วันเสาร์ที่ 24 กันยายน พ.ศ. 2554

เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องับสมบัติของของแข็ง ของเหลว แก๊สเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องับสมบัติของของแข็ง ของเหลว แก๊ส

เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับสมบัติของของแข็ง ของเหลว แก๊ส

การทำน้ำแข็งแห้ง

การทำน้ำแข็งแห้ง หลักการทำ คือ เพิ่มความดัน และลดอุณหภูมิ วัตถุดิบที่ใช้คือ ก๊าซ CO2

แผนผังการทำน้ำแข็งแห้ง


การทำน้ำแข็งแห้ง
 
          น้ำแข็งแห้ง (dry ice) คือ คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ที่อยู่ในสถานะของแข็งที่อุณหภูมิประมาณ -79 0C
กระบวนการทำน้ำแข็งแห้งพิจารณาได้จากแผนภาพต่อไปนี้
เริ่มต้นนำก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มาทำให้เป็นของเหลวก่อน โดยกระบวนการ Liquefaction คือนำก๊าซดังกล่าวมาเพิ่มความดันและลดอุณหภูมิ หลังจากได้คาร์บอนไดออกไซด์เหลวแล้ว จึงนำมาทำให้แห้งและทำให้บริสุทธิ์ด้วยวิธีการที่เหมาะสม จากนั้นจึงนำมาเพิ่มความดันและลดอุณหภูมิอีกครั้ง จนได้ความดันประมาณ 18 atm และอุณหภูมิประมาณ -25 0C จึงอัดคาร์บอนไดออกไซด์เหลวนั้นผ่านรูพรุน จะได้คาร์บอนไดออกไซด์แข็ง หรือน้ำแข็งแห้งที่มีลักษณะคล้ายเกล็ดน้ำแข็งซึ่งสามารถนำไปอัดเป็นก้อนได้
นำแข็งแห้งมีอุณหภูมิต่ำมาก สามารถระเหิดกลายเป็นไอได้โดยตรง จึงนำมาใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับความเย็น หรือที่ต้องการอุณหภูมิต่ำ ๆ เช่น การแช่แข็งสัตว์น้ำ การทำไอศครีม การรักษาผักและผลไม้ให้สด เป็นต้น
         น้ำแข็งแห้งคืออะไร? เหมือนหรือแตกต่างจากน้ำแข็งธรรมดาทั่วไปอย่างไร? มีอันตรายมากน้อยแค่ไหน? คำถามเหล่านี้อาจจะเกิดขึ้นในใจผู้อ่านหลาย ๆ ท่าน หลังจากที่มีข่าวคราวผลกระทบจากน้ำแข็งแห้งเกิดขึ้นหลายครั้งในช่วงที่ผ่านมา
        น้ำแข็งแห้ง (dry ice) เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ในสถานะของแข็ง เรียกอีกชื่อหนึ่งว่าคาร์บอนไดออกไซด์แข็ง หรือ solid carbon dioxide เตรียมได้จากการนำก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มาผ่านกระบวนการอัดและทำให้เย็นลงภายใต้ความดันสูงกลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์เหลว แล้วลดความดันลงอย่างรวดเร็วโดยการพ่นคาร์บอนไดออกไซด์เหลวสู่ความดันบรรยากาศ ผลที่ได้คือเกล็ดน้ำแข็งคล้ายเกล็ดหิมะ แล้วจึงนำมาอัดเป็นรูปแบบและขนาดต่าง ๆ ตามวัตถุประสงค์ของการนำไปใช้ ซึ่งมีทั้งรูปแบบเป็นก้อน (block) ขนาดครึ่งถึง 15 กิโลกรัม เป็นแผ่น (slice) ขนาดตั้งแต่ครึ่งถึง 1 กิโลกรัมเป็นแท่ง (pellet) ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 3 มิลลิเมตร 9 มิลลิเมตร และ 15 มิลลิเมตร เป็นต้น

            ถึงแม้น้ำแข็งแห้งจะมีประโยชน์นานัปการ หากการใช้โดยขาดความระมัดระวังหรือรู้เท่าไม่ถึงการณ์ก็อาจก่อให้เกิดโทษได้เช่นกัน ผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นได้จากน้ำแข็งแห้ง ได้แก่ จากการสัมผัส หากจับต้องด้วยมือเปล่าหรือสัมผัสกับผิวหนังโดยตรงจะทำให้ผิวหนังไหม้จากความเย็นจัด (frost-bite) ได้ จากการระเบิดซึ่งเกิดจากการบรรจุน้ำแข็งแห้งในภาชนะปิดสนิทไม่มีช่องระบายอากาศทำให้เกิดการสะสมของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ระเหิดออกมา เมื่อถึงระดับหนึ่งจะเกิดแรงดันและระเบิดในที่สุด ดังนั้นในการขนส่งน้ำแข็งแห้งปริมาณมาก ๆ จะต้องเก็บในภาชนะบรรจุน้ำแข็งโดยเฉพาะที่มีช่องระบายอากาศ ซึ่งนอกจากจะเป็นการป้องกันการระเบิดแล้วยังช่วยลดอัตราการระเหิดของน้ำแข็งได้ ผลกระทบอีกอย่างที่จะเกิดขึ้นได้ก็คือ การเก็บน้ำแข็งแห้งปริมาณมากในห้องแคบ ๆ หรือห้องเพดานต่ำที่การระบายอากาศไม่ดีพอ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ระเหิดออกมาจะแทนที่ออกซิเจนที่ทำให้ขาดอากาศหายใจได้ ดังนั้นห้องที่ใช้หรือเก็บรักษาน้ำแข็งแห้ง หรือห้องแสดงคอนเสิร์ตที่ต้องใช้น้ำแข็งแห้งในปริมาณมาก ๆ จึงควรที่จะจัดให้มีที่ระบายอากาศอย่างเพียงพอ โดยปกติก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะหนักกว่าอากาศจึงควรที่จะจัดให้มีที่ระบายอากาศอย่างเพียงพอ โดยปกติก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะหนักกว่าอากาศจึงมักจะลอยอยู่ในระดับต่ำ ดังนั้นการระบายอากาศที่ดีจึงควรมีการระบายอากาศทางด้านล่างจะเห็นได้ว่าการใช้น้ำแข็งแห้งในปริมาณมากส่วนใหญ่จะนำมาใช้ในทางอุตสาหกรรม ผู้บริโภคโดยทั่วไปอาจมีโอกาสสัมผัสน้ำแข็งแห้งได้จากรถจำหน่ายไอศกรีม น้ำแข็งแห้งที่แช่มากับอาหารหรือไอศกรีม ซึ่งเป็นปริมาณที่น้อยเมื่อเทียบกับการใช้ในภาคอุตสาหกรรม แต่อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ต้องพึงระวังก็คือ น้ำแข็งแห้งไม่ใช่น้ำแข็งหรือไอศกรีมห้ามบริโภคโดยตรงโดยเด็ดขาด อย่าหยิบจับน้ำแข็งแห้งด้วยมือเปล่า หากน้ำแข็งแห้งนั้นห่อด้วยกระดาษจะเป็นการป้องกันการสัมผัสได้อีกทางหนึ่ง แต่ถ้าหากเกิดอาการน้ำแข็งกัดจากการสัมผัสให้ล้างด้วยน้ำปริมาณมาก ๆ ก่อนไปพบแพทย์ ข้อพึงระวังอีกประการหนึ่งก็คือ อย่านำน้ำแข็งแห้งมาเป็นอุปกรณ์เล่นสนุก โดยเฉพาะต้องระวังในเด็ก ๆ ที่อาจรู้เท่าไม่ถึงการณ์ เช่น การบรรจุในขวดปิดสนิทซึ่งจะทำให้เกิดการระเบิดได้ นอกจากนี้อย่านำน้ำแข็งแห้งเก็บในตู้เย็นเพราะจะทำให้ระบบทำความเย็นหยุดการทำงานได้เนื่องจากน้ำแข็งแห้งมีความเย็นมากกว่าความเย็นในตู้เย็น

       น้ำแข็งแห้งหรือดรายไอซ์ (Dry ice) หรือชื่อที่เป็นทางการคือ คาร์บอนไดออกไซด์แข็ง (Solid carbon dioxide) ในปัจจุบันได้มีการนำมาใช้กันมาก ซึ่งน้ำแข็งแห้งนั้นมีสถานะเป็น
      ของแข็ง มีความเย็นจัดถึง ลบ ๗๙ องศาเซลเซียส ที่อุณหภูมิห้องจะระเหิดเป็นก๊าซโดย ไม่หลอมละลายเป็นของเหลวเหมือนน้ำแข็งทั่วไป
ด้วยคุณสมบัติของน้ำแข็งแห้ง จึงสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้หลายทาง เช่น ใช้ใน
อุตสาหกรรมการถนอมอาหารและไอศกรีม ใช้ในการขนส่งเวชภัณฑ์ ใช้ในการทำหมอกควันในการแสดงบนเวทีต่าง ๆ รวมทั้งใช้ในอุตสาหกรรมด้านทำความสะอาดเครื่องจักร
อันตรายของน้ำแข็งแห้งอยู่ที่
๑. การหยิบจับ สัมผัส น้ำแข็งแห้งโดยตรง เพราะจะทำให้บริเวณที่สัมผัสไหม้จากความเย็นจัดได้ ดังนั้นจึงห้ามสัมผัสน้ำแข็งแห้งโดยตรง
๒. อาจทำให้เกิดระเบิดในกรณีที่นำน้ำแข็งแห้งมาใส่ภาชนะที่ปิดสนิท เนื่องจากแรงดันที่เกิดขึ้นจากการที่น้ำแข็งแห้ง ระเหิดกลายเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สะสมจนถึงระดับหนึ่งที่สามารถระเบิดได้
๓. การใช้น้ำแข็งแห้งในห้องแสดงคอนเสิร์ต ควรต้องมีการจัดการระบายอากาศที่ดีพอ โดยเฉพาะการระบายอากาศทางด้านล่าง เพื่อป้องกันการสะสมของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งจะทำให้ขาดอากาศหายใจได้
๔. หากใช้น้ำแข็งแห้งเพื่อความเย็นของไอศกรีม ควรห่อน้ำแข็งแห้งด้วยกระดาษหรือบรรจุในถุงกระดาษให้เรียบร้อย
 
การทำไนโตรเจนเหลว

              การทำไนโตรเจนเหลว หลักการทำ คือ ลดอุณหภูมิ วัตถุดิบที่ใช้คือ อากาศ
นอกจากนี้ใช้สารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) สำหรับดูดก๊าซ CO2 และอะลูมินา (AI2O3) สำหรับดูดความชื้น ทำให้อากาศแห้ง
แผนผังการทำไนโตรเจนเหลว

การทำไนโตรเจนเหลว
       ไนโตรเจนเป็นก๊าซที่ไม่มีสี ไม่มีกลิ่นและไม่มีรส ไม่ว่องไวต่อการเกิดปฏิกิริยา มีจุดเดือดประมาณ -196 0C มีจุดหลอมเหลวประมาณ -210 0C ละลายน้ำได้เล็กน้อย เบากว่าอากาศ
       การทำไนโตรเจนเหลว ใช้วิธีเตรียมจากอากาศ (อากาศมีก๊าซไนโตรเจนประมาณ 79 % และก๊าซออกซิเจนประมาณ 20 % โดยปริมาตร) ผ่านกระบวนการ Liquefaction โดยการเพิ่มความดันและลดอุณหภูมิจากนั้นจึงแยกออกซิเจนออก จะได้ไนโตรเจนเหลว
     
กระบวนการทำไนโตรเจน พิจารณาได้จากแผนภาพต่อไปนี้

          เริ่มต้นดูดอากาศเข้าเครื่องอัดอากาศผ่านลงในสารละลาย NaOH เพื่อกำจัด CO2 (g)
           CO2 (g) + 2 NaOH ? Na2CO3 + H2Oจากนั้นจึงผ่านอากาศที่กำจัด CO2 (g) แล้ว เข้าไปในเครื่องกรองน้ำมันเพื่อแยกน้ำมันออก พร้อมกับทำให้แห้งด้วยสารดุดความชื้น คือ อะลูมินา (AL2O3) จะได้อากาศแห้งซึ่งมีก๊าซไนโตรเจน และออกซิเจน เป็นส่วนใหญ่ เมื่อลดอุณหภูมิลงจนถึงประมาณ -183 0C ก๊าซ ออกซิเจน จะกลายเป็นของเหลวออกมาก่อน แลเมื่อลดอุณหภูมิต่อไปอีกจนถึงประมาณ -1960C ก๊าซไนโตรเจนจะกลายเป็นของเหลวแยกตัวออกมา โดยมีก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซเฉื่อยเหลืออยู่ ซึ่งสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้เช่นเดียวกัน
ไนโตรเจนเป็นธาตุอาหารของพืช จึงนำไปใช้ในการทำปุ๋ย เช่น ปุ๋ยยูเรีย (H2NCONH2) และปุ๋ย (NH4)2SO4 เป็นต้น สำหรับไนโตรเจนเหลวมีอุณหภูมิต่ำมากจึงนำไปใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับการทำความเย็น เช่นการแช่แข็งแาหารต่าง ๆ ในโรงงานหรือในรถบรรทุกขณะขนส่ง รวมทั้งใช้มากในทางการแพทย์ เช่น การแช่แข็งเลือด แช่แข็งเซลล์ไขกระดูก หรือส่วนต่าง ๆ ของร่างกาย เพื่อให้เก็บรักษาได้นาน

การสกัดสารโดยใช้ CO2 ที่อยู่ในรูปของของไหล

การสกัดสารโดยใช้ CO2 ที่อยู่ในรูปของของไหล (CO2-Fluid) เป็นเทคโนโลยีชั้นสูง
เทคนิคการสกัดแบบนี้จะใช้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในรูปของของไหลแทนตัวทำละลายอินทรีย์ต่างๆ เช่น       แอซีโตน เฮกเซน หรือเมทิลีนคลอไรด์
CO2 เมื่ออยู่ภายใต้ภาวะวิกฤติยิ่งยวด (supercritical state) คือที่อุณหภูมิ 31oc และความดัน 73 บรรยากาศ
 จะมีสภาพเป็นของไหล และมีสมบัติหลายประการที่เหมือนทั้งแก็สและของเหลว
สมบัติที่เหมือนแก๊สคือ ขยายตัวได้ง่ายจนเต็มภาชนะที่บรรจุ มีลักษณะไหลได้ส่วนสมบัติที่เหมือนของเหลว
 คือมีความสามารถในการละลายของแข็งหรือของเหลวได้ดี ดังนั้นจึงสามารถใช้ในการสกัดสารประกอบที่ต้องการแยกออกจากของผสม
โดยการควบคุมอุณหภูมิและความดันให้เหมาะสม หรืออาจใช้เทคนิคนี้ในการทำสารให้บริสุทธิ์
เทคนิคนี้สามารถใช้สกัดสารได้หลายชนิดเนื่องจากเราสามารถทำให้ CO2 ในรูปของของไหลมีความหนาแน่นสูงหรือต่ำได้ตามต้องการ
เป็นผลให้สามารถใช้ของไหลนี้เลือกละลายสารหรือองค์ประกอบที่ต้องการสกัดได้ตามสภาวะที่เหมาะสม

             ปัจจุบันนี้นิยมใช้ CO2 ในรูปของของไหลสกัดคาเฟอีนออกจากเมล็ดกาแฟดิบแทนตัวทำละลายที่ใช้อยู่คือเมทิลีนคลอไรด์
โดยไม่ทำทำให้รสหรือกลิ่นของกาแฟเปลี่ยนไป เพราะว่า CO2 ที่ปะปนอยู่จะอยู่ในรูปแก๊สสามารถแพร่ออกจากเมล็ดกาแฟได้
นอกจากนี้ยังมีการประยุกต์ใช้เทคนิคนี้ในอุตสาหกรรมอื่นๆ อีก เช่น การสกัดน้ำมัน เรซิน และสารจากสมุนไพร เครื่องเทศ หรือพืช

 

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น