การเตรียมตัวเก็บประจุยิ่งยวดจากเส้นใยถ่านกัมมันต์จาก Solubles ที่ได้จากการสกัดฟางข้าว

ชีวมวลเป็นเชื้อเพลิงพลังงานทดแทนที่มีความสำคัญโดยเฉพาะประเทศไทยที่มีเศษวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรเป็นจำนวนมาก เนื่องจากชีวมวลเป็นเชื้อเพลิงที่ได้รับการยอมรับว่าเป็นเชื้อเพลิงสะอาดและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม มีการปลดปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ต่ำเมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงฟอสซิล ดังนั้นการใช้ชีวมวลเป็นเชื้อเพลิงในอุตสาหกรรมจึงช่วยให้ประเทศไทยบรรลุเป้าหมายการเป็นสังคมคาร์บอนต่ำ (Low Carbon Society) ได้ โดยในประเทศไทยการใช้ประโยชน์จากชีวมวลเป็นส่วนหนึ่งของยุทธศาสตร์ชาติ ตามแผนพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติฉบับที่ 11 ซึ่งนอกจากจะนำชีวมวลที่เหลือใช้ทางเกษตรมาผลิตเป็นพลังงานทดแทนและพัฒนาภาค

อุตสาหกรรมแล้ว ยังเป็นการเพิ่มความแข็งแกร่งให้ภาคการเกษตรในรูปของการสร้างมูลค่าเพิ่มให้กับวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร  ปัจจุบันการใช้ประโยชน์จากชีวมวลส่วนใหญ่ใช้เพียงเทคโนโลยีการเผาไหม้ในหม้อต้มไอน้ำ (combustion boiler)  ในขณะที่เทคโนโลยีแก๊สซิฟิเคชัน (gasification) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่มีศักยภาพในการผลิตพลังงานในรูปแก๊สเชื้อเพลิง (fuel gases) และมีการใช้อย่างแพร่หลายในต่างประเทศ ยังอยู่ในระดับเล็กเท่านั้น (น้อยกว่า  1 เมกะวัตต์)      และเทคโนโลยีไพโรไลซิส (pyrolysis) ที่ผลิตเชื้อเพลิงเหลว (bio-oils) ยังอยู่เพียงในระดับห้องปฏิบัติการเท่านั้น จากข้อมูลเหล่านี้แสดงให้เห็นว่า การศึกษา วิจัย และพัฒนาองค์ความรู้ทางด้านเทคโนโลยีพลังงานที่เกี่ยวกับการเปลี่ยนรูปชีวมวลมีปริมาณที่จำกัด และยังไม่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตพลังงานจากปริมาณชีวมวลที่มีอยู่ให้สูงขึ้นกว่าเดิมได้ ซึ่งสาเหตุหลัก ๆ มาจากชีวมวลมีความหลากหลายทางชีวภาพและมีสมบัติทางเชื้อเพลิงที่ไม่เหมาะสม ทำให้ไม่สามารถนำมาใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งเมื่อเทียบกับถ่านหินที่น้ำหนักเท่ากัน พบว่าชีวมวลจะมีข้อเสียเปรียบหลายด้าน ได้แก่ การมีความหนาแน่นทางพลังงาน (energy density) ที่ต่ำกว่าถ่านหิน (แกลบมีค่าความหนาแน่นทางพลังงานเพียง 2.5 – 3.0 กิกะจูลต่อลูกบาศก์เมตร (GJ/m³) ในขณะที่ถ่านหินลิกไนต์มีค่าความหนาแน่นทางพลังงาน 14.0 – 16.0 กิกะจูลต่อลูกบาศก์เมตร (GJ/m³) ซึ่งมีสาเหตุมาจากโครงสร้างของชีวมวลที่มีเส้นใยเป็นองค์ประกอบหลัก ชีวมวลมีปริมาณธาตุคาร์บอนต่อน้ำหนักน้อย และมีปริมาณออกซิเจนต่อน้ำหนักสูง ส่งผลให้ค่าใช้จ่ายในการขนส่งชีวมวลมีค่าสูงในการที่จะนำมาทดแทนพลังงานจากถ่านหินในปริมาณที่เท่ากัน นอกจากนี้การที่มีโครงสร้างเป็นเส้นใยของชีวมวลทำให้ยากแก่การลดขนาด  เพื่อที่จะแก้ปัญหาดังกล่าวได้มีการศึกษากระบวนการปรับสภาพชีวมวล (pretreatment) เช่น การเพิ่มความหนาแน่นของชีวมวลโดยกระบวนการอัดเม็ด (pelletization) หรืออัดแท่ง (briquettization) การลดความชื้นที่ผิวของชีวมวลโดยวิธีการอบแห้ง (Drying) กระบวนการทอร์รีแฟกชัน (Torrefaction) เป็นต้น ซึ่งกระบวนการเหล่านี้มีการนำมาใช้อย่างแพร่หลาย แต่อย่างไรก็ตามกระบวนการดังกล่าวไม่ได้ทำให้ค่าความร้อนต่อน้ำหนักของชีวมวลเพิ่มขึ้น หรือทำให้โครงสร้างเคมีของชีวมวลดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด

            เพื่อแก้ปัญหาดังกล่าวข้างต้น บัณฑิตวิทยาลัยร่วมด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรีและสถาบันนวัตกรรม ปตท. ร่วมกับมหาวิทยาลัยเกียวโต ประเทศญี่ปุ่น โดยการสนับสนุนการวิจัยจากองค์การความร่วมมือระหว่างประเทศแห่งญี่ปุ่น (JICA) ผ่านทางโปรแกรม SATREPS (Science and Technology Research Partnership for Sustainable Development) ประสบความสำเร็จในการพัฒนากระบวนการสกัดชีวมวลด้วยตัวทำละลาย (degradative solvent extraction) ที่อุณหภูมิ 350 ^oC โดยใช้ตัวทำละลายแบบไม่มีขั้ว ซึ่งสามารถเปลี่ยนชีวมวลให้เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่เรียกว่า Solubles ที่มีสมบัติทางเชื้อเพลิงดีเทียบเท่าถ่านหินคุณภาพดี มีปริมาณธาตุคาร์บอนสูง (ประมาณ 82%) มีค่าความร้อนสูงมาก (ประมาณ 38 MJ/kg) และที่น่าสนใจคือไม่มีความชื้นและเถ้า นอกจากนี้จากการวิจัยยังพบว่า Solubles สามารถนำมาผลิตเป็นเส้นใยคาร์บอนได้ และเส้นใยคาร์บอนที่ผลิตได้มีคุณลักษณะกลวง หรือ hollow fiber แสดงให้เห็นว่า Solubles มีศักยภาพในการพัฒนาเป็นวัสดุคาร์บอนก้าวหน้า (advanced carbon material) ได้

            โครงการวิจัยนี้เป็นการต่อยอดจากโครงการ SATREPS โดยจะพัฒนาเส้นใยคาร์บอนที่ผลิตได้จาก Solubles ให้เป็นตัวเก็บประจุยิ่งยวดเพื่อประยุกต์ใช้เป็นวัสดุกักเก็บพลังงาน  โดยจะศึกษากระบวนการกระตุ้น (activation method) เพื่อให้ได้เส้นใยถ่านกัมมันต์ (activated carbon fiber) ที่มีพื้นที่ผิวจำเพาะสูง และจะศึกษาสมบัติทางไฟฟ้าเคมี และความสามารถในการเก็บประจุของเส้นใยถ่านกัมมันต์  โดยผลงานที่ได้จากโครงการนี้จะเป็นองค์ความรู้ใหม่ด้านกระบวนการผลิตตัวเก็บประจุยิ่งยวดจากเส้นใยถ่านกัมมันต์ที่เตรียมจาก Solubles ซึ่งคาดว่าจะสามารถนำไปต่อยอดเพื่อพัฒนาและประยุกต์ใช้จริงได้ต่อไป