การวัดสมดุลไอ-ของเหลว (Vapor-Liquid Equilibrium: VLE) ที่ Rareytec
ข้อมูล VLE ที่ตีพิมพ์เผยแพร่ส่วนใหญ่มาจากเครื่องกลั่นแบบหมุนเวียนไดนามิกแบบดั้งเดิม หรือเซลล์สมดุลแบบสถิต
- เครื่องกลั่นแบบหมุนเวียนไดนามิกแบบดั้งเดิม ทำงานที่ความดันคงที่ ทำให้ได้ข้อมูลความดันคงที่ (isobaric)เป็นส่วนใหญ่ ซึ่งเป็นการผสมผสานผลกระทบของอุณหภูมิและองค์ประกอบ เครื่องชนิดนี้ต้องการผู้ปฏิบัติงานที่มีประสบการณ์สูง ใช้ปริมาณตัวอย่างค่อนข้างมาก และมักเกิดปัญหา เช่น การเกิดฟองหรือการเดือดที่ไม่เสถียร โดยเฉพาะกับของผสมที่มีความหนืดสูงหรือมีช่วงจุดเดือดที่กว้าง
- เซลล์สมดุลแบบสถิต (สังเคราะห์) (วิธีของแวนเนส) จำเป็นต้องมีการไล่ก๊าซ (Degassing) อย่างทั่วถึง และตัวเครื่องต้องปราศจากการรั่วไหล โดยจะให้ข้อมูลความดันและองค์ประกอบของเหลว (P-x data) ณ อุณหภูมิคงที่ ซึ่งสามารถนำไปหาค่า K-factors ได้ผ่านการปรับจูนเข้ากับแบบจำลอง (Model fitting) อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์นี้ให้ข้อมูลเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับความเข้มข้นของส่วนประกอบหนัก (Heavy-component) ในสถานะไอ สำหรับระบบที่สารมีจุดเดือดต่างกันมาก (Wide-boiling systems) และจะเริ่มขาดความน่าเชื่อถือเมื่อใช้ที่ความดันสูง หากไม่มีการสุ่มตัวอย่างเฉพาะทางและการวิเคราะห์ด้วยเครื่อง GC (Gas Chromatography)
เพื่อมองหาทางเลือกที่รวดเร็วขึ้นและใช้ปริมาณสารตัวอย่างน้อยลง เราจึงได้ประเมินวิธี Headspace Gas Chromatography (HS-GC) โดยสารผสมจะถูกเตรียมในขวดแก้วปิดสนิท (Sealed vials) นำไปบ่มให้เข้าสู่สภาวะสมดุล ณ อุณหภูมิที่กำหนดพร้อมกับการเขย่า จากนั้นจะทำการสุ่มตัวอย่างจากสถานะไอ (ส่วนที่เป็นช่องว่างเหนือของเหลว หรือ “Headspace”) เพื่อนำไปวิเคราะห์ด้วยเครื่อง GC เพื่อหาค่าองค์ประกอบในสถานะไอ (y-compositions) โดยตรง ซึ่งจะทำให้ได้ชุดข้อมูลในรูปแบบ xyT (องค์ประกอบของเหลว, องค์ประกอบไอ และอุณหภูมิ)
ระบบ HS-GC ที่มีจำหน่ายทั่วไปในเชิงพาณิชย์ มักไม่ค่อยถูกนำมาใช้สำหรับการวัดสมดุลไอ-ของเหลว (VLE) ที่ต้องการความแม่นยำสูง เนื่องจากมีความเสี่ยงต่อการเกิดการควบแน่น (Condensation) และอาจเกิดการสูญเสียส่วนประกอบหนัก (Heavy components) ภายในท่อลำเลียงสารตัวอย่าง
ระบบ HS-GC ที่ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมของ Rareytec
เราได้พัฒนาปรับปรุงเครื่องควบคุมอุณหภูมิส่วนเหนือของเหลว (Headspace Thermostat) ซึ่งมีคุณสมบัติดังนี้:
- ควบคุมอุณหภูมิของเหลวที่ก้นขวด (Liquid-thermostats) ในขณะที่ใช้ลมร้อนเป่าส่วนบนของขวดให้มีอุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือด (Superheating) เพื่อกำจัดการควบแน่น
- ใช้แผ่นกั้น (Septa) ที่เหมาะสมเฉพาะกับสารผสม (รวมถึงชนิดอะลูมิเนียมชุบทองและสแตนเลส) เพื่อป้องกันการดูดซับสารหรือการรั่วซึม
- ใช้กระบอกฉีดสาร (Syringe) ที่มีการให้ความร้อนสูง (Superheated) ในการเก็บตัวอย่าง
มีการตรวจสอบองค์ประกอบของของเหลวก่อนและหลังการทดลองแต่ละครั้งในหลอดทดลองที่แช่เย็น โดยให้มีองค์ประกอบใกล้เคียงกับองค์ประกอบรวมสังเคราะห์ที่ทราบแล้ว ซึ่งมีประโยชน์ดังนี้:
- การตรวจสอบความเสถียร (เพื่อตรวจหาการรั่วไหลหรือการเสื่อมสภาพ)
- จุดสอบเทียบในตัว (Built-in calibration points) สำหรับหาอัตราส่วนพื้นที่ต่อมวล (area-to-mass ratios) ของเครื่อง GC
หลอดบรรจุสารตัวอย่างมีแผ่นกั้นผสมแบบคงที่ทำจาก PTFE และจะถูกเขย่าในระหว่างการปรับสมดุล (equilibration) แต่ละหลอดจากทั้งหมด 12 ขวด ( หรือ 24 ขวด) หลอดจะถูกวิเคราะห์สามครั้งในการวิเคราะห์ GC แบบอัตโนมัติครั้งเดียว (ฉีดสารตัวอย่าง 36 ครั้งใน 30–60 นาที) โดยทั่วไปแล้ว การวิเคราะห์ไอโซเทอร์มหลายชุดสำหรับสารผสมหนึ่งชนิดจะใช้เวลา 1–2 วัน
วิธีการนี้ให้ข้อมูล xyT ที่รวดเร็วและเชื่อถือได้ โดยใช้ปริมาณตัวอย่างน้อยที่สุด และมีความแม่นยำสูง
พวกเราขอขอบคุณอย่างสุดซึ้งต่อการสนับสนุนอย่างเอื้อเฟื้อของ อาจารย์วิรูน ตันธพานิชากูล (ชาร์ลส์) ซีอีโอของ Global R&D ที่ได้จัดหาเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟ ก๊าซ และความช่วยเหลือด้านวิศวกรรม รวมถึงศาสตราจารย์พานารัตน์ รัตนาภณี จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
เราได้ทำการทดสอบและวัดผลหลายครั้ง ซึ่งผลการทดสอบจะได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสารทางวิทยาศาสตร์ต่อไป
เมทานอล – เอทานอล – สารผสมที่เกือบจะเป็นอุดมคติอย่างง่าย (simple nearly ideal mixture)
เฮกเซน – เอทานอล – สารผสมที่ไม่เป็นอุดมคติ (non-ideal mixture) โดยที่ส่วนประกอบหนึ่งเป็นไอโซเมอร์คัท (isomer-cut)
ในทุกกรณี ตัวอย่างจะถูกวิเคราะห์ในการรันเครื่อง GC เพียงรอบเดียวเพื่อประหยัดเวลา โดยแต่ละตัวอย่างทั้ง 12 ขวดจะถูกฉีดซ้ำ 3 ครั้ง แนวโน้มใดๆ ในการวัดทั้ง 3 ครั้งจะบ่งชี้ถึงสภาวะที่ไม่สมดุลในเซลล์ เฮกเซนทางเทคนิคเป็นส่วนผสมของไอโซเมอร์ที่แตกต่างกัน 5 ชนิด ดังนั้นในกรณีนี้ GC ที่ได้จะมีพีคของส่วนประกอบ 216 พีค:
เมทานอล – ดีเอ็มเอฟ (DMF) – สารผสมที่มีช่วงจุดเดือดกว้าง
โดยทั่วไปข้อมูลที่ได้สอดคล้องกับผลลัพธ์จากวิธีการประมาณค่ามาตรฐานทั่วไป ยกเว้นในกรณีของ เมทานอล – ดีเอ็มเอฟ (DMF) ซึ่งยังไม่มีข้อมูลในวรรณกรรม (literature data) สำหรับค่า k-factor ของ DMF ในช่วงอุณหภูมินี้