เปลี่ยนขวดพลาสติกเป็นตัวช่วยจับคาร์บอนไดออกไซด์

ขวดน้ำพลาสติกที่ทำมาจากพอลิเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET) นั้น นับเป็นขยะที่พบได้จำนวนมากในทุกๆ วัน ในขณะเดียวกัน ก็สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้หลากหลายรูปแบบ ซึ่งหนึ่งในนั้นคือ การใช้ วทน. ในการเปลี่ยนขยะขวดพลาสติกให้เป็นวัสดุนาโนมูลค่าสูงอย่าง MOFs

MOFs ย่อมาจาก Metal Organic Frameworks หรือ วัสดุโครงข่ายโลหะอินทรีย์ เป็นวัสดุนาโนชนิดหนึ่งที่มีสมบัติน่าสนใจหลายอย่าง อาทิ มีพื้นที่ผิวมาก มีความพรุนสูง มีความหนาแน่นต่ำ และทนอุณหภูมิที่สูงมาก

นอกจากนี้ ยังมีความสามารถที่น่าสนใจอย่างการคัดเลือกโมเลกุลที่ต้องการออกจากโมเลกุลอื่น มีการนำไปใช้กับตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีที่จำเพาะกับรูปร่างและโครงสร้างของสารเคมีนั้น ๆ ทำให้สามารถใช้เป็นสารดูดซับ หรือตัวกรองได้ ขึ้นอยู่กับโครงสร้าง

ด้วยความที่ MOFs เป็นวัสดุลูกผสม (hybrid material) ที่ประกอบไปด้วย ส่วนที่เป็นโลหะและสารอินทรีย์

ทีมวิจัยจึงมองเห็นโอกาส พัฒนากระบวนการย่อยพอลิเอทิลีนเทเรฟทาเลตจากขวดพลาสติกมาแทนที่ส่วนประกอบที่เป็นสารอินทรีย์ หรือออร์แกนิค ลิแกนด์ (organics ligand) ซึ่งเป็นสารตั้งต้น

พร้อมพัฒนาสูตร/กระบวนการในการสังเคราะห์ MOFs นำร่อง ชนิด UiO-66 จากโลหะเซอร์โคเนียม (zirconium) และ MIL-53 จากโลหะอลูมิเนียม(aluminum) ด้วยแนวคิดเคมีสีเขียว (Green Chemistry) โดย MOFs ดังกล่าว มีสมบัติในการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์หรือ CO2

ชลิตา รัตนเทวะเนตร จากทีมวิจัยนาโนเทคโนโลยีเพื่อสิ่งแวดล้อม กลุ่มวิจัยวัสดุผสมและการเคลือบนาโน ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) กล่าวว่า  MOFs มีโอกาสทางการตลาดที่น่าสนใจ ด้วยสมบัติในการดูดซับจากรูพรุนจำนวนมากบนพื้นผิว

แต่ปัญหาคอขวดของวัสดุนวัตกรรมนี้คือ กำลังการผลิต แทบทุกที่ในโลกสามารถสังเคราะห์ออกมาได้ในปริมาณน้อยมาก ทำให้มีราคาสูง MOFs บางตัวมีราคาหลักล้านต่อกิโลกรัม ทำให้ความต้องการของตลาดชะงัก

แม้อยากได้ ก็หาซื้อยาก หรือราคาแพงจนไม่สามารถใช้ได้ จึงมีแนวคิดในการพัฒนากระบวนการสังเคราะห์ MOFs จากขวดพลาสติก ที่สามารถขยายกำลังการผลิต เพื่อต่อยอดเชิงพาณิชย์ได้

โครงการวิจัยนี้ ได้รับการสนับสนุนทุนวิจัยจากหน่วยบริหารและจัดการทุนด้านการเพิ่มความสามารถในการแข่งขันของประเทศ (บพข.) แผนงานกลุ่มเศรษฐกิจหมุนเวียนร่วมกับบริษัท แมกโน-เลีย ควอลิตี้ ดีเวล็อปเม้นต์คอร์ปอเรชั่น จำกัด และสำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) ระยะเวลา 2 ปี

โดยปีแรก เป็นการวิจัยและพัฒนากระบวนการสังเคราะห์ MOFs จากเซอร์โคเนียม (zirconium) หรือ UiO-66(Zr) และอลูมิเนียม (aluminum) หรือ MIL-53(Al) ด้วยต้นทุนต่ำ และในปีที่ 2 จะเป็นการพัฒนาระบบการสังเคราะห์ MOFs ที่สามารถอัพสเกลได้

ทีมวิจัยนาโนเทค ได้พัฒนากระบวนการย่อยพอลิเอทิลีนเทเรฟทาเลตจากขวดพลาสติกมาเป็นสารตั้งต้น (monomers) ได้ด้วยกระบวนการที่มีต้นทุนต่ำ พร้อมกันนี้ ยังได้พัฒนาชุดระบบปฏิกรณ์การไหลแบบต่อเนื่อง ที่สังเคราะห์ด้วยระบบ Continuous flow ซึ่งมีข้อดีคือ ใช้แนวคิดเคมีสีเขียว

แนวคิดเคมีสีเขียว เป็นการออกแบบกระบวนการสังเคราะห์ตั้งแต่ต้นน้ำโดยไม่สร้างภาระให้สิ่งแวดล้อม สามารถควบคุมการเกิดปฏิกิริยาได้ดี ลดการเกิดของเหลือ (waste) จากกระบวนการสังเคราะห์ ช่วยเพิ่มทำให้สามารถสังเคราะห์ MOFs ได้อย่างต่อเนื่อง ทลายคอขวดในด้านการอัพสเกลการผลิตได้

ผลจากการคิดค้นและพัฒนาของนักวิจัยนาโนเทค ทำให้สามารถ UiO-66 ได้ถึง 1 กิโลกรัมต่อชั่วโมง และ MIL-53 ที่ราว 20 กิโลกรัมต่อชั่วโมง และยังสามารถประยุกต์ใช้กับ MOFs อื่นๆ ได้ทุกแบบ

วัสดุโครงข่ายโลหะอินทรีย์หรือ MOFs นั้น มีขาย แต่ส่วนมากใช้ในงานวิจัยและพัฒนา ในขณะที่ในประเทศไทย ไม่ได้มีคนใช้ เพราะหาซื้อไม่ได้ ต้องนำเข้าจากต่างประเทศ ซึ่งเมื่อ 5 ปีที่แล้ว มีเพียงไม่กี่บริษัททั่วโลกที่มี MOFs ขาย แม้ปัจจุบัน จะมีผู้จำหน่ายหลายรายมากขึ้น แต่ก็ยังไม่แพร่หลาย ด้วยปัจจัยด้านราคาเป็นหลัก

MOFs ที่นาโนเทคพัฒนาขึ้นนั้น มีต้นทุนที่ถูกกว่า ทำให้สามารถแข่งขันได้ทั้งในเรื่องของประสิทธิภาพและราคา ปัจจุบัน เริ่มมีเอกชนรายใหญ่ที่แสดงความสนใจ และติดต่อเข้ามาแล้วโดยเฉพาะเรื่องของการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งตัว MOFs ที่นาโนเทคทำได้ ก็มีหลากหลายรูปแบบ หลากหลายการใช้งาน เป็นโอกาสที่จะต่อยอดได้ในอนาคต

ปัจจุบัน ดร. ชลิตาเผยว่า ได้จดทรัพย์สินทางปัญญา 2 สิทธิบัตร คือ การสังเคราะห์ UiO-66 และ MIL-53 ซึ่งทีมวิจัยนาโนเทคเอง พร้อมสำหรับความร่วมมือในด้านต่างๆ ทั้งการผลิต MOFs, การจ้างวิจัยเพื่อพัฒนาสูตรเฉพาะ รวมถึงการรับถ่ายทอดเทคโนโลยีอีกด้วย

นอกจากนี้ นักวิจัยนาโนเทคยังแย้มว่า ทีมวิจัยยังมีแผนที่จะนำไปประยุกต์ใช้เพื่อเปลี่ยนของเหลือจากกระบวนการผลิต (waste) ในอุตสาหกรรมต่างๆ ที่มีความเป็นไปได้มาสังเคราะห์เป็น MOFs ที่มีมูลค่าสูงได้อีกด้วย

“จากขวดพลาสติกราคาหลักบาท เมื่อผ่านกระบวนการย่อยเป็นสารตั้งต้น สามารถเพิ่มมูลค่าให้เป็นหลักร้อย และเมื่อใช้ วทน. เปลี่ยนเป็น MOFs สามารถเพิ่มมูลค่าได้เป็นหลักล้าน

แม้กระบวนการนี้จะใช้ขวดพลาสติกจำนวนไม่มากนัก ช่วยลดขยะได้บ้าง แต่สร้างวัสดุขั้นสูงที่เพิ่มมูลค่าได้สูงมาก และสามารถขยายกำลังการผลิตได้ เป็นตลาด Blue Ocean ที่ตอบเศรษฐกิจหมุนเวียน (Circular Economy) ภายใต้โมเดลเศรษฐกิจ BCG พัฒนาเศรษฐกิจและสังคมของประเทศไทย ด้วยวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยีและนวัตกรรม (วทน.) อย่างยั่งยืน” ชลิตา กล่าว.