นักวิจัยทั่วโลกค้นหาเทคโนโลยีเปลี่ยน 'อากาศเสีย' ให้มีมูลค่า

ปัจจุบันแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศได้เพิ่มปริมาณสูงขึ้นอย่างมากจากกิจกรรมของมนุษย์ เช่น การเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลของถ่านหินและน้ำมัน การเผาไหม้ทางการเกษตร การขนส่งคมนาคม และอากาศเสียจากโรงงานอุตสาหกรรม เป็นต้น จนถึงปี พ.ศ. 2562 ความเข้มข้นของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศได้เพิ่มสูงกว่า 400 ppm ทำให้ส่งผลกระทบให้เกิดสภาวะโลกร้อน (global warming) อย่างมาก 

ดร.อดิสร เตือนตรานนท์ ศูนย์เทคโนโลยีเพื่อความมั่นคงของประเทศและการประยุกต์เชิงพาณิชย์ สวทช.

จากปัญหาที่เกิดขึ้นทำให้ในปัจจุบัน มีการศึกษาวิธีการลดการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ โดยเฉพาะจากแหล่งกำเนิดแบบชัดเจน (point source) เช่น โรงงานที่มีการเผาไหม้เชื้อเพลิง หรือโรงงานผลิตที่มีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นผลิตภัณฑ์ข้างเคียง การจัดการกับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะถูกแบ่งออกเป็น 2 ขั้นตอนหลัก ขั้นตอนแรกจะเกี่ยวข้องกับการดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (Carbon Capture and Storage: CCS) ส่วนขั้นตอนที่สองที่จะนำก๊าซที่ดักจับได้ไปกักเก็บ หรือแนวคิดเพื่อที่จะนำแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จากบรรยากาศซึ่งต้องการกำจัดมาเปลี่ยนรูปให้เป็นวัสดุที่มีประโยชน์ชนิดต่างๆ (Carbon Capture and Utilization: CCU) ได้แก่ วัสดุนาโนคาร์บอน (nanocarbon) และสารประกอบเชิงคาร์บอนทั้งชนิดอินทรีย์และอนินทรีย์ (organic and inorganic carbonaceous compounds)

วัสดุนาโนคาร์บอน โดยเฉพาะอย่างยิ่งวัสดุท่อนาโนคาร์บอน (carbon nanotubes) และกราฟีน (graphene) ที่มีโครงสร้างระดับนาโนแบบ 1 และ 2 มิติ นั้นกำลังได้รับความสนใจอย่างมากเมื่อเทียบกับวัสดุอื่นเนื่องจากเป็นวัสดุที่มีมูลค่าสูง และมีคุณสมบัติที่โดดเด่นเป็นพิเศษทั้งทางกายภาพ ไฟฟ้าและเคมี ทำให้เหมาะที่จะนำไปประยุกต์ใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้งานในหลายๆ ด้าน เช่น อิเล็กทรอนิกส์ระดับนาโน แบตเตอรี่ เซลล์แสงอาทิตย์ ตัวเก็บประจุไฟฟ้ายิ่งยวด เซ็นเซอร์ หรือ วัสดุคอมพอสิตสำหรับยานยนต์และอากาศยาน เป็นต้น ดังนั้น นักวิจัยทั่วโลกจึงให้ความสนใจในการศึกษาและพัฒนาเทคโนโลยีสำหรับการเปลี่ยนแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นวัสดุท่อนาโนคาร์บอนและกราฟีนเป็นอย่างมาก

ตัวอย่างเช่น เทคโนโลยีการสังเคราะห์ด้วยไอเคมี (Chemical vapor deposition: CVD) ซึ่งอาศัยการเกิดปฏิกริยาเคมีที่อุณหภูมิสูงโดยใช้ส่วนผสมระหว่างแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และแก๊สไฮโดรเจนภายใต้ความดันบรรยากาศ ที่อุณหภูมิระหว่าง 900 ถึง 1,000 องศาเซลเซียสในสภาวะสุญญากาศจนถึงความดันบรรยากาศ หลังจากปฏิกริยาจะทำให้ออกซิเจนอะตอมหลุดออกไปจากโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์แล้วทำให้เกิดของแข็งเป็นอะตอมของคาร์บอน ซึ่งอาจจะจัดเรียงตัวกันเป็นแผ่นนาโนกราฟีนหรือวัสดุท่อนาโนคาร์บอน โดยขึ้นกับชนิดของตัวเร่งปฏิกิริยา อีกวิธีการหนึ่งอาศัยเทคโนโลยีการสังเคราะห์ด้วยวิธี magnesiothermic reaction โดยใช้คาร์บอนไดออกไซด์ที่ถูกแปลงให้อยู่ในสถานะของแข็งที่เรียกว่าน้ำแข็งแห้ง (dry ice)

ในวิธีนี้โลหะแมกนีเซียม (Mg) จะถูกเผาให้น้ำแข็งแห้ง (dry ice) ที่ประมาณ - 80 องศาเซลเซียส ซึ่งจะทำให้เกิดปฏิกิริยาในการเผาในสภาวะบรรยากาศ ซึ่งทำให้การเกิดผลผลิตอะตอมของคาร์บอนที่จะเรียงตัวเป็นแผ่นนาโนกราฟีนอยู่บนอนุภาคนาโนแมกนีเซียมออกไซด์ ถึงแม้ว่าวิธีนี้จะง่ายสำหรับการแปลงแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์เป็นกราฟีน แต่ผลการศึกษายังค่อนข้างจำกัด ยังขาดการศึกษาผลกระทบของปัจจัยต่างๆของกระบวนการเตรียมที่มีต่อโครงสร้าง พื้นที่ผิว ตลอดจนสมบัติทางฟิสิกส์และเคมีต่างๆของกราฟีนที่เตรียมได้ และยังไม่ได้พิจารณาข้อจำกัดของการควบคุมการผลิตจำนวนมากและการเพิ่มต้นทุนในกระบวนการผลิตน้ำแข็งแห้งจากแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์

ภาพจาก bioenergyinternational.com/

นอกจากนี้ ยังมีรายงานการสังเคราะห์ท่อคาร์บอนนาโนด้วยหลักการ magnesiothermic reaction นี้อีกด้วย แต่อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีแปลงแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ไปเป็นกราฟีนนี้สามารถนำไปใช้งานในโรงงานอุตสาหกรรม เพื่อช่วยลดปริมาณแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่ปลดปล่อยออกมาจากกระบวนการผลิตเพื่อลดปัญหาด้านมลพิษ สามารถตอบสนองต่อแนวทางการใช้วัสดุซ้ำหรือเหลือทิ้ง (Recycling) ให้เป็นประโยชน์ เกิดเป็นธุรกิจใหม่ที่จะสร้างวัสดุที่มีมูลค่าสูง ขณะเดียวกันก็ช่วยลดมลพิษ สอดคล้องกับแนวเศรษฐกิจตามโมเดล BCG เพื่อเศรษฐกิจที่ยั่งยืนอีกด้วย

*บทความโดย ดร.อดิสร เตือนตรานนท์ ศูนย์เทคโนโลยีเพื่อความมั่นคงของประเทศและการประยุกต์เชิงพาณิชย์ สวทช., เมธีวิจัยอาวุโส สกว., สมาคมวิจัยวัสดุประเทศไทย