Development of surface coating material from rice husk ash silica and titanium dioxide for volatile organic compound removal

ซิลิกาหรือซิลิกอนไดออกไซด์เป็นสารประกอบที่ถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมที่หลากหลาย เช่น อุตสาหกรรมสี ยางรถยนต์ ซิลิโคน แก้ว เซรามิค อิเลคโทรนิก และวัตถุดิบตั้งต้นในอุตสาหกรรมต่างๆ หรือแม้แต่เวชภัณฑ์ ข้อมูลจากสถาบันพลาสติกระบุว่า มูลค่าตลาดซิลิกาชนิดพิเศษทั่วโลกคาดว่าจะแตะระดับ 4,430 ล้านเหรียญสหรัฐภายในปี 2565 ในรายงานได้ยืนยันถึงการใช้งานซิลิกาที่เพิ่มขึ้นในอุตสาหกรรมหลากหลายประเภท รวมถึงอุตสาหกรรมยางและการเคลือบผิวที่คาดว่าจะเป็นตัวกระตุ้นความต้องการใช้งานซิลิกาให้เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง (สถาบันพลาสติก, 2563) ในประเทศไทยมีการผลิตซิลิกาโดยการหลอมทรายแก้วด้วยความร้อนสูง โดยมีกำลังการผลิตคิดเป็นร้อยละ 30-40 ของความต้องการใช้ซิลิกาในประเทศ (ดร.ภุมรินทร์ กลั่นแก้ว, สัมภาษณ์, 2563) ซึ่งไม่เพียงพอต่อความต้องการใช้ซิลิกาในประเทศ ดังนั้นจึงต้องมีการนำเข้าซิลิกาจากต่างประเทศ ซึ่งส่งผลต่อต้นทุนการผลิตและความสามารถในการแข่งขันของอุตสาหกรรมไทย นอกจากการหลอมทรายแก้วแล้ว ซิลิกาสามารถสกัดได้จากวัสดุที่มีองค์ประกอบของซิลิกาสูง เช่น แกลบ (Wantala และคณะ 2010) ต้นกก (Ghorbani และคณะ 2013) ไดอะตอม (Perez-Cabero และคณะ 2008) เถ้าแกลบ (Bhagiyalakshmi และคณะ 2010) และเถ้าลอย (Hui and Chao, 2006) เป็นต้น

เถ้าแกลบเป็นของเสียจากการเผาแกลบเพื่อให้พลังงานในโรงไฟฟ้าและโรงสี ภายหลังจากการเผาแกลบ เถ้าแกลบจะถูกนำไปทำวัสดุปลูก แต่ส่วนใหญ่จะถูกนำมาฝังกลบในบริเวณรอบโรงงาน ซึ่งก่อให้เกิดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมรอบโรงงาน ทั้งการปนเปื้อนในดินและในน้ำ รวมทั้งอนุภาคฝุ่นเถ้าแกลบก่อให้เกิดปัญหามลพิษอากาศ ซึ่งจากนโยบายในการส่งเสริมโรงงานไฟฟ้าชีวมวลของภาครัฐ จะทำให้เกิดเถ้าแกลบปริมาณ 1,392,000 ตันต่อปี  (ฐานข้อมูลศักยภาพชีวมวลในประเทศไทยประจำปีเพาะปลูก, 2556 และ กนกอร หัสโรค์, 2542) โดยทั่วไปเถ้าแกลบจะมีองค์ประกอบของซิลิกาอยู่ประมาณร้อยละ 80 ซึ่งเถ้าแกลบเหล่านี้มีศักยภาพในการนำมาสกัดซิลิกาที่มีความบริสุทธิ์สูงและมีสมบัติเทียบเคียงได้กับซิลิกาเกรดทางการค้า งานวิจัยของ Awizar และคณะ (2013) ได้ศึกษาการเตรียมนาโนซิลิเกตจากเถ้าแกลบ พบว่าซิลิกาที่สกัดได้มีความบริสุทธิ์ร้อยละ 93.67 และในงานวิจัยของ Sinyoung และคณะ (2017) ได้ศึกษาการสังเคราะห์ซิลิกาจากแกลบและเถ้าแกลบ พบว่าการสกัดซิลิกาจากเถ้าแกลบโดยตกตะกอนด้วยกรดไฮโดรคลอริก จะได้ซิลิกาที่บริสุทธิ์ถึงร้อยละ 98.90 ดังนั้นการสกัดซิลิกาจากเถ้าแกลบนอกจากจะเป็นการนำของเสียมาใช้ประโยชน์ ลดการนำเข้าซิลิกาและทำให้เกิดผลิตภัณฑ์มูลค่าเพิ่มอย่างสูงสุดตามแนวทางสอดคล้องตามแนวทาง BCG Economy หรือ เศรษฐกิจชีวภาพ เศรษฐกิจหมุนเวียน และเศรษฐกิจสีเขียว แล้วยังมีส่วนช่วยลดปัญหาสิ่งแวดล้อมและปัญหาความขัดแย้งระหว่างโรงไฟฟ้าชีวมวลและชุมชนรอบโรงไฟฟ้าอีกด้วย ซึ่งส่งเสริมให้เกิดการพัฒนาทั้งเศรษฐกิจ สังคม และสิ่งแวดล้อมอย่างยั่งยืน

ปัจจุบันมีสีทาบ้านที่มีการเติมตัวเร่งปฏิกิริยาทางแสงเพื่อให้สีมีสมบัติในการทำความสะอาดตัวเองและการกำจัดสารระเหยอินทรีย์ โดยอาศัยเทคโนโลยีโฟโตคะตะไลสิส (Photocatalysis) ซึ่งเป็นปฏิกิริยาในการสลายสารอินทรีย์ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาทางแสง ตัวเร่งปฏิกิริยาทางแสงที่นิยมใช้ในการกำจัดสารระเหยอินทรีย์คือ ไทเทเนียมไดออกไซด์ (Titanium dioxide) เมื่อไทเทเนียมไดออกไซด์ได้รับการกระตุ้นด้วยแสงอัลตราไวโอเลตจะเกิดปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลสิส ซึ่งสามารถเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชันในการสลายสารอินทรีย์ เมื่อเกิดปฏิกิริยาสมบูรณ์จะได้ผลิตภัณฑ์เป็นคาร์บอนไดออกไซด์และโมเลกุลน้ำ แม้ว่าในปัจจุบันมีสีทาบ้านหรือสารเคลือบผิวที่มีส่วนผสมของตัวเร่งปฏิกิริยาทางแสงไทเทเนียมไดออกไซด์ แต่หากมีการนำมาใช้ในอาคารซึ่งแสงกระตุ้นไม่อยู่ในช่วงแสงอัลตราไวโอเลต จะไม่สามารถเกิดปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลสิสได้ ด้วยข้อจำกัดดังกล่าวมีงานวิจัยที่ปรับสภาพผิวสมบัติของไทเทเนียมไดออกไซด์ให้สามารถเกิดปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลสิสภายใต้แสงที่มองเห็นได้  งานวิจัยของ Sirivallop และคณะ (2020) ได้นำไทเทเนียมไดออกไซด์มาปรับสภาพผิวสมบัติด้วยเงินและไนโตรเจนมาใช้ในการทำสารเคลือบผิวบนตะแกรงโลหะสแตนเลส ผลการทดสอบพบว่าสามารถบำบัดแอมโมเนียได้ถึงร้อยละ 37.5 ภายใต้แสงฟลูออเรสเซนต์ แต่ยังพบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาทางแสงที่เตรียมได้มีพื้นที่ผิวน้อย และมีการกระจายตัวได้ต่ำ ซึ่งหากนำมาผสมในสารเคลือบผิวโดยตรงจะเกิดปัญหาการกระจายตัวของอนุภาคไม่สม่ำเสมอส่งผลต่อประสิทธิภาพการกำจัดสารระเหยอินทรีย์ โดยทั่วไปการเติมซิลิกาในสารเคลือบผิวจะช่วยให้การกระจายตัวของอนุภาค สมบัติด้านการไหล และสมบัติทางความร้อนดีขึ้น การเติมซิลิกาที่มีอนุภาคขนาดนาโนเมตร มีรูพรุนและพื้นที่ผิวสูง นอกจากจะช่วยเพิ่มสมบัติต่างๆ เหล่านี้แล้ว ยังสามารถใช้เป็นวัสดุรองรับสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาทางแสงไทเทเนียมไดออกไซด์ได้ (Yodyingyong 2017)

ทีมวิจัยโดยผศ. ดร.สิริลักษณ์ เจียรากร ประสบความสำเร็จในการผลิตวัสดุดูดซับเอ็มซีเอ็ม 41 จากเถ้าแกลบ (อนุสิทธิบัตรเลขที่ 2880) โดยนำเถ้าแกลบมาสกัดซิลิกา เพื่อใช้เป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์วัสดุเอ็มซีเอ็ม 41 ซึ่งเป็นนาโนซิลิกาที่มีพื้นที่ผิวสูง จึงมีความเป็นไปได้ในการนำอนุสิทธิบัตรดังกล่าวมาต่อยอดโดยการฝังไททาเนียมไดออกไซด์ที่ปรับสภาพให้สามารถเกิดปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลสิสภายใต้แสงที่มองเห็นได้ลงไปในโครงการสร้างของนาโนซิลิกาแล้วนำไปผสมในสีหรือสารเคลือบผิว เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเกิดปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลสิส่ในการกำจัดสารระเหยอินทรีย์ในอากาศ

งานวิจัยนี้จึงต้องการนำผลงานจากอนุสิทธิบัตรเรื่องกรรมวิธีผลิตวัสดุดูดซับเอ็มซีเอ็ม 41 จากเถ้าแกลบซึ่งเป็นของเสียที่ได้จากโรงไฟฟ้า มาใช้เป็นวัสดุรองรับสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาไททาเนียมไดออกไซด์ เพื่อนำไปผลิตเป็นสารเคลือบผิว และนำไปทดสอบประสิทธิภาพการบำบัดสารระเหยอินทรีย์ในอากาศ