วัสดุเพื่อการใช้งานทางสิ่งแวดล้อม

photoreactor1

ผศ.ดร.สิริลักษณ์ เจียรากร

วัสดุนาโนได้มีการสังเคราะห์และนำมาใช้กับงานด้านต่างๆ ได้อย่างกว้างขวาง แต่วัสดุนาโนที่ใช้ในงานทางด้านสิ่งแวดล้อมจะมีความเฉพาะเจาะจงมากกว่า เนื่องจากจะต้องพิจารณาถึงชนิดของมลสารและข้อจำกัดในเรื่องของราคาเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีอื่นๆ ข้อดีของการเลือกใช้วัสดุนาโนเพื่อการบำบัดทางสิ่งแวดล้อมคือ วัสดุที่มีขนาดอนุภาคเล็กในระดับนาโนเมตรนอกจากจะช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสกับมลสารแล้วยังช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวในการบำบัด ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการบำบัดมลพิษสูงขึ้น การพัฒนาวัสดุเพื่อการบำบัดทางสิ่งแวดล้อม เดิมอาศัยเพียงหลักการของการดูดซับ (adsorption) มลสารจะถูกดูดซับด้วยกลไกทางประจุ ทางกายภาพด้วยแรงวันเดอร์วาลส์ หรือทางเคมีด้วยพันธะทางเคมี วัสดุดูดซับที่ถูกพัฒนาขึ้นในระยะแรกจะเน้นการเพิ่มพื้นที่ผิวเป็นหลัก และหากต้องการเพิ่มประสิทธิภาพของการดูดซับให้สูงขึ้น จะใช้เทคนิคการปรับปรุงผิวสมบัติของวัสดุดูดซับให้มีความจำเพาะกับมลสารที่ต้องการดูดซับ อาศัยหลักการดูดของประจุ และความมีขั้วของโมเลกุล เช่น หากต้องการดูดซับสารที่มีประจุบวก จะต้องปรับผิวสมบัติของวัสดุให้มีประจุลบ แต่อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันเทคนิคการบำบัดมลพิษด้วยการดูดซับเป็นเทคนิคที่ได้รับความนิยมน้อยลง  เนื่องจากวิธีการนี้ไม่ได้เป็นวิธีการบำบัดอย่างยั่งยืน วัสดุดูดซับที่ดูดซับสารพิษแล้วจะกลายเป็นของเสียอันตรายซึ่งต้องมีการบำบัดในขั้นตอนต่อไป ประกอบกับแนวคิดของ Green Chemistry ซึ่งเน้นการบำบัดทางเคมีที่ส่งผลต่อสิ่งแวดล้อมน้อยที่สุด ทำให้มีการพัฒนาเทคนิคการบำบัดมลสารโดยเน้นการทำลายโครงสร้างเคมีของมลสารให้มีความเป็นพิษน้อยลง ไม่ว่าจะเป็นการฝังตัวเร่งปฏิกิริยาลงบนวัสดุดูดซับ การบำบัดมลสารด้วยวิธีโฟโตคะตะไลสิสเป็นต้น แต่อย่างไรก็ตามประโยชน์ของวัสดุดูดซับที่มีพื้นที่ผิวสูงก็สามารถเข้ามามีบทบาทในการเพิ่มประสิทธิภาพการบำบัดด้วยวิธีดังกล่าวได้ โดยการดูดซับจะทำให้โอกาสในการสัมผัสกันระหว่างตัวเร่งปฏิกิริยาและมลสารสูงขึ้น นอกจากนี้วัสดุดูดซับยังถูกนำมาพัฒนาเป็นวัสดุตรวจจับมลสาร หรือ  sensor  ได้ โดยอาศัยการต่อวงจรไฟฟ้าเข้ากับวัสดุดูดซับ เมื่อมีการดูดซับสารที่ต้องการบนวัสดุดูดซับ จะเกิดการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณไฟฟ้าในวงจร ซึ่งสามารถแปรผลเป็นความเข้มข้นได้

การวิจัยและพัฒนา

ทางกลุ่มวิจัยได้ทำการศึกษาและพัฒนาวัสดุนาโนในกลุ่มของ  mesoporous molecular sieve ที่มีชื่อว่า MCM-41 ซึ่งเป็นวัสดุที่ถูกค้นพบโดยกลุ่มนักวิจัยของ Mobil Research and Development Corporation ในปี ค.ศ. 1992 โดยความบังเอิญ กลุ่มวิจัยได้ศึกษาวิธีการลดต้นทุนการนำเข้าวัสดุ MCM-41 จากต่างประเทศ โดยสังเคราะห์วัสดุ MCM-41 จากซิลิกาที่ได้จากแกลบข้าวและขี้เถ้าแกลบที่เหลือทิ้งจากโรงไฟฟ้าชีวมวล อาศัยสารลดแรงตึงผิวเป็นโครงร่างให้ผลึกซิลิกามาเกาะกันเป็นรูปท่อ รูพรุนมีลักษณะเป็นรูปหกเหลี่ยมคล้ายรังผึ้ง ขนาดของรูพรุนประมาณ 3 นาโนเมตร และมีพื้นที่ผิวมากกว่า 800 ตารางเมตรต่อกรัม มีสมบัติทนต่อความร้อนได้สูง

image1

 

ปัจจุบันวัสดุดังกล่าวถูกนำมาต่อยอดสำหรับการบำบัดมลพิษในสิ่งแวดล้อมอย่างกว้างขวาง เช่น การปรับผิวสมบัติของ MCM-41 เพื่อดูดจับสารปนเบื้อนที่อยู่ในแหล่งน้ำ เช่น สารหนู เหล็ก ไนเตรต ตะกั่ว หรือโลหะหนักต่างๆ หรือสารระเหยอินทรีย์ในอากาศ เช่น เบนซีน โทลูอีน เอทธิลเนซีน และไซลีน นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาสมบัติของวัสดุนาโนชนิดนี้ให้อยู่ในรูปของวัสดุลูกผสม (Nano-hybrid) หรือวัสดุนาโนคอมโพสิต (Nano-composite) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการบำบัดในการใช้งานที่มีความจำเพาะกับสารมลพิษ อย่างเช่น มีการผสมโลหะทรานซิชัน หรือตัวเร่งปฏิกิริยาโฟโตคะตะลิสเพื่อใช้กำจัดมลสารในอาคาร (indoor air pollutants) อย่างเช่น สารอินทรีย์ระเหย เชื้อราและแบคทีเรียในอาคาร หรือรถยนต์ เป็นต้น