การถ่ายโอนมวล

การถ่ายโอนมวลสาร (Mass Transfer) เกิดจากการถ่ายโอนมวลสารในระบบของสารตั้งแต่ 2 องค์ประกอบขึ้นไป ที่มีความเข้มข้นแตกต่างกัน
โดยที่โมเลกุลจะเคลื่อนที่จากความเข้มข้นมากไปยังความเข้มข้นน้อย เพื่อให้เกิดความสมดุลของโมเลกุลในระบบ ซึ่งกลไกลนี้ทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนของมวลสาร
นอกจากนี้ ความแตกต่างกันของอุณหภูมิ ความดันหรือแรงจากภายนอก ก็สามารถเกิดการถ่ายเทมวลสารได้เช่นกัน  ส่วนปัจจัยที่มีผลต่อการถ่ายโอนมวลสาร
เช่น ความดันและปริมาณของสารละลาย ซึ่งแปรผันตรงกับอัตราการถ่ายเทมวล เมื่อเพิ่มความดันและเพิ่มปริมาณของสารละลายจะทำให้อัตราการถ่ายเทมวลเพิ่มขึ้น
แรงจากภายนอก เช่น  แรงแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นต้น  และความหนาแน่น
การโอนมวลสารเกิดขึ้นได้ 2 แบบ ได้แก่ การถ่ายโอนมวลสารโดยการแพร่ของโมเลกุล และการถ่ายโอนมวลสารโดยการพา
ซึ่งในหนึ่งกระบวนการอาจเกิดการถ่ายเทมวลทั้ง 2 แบบพร้อมกันก็ได้
•	ถ้าการไหลเป็นแบบ laminar    การถ่ายเทมวลมักเป็นแบบการแพร่
•	ถ้าการไหลเปน็นแบบ turbulent การถ่ายเทมวลมักเป็นแบบการพามากกว่า
== กลไกการถ่ายโอนมวลสาร ==
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 
กระบวนการแพร่สามารถอธิบายได้ด้วยสมการทางคณิตศาสตร์จากกฎของฟิค (Fick’s law) ที่กล่าวไว้ว่า“ฟลักซ์เชิงมวลต่อหน่วยพื้นที่ขององค์ประกอบหนึ่ง เป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของความเข้มข้น”
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
สมการแสดงฟลักซ์ของการพามวล คือ
NA = kcΔCA
NA = ฟลักซ์เชิงโมลของโมเลกุล A เทียบกับพิกัดคงที่
ΔCA = ผลต่างของความเข้มข้นของ A ระหว่างค่าที่พื้นผิวกับค่าเฉลี่ยในของไหลหรือระหว่างค่าเฉลี่ยในของไหลสองชนิด
kc = สัมประสิทธิ์การพามวล (convective mass transfer coefficient)
- ฟลักซ์ (flux) เมื่อเทียบกับระนาบที่เคลื่อนที่ ตามทฤษฎีของฟิคของสารนั้นๆ จะมีความเร็วสัมพัทธ์กับความเร็วเฉลี่ยเชิงมวลหรือเชิงโมล ได้ก็ต่อเมื่อมีความแตกต่างของความเข้มข้นเท่านั้น
สัมประสิทธิ์การแพร่ (Diffusivity or Diffusion Coefficient)
สัมประสิทธ์การแพร่ คือ ค่าที่บ่งบอกถึงอัตราการแพร่ของสารน้ันๆ ในตัวกลาง ซึ่งมีหน่วยเป็น(m2/s)
ค่านี้สามารถเปรียบเทียบได้กับค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อน (thermal  diffusivity )  โดยขึ้นกับชนิดและส่วนผสมของระบบ รวมท้ังสภาพแวดล้อม
เช่น ความดันและอุณหภูมิ โมเลกุลของก๊าซสามารถเคลื่อนที่ได้ง่ายเมื่อเทียบกับของเหลวซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้ง่ายกว่าของแข็ง
ดังนั้น สัมประสิทธิ์การแพร่ของก๊าซจึงมีค่าสูงสุด โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 5×10-6 ถึง 10-5 m2/s
สัมประสิทธิ์การแพร่ของของเหลวอยู่ในช่วงปานกลาง คือ 10-10 ถึง 10-9 m2/s ส่วนสัมประสิทธิ์การแพร่ของของแข็งมี
ค่าต่ำสุดอยู่ที่ 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 ซึ่งการแพร่ในลักษณะนี้มีความสำคัญต่อตัวเร่งปฏิกิริยา
และวิศวกรรมเคมี  (2) การแพร่ภายใน (interdiffusion) เนื่องจากการเคลื่อนที่ของอะตอม ซึ่งเกิดได้จากหลายกรณี เช่น เกิดจากช่องว่าง หรือการเสียรูปของโครงสร้างผลึก
ทำให้เกิดการแพร่ชนิดต่างๆ เช่น vacancy diffusion, interstitial diffusion, interstitialcy diffusion เป็นต้น
การแพร่ผ่านรูพรุนจะเกิดโดยกลไกใดกลไกหนึ่งใน 3 กลไกดังนี้
- เมื่อขนาดรูพรุนมีขนาดใหญ่และแก๊สมีความหนาแน่นค่อนข้างสูง การถ่ายเทมวลจะเป็นแบบการแพร่ของฟิค ภายในตัวเร่งปฏิกิริยา
ช่องทางการแพร่ (diffusion  path)ของก๊าซจะมีรูปร่างที่ไม่ปกติและคดเคี้ยวไปมาทำให้ฟลักซ์มีค่าน้อยกว่าการแพร่ในช่องทางที่มีระเบียบแน่นอน
ดังน้ันมวลฟลักซ์จึงอธิบายได้โดย สัมประสิทธ์การแพร่จริง (effective diffusion coefficient,DA,eff) ซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดัน และคุณสมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยา
เช่น สัดส่วนช่องว่าง แฟกเตอร์ความยาวมุม  และแฟคเตอร์รูปร่าง
- เมื่อขนาดรูพรุนมีขนาดเล็กและแก๊สมีความหนาแน่นต่ำ การถ่ายเทมวลจะเป็นแบบการแพร่แบบนูเซ็น (Knudsen diffusion)
- เมื่อมีความแตกต่างของความเข้มข้นของโมเลกุลที่ถูกดูดซับบนผิว จะมีการแพร่ของโมเลกุลในสองทิศทาง ซึ่งเรียกว่าการแพร่บนพื้นผิว (surface diffusion)
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
1.การพามวลแบบบังคับ (force convection)  เป็นกระบวนการการเคลื่อนที่ของมวลโดยมีกลไกการใช้แรงภายนอกมาควบคุมการเคลื่อนที่ของมวลสารหรือทำให้เกิดการพา เช่น ปั๊มขับเคลื่อนของเหลว  เครื่องดันอากาศ หรืออุปกรณ์ต่างๆ
2.การพามวลแบบธรรมชาติ (natural convection) หรือการพามวลแบบอิสระ  (Free convection) เป็นกระบวนการเคลื่อนที่ของมวลโดยไม่อาศัยกลไกใดๆ
ในการเคลื่อนที่  แต่การเคลื่อนที่ของสารจะเกิดขึ้นโดยความแตกต่างของอุณหภูมิ ความแตกต่างของความหนาแน่น หรือความแตกต่างของความเข้มข้น เป็นต้น
=== สัมประสิทธ์การถ่ายโอนมวล ===
K m   คืออัตราการถ่ายโอนมวลต่อหน่วยพื้นที่ต่อหน่วยความแตกต่างของความเข้มข้น การถ่ายโอนมวลนี้หมายความรวมไปถึงทั้งการแพร่ และการพา
ปัจจัยที่มีความเกี่ยวข้องกับสัมประสิทธ์การถ่ายโอนมวลคือ  สัมประสิทธิ์การแพร่ ความเร็วของของไหล(u)  ความหนาแน่นของของไหล(ρ) ความหนืดของของไหล(μ )
และ ขนาดของระยะทาง(d)
==== 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 โดยความดันไอย่อยของแอมโมเนียในก๊าซเฟสจะเปลี่ยนไปจากค่าเดิม
ดังนั้น ในสภาวะที่เกิดความสมดุลว่างเฟส  สิ่งที่เกิดขึ้นคือ "อัตราการถ่ายเทมวลสุทธิเท่ากับศูนย์" กลไกการถ่ายเทมวลสารระหว่างเฟส
สามารถอธิบายได้โดย ทฤษฎีสองความต้านทาน (Two-resistance theory) ซึ่งประกอบไปด้วย 3 ขั้นตอน คือ
1. การถ่ายเทมวลจากภายในเฟสที่หนึ่งไปยัง interface
2. การถ่ายเทข้าม interface
3. การถ่ายเทจาก interface ไปยังภายในของเฟสที่สอง
จากทฤษฎีสองความต้านทาน ตัวอย่างในกรณี การขนส่งออกซิเจนจากอากาศลงไปในน้ำมีทั้งสามขั้นตอนคือ
- การถ่ายโอนออกซิเจนจากอากาศจำนวนมากไปยังพื้นผิวของน้ำ
- การถ่ายโอนออกซิเจนผ่านอินเตอร์เฟส
- การถ่ายโอนออกซิเจนจากพื้นผิวของอากาศไปยังน้ำจำนวนมาก
วิทแมน (1923) ได้นำเสนอ "ทฤษฎีสองต้านทาน"เป็นครั้งแรก ซึ่งได้รับการแสดงให้เห็นว่ามีความเหมาะสมสำหรับปัญหาการถ่ายเทมวลระหว่างเฟส
ทฤษฎีทั่วไปมีสองสมมติฐานซึ่งสำหรับกรณีของการขนส่งออกซิเจนจากอากาศลงไปในน้ำ มีดังนี้
- อัตราการถ่ายเทออกซิเจนระหว่างเฟสถูกควบคุมโดยอัตราของการแพร่กระจายผ่านเฟสในแต่ละด้านของอินเตอร์เฟส
- อัตราการแพร่กระจายของออกซิเจนผ่านอินเตอร์เฟสที่เป็น instantaneous และอินเตอร์เฟสจะคงที่ตลอดเวลา  ดังนั้นจึงเกิดสมดุลที่อินเตอร์เฟส
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