กลไกการถ่ายโอนมวลสาร ของ การถ่ายโอนมวล

การถ่ายโอนมวลโดยการแพร่ของโมเลกุล (molecular diffusion)

การถ่ายเทมวลโดยการแพร่ของโมเลกุล เป็นการเคลื่อนที่ของโมเลกุลแต่ละโมเลกุลผ่านสสารด้วยพลังงานความร้อน (thermal energy) ที่มีอยู่ในโมเลกุลที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ (absolute zero) โดยที่โมเลกุลแต่ละโมเลกุลจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงแบบไม่เป็นระเบียบ (random motion) ด้วยความเร็วคงที่ เมื่อมีการชนกันของโมเลกุล ความเร็วและทิศทางการเคลื่อนที่จะเปลี่ยนไป ระยะทางเฉลี่ยของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลโดยที่ไม่มีการชนกับโมเลกุลอื่นเรียกว่าเส้นทางอิสระเฉลี่ย (mean free path) และความเร็วเฉลี่ยในการเคลื่อนที่จะขึ้นกับอุณหภูมิ การถ่ายเทมวล สารแบบนี้จึงเป็นการแพร่อย่างช้าๆ ถึงแม้จะมีการเพิ่มอัตราการแพร่ได้ถ้าความดันระบบลดลง(ลดอัตราการชนกันของโมเลกุล) และเพิ่มอุณหภูมิ (เพิ่มความเร็วในการเคลื่อนที่) ซึ่งโดยส่วนใหญ่จะเกิดในของไหลที่หยุดนิ่ง (stagnant fluid) เมื่อเทียบกับการถ่ายโอนความร้อนแล้ว การถ่ายเทมวลสารระดับโมเลกุลจะเปรียบเสมือนการนำความร้อน [4] กระบวนการแพร่สามารถอธิบายได้ด้วยสมการทางคณิตศาสตร์จากกฎของฟิค (Fick’s law) ที่กล่าวไว้ว่า“ฟลักซ์เชิงมวลต่อหน่วยพื้นที่ขององค์ประกอบหนึ่ง เป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของความเข้มข้น”[5]

 ลักษณะของการแพร่

1.การแพร่ของโมเลกุลเดียว (Unimolecular Diffusion) เป็นการแพร่ของโมเลกุล A ในของผสมเท่าน้ันที่มีการเคลื่อนที่ไปสู่หรือเคลื่อนที่จากพื้นผิว

ทำให้การไหลสุทธิ (total flow) ของของผสมมีค่าเท่ากับการไหลของโมเลกุล A ตัวอย่างเช่น การดูดซับก๊าซลงในของเหลว

2.การแพร่ของโมลที่เท่ากันในทิศตรงกันข้าม (Equimolar Counterdiffusion) เป็น	การแพร่ของโมเลกุล A ที่เท่ากับและตรงกันข้ามกับการแพร่ของโมเลกุล B

ทำให้การไหลสุทธิเป็นศูนย์ ตัวอย่างเช่น การกลั่นซึ่งไม่มีการเปลี่ยนแปลงการไหลโดยปริมาตรของก๊าซ แต่มีการเปลี่ยนแปลงในของเหลวเนื่องจากความแตกต่างของความเข้มข้น

3.การแพร่ที่มีปฏิกิริยาเคมีเกี่ยวข้อง (Molecular Diffusion  With Chemical Reaction) เป็นการแพร่ของโมเลกุล A และโมเลกุล B ในทางตรงกันข้ามแต่ไม่เท่ากัน

เมื่อกล่าวถึงทฤษฎีการแพร่ มีตัวแปร 5 ตัวที่ต้องคำนึง ดังนี้

- ความเข้มข้นเชิงมวลและเชิงโมล ซึ่งนิยามว่ามวลหรือโมลต่อปริมาตร ในระบบของผสมความเข้มข้นรวมจะเท่ากับผลรวมของความเข้มข้นของแต่ละสารในระบบ- ความแตกต่างของความเข้มข้น (concentration gradient)- ความเร็ว ในระบบของผสมความเร็วของสารแต่ละชนิดจะไม่เท่ากัน- ฟลักซ์ (flux) ซึ่งนิยามว่าเป็นปริมาณเวคเตอร์ของมวลหรือโมลที่เคลื่อนผ่านพื้นที่หน้าตัดหนึ่งๆ ที่ตั้งฉากกับทิศทางการแพร่ในช่วงเวลาหนึ่ง

ดังนั้นฟลักซจ์จึงมีทั้งฟลักซ์เชิงมวล (mass flux) และฟลักซ์เชิงโมล(molar flux) โดยฟลักซ์สามารถเทียบกับระนาบนิ่งและระนาบเคลื่อนที่[6]สมการแสดงฟลักซ์ของการพามวล คือ

    NA = kcΔCA    NA = ฟลักซ์เชิงโมลของโมเลกุล A เทียบกับพิกัดคงที่    ΔCA = ผลต่างของความเข้มข้นของ A ระหว่างค่าที่พื้นผิวกับค่าเฉลี่ยในของไหลหรือระหว่างค่าเฉลี่ยในของไหลสองชนิด    kc = สัมประสิทธิ์การพามวล (convective mass transfer coefficient)[7]- ฟลักซ์ (flux) เมื่อเทียบกับระนาบที่เคลื่อนที่ ตามทฤษฎีของฟิคของสารนั้นๆ จะมีความเร็วสัมพัทธ์กับความเร็วเฉลี่ยเชิงมวลหรือเชิงโมล ได้ก็ต่อเมื่อมีความแตกต่างของความเข้มข้นเท่านั้น

[8]

   สัมประสิทธิ์การแพร่ (Diffusivity or Diffusion Coefficient)

สัมประสิทธ์การแพร่ คือ ค่าที่บ่งบอกถึงอัตราการแพร่ของสารน้ันๆ ในตัวกลาง ซึ่งมีหน่วยเป็น(m2/s) ค่านี้สามารถเปรียบเทียบได้กับค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อน (thermal diffusivity ) โดยขึ้นกับชนิดและส่วนผสมของระบบ รวมท้ังสภาพแวดล้อมเช่น ความดันและอุณหภูมิ โมเลกุลของก๊าซสามารถเคลื่อนที่ได้ง่ายเมื่อเทียบกับของเหลวซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้ง่ายกว่าของแข็ง ดังนั้น สัมประสิทธิ์การแพร่ของก๊าซจึงมีค่าสูงสุด โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 5×10-6 ถึง 10-5 m2/s สัมประสิทธิ์การแพร่ของของเหลวอยู่ในช่วงปานกลาง คือ 10-10 ถึง 10-9 m2/s ส่วนสัมประสิทธิ์การแพร่ของของแข็งมีค่าต่ำสุดอยู่ที่ 10-14 ถึง 10-10 m2/s โดยทั่วไปแล้วสำหรับระบบที่ความเข้มข้นหรือความหนาแน่นน้อยๆ สัมประสิทธิ์การแพร่จะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น เนื่องจากพลังงานความร้อนของโมเลกุลสูงขึ้น ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ได้เร็วขึ้น

1.สัมประสิทธิ์การแพร่ของก๊าซ (Diffusivity of Gases)สมการแสดงค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของก๊าซที่มีความหนาแน่นต่ำ ถูกค้นคว้าโดยใช้หลักทฤษฎีจลนศาสตร์ที่คำนึงถึงคุณสมบัติของก๊าซผสมและแรงดึงดูด (attraction force) และแรงผลัก (repulsion force) ระหว่างโมเลกุล

2.สัมประสิทธิ์การแพร่ของของเหลว (Diffusivity of Liquids)การแพร่ของของเหลวเกิดขึ้นโดยการเคลื่อนที่แบบไม่เป็นระเบียบของโมเลกุล (random motion) แต่ระยะทางเฉลี่ยระหว่างการชน (average distance traveled between collisions) จะน้อยกว่าขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของโมเลกุลซึ่งตรงกันข้ามกับก๊าซซึ่งมีระยะทางเดินอิสระ (mean free path) มากกว่าขนาดโมเลกุลมาก สัมประสิทธิ์การแพร่ของของเหลวขึ้นอยู่กับความเข้มข้น เนื่องจากความหนืดที่เปลี่ยนแปลงและพฤติกรรมที่เบี่ยงเบนไปจากสารละลายอุดมคติ (ideal solution)

3. สัมประสิทธิ์การแพร่ของของแข็ง (Diffusivity of Solids)การแพร่ของของแข็งสามารถแบ่งได้เป็น 2 ลักษณะ คือ (1) การแพร่ของก๊าซหรือของเหลวเข้าไปในรูพรุนของของแข็ง ซึ่งการแพร่ในลักษณะนี้มีความสำคัญต่อตัวเร่งปฏิกิริยาและวิศวกรรมเคมี (2) การแพร่ภายใน (interdiffusion) เนื่องจากการเคลื่อนที่ของอะตอม ซึ่งเกิดได้จากหลายกรณี เช่น เกิดจากช่องว่าง หรือการเสียรูปของโครงสร้างผลึก ทำให้เกิดการแพร่ชนิดต่างๆ เช่น vacancy diffusion, interstitial diffusion, interstitialcy diffusion เป็นต้นการแพร่ผ่านรูพรุนจะเกิดโดยกลไกใดกลไกหนึ่งใน 3 กลไกดังนี้

- เมื่อขนาดรูพรุนมีขนาดใหญ่และก๊าซมีความหนาแน่นค่อนข้างสูง การถ่ายเทมวลจะเป็นแบบการแพร่ของฟิค ภายในตัวเร่งปฏิกิริยา

ช่องทางการแพร่ (diffusion path)ของก๊าซจะมีรูปร่างที่ไม่ปกติและคดเคี้ยวไปมาทำให้ฟลักซ์มีค่าน้อยกว่าการแพร่ในช่องทางที่มีระเบียบแน่นอน ดังน้ันมวลฟลักซ์จึงอธิบายได้โดย สัมประสิทธ์การแพร่จริง (effective diffusion coefficient,DA,eff) ซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดัน และคุณสมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น สัดส่วนช่องว่าง แฟกเตอร์ความยาวมุม และแฟคเตอร์รูปร่าง

- เมื่อขนาดรูพรุนมีขนาดเล็กและก๊าซมีความหนาแน่นต่ำ การถ่ายเทมวลจะเป็นแบบการแพร่แบบนูเซ็น (Knudsen diffusion)- เมื่อมีความแตกต่างของความเข้มข้นของโมเลกุลที่ถูกดูดซับบนผิว จะมีการแพร่ของโมเลกุลในสองทิศทาง ซึ่งเรียกว่าการแพร่บนพื้นผิว (surface diffusion)[9]

การถ่ายโอนมวลสารโดยการพา (Convective Mass Transfer)

การถ่ายโอนมวลสารโดยการพา เป็นกระบวนการถ่ายเโอนมวลสารที่ต้องอาศัยตัวกลางของสารในการเคลื่อนที่ และเกี่ยวข้องกับการไหลของของไหล เช่นการไหลของของไหลผ่านพื้นผิว หรือระหว่างการไหลของของไหล 2 ชนิดที่ไม่ละลายกัน (immiscible moving fluids) ส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากการรบกวน หรือการไหลแบบปั่นป่วน (turbulent flow) ที่เรียกว่าการแพร่แบบคลื่น (eddy diffusion) หรือการแพร่แบบปั่นป่วน (turbulent diffusion) เช่นเดียวกับการถ่ายโอนความร้อน ซึ่งการถ่ายเทมวลสารโดยการพา(Convective Mass Transfer) แบ่งได้เป็น 2 ประเภท[10]

1.การพามวลแบบบังคับ (force convection) เป็นกระบวนการการเคลื่อนที่ของมวลโดยมีกลไกการใช้แรงภายนอกมาควบคุมการเคลื่อนที่ของมวลสารหรือทำให้เกิดการพา เช่น ปั๊มขับเคลื่อนของเหลว เครื่องดันอากาศ หรืออุปกรณ์ต่างๆ

2.การพามวลแบบธรรมชาติ (natural convection) หรือการพามวลแบบอิสระ (Free convection) เป็นกระบวนการเคลื่อนที่ของมวลโดยไม่อาศัยกลไกใดๆ ในการเคลื่อนที่ แต่การเคลื่อนที่ของสารจะเกิดขึ้นโดยความแตกต่างของอุณหภูมิ ความแตกต่างของความหนาแน่น หรือความแตกต่างของความเข้มข้น เป็นต้น[11][12]

สัมประสิทธ์การถ่ายโอนมวล

     K m   คืออัตราการถ่ายโอนมวลต่อหน่วยพื้นที่ต่อหน่วยความแตกต่างของความเข้มข้น การถ่ายโอนมวลนี้หมายความรวมไปถึงทั้งการแพร่ และการพา

ปัจจัยที่มีความเกี่ยวข้องกับสัมประสิทธ์การถ่ายโอนมวลคือ สัมประสิทธิ์การแพร่ ความเร็วของของไหล(u) ความหนาแน่นของของไหล(ρ) ความหนืดของของไหล(μ ) และ ขนาดของระยะทาง(d)[13]

การถ่ายโอนมวลระหว่างเฟส

เฟส (phase) คือ ส่วนหนึ่งของระบบที่มีความเป็นเนื้อเดียวกัน (homogeneous) และแยกออกจากเฟสอื่น ๆ ของระบบ ซึ่งจะมีรอยต่อระหว่างเฟสเรียกว่า interface การถ่ายเทมวลภายในเฟสเกิดขึ้นได้จากความ แตกต่างของความเข้มข้นภายในเฟส ตัวอย่างเช่น (ระบบปิด) การถ่ายเทแอมโมเนียระหว่างเฟสก๊าซ(อากาศ) และเฟสของเหลว(น้ำ)แอมโมเนียซึ่งละลายน้ำได้ดีก็จะถูกถ่ายเทไปยังน้ำ ในขณะเดียวกันน้ำก็ระเหยไปยังก๊าซเฟส เมื่อระบบอยู่ในสถาวะที่อุณหภูมิและความดันคงที่ ในที่สุดระบบก็จะเข้าสู่สมดุลย์ นั้นคือ โมเลกุลของน้ำกลายเป็นไอด้วยอัตราเร็วเท่ากับการกลั่นตัวของไอน้ำ ในทำนองเดียวกันอัตราที่โมเลกุลของแอมโมเนียละลายน้ำ เท่ากับอัตราที่แอมโมเนียกลับเข้าสู่ก๊าซเฟส อัตรานี้จะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของแอมโมเนียในน้ำและความดันไอของแอมโมเนียที่ภาวะสมดุล ความเข้มข้นของแอมโมเนียในน้ำและก๊าซเฟสจะมีค่าคงที่ ถ้ามีการเติมก๊าซแอมโมเนียเพิ่มขึ้นเข้าไปในระบบ สมดุลของระบบจะเลื่อนไป แล้วเข้าสู่สมดุลอีกครั้ง โดยความดันไอย่อยของแอมโมเนียในก๊าซเฟสจะเปลี่ยนไปจากค่าเดิมดังนั้น ในสภาวะที่เกิดความสมดุลว่างเฟส สิ่งที่เกิดขึ้นคือ "อัตราการถ่ายเทมวลสุทธิเท่ากับศูนย์" กลไกการถ่ายเทมวลสารระหว่างเฟส สามารถอธิบายได้โดย ทฤษฎีสองความต้านทาน (Two-resistance theory) ซึ่งประกอบไปด้วย 3 ขั้นตอน คือ

1. การถ่ายเทมวลจากภายในเฟสที่หนึ่งไปยัง interface 2. การถ่ายเทข้าม interface3. การถ่ายเทจาก interface ไปยังภายในของเฟสที่สอง

[14]

จากทฤษฎีสองความต้านทาน ตัวอย่างในกรณี การขนส่งออกซิเจนจากอากาศลงไปในน้ำมีทั้งสามขั้นตอนคือ

- การถ่ายโอนออกซิเจนจากอากาศจำนวนมากไปยังพื้นผิวของน้ำ- การถ่ายโอนออกซิเจนผ่านอินเตอร์เฟส- การถ่ายโอนออกซิเจนจากพื้นผิวของอากาศไปยังน้ำจำนวนมาก

วิทแมน (1923) ได้นำเสนอ "ทฤษฎีสองต้านทาน"เป็นครั้งแรก ซึ่งได้รับการแสดงให้เห็นว่ามีความเหมาะสมสำหรับปัญหาการถ่ายเทมวลระหว่างเฟส ทฤษฎีทั่วไปมีสองสมมติฐานซึ่งสำหรับกรณีของการขนส่งออกซิเจนจากอากาศลงไปในน้ำ มีดังนี้

- อัตราการถ่ายเทออกซิเจนระหว่างเฟสถูกควบคุมโดยอัตราของการแพร่กระจายผ่านเฟสในแต่ละด้านของอินเตอร์เฟส- อัตราการแพร่กระจายของออกซิเจนผ่านอินเตอร์เฟสที่เป็น instantaneous และอินเตอร์เฟสจะคงที่ตลอดเวลา  ดังนั้นจึงเกิดสมดุลที่อินเตอร์เฟส

[15]

ตัวอย่างกระบวนการถ่ายเทมวลสารระหว่างสองเฟส• ตัวถูกละลายถ่ายเทจาก gas phase ไปยัง liquid phase เช่น การดูดซับก๊าซ (gas absorption) การลดความชื้น (dehumidification) การกลั่น (distillation)• ตัวถูกละลายถ่ายเทจาก liquid phase ไปยัง gas phase เชน่น การเพิ่มความชื้น (humidification)• ตัวถูกละลายถ่ายเทจากของเหลวหนึ่งไปอีกของเหลวหนึ่งที่ไม่ละลายกัน ได้แก่ การสกัดของเหลวด้วยของเหลว (liquid-liquid extraction)• ตัวถูกละลายถ่ายเทจากของแข็งไปยังของเหลว ได้แก่ การอบแห้ง การชะ (leaching)• ตัวถูกละลายถ่ายเทจากของไหลไปยังพื้นผิวของของแข็ง ได้แก่ การดูดซับ การแลกเปลี่ยนไอออน[16]