุณหภูมิแก๊สนั้นต่ำเกินไป จะมีแอมโมเนียเพิ่มเข้ามาในแก๊สปล่อยทิ้ง สำหรับโรงงานอุตสาหกรรมแล้ว การควบคุมอุณหภูมินี้ไม่ใช่ปัญหา เพราะต้องออกแบบระบบเพื่อควบคุมช่วงอุณหภูมิการทำงานตั้งแต่ตอนติดตั้งแล้ว แต่สำหรับรถยนต์นั้นไม่ใช่ เพราะมันไม่มีที่ให้ติดตั้ง

รูปที่ ๕ ตัวอย่างการคำนวณที่ต้องใช้ในการผลิตแอมโมเนียเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิง

สุดท้าย บรรดาเชื้อเพลิงที่บอกว่าเป็น "Green" ทั้งหลาย พอถามว่าแล้วพลังงานที่ใช้ในการผลิตได้มาจากไหน ยังได้มาจากพลังงานจากการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิลอยู่หรือไม่ พอเจอคำถามนี้เข้าไปก็มักจะตอบกันว่าใช้พลังงานไฟฟ้าที่ได้จากพลังงานหมุนเวียนที่ไม่ผลิต CO₂ รูปที่ ๕ เป็นตัวอย่างแหล่งพลังงานคาร์บอนต่ำที่บอกว่าจะนำมาใช้ในการผลิต "Green ammonia" ซึ่งได้แก่พลังงาน น้ำ, นิวเคลียร์, ลม และแสงอาทิตย์ (ด้านซ้ายสุดของรูป) ซึ่งจะว่าไปพลังงานน้ำก็เอาแน่เอานอนไม่ได้ แถมยังมีข้อจำกัดที่ภูมิประเทศที่เหมาะสมกับการสร้างเขื่อนไม่ได้มีมาก ส่วนพลังงานนิวเคลียร์ก็โดนต่อต้านอยู่แล้ว (โรงงานนิวเคลียร์ที่มีอยู่เดิมพอหมดอายุการใช้งานก็มีการเรียกร้องกันให้ปิดถาวรไปเลย) ทางเลือกที่เหลืออยู่ก็มีเพียงแค่แสงอาทิตย์กับพลังงานลม ที่ต่างก็มีปัญหาเรื่องสถานที่ติดตั้งที่เหมาะสมเช่นกัน

และที่สำคัญคือมักจะอ้างว่าใช้พลังงานเท่านั้นเท่านี้จากแหล่งพลังงานนี้ แต่ไม่ยักเห็นการคำนวณว่าถ้าต้องการพลังงานขนาดดังกล่าวจากลมหรือแสงอาทิตย์ ต้องใช้พื้นที่ในการติดตั้งแค่ไหนสำหรับโรงงานที่ต้อง "เดินเครื่อง ๒๔ ชั่วโมงทุกสภาพลมฟ้าอากาศ" และสถานที่ที่มีความเหมาะสมและพื้นที่ที่มีอยู่นั้น สามารถทำการสร้างโรงไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียนเหล่านี้ได้หรือไม่ เพราะถ้าต้นทางไม่เกิด ขั้นตอนถัดมามันก็เกิดไม่ได้

ด้วยเหตุนี้บทความเมื่อวันที่ ๑๒ เมษายนที่ผ่านมาถึงได้เกริ่นไว้ว่า

"วงการนี้เขาก็อยู่กันแบบนี้แหละ เขาชอบให้เราฟังอย่างเดียว ไม่อยากให้เราถาม บางคำถามถือว่าเป็นคำถามต้องห้ามด้วยซ้ำ ขืนถามไปเขาก็เลิกคุยด้วย"

แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๕ (ตอนที่ ๓๔) MO Memoir : Wednesday 9 April 2557

เอกสารฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเนื้อหาลง blog

แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๕ ตอนที่ ๑๐ MO Memoir : Thursday 27 June 2556

เอกสารฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเนื้อหาลง blog

GC-2014 ECD & PDD ตอนที่ ๓๔ ปัญหาการปรากฏของพีค NO MO Memoir : Wednesday 17 October 2555

Memoir ฉบับนี้เป็นบันทึกเหตุการณ์เกี่ยวกับเครื่อง GC-2014 ECD & PDD ในส่วนของคอลัมน์ที่ใช้ในการวัด NO ในช่วงตั้งแต่กลางเดือนกันยายนที่ผ่านมาจนถึงเย็นวันนี้

๑. เมื่อเรากลับมาใช้งาน GC-2014 ECD & PDD ใหม่นั้น เราได้ทำการ regenerate คอลัมน์โดยให้ความร้อนแก่คอลัมน์เพื่อไล่สิ่งตกค้างจากการใช้งานก่อนหน้าออกมาให้หมด

๒. หลังจากไล่สิ่งตกค้างหมด ก็เริ่มทดลองฉีด NO เข้าไปปรากฏว่าพีค NO ไม่ปรากฏ ต้องทำการฉีดซ้ำหลายครั้ง พบว่าพีค NO จะค่อย ๆ ปรากฏจนมีขนาดคงที่ 

 

๓. พอพีค NO มีขนาดคงที่ ก็เริ่มทำการทดลองโดยวัดค่า NO อุณหภูมิคอลัมน์ที่ใช้คือ 40ºC

๔. พอวัดค่า NO เสร็จก็ทำการทดลองใหม่ คราวนี้เป็นการวัดปริมาณ N₂O อุณหภูมิคอลัมน์ที่ใช้คือ 150ºC

๕. พอเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยา  และใช้เครื่องต่อเพื่อทำการวัดค่า NO ปรากฏว่าพีค NO หายไปอีก (อุณหภูมิคอลัมน์ที่ใช้คือ 40ºC)

๖. พีค NO เพิ่งจะเริ่มมาปรากฏในวันนี้ เมื่อช่วงบ่ายสังเกตเห็นว่าพื้นที่พีคค่อนข้างจะใกล้เคียงกับที่ควรเป็น แต่ตำแหน่งการเกิดพีคนั้นออกมาล่าช้ากว่า และพีคมีลักษณะที่แผ่กว้างมากกว่า

๗. ช่วงก่อนบ่ายสามวันนี้ได้ให้ทดลองฉีดตัวอย่างเข้าไปหลาย ๆ ครั้งต่อเนื่องกัน โดยไม่ต้องเก็บผลการวิเคราะห์ แต่หลังจากที่เติมแก๊สตัวอย่าง (มีไอน้ำร่วมด้วย) เข้าไปใน sampling loop เรียบร้อบแล้ว ก็ใช้วิธีสั่งให้วาล์วเก็บแก๊สตัวอย่างเปลี่ยนไปอยู่ที่ตำแหน่งฉีด (ใช้คำสั่งจากหน้าจอ) จากนั้นก็สั่งให้กลับมาที่ตำแหน่งเก็บตัวอย่างใหม่ เพื่อเติมแก๊สตัวอย่างเข้าไป และทำการฉีดตัวอย่างเข้าไปอีก ทำอย่างนี้ไปเรื่อย ๆ (ผมบอกเขาไปว่าอย่างน้อยน่าจะสัก ๑๐ ครั้ง)

๘. ก่อนบ่ายสี่แวะไปดูอีกครั้ง พบว่ามีพีค NO ปรากฏออกมา โดยรูปร่างและตำแหน่งปรากฏของพีค NO เริ่มกลับมาเหมือนที่ควรจะเป็น

เหตุการณ์นี้ทำให้สงสัยว่าคอลัมน์ที่ใช้ในการแยก NO นั้น (ซึ่งทำการแยกได้ที่อุณหภูมิต่ำ) ถ้าบังเอิญได้รับความร้อนสูง (เช่นในขณะทำการ regenerate) packing ในคอลัมน์คงมีการเปลี่ยนแปลง แต่การเปลี่ยนแปลงนั้นเป็นแบบผันกลับได้ ซึ่งจำเป็นต้องใช้แก๊สตัวอย่างทำให้ packing ในคอลัมน์กลับมามีสภาพที่สามารถทำการแยก NO ได้ ส่วนสารตัวไหนเป็นตัวทำให้คอลัมน์กลับคืนมาเป็นสภาพเดิมนั้นก็ไม่รู้เหมือนกัน

เอาเป็นว่าตอนนี้ถ้าเปิดเครื่องมาแล้วเจอปัญหานี้ ก็ให้ใช้วิธีการในข้อ ๗. แก้ไขปัญหาไปก่อน

GC-2014 ECD & PDD ตอนที่ ๓๓ การหาพื้นที่พีค NO MO Memoir : Saturday 28 July 2555

Memoir ฉบับนี้เป็นตอนต่อจากฉบับเมื่อวานซึ่งเป็นการทำ peak fitting กับพีค O₂ แต่ในคราวนี้จะเป็นการทำ peak fitting กับพีค NO เพื่อหาพื้นที่พีค NO

ก่อนที่ผมจะเริ่มสอนนิสิตเรื่องการหาคำตอบระบบสมการคณิตศาสตร์แบบไม่เชิงเส้น (non-linear) นั้น ผมจะบอกนิสิตก่อนว่าสิ่งแรกที่ต้องทำคือ "ทำใจ"

เหตุที่ต้องบอกให้ต้อง "ทำใจ" ก่อนก็เพราะ

(ก) ระบบสมการไม่เชิงเส้นดังกล่าวอาจจะ "มี" คำตอบหรือ "ไม่มี" คำตอบก็ได้

(ข) ถ้าระบบสมการดังกล่าวมีคำตอบ อาจมีชุดคำตอบที่ทำให้ระบบสมการนั้นเป็นจริง "มากกว่า ๑ ชุดคำตอบ"

และ

(ค) ในกรณีที่ระบบสมการดังกล่าวมีคำตอบที่ทำให้ระบบสมการนั้นเป็นจริงมากกว่า ๑ ชุดคำตอบ เป็นหน้าที่ของผู้หาคำตอบว่าคำตอบใดเป็นคำตอบที่ถูกต้อง ซึ่งอาจจะมีคำตอบที่ถูกต้องเพียงคำตอบเดียวหรือไม่มีเลย หรือมีได้หลายคำตอบก็ได้

ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือ cubic equation of state ที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่า P (ความดัน) V (ปริมาตร) และ T (อุณหภูมิ) ของแก๊ส ในช่วงที่สารนั้นเป็นแก๊ส ที่ค่า P และ T ใด ๆ สมการดังกล่าวจะให้คำตอบค่า V เพียงคำตอบเดียว ซึ่งเป็นปริมาตรจำเพาะของแก๊ส

แต่ในช่วง P และ T ที่สารนั้นเป็นได้ทั้งแก๊สและของเหลว สมการดังกล่าวจะมีค่า V ที่ทำให้สมการเป็นจริงนั้น 3 ค่าด้วยกัน แต่ค่าที่ใช้ได้นั้นมีเพียง 2 ค่าเท่านั้น คือค่า V ที่มากที่สุดจะแทนปริมาตรจำเพาะของเฟสแก๊ส ค่า V ที่น้อยที่สุดจะแทนปริมาตรจำเพาะของเฟสของเหลว ส่วนค่า V ที่อยู่ระหว่างสองค่าดังกล่าวแม้จะทำให้สมการเป็นจริง แต่ก็เป็นค่าที่ไม่มึความหมายใด ๆ ให้โยนทิ้งไป

ที่ยกเอาเรื่องนี้ขึ้นมาก็เพราะการทำ peak fitting ของเรานั้นก็เป็นการหาคำตอบระบบสมการพีชคณิตไม่เชิงเส้นแบบหนึ่ง คือการหาว่าควรใช้พีครูปร่างใด จำนวนเท่าใด จึงจะทำให้ค่าความแตกต่างของผลรวมของพีคเหล่านั้นกับข้อมูลที่ด้จากการวัดนั้นมีค่าน้อยที่สุด ซึ่งจำนวนพีคที่ต้องใช้ รูปร่างและตำแหน่งของพีคแต่ละพีค ขึ้นอยู่กับว่าเราเริ่มต้นวางตำแหน่งพีคแต่ละพีคอย่างไร และเริ่มวางกี่ตำแหน่ง ดังนั้นด้วยข้อมูลชุดเดียวกันแต่วิธีการทำต่างกันก็ทำให้ได้จำนวนพีค รูปร่างและตำแหน่งของพีค ที่เข้ากับข้อมูลจริงดีที่สุดนั้นแตกต่างกันไปได้

โครมาโทแกรมที่เอามาเป็นตัวอย่างนั้นได้มาจากการทดลองเมื่อวันศุกร์ที่ ๒๐ กรกฎาคม ๒๕๕๕ โดยเราได้บรรจุ TiO₂ ไว้ใน reactor และใช้ส่วนผสมแก๊สเหมือนกับการทำปฏิกิริยาจริง ทำการวัดพีค NO จากอุณหภูมิ 120ºC ไปจนถึง 450ºC แต่ที่เอามาเป็นตัวอย่างนั้นเป็นพีคที่ได้จากการวัดที่อุณหภูมิ 120ºC

วิธีการเป็นอย่างไรนั้นไปดูที่รูปแต่ละรูปเลยดีกว่า

รูปที่ ๑ โครมาโทแกรมหลังการสร้างส่วนหางของพีค O₂ แล้วด้วยวิธีการตาม Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๔๘๔ วันศุกร์ที่ ๒๗ กรกฎาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "GC-2014 ECD & PDD ตอนที่ ๓๒ การสร้างส่วนหางพีค O₂"

ในรูปที่ ๑ นี้ใช้พีคจำนวน 6 พีคในการสร้างส่วนหางของพีค O₂ เมื่อได้ส่วนหางของพีค O₂ แล้วก็ให้ทำการตรึงพีคทั้ง ๖6พีคเหล่านั้นด้วยการไปเลือกพีคทีละพีค (1) แล้วไปกดปุ่มล็อคพารามิเตอร์ทั้ง 4 ของทุกพีคตรงสัญลักษณ์แม่กุญแจซึ่งจะเปลี่ยนรูปจากยังไม่ล็อค (2) ไปเป็นล็อค (3) การที่ทำเช่นนี้ก็เพื่อไม่ให้พีคของ O₂ นั้นมีการเปลี่ยนแปลงในระหว่างการทำ peak fitting ของพีค NO

จากนั้นก็เปลี่ยนให้จุดข้อมูลจากทางด้านขวาของพีค O₂ กลายเป็น active (ในรูปจะเป็นเส้นสีเขียว) ในรูปที่ ๑ นี้ผมตัดสินใจไม่นำจุดข้อมูลช่วงประมาณเวลา 16 นาที (4) มาใช้ เพราะดูเหมือนว่ามันทำท่าจะวกขึ้นไป

รูปที่ ๒ การวางตำแหน่งพีคแรกสำหรับพีค NO

การเลือกชนิดของพีคที่จะนำมาทำ peak fitting นั้นให้เลือกใช้พีคชนิด "SplitGaussian" (1) จากนั้นกดปุ่ม "auto add" เพื่อทำการวางพีค ซึ่งในตัวอย่างนี้จะได้พีค (3) เส้นสีน้ำเงินคือเส้นผลรวมของพีคสีแดงทุกพีค

รูปที่ ๓ การปรับตำแหน่งและรูปร่างของพีคที่วางลงไปเป็นพีคแรก

เนื่องจากการทำ regression นั้นจะให้ผลดีก็ต่อเมื่อจุดเริ่มต้นการคำนวณนั้นอยู่ใกล้กับคำตอบที่ต้องการ จากตำแหน่งและรูปร่างของพีคแรกที่วางลงไปในรูปที่ ๒ จะเห็นว่าเส้นผลรวมที่ได้ (เส้นสีน้ำเงิน) มีความแตกต่างจากข้อมูลจริง (เส้นสีเขียว) อยู่มาก ในกรณีนี้เราสามารถช่วยได้โดยการปรับแต่งพีคแรกที่วางลงไปโดยไปเปลี่ยนค่าต่าง ๆ ตรงกรอบมุมล่างขวาของโปรแกรม ซึ่งอาจทำโดยการเลื่อนปุ่ม (1) หรือป้อนตัวเลขเข้าไปโดยตรง (2)

ตรงนี้ไม่ต้องพยายามทำถึงขั้นให้มันเข้ากันพอดี เอาแค่เข้ากันใกล้ ๆ ก็พอ ที่เหลือก็ปล่อยให้โปรแกรมมันจัดการเองบ้าง

รูปที่ ๔ การวางพีคเพิ่มเติมและการทำ peak fitting

จากนั้นทำการวางพีคเพิ่มเติม (ผมทำโดยใช้ปุ่ม auto add) จำนวนพีคที่จะวางลงไปนั้นให้พิจารณาเส้นข้อมูลประกอบด้วย ถ้าเห็นว่ายังมีตำแหน่งว่างอยู่ก็ให้เพิ่มพีคลงไปที่ตำแหน่งนั้น ถ้าโปรแกรมวางพีคให้ในตำแหน่งที่ไม่ต้องการ ก็ให้ทำการลบหรือย้ายพีคดังกล่าวไปยังตำแหน่งที่ต้องการได้

ในกรณีของตัวอย่างนี้ผมพบว่าต้องวางพีคเพิ่มอึก 4 พีค (1-4) จึงจะครอบคลุมข้อมูลส่วนที่เหลือ และหลังจากที่วางพีคเพิ่มอีก 4 พีคแล้วก็กดปุ่ม "fitting" ทำให้ได้ผลดังแสดงในรูป

การทำ fitting นั้นอาจจะไม่เข้ากันพอดีกับทุกตำแหน่ง แต่ถ้าเห็นว่าส่วนที่เกินกับส่วนที่ขาดนั้นพอจะชดเชยกันได้ก็ให้ถือว่าใช้ได้ อย่างเช่นในรูปที่ ๔ นั้นมีปัญหาตรงยอดพีค NO ซึ่งเข้ากันไม่พอดี (5) แต่เมื่อพิจารณาพื้นที่ส่วนเกินกับพื้นที่ส่วนขาดแล้วเห็นว่าพอ ๆ กัน ก็เลยปล่อยเลยตามเลย

อีกประเด็นที่ต้องพิจารณาคือลักษณะการลดคงของพีคนั้นควรจะเว้าลงแบบราบเรียบ ไม่มีการโป่งนูน ดังนั้นผมจึงเห็นว่าพีคท้ายสุด (4) นั้นไม่น่าจะเป็นพีคของ NO ดังนั้นในการคิดพื้นที่พีค NO จึงไม่ควรนำเอาพื้นที่พีค (4) นี้มาคิดด้วย

 รูปที่ ๕ รูปร่างพีคหลังจากที่ลบพีคส่วนหางทิ้งไป 1 พีค

พื้นที่พีค NO หาได้จากการรวมพื้นที่พีค 4 พีคที่เหลือ พื้นที่พีคแต่ละพีคดูจากคอลัมน์ทางด้านขวา (1) ซึ่งปรกติโปรแกรมมันจะไม่แสดงพื้นที่ ต้องไปตั้งคำสั่งให้มันแสดงพื้นที่ด้วย รายละเอียดทั้งหมดของแต่ละพีคก็ดูได้จากกล่องที่อยู่ถัดลงมา (2) อยากรู้รายละเอียดของพีคไหนก็ไปกดเลือกจากปุ่มสี่เหลี่ยมแดง ๆ ข้างบน รายละเอียดจะแสดงในกล่องข้างล่าง

อย่างเช่นในที่นี้พีคที่ใช้คำนวณพื้นที่คือพีคที่เวลา 9.451 นาที (พื้นที่ 4956.94) เวลา 10.42 นาที (พื้นที่ 3085.47) เวลา9.336 นาที (พื้นที่ 363.927) และที่เวลา 11.77 นาที (พื้นที่ 1847.66)

ดังนั้นพื้นที่รวมของพีค NO = 4956.94 + 3085.47 + 363.927 + 1847.66 = 10253.997 หน่วย

อันที่จริงเราอาจตรวจสอบว่าผลรวมของพีคทั้ง 4 นั้นควรที่จะยอมรับได้หรือไม่โดยการไปลบพีค O₂ ทิ้งไปด้วย เหลือเอาไว้เฉพาะส่วนของพีค NO จำนวน 4 พีค แล้วก็ลองพิจารณาจากรูปร่างผลรวมของพีคทั้ง 4 นั้น (รูปที่ ๖) ว่ามันเข้ากับรูปร่างของพีค NO ที่ควรจะเป็นหรือไม่ ส่วนรูปร่างที่ควรจะเป็นนั้นเป็นอย่างไรก็คงต้องไปเทียบกับพีคที่เราทำกันในเดือนมิถุนายนช่วงที่ทำการปรับ GC เพื่อหาตำแหน่งพีค NO

รูปที่ 6 รูปร่างเฉพาะของพีค NO เมื่อลบพีค O₂ ทิ้งไป

เดือนนี้เขียนแต่เรื่องวิชาการเฉพาะทางหนัก ๆ ติดต่อกันตั้ง ๑๐ เรื่อง 

 

หวังว่าฉบับถัดไปคงได้เขียนเรื่องอื่นบ้าง

GC-2014 ECD & PDD ตอนที่ ๓๑ การยืนยันตำแหน่งพีค NO MO Memoir : Thursday 26 July 2555

ในที่สุดความกังวลที่ผมได้กล่าวไว้ในบันทึกฉบับวันอาทิตย์ที่ ๒๒ กรกฎาคม ก็ผ่านไปด้วยดี

รูปข้างล่างเป็นผลการทดลองของสาวน้อยหน้าบาน (คนใหม่) ที่ได้ทำไว้ในช่วงวันพุธที่ ๒๕ จนถึงเช้าวันพฤหัสบดีที่ ๒๖ กรกฎาคมที่ผ่านมา (เช้าวันนี้) ซึ่งผมเข้าไปเอาข้อมูลมาตอนราว ๆ ๘ โมงเช้า

อันที่จริงมันมีกราฟที่อุณหภูมิ 120ºC ด้วย แต่โปรแกรมมันแสดงได้แค่ ๘ เส้นก็เลยขอตัดเส้นนั้นทิ้งไปก่อน

รูปที่ ๑ โครมาโทแกรมของการวิเคราะห์ NO ด้านขาออกจาก reactor ที่อุณหภูมิทำปฏิกิริยาต่าง ๆ กัน ลูกศรสีแดงแสดงตำแหน่งพีค NO

ตอนนี้เท่าที่ทราบก็คือผลการทดลองของสาวน้อยร้อยห้าสิบเซนต์ (คนใหม่) ที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาอีกตัวก็ให้ผลออกมาทำนองเดียวกัน

ขั้นตอนต่อไปที่ต้องทำก็คือหาวิธีการคำนวณพื้นที่พีค NO โดยต้องแยกพีค O₂ ที่เป็น base line ออกไปก่อน

GC-2014 ECD & PDD ตอนที่ ๓๐ ตำแหน่งจุดเกิดพีค NO MO Memoir : Saturday 21 July 2555

ใน Memoir ฉบับที่ ๔๗๙ ผมได้กล่าวไว้ว่าได้ให้สาวน้อยหน้าบาน (คนใหม่) และสาวน้อยร้อยห้าสิบเซนต์ (คนใหม่) ทดสอบฉีดแก๊สตัวอย่างที่มีและไม่มี NO ทั้งนี้เพื่อจะหาตำแหน่งจุดเริ่มเกิดพีค NO และจะได้รู้ไม่ควรเอาข้อมูลบริเวณไหนไปใช้ในการระบุรูปร่างของพีค O₂

 

ผลที่ได้แสดงไว้ในรูปที่ ๑ และ ๒ แล้ว (เข้ามาไปเอามาจากเครื่องคอมเมื่อเช้าวันนี้)

รูปที่ ๑ พีค NO 120 ppm วัดผ่าน reactor ที่อุณหภูมิ 120ºC เทียบกับพีค O₂ ที่อุณหภูมิเดียวกัน จะเห็นว่าพีค NO เริ่มเกิดที่เวลาประมาณ 9.2-9.3 นาที

รูปที่ ๒ จุดเริ่มเกิดพีค NO เมื่อความเข้มข้น NO แตกต่างกัน รูปนี้เป็นโครมาโทแกรมที่ได้จากการวัด NO ที่อุณหภูมิ 450ºC โดยตั้งอัตราการไหลของ Mass flow controller ไว้ที่ 5.00 (เส้นสีน้ำเงิน) และ 1.48 (เส้นสีชมพู) นำมาเปรียบเทียบกับพีค O₂ 15% ในกรณีที่ไม่มี NO (เส้นสีดำ) จะเห็นว่าเมื่อความเข้มข้น NO ในแก๊สตัวอย่างลดลง พีค NO จะออกมาช้าลง โดยเมื่อตั้ง Mass flow controller ไว้ที่ 5.00 พีค NO จะออกมาที่เวลาประมาณ 9.1 นาทีเศษ แต่พอลดเหลือ 1.48 จะออกมาที่เวลาประมาณ 9.2 นาทีเศษ หรือเกิดการเลื่อนไปประมาณ 6 วินาที นอกจากนี้ในการทดลองที่พบพีค NO ในที่น้อยกว่า 120 ppm ยังพบว่าบางครั้งพีคจะออกมาที่เวลาประมาณเกือบ 10 นาทีด้วย

ขั้นตอนต่อไปก็จะเป็นการหาแนวเส้นส่วนหางของพีค O₂ เพื่อคำนวณพื้นที่พีค NO

GC-2014 ECD & PDD ตอนที่ ๒๙ พีค NO ที่ 450ºC เมื่อมีไอน้ำร่วม MO Memoir : Friday 20 July 2555

ในที่สุดมันก็ออกมาสักที แต่ก็เล่นเอากลุ่มเราหัวปั่นไปกว่าเดือน

อย่างที่ได้เกริ่นเอาไว้ใน Memoir ฉบับที่แล้วว่า "บ่อยครั้งที่ปัญหาของการวัดด้วยเครื่องมือวิเคราะห์นั้น มันไม่ได้อยู่ที่ตัวเครื่องมือ แต่มันอยู่ที่ระบบเก็บตัวอย่าง หรือวิธีการเตรียมสารตัวอย่าง ทำให้ผลการวิเคราะห์ที่ได้นั้นมัน "ไม่ออกมาอย่างที่เราต้องการ" แต่ผลที่ได้นั้นมัน "ถูกต้อง"" ซึ่งในคราวนี้มันดูเหมือนว่าจะเป็นอย่างนั้นจริง ๆ

ส่วนที่ว่าเหตุการณ์มันเป็นอย่างไรนั้นคงต้องขอแยกออกไปเขียนเป็นเรื่องต่างหาก เพราะแม้ว่ามันเป็นเรื่องที่ผมเคยประสบและได้เขียนบันทึกเอาไว้แล้ว แต่ก็นึกไม่ถึงแต่แรกว่าปัญหาคราวนี้ปัญหามันจะอยู่ตรงนั้นอีก แต่เมื่อพิจารณาตัดปัจจัยอื่น ๆ ที่คาดว่าเป็นต้นเหตุออกไปจนหมดแล้วก็ยังไม่ประสบความสำเร็จ ก็เลยต้องทดสอบในสิ่งที่ไม่คาดคิดว่ามันจะเป็นตัวปัญหาแต่ต้น แต่ดูเหมือนว่ามันจะเป็นอย่างนั้นจริง ๆ

ตอนนี้ทั้งสาวน้อยร้อยห้าสิบเซนต์ (คนใหม่) และสาวน้อยหน้าบาน (คนใหม่) คงจะเห็นแล้วว่า ระบบการทดลองที่ดูสวยงามเป็นระเบียบเรียบร้อยกับระบบการทดลองที่ใช้งานได้โดยไม่มีปัญหานั้นมันไม่จำเป็นต้องเป็นเรื่องเดียวกัน ทั้งนี้เพราะการทำสิ่งที่คิดว่ามันรกดูไม่สวยงามให้เป็นระเบียบนั้นสามารถส่งผลต่อพฤติกรรมการไหลของระบบได้ ถ้าหากผู้ที่ทำการปรับเปลี่ยนนั้นไม่เข้าใจว่าทำไมจึงทำเช่นนั้น

กลับมาที่การทดลองของเราก่อน หลังจากที่เราประสบความสำเร็จในการวัดพีค NO ในภาวะที่ไม่มีไอน้ำผสมไปเมื่อวันพุธที่ ๑๘ ที่ผ่านมา พอวันนี้เราก็เริ่มกันใหม่แต่เช้า (วันที่ ๑๙ เราหยุดพักถ่ายรูปแสดงความยินดีกับสมาชิกที่เข้ารับพระราชทานปริญญาบัตรกันหนึ่งวัน) โดยคราวนี้มีการผสมไอน้ำเข้าไปแก๊สผสมด้วย (ใช้ O₂ เป็นตัวพาไอน้ำออกจาก saturator) และมาบรรจบกับท่อ N₂ (ที่นำพา NH₃ SO₂ และ NO) ก่อนเข้า reactor

การทดลองยังเป็นรูปแบบเดิมเหมือนวันพุธ คือเริ่มจากอุณหภูมิ 300ºC ถ้าเห็นพีค NO ก็จะค่อย ๆ ไต่อุณหภูมิขึ้นทีละ 20 หรือ 30ºC ไปจนถึง 450ºC โดยในช่วงแรกตั้งค่า Mass flow controller ของ NO ไว้ที่ 5.00 ก่อน (อัตราการไหลรวมประมาณ 200 ml/min) ถ้าเห็นพีคที่อุณหภูมิ 450ºC ก็จะปรับลด Mass flow controller ของ NO ลงมา 3.00 และ 1.48 โดยที่ยังคงอุณหภูมิไว้ที่ 450ºC จากนั้นก็จะลดอุณหภูมิลงเหลือ 120ºC โดยคง Mass flow controller ของ NO ที่ 1.48 (0.95 ml/min)

ผลการฉีดตัวอย่างครั้งแรกที่อุณหภูมิ 300ºC ปรากฏว่า "ไม่มีพีค NO" ก็เลยทดลองฉีดซ้ำใหม่ ทีนี้ปรากฏว่ามีพีค NO ปรากฏแล้ว (แต่ขนาดพีคมันดูเล็กไปหน่อย - ดูรูปที่ ๑) แต่เมื่อฉีดที่อุณหภูมิสูงขึ้นก็ปรากฏว่าได้พีคใหญ่ขึ้นและขนาดประมาณเดิมกับที่ได้จากผลการทดลองในภาวะที่ไม่มีไอน้ำ (ดูรูปที่ ๒)

เนื่องจากเป็นการทดลองเพื่อทดสอบระบบ ในการฉีดตัวอย่างแต่ละอุณหภูมินั้นเราจึงไม่ได้ทำการฉีดซ้ำ ถ้าเห็นพีค NO ปรากฏก็ถือว่าใช้ได้ และทำการปรับอุณหภูมิ reactor ไปยังอุณหภูมิถัดไป

เมื่อได้พีค NO ที่อุณหภูมิ 450ºC แล้วก็ได้ทำการปรับลดอัตราการไหลของ Mass flow controller ของ NO จาก 5.00 เหลือ 3.00 และ 1.48 ตามลำดับ ซึ่งก็พบว่าได้พีคที่มีขนาดเล็กลง (ดูรูปที่ ๓)

จากนั้นจึงได้ทำการลดอุณหภูมิ reactor ลงจาก 450ºC เหลือ 120ºC โดยที่ยังคง Mass flow controller ของ NO ไว้ที่ 1.48 ซึ่งภาวะนี้จะเป็นการจำลองภาวะก่อนเริ่มการทดลองปรกติ ที่ภาวะนี้ปฏิกิริยา SCR ถือได้ว่ายังไม่เกิด ดังนั้นความเข้มข้นของ NO ที่วัดได้ทางขาออกของ reactor จึงเท่ากับความเข้มข้นด้านขาเข้าของ reactor

จากการโทรสอบถามสาวน้อยหน้าบาน (คนใหม่) ตอน ๑๘.๔๐ น ทำให้ทราบว่าสามารถทำซ้ำการวัดพีค NO ที่อุณหภูมิ 120ºC ได้ จากนั้นจึงได้ทำการตัด NO ออกจากแก๊สผสม ทั้งนี้เพื่อที่จะทำการวัดขนาดของพีค O₂ 15% ซึ่งก็ได้รับแจ้งทางโทรศํพท์ว่าสามารถทำซ้ำได้เช่นเดียวกัน

รูปที่ ๑ ผลการฉีดแก๊สตัวอย่าง (NO ในภาวะที่มีไอน้ำร่วม) ที่อุณหภูมิ reactor ต่าง ๆ กัน GC เครื่องนี้มันประหลาดหน่อยอยู่ตรงที่ในการฉีดครั้งแรกมักจะเห็นแค่พีคออกซิเจน แต่พอฉีดครั้งที่สองและครั้งถัดไปพีคมักขึ้นเรียบร้อยดี พีค NO ที่ 300ºC ที่มันเล็กกว่าพีคอื่นอาจเป็นเพราะระบบยังไม่เข้าที่ ส่วนพีคที่อุณหภูมิสูงขึ้นที่มีแนวโน้มใหญ่ขึ้นน่าจะเกิดจากปฏิกิริยา NH₃ oxidation (ส่วนที่เป็น homogeneous reaction) ทำให้เกิด NO เพิ่มมากขึ้น

การวัดพีค O₂ ในภาวะที่ไม่มี NO นั้นจำเป็นต้องเพราะเราต้องการรู้ว่าพีค NO เริ่มซ้อนทับกับพีค O₂ ณ เวลาใด เพราะในการคำนวณพื้นที่พีค NO นั้นเราจำเป็นต้องตัดพีค O₂ ออกเสียก่อน ซึ่งการตัดพีค O₂ ออก จำเป็นใช้ข้อมูลที่เป็นสัญญาณของพีค O₂ เท่านั้นในการทำ peak fitting และหลังจากที่ได้ทำการตรึงพีค O₂ แล้วก็จะทำ peak fitting สัญญาณของ NO เพื่อคำนวณหาพื้นที่พีค NO ซึ่งตรงจุดนี้ผมได้ทดลองทำไปบ้างแล้ว ขาดแต่ข้อมูลที่แน่นอนท่จะนำมาทดสอบ เอาไว้ได้ผลเมื่อไรจะเขียนมาเพื่อให้กลุ่มเราใช้เป็นวิธีมาตรฐานในการคำนวณพื้นที่พีคกันอีกที

รูปที่ ๒ เปรียบเทียบพีค NO ที่อุณหภูมิ 370ºC และ 420ºC ในภาวะที่ไม่มี/มีไอน้ำ ตั้ง Mass flow controller ของ NO ไว้ที่ 5.00 (หรือ 2.94 ml/min) ที่หยิบเอาสองอุณหภูมินี้มาเพราะมันให้พีคที่มีขนาดใกล้เคียงกันที่สุด

รูปที่ ๓ พีค NO ที่เก็บตัวอย่างที่อุณหภูมิ reactor 450ºC ในภาวะที่มีไอน้ำ โดยตั้งอัตราการไหล Mass flow controller ของ NO ที่ 5.00 3.00 และ 1.48

เรื่องการใช้ GC วัดปริมาณ NO เนี่ยตอนที่ผมพยายามปรับแต่งการทำงานของเครื่องนี้อยู่ (ร่วมกับสมาชิกกลุ่มรุ่นก่อน ๆ และเจ้าหน้าที่ของทางบริษัทผู้จำหน่ายเครื่อง) เคยมีคนพูดต่อหน้าผมเลยว่า

"มันไม่มีทางทำได้หรอก ถ้าทำได้ก็คงมีคนทำไปนานแล้ว"

GC-2014 ECD & PDD ตอนที่ ๒๘ พีค NO ที่ 450ºC MO Memoir : Thursday 19 July 2555

ก็ต้องขอแสดงความยินดีกับสมาชิกที่สำเร็จการศึกษาไปเมื่อภาคการศึกษาต้นและภาคการศึกษาปลายปีการศึกษา ๒๕๕๔ ทั้ง ๖ คนที่เข้ารับพระราชทานปริญญามหาบัณฑิตในช่วงบ่ายของวันนี้ ก็ขอให้ทุกคนประสบแต่ความสุขความสำเร็จในชีวิต ได้มีครอบครัวที่มีแต่ความสุข (ผมไม่ได้เอ่ยถึงหน้าที่การงานนะ เพราะบางทีความสุขความสำเร็จในชีวิตก็ไม่ต้องอยู่ที่การได้งานทำที่มีรายได้สูง ตำแหน่งหน้าที่สูง แต่กลับไม่มีเวลาให้กับตัวเองหรือครอบครัว การมีสามีดี ๆ ทำงานหาเงินให้ใช้สบาย ๆ ผมว่าพวกคุณก็มีความสุขในชีวิตได้เช่นเดียวกัน)

และเช่นเคย เมื่อพวกคุณเข้ามาร่วมกลุ่มผมก็ได้จัดส่ง Memoir ฉบับแรกให้กับพวกคุณทางอีเมล์ และเมื่อพวกคุณเข้ารับพระราชทานปริญญาบัตรก็จะจัดส่งฉบับสุดท้ายให้ ดังนั้น Memoir ฉบับนี้จึงเป็นฉบับสุดท้ายที่ส่งให้ทางอีเมล์กับผู้ที่เข้ารับพระราชทานปริญญาบัตรในวันนี้

ส่วนคนอื่นที่อยากรู้ว่า ๖ คนนั้นเป็นใครและรูปร่างหน้าตาอย่างไรก็ดูเอาเองในรูปข้างล่างก็แล้วกัน

รูปที่ ๑ สมาชิกที่เข้ารับพระราชทานปริญญาบัตรในวันนี้ จากซ้ายไปขวา สาวน้อยร้อยห้าสิบเซนต์ สาวน้อยจากเมืองชายฝั่งทะเลภาคตะวันออก สาวน้อยผมหยิกจากนครศรีธรรมราช สาวน้อยหน้าบาน (สี่คนแรกนี้มีแฟนมาเป็นช่างภาพถ่ายรูปให้) สาวน้อยผมยาวจากชายแดนใต้ (คนเดียวในกลุ่มที่ยังไม่มีแฟน คงเป็นเพราะสเป็กสูงและเลือกมาก) และสาวน้อยนักแสดง (ที่รับปริญญาพร้อมกับแฟนในบ่ายวันเดียวกัน)

ทีนี้ก็ได้เวลากลับมายังเรื่องการแก้ปัญหา GC-2014 ECD & PDD ของเราต่อ

จากประสบการณ์การทำงานกับเครื่องมือวิเคราะห์ทางเคมีนั้นพบว่า บ่อยครั้งที่ปัญหาของการวัดด้วยเครื่องมือวิเคราะห์นั้น มันไม่ได้อยู่ที่ตัวเครื่องมือ แต่มันอยู่ที่ระบบเก็บตัวอย่าง หรือวิธีการเตรียมสารตัวอย่าง ทำให้ผลการวิเคราะห์ที่ได้นั้นมัน "ไม่ออกมาอย่างที่เราต้องการ" แต่ผลที่ได้นั้นมัน "ถูกต้อง"

กรณีของการทดลองเก็บตัวอย่างแก๊ส NO ที่ไหลผ่าน fixed-bed ที่อุณหภูมิสูงที่บรรจุ inert packing เอาไว้ ที่เราประสบปัญหามาตลอด คือ mass flow controller แสดงให้เห็นว่ามีแก๊สไหลเข้าระบบตลอดเวลา แต่พอเก็บตัวอย่างด้านขาออกกลับไม่พบ NO ในแก๊สตัวอย่าง ทั้ง ๆ ที่เมื่อเก็บตัวอย่างจากระบบเดียวกันที่อุณหภูมิที่ต่ำกว่า เรากลับตรวจพบ NO ได้อย่างชัดเจนในปริมาณที่สม่ำเสมอ

เมื่อวานได้ปรับแต่งระบบอุปกรณ์ใหม่อีกครั้ง โดยให้นำเอา saturator ที่เราใช้สำหรับผสมน้ำเข้าระบบออก แล้วต่อท่อตรงแทน (ท่อด้านนี้เป็นด้านการไหลของ O₂) ส่วนอีกท่อหนึ่งที่เป็นท่อแก๊ส N₂ ที่นำพาแก๊ส NH₃ SO₂ และ NO มานั้นก็ทดลองต่อท่อชั่วคราวขึ้นมาใหม่ จากเดิมที่ต้องไหลไปยังวาล์วสามทางเพื่อเลือกจะไปยัง reactor หรือจะ bypass ไปยังด้านขาออกเลยนั้น ให้กลายมาเป็นตรงไปยัง reactor เลยโดยไม่ต้องเข้าวาล์วสามทาง

อีกสิ่งหนึ่งที่ได้ทำก็คือทำการเพิ่มอัตราการไหลของ NO จากเดิมที่ตั้ง mass flow controller ไว้ที่ 1.48 (หรือ 0.95 ml/min) ให้กลายเป็น 5.00 (หรือ 2.94 ml/minที่ความดันด้านขาเข้า 2 kg/cm²) โดยที่คงอัตราการไหลของแก๊สตัวอื่น (N₂ NH₃ O₂ และ SO₂) ไว้ที่อัตราการไหลเดียวกันกับที่ใช้ในการทดสอบตัวเร่งปฏิกิริยา

เหตุผลที่ได้ให้เพิ่มอัตราการไหล NO ให้สูงขึ้นก่อนก็เพราะต้องการตัดปัญหาเรื่องความดันย้อนกลับที่อาจส่งผลต่ออัตราการไหลของ NO (มันมีหรือเปล่าก็ไม่รู้ แต่เลือกทำการทดลองที่อัตราการไหลที่คิดว่ามันไม่ส่งผลก่อน) และเพื่อให้การเปลี่ยนแปลงพีค NO ที่ชัดเจนขึ้น (ในกรณีที่ถ้าหากมันจะหายไป)

การทดลองเริ่มจากอุณหภูมิ 300ºC ก่อนในช่วงบ่าย ถ้าเห็นพีค NO ก็จะค่อย ๆ ไต่อุณหภูมิขึ้นทีละ 20 หรือ 30ºC ไปจนถึง 450ºC ซึ่งกว่าจะไปถึง 450ºC ก็พอดีดวงอาทิตย์ลับขอบฟ้า ซึ่งในระหว่างนี้ก็มีน้องนกเพนกวิน (นิสิตป.ตรี)มาช่วยร่วมลุ้นและเป็นกำลังให้กับพวกพี่ ๆ (นิสิตป.โท) ที่ทำการทดลอง

ปรากฏว่าคราวนี้เห็นพีค NO ได้ค่อนข้างคงเส้นคงวาไปจนถึงอุณหภูมิ 450ºC (ดูรูปที่ ๑)

ขั้นตอนต่อไปคือการทดสอบผลของความดันย้อนกลับ โดยทำการปรับลด mass flow controller ของ NO จากระดับ 5.00 (หรือ 2.94 ml/min) ลงมาเหลือ 3.00 (หรือ 1.81 ml/min) ก่อน ถ้ายังเห็นพีค NO ก็จะลดต่อลงมาที่ระดับ 1.48 (หรือ 0.95 ml/min) ซึ่งก็ปรากฏว่าได้พีคดังแสดงในรูปที่ ๓ ซึ่งกว่าจะเสร็จทั้งสาวน้อยหน้าบาน (คนใหม่) และสาวน้อยร้อยห้าสิบเซนต์ (คนใหม่) ก็ต้องอยู่ทำแลปถึงสองทุ่ม ทำเอาวันนี้ตื่นสายมาแทบไม่ทันถ่ายรูปร่วมกับผู้ที่รับปริญญา

อันที่จริงพีค NO ในรูปที่ ๓ มันก็ไม่ได้เท่ากันซะทีเดียว มันมีขนาดเล็กลงเล็กน้อยเมื่อปรับลดอัตราการไหลของ NO (แต่คิดว่าคงจะยังไม่เข้าที่เท่าไรนัก) จากการทดลองที่ผ่านมาเราพบว่าถ้าหากความเข้มข้น NO ในแก๊สลดลง พีค NO จะออกมาช้าลง ซึ่งถ้าเอาโครมาโทแกรมในรูปที่ ๓ มาซ้อนทับเอาโดยเอาจุดเริ่มต้นเกิดพีค O₂ เป็นหลักดังแสดงในรูปที่ ๔ เราก็จะเห็นได้ว่าเมื่อลดอัตราการไหลผ่าน mass flow controller จาก 5.00 ลงเหลือ 3.00 และเหลือ 1.48 นั้น พีค NO ที่ออกมาจะออกมาช้าลงเป็นลำดับ (ตรงที่ลูกศรสีแดงชี้ในรูปที่ ๔)

ส่วนเรื่องที่ว่าเราแก้ปัญหาอย่างไรนั้นจึงทำให้เห็นพีค NO ได้ต้องขอเก็บไว้ก่อน เพราะต้องขอตรวจสอบในเรื่องผลของน้ำที่มีต่อการเกิดพีค NO ก่อน จากนั้นจึงค่อยว่ากันอีกที

วันนี้หยุดทำการทดลอง ๑ วันเพื่อพักผ่อน งานต่อไปที่จะทำต่อในวันพรุ่งนี้ (ศุกร์ ๒๐) คือการต่อ saturator กลับคืนและเพิ่มไอน้ำเข้าไปในระบบ ซึ่งคิดว่าคงจะเริ่มเหมือนกับเมื่อวาน คือเริ่มที่อุณหภูมิ 300ºC และตั้ง mass flow controller ของ NO ไว้ที่ 5.00 ก่อน

งานนี้ยังคงต้องลุ้นกันต่อไป จากนั้นจึงค่อยมาพิจารณาว่าจะหาทางคำนวณพื้นที่พีค NO ที่ซ้อนทับอยู่บนหางของพีค O₂ ด้วยวิธีการไหนดี จึงจะได้พื้นที่พีคที่คงเส้นคงวาและอธิบายได้

รูปที่ ๒ ผลการวัดความเข้มข้นของ NO ในแก๊สด้านขาออกจาก reactor ที่บรรจุ TiO₂ (anatase) เอาไว้ ที่อุณหภูมิต่าง ๆ

GC-2014 FPD และ GC-2014 ECD & PDD ทั้งสองเครื่องนี้เราได้รับมาในสมัยสาวน้อยหน้าใสใส่แว่นยิ้มได้ทั้งวัน ซึ่งตอนนั้นเป็นแค่การตรวจรับแต่ยังไม่ได้นำมาใช้งาน

ปีถัดมาเป็นคราวของสาวน้อยร้อยห้าสิบเซนต์ที่ทำหน้าที่ปรับแต่งการทำงานของ GC-2014 FPD จนเราสามารถตรวจวัด SO₂ ได้ ตามด้วยยุคของสาวน้อยหน้าบานและสาวน้อยจากเมืองชายฝั่งทะเลภาคตะวันออกที่ข่วยกันจนกระทั่งสามารถใช้ PDD ตรวจวัด NH₃ ได้ 

และคงปิดท้ายด้วยเวลาของสาวน้อยหน้าบาน (คนใหม่) และสาวน้อยร้อยห้าสิบเซนต์ (คนใหม่) ที่จะทำให้เราสามารถใช้ ECD วัด NO ได้

รูปที่ ๓ โครมาโทแกรมที่ได้จากการเก็บแก๊สตัวอย่างที่อุณหภูมิ 450ºC ที่ความเข้มข้น NO ที่แตกต่างกัน โดยตั้งค่า Mass flow controller ไว้ดังนี้ เส้นสีดำ 5.00 เส้นสีม่วง 3.00 และเส้นสีน้ำเงิน 1.48

 รูปที่ ๔ ลูกศรสีแดงแสดงจุดเริ่มต้นเกิดพีคของ NO ที่ผ่านมานั้นเราพบว่าเมื่อความเข้มข้น NO ในแก๊สตัวอย่างลดลง พีค NO จะออกมาล่าช้าลง โครมาโทแกรมทั้งสามเส้นเป็นเส้นเดียวกับที่แสดงในรูปที่ ๒ แต่นำมาซ้อนกันเพื่อต้องการเปรียบเทียบให้เห็นตำแหน่งของการเริ่มเกิดพีค และขนาดของพีคที่แตกต่างกันอยู่ โดยตั้งค่า Mass flow controller ไว้ดังนี้

เส้นสีดำ 5.00 เส้นสีม่วง 3.00 และเส้นสีน้ำเงิน 1.48

GC-2014 ECD & PDD ตอนที่ ๒๗ ผลการทดลองด้วย reactor เปล่า MO Memoir : Sunday 15 July 2555

บันทึกฉบับนี้เป็นตอนต่อจากฉบับเมื่อวาน โดยเป็นผลการทดลองหลังจากที่ได้ทำการปรับเปลี่ยนแนวท่อแล้ว โดยได้ทำการทดสอบระบบกับ reactor เปล่าก่อน ผลการวิเคราะห์ที่ได้แสดงไว้ในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

รูปที่ ๑ โครมาโทแกรมสองเส้นล่าง (สีน้ำเงินกับสีน้ำตาล) ได้จากการทดลองที่ 120ºC ส่วนโครมาโทแกรมสองเส้นบน (สีน้ำเงินเข้มและสีม่วง) ได้จากการทดลองที่ 450ºC แก๊สผสมประกอบด้วย NO 120 ppm O₂ 15% โดยมี NH₃ SO₂ และไอน้ำร่วมอยู่ด้วย

ผลการทดลองในรูปที่ ๑ เป็นการทดลองเมื่อบ่ายวันศุกร์ที่ ๑๓ กรกฎาคมที่ผ่านมาของสาวน้อยหน้าบาน (คนใหม่) และสาวน้อยร้อยห้าสิบเซนต์ (คนใหม่)  ผมแวะเข้าไปเอามาจากคอมพิวเตอร์เมื่อตอนเที่ยงวันนี้ จะเห็นว่าพีค NO ที่ได้จากแก๊สที่ไหลผ่าน reactor เปล่าที่ 450ºC นั้นมีขนาดเล็กกว่าพีคที่ได้จากแก๊สที่ไหลผ่าน reactor เปล่าที่ 120ºC นอกจากนี้พีคที่ได้จากแก๊สที่ไหลผ่าน reactor เปล่าที่ 450ºC ยังมีออกช้าลงเล็กน้อยและมีรูปร่างที่แผ่กว้างออกมากกว่าเล็กน้อยเมื่อเทียบกับพีคที่ได้จากแก๊สที่ไหลผ่าน reactor เปล่าที่ 450ºC

ส่วนพีคแปลกปลอมที่ปรากฏยังไม่รู้ว่าเป็นพีคของอะไร ค่อย ๆ ว่ากันไปอีกที

เนื่องจากพฤติกรรมการไหลของแก๊สใน reactor เปล่าและอุณหภูมิของแก๊สที่ไหลผ่าน reactor เปล่านั้นจะแตกต่างไปจาก reactor ที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาบรรจุอยู่ กล่าวคือแก๊สที่ไหลผ่าน reactor เปล่าจะเย็นกว่าเพราะไม่มีของแข็งนำความร้อนจากผนังมายังแก๊สที่อยู่บริเวณตอนกลางท่อ และการไหลยังได้รับผลกระทบจากความดันลดที่เพิ่มขึ้น (เมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น) ที่ต่ำกว่าด้วย

ดังนั้นหลังจากที่ได้ทดสอบกับ reactor เปล่าแล้ว (ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิม SS-304) ก็ได้ทำการทดลองต่อโดยทดลองบรรจุ TiO₂ เข้าไปใน reactor เพื่อทดสอบในสภาพที่ใกล้กับการทดลองจริงมากที่สุด ขณะนี้ผลการทดสอบดังกล่าวก็ผ่านไปถึงระดับหนึ่งแล้ว ยังติดขัดปัญหาอยู่เล็กน้อย ซึ่งคงต้องว่ากันต่อในเช้าวันพรุ่งนี้

GC-2014 ECD & PDD ตอนที่ ๒๖ การปรับแนวท่อระบบ DeNOx MO Memoir : Saturday 14 July 2555

เนื้อหาในบันทึกฉบับนี้เกี่ยวข้องกับบทเรียนของกลุ่มเราที่ได้บันทึกเอาไว้ Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๗๒ วันศุกร์ที่ ๑๘ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "GC-2014 FPD กับระบบ DeNOx ตอนที่ ๔ ผลกระทบจากออกซิเจน"

ตอนนั้นเราได้เห็นผลกระทบจากการวางแนวท่อที่ไม่เหมาะสม ทำให้เมื่อเราวัดความเข้มข้นของ SO₂ ด้วยเครื่อง Gas chromatograph (GC) เราจึงมีปัญหาเรื่องตรวจไม่พบแก๊ส SO₂ แม้จะเห็นว่า mass flow controller ทำงานเป็นปรกติโดยให้อัตราการไหลที่นิ่ง

สิ่งที่แก้ไขไปในตอนนั้นคือได้ทำการปรับแต่งแนวท่อ (แบบชั่วคราว) เพียงเล็กน้อย ก็สามารถแก้ไขเรื่องความเข้มข้นที่ไม่แน่นอนของ SO₂ ที่ GC ตรวจวัดได้ แต่ต่อมาภายหลังมีการเปลี่ยนแปลงแนวท่อ (เพื่อให้มันดูเรียบร้อยขึ้น) ประกอบกับไม่ได้มีการวิเคราะห์การออกซิไดซ์ SO₂ ไปเป็น SO₃ ชึ่งในช่วงดังกล่าวเน้นการวิเคราะห์โดยใช้เครื่อง NOx analyzer NOA-7000 ซึ่งเครื่องดังกล่าวทำการดูดแก๊สตัวอย่างเข้ามาวิเคราะห์อย่างต่อเนื่อง ค่าที่แสดงจึงเป็นค่าเฉลี่ยในช่วงเวลาหนึ่ง

รูปที่ ๑ การเดินท่อผสมแก๊สก่อนทำการปรับปรุง NO ต้องไหลมาบรรจบกับ NH₃ ก่อนที่จะเข้าบรรจบกับ N₂ (ลูกศรสีเขียว) ส่วน O₂ (ตัวซ้ายสุด) นั้นในกรณีที่ไม่มีการผสมน้ำจะไหลมารวมกับ SO₂ ก่อน แล้วจึงมาบรรจบกับ N₂ (ลูกศรสีน้ำเงิน) แต่ถ้าเป็นกรณีที่มีการผสมน้ำ O₂ จะถูกปรับให้ไหลไปทาง Saturator และเข้าบรรจบกับสาย N₂ ที่อยู่ทางด้านหลังก่อนเข้า reactor ส่วน SO₂ จะไหลเข้าบรรจบกับ N₂ ด้วยตัวมันเอง

พอเปลี่ยนมาใช้ GC-2014 ECD & PDD วิเคราะห์ปริมาณ NO ความแตกต่างข้อหนึ่งที่สำคัญคือ GC นั้นจะใช้ตัวอย่างแก๊สที่เก็บมา ณ ช่วงขณะหนึ่งในปริมาณน้อย ๆ (แก๊สในระบบของเราไหลด้วยอัตรา 200 ml/min แต่เราใช้ตัวอย่างวิเคราะห์เพียงแค่ 0.1 ml) ดังนั้นถ้าองค์ประกอบของแก๊สถ้าดูละเอียด ณ ช่วงเวลาใด ๆ แล้วไม่สม่ำเสมอ GC ก็จะมองเห็น

ในช่วงหลายสัปดาห์ที่ผ่านมาทางกลุ่มเราได้ทำการทดลองหาวิธีการเก็บตัวอย่างที่เหมาะสมสำหรับการวิเคราะห์ปริมาณ NO ในแก๊สขาออกจาก reactor งานดังกล่าวเริ่มจากการหาตำแหน่งพีค NO และหาภาวะการทำงานที่เหมาะสมของเครื่อง GC (เรื่องนี้จะนำมาเล่าโดยละเอียดอีกที) โดยในระหว่างช่วงงานดังกล่าวเรากระทำโดยการต่อแก๊สตรงจากถังแก๊สเข้าระบบวาล์วเก็บตัวอย่างของเครื่อง GC

งานในช่วงถัดมาคือการทดสอบการเก็บแก๊สตัวอย่างจากระบบการทดลอง โดยได้เริ่มทำการทดลองจากการให้แก๊สผสมไหลผ่านระบบ reactor จากนั้นจึงทำการดึงเอาแก๊สผสมนั้นมาวิเคราะห์ด้วยเครื่อง GC โดยเริ่มจากการใช้แก๊ส NO ผสมเพียงตัวเดียวก่อน จากนั้นจึงทำการเจือจางด้วยการใช้แก๊ส N₂ เพื่อดูว่า GC ของเราสามารถวัดความเข้มข้น NO ได้ต่ำเพียงใด ซึ่งตรงจุดนี้ทำให้ทางกลุ่มเราได้ทำการปรับปรุงระบบเก็บแก๊สตัวอย่างใหม่ (เปลี่ยนจากสายยางมาเป็นระบบท่อและวาล์วโลหะ) และผลการทดสอบระบบดังกล่าวก็พบว่าทำงานได้เป็นที่น่าพอใจ

จากนั้นจึงเพิ่มแก๊ส O₂ ผสมเข้าไป เพื่อดูว่าพีคของ O₂ ซึ่งเป็นพีคขนาดใหญ่มากและนำอยู่หน้าพีค NO (พีค NO จะอยู่บนส่วนหางของพีค O₂) จะก่อปัญหาในการระบุพีค NO หรือไม่ ซึ่งงานตรงส่วนนี้ทำให้เราพบว่าถ้าใช้ sampling loop ขนาด 0.5 ml จะทำให้พีค O₂ นั้นเบียดพีค NO มาก แม้ว่าสัญญาณพีค NO จะแรงก็ตาม การใช้ sampling loop ขนาด 0.1 ml นั้นแม้จะให้พีค NO ที่มีขนาดเล็กกว่า 5 เท่า แต่ก็ให้รูปร่างพีคที่ดีกว่าและแยกห่างจากพีค O₂ มากกว่า ดังนั้นในขณะนี้จึงจะทำการวัดปริมาณ NO โดยใช้ sampling loop ขนาด 0.1 ml

รูปที่ ๒ การเดินท่อผสมแก๊สหลังทำการปรับปรุง ตอนนี้แก๊ส NO NH₃ และ SO₂ ต่างไหลตรงเข้าท่อ N₂ ส่วน O₂ นั้นต้องให้ไหลผ่านทาง saturator เพียงอย่างเดียว ไม่ว่าจะมีการผสมไอน้ำหรือไม่ก็ตาม (ถ้าไม่ต้องการผสมไอน้ำก็ไม่ต้องเติมน้ำเข้าไปใน saturator)

การศึกษาผลกระทบของพีค O₂ ที่มีต่อพีค NO ทำให้เราพบปรากฎการณ์หนึ่งในทำนองเดียวกับที่ได้เล่าไว้ในบันทึกฉบับที่ ๒๗๒ กล่าวคือเมื่อเพิ่มอัตราการไหลของ O₂ ให้มากขึ้นเรื่อย ๆ พบว่าพีค NO เกิดการหายไปกระทันหันทั้ง ๆ ที่ mass flow controller ของ NO นั้นยังแสดงการไหลปรกติอยู่ ดังนั้นเมื่อเช้าวันพฤหัสบดีที่ ๑๒ กรกฎาคม ที่ผ่านมา เราจึงได้ทำการปรับปรุงแนวท่อแก๊สเสียใหม่ จากของเดิมในรูปที่ ๑ ที่ NO กับ NH₃ นั้นต้องไหลมารวมกันก่อนที่จะไหลเข้าท่อแก๊ส N₂ กลายเป็นให้แก๊สแต่ละตัวไหลเข้าท่อแก๊ส N₂ โดยตรง โดยไม่ต้องมารวมกันก่อน ซึ่งก็ได้ระบบท่อดังแสดงในรูปที่ ๒ จากนั้นก็ทำการทดสอบการผสมแก๊สใหม่ พบว่า .....

ยังไม่พบพีค NO เหมือนเดิม

แต่เมื่อทดลองให้แก๊ส O₂ นั้นไหลผ่านทาง saturator กลับพบว่าวัดปริมาณ NO ในแก๊สผสมได้ตามที่คาดการณ์ไว้ ทั้ง ๆ ที่ไม่ได้ทำการปรับแต่งส่วนอื่น ทำเพียงแค่สับวาล์วเปลี่ยนเส้นทางการไหลของแก๊ส O₂ เท่านั้นเอง ดังนั้นในขณะนี้เราจึงได้ข้อสรุปว่าต้องให้แก๊ส O₂ ไหลในเส้นทางผ่าน saturator

สาเหตุที่เกิดปัญหาผมสงสัยว่าเป็นเพราะอัตราการไหลของแก๊ส O₂ ก็ค่อนข้างมาก (ประมาณ 30 ml/min) และจุดที่ท่อ O₂ เข้าบรรจบท่อ N₂ นั้น "อยู่ก่อนถึงจุดบรรจบของท่อแก๊ส NO เพียงเล็กน้อย" ทำให้ความดันผันผวนที่เกิดจากการที่แก๊สที่มีอัตราการไหลสูงสองเส้นทางมาบรรจบกันส่งผลต่อการไหลของแก๊ส NO ที่อยู่ถัดไปที่มีอัตราการไหลต่ำกว่ามาก (ประมาณ 1-3 ml/min) ทำให้แม้ว่าแก๊ส NO จะไหลผ่าน mass flow meter อย่างต่อเนื่อง แต่จะไหลเข้าผสมกับแก๊สผสม N₂ + O₂ อย่างเป็นจังหวะ

จุดที่แก๊ส O₂ ที่ไหลผ่าน saturator มาบรรจบกับท่อแก๊สผสมที่มี N₂ เป็นตัวพามานั้นอยู่ห่างออกไป โดยไปอยู่เหนือทางเข้า reactor ประกอบกับการไหลในเส้นท่อแก๊สผสมที่มี N₂ เป็นตัวพามานั้นมีค่าสูง (ประมาณ 170 ml/min) ทำให้ความดันผันผวนที่เกิดจากแก๊ส O₂ (+ ไอน้ำ ถ้ามี) เข้าผสมกับแก๊สผสมที่มี N₂ เป็นตัวพามานั้นไม่ส่งผลกระทบต่อระบบที่อยู่ทางด้านต้นทางการไหล

เรื่องที่เขียนมานี้เป็นเพียงส่วนหนึ่งของเหตุการณ์หลาย ๆ อย่างที่ทางกลุ่มเราได้ประสบในช่วง ๒ สัปดาห์ที่ผ่านมา ซึ่งพอระบบทุกอย่างทำงานได้เรียบร้อยก็คงจะมีการเขียนสรุปเหตุการณ์ทุกอย่างที่เกิดขึ้นอีกที สิ่งที่น่าเสียดายคือในช่วงที่ผ่านมานั้นไม่มีนิสิตปี ๑ เข้ามาร่วมสังเกตการณ์ด้วยเลย (ทั้ง ๆ ที่เรียนแค่วันละ ๓ ชั่วโมงเอง และก็เรียนแค่ ๔ วันต่อสัปดาห์ แต่ทางสาวน้อยหน้าบาน (คนใหม่) และสาวน้อยร้อยห้าสิบเซนต์ (คนใหม่) ต่างมาทำงานแต่เช้าจนค่ำทุกวัน ซึ่งในช่วงที่ผ่านมากเชื่อว่าทั้งสองคนนั้นได้ประสบการณ์การทำงานจริงที่มีคุณค่ามา เพราะได้เห็นว่าการแก้ปัญหาต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นนั้นไม่ได้ใช้ความรู้เกินกว่าระดับป.ตรีที่เรียนกันมาเลย เพียงแต่เราจะตั้งสมมุติฐานที่มาของปัญหาได้หรือไม่ และจะทำการทดสอบสมมุติฐานเหล่านั้นอย่างไร

เหตุการณ์ที่ต่อเนื่องจากเช้าวันวานไปจนถึงช่วงหัวค่ำของคืนวันศุกร์ที่ผ่านมาก็เรียกได้ว่าคืบหน้าไปมาก เหลือเพียงบางสิ่งที่ต้องลุ้นต่อในเช้าวันจันทร์เท่านั้นว่าจะผ่านพ้นไปได้หรือไม่

GC-2014 ECD & PDD ตอนที่ ๒๕ ตำแหน่งพีค NO และ N2O (ปรับแต่ง ๒ - ผลของอุณหภูมิ) MO Memoir : Saturday 30 June 2555

Memoir ฉบับนี้เป็นบันทึกการปรับแต่งการทำงานของเครื่อง GC-2014 ECD & PDD ในส่วนของ ECD เพื่อตรวจวัด NO โดยเป็นตอนต่อจาก Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๔๖๘ วันเสาร์ที่ ๒๓ มิถุนายน ๒๕๕๕ เรื่อง "GC-2014 ECD & PDD ตอนที่ ๒๔ ตำแหน่งพีค NO และ N₂O (ปรับแต่ง ๑)" ซึ่งยังคงเป็นผลงานของสาวน้อยร้อยห้าสิบเซนต์ (คนใหม่) กับสาวน้อยหน้าบาน (คนใหม่) ที่ได้จากการทดลองซ้ำและตรวจสอบหลายรูปแบบในช่วงสัปดาห์ที่ผ่านมา

ต้องยอมรับว่าการปรับแต่งในส่วนของ ECD นี้ได้ให้บทเรียนใหม่ ๆ แก่พวกเราเยอะเหมือนกัน

โดยปรกติที่เคยเจอมานั้น (กับ packed column ทั่วไป) เวลาที่เราต้องการจะให้สารออกจากคอลัมน์เร็วขึ้นเราอาจทำได้โดยการ (ก) เพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น หรือ (ข) เพิ่มอัตราการไหลของ carrier gas ให้สูงขึ้น

การเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นจะทำให้การดูดซับของสารในแก๊สบนพื้นผิวนั้นแย่ลง สัดส่วนสารที่อยู่ในเฟสแก๊สจะสูงขึ้น สารก็จะเคลื่อนตัวออกจากคอลัมน์ได้เร็วขึ้น ส่วนการเพิ่มอัตราการไหลของ carrier gas ก็จะช่วยพัดพาให้สารที่อยู่ในเฟสแก๊สเคลื่อนออกพ้นคอลัมน์ได้เร็วขึ้น

แต่สำหรับ micro packed column (O.D. 1/8") ที่เราใช้แยก NO ออกจาก O₂ และ N₂O นั้นดูเหมือนว่าจะมีกลไกการแยกอยู่สองรูปแบบ

กล่าวคือดูเหมือนคอลัมน์จะแยก N₂O ออกจาก NO และ O₂ ด้วยกลไกการดูดซับ โดยตัวคอลัมน์จะจับ N₂O ได้ดีกว่า NO และ O₂ ( N₂O มีความเป็นขั้วที่แรงกว่า NO และ O₂)

ส่วนการแยก NO และ O₂ ออกจากกันนั้นน่าจะเป็นการแยกตามจุดเดือด (จุดเดือดของ N₂ คือ -196ºC จุดเดือดของ O₂ คือ -183ºC และ จุดเดือดของ NO คือ -164ºC) โดย O₂ จะออกนำหน้า NO อยู่เล็กน้อย (เราใช้ N₂ เป็น carrier gas เราจึงไม่มีพีค N₂ และ ECD ก็ไม่ตอบสนองต่อ N₂ ด้วย)

สิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อเราเพิ่มอุณหภูมิ oven ให้สูงขึ้นคือ N₂O จะออกมาเร็วขึ้น แต่ดูเหมือน NO และ O₂ จะออกมาช้าลง

สาเหตุที่ NO และ O₂ ออกมาช้าลงเป็นเพราะแก๊สสองตัวนี้ถูกดูดซับได้น้อย ดังนั้นจะออกมาพร้อมกับความเร็วของ carrier gas

การเพิ่มอุณหภูมิ oven ให้สูงขึ้นจะทำให้ carrier gas มึความหนืดสูงมากขึ้น ประกอบกับการที่คอลัมน์ที่เราใช้มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 1/8" ซึ่งจัดว่าเล็ก ดังนั้นจึงทำให้อัตราเร็ว (ความเร็วเชิงเส้น - m/s) ของ carrier gas ในคอลัมน์ลดต่ำลง

ดังนั้นถ้าเราต้องการให้ NO และ O₂ ออกจากคอลัมน์เร็วขึ้น เราก็ต้อง "ลด" อุณหภูมิ oven ให้ลดต่ำลง ซึ่งในขณะนี้เราได้ลดอุณหภูมิ oven ลงเหลือ 50ºC และปรับเพิ่มความดันที่ APC1 เป็น 240 kPa

ผลที่ออกมาเป็นอย่างไรนั้นแสดงไว้ในรูปที่ ๑ ในหน้าถัดไปแล้ว

รูปที่ ๑ โครมาโทแกรมจากการทดลองเมื่อวานตอนเย็นของสาวน้อยร้อยห้าสิบเซนต์ (คนใหม่) กับสาวน้อยหน้าบาน (คนใหม่) เส้นสีดำคือแก๊ส NO (800 ppm) ใน N₂ ส่วนสีม่วงคืออากาศ อุณหภูมิ oven คือ50ºC และปรับเพิ่มความดันที่ APC1 เป็น 240 kPa ขนาด sampling loop 0.5 ml ตอนนี้ดูเหมือนว่ามีสิทธิ์ลุ้นแล้วว่าน่าจะแยกพีค NO ออกจาก O₂ ได้ งานต่อไปที่ต้องทำคือต้องทดสอบโดยการลดความเข้มข้น NO ให้ต่ำลงไปอีก (ระดับ 10 ppm หรือต่ำกว่า) แต่จากขนาดสัญญาณที่ได้ผมก็สงสัยอยู่เหมือนกันว่าอาจต้องมีรายการเพิ่มขนาดของ sampling loop ให้สูงกว่า 0.5 ml อีก