วิธีการบำบัดน้ำมันซิลิโคน

1. บทนำเกี่ยวกับน้ำมันซิลิโคน

น้ำมันซิลิโคน หมายถึง โพลีออร์แกโนซิลอกเซนในสถานะของเหลวที่มีโครงสร้างหลักเป็นพันธะ Si-O-Si โดยน้ำมันซิลิโคนไดเมทิลเป็นชนิดที่พบได้ทั่วไปที่สุด ซึ่งมีลักษณะเป็นของเหลวไม่มีสีและใส ไม่มีปฏิกิริยาต่อระบบชีวภาพ ทนต่ออุณหภูมิสูงและต่ำได้ดี มีสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้าและกันน้ำ รวมทั้งมีความหนืดคงที่ จึงถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในฐานะตัวกลางถ่ายเทความร้อนในอุตสาหกรรม สารหล่อลื่นสำหรับการปลดปล่อยผลิตภัณฑ์พลาสติก สารปรับผิวเรียบสำหรับผลิตภัณฑ์เคมีภัณฑ์เพื่อการใช้ในชีวิตประจำวัน และของเหลวสำหรับการเคลือบฉนวนไฟฟ้าในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เพื่อตอบสนองความต้องการในการผลิตของหลายอุตสาหกรรม

2. ปัญหาหลัก 4 ประการในการบำบัดน้ำมันซิลิโคน และหลักการแก้ไขด้วยกระบวนการกลั่นโมเลกุล

ปัญหาข้อที่ 1: น้ำมันซิลิโคนมีสิ่งเจือปนไซโคลซิลอกเซนที่มีมวลโมเลกุลต่ำ (เช่น D4/D5/D6) อยู่เป็นจำนวนมาก ซึ่งไม่สามารถกำจัดออกได้อย่างหมดจดด้วยกระบวนการกลั่นแบบทั่วไป ส่งผลให้คุณภาพของผลิตภัณฑ์ลดลงอย่างรุนแรง

การพอลิเมอไรเซชันของน้ำมันซิลิโคนเป็นปฏิกิริยาสมดุลที่สามารถย้อนกลับได้ ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปจะคงเหลือไซโคลซิลอกเซนเชิงโมเลกุลต่ำ (D3 ถึง D20) ไว้ตามธรรมชาติในสัดส่วน 12% ถึง 14% รวมทั้งมอนอเมอร์ที่ยังไม่ทำปฏิกิริยา ตัวทำละลาย และไซลอกเซนเชิงโมเลกุลต่ำที่มีสายโซ่สั้น

น้ำมันซิลิโคนคุณภาพต่ำ: การกลั่นภายใต้สุญญากาศแบบดั้งเดิมสามารถกำจัดโมเลกุลเล็กที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำบางส่วนออกไปได้เท่านั้น โดยสารระเหยที่เหลืออยู่มีปริมาณระหว่าง 1% ถึง 3%

สถานการณ์ที่ต้องการคุณภาพสูง (เช่น ด้านอิเล็กทรอนิกส์ การแพทย์ และออปติกส์) มีข้อกำหนดที่เข้มงวดมากเกี่ยวกับปริมาณสารตกค้างเชิงโมเลกุลต่ำไม่เกิน 100 ppm โมเลกุลเล็กที่ยังคงตกค้างจะระเหยออกมาอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้เกิดความล้มเหลวของการแยกฉนวนที่ขั้วต่ออิเล็กทรอนิกส์ เลนส์ขุ่น และการระคายเคืองต่อร่างกายมนุษย์จากการตกตะกอนของสารจากอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ฝังไว้

ข้อจำกัดของกระบวนการกลั่นแบบดั้งเดิม: การแยกสารอาศัยเพียงความแตกต่างของจุดเดือดเท่านั้น ไซลอกเซนวงแหวนที่มีมวลโมเลกุลสูงมีจุดเดือดสูงกว่า 400°C ขณะที่อุณหภูมิสูงสุดที่หอแยกสุญญากาศแบบดั้งเดิมสามารถให้ได้คือ 250°C ทำให้ไม่สามารถระเหยและแยกสารได้ ส่งผลให้มีสิ่งเจือปนจำนวนมากหลงเหลืออยู่

หลักการแก้ไขปัญหาอย่างตรงจุด

การกลั่นแบบโมเลกุล (Molecular distillation) ใช้หลักการแยกสารจากความแตกต่างของระยะทางเฉลี่ยที่โมเลกุลเคลื่อนที่ได้ก่อนชนกับโมเลกุลอื่น (mean free path) แทนที่จะพึ่งพาเพียงจุดเดือด

อุปกรณ์รักษาระดับสุญญากาศสูง (0.001–1 พาสคาล) เพื่อยืดระยะทางเฉลี่ยที่โมเลกุลเคลื่อนที่ได้ก่อนชนกับโมเลกุลอื่นให้ยาวขึ้นอย่างมาก

โมเลกุลขนาดเล็กขององค์ประกอบที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำจะหลุดออกและบินตรงไปยังคอนเดนเซอร์ภายในเพื่อเก็บกู้คืน ในขณะที่ซิลิโคนออยล์ที่มีมวลโมเลกุลสูงมีระยะทางเฉลี่ยที่โมเลกุลเคลื่อนที่ได้ก่อนชนกับโมเลกุลอื่นสั้นมาก จึงไม่สามารถไปถึงผิวที่ทำหน้าที่ควบแน่นได้ และไหลออกตามผนังที่ให้ความร้อนเป็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป

การกลั่นแบบโมเลกุลหลายขั้นตอนสามารถลดสิ่งเจือปนที่มีมวลโมเลกุลต่ำให้ต่ำกว่า 100 ส่วนต่อล้านส่วน (ppm) ทำให้วัสดุระเหยได้ลดลงจาก 1.5% ให้ต่ำกว่า 0.3% ซึ่งสอดคล้องกับมาตรฐานความบริสุทธิ์ที่เข้มงวดสำหรับผลิตภัณฑ์ระดับอิเล็กทรอนิกส์และทางการแพทย์

จุดปัญหาที่ 2: น้ำมันซิลิโคนเป็นพอลิเมอร์ที่ไวต่อความร้อน การให้ความร้อนเป็นเวลานานที่อุณหภูมิสูงจะทำให้เกิดการแตกร้าว การออกซิเดชัน การเชื่อมข้าม และการเปลี่ยนสี นอกจากนี้ โครงสร้างหลัก Si-O ของน้ำมันซิลิโคนยังมีแนวโน้มที่จะแตกหักภายใต้อุณหภูมิสูง

เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 260°C พร้อมกับเวลาที่สารค้างอยู่ในระบบเป็นเวลานาน สายโมเลกุลจะแตกตัวและสร้างโมเลกุลขนาดเล็กเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ความหนืดและความเสถียรของผลิตภัณฑ์เสื่อมสภาพอย่างถาวร

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นกรด-เบสที่ตกค้างในปริมาณเล็กน้อย เมื่อรวมกับอุณหภูมิสูง จะกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันย้อนกลับและการสลายตัวอย่างต่อเนื่องของน้ำมันซิลิโคน

การเกิดออกซิเดชันจะเกิดขึ้นเมื่อสัมผัสกับอากาศที่อุณหภูมิสูง ทำให้ผลิตภัณฑ์เปลี่ยนเป็นสีเหลืองและลดความโปร่งใส ส่งผลให้สูญเสียมูลค่าของผลิตภัณฑ์ระดับพรีเมียม

การกลั่นสุญญากาศแบบทั่วไปยังคงให้วัสดุที่สะสมอยู่แบบนิ่งภายในเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งต้องใช้เวลาให้ความร้อนนานหลายสิบนาที เพื่อทำให้สิ่งเจือปนที่มีจุดเดือดสูงระเหยออกไป จำเป็นต้องเพิ่มอุณหภูมิขึ้นถึง 240–280°C ส่งผลให้เกิดการออกซิเดชันจากความร้อนและการสลายตัวของวัสดุอย่างรุนแรง จนกระทบต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป

หลักการแก้ไขปัญหาอย่างตรงจุด

การแยกที่อุณหภูมิต่ำ: สุญญากาศสูงช่วยลดอุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับการแยกลง 80–150°C เมื่อเทียบกับการกลั่นแบบทั่วไป ซึ่งต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตสำหรับการสลายตัวจากความร้อนของน้ำมันซิลิโคนอย่างมาก

ระยะเวลาให้ความร้อนสั้นมาก: ใบกวาดสร้างฟิล์มของเหลวบางพิเศษที่มีความหนาเพียง 0.01–0.1 มม. ขึ้นโดยอาศัยแรงกด และวัสดุจะอยู่ในโซนให้ความร้อนเพียงไม่กี่วินาทีถึงมากกว่าสิบวินาที จึงแทบไม่มีความเสี่ยงต่อการเสื่อมสภาพจากความร้อนเลย

สภาพแวดล้อมที่ปิดสนิท ภายใต้สุญญากาศสูงและปราศจากออกซิเจน เพื่อแยกผลกระทบจากการออกซิเดชันที่เกิดจากอากาศ จึงสามารถรักษาความใสและความเสถียรทางความร้อนของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปได้อย่างสมบูรณ์

จุดปัญหาที่ 3: ซิลิโคนน้ำมันมีความหนืดสูง อุปกรณ์แบบเดิมให้อัตราการถ่ายเทความร้อนต่ำมาก ทำให้เกิดภาวะร้อนเกินท้องถิ่นและเกิดโฟมที่ถูกพัดพาไปพร้อมกับสาร

ซิลิโคนน้ำมันที่มีความหนืดปานกลางถึงสูงมีความสามารถในการไหลต่ำ อุปกรณ์ปฏิกรณ์สุญญากาศและคอลัมน์บรรจุแบบเดิมจึงมีข้อบกพร่องร้ายแรงดังนี้

วัสดุที่หนาส่งผลให้การถ่ายเทความร้อนไม่ดี ทำให้เกิดภาวะร้อนเกินท้องถิ่นและเกิดการเผาไหม้ (coking) ที่ก้นปฏิกรณ์ ส่วนที่เผาไหม้แล้วเกาะติดผนังจะปนเปื้อนผลิตภัณฑ์

เกิดโฟมจำนวนมากในระหว่างการให้ความร้อนและการเดือด ซึ่งโฟมจะพัดพาโมเลกุลขนาดใหญ่ของซิลิโคนน้ำมันเข้าสู่ส่วนกลั่น ทำให้ผลผลิตสำเร็จรูปลดลงอย่างรวดเร็ว

อัตราการแพร่กระจายของโมเลกุลขนาดเล็กไปยังผิวของของเหลวในสถานะของเหลวแบบนิ่งมีความช้า ส่งผลให้ประสิทธิภาพการแยกต่ำ จึงจำเป็นต้องกลั่นซ้ำ 3–5 ครั้ง ส่งผลให้การใช้พลังงานและต้นทุนแรงงานเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า

หลักการแก้ไขปัญหาอย่างตรงจุด

การก่อตัวของฟิล์มแบบบังคับโดยเครื่องขูด: โรเตอร์หมุนด้วยความเร็วสูงเพื่อขูดวัสดุให้เกิดเป็นฟิล์มของเหลวบางพิเศษที่สม่ำเสมอบนผนังด้านในของเครื่องระเหย ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนและมวลได้มากกว่าหลายสิบเท่า โดยไม่เกิดจุดร้อนท้องถิ่นที่มีอุณหภูมิสูง

การแยกแบบไม่ต้องเดือด: การกลั่นโมเลกุลอาศัยหลักการระเหยจากผิวอิสระโดยไม่มีการเดือดอย่างรุนแรงหรือเกิดฟอง จึงป้องกันไม่ให้น้ำมันซิลิโคนโมเลกุลใหญ่ถูกพัดพาไปกับฟอง และทำให้อัตราผลผลิตสุดท้ายคงที่อยู่ที่มากกว่า 95%

ฟิล์มของเหลวบางพิเศษเร่งกระบวนการแพร่กระจายและการหลุดออกของโมเลกุลขนาดเล็ก การแยกเพียงครั้งเดียวสามารถให้ผลการบริสุทธิ์เทียบเท่ากับการกลั่นซ้ำ 3–5 ครั้งด้วยอุปกรณ์แบบดั้งเดิม จึงลดระยะเวลาของกระบวนการลงอย่างมาก

จุดปัญหาที่ 4: กระบวนการบริสุทธิ์แบบดั้งเดิมมีอัตราผลผลิตต่ำ ยากต่อการกู้คืนผลิตภัณฑ์รอง สร้างภาระหนักต่อการคุ้มครองสิ่งแวดล้อม และมีต้นทุนสูง

การแตกร้าวที่อุณหภูมิสูงซ้ำๆ ในการกลั่นแบบดั้งเดิมทำให้เกิดการสลายตัวของน้ำมันซิลิโคนอย่างรุนแรง ส่งผลให้อัตราการได้ผลิตภัณฑ์หลักอยู่เพียง 70% ถึง 80%

ไซโคลซิลอกเซนชนิดต่างๆ เช่น D4/D5 ที่ถูกแยกออกมานั้นมีมูลค่าสูงในฐานะวัตถุดิบ แต่คอลัมน์กลั่นแบบดั้งเดิมให้ความบริสุทธิ์ของการแยกที่ต่ำมาก จึงไม่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ จึงจำเป็นต้องจัดการเป็นของเสียอันตราย ซึ่งก่อให้เกิดการสูญเสียวัตถุดิบและค่าใช้จ่ายสูงสำหรับการกำจัดของเสียแข็ง

บางกระบวนการต้องใช้การล้างด้วยน้ำและการสกัดด้วยตัวทำละลายเพื่อขจัดสิ่งเจือปน ซึ่งก่อให้เกิดน้ำเสียอินทรีย์ที่มีความเค็มสูงในปริมาณมาก และค่าใช้จ่ายสูงสำหรับการบำบัดสิ่งแวดล้อม

หลักการแก้ไขปัญหาอย่างตรงจุด

อุณหภูมิต่ำและระยะเวลาการให้ความร้อนสั้นช่วยลดความเสียหายจากความร้อนให้น้อยที่สุด ทำให้อัตราการได้ผลิตภัณฑ์น้ำมันซิลิโคนหลักอยู่ที่ ≥92%

โมเลกุลขนาดเล็กที่เป็นองค์ประกอบเบาจะถูกควบแน่นและเก็บแยกต่างหาก โดยไซโคลซิลอกเซน D4/D5 ที่มีความบริสุทธิ์สูงสามารถนำกลับไปใช้ในกระบวนการพอลิเมอไรเซชันได้โดยตรงเพื่อนำกลับมาใช้ซ้ำ ซึ่งช่วยเพิ่มอัตราการใช้วัตถุดิบให้มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

การแยกทางกายภาพอย่างบริสุทธิ์โดยไม่ต้องเติมตัวทำละลาย ไม่มีน้ำเสียเกิดขึ้นตลอดกระบวนการ ทำให้ขั้นตอนการป้องกันสิ่งแวดล้อมหลังการผลิตง่ายขึ้น

สามารถผลิตแบบต่อเนื่องและอัตโนมัติได้ เมื่อเปรียบเทียบกับปฏิกรณ์สุญญากาศแบบแบตช์ จะลดการใช้พลังงานและต้นทุนแรงงานต่อหน่วยผลิตลงอย่างมาก