แก๊สเฉื่อย
แก๊สเฉี่อย (อังกฤษ: inert gas) เป็นแก๊สที่ไม่ว่องไวต่อปฏิกิริยาเคมีกับสารอื่น ดังนั้นจึงไม่สามารถสร้างสารประกอบเคมีได้ทันที แก๊สมีสกุลมักไม่ทำปฏิกิริยากับสารส่วนมากและในอดีตถูกเรียกว่าแก๊สเฉื่อย[1] แก๊สเฉื่อยมักถูกใช้เพื่อป้องกันการเกิดปฏิกิริยาเคมีที่ไม่ต้องการโดยทำให้สารตัวอย่างเสื่อมสภาพ ปฏิกิริยาเคมีที่ไม่ต้องการมักเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสกับออกซิเจนและความชื้นในอากาศ คำว่าแก๊สเฉื่อยถูกใช้ขึ้นอยู่กับบริบทเนื่องจากในบางกรณี แก๊สมีสกุลสามารถทำปฏิกิริยากับสารอื่นได้ ภายใต้เงื่อนไขต่างๆ แก๊สอาร์กอนบริสุทธิ์เป็นแก๊สเฉื่อยที่ถูกใช้มากที่สุด เนื่องจากมีค่าความอุดมสมบูรณ์สูง (78.3% N2, 1% Ar ในอากาศ) และ ค่าต้นทุนสัมพัทธ์ต่ำ ต่างจากแก๊สมีสกุล แก๊สเฉื่อยไม่จำเป็นต้องเป็นธาตุและสามารถเป็นแก๊สสารประกอบได้ แนวโน้มของการไม่เกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับเวเลนซ์อิเล็กตรอน หรือ อิเล็กตรอนในวงนอกสุดบนเปลือกอิเล็กตรอนเพื่อประกอบให้แก๊สเฉื่อยมีความเสถียร[2] อย่างไรก็ตามแนวโน้มดังกล่าว ไม่ได้เป็นจริงเสมอ ทั้งแก๊สมีสกุลและแก๊สเฉื่อยสามารถตอบสนองต่อสารประกอบได้
ความจำเป็น
แก้แก๊สเฉื่อยส่วนใหญ่สามารถสร้างได้จากการกลั่นแบบลำดับจากอากาศ ยกเว้นฮีเลียมซึ่งสามารถสกัดได้จากแหล่งแก๊สธรรมชาติ ผ่านการกลั่นด้วยความเย็นจัดหรือการแยกเมมเบรนเท่านั้น สำหรับการใช้งานเฉพาะทาง แก๊สเฉื่อยบริสุทธ์ต้องถูกผลิตจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในไซต์งานหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบพิเศษสำหรับการใช้ในห้องปฏิบัติการเท่านั้น โดยแก๊สเฉื่อยถูกใช้ในการเคลื่อนที่ของยานพาหนะอย่างเรือบรรทุกสารเคมีและพื้นที่จัดเก็บผลิตภัณฑ์เคมีต่าง ๆ
การประยุกต์ใช้แก๊สเฉื่อย
แก้เนื่องจากคุณสมบัติการไม่ทำปฏิกิริยาของแก๊สเฉื่อย จึงมีการใช้แก๊สเฉื่อยเพื่อป้องกันการเกิดปฏิกิริยาเคมี เช่น อาหารบางประเภทมีการบรรจุไว้ร่วมกับแก๊สเฉื่อยเพื่อป้องกันการเจริญเติบโตของเชื้อแบคทีเรียจากแก๊สออกซิเจน[3] นอกจากนี้ แก๊สเฉื่อยยังป้องกันการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นในอากาศ โดยสามารถสังเกตได้จากการเหม็นหืนซึ่งเกิดจากการออกซิเดชั่นของน้ำมันที่บริโภค ในการบรรจุอาหาร มีการใช้แก๊สเฉื่อยเป็นสารกันบูดทางอ้อม ซึ่งตรงข้ามกับสารจำพวกโซเดียมเบนโซเอต (สารต้านจุลชีพ) หรือ BHT (สารต้านอนุมูลอิสระ) ที่เป็นสารกันบูดโดยตรง
เอกสารทางประวัติศาสตร์จะมีการจัดเก็บไว้พร้อมกับแก๊สเฉื่อยเพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพ เช่น เอกสารต้นฉบับของ[[ รัฐธรรมนูญสหรัฐ]]มีการจัดเก็บพร้อมกับอาร์กอนที่มีความชื้น ก่อนหน้านี้ มีการใช้แก๊สฮีเลียม แต่เนื่องจากความเหมาะที่ต่ำ เมื่อพิจารณาถึงการแพร่กระจายออกจากกล่องเทียบกับแก๊สอาร์กอน[4] แก๊สฮีเลียมจึงถูกเปลี่ยนออก แก๊สเฉื่อยเป็นที่นิยมในอุตสาหกรรมเคมี ในโรงงานผลิตสารเคมี ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นภายใต้สภาวะที่มีแก๊สเฉื่อย เพื่อลดอันตรายจากไฟไหม้หรือการเกิดปฏิกิริยาที่ไม่พึงประสงค์ ในโรงงานกลั่นน้ำมันท่อส่งและอุปกรณ์บรรจุสารจะมีการไล่อากาศออกด้วยแก๊สเฉื่อยเพื่อป้องกันไฟไหม้และการระเบิด ในหน่วยที่เล็กลงมา นักเคมีอาจมีการใช้แก๊สเฉื่อย เมื่อทำงานกับสารประกอบที่ไวต่ออากาศด้วยวิธีที่ไร้อากาศซึ่งพัฒนาขึ้นมาโดยใช้แก๊สฮีเลียม นีออน อาร์กอน คริปทอน ซีนอน และเรดอน
ระบบแก๊สเฉื่อยบนเรือ
แก้มีแก๊สเฉื่อยซึ่งผลิตบนเรือบรรทุกน้ำมันดิบมากกว่า 8,000 ตัน (ตั้งแต่วันที่ 1 มกราคม ค.ศ. 2016) จากการเผาผลาญน้ำมันก๊าดในเครื่องกำเนิดก๊าซเฉื่อย แก๊สเฉื่อยที่เกิดขึ้นในระบบช่วยป้องกันไม่ให้บรรยกาศในถังบรรจุหรือพื้นที่เฉพาะอยู่ช่วงที่สามารถระเบิดได้[5] แก๊สเฉื่อยช่วยให้ระดับออกซิเจนของบรรยากาศในถังบรรจุต่ำกว่า 5% (ในกรณีที่ใช้ขนส่งน้ำมัน และ อาจต่ำกว่านั้น ในกรณีที่ใช้บรรจุแก๊สอื่นๆ) ทำให้มีส่วนของแก๊สไฮโดรคาร์บอนในปริมาณที่มากเกินกว่าจะเกิดการลุกไหม้ (มีอัตราส่วนของเชื้อเพลิงมากกว่าออกซิเจนเกินไป) แก๊สเฉื่อยยังมีความสำคัญอย่างมากในกระบวนการคายประจุ และระหว่างกระบวนการเคลื่อนที่ของบัลลาสต์ เมื่อมีไอของไฮโดรคาร์บอนอยู่มากในบรรยากาศภายในถังบรรจุ นอกจากนี้ แก๊สเฉื่อยมีส่วนช่วยในการไล่แก๊สในบรรยากาศของถังบรรจุ ทั้งในส่วนที่เตรียมปลดปล่อยแก๊สเพื่อเปลี่ยนเป็นอากาศที่สามารถหายใจได้ และในทางกลับกันอีกด้วย ระบบแก๊สไอเสียใช้แรงดันจากไอของเครื่องต้ม อัตราส่วนระหว่างเชื้อเพลิงกับอากาศในเครื่องต้มจึงต้องอยู่ในช่วงที่กำเนิดเพื่อยืนยันการเกิดขึ้นของแก๊สเฉื่อยคุณภาพสูง หากมีอากาศมากเกินไป จะส่งผลให้มีปริมาณแก๊สออกซิเจนมากกว่า 5% และ มีน้ำมันเชื้อเพลิงในปริมาณที่มากเกินไปซึ่งทำให้เกิดแก๊สไฮโดรคาร์บอนซึ่งเป็นอันตรายในปริมาณที่มากเกินไป ภายในหอฟอก จะมีการทำความสะอาดและระบายความร้อนของแก๊สไอเสีย โดยอุปกรณ์ความปลอดภัยจะช่วยป้องกันไม่ให้เกิดสภาวะแรงดันเกิน ไม่ให้เกิดการเคลื่อนตัวกลับห้องเครื่องยนต์ของแก๊สไฮโดรคาร์บอน หรือ ไม่ให้มีการใช้แก๊สเฉื่อยซึ่งมีส่วนของออกซิเจนสูงเกินไป เรือบรรทุกแก๊สและพาหนะขนส่งผลิตภัณฑ์ไม่สามารถใช้ระบบแก๊สไอเสียได้ เนื่องจากการใช้ระบบดังกล่าว จำเป็นต้องมีแก๊สเฉื่อย และ O2 ซึ่งมีปริมาณ 1% หรือน้อยกว่านั้น จึงมีการใช้ระบบเครื่องผลิตแก๊สเฉื่อยแทน เครื่องผลิตแก๊สเฉื่อยแบ่งออกเป็นห้องเผาไหม้ หน่วยฟอกอากาศซึ่งมีพัดลมติดตั้ง และ หน่อยทำความเย็นซึ่งทำหน้าที่ลดอุณหภูมิของแก๊ส นอกจากนี้ ยังมีเครื่องทำให้แห้งที่ต่ออนุกรมกับระบบ ซึ่งช่วยขจัดความชื้นในแก๊สเพื่อเตรียมแก๊สก่อนถูกส่งต่อ ถังบรรจุไม่ได้ถูกรบกวนในกระบวนการ มีเพียงพื้นที่รอบๆเท่านั้น
ระบบแก๊สเฉื่อยบนเครื่องบิน
แก้เครื่องบินพาณิชย์และเครื่องบินทหารสร้างแก๊สเฉื่อยเพื่อหยุดยั้งปฏิกิริยาเคมีที่อาจเกิดในถังบรรจุเชื้อเพลิง ในวันที่อากาศร้อน ใอน้ำมันเชื้อเพลิงในถังบรรจุเชื้อเพลิงอาจก่อตัวเป็นสารส่วนที่ติดไฟไหม้หรือระเบิดได้ ซึ่งหากถูกออกซิไดซ์ จะสร้างผลกระทบที่ร้ายแรงตามมา โดยทั่วไป ส่วนที่แยกอากาศจะทำหน้าที่สร้างแก๊สเฉื่อย โดยส่วนที่แยกอากาศประกอบไปด้วยเยื่อซึมผ่านที่ผ่านการคัดเลือกแล้ว ในเยื่อเต็มไปด้วยอากาศอัดที่สกัดจากขั้นตอนการบีบอัดของเครื่องยนต์กังหันแก๊ส การซึมผ่านของออกซิเจนผ่านเนื้อเยื่อที่เพิ่มขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับไนโตรเจน ส่งผลให้ความดันช่วยแยกออกซิเจนออกจากอากาศ สำหรับการหยุดปฏิกิริยาเคมีที่อาจเกิดในถังบรรจุเชื้อเพลิง การกำจัดออกซิเจนทั้งหมดไม่ใช่เรื่องจำเป็น แค่ต้องรักษาระดับของออกซิเจนให้ต่ำกว่าช่วงที่สามารถก่อให้เกิดการเผาไหม้หรือการระเบิด ดังนั้น จึงควบคุมความเข้มข้นของออกซิเจนให้มีความเข้มข้น 10% ถึง 12% ตลอดการเดินทาง
การเชื่อม
แก้ในการเชื่อมอาร์กของแก๊สทังสเตน แก๊สเฉื่อยจะเคลือบผิวทังสเตนเพื่อป้องกันการปนเปื้อน และ เคลือบโลหะเหลว (ที่อาร์กสร้างขึ้น) เพื่อป้องกันแก๊สที่เกิดปฏิกิริยาในอากาศจากการสร้างช่องพรุนในส่วนเชื่อมที่แข็งตัว นอกจากนี้ มีการใช้แก๊สเฉื่อยในการเชื่อมอาร์กโลหะด้วยแก๊ส เมื่อเชื่อมโลหะที่ไม่มีเฟอรัส[6] แก๊สบางชนิดไม่ได้รับการพิจารณาว่าเป็นแก๊สเฉื่อย แต่มีพฤติกรรมเหมือนแก๊สเฉื่อย จึงถูกนำมาใช้ประโยชน์แทนแก๊สเฉื่อย แก๊สเฉื่อยเทียมที่เหมาะสมซึ่งราคาไม่แพงและพบได้ทั่วไปเป็นประโยชน์อย่างมากในหลายกรณี เช่น มีการใช้คาร์บอนไดออกไซด์เป็นส่วนหนึ่งในการเชื่อมอาร์กโลหะด้วยแก๊ส เนื่องจากเป็นแก๊สที่ไม่เกิดปฏิกิริยากับพื้นที่โดยรอบที่เชื่อมอาร์ก แต่มีปฏิกิริยากับส่วนอาร์ก ยิ่งเติมแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไปในส่วนแก๊สเฉื่อย เช่น อาร์กอน มาก จะยิ่งเพิ่มการแทรกซึม โดยปริมาณของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่ใช้จะขึ้นอยู่กับประเภทของการถ่ายโอนที่ใช้ในการเชื่อมอาร์กโลหะด้วยแก๊ส ตามทั่วไป สเปรย์การถ่ายโอนอาร์กเป็นที่นิยมอย่างมาก โดยมักประกอบด้วยอาร์กอน 90% และ คาร์บอนไดออกไซด์ 10%
การดำน้ำ
แก้ในการดำน้ำ แก๊สเฉื่อยเป็นส่วนประกอบของส่วนสำหรับการหายใจ โดยไม่มีฤทธิ์ในการเผาผลาญ แต่สามารถทำหน้าที่เจือจางส่วนผสมของก๊าซโดยรอบได้ แก๊สเฉื่อยอาจมีผลกระทบต่อนักประดาน้ำ แต่เชื่อกันว่าส่งผลกระทบทางกายภาพเท่านั้น เช่น สร้างความเสียหายแก่เนื้อเยื่อด้วยฟองอากาศในสภาวะโรคลดความกด แก๊สที่นิยมใช้เป็นส่วนผสมในการดำน้ำเชิงพาณิชย์ที่สุดคือแก๊สฮีเลียม
ดูเพิ่ม
แก้- แก๊สที่สามารถหายใจได้
- แก๊สอุตสาหกรรม
- ระบบเฉื่อยสำหรับเครื่องบิน
- การคลุมถังบรรจุ
- การไล่แก๊ส เป็นขั้นตอนการล้างระบบปิดด้วยแก๊สเฉื่อย ซึ่งช่วยป้องกันอัคคีภัยและการระเบิดโดยหลีกเลี่ยงสภาพบรรยากาศที่ติดไฟได้
- การทำให้แก๊สเฉื่อย เป็นขั้นตอนการใส่แก๊สเฉื่อยในบรรยากาศ ซึ่งช่วยป้องกันอัคคีภัยและการระเบิดโดยการทำให้สภาพบรรยากาศที่ติดไฟได้ปลอดภัยขึ้น
อ้างอิง
แก้- ↑ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006-) "inert gas".
- ↑ Singh, Jasvinder. The Sterling Dictionary of Physics. New Delhi, India: Sterling, 2007. 122.
- ↑ Maier, Clive & Teresa Calafut. Polypropylene: The Definitive User's Guide and Databook. Norwich, New York: Plastics Design Library, 1998. 105.
- ↑ "Charters of Freedom Re-encasement Project". National Archives. สืบค้นเมื่อ 2012-02-11.
- ↑ International Maritime Organization. Tanker yes Familiarization London: Ashford Overload Services, 2000. 185.
- ↑ Davis, J.R., ed. Corrosion: Understanding the Basics. Materials Park, Ohio: ASM International, 2000. 188.