การแยกสารด้วยระบบ Swing Adsorption MO Memoir : Saturday 27 March 2564

"ถ้า process flow ของคุณมันไม่สมเหตุสมผลเนี่ย ผลการคำนวณและข้อสรุปต่าง ๆ ของคุณจะหมดความหมายเลยนะ"

ผมเตือนนิสิตป.เอกคนหนึ่งเอาไว้หลังจากฟังการนำเสนอของเขา ซึ่งดูเหมือนว่าเขาไม่รู้ว่า unit ต่าง ๆ ที่เขาเอามาต่อกันเป็น superstructure เพื่อเปรียบเทียบ economic analysis นั้น มันทำงานอย่างไรและควรต้องมีอะไรประกอบบ้าง

รูปที่ ๑ การแยกสารด้วยการดูดซับที่ใช้สารดูดซับที่สามารถทำการฟื้นคืนสภาพ (regeneration) ได้ รูปซ้ายมักพบในกรณีที่ต้องการกำจัดสิ่งปนเปื้อนที่มากับสายป้อน ส่วนรูปขวาจะพบได้ทั่วไปกับกรณีของระบบ "pressure" swing adsorption ที่ใช้ในการแยกสารสององค์ประกอบออกจากกัน

การแยกสารด้วยการดูดซับนั้นเป็นการใช้ของแข็งที่ทำหน้าที่เป็นตัวดูดซับ (adsorbent) ดูดซับสารหนึ่ง (หรือหลายสาร) เอาไว้ จากของไหลที่ไหลผ่านเบดสารดูดซับนั้น การทำเช่นนี้ก็อาจทำไปเพื่อการกำจัดสิ่งปนเปื้อน (เช่น การดูดซับน้ำออกจากน้ำมัน การดูดซับน้ำมันหรือสารอินทรีย์ออกจากน้ำ การดูดซับสารอินทรีย์ออกจากแก๊สเพื่อกำจัดกลิ่น การดูดซับสารที่เป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยาก่อนที่จะป้อนสารตั้งต้นนั้นเข้าทำปฏิกิริยา) หรือเพื่อการแยกสารผสมออกจากกัน (เช่นการแยกไนโตรเจนและออกซิเจนในอากาศออกจากกัน)

การแยกด้วยการดูดซับนั้นอาศัยหลักการที่ว่าสารดูดซับนั้นสามารถเลือกจับสารที่มีคุณสมบัติเฉพาะแบบหนึ่งได้ดีกว่าสารอื่นที่ไม่มีคุณสมบัติเฉพาะดังกล่าวนั้น เช่นการดูดซับน้ำออกจากน้ำมัน เราก็อาจเลือกใช้สารดูดซับที่พื้นผิวมีความเป็นขั้วเพื่อให้มันจับกับโมเลกุลน้ำได้ดี (เช่นพวก silica gel, zeolite) แต่พอเป็นการกำจัดน้ำมันหรือสารอินทรีย์ที่ปนเปื้อนอยู่ในน้ำ ก็อาจเลือกใช้สารดูดซับที่พื้นผิวไม่มีความเป็นขั้ว (เช่นพวก activated carbon) หรือบางครั้งก็อาจใช้ขนาดและรูปร่างโมเลกุลที่แตกต่างกัน เช่นสารดูดซับที่มีรูพรุนขนาดเล็กจะดักจับโมเลกุลขนาดเล็กที่สามารถแพร่เข้าไปในรูพรุนนั้นได้ ในขณะที่โมเลกุลที่มีขนาดใหญ่กว่าจะไม่สามารถแพร่เข้าไป และจะไหลผ่านเบดสารดูดซับไปได้ง่าย

ที่นี้ พอสารดูดซับดูดซับสารจนอิ่มตัวแล้วจะให้ทำยังไงต่อ ในกรณีของการแยกสิ่งปนเปื้อนนั้น ถ้าสิ่งปนเปื้อนที่ไหลเข้าระบบนั้นมีความเข้มข้นต่ำ ก็อาจออกแบบขนาดเบดสารดูดซับให้มากพอสำหรับการใช้งานได้ทั้งปี พอหยุดเดินเครื่องโรงงานทีก็เปลี่ยนใหม่ แต่ถ้าทำอย่างนั้นไม่ได้ ก็จะเลือกใช้สารดูดซับที่สามารถทำการไล่สารที่มันจับเอาไว้ออกไปได้ ปรกติก็ใช้การเพิ่มอุณหภูมิ เช่นการเอาซิลิกาเจลที่ดูดซับไอน้ำจนอิ่มตัวแล้วไปอบให้ร้อนเพื่อไล่น้ำออก แล้วนำกลับมาใช้ใหม่

ในกรณีของการจับสารที่มีปริมาณมากจนไม่สามารถออกแบบขนาดเบดให้ทำงานจนถึงรอบการหยุดเดินเครื่องครั้งถัดไปได (อย่างน้อยก็ราว ๆ ๓๐๐ วัน) ก็จะทำการเลือกใช้สารดูดซับที่เราสามารถทำการไล่สารที่มันจับเอาไว้นั้นออกไปได้ (คือทำการ regeneration หรือฟื้นคืนสภาพ) และเพื่อให้กระบวนการดำเนินต่อไปได้อย่างต่อเนื่องก็จะต้องมีเบดสารดูดซับเอาไว้อย่างน้อย ๒ เบด โดยเบดหนึ่งเป็นเบดหลัก อีกเบดหนึ่งเป็นเบดสำรองที่จะทำหน้าที่เมื่อต้องทำการฟื้นคืนสภาพสารดูดซับในเบดหลัก (รูปที่ ๑ ซ้าย)

ขนาดของเบดสำรองเทียบกับเบดหลักนั้นขึ้นอยู่กับช่วงระยะเวลาที่ต้องใช้ในการฟื้นคืนสภาพเบดหลัก ตัวอย่างเช่นสมมุติว่าเบดหลักนั้นใช้เวลา ๗ วันกว่าจะดูดซับสารจนอิ่มตัว แต่การฟื้นคืนสภาพนั้นใช้เวลาเพียงแค่ไม่ถึง ๑ วัน ดังนั้นขนาดของเบดสำรองนั้นก็ไม่จำเป็นต้องใหญ่เท่ากับขนาดของเบดหลัก เช่นอาจมีขนาดเพียงแค่ทำงานได้เพียง ๑-๒ วันก็พอ เพราะพอทำการฟื้นคืนสภาพเบดหลักเสร็จก็กลับไปใช้เบดหลักเหมือนเดิม จากนั้นก็ทำการฟื้นคืนสภาพเบดสำรอง เสร็จแล้วก็ให้มัน standby เอาไว้ รอรอบการทำงานถัดไป

ปฏิกิริยาการดูดซับเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ดังนั้นการไล่ที่สารดูดซับจับเอาไว้จึงใช้การเพิ่มอุณหภูมิเป็นหลัก และเมื่อไล่สารออกไปหมดแล้วก็จะต้องรอให้เบดนั้นเย็นตัวลงก่อนที่จะนำมาใช้งานใหม่

ที่เล่ามาข้างต้นนั้นเป็นกรณีของการดูดซับสารออกจากแก๊ส การดูดซับสารออกจากของเหลวก็มีหลักการทำนองเดียวกัน เพียงแต่การไล่สารที่ดูดซับเอาไว้นั้นมันมีวิธีที่แตกต่างกันไป เช่นอาจใช้การเปลี่ยนตัวทำละลาย (ที่สารที่ถูกดูดซับเอาไว้นั้นสามารถละลายได้ดี) เพื่อชะเอาสารที่ถูกดูดซับเอาไว้ออกมา หรืออย่างเช่นกรณีของเครื่อง softener ที่ทำการแลกเปลี่ยนประจุด้วยการเอาประจุ 2+ (พวก Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺) ออกจากน้ำ แล้วแทนที่ด้วยประจุ 1+ (ก็คือ Na⁺) พอจะทำการฟื้นสภาพก็จะใช้น้ำเกลือความเข้มข้นสูง (มี Na⁺ มาก) ล้าง Na⁺ ก็จะเข้าไปแทนที่พวกประจุ 2+ ก็จะนำกลับมาใช้ใหม่ได้

การนำเอาหลักการดูดซับมาใช้ในการแยกผลิตภัณฑ์สองชนิดเช่น A และ B ที่ผสมปนกันอยู่ก็มีหลักการทำงานแบบเดียวกัน เพียงแต่ตัวดูดซับนั้นไม่ควรที่จะดูดซับสารใดสารหนึ่งแรงมากเกินไป เพราะจะทำให้ไล่สารนั้นออกจากพื้นผิวได้ยาก และในกระบวนการแยกสารด้วยการดูดซับนี้ในขั้นตอนแยกสารก็จะให้เบดดูดซับทำงานที่สภาวะหนึ่งที่สามารถดูดซับสาร A ได้ดีกว่าสาร B และเมื่อเบดสารดูดซับดูดซับสาร A จนอิ่มตัวก็จะเปลี่ยนสภาวะการทำงานเพื่อให้มันคายสาร A นั้นออกมา และสภาวะการทำงานที่ทำการปรับเปลี่ยนที่ทำการมานานแล้วก็คือ "ความดัน" กล่าวคือในขั้นตอนการแยกจะให้สารดูดซับทำงานที่ความดันสูงเพื่อให้ดูดซับสาร A เอาไว้ พอมันดูดซับจนอิ่มตัวก็จะลดความดันเพื่อให้มันคายสาร A ออกมา ดังนั้นความดันการทำงานก็จะมีการแกว่งขึ้นลงตามจังหวะการทำงาน ระบบนี้จึงเรียกว่าเป็นระบบ Pressure Swing Adsorption (PSA) และก็มีใช้กันมานานแล้วในระดับ commercial scale ที่ใช้กันมากที่สุดน่าจะเป็นการแยก N₂ และ O₂ ในอากาศออกจากกัน (ถ้าไม่ต้องการความบริสุทธิ์สูงมากก็ใช้ได้ แต่ถ้าต้องการความบริสุทธิ์สูงมากก็เปลี่ยนไปใช้การกลั่นดีกว่า)

เพื่อให้กระบวนการแยกดำเนินได้อย่างต่อเนื่องจึงต้องมีเบดสารดูดซับหลายเบด (ดูรูปที่ ๑ ขวาประกอบ) กล่าวคือเริ่มแรกนั้นให้เบดที่ 1 ทำการดูดซับสาร A ก่อน พอดูดซับสาร A จนอิ่มตัวก็จะปิดสาย feed ที่ป้อนเข้าเบด 1 และเปิดให้ไหลเข้าเบด 2 แทน จากนั้นก็จะลดความดันในเบด 1 เพื่อให้คายสาร A ออกมา ถ้าเวลาที่ใช้ในการลดความดันเพื่อให้เบด 1 นั้นคายสาร A ออกมาสั้นกว่าเวลาที่เบด 2 ดูดซับสาร A จนอิ่มตัว การมีแค่ 2 เบดก็เพียงพอ แต่ถ้าหากเวลาที่เบด 2 ใช้ในการดูดซับสาร A จนอิ่มตัวนั้นสั้นกว่าเวลาที่ต้องใช้ในการไล่สาร A ออกจากเบด 1 ก็จำเป็นต้องมีเบดที่ 3 เพิ่มเข้ามาอีก ส่วนที่ว่าจะต้องมีกี่เบดนั้นก็ขึ้นอยู่กับระยะเวลาที่ดูดซับสารจนอิ่มตัวและไล่สารออกจากเบด ถ้าจะเห็นมี 5 เบดต่อขนานกันก็ไม่แปลก

"อุณหภูมิ" ก็เป็นอีกสภาวะการทำงานหนึ่งที่มีการศึกษากันทั้งในระดับห้องปฏิบัติการและ simulation (ที่ดูเหมือนจะมีเยอะด้วย) กล่าวคือการแยกสารจะกระทำที่อุณหภูมิต่ำเพื่อให้สารดูดซับดูดซับสาร A เอาไว้ก่อน จากนั้นจึงค่อยเพิ่มอุณหภมิเพื่อไล่สาร A ออกไป (ทำนองเดียวกันกับการวิเคราะห์ด้วยเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟที่ใช้เทคนิค temperature programmed ที่เริ่มต้นการวิเคราะห์ที่อุณหภูมิต่ำ จากนั้นจึงเพิ่มอุณหภูมิ column ให้สูงขึ้น) ระบบนี้จึงเรียกว่าเป็นระบบ Temperature Swing Adsorption (TSA) และที่น่าสนใจก็คือ ไม่ยักเป็นที่นิยมนำมาใช้กันในระดับ industril scale

ของแข็ง (โดยเฉพาะสารดูดซับหรือลูกบอลเซรามิกที่ทำหน้าที่เป็นตัวรองรับ/ตัวกดเบดสารดูดซับ) มีค่าความจุความร้อนสูง ดังนั้นการทำให้เบดร้อนขึ้นหรือเย็นตัวลงจะใช้เวลานาน (ไม่เหมือนความดันที่ทำได้รวดเร็วกว่า) นอกจากนี้ถ้าหากอุณหภูมิมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเกินไป มันก็อาจจะแตกหักได้เนื่องจาก thermal shock (ตัว vessel ไม่มีปัญหาหรอกเพราะมันทำจากโลหะ) ดังนั้นการออกแบบระบบ TSA นั้นมันจะมีเฉพาะเบดสารดูดซับไม่ได้ มันต้องมีระบบเพิ่มอุณหภูมิและลดอุณหภูมิเบดเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย

ในกรณีของการแยก N₂ และ O₂ ในอากาศออกจากกันด้วยเทคนิค PSA นั้น อากาศอัดความดันจะไหลผ่านเบดสารดูดซับที่มีรูพรุนขนาดเล็ก โมเลกุล O₂ ที่มีขนาดเล็กกว่าจะแพร่เข้าไปในรูพรุนสารดูดซับ ทำให้แก๊สความดันสูงที่ไหลผ่านเบดไปนั้นมีความเข้มข้น N₂ เพิ่มมากขึ้น และเมื่อลดความดันเบดให้ต่ำลง แก๊ส O₂ ความดันสูงที่อยู่ในรูพรุนก็จะไหลออกมา แก๊สที่ออกมาจากเบดก็จะเป็น O₂ ความดันต่ำ ที่ถ้าต้องการนำไปใช้ที่ความดันสูงขึ้นก็ต้องมีระบบคอมเพรสเซอร์เข้ามาอีก

ส่วนเทคนิค TSA นั้นอาศัยการสร้างพันธะระหว่างโมเลกุลของสารกับพื้นผิว ที่มีการคายความร้อนออกมา ถ้าหากสารดูดซับจับโมเลกุลสารได้แน่นมาก ก็ต้องใช้อุณหภูมิที่สูงมากในการไล่ (เช่นจากประสบการณ์ที่เคยมี การไล่น้ำออกจาก silica gel ทำได้ด้วยการอบไล่ที่อุณหภูมิประมาณ 130ºC แต่ถ้าเป็น zeolite อาจต้องใช้สูงกว่า 240ºC) ในกรณีของการทดลองในห้องปฏิบัติการนั้น vessel ที่ใช้บรรจุสารดูดซับมักจะเป็นทรงกระบอก (เช่นท่อ) ขนาดเล็ก ซึ่งมีพื้นที่ผิวต่อหน่วยปริมาตรสูง การทำให้เบดของแข็งที่บรรจุอยู่ภายในนั้นร้อนขึ้นหรือเย็นลงด้วยการให้หรือระบายความร้อนผ่านผนังจึงทำได้ง่าย แต่ถ้าเป็นเบดขนาดใหญ่ ค่าพื้นที่ผิวต่อหน่วยปริมาตรจะต่ำลงมาก การทำให้เบดมีอุณหภูมิสูงขึ้นหรือลดต่ำลงด้วยอัตราเร็วที่สูงดังต้องการจึงไม่ใช่เรื่องง่าย คงต้องใช้การผ่านแก๊สร้อนหรือเย็นเข้าไปในเบดโดยตรง ซึ่งต้องมีหน่วยเหล่านี้เข้ามาร่วมวงอีก ที่สำคัญคือระบบสาธารณูปโภคต่าง ๆ ที่ต้องมีเพื่อให้ระบบ PSA หรือ TSA นั้นทำงานได้จริง มันมีปรากฏอยู่ในโปรแกรม simulation หรือเปล่า และเรื่องสำคัญอีกเรื่องที่ต้องพิจารณาก็คือ สารดูดซับที่จะนำมาใช้ในการแยกสาร A และ B ออกจากกันในโปรแกรม simulation นั้น มันมีจริงหรือไม่ด้วย

โปรแกรม process simulation ปัจจุบันทำให้ผู้ใช้ใช้งานได้ง่ายด้วยการนำเอา block สำเร็จรูปของอุปกรณ์ต่าง ๆ มาต่อกันโดยที่ผู้ใช้นั้นไม่จำเป็นต้องรู้เลยว่าอุปกรณ์เหล่านั้นมันทำงานอย่างไร การนำเสนอที่เน้นไปที่ผลการคำนวณสุดท้ายที่เปรียบเทียบข้อดีข้อเสียของทางเลือกต่าง ๆ นั้น หลายครั้งที่พบว่าเมื่อกลับไปซักรายละเอียดของตัวกระบวนการที่ออกแบบเอาไว้ก็พบว่ามันไม่สมเหตุสมผล เช่น การบอกว่าปฏิกิริยานั้นเกิดทั้ง ๆ ที่ในความเป็นจริงนั้นมันไม่เกิดขึ้นจริง (การขาดความเข้าใจเรื่องค่าคงที่สมดุลกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี), การออกแบบกระบวนการที่ใส่ระบบสาธารณูปโภคที่จำเป็นต้องมีไม่ครบ (มันก็เลยดูเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมดี), การถ่ายโอนพลังงานที่เป็นไปไม่ได้ (เช่นการเอาพลังงานความร้อนที่คายออกมาที่อุณหภูมิต่ำ ไปป้อนให้กับหน่วยที่ต้องการพลังงานความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงกว่า), การออกแบบกระบวนการที่ไม่คำนึงถึงวัสดุที่จะนำมาใช้ในการสร้างอุปกรณ์ต่าง ๆ เพื่อให้ทนกับการกัดกร่อนของสารได้ ฯลฯ

สิ่งที่ผมมักบอกย้ำกับนิสิตที่ทำวิจัยอยู่กับผมอยู่เสมอก็คือ สำคัญสุดคือ "วิธีการ" เพราะถ้าวิธีการผิด ผลที่ได้มันก็ไม่มีค่าแก่การพิจารณา

BET Adsorption-Desorption Isotherm Type I และ Type IV MO Memoir : Sunday 1 November 2563

เมื่อค่ำวันพฤหัสบดีที่ผ่านมา ได้มีโอกาสสนทนาทางโทรศัพท์กับศิษย์เก่าปริญญาโทคนหนึ่งของภาควิชาที่ผมเป็นอาจารย์ที่ปรึกษาเขาตอนเขาเรียนปริญญาโท และบังเอิญด้วยหน้าที่การงานทำให้เขาต้องไปมีส่วนเกี่ยวข้องกับการสอบสวนเหตุการณ์ท่อแก๊สระเบิดเมื่อสัปดาห์ที่แล้ว เหตุการณ์นี้เป็นบทเรียนที่สำคัญบทเรียนหนึ่งตรงที่ การรับฟังแต่ข้อสรุปคงจะไม่เพียงพออีกแล้ว คงต้องมีการขอข้อมูลดิบของการตรวจสอบมาให้ผู้อื่นทำการตรวจทานด้วย ว่าผลการวัดมีการแปลผลที่คลาดเคลื่อนหรือถูกมองข้ามไปหรือไม่ (สงสัยว่าต่อไปเวลาส่งรายงานการตรวจสอบคงต้องส่งข้อมูลดิบค่าต่าง ๆ ที่วัดได้ให้ผู้ตรวจรับรายงานเก็บเอาไว้เป็นหลักฐานด้วย) หรือไม่ได้มีการวัดในสิ่งที่ควรต้องวัด

รูปที่ ๑ บทความนี้มีความน่าสนใจตรงที่ได้พยายามอธิบายว่าทำไมจึงทำให้ผลการวัด BET Adsorption-Desorption Isotherm ออกมามีหน้าตารูปแบบต่าง ๆ กัน

และเมื่อวานซืนระหว่างฟังการนำเสนองานวิจัยของนิสิตปริญญาเอกผู้หนึ่ง ก็ได้เห็นผลการวัดพื้นที่ผิว BET (ค่าตัวเลขและกราฟ adsorption-desorption isotherm) ของเขา ซึ่งผมเห็นว่าการแปลผลของเขาโดยเฉพาะในส่วนขนาดรูพรุนเฉลี่ยไม่น่าจะถูกต้อง คือดูแล้วตัวอย่างของเขานั้นควรจะมีรูพรุนส่วนมากในช่วง micropore แต่ด้วยการที่เขาไม่ได้วัดการดูดซับแก๊สในช่วง micropore อย่างละเอียด (คือเร่งไปทำในช่วง mesopore เลย) จึงทำให้ได้ค่าพื้นที่ผิวออกมาสูง แต่ขนาดรูพรุนเฉลี่ยอยู่ในช่วง mesopore ซึ่งเห็นได้จากการที่ปริมาตรแก๊สที่ตัวอย่างดูดซับได้นั้นมีค่าสูง แต่ปริมาตรที่ดูดซับได้ในช่วง mesopore มีค่าไม่มาก ผลการวิเคราะห์ทำนองนี้ก็เคยมีการเตือนไปหลายครั้งแล้ว แต่ก็ยังพบเห็นกันอยู่เป็นประจำ ก็เลยต้องขอนำเอาเรื่องนี้มาเล่าอีกที

ในการวัดพื้นที่ผิวตัวอย่างด้วยเทคนิค BET ที่ใช้การดูดซับแก๊สไนโจนเจนนั้น จะเริ่มจากการทำสุญญากาศก่อน จากนั้นจึงค่อย ๆ เติมแก๊สไนโตรเจนให้ตัวอย่างดูดซับ การดูดซับจะเกิดขึ้นที่ micropore ก่อน (รูพรุนที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 2 nm) การดูดซับในช่วง micropore นี้เกิดได้ที่ค่า P/P₀ ต่ำมาก (คือบริเวณ P/P₀ ใกล้ 0 เมื่อ P คือความดันของระบบ และ P₀ คือความดันไออิ่มตัว ปรกติก็คือความดันบรรยากาศ) แต่การวัดการดูดซับในช่วง micropore นี้จะกินเวลานานมากเพราะต้องค่อย ๆ เพิ่มความดันทีละน้อย ๆ ดังนั้นสำหรับตัวอย่างที่สัดส่วน micropore ต่ำมากเมื่อเทียบกับ mesopore ก็มักจะข้ามการวัดละเอียดในช่วงนี้ไปเลย (ผู้ที่ทำหน้าที่นี้ก็ชอบ เพราะงานจะได้เสร็จเร็ว ๆ) แต่ถ้าตัวอย่างนั้นมีสัดส่วน micropore ที่สูง มันก็ไม่ควรที่จะข้ามการวัดในช่วงนี้ (กล่าวคือ ถ้าตัวอย่างมี micropore ในปริมาณมากและต้องการวัด micropore ด้วย ก็อาจหมดเวลาไปทั้งวันเพื่อการวัดพื้นที่ผิวของตัวอย่างเดียว แต่ถ้าไม่สนปริมาณคือสนแต่พื้นที่ผิวรวม ก็จะใช้เวลาวัดเพียงแค่ไม่กี่ชั่วโมง)

รูปที่ ๒ การจำแนกรูปแบบเส้น isotherm และคำอธิบายว่าทำไมจึงมีหน้าตาเช่นนั้น ในรูปนี้ตัดมาเฉพาะคำอธิบาย Type I และ Type IV จุดแตกต่างที่สำคัญระหว่าง Type I และ Type IV คือปริมาณแก๊สที่ตัวอย่างดูดซับไว้ได้ในช่วงความดันต่ำ กล่าวคือถ้าปริมาตรช่วงนี้สูง แสดงว่าตัวอย่างมี micropore มาก

รูปที่ ๓ รูปซ้ายเป็นตัวอย่างกราฟ adsorption-desorption ถ้ามีการวัดในช่วง micropore (เส้นสีเขียว) ส่วนรูปขวาจะเป็นกราฟของตัวอย่างเดียวกันถ้าข้ามการวัดละเอียดในช่วง micropore คือจะเห็นกราฟเฉพาะการดูดซับ-คายซับช่วง mesopore เท่านั้น (กราฟจะอยู่ระดับเดียวกับรูปซ้าย เพียงแต่เส้นสีเขียวจะหายไป)

ในกรณีที่ตัวอย่างประกอบด้วย micropore ในสัดส่วนที่สูงโดยมี mesopore อยู่ในปริมาณหนึ่ง กราฟการดูดซับ-คายซับจะมีหน้าตาดังแสดงในรูปที่ ๓ กล่าวคือถ้าหากการวัดนั้นทำการวัดปริมาณ micropore ด้วย เครื่องจะค่อย ๆ เพิ่มความดันในช่วงแรก ๆ (ที่ค่า P/P₀ น้อย ๆ) อย่างช้า ๆ และจะเห็นปริมาตรแก๊สที่ตัวอย่างดูดซับไว้ได้ในช่วงนี้มีค่ามากโดยที่ค่า P/P₀ เพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อย (เส้นสีเขียว) ช่วงนี้จะเป็นการดูดซับแก๊สใน micropore ช่วงถัดไปจะเป็นช่วงการดูดซับ (และควบแน่น) ในส่วนของ mesopore (เส้นสีแดง) ปริมาตรแก๊สที่ตัวอย่างดูดซับได้ในช่วงนี้จะมากหรือน้อยเท่าใดจะแปรผันตามปริมาณ mesopore ที่มีอยู่ แต่ในช่วงท้าย ๆ ก็ยังมีสิทธิได้เห็นการเกิด hysteresis loop ที่เกิดจากการคายซับแก๊สออกจาก mesopore (เส้นสีน้ำเงิน)

ถ้าการวิเคราะห์นั้นไม่ได้ตั้งให้เครื่องวัดปริมาณ micropore ก็จะเห็นกราฟออกมาดังรูปที่ ๓ ขวา คือเห็นเฉพาะเส้นสีแดงและสีน้ำเงิน โดยจุดเริ่มต้นของเส้นสีแดงนั้นจะอยู่ที่ระดับที่สูง เพราะเครื่องจะเติมแก๊สให้เข้าไปเต็ม micropore ในทีเดียว จากนั้นจึงค่อยมาเติมส่วนของ mesopore แต่ไม่ว่าจะตั้งเครื่องให้วัดแบบไหน จะได้ค่าพื้นที่ผิวทั้งหมดออกมาเท่ากัน จะแตกต่างกันตรงการหาขนาดรูพรุนเฉลี่ยและปริมาตรของ micropore และ mesopore

รูปที่ ๔ ตัวอย่างเส้น isotherm ที่แสดงให้เห็นการวัดการดูดซับช่วง micropore (รูปบน) และแยกการวิเคราะห์ขนาดรูพรุนออกเป็น 2 ช่วงคือช่วง micropore ที่วิเคราะห์ด้วย t-plot method (ล่างซ้าย) และ mesopore ที่วิเคราะห์ด้วย BJH method (ล่างขวา)

 

รูปที่ ๕ การแปลผลการวิเคราะห์ในรูปที่ ๒ พึงสังเกตว่าการรายงานผลในส่วนของขนาดรูพรุนนั้น ได้ทำการแยกระหว่างส่วนที่เป็น micropore (t-plot method) และ mesopore (BJH method)

รูปที่ ๔ และรูปที่ ๕ เป็นตัวอย่างผลการวัดตัวอย่างที่ประกอบด้วย micropore และ mesopore โดยตั้งให้เครื่องวัดทั้งปริมาณ micropore และ mesopore พึงสังเกตว่าตัวอย่างที่มีพื้นที่ผิวสูง ปริมาตรแก๊สที่ตัวอย่างดูดซับไว้ได้จะขึ้นสูงอย่างรวดเร็วในช่วง P/P₀ มีค่าน้อย การรายงานขนาดรูพรุนเฉลี่ยจะแยกระหว่างขนาด micropore และ mesopore

รูปที่ ๖ ผลการวัดพื้นที่ผิวตัวอย่างที่มีพื้นที่ผิวสูง (SBA-15) แต่ไม่ได้มีการวัดการดูดซับในช่วง micropore ปรากฏการณ์ hysteresis loop ที่เห็นทางด้านขวาของกราฟ isotherm เกิดจากการควบแน่นและการคายซับในส่วนของ mesopore ซึ่งจะว่าไปแล้วน่าจะเป็นรูพรุนส่วนน้อยของตัวอย่าง

ส่วนรูปที่ ๖ นั้นเป็นตัวอย่างผลการวัดที่ไม่ได้ตั้งให้เครื่องวัดในส่วนของ micropore จะเห็นว่ากราฟแต่ละเส้นนั้นไม่ได้เริ่มจากค่า P/P₀ =0 ตัวอย่างที่ต้องพึงระวังในการแปลผลก็คือ SBA-15 ที่จะเห็นว่ามีพื้นที่ผิวสูง แต่การดูดซับในช่วง mesopore มีไม่มาก (เห็นจากกราฟค่อนข้างจะแบนราบในช่วงแรก ก่อนไปกระโดดสูงขึ้นในช่วงหลัง) ลักษณะเช่นนี้น่าจะเป็นเพราะตัวอย่างประกอบด้วย micropore จำนวนมาก (ที่ไม่ได้ทำการวิเคราะห์ละเอียด) และ mesopore ที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่ในจำนวนน้อย ซึ่งเห็นได้จากการเกิด hysteresis loop ในช่วงความดันค่อนข้างสูง และเมื่อนำผลนี้มาคำนวณขนาดรูพรุนเฉลี่ย ค่าที่ได้จะมีค่าสูงกว่า 2 nm เสมอ (ทั้ง ๆ ที่ในความเป็นจริงนั้นควรแยกการรายงานของเป็นส่วนของ micropore และ mesopore ดังรูปที่ ๕

แต่ตัวอย่างที่มีพื้นที่ผิวสูงไม่จำเป็นต้องเกิดจาก micropore เสมอ สำหรับตัวอย่างที่มี mesopore ขนาดค่อนข้างเล็กและมีการเชื่อมต่อกันภายใน ก็สามารถมีพื้นที่ผิวสูงระดับเดียวกันกับตัวอย่างที่มี micropore จำนวนมากได้ ตัวอย่างประเภทนี้จะสังเกตได้จากปริมาตรแก๊สที่ตัวอย่างดูดซับไว้ได้ในช่วง mesopore ที่จะมีการไต่สูงขึ้นไปเรื่อย ๆ ดังแสดงในรูปที่ ๗ ข้างล่าง เรื่องนี้เคยเล่าไว้ใน Memoir ฉบับวันอังคารที่ ๒๐ มีนาคม ๒๕๖๑ เรื่อง "การดูดซับบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธ์ตอนที่ ๘ ตัวอย่างไอโซเทอมการดูดซับของ BET (๒)"

รูปที่ ๗ ตัวอย่าง adsorption-desorption isotherm ของตัวอย่างที่มีพื้นที่ผิวสูง ที่เกิดจาก mesopore

จากตัวอย่างที่ยกมานี้จะเห็นได้ว่า ตัวอย่างเดียวกันแต่ตั้งให้เครื่องทำการวิเคราะห์ด้วยความละเอียดที่แตกต่างกันก็ทำให้ได้ผลวิเคราะห์ที่แตกต่างกันได้ กล่าวคือตัวอย่างที่มี micropore อยู่เป็นจำนวนมาก แต่ไม่ได้ทำการวัดอย่างละเอียดในช่วงดังกล่าว ก็จะไปได้ค่าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนเฉลี่ยอยู่ในช่วง mesopore แทน แล้วทำให้ไปสรุปว่าตัวอย่างมีรูพรุนขนาด mesopore ทั้ง ๆ ที่ในความเป็นจริงนั้นขนาดรูพรุนเฉลี่ยมี 2 ค่า ที่อยู่คนละช่วงกัน และพอไปเห็นการเกิด hysteresis loop ที่เกิดจาก mesopore ที่มีอยู่เป็นจำนวนน้อย ก็เลยไปสรุปว่าไอโซเทอร์ที่เห็นเป็นชนิด Type IV ทั้ง ๆ ที่ในความเป็นจริงนั้นควรสรุปว่าเส้นไอโซเทอร์หลักเป็นชนิด Type I ส่วน hysteresis loop ที่เห็นนั้นเกิดจาก mesopore ที่มีอยู่ในปริมาณไม่มากในตัวอย่าง

สิ่งที่อยากจะฝากปิดท้ายเรื่องนี้ก็คือ "ข้อสรุปที่ดูดีไม่จำเป็นต้องมาจากผลการทดลองที่ดี แต่สามารถมาจากการเขียนเรียงความที่ดีก็ได้"

อุบัติเหตุจากการปรากฏของแก๊สไฮโดรเจนที่ไม่คาดคิด MO Memoir : Sunday 2 August 2563

ไฮโดรเจน (Hydrogen H₂) เป็นแก๊สที่ติดไฟได้ แต่ด้วยการที่การเผาไหม้ไฮโดรเจนนั้นมี Flame speed สูงกว่าไฮโดรคาร์บอนประมาณ ๓ เท่า (ประมาณ 16 m/s ต่อ 48 m/s) แต่ถ้ามีปริมาณไม่มากและเกิดผสมอยู่กับไฮโดรคาร์บอนด้วยแล้วก็จะส่งออกระบบ flare ทั่วไป แต่ถ้าจำเป็นต้องทำการไฮโดรเจนปล่อยทิ้งในปริมาณมากก็ต้องแยกระบบเผาไฮโดรเจนออกจากระบบ flare ที่ใช้เผาแก๊สทั่วไป ในกรณีที่มันเกิดอย่างอิสระในอย่างช้า ๆ ในปริมาณไม่มากก็จะปล่อยออกสู่บรรยากาศโดยตรง (แต่ควรเป็นตำแหน่งที่อยู่สูงหน่อยและอากาศระบายได้ดี) เพราะมันเป็นแก๊สที่เบากว่าอากาศและฟุ้งกระจายได้ง่าย โอกาสที่จะสะสมจนมีความเข้มข้นสูงจนระเบิดได้จึงต่ำมาก

  

รูปที่ ๑ หลายเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้องกับแก๊สไฮโดรเจนที่เกิดและสะสมในระบบโดยไม่คาดคิด (จาก ICI Safety Newsletters เดือนธันวาคม ๑๙๗๓ (พ.ศ. ๒๕๑๖)) 

   

Flame speed คือความเร็วในการเคลื่อนที่ของเปลวไฟ เช่นถ้าเราเอา เชื้อเพลิง + อากาศ ฉีดออกจากหัวฉีดให้แก๊สผสมที่พุ่งออกมานั้นมีความเร็วแตกต่างกัน (ผสมอากาศเข้าไปตรงบริเวณใกล้ทางออกของหัวฉีดนะ แบบเตาแก๊สที่ใช้ตามบ้าน) แล้วจุดไฟแก๊สผสมที่ออกมาจากหัวฉีดนั้น ถ้าความเร็วของแก๊สนั้นต่ำกว่าความเร็วของเปลวไฟ เปลวไฟจะวิ่งย้อนเข้ามาในหัวฉีด ถ้าความเร็วของแก๊สที่พุ่งออกมานั้นพอดีกับความเร็วของเปลวไฟ เปลวไฟก็จะลอยอยู่กับที่ตรงหัวฉีด แต่ถ้าความเร็วของแก๊สผสมนั้นเร็วเกินไป เปลวไฟก็จะถูกผลักห่างออกไปจากหัวฉีดและก็ดับได้

อุบัติเหตุที่เกี่ยวข้องกับการปรากฏของแก๊สไฮโดรเจนที่ไม่คาดคิด ๓ เรื่องในวันนี้นำมาจาก ICI Safety Newsletters ฉบับที่ ๕๙ เดือนธันวาคม ๑๙๗๓ (พ.ศ. ๒๕๑๖) 

  

เรื่องแรกเป็นกรณีของถังเก็บกรดฟอสฟอริก (Phosphoric acid - H₃PO₄) กรดเจือจางที่มีน้ำเป็นตัวทำละลายนั้นสามารถแตกตัวให้โปรตอน (H⁺) ออกมา และเจ้าโปรตอนตัวนี้สามารถไปดึงอิเล็กตรอนจากอะตอมเหล็ก ทำให้อะตอมเหล็กกลายเป็นไอออนละลายออกมา แล้วตัวมันเองก็กลายเป็นแก๊สไฮโดรเจนระเหยออกมา แต่ในกรณีที่เป็นกรดเข้มข้นมาก การแตกตัวให้โปรตอนออกมาจะลดลงเพราะมันไม่มีตัวรับโปรตอน ดังนั้นเหล็กที่ถูกกรดเจือจางกัดกร่อนได้ง่าย กลับกลายเป็นว่าไม่มีปัญหากับกรดความเข้มข้นสูง

รูปที่ ๒ Chloride ion (Cl^-) ที่ปนเปื้อนเข้าไปในกรดฟอสฟอริก จะทำให้เกิดกรด HCl ขึ้น ซึ่งกรด HCl นี้กัดเหล็กกล้าไร้สนิมได้ดีด้วย และยังทำให้เกิดแก๊สไฮโดรเจนขึ้นด้วยดังข้อมูลที่แสดงใน Table 4 ในรูป (จากเอกสาร Corrosion Resistance of Nickel-Containing Alloys in Phophoric Acid, Publication No. 415, โดย Nickel Development Institute)

 

แต่แม้ว่าเป็นกรดเข้มข้นก็ไม่ใช่ว่าเหล็กมันไม่ถูกกัดกร่อนเลย เอาเป็นว่าอัตราการถูกกัดกร่อนมันต่ำลงมากจนสามารถใช้งานได้นานกว่าจะหมดอายุใช้งาน ดังนั้นด้วยเหตุนี้การออกแบบถังเก็บกรดจึงมีการคำนึงถึงแก๊สไฮโดรเจนที่อาจเกิดขึ้นในระบบ (ไม่ว่าจะเกิดขึ้นในถังหรือระบบท่อที่ลำเลียงกรดเข้าถัง) และต้องมีการระบายแก๊สไฮโดรเจนนี้ออกไป ซึ่งโดยปรกติก็สามารถใช้ช่อง vent (ที่ใช้ยอมให้อากาศไหลออกหรือไหลเข้าถังเมื่อระดับของเหลวในถังเปลี่ยนไป) ได้อยู่แล้ว

  

ในเหตุการณ์แรกนี้ท่อ vent ไม่ได้อยู่ ณ ตำแหน่งส่วนบนสุดของฝาถัง แต่อยู่ต่ำกว่า  จึงทำให้มีแก๊สไฮโดรเจนสะสมอยู่ในถังได้  แถมท่อทางออกยังถูกต่อออกทางมาทางด้านข้าง และหันปลายท่อลงล่าง (ก็คงเพื่อกันน้ำฝนเข้า) โดยปลายท่อนั้นอยู่ใกล้กับทางเดิน (น่าจะเป็นทางเดินยกระดับจึงได้อยู่สูงขนาดนั้น)

 

วันหนึ่ง เปลวไฟที่เกิดจากการเชื่อมโลหะ (ที่น่าจะมีการทำงานอยู่บริเวณนั้น) จุดระเบิดแก๊สไฮโดรเจนที่รั่วออกมา เปลวไฟเดินทางย้อนกลับเข้าไปในถัง ทำให้ฝาถังปลิวออก

บทความไม่ได้เอ่ยว่าเกิดแก๊สไฮโดรเจนได้อย่างไร และจุดกำเนิดอยู่ที่ไหน แต่ไปเห็นข้อมูลหนึ่งที่น่าสนใจที่จัดทำโดย Nickel Development Institute (รูปที่ ๒) ที่กล่าวว่า แม้ว่าเหล็กกล้าไร้สนิม (หรือที่เราเรียกกันติดปากว่าเหล็กสแตนเลส) SS-304 หรือ SS-316 จะทนต่อกรดฟอสฟอริกได้ดี แต่ถ้ามีChloride ion (Cl^-) ปนเปื้อนเข้าไปในระบบ จะทำให้เกิดกรดเกลือ (HCl) ขึ้น และกรดเกลือตัวนี้ก็สามารถกัดเหล็กกล้าไร้สนิมทั้งสองตัวได้ดีซะด้วย ร่วมกับการทำให้เกิดแก๊สไฮโดรเจน ดังข้อมูลที่แสดงใน Table 4 ในรูปที่ ๒  ในเหตุการณ์นี้แม้ว่าจะมีการย้ายท่อ vent ไปที่ส่วนบนสุดของถัง  แต่ปลายท่อ vent ก็ยังควรต้องโค้งลงล่างอยู่ดี เพื่อป้องกันไม่ให้น้ำฝนเข้าไปในถัง

เหตุการณ์ที่สองเกิดขึ้นในขณะที่ช่างกำลังเจาะรูลูกสูบ (piston) ของเครื่องจักรไอน้ำ เมื่อหัวสว่านเจาะทะลุชั้นผนังด้านนอกก็มีเปลวไฟยาว ๓ ฟุตพุ่งออกมา ทำให้ช่างที่ทำการเจาะนั้นได้รับบาดเจ็บ ผลการวิเคราะห์แก๊สภายหลังพบว่าแก๊สนั้นคือแก๊สไฮโดรเจน (น่าจะเป็นการนำแก๊สที่ปรากฏในส่วนอื่นมาวิเคราะห์) แต่บทความไม่ได้ให้รายละเอียดว่าแก๊สไฮโดรเจนเกิดจากไหนและมาอยู่ตรงนี้ได้อย่างไร

เหตุการณ์สุดท้ายเป็นกรณีที่จะว่าไปแล้วก็คงไม่มีใครคาดคิด เพราะเกิดจากการที่แก๊สไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นทางฝั่งหนึ่งของผนัง vessel นั้น สามารถซึมผ่านเนื้อโลหะของผนัง vessel และไปโผล่ทางอีกฟากหนึ่งของผนังได้

  

แก้วเป็นวัสดุที่ทนการกัดกร่อนได้ดี แต่แตกหักง่ายและไม่เหมาะสำหรับใช้ทำภาชนะรับความดัน ดังนั้นในกรณีที่ต้องทำงานกับสารที่กัดกร่อน ทางเลือกที่มีก็คือการเลือกโลหะใช้ที่ทนต่อการกัดกร่อนของสารนั้นได้ (ซึ่งแน่นอนว่ามีราคาสูง) มาทำเป็นตัว vessel การเคลือบผิวด้านในของ vessel ที่ต้องสัมผัสกับสารกัดกร่อนนั้นด้วยวัสดุที่เหมาะสม เช่นพอลิเมอร์หรือแก้ว พอลิเมอร์มันก็ดีตรงที่ไม่ต้องกลัวว่ามันจะแตก แต่แก้วมันจะดีกว่าตรงที่มันทนอุณหภูมิได้สูงมากกว่า

รูปที่ ๓ ผนังด้านในของ vessel เป็นผนังแก้วเพื่อป้องกันการกัดกร่อนโลหะที่ใช้ทำตัว vessel ส่วนผนังด้านนอกนั้นมีตัว jacket หุ้มอยู่เพื่อเป็นช่องทางสำหรับให้น้ำระบายความร้อนไหลเข้าออก

  

เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นกับ vessel ที่มีเคลือบผนังด้านในไว้ด้วยแก้ว ในขณะที่ผนังด้านนอกนั้นมี jacket หุ้มอยู่เพื่อเป็นช่องทางให้น้ำหล่อเย็นไหลผ่าน (รูปที่ ๓) ช่องทางน้ำไหลภายใน jacket นี้ไม่สามารถใช้เครื่องมือเข้าไปขัดผิวทำความสะอาดได้ ดังนั้นเวลาที่มีคราบสกปรกเกาะติด ก็ต้องใช้สารเคมีเข้าไปละลาย และคราบตัวหนึ่งที่เกิดขึ้นได้เมื่อใช้น้ำหล่อเย็นก็คือตะกรัน (ซึ่งจะเกิดมากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับน้ำที่นำมาใช้) ตะกรันนี้ละลายได้ในกรด ดังนั้นการล้างตะกรันออกจึงต้องใช้กรดเข้าไปละลาย (แบบเดียวกับเวลาที่เราจะล้างกระติกน้ำร้อนไฟฟ้าที่มีตะกรันเกาะติด เราก็จะใช้น้ำส้มสายชูละลายตะกรัน)

การล้างตะกรันในระบบท่อหรือระบบปิดใด ๆ ด้วยการใช้กรดเข้าไปละลายเป็นเรื่องปรกติที่ทำกัน ส่วนที่ว่าล้างตะกรันได้หมดหรือยังนั้นก็ดูได้จากสารละลายกรดที่ไหลออกมา ถ้าเห็นว่าสารละลายกรดที่ไหลออกมามันเข้มข้นมากขึ้นหรือเริ่มมีไอออนโลหะละลายออกมามากขึ้น นั่นก็แสดงว่าล้างตะกรันได้หมดแล้ว ก็ยุติการล้างได้

  

และในจังหวะที่กรดที่ป้อนเข้าไปนั้นเริ่มกัดเนื้อโลหะ ก็จะมีแก๊สไฮโดรเจนเกิดขึ้น

  

โมเลกุลแก๊สไฮโดรเจน H-H สามารถถูกดูดซับไว้ด้วยอะตอมโลหะหลายชนิด โดยอะตอมโลหะจะดูดซับแก๊สไฮโดรเจนในรูปของอะตอม H (คือใช้ ๒ อะตอมโลหะจับอะตอม H ๒ อะตอม) และเนื่องจากอะตอม H มีขนาดเล็กมาก อาจเล็กกว่าช่องว่างระหว่างอะตอมของโลหะอีก ทำให้อะตอม H สามารถแพร่ซึมเข้าไปในเนื้อโลหะและไปโผล่ในที่ว่างในเนื้อโลหะ (ถ้ามี) หรือไปยังอีกฟากหนึ่งของเนื้อโลหะได้ และเมื่อมันไปถึงอีกฝั่งหนึ่งก็จะรวมตัวกลับเป็นแก๊สไฮโดรเจนใหม่ เหล็กกล้า carbon steel จะมีปัญหากับปรากฏการณ์นี้มากที่อุณหภูมิสูงและความดันไฮโดรเจนสูง ซึ่งการละลายของอะตอมไฮโดรเจนในเนื้อโลหะอาจทำให้คุณสมบัติความแข็งแรงของเนื้อโลหะเปลี่ยนไป (เช่นจากเหนียวกลายเป็นแข็งและเปราะ) หรือไปรวมตัวกันในที่ว่างในเนื้อโลหะจนทำให้เนื้อโลหะปูดบวมออกมา ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า Hydrogen Attack หรือ Hydrogen damage ไม่เพียงแต่ไฮโดรเจน ไฮโดรคาร์บอนเช่นมีเทน (CH₄) ที่อะตอมโลหะสามารถดูดซับเอาไว้โดยมีการแตกพันธะให้เกิดเป็น H₃C· และอะตอม H ออกมา (การดูดซับแบบ dissociative adsorption) ก็อาจเกิดปรากฏการณ์นี้ได้เช่นกัน

  

แต่ก็มีการนำเอาปรากฏการณ์นี้ไปใช้ประโยชน์ คือใช้แยกไฮโดรเจนออกจากแก๊สอื่น วิธีการทำโดยการเคลือบโลหะที่เหมาะสม (ที่สามารถดูดซับไฮโดรเจนได้ที่อุณหภูมิต่ำ) ลงบนพื้นผิวที่มีรูพรุน แก๊สไฮโดรเจนในแก๊สผสมจะสามารถแพร่ผ่านโลหะนั้นได้ในขณะที่แก๊สตัวอื่นแพร่ผ่านไม่ได้

เหตุการณ์ที่สามนี้เกิดจากแก๊สไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นระหว่างการล้าง jacket ด้วยกรด แพร่ผ่านผนังของ vessel ไปยังฝั่งผนังด้านในที่มีแก้วเคลือบเอาไว้ แก๊สไฮโดรเจนสะสมในช่องว่างระหว่างผนังโลหะด้านของ vessel กับผนังด้านนอกของชั้นแก้วที่เคลือบเอาไว้ จนมีความดันสูงพอจนทำให้ผนังแก้วนั้นแตกร้าว เหตุการณ์นี้แม้ว่าจะไม่มีการระเบิดหรือเพลิงไหม้ แต่ต้นตอของความเสียหายก็ยากที่จะคาดถึง 

  

ที่แปลกก็คือตัว vessel นั้นทำจากโลหะอะไร เพราะถ้าเป็น carbon steel ธรรมดามันก็ไม่น่าจะเกิดเพราะอุณหภูมิการล้างก็ไม่น่าจะสูงอะไรและแก๊สไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นก็ไม่น่าจะมีมากอะไร แต่ทำไมจึงเกิดการแพร่ผ่านเนื้อโลหะที่ใช้ทำ vessel ได้ เพราะถ้าแก๊สไฮโดรเจนแพร่ผ่านเนื้อเหล็กได้ง่าย เราก็คงไม่สามารถเก็บแก๊สไฮโดรเจนไว้ในท่อเหล็กอย่างที่ทำกันอยู่ในปัจจุบันได้

เรื่องเล่าในวันนี้ก็คงจบลงเพียงแค่นี้

การวิเคราะห์ความเป็นกรดบนพื้นผิวของแข็ง ด้วยเทคนิคการดูดซับ Probe molecule (๖) MO Memoir : Tuesday 4 June 2562

Probe molecule ตัวหลักที่ใช้ในการจำแนกความเป็นกรดแบบ Brönsted หรือ Lewis บนพื้นผิวของแข็งเห็นจะได้แก่ไพริดีน (pyridine C₅H₅N) เนื่องจากไพริดีนที่เกาะบนกรดแบบ Brönsted หรือ Lewis นั้นมีรูปแบบการสั่นที่แตกต่างกัน (รูปที่ ๑) ที่ดูดกลืนรังสีอินฟราเลข ณ ตำแหน่งเลขคลื่นที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน โดยไพริดีนที่เกาะบนตำแหน่งกรด Brönsted จะกลายเป็น pyridimium ion ที่ดูดกลืนรังสีอินฟราเลขที่เลขคลื่น 1540 cm^-1 และไม่เปลี่ยนแปลงไปตามความแรงของกรด ในขณะที่ไพริดีนที่เกาะบนตำแหน่งกรด Lewis จะดูดกลืนรังสีอินฟราเลขที่เลขคลื่น 1445 และ 1460 cm^-1 และมีแนวโน้มที่จะเพิ่มขึ้นเมื่อความแรงเพิ่มขึ้น

รูปที่ ๑ รูปแบบการเกาะบนตำแหน่งกรดแบบ Brönsted หรือ Lewis ของ (ซ้าย) ไพริดีนและ (ขวา) ไดเมทิลไพริดีน

ในสภาพที่เป็นของเหลวนั้น NH₃ มีฤทธิ์ที่เป็นเบสที่แรงกว่าไพริดีน แต่ในสภาพที่เป็นไอนั้นไพริดีนมีฤทธิ์ที่เป็นเบสที่แรงกว่า NH₃ ดังนั้นถ้าพิจารณาในแง่ของความแรงแล้ว ไพริดีนจะเข้าจับกับตำแหน่งกรดที่อ่อนได้ดีกว่า NH₃ แต่ถ้าพิจารณาในแง่ของขนาดโมเลกุลแล้ว ไพริดีนที่มีขนาดโมเลกุลใหญ่กว่าจะเข้าถึงตำแหน่งที่เป็นกรดที่อยู่ในรูพรุนขนาดเล็กได้ยากกว่า และด้วยการที่มันเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง การให้ตัวอย่างดูดซับไพริดีนจึงต้องทำในสภาวะสุญญากาศ ทั้งนี้เพื่อให้ไพริดีน ระเหยกลายเป็นไอได้ที่อุณหภูมิห้อง (จากประสบการณ์ที่เคยทำมาพบว่ามันยังมีปัจจัยอื่นมากกว่านี้อีกในส่วนของการออกแบบอุปกรณ์และเทคนิคการวิเคราะห์ เพราะถ้าทำไม่ถูกวิธีก็มีสิทธิ์ที่จะไม่สามารถทำให้ตัวอย่างดูดซับไพริดีนได้)
 

การมีหมู่อัลคิลมาเกาะที่วงแหวนไพริดีนจะทำให้ความเป็นเบสของไพริดีนแรงขึ้น (ผลจากการที่หมู่อัลคิลเป็นหมู่จ่ายอิเล็กตรอน จึงช่วยทำให้อะตอม N จ่ายอิเล็กตรอนได้ดีขึ้นเมื่อมีไอออนบวกมาดึงอิเล็กตรอนจากอะตอม N) และจะส่งผลมากถ้าหากเกาะที่ตำแหน่ง 2 และ 6 (คือด้านซ้ายและขวาของอะตอม N) แต่การที่มีหมู่อัลคิลมาเกาะก็ทำให้โมเลกุลมีจุดเดือดเพิ่มสูงขึ้น (ทำให้ยากต่อการทำให้กลายเป็นไอ) เกิดปัญหาเรื่องการแพร่เข้าไปในรูพรุนขนาดเล็กและการยึดเกาะบนตำแหน่งกรด Brönsted แต่ปัญหาสองข้อหลังนี้อาจเป็นข้อดีก็ได้ในกรณีที่สารตั้งต้นของปฏิกิริยาที่เราสนใจนั้นมีขนาดโมเลกุลใหญ่ การใช้ probe molecule ที่มีขนาดใหญ่จึงเป็นการวัดตำแหน่งที่เป็นกรดที่สารตั้งต้นนั้นสามารถเข้าถึงได้จริง และยังสามารถใช้ประโยชน์ในการแยกแยะว่าปฏิกิริยาชอบที่จะเกิดบนตำแหน่งกรด Brönsted หรือ Lewis เพราะหมู่ขนาดใหญ่ที่มาเกาะที่ตำแหน่ง 2 และ 6 นั้นจะทำให้ยากที่อะตอม N จะทำปฏิกิริยากับตำแหน่งกรด Lewis

รูปที่ ๒ การเกาะของ 2,6-dimethylpyridine บน γ-Al₂O₃ ในบทความนี้ระบุว่าการดูดกลืนที่ 1618 cm^-1 (ตรงลูกศรสีแดงชี้) เป็นการเกาะบนตำแหน่งกรด Brönsted ที่อ่อน บทความนี้น่าจะเป็นบทความแรกที่นำเสนอเรื่องนี้

จุดเด่นอย่างหนึ่งของการใช้ไพริดีนหรือไพริดีนที่มีหมู่แทนที่ (substituted pyridines) คือในกรณีของการทำปฏิกิริยากับตำแหน่งกรด Lewis ที่มีการสร้างพันธะโควาเลนซ์ระหว่างไอออนบวก (ที่เป็นกรด Lewis ด้วยการรับคู่อิเล็กตรอน) กับอะตอม N ของวงไพริดีนนั้น (ที่เป็นเบส Lewis ด้วยการให้คู่อิเล็กตรอน) ความแข็งแรงของพันธะนี้ขึ้นอยู่กับความแรงของกรด Lewis (ที่จะดึงอิเล็กตรอนออกจากวงแหวนได้มาน้อยเท่าใด) จึงส่งผลต่อรูปแบบการสั่นของวงแหวนไพริดีนด้วย ทำให้มีความเป็นไปได้ที่จะดูการดูดกลืนคลื่นแสงที่เปลี่ยนแปลงไปเมื่อมีการยึดเกาะบนตำแหน่งกรด Lewis ที่มีความแรงแตกต่างกันโดยไม่จำเป็นต้องใช้เทคนิคการเพิ่มอุณหภูมิไล่เบส (ในกรณีของตำแหน่งกรด Brönsted นั้น ตัวโมเลกุลจะรับ H⁺ แล้วกลายเป็นไอออน รูปแบบการสั่นจึงไม่เปลี่ยนแปลงไปตามความแรงของตำแหน่งกรด Brönsted) แต่ทั้งนี้การแปลผลก็ยังต้องใช้ความระมัดระวังดังตัวอย่างที่ยกมาให้ดูในที่นี้
 

บทความในรูปที่ ๒ นั้นอาจเป็นบทความแรก ๆ ที่กล่าวถึงการใช้ 2,6-dimethylpyridine เป็น probe molecule ในการจำแนกชนิดและความแรงของกรดบนพื้นผิวของแข็ง ในบทความนี้มีการกล่าวว่าโมเลกุลนี้ไม่สามารถแยกแยะระหว่างกรด Lewis ที่มีความแรงแตกต่างกัน (ดังปรากฏในบทคัดย่อ) ส่วนในกรณีของกรด Brönsted นั้นมีการกล่าวถึงการดูดกลืนที่ตำแหน่งเลขคลื่น 1618 cm^-1 ว่าเกิดจาก 2,6-dimethylpyridine รับโปรตอนจากตำแหน่งกรด "Brönsted" ที่อ่อน

รูปที่ ๓ อีกบทความหนึ่งที่ตีพิมพ์ในอีก ๑๗ ปีให้หลังที่มีการทดสอบหาว่าการดูดกลืนที่ 1618 cm^-1 ของ 2,6-dimethylpyridine เกิดจากการดูดซับที่ตำแหน่งใด คอลัมน์ด้านซ้ายที่เป็น Introduction นั้นตัดมาเฉพาะสองย่อหน้าสุดท้ายที่มีการกล่าวถึงข้อถกเถียงถึงรูปแบบการยึดเกาะที่ตำแหน่งดังกล่าว ส่วนคอลัมน์ด้านขวาเป็นส่วนของข้อสรุปโดยตัดมาเฉพาะข้อแรกที่กล่าวว่าดูดกลืนที่ 1618 cm^-1 เป็นรูปแบบการสั่นแบบ 8a ของโมเลกุล 2,6-dimethylpyridine ที่เกาะบนตำแหน่งกรด Lewis ส่วนที่ว่ารูปแบบการสั่นแบบ 8a เป็นอย่างใดก็ดูได้ในรูปที่ ๔

ดูเหมือนว่าต้นตอของการดูดกลืนที่ตำแหน่งเลขคลื่น 1618 cm^-1 คืออะไรนั้นจะเป็นข้อถกเถียงต่อเนื่องกันมาหลายปี ตัวอย่างเช่นบทความที่นำมาให้ดูในรูปที่ ๓ ที่ตีพิมพ์หลังบทความในรูปที่ ๒ ถึง ๑๗ ปีก็ยังพยายามหาคำตอบอยู่ ข้อสรุปจากผลการทดลองที่บทความในรูปที่ ๓ กล่าวไว้ก็คือตำแหน่งดังกล่าวเกิดจากการที่ 2,6-dimethylpyridine ทำปฏิกิริยากับตำแหน่งกรด "Lewis" เรียกว่าได้ข้อสรุปไปกันคนละทาง ซึ่งจะว่าไปมันก็มีความเป็นไปได้อยู่เพราะหมู่ -CH₃ ก็ไม่ได้ใหญ่อะไรนัก ยังพอที่จะทำให้อะตอม N ทำปฏิกิริยากับไอออนบวกที่อยู่ที่ตำแหน่งที่เหมาะสมบนพื้นผิวได้ ส่วนผลสรุปสุดท้ายว่าในที่สุดแล้วอันไหนได้รับการยอมรับกันนั้นคงจะไม่ขอกล่าวในที่นี้ เพราะไม่ได้ตามเรื่องนี้โดยละเอียด
  

จะเห็นนะครับว่าการพยายามอธิบายผลการทดลองด้วยการใช้บทความยืนยัน แม้แต่ผลเดียวกันก็สามารถหาบทความที่ให้ข้อสรุปที่ตรงข้ามกันได้ 

รูปที่ ๔ ชื่อต่าง ๆ ของรูปแบบการสั่นของวงแหวนเบนซีนจากบทความของ M. Alcolea Palafoxa and F. J. Meléndezb, "A comparative study of the scaled vibrational frequencies in the local anesthetics procaine, tetracaine and propoxycaine by means of semiempirical methods: AM1, PM3 and SAM1", Journal of Molecular Structure: THEOCHEM Vol. 459, Issues 1–3, 8 February 1999, Pages 239-271
 

อันที่จริงบทความของ Lercher และคณะยังมีเรื่องราวเกี่ยวกับ probe molecule ตัวอื่นอีก แต่ก็ค่อนข้างจะเป็นการเฉพาะกับปฏิกิริยา ข้อเสียอย่างหนึ่งของการใช้ไพริดีนคือการวัด "ปริมาณ" ของตำแหน่งที่เป็นกรดแต่ละชนิด (คือจะแยกว่ามี Brönsted หรือ Lewis อย่างละเท่าใด) ทำได้ยาก เพราะพีคสัญญาณการดูดกลืนอินฟราเรดนั้นมักซ้อนทับกับพีคอื่นจำนวนมาก (ดูในรูปที่ ๒ ดูก็ได้) หรือแม้แต่การระบุตำแหน่งพีคเองก็อาจทำได้ยาก เพราะพีคที่มีขนาดใกล้กันและอยู่เคียงข้างกันนั้น เมื่อมาซ้อนทับกันก็อาจทำให้ตำแหน่งปรากฏของพีครวมนั้นแตกต่างไปจากตำแหน่งที่แท้จริงของแต่ละพีค หรืออาจเห็นเป็นแค่ "ไหล่ (shoulder)" เท่านั้น การหาตำแหน่งที่ถูกต้องต้องใช้การทำ peak deconvolution ซึ่งจำเป็นต้องใช้คอมพิวเตอร์ช่วยประมวลผล ซึ่งปัจจุบันเป็นเรื่องที่ทำได้ง่ายแต่ในอดีตนั้นเป็นเรื่องที่ยากที่จะทำ ดังนั้นการหาปริมาณเบสจากพื้นที่หรือความสูงของพีคนั้นจึงมีความไม่แน่นอนอยู่สูง
 

แม้การใช้การวัดปริมาณเบสที่คายซับออกมาเมื่อเพิ่มอุณหภูมิตัวอย่างให้สูงขึ้นก็ทำได้ยาก เพราะการทำให้ไพริดีน (หรือสารกลุ่มนี้) กลายเป็นไอระเหยได้นั้นต้องทำในสุญญากาศ และในการให้ความร้อนไล่ก็ต้องมีการทำสุญญากาศเพื่อดึงเอาโมเลกุลที่พื้นผิวคายออกมานั้นออกจากระบบตลอดเวลา การที่จะรวบรวมโมเลกุลที่ระเหยออกมานี้ส่งต่อไปยังอุปกรณ์วิเคราะห์ตัวอื่นเพื่อวัดปริมาณจึงไม่ใช่เรื่องง่ายเท่าใดนัก (คือถ้าจะทำจริง ๆ ก็ทำได้ คงขึ้นอยู่กับว่าจะวิเคราะห์ด้วยเทคนิคอะไร แต่ก็ต้องระวังไม่ให้โมเลกุลที่ระเหยออกมาจากตัวอย่างที่มีอุณหภูมิสูง เกิดการควบแน่นในระบบ downstream) ไม่เหมือนกับ NH₃ ที่เป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้อง จึงสามารถส่งต่อไปยังอุปกรณ์วัดตัวอื่น (เช่น thermal conductivity detector หรือ mass spectroscopy) ด้วยการใช้แก๊สตัวอื่นนำพาไปได้
 

ปิดท้ายที่ว่างของหน้าด้วยรูป sample cell ของอุปกรณ์ที่เคยใช้วัด pyridine adsorption ที่ต่อร่วมกับนิสิตปริญญาโทในที่ปรึกษาเมื่อปีราว ๆ ปี ๒๕๓๙ เอาไว้หน่อย ซึ่งการวัดมันก็ไม่ยากหรอก ..... ถ้ารู้เทคนิค :) :) :)

รูปที่ ๕ Sample cell สำหรับใส่ตัวอย่างเพื่อวัดการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดของโมเลกุลที่เกาะอยู่บนพื้นผิวของแข็ง

การดูดซับบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธ์ ตอนที่ ๙ ตัวอย่างไอโซเทอมการดูดซับของ BET (๓) MO Memoir : Thursday 22 March 2561

Memoir ฉบับนี้จะเรียกว่าเป็นฉบับต่อจากฉบับเมื่อวันอังคารที่ ๒๐ ที่ผ่านมาก็ได้ เพราะเป็นเรื่องที่เกี่ยวข้องกับวัสดุรูพรุนที่มีพื้นที่ผิวสูง โดยพื้นที่ผิวที่สูงนั้นเป็นส่วนของ mesopore (รูพรุนขนาดกลาง)

ในการจำแนกขนาดรูพรุนนั้น ตามนิยามของ IUPAC จะแบ่งออก ๓ ขนาดด้วยกันคือ รูพรุนขนาดเล็กหรือ micropore คือเป็นรูพรุนที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนต่ำกว่า 2.0 nm ถัดขึ้นมาคือรูพรุนขนาดกลางหรือ mesopore คือเป็นรูพรุนที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนอยู่ช่วงจาก 2 - 50 nm และรูพรุนขนาดใหญ่หรือ macropore คือเป็นรูพรุนที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนใหญ่กว่า 50 nm 

รูปที่ ๑ และ ๒ เป็นไอโซเทอมการดูดซับของ BET โดยใช้แก๊สไนโตรเจนที่นำมาจากบทความที่มีการตีพิมพ์เผยแพร่สองบทความด้วยกัน อยากให้ลองพิจารณากันเองก่อน
  

รูปที่ ๑ ไอโซเทอมการดูดซับของ BET โดยใช้แก๊สไนโตรเจน (ตัวอย่าง NHPC) นำมาจากบทความเรื่อง "Biomass-derived nitrogen-doped hierarchically porous carbon networks as efficient absorbents for phenol removal from wastewater over a wide pH range" โดย Wenyi Du, Junting Sun, Yongxi Zan, Zhengping Zhang, Jing Ji,ab Meiling Dou และFeng Wang ตีพิมพ์ในวารสาร RSC Advances., vol 7 ปีค.ศ. 2017 หน้า 46629 - 46635 คณะผู้วิจัยรายงานว่าตัวอย่างนี้มีพื้นที่ผิวของ micropore 1072 m²/g พื้นที่ผิวรวม 2687 m²/g โดยรูพรุนเป็นชนิด micropore 1-2 nm และ interconnected open mesopore ขนาด 2-6 nm และ macropore ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 50-200 nm

รูปที่ ๒ ไอโซเทอมการดูดซับของ BET โดยใช้แก๊สไนโตรเจน นำมาจากบทความเรื่อง "Biomass derived hard carbon used as a high performance anode material for sodium ion batteries" โดย Kun-lei Hong, Long Qie, Rui Zeng, Zi-qi Yi, Wei Zhang, Duo Wang, Wei Yin, Chao Wu, Qing-jie Fan, Wu-xing Zhang และ Yun-hui Huang ในวารสาร Journal of Materials Chemistry A vol. 2 ปีค.ศ. 2014 หน้า 12733 - 12738 ตัวอย่างนี้คณะผู้วิจัยรายงานว่ามี mesopore ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 4 nm และ 23 nm พื้นที่ผิว BET รวม 1272 m²/g

ตัวอย่างในรูปที่ ๑ และ ๒ นั้นเป็นตัวอย่างประเภทเดียวกัน โดยตัวอย่างในรูปที่ ๑ นั้นสามารถดูดซับแก๊สได้เต็มที่ประมาณ 1500 ml/g ส่วนตัวอย่างในรูปที่ ๒ นั้นดูดซับแก๊สได้เต็มที่ประมาณ 1100 ml/g หรือประมาณ 73% ของตัวอย่างในรูปที่ ๑ แต่พื้นที่ผิวของตัวอย่างในรูปที่ ๒ นั้นมีค่าเพียงแค่ครึ่งเดียวของตัวอย่างในรูปที่ ๑
 

วัสดุที่มีรูพรุนสูงจะสามารถดูดซับแก๊สได้ปริมาตรมากขึ้น แต่รูพรุนขนาดเล็กจะมีอัตราส่วนพื้นที่ผิวรูพรุนต่อปริมาตรรูพรุนที่สูงกว่า ในส่วนของรูพรุนขนาดเล็กหรือ micropore นั้น (รูที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 2 nm ลงไป) แก๊สจะเข้าไปเต็มรูพรุนได้อย่างรวดเร็วแม้ว่าค่า p/p₀ จะต่ำมาก (เช่นต่ำกว่า 0.05) ดังนั้นถ้าต้องการวัดการกระจายขนาดรูพรุนในช่วงนี้จำเป็นต้องค่อย ๆ เพิ่มความดันแก๊สในระบบอย่างช้า ๆ แต่จะทำให้การวิเคราะห์นั้นกินเวลานานมากขึ้น ไอโซเทอมในรูปที่ ๑ นั้นมีการวิเคราะห์ตรงช่วงนี้ เห็นได้จากการที่กราฟมีจุดจำนวนมากตรงบริเวณ p/p₀ มีค่าใกล้ศูนย์ (ในกรอบสี่เหลี่ยมสีส้ม) ในกรณีที่ไม่ได้สนใจ micropore ก็อาจทำการวิเคราะห์ด้วยการเพิ่มดันที่จุดแรกนั้นให้แก๊สเติมเต็ม micropore ไปเลย ทำให้เห็นจุดแรกของไอโซเทอมอยู่ที่ค่าห่างออกมาจากแกน p/p₀ (กรอบสีส้มในรูปที่ ๒)
 

ในกรณีของของแข็งที่มีพื้นที่ผิวต่ำนั้น เราจะเห็นปริมาตรของแก๊สที่ micropore ดูดซับไว้ได้นั้นมีค่าต่ำ ซึ่งอาจจะเห็นเกือบเป็นศูนย์เลยก็ได้ในกรณีที่วัสดุรูพรุนนั้นมีพื้นที่ผิวต่ำ (เช่นระดับ 10 m²/g หรือต่ำกว่า) แต่ถ้าเป็นของแข็งที่มีพื้นที่ผิวสูงขึ้น (เช่นระดับ 100 - 500 m²/g) เราก็จะเห็นปริมาตรของแก๊สที่ micropore ดูดซับไว้ได้นั้นมีค่าสูงขึ้น (เช่นระดับหลายสิบหรือเข้าสู่หลักร้อย ml/g) และถ้าเป็นของแข็งที่มีพื้นที่ผิวสูง (เช่นระดับ 1000 m²/g) เราก็จะเห็นปริมาตรของแก๊สที่ micropore ดูดซับไว้ได้นั้นมีค่าสูงมากขึ้นไปอีก (เช่นระดับหลายร้อย ml/g)
 

มีบางครั้งเหมือนกันที่แม้ว่าของแข็งมีรูพรุนนั้นจะมี micropore แต่ในการเกิดปฏิกิริยานั้นเราก็ไม่จำเป็นต้องสนใจการมีอยู่ของมัน เช่นในกรณีที่สารตั้งต้นนั้นมีขนาดโมเลกุลใหญ่จนยากที่จะแพร่เข้าหรือไม่สามารถแพร่เข้าไปใน micropore ได้ ในกรณีเช่นนี้พื้นที่ผิวเฉพาะส่วนของ mesopore จะมีความสำคัญมากกว่าเพราะเป็นส่วนที่โมเลกุลสารตั้งต้นสามารถแพร่เข้าไปได้ แต่การวัดพื้นที่ผิวด้วยเทคนิค BET นั้นเราจะวัดได้แต่ค่าพื้นที่ผิวของ micropore และพื้นที่ผิวรวม ดังนั้นถ้าอยากทราบพื้นที่ผิวเฉพาะส่วนของ mesopore เราก็ยังต้องวัดพื้นที่ผิวของส่วนที่เป็น micropore อยู่ดี เพื่อที่จะได้เอาค่านี้ไปหักจากพื้นที่ผิวรวมเพื่อให้ได้ค่าพื้นที่ผิวเฉพาะส่วนของ mesopore
 

ถ้าพิจารณาพื้นที่ผิวในส่วนของ micropore ตัวอย่างในรูปที่ ๑ นั้นมีปริมาตรส่วนของ micropore ประมาณ 450 ml/g และมีพื้นที่ผิว micropore ประมาณ 1000 m²/g ส่วนตัวอย่างในรูปที่ ๒ นั้นมีปริมาตรส่วนของ micropore ประมาณครึ่งเดียวของตัวอย่างในรูปที่ ๑ แม้ว่าตัวอย่างในรูปที่ ๒ นั้นจะไม่มีการวัดพื้นที่ผิวส่วนของ micropore แต่เราก็อาจประมาณได้จากสัดส่วนปริมาตรแก๊สที่ micropore ดูดซับเอาไว้ได้ (แม้จะไม่ถูกต้องร้อยเปอร์เซนต์ แต่จากประสบการณ์ส่วนตัวที่ผ่านมาก็พบว่าพอจะใช้ประมาณได้) ว่าตัวอย่างในรูปที่ ๒ นั้นน่าจะมีพื้นที่ผิวในส่วนของ micropore ประมาณ 500 m²/g ดังนั้นพื้นที่ผิวในส่วน mesopore ของตัวอย่างในรูปที่ ๒ ก็จะอยู่ที่ประมาณ 700 m²/g หรือประมาณ 40% ของพื้นที่ผิวในส่วนของ mesopore ของตัวอย่างในรูปที่ ๑
 

แต่ถ้าพิจารณาปริมาตรของ mesopore จะเห็นว่าปริมาตร mesopore ของรูปที่ ๒ นั้น (ประมาณ 850 ml/g) อยู่ที่ระดับ 80% ของปริมาตร mesopore ของรูปที่ ๑ (ประมาณ 1050 m²/g) นั่นแสดงว่าขนาดของ mesopore ของตัวอย่างในรูปที่ ๒ นั้นต้องใหญ่กว่าขนาดของ mesopore ของตัวอย่างในรูปที่ ๑ ซึ่งผลการวิเคราะห์ขนาด mesopore ก็เป็นเช่นนั้น

รูปที่ ๓ ผลของอุณหภูมิต่อปริมาณฟีนอลที่ดูดซับได้ (q_m) จากบทความในรูปที่ ๑

รูปที่ ๓ เป็นข้อมูลจากบทความในรูปที่ ๑ (จากวารสารที่มี impact factor 3.108) ที่มีการนำเอาตัวอย่างเชิงพาณิชย์ (Norit CGP) มาทดสอบเปรียบเทียบ โดยทำการวัดปริมาณฟีนอลที่ดูดซับได้ที่อุณหภูมิต่าง ๆ ตรงนี้มีจุดสังเกตนิดนึงตรงที่ในกรณีของ Norit CGP นั้นผู้ทดลองพบว่าเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นจะดูดซับฟีนอลได้มากขึ้น ในขณะที่ตัวอย่าง NHPC (ที่เป็นตัวอย่างที่คณะผู้วิจัยสังเคราะห์ขึ้น) ดูดซับได้น้อยลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ทั้ง ๆ ที่ในความเป็นจริงสำหรับปฏิกิริยาการดูดซับที่เกิดได้เองนั้น (Gibb's free energy หรือ ΔG มีค่าเป็นลบ และ Heat of adsorption หรือ ΔH นั้นมีค่าเป็นลบ) ควรจะดูดซับได้น้อยลงที่อุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งเรื่องผลของอุณหภูมิต่อการดูดซับนี้นี้เคยอธิบายเอาไว้ใน Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๓๗๕ วันพุธที่ ๑๔ ธันวาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "อุณหภูมิและการดูดซับ"
 

เมื่อไปพิจารณาวิธีการทดลองก็พบว่า ผู้วิจัยใช้วิธีเติม adsorbent ลงในสารละลายโดยไม่มีการไล่อากาศออกจากรูพรุนก่อน โดยเฉพาะในส่วนของ micropore ที่ไล่อากาศออกยาก ตรงนี้ใครที่เคยวัดพื้นที่ผิว BET วัสดุที่มี micropore จำนวนมากน่าจะรู้ดีว่าต้องทำสุญญากาศนานแค่ไหนแม้ว่าจะมีการให้ความร้อนช่วยก็ตาม ทำให้สงสัยเหมือนกันว่าอาจเป็นเพราะตัวอย่าง Norit CGP นั้นมี mesopore จำนวนน้อยกว่า NHPC มาก การดูดซับส่วนใหญ่จึงเกิดที่ micropore เป็นหลัก (ไม่เหมือน NHPC ที่เกิดที่ mesopore เป็นหลัก) แต่เนื่องจากใน micropore มีอากาศค้างอยู่ พื้นที่ผิวที่สัมผัสกับของเหลว (พื้นที่ผิวจริงที่สามารถทำการดูดซับฟีนอลจากของเหลว) จึงต่ำกว่าพื้นที่ผิวที่วัดได้อยู่มาก แต่เมื่อเพิ่มอุณหภูมิการทดลองให้สูงขึ้น อากาศจะขยายตัวและไหลออกจาก micropore ได้ง่ายขึ้น ของเหลวที่มีความหนืดลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจึงเข้าไปเติมเต็มรูพรุนได้มากขึ้น พี้นที่ผิวที่สามารถทำหน้าที่ดูดซับจึงเพิ่มสูงขึ้น ทำให้เห็นการดูดซับนั้นดีขึ้นที่อุณหภูมิสูง
 

ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนบอกให้ทราบถึงความยากง่ายในการแพร่เข้า-ออกจากรูพรุน ปัญหานี้จะเด่นชัดในกรณีของปฏิกิริยาที่เกิดในเฟสของเหลว เพราะมีทั้งการที่ต้องทำให้แก๊สต่าง ๆ ที่อยู่ในรูพรุนนั้นออกมาให้ได้ก่อน เพื่อที่ของเหลวจะไหลเข้าไปในรูพรุนได้ ส่วนพื้นที่ผิวของรูพรุนนั้นบอกให้ทราบถึงความสามารถในการดูดซับสารเอาไว้ ถ้าหากว่าสารนั้นสามารถแพร่เข้าไปในรูพรุนได้
 

ถือเสียว่าบทความนี้เป็นการยกตัวอย่างมาเพื่อการฝึกการอ่านกราฟและเปรียบเทียบผลการวิเคราะห์ก็แล้วกันครับ

และขอปิดท้ายด้วยรูปสมาชิกของกลุ่มที่วันนี้มาแลปแต่เช้า และหวังว่าผลแลปที่ได้ในวันนี้จะช่วยให้ได้ข้อสรุปที่ลงตัวกับวิทยานิพนธ์ที่กำลังเขียนอยู่