เก็บตกจากการประชุมวิชาการ ๒๕๖๘ MO Memoir : Sunday 25 May 2568

พูดอย่างไรให้คนอื่นเชื่อโดยไม่คิด ผมสอนไม่เป็นหรอก แต่ฟังอย่างไรไม่ให้ถูกหลอก พอให้คำแนะนำได้ :) :) :)

เมื่อสัปดาห์ที่ผ่านมาได้เข้าร่วมงานประชุมวิชาการแห่งหนึ่ง ก็เลยมีเรื่องมาเล่าสู่กันฟัง อันที่จริงพอเข้าร่วมงานเหล่านี้มา ๓๐ ปี ก็เห็นว่าเรื่องเดิม ๆ มันก็วนกลับมาอีก ก็เลยขอเลือกมาสัก ๓ เรื่องมาเล่าสู่กันฟัง

๑. พลังงานของวัตถุดิบ ควรต้องมีค่ามากกว่าพลังงานที่ใช้ในการแปรรูปวัตถุดิบเป็นเชื้อเพลิง

ในกระบวนการกลั่นน้ำมันดิบเพื่อแยกออกเป็นผลิตภัณฑ์เชื้อเพลิงต่าง ๆ นั้น พลังงานที่ใช้ในการแยกน้ำมันดิบออกเป็นผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ นั้นจะน้อยว่าพลังงานที่มีอยู่ในตัวน้ำมันดิบเริ่มต้น กล่าวอีกอย่างก็คือเราสามารถดึงเอาผลิตภัณฑ์น้ำมันที่กลั่นได้เพียงบางส่วนกลับมาเป็นแหล่งพลังงานเพื่อการกลั่น เราก็ยังเหลือผลิตภัณฑ์น้ำมันเพื่อจำหน่ายอยู่เยอะ

ในการผลิตเอทานอลที่ได้จากการหมัก (เข้มข้นเพียงประมาณ 10%) ให้กลายเป็นเชื้อเพลิงเอทานอลเพื่อใช้กับเครื่องยนต์เบนซินนั้น (เข้มข้น 99.5%) วิธีการหลักคือการกลั่นซึ่งใช้พลังงานมาก ประเด็นที่ควรถามก็คือพลังงานที่ต้องใช้ในการแยกเอทานอลความเข้มข้นต่ำออกจากน้ำเพื่อผลิตเอทานอลความเข้มข้นสูงนั้น กับพลังงานที่ได้จากเอทานอลที่กลั่นได้ ส่วนไหนมีค่ามากกว่ากัน

ถ้าหากพลังงานที่ได้จากเอทานอลที่กลั่นได้มีค่ามากกว่าพลังงานที่ต้องใช้ในการกลั่นแยก เราก็ควรจะได้เห็นโรงงานผลิตเอทานอลนำเอาเอทานอลที่กลั่นได้นั้นมากใช้เป็นเชื้อเพลิงในการกลั่นแยก โดยจะยังมีเอทานอลเหลือสำหรับขาย แต่ถ้าพลังงานที่ได้จากการนำเอาเอทานอลที่กลั่นได้นั้นมากกว่าพลังงานที่ต้องใช้เป็นเชื้อเพลิงในการกลั่นแยก ในทางเศรษฐศาสตร์มันก็จะไม่มีความคุ้มค่าในการผลิตเอทานอลความเข้มข้นสูงเพื่อนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงเหลว เพราะมันต้องมีการนำเอาเชื้อเพลิงอื่นมาใช้เพิ่มเติมอีก และในทางปฏิบัติที่เรามักเห็นกันก็คือ จะมีการใช้เชื้อเพลิงอื่น (ที่ปลดปล่อย CO₂ เยอะกว่าเอทานอลอีก) มาใช้เป็นแหล่งพลังงานความร้อนเพื่อใช้ในการกลั่นเอทานอล (ที่เขาบอกว่าเป็นเชื้อเพลิงสะอาด)

รูปที่ ๑ แผนผังอย่างง่ายของการเปลี่ยนชีวมวลเป็นแก๊สไฮโดรเจนเพื่อใช้เป็น "เชื้อเพลิงสะอาด" ???

เรื่องการผลิตไฮโดรเจนหรือมีเทนจากชีวมวล (biomass) เนี่ยมีการทำกันมานานแล้ว ที่เห็นในบ้านเราก็ราว ๆ ๓๐ ปีแล้ว ตอนนั้นทำเพื่อให้ได้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell) แต่เอาเข้าจริงก็ไม่มีใครเคยลองเอาแก๊สที่ได้ไปใช้กับเซลล์เชื้อเพลิงเลย เพราะคนที่ทำงานทางด้านตัวเร่งปฏิกิริยา (กลไกการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงก็มีพื้นฐานเดียวกันกับตัวเร่งปฏิกิริยา) ต่างรู้ดีว่าองค์ประกอบของแก๊สที่ได้นั้นมันเป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยา มันทำลายตัวเร่งปฏิกิริยาได้ในเวลาอันสั้น

การทำให้ชีวมวลสลายตัวกลายเป็นแก๊สจะใช้ความร้อนเป็นหลัก ผลิตภัณฑ์ที่ได้ขึ้นอยู่กับชนิดชีวมวลและอุณหภูมิที่ใช้ กระบวนการที่ใช้คือ pyrolyis (สลายตัวโดยไม่มีอากาศ) หรือ gasification (สลายตัวโดยมีการป้อนอากาศในปริมาณไม่มากเข้าร่วม โดยอาจมีการใช้แหล่งพลังงานอื่นให้ความร้อนร่วมด้วย) แก๊สที่ได้มีชื่อว่า synthesis gas แต่มักจะเรียกกันสั้น ๆ ว่า syn gas ชีวมวลบางส่วนจะสลายตัวเป็นแก๊สโดยมีส่วนที่เหลือเป็นของแข็ง (ขี้เถ้า (ash), ถ่าน) หรือของเหลวจุดเดือดสูง (tar ที่ได้จากการทำให้แก๊สที่ได้นั้นเย็นตัวลงก่อนนำแก๊สไปใช้งาน) ในช่วงที่เชื้อเพลิงขาดแคลน (เช่นช่วงสงครามโลกครั้งที่ ๒) ก็มีการใช้กระบวนการ gasification นี้เปลี่ยนชีวมวลเป็นแก๊สเชื้อเพลิงเพื่อใช้กับรถยนต์ โดยความร้อนที่ใช้ในการสลายตัวนั้นก็ได้มาจากการเผาชีวมวลบางส่วนนั่นเอง

ทีนี้มาดูการเปลี่ยนชีวมวลเป็นแก๊สไฮโดรเจนเพื่อใช้เป็นพลังงานสะอาดสำหรับผลิตไฟฟ้ากันบ้าง อาจกล่าวได้ว่าวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในการเปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นพลังงานไฟฟ้าคือการใช้เซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งตรงนี้ก่อนหน้านี้สมัยที่คิดจะใช้ไฟฟ้าที่ได้จากเซลล์เชื้อเพลิงก็มีการอ้างกันว่ามันมีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องยนต์สันดาปภายใน ซึ่งมันก็สูงกว่าจริงแต่มีข้อแม้ว่าห้ามถามว่าการผลิตไฮโดรเจนเพื่อให้ได้มาเป็นเชื้อเพลิงนั้นมีการสูญเสียพลังงานเท่าใด ไม่งั้นเขาจะเลิกคุยด้วย มาคราวนี้ก็ได้มาเจอทำนองเดียวกันอีก แต่เป็นว่าเป็นการจ่ายไฟฟ้าให้กับโรงไฟฟ้าพลังงานสะอาด

ลองพิจารณาแผนผังอย่างง่ายของการผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวลด้วยกระบวนการ pyrolysis หรือ gasification เพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับโรงไฟฟ้าในรูปที่ ๑ (งานนี้เป็นการจำลองกระบวนการบนคอมพิวเตอร์) การทำให้ชีวมวลสลายตัวเป็น syn gas นั้นใช้อุณหภูมิที่สูง (เขาบอกว่าในช่วง 800-1000ºC) จากนั้นก็นำ syn gas นั้นไปเข้ากระบวนการเพื่อเปลี่ยนแก๊สบางส่วนให้กลายเป็นไฮโดรเจนเพิ่มขึ้น (converter) ทำการแยกไฮโดรเจนออกมา (separation) และทำให้ไฮโดรเจนที่ได้นั้นมีความบริสุทธิ์มากพอที่จะใช้กับเซลล์เชื้อเพลิงได้ (purification)

การทำให้ชีวมวลสลายตัว, กระบวนการเพิ่มปริมาณไฮโดนเจนให้กับ syn gas, กระบวนการแยก และการทำให้บริสุทธิ์ ต่างก็ต้องใช้พลังงาน คำถามก็คือพลังงานที่ต้องใช้ในกระบวนการเหล่านี้เมื่อเทียบกับพลังงานที่ได้จากไฮโดรเจนนั้น ส่วนไหนมากกว่ากัน และพลังงานที่ใช้ในขั้นตอนเหล่านี้ มาจากกระบวนการที่ผลิต CO₂ หรือไม่

และที่สำคัญคือกระบวนการนี้ควรต้องสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องตลอด ๒๔ ชั่วโมง ได้อย่างน้อยตลอดทั้งปี โดยไม่ขึ้นกับลมฟ้าอากาศและแสงอาทิตย์

ถ้าพลังงานที่ใช้ในขั้นตอนเหล่านี้มาจากพลังงานที่ไม่ผลิต CO₂ การเอาพลังงานนี้ไปผลิตเป็นกระแสไฟฟ้าโดยตรงจะไม่เหมาะสมกว่าหรือ โดยเฉพาะพลังงานที่สามารถสร้างอุณหภูมิสูงจนทำให้ชีวมวลสลายตัวได้ ความร้อนระดับนี้สามารถผลิตไอน้ำความดันสูงเพื่อใช้ในการผลิตไฟฟ้าได้อย่างสบาย

๒. ใช้เยอะ ๆ ก็ได้ 100% ทุกตัว

งานนี้เป็นการเปรียบเทียบความสามารถในการกรองของเยื่อแผ่น 3 ชนิดที่แตกต่างกัน ผู้นำเสนอบอกว่าแผ่นเยื่อทั้ง 3 ชนิดมีประสิทธิภาพในการกรองที่ดีเยี่ยมเหมือนกัน คือสามารถแยกสารได้ 100% (รูปที่ ๒ ซ้าย) ผมก็บอกเขาไปว่าผลการทดลองนี้ใช้เปรียบเทียบประสิทธิภาพการทำงานไม่ได้ เพราะใช้ขนาดของแผ่นเยื่อที่ใหญ่เกินไป ทำให้สามารถเห็นประสิทธิภาพการกรองนั้นสูงถึง 100% ทุกตัว แม้ว่าในความเป็นจริงมันจะแตกต่างกันก็ตาม

รูปที่ ๒ ประสิทธิภาพการกรองด้วยเยื่อแผ่นกรอง 3 ชนิด รูปซ้ายเป็นรูปที่มีการนำเสนอ ส่วนรูปขวาควรจะเป็นผลการทดลองที่ได้ถ้าหากมีการลดขนาดเยื่อแผ่นให้ต่ำลง โดยให้ค่าสูงสุดที่กรองได้นั้นต่ำกว่า 100%

เพื่อให้เห็นภาพจะขอสมมุติว่า ถ้าต้องการกรองสารได้ทั้งหมด ถ้าใช้แผ่นเยื่อ A ต้องใช้พื้นที่การกรอง 0.5 m², ถ้าใช้แผ่นเยื่อ B ต้องใช้พื้นที่การกรอง 0.7 m² และถ้าใช้แผ่นเยื่อ C ต้องใช้พื้นที่การกรอง 1.0 m²

แต่ถ้าในการทดลองนั้นนำแผ่นเยื่อแต่ละชนิดที่มีพื้นที่ผิวการกรอง 1.5 m² มาทำการทดลอง สิ่งที่เราจะเห็นก็คือแผ่นเยื่อทุกชนิดจะสามารถกรองสารได้ 100% เหมือนกัน แต่ถ้าเรานำแผ่นเยื่อแต่ละชนิดมาเพียง 0.4 m² มาทำการทดลอง เราก็จะเห็นผลการทดลองดังรูปที่ ๒ ขวา คือประสิทธิภาพในการกรองของแผ่นเยื่อแต่ละตัวนั้นไม่เท่ากัน

ตัวเลข 100% มันดูดีก็จริง แต่บ่อยครั้งที่มันซ่อนความไม่เหมาะสมอยู่

๓. เก็บตัวอย่างครั้งแรกที่เวลาเท่าใด

เรื่องนี้ก็มาในทำนองเดียวกันกับเรื่องที่ ๒ คือเขาบอกว่าพบว่าเกิดการดูดซับสมบูรณ์ได้ภายในการเก็บตัวอย่างมาวิเคราะห์ตั้งแต่ครั้งแรก (รูปที่ ๓ ซ้าย)

แล้วหลังจากเริ่มการทดลอง เขารอนานเท่าใดจึงเก็บตัวอย่างครั้งแรก จากรูปที่เขานำเสนอคำตอบก็คือ 15 นาที ผมก็บอกเขาไปว่าการทดลองแบบนี้ถ้าใส่สารดูดซับเข้าไปเยอะ ๆ แล้วรอนาน ๆ ก่อนเก็บตัวอย่างครั้งแรก มันก็ได้ตัวเลข 100% เหมือนกันหมด ถ้าต้องการเปรียบเทียบอัตราเร็วในการดูดซับ ก็ควรต้องเก็บตัวอย่างให้เร็วขึ้นกว่านี้อีก (ดังเช่นรูปที่ ๓ ขวา) และควรใช้ปริมาณสารดูดซับให้น้อยกว่านี้ (ไม่ให้สูงถึง 100%) จะได้เปรียบเทียบได้ว่าสารดูดซับแต่ละชนิดเมื่อดูดซับได้จนอิ่มตัวแล้ว ตัวไหนสามารถดูดซับได้มากกว่ากัน โดยดูจากปริมาณสารที่เหลือ

ผลการทดลองที่เขาว่าดี ยิ่งควรต้องได้รับการตรวจสอบว่ามันได้มาด้วยวิธีการที่ถูกต้องและเหมาะสม

รูปที่ ๓ รูปซ้ายคือผลการทดลองที่มีการนำเสนอ แต่ถ้าเริ่มเก็บตัวอย่างแรกให้เร็วขึ้น ก็คงจะได้ผลดังรูปขวา

MO ตอบคำถาม ปฏิกิริยา pyrolysis MO Memoir : Tuesday 30 July 2556

ในช่วงระหว่างที่พักฟื้นอยู่ที่โรงพยาบาล มีอีเมล์มาถามคำถามเกี่ยวกับปฏิกิริยา pyrolysis ซึ่งในระหว่างนั้นผมก็ได้ตอบคำถามของเขาไปแล้วส่วนหนึ่งเท่าที่จะมีแรงตอบ (มันนอนอยู่เฉย ๆ ทั้งวันทั้งคืนบนเตียงโดยไม่มีอะไรทำก็น่าเบื่อเหมือนกัน) ในที่นี้ก็เลยขอเอาคำถามที่เขาถามมา (มีการจัดย่อหน้า แก้ไขข้อความ และเว้นวรรคใหม่เล็กน้อย) มาให้อ่านกัน ส่วนคำตอบส่วนที่ผมตอบเขาไปนั้นเป็นคำตอบแบบคนที่ทำ pyrolysis อยู่แล้วอ่านแล้วคงเข้าใจ แต่คนที่ไม่มีพื้นความรู้อาจจะไม่รู้เรื่อง ผมก็เลยขอเอามาเขียนใหม่เพื่อให้คนอื่นได้ประโยชน์ด้วย

อีเมล์ฉบับแรกมาเมื่อวันจันทร์ที่ ๑๕ กรกฎาคม ๒๕๕๖ ใจความดังนี้

วันที่ : จันทร์ 15 กรกฎาคม 2556, 22:53

เรื่อง : ขอรบกวนสอบถามเรื่อง ตัวเร่งปฏิกิริยาออกไซด์ค่ะ

สวัสดีค่ะอาจารย์ (ขออนุญาตเรียกอาจารย์นะคะ) หนูได้ติดตามอ่านบล็อกของอาจารย์เป็นครั้งคราว ซึ่งให้ความรู้ด้านเคมีเยอะมาก ๆ ๆ ค่ะ แต่ตอนนี้หนูมีข้อสงสัยเกี่ยวตัวเร่ง ปฏิกิริยาออกไซด์น่ะค่ะ

คือว่า ในการนำเอาขยะ มาใช้กระบวนการไพโรไลซิส ซึ่งจะเกิด Tar (Tar ที่มีออกซิเจนเป็นองค์ประกอบ) ออกมาด้วย แล้วมีการใช้ Calcined Dolomite (CaOMgO) ในงานวิจัยบอกว่า ช่วยให้เกิดการ cracking และ deoxygenation ของ tar ได้มากขึ้น

หนูอยากทราบว่า CaOMgO มีบทบาทในทางเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งช่วยให้เกิด cracking และ deoxygenation อย่างไรคะ ถ้าตามความเข้าใจของหนูนะคะ Tar มีการดูดซับ บนผิวของ CaOMgO แล้วมีเวลาอยู่ใน reactor นานขึ้น จึงเกิดการ Cracking และ deoxygenation ได้มากขึ้นใช่ไหมคะ หรือว่านี่เป็นเพียงส่วนหนึ่ง แต่เกิดปฏิกิริยาอย่างอื่นด้วย

หนูพยายามหาอ่าน เปเปอร์ที่ใช้ Dolomite เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา แต่ก็กล่าวเพียงว่าใช้แล้ว Tar ลดลง แต่ไม่ได้บอกว่าเกิดอะไรขึ้นจึงทำให้น้อยลง หนูจึงได้อีเมลล์หาอาจารย์มาด้วยเหตุนี้ค่ะ ขอความกรุณาด้วยนะคะ แล้วที่นำ Dolomite ไป calcine ให้ CO₂ ออกมา นี่เพื่อเพิ่ม active sites ในการดูดซับใช่ไหมคะ

ขอขอบคุณล่วงหน้าค่ะ

หลังจากตอบฉบับแรกไปก็มีอีเมล์ฉบับที่สองมาอีกเมื่อวันพุธที่ ๑๗ กรกฎาคม ๒๕๕๖ ใจความดังนี้

วันที่ : 17 กรกฎาคม 2556, 17:49

เรื่อง : RE: ขอรบกวนสอบถามเรื่อง ตัวเร่งปฏิกิริยาออกไซด์ค่ะ

ขอขอบคุณอาจารย์มากนะคะ แล้วก็ต้องขออภัยด้วยค่ะที่รบกวนเวลาพักผ่อนส่วนตัว

ค่ะ ในกระบวนต้องการเปลี่ยนสารตั้งต้นที่เป็นของแข็งไปเป็น Syngas โดยตัวอย่างขยะที่นำมาเป็นสารตั้งต้น ส่วนใหญ่เป็นชีวมวลค่ะเป็นพวกเศษอาหาร ไม้ มีพลาสติกและสิ่งทอประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์

ส่วนการที่ tar ลดลง จากการที่อ่านเปเปอร์หนูเข้าใจว่า tar ถูกทำลาย จึงทำให้ผลิตภัณฑ์แก๊สมากขึ้นด้วยค่ะ

ดังรูปที่แนบมาแสดงการการเกิดปฏิกิริยาของ Tar โดยใช้ Ni/Dolomite เป็นตัวเร่งปฏิกิริยามีสมการบอกไว้แบบนี้ค่ะ

NiO + H₂ -------> Ni(0) + H₂O (1)

Ni(0) + C_xH_y(tar) -------> NiC_x + H_y (2)

NiC_x + H_y + steam -------> Ni + CO + H₂ (3)

ตอนมีนิกเกิลอยู่กับ Dolomite หนูก็พอเข้าใจได้ค่ะ แต่ในเปเปอร์ที่หนูอ่านอยู่ เขาไม่ได้ใช้นิกเกิลด้วย มีเพียง CaO และ MgO ในเปเปอร์หลาย ๆ ฉบับก็ให้ผลการทดลอง tar ก็ลดลง แต่ไม่ได้บอกว่าเกิดขึ้นอย่างไร

หนูอยากทราบว่า หากไม่มีนิกเกิลแล้ว จะสามารถอธิบายในทำนองเดียวกันกับตอนมีนิกเกิลด้วยได้ไหมคะ

คือ tar จะถูกดูดซับบน active surface ของ CaO และ MgO ได้ แล้วเมื่อเจอน้ำจึงทำปฏิกิริยา steam reforming ให้ CO และ H₂ ออกมา หรือทำปฏิกิริยา cracking (อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาใน reactor 750-900ºC)

อีกอย่างแล้วทำไมในที่นี้เขาจึงเขียนว่า Dolomite เป็นตัวซัพพอร์ตคะ

ขอขอบคุณอีกครั้งค่ะ และขอให้สุขภาพอาจารย์เป็นปกติโดยไวนะคะ

ด้วยความนับถือ

ส่วนคำตอบที่ตอบไปนั้น มีรายละเอียดดังข้างล่าง (มีการขยายความเพิ่มขึ้นจากคำตอบจริงที่ตอบไป) ผมเอาคำตอบที่ตอบอีเมล์ทั้งสองฉบับมาเขียนใหม่

Pyrolysis เป็นกระบวนการทำให้สารเคมีสลายตัวด้วยความร้อน สำหรับสารอินทรีย์กระบวนการนี้จะทำให้โมเลกุลสารอินทรีย์ที่มีขนาดใหญ่นั้นแตกตัวออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง โมเลกุลขนาดเล็กที่เกิดขึ้นนั้นอาจหลุดออกจากระบบในรูปของโมเลกุลอิสระ หรือมีการจับรวมตัวกันเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นก็ได้ ขึ้นอยู่กับภาวะการเกิดปฏิกิริยา เช่นในปฏิกิริยา ethane cracking หรือ propane cracking ที่เกิดในภาวะแก๊สนั้น จะมีการใส่ไอน้ำผสมเข้าไปกับสารตั้งต้น บทบาทหน้าที่ของไอน้ำมีทั้ง (ก) ให้ความร้อนเบื้องต้นแก่สารตั้งต้นก่อนที่จะเข้าไปรับความร้อนใน furnace (ข) ลดความเข้มข้นของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ที่เกิด ทำให้โอกาสที่ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจะจับตัวเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นนั้นลดลง และ (ค) ทำปฏิกิริยากับ coke (สารประกอบคาร์บอนโมเลกุลใหญ่ที่เป็นของแข็ง) เพื่อให้ coke สลายตัวกลายเป็นแก๊สไป

Thermal cracking ก็เป็นการทำให้สารสลายตัวด้วยความร้อน คำ ๆ นี้จะเห็นใช้กันในวงการกลั่นน้ำนันและปิโตรเคมี การผลิตโอเลฟินส์จากไฮโดรคาร์บอน การผลิตน้ำมันเบน (พวกเบนซินและดีเซล) จากน้ำมันหนักก็ใช้ปฏิกิริยา thermal cracking นี้ ในกรณีเหล่านี้จะทำปฏิกิริยาในภาวะที่ไม่มีแก๊สออกซิเจนในระบบ ความร้อนที่ต้องใช้ในการทำปฏิกิริยาจะเป็นแหล่งพลังงานภายนอกที่จ่ายให้กับเครื่องปฏิกรณ์

Gasification ถ้าแปลออกมาตรง ๆ ก็คือการทำให้เป็นแก๊ส ศัพท์นี้เรามักจะใช้ในกรณีที่ต้องการผลิตภัณฑ์ที่เป็นแก๊ส (ที่อุณหภูมิห้อง) เป็นหลัก สารตั้งต้นอาจเป็นของเหลว (เช่นไฮโดรคาร์บอน) หรือของแข็ง (เช่นถ่านหิน) ก็ได้ ปฏิกิริยานี้อาจเกิดในภาวะที่ไม่มีออกซิเจนหรือมีออกซิเจนจำกัดก็ได้

ในการทำให้โมเลกุลขนาดใหญ่แตกตัวเป็นโมเลกุลที่เล็กลงนั้น ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีความไม่อิ่มตัวเพิ่มสูงขึ้น (เช่นการทำให้ไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวแตกตัว จะได้สารประกอบโอเลฟินส์เกิดขึ้น) ถ้าหากผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นมีขนาดเล็กก็มักจะหลุดรอดลอยออกไปเป็นแก๊ส โอกาสที่จะจับรวมตัวกันเป็นโมเลกุลใหญ่จะน้อย แต่ของแข็งและ/หรือของเหลวที่ตกค้างอยู่จะมีโอกาสมากกว่าที่จะจับตัวกันเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้น สำหรับพวกสารอินทรีย์แล้วโครงสร้างสุดท้ายที่มีความไม่อิ่มตัวสูงสุดที่คาดหวังได้คงจะเป็นแกรไฟต์ (C)

ส่วนผลิตภัณฑ์ที่ได้จะมีสารอะไรบ้างนั้นก็ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของสารตั้งต้นที่มีอยู่ในระบบ เช่นในกระบวนการ thermal cracking ของอีเทนหรือโพรเพน (มีแต่อะตอม C กับ H) ที่มีการเติมไอน้ำเข้าไปในระบบด้วย ผลิตภัณฑ์ที่ออกมาจึงมี CO CO₂ CH₃OH ได้ (ออกซิเจนมาจากไอน้ำ)

ปฏิกิริยา pyrolysis นี้มีการนำมาใช้กับขยะที่เป็นสารประกอบอินทรีย์เพื่อผลิตเป็นผลิตภัณฑ์แก๊สเชื้อเพลิง โดยหลักการแล้วจะทำในภาวะที่ไม่มีออกซิเจนหรือมีออกซิเจนจำกัด ทั้งนี้เพื่อไม่ให้เกิดปฏิกิริยาการเผาไหม้ (combustion) ความร้อนที่ใช้ในปฏิกิริยานั้นอาจเป็นแหล่งความร้อนจากภายนอก หรือการให้สารอินทรีย์บางส่วนเกิดการเผาไหม้เพื่อผลิตความร้อนขึ้นในระบบ ในกรณีหลังนี้ปฏิกิริยา pyrolysis จะเกิดในภาวะที่มีการป้อนออกซิเจนเข้าไปอย่างจำกัด เพื่อให้เผาไหม้สารอินทรีย์ได้เพียงบางส่วนเท่านั้น (เพียงเพื่อผลิตความร้อน) เพื่อให้ความร้อนที่เกิดขึ้นไปทำให้สารอินทรีย์ส่วนที่เหลือเกิดการสลายตัว

ในที่นี้ผมขอใช้คำว่า "ขยะที่เป็นสารอินทรีย์" แทนคำว่า "ขยะชีวมวล" เพราะที่ผ่านมานั้นเห็นว่าคำว่าขยะชีวมวลอาจทำให้บางคนเข้าใจความหมายแตกต่างกัน ขยะชีวมวลที่เป็นของเหลือทิ้งจากผลิตผลทางการเกษตรจากการปลูกพืชต่าง ๆ (เช่น ลำต้น กิ่ง ใบ) จะมีองค์ประกอบพวกเซลลูโลสเป็นหลัก ในขณะที่ขยะบางแบบที่ทิ้งจากอาคารบ้านเรือนนั้นอาจเป็นพวกขยะพลาสติก (มันก็ผลิตขึ้นจากสารประกอบอินทรีย์) แต่การที่สายโซ่เซลลูโลสและสายโซ่พอลิเมอร์นั้นมันแตกต่างกัน ดังนั้นจึงควรต้องระวังในการนำผลการทดลองที่ได้จากขยะชนิดหนึ่งไปใช้กับขยะอีกชนิดหนึ่ง เพราะพฤติกรรมการสลายตัวนั้นมันไม่จำเป็นต้องเหมือนกัน และผลิตภัณฑ์ที่ได้ก็ไม่จำเป็นต้องเหมือนกันด้วย

แม้แต่ตัวพลาสติกเองก็ยังมีความแตกต่างกันเพราะพลาสติกหลัก ๆ ที่ใช้กันในบ้านเรือนนั้นมีทั้ง พอลิเอทิลีน (PE) พอลิโพรพิลีน (PP) พอลิสไตรีน (PS) พอลิไวนิลคลอไรด์ (PVC) และพอลิเอทิลีนเทอฟาทาเลต (PET) ซึ่งต่างมีการสลายตัวที่ยาก-ง่ายแตกต่างกันและได้ผลิตภัณฑ์ต่างกัน พวก PE PP PS นั้นมีแต่อะตอม C กับ H พวก PVC จะมีอะตอม C H และ Cl ส่วน PET นั้นจะมีอะตอม C H และ O ในโมเลกุล พลาสติกพวกไนลอนก็จะมีอะตอม N เพิ่มขึ้นมาอีก ขยะที่เป็นกล่องนม กล่องน้ำผลไม้ ถุงพลาสติกบรรจุอาหารที่เป็นพลาสติกลามิเนตหลายชั้น ก็มีชั้นของโลหะอะลูมิเนียมด้วย ในขณะที่ขยะที่เป็นผลิตภัณฑ์จากธรรมชาตินั้นจะมีอะตอม C H และ O เป็นหลัก และยังอาจมีแร่ธาตุที่เป็นองค์ประกอบอยู่ในตัวพืชด้วย

เรื่องการสลายตัวของพลาสติกนี้เคยเล่าเอาไว้ใน Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๓๗๘ วันพฤหัสบดีที่ ๒๒ ธันวาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "การเปลี่ยนพลาสติกเป็นน้ำมัน" เอาไว้บ้างแล้ว ซึ่งตรงนั้นได้กล่าวเอาไว้บ้างแล้วว่าการสลายตัวของพลาสติกนั้นขึ้นอยู่กับโครงสร้างของพลาสติกอย่างไรบ้าง ในความเห็นของผมนั้นถ้าเป็นพวก PE หรือ PP น่าจะทำ pyrolysis ได้ง่ายกว่าตัวอื่น

สมมุติว่าในปฏิกิริยาหนึ่งนั้น สาร A สามารถสลายตัวไปเป็นผลิตภัณฑ์ B หรือ C ได้โดยตรง (ปฏิกิริยาคู่ขนาน) และพบว่าถ้าเติมสาร M ลงไปแล้วทำให้การเกิด B "ดีขึ้น" จะอธิบายบทบาทหน้าที่ของสาร M ในปฏิกิริยาดังกล่าวได้อย่างไร

ตรงนี้เราก็ต้องมาพิจารณาดูก่อนว่าคำว่า "ดีขึ้น" นั้น นิยามอย่างไร

ถ้าเราเปลี่ยนมุมมองจากเมื่อเติมสาร M แล้วพบว่าการเกิด B "ดีขึ้น" เมื่อเทียบกับ "C" เป็นเมื่อเติมสาร M แล้วพบว่าสัดส่วนของ B ต่อ C ในผลิตภัณฑ์ที่ได้ (หรือค่าการเลือกเกิด - selectivity นั่นเอง) สูงขึ้น เราก็จะสามารถตั้งสมมุติฐานได้ดังนี้ (นิยามของค่า selectivity คือปริมาณผลิตภัณฑ์ชนิดใดชนิดหนึ่งที่เกิดขึ้นต่อปริมาณผลิตภัณฑ์ทั้งหมดที่เกิดขึ้น ซึ่งในตัวอย่างนี้คือ B/(B+C))

๑. การเกิด B เพิ่มมากขึ้นในขณะที่การเกิด C คงที่

๒. การเกิด B เพิ่มมากขึ้นในขณะที่การเกิด C ลดลง

๓. การเกิด B เพิ่มมากขึ้นและการเกิด C ก็เพิ่มมากขึ้นด้วย แต่การเกิด B เพิ่มในอัตราที่สูงกว่า

๔. การเกิด B คงที่ แต่การเกิด C ลดลง

๕. การเกิด B ลดลง และการเกิด C ก็ลดลงด้วย แต่การเกิด C นั้นลดลงมากกว่า

สิ่งที่เราต้องนำมาพิจารณาว่าเป็นไปตามกรณีใดคือค่า conversion (ค่าการเปลี่ยนคือ ปริมาณสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยาไปต่อปริมาณสารตั้งต้นทั้งหมด)

ในกรณีที่ ๑ และ ๓ นั้นเราจะเห็นค่า conversion เพิ่มขึ้น

ในกรณีที่ ๒ นั้นเราจะเห็นค่า conversion เพิ่มขึ้นหรือลดลงก็ได้ ขึ้นอยู่กับว่าปฏิกิริยาการเกิด B ที่เพิ่มขึ้นกับปฏิกิริยาการเกิด C ที่ลดลงนั้น อันไหนโดดเด่นมากกว่ากัน

ในกรณีที่ ๔ และ ๕ นั้นค่า conversion จะลดลง

สิ่งที่ผมต้องการบอกให้ต้องคำนึงถึงก็คือ เวลาที่เราเติมสารใดสารหนึ่งเข้าไปในระบบแล้วเห็นการเกิด C ลดลง (ลดลงเมื่อเทียบกับปริมาณ A ทั้งหมดที่เกิดปฏิกิริยา) ก็อย่าด่วนสรุปว่าสารที่เติมเข้าไปนั้นจะไปยับยั้งการเกิด C เสมอไป มันอาจจะ ไม่เกี่ยวข้องอะไรกับการเกิด C หรือเข้าไปช่วยเพิ่มการเกิด C หรือไปลดการเกิด C ก็ได้ทั้งนั้น

CaO และ MgO ไม่ใช่ cracking catalyst ซึ่ง cracking catalyst นั้นเป็นกรด แต่กรดก็สามารถทำให้โมเลกุลไม่อิ่มตัวโมเลกุลเล็กต่อกันเป็นโมเลกุลใหญ่ขึ้น (เช่นพอลิเมอร์ไรซ์เซชันหรือ alkylation) ในระหว่างการ pyrolysis ก็จะเกิดพวกโมเลกุลไม่อิ่มตัวเหล่านี้เกิดขึ้น ที่ผมสงสัยคือ CaO และ MgO ที่เป็นเบสทั้งสองตัวอาจเข้าไปสะเทินกรดที่ทำให้โมเลกุลเล็กรวมตัวเป็น tar (มองในแง่หนึ่ง carbocation ก็จัดว่าเป็นกรดลิวอิสที่แรงเหมือนกัน)

ในภาวะมี H₂ สูง Ni เป็น hydrogenation cat คือเติม H₂ ไปที่พันธะ C=C ให้เป็น C-C ที่แตกหักเป็นโมเลกุลเล็กลงได้ง่ายกว่า

ในภาวะ H₂ ต่ำ Ni ทำให้โมเลกุลเล็กต่อกันกลายเป็น coke ได้

ในขณะเดียวกัน Ni ก็เป็น steam reforming cat ทำให้ไฮโดรคาร์บอนทำปฏิกิริยากับน้ำ สลายตัวเป็นโมเลกุลเล็กลงได้

กรดที่แรงมากจะเป็น cracking catalyst ทำให้พันธะ C-C แตกหักได้ง่าย กลายเป็นโมเลกุลที่เล็กลง

กรดที่มีความแรงรองลงมาทำใหเกิด cracking ไม่ได้ แต่ทำให้โมเลกุลที่มีพันธะ C=C ต่อกันเป็นโมเลกุลใหญ่ได้

กรดที่มีความแรงมากนั้นสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาที่ต้องการกรดที่มีความแรงต่ำกว่าได้ แต่กรดที่มีความแรงต่ำไม่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาที่ต้องการกรดที่มีความแรงสูงได้ ส่วนปฏิกิริยาใดต้องการกรดที่มีความแรงเท่าใดนั้นดูตัวอย่างได้จากตารางที่ 1 ในหน้าถัดไป

ในกรณีที่ถามมานั้นคาดว่า cracking เกิดจากอุณหภูมิเป็นหลัก (thermal cracking) ไม่ใช่จากกรด (catalytic cracking) แต่อาจมีกรดเกิดขึ้นในระหว่างการสลายตัว ส่วนกรดที่เกิดจะมีความแรงเท่าใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับขยะที่นำมาเผาว่าประกอบด้วยธาตุอะไรบ้าง

ตารางที่ 1 ความแรงของกรดที่ต้องการในการทำให้เกิดปฏิกิริยา (เรียงจากต่ำไปสูง)

จากหนังสือ Satterfield,C.N.,"Heterogeneous catalysis in industrial practice", 2nd Ed.,McGraw Hill, 199

HR ที่ต้องการ
< +4	Dehydration of alcohols
< +0.82	Cis-trans isomerisation of olefins
< -6.63	Double-bond migration
	Alkylation of aromatics
	Isomerisation of alkylaromatics
	Transalkylation of alkylaromatics
< -11.5	Cracking of alkylaromatics
< -11.63	Skeletal isomerisation
< -16.0	Cracking of paraffins

ในส่วนตัวนั้นจะลองตั้งสมมุติฐานเล่น ๆ ดูว่า CaO และ MgO มีบทบาทตรงไปจับกับโมเลกุลที่เป็นกรด ทำให้ยับยั้งการเชื่อมต่อเป็นโมเลกุลใหญ่ เช่น tar ก็เลยเห็นการเกิด tar ลดลง หรือไม่ก็อาจเข้าไปเกี่ยวข้องกับการทำให้ cabocation มีเสถียรภาพมากขึ้น ส่วนความจริงจะเป็นอย่างไรนั้นก็ไม่รู้เหมือนกันเพราะยังไม่คิดจะศึกษาทางด้านนี้

คำว่า support ในทางตัวเร่งปฏิกิริยานั้นเป็นตัวช่วยในการกระจายตัว active species ซึ่งในกรณีของคำถามที่ถามมานั้น active species คือ Ni ส่วนใหญ่ในทางปฏิบัตินั้น support จะไม่มีส่วนยุ่งเกี่ยวในการทำปฏิกิริยา แต่ก็มีหลายปฏิกิริยาเหมือนกันที่ support มีส่วนร่วมในการทำปฏิกิริยา สิ่งหนึ่งที่เป็นที่ทราบกันก็คือ support ที่มีความเป็นกรดบนพื้นผิวสูง (เช่นพวก Al₂O₃) จะสามารถเร่งปฏิกิริยาการเกิด coke (ซึ่งเป็นปฏิกิริยาข้างเคียงที่ไม่เป็นที่ต้องการ) ให้สะสมบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาได้ การแก้ปัญหาตรงนี้กระทำได้ด้วยการสะเทินตำแหน่งที่เป็นกรดบนพื้นผิว support หรือการใช้ support ที่มีพื้นผิวเป็นเบส

เท่าที่เคยทดสอบนั้น CaO เป็นออกไซด์ที่ทนต่ออุณหภูมิสูง แต่ MgO นั้นสามารถสลายตัวให้แก๊สออกซิเจนออกมาได้ในระดับหนึ่ง โดยไอออน Mg²⁺ จะถูกรีดิวซ์กลายเป็น Mg⁰ ได้ที่อุณหภูมิที่สูงพอ (แม้ว่าจะเผาในอากาศ) แต่จะไม่ถูกรีดิวซ์ทั้งหมด (ดู Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๗๗ วันศุกร์ที่ ๑๓ พฤศจิกายน ๒๕๕๒ เรื่อง "น้ำหนักหายได้อย่างไร") ส่วน Mg⁰ ที่เกิดขึ้นนั้นจะมีบทบาทอย่างไรในการทำปฏิกิริยาหรือไม่นั้นผมก็ไม่รู้เหมือนกันเพราะไม่เคยทดลอง

เขียนไปเขียนมาดูเหมือนว่าผมจะไม่ได้ตอบคำถามอะไรเขาสักเท่าใด คงทำได้เพียงให้ข้อคิดเห็นเท่านั้นเอง