กำจัดก๊าซพิษไนโตรเจนออกไซด์ ด้วยซีโอไลต์จากเถ้าแกลบ

  ก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ เป็นก๊าซพิษที่เกิดจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงที่อุณหภูมิสูง แหล่งกำเนิดส่วนใหญ่จากไอเสียของเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้ในรถยนต์ทั่วไปหรือในโรงงานอุตสาหกรรม มีข้อบังคับทางสิ่งแวดล้อมในเรื่องปริมาณที่ยอมให้ปล่อยออกสู่บรรยากาศ ถึงแม้ว่าในรถยนต์นั่งจะติดตั้ง Catalytic Converter ซึ่งมีตัวเร่งปฏิกิริยาแบบ Three-Way Catalyst (TWC) ช่วยในการกำจัดก๊าซคาร์บอนมอนน็อกไซด์ และ ไนโตรเจนออกไซด์ ได้มากกว่า 99% แต่ก็มีข้อจำกัดตรงที่ TWC ไม่เหมาะกับเครื่องยนต์ยุคใหม่ที่เรียกว่า Lean-burn Engine เนื่องจากไม่สามารถกำจัดก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ ภายใต้สภาวะที่ มีออกซิเจน มากพอ จึงมีความพยายามที่จะพัฒนาสารตัวเร่งปฏิกิริยาตัวใหม่ที่สามารถกำจัดก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ได้ดีภายใต้สภาวะที่มีออกซิเจนสูง โดยต้องเป็นตัวเร่งที่มีความว่องไวสูงมาก เพราะมีเวลาในการทำปฏิกิริยา (Contact Time) สั้นมาก และในบางสภาวะต้องทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ อย่างเช่น ไอเสียจากเครื่องยนต์ดีเซลบางประเภท ดังนั้นตัวเร่งที่ดีต้องสามารถทำงานได้ดีในช่วงอุณหภูมิกว้าง และต้องมีอายุการใช้งานยาวนานพอกับอายุของเครื่องยนต์ มีความพยายามที่จะสร้างและทดลองตัวเร่งชนิดต่างๆ ซึ่งตัวเร่งที่ได้รับความสนใจมากที่สุดกลุ่มหนึ่ง คือ ซีโอไลต์ชนิดต่าง เพื่อไปใช้เป็นตัวเร่งสำหรับปฏิกิริยารีดักชันไนโตรเจนออกไซด์

12

โครงสร้างย่อยของซีโอไลต์ชนิด SUZ-4             โครงสร้างสามมิติของซีโอไลต์ชนิด SUZ-4

      ที่มา: Lawton 1993                    เมื่อมองจากระนาบ [001]  ที่มา: Lukyanov  1998

3

ชุดเครื่องปฏิกรณ์ไฮโดรเทอร์มัลพร้อมเครื่องควบคุมอุณหภูมิและความเร็วรอบ

 

 

4

         เถ้าแกลบเผาที่ 700 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 1 ชั่วโมง5

               รูปแบบการป้อนก๊าซในการทดสอบปฏิกิริยา

6

                ภาพถ่าย SEM ซีโอไลต์ชนิด SUZ-4 ที่สังเคราะห์ได้จากการใช้ เถ้าแกลบต่อซิลิกาโซล

                (a) 0:100 (b) 50:50 (c) 70:30 (d) 90:10 (e) 100:0

  รศ.ดร.ไพศาล คงคาฉุยฉาย อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ เป็นผู้เชี่ยวชาญในการสังเคราะห์ซีโอไลต์ชนิดต่างๆ โดยการวิจัยจะมุ่งไปที่การใช้วัตถุดิบราคาถูกที่มีในประเทศเป็นวัตถุดิบหลัก อาทิเช่น เถ้าลอย  ดินเหนียว ดินไดอะตอมไมต์ (จากลำปาง) หินเพอร์ไลต์ (จากลพบุรี)  รวมทั้งเถ้าแกลบ ที่ได้จากการเผาแกลบข้าว

  แกลบข้าวเป็นวัสดุส่วนเหลือทางการเกษตร ส่วนใหญ่มีการนำไปใช้ประโยชน์เป็นวัสดุปลูกพืชหรือผสมทำปูนซิเมนต์ ซึ่งจัดว่ายังมีมูลค่าต่ำ  แนวทางการเพิ่มมูลค่าที่ดีกว่าน่าจะเป็นการใช้เถ้าแกลบเป็นสารตั้งต้นในการผลิตสารประกอบที่มีมูลค่าสูง  ในเถ้าแกลบมีซิลิก้า(SiO2) เป็นองค์ประกอบหลัก  ดังนั้นงานวิจัยของ รศ.ดร.ไพศาล คงคาฉุยฉาย ครั้งนี้จึงได้นำเถ้าแกลบมาเป็นวัตถุดิบตั้งต้นในการสังเคราห์ซีโอไลต์ ชนิดSUZ-4  เพื่อใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยากำจัดไนโตรเจนออกไซด์ที่เป็นก๊าซพิษ โดยได้ทำการพัฒนาเทคนิคการสังเคราะห์ซีโอไลต์ SUZ-4 โดยใช้เถ้าแกลบเป็นสารตั้งต้นด้วยเทคนิคโซลเจล (Sol-gel) และใช้กระบวนการปรับปรุงคุณภาพด้วยความร้อนภายใต้ความดันไอน้ำอิ่มตัว (Hydrothermal) เพื่อให้ได้ซีโอไลต์ชนิด SUZ-4 ที่บริสุทธิ์มากที่สุด โดยทำการปรับอัตราส่วนโดยน้ำหนักของซิลิกาจากเถ้าแกลบต่อซิลิกาโซลระดับต่างๆ เช่น 0:100, 50:50, 70:30, 90:10 และ 100:0  เมื่อวิเคราะห์ผลิตภัณฑ์ที่ได้ พบว่าการสังเคราะห์จากการใช้ซิลิกาจากเถ้าแกลบ 0 – 90 % จะเกิดซีโอไลต์ชนิด SUZ-4 เป็นองค์ประกอบหลัก แต่เมื่อใช้เถ้าแกลบ 100 % พบว่าเกิดผลึกของซีโอไลต์ชนิด MER (Merlinoite) ควบคู่กับซีโอไลต์ชนิด SUZ-4  จึงได้นำ K/SUZ-4 ที่สังเคราะห์จากเถ้าแกลบ 50 % ไปแลกเปลี่ยนไอออนกับสารละลายคอปเปอร์ไนเตรทได้ Cu/SUZ-4  แล้วนำไปทดสอบการเร่งปฏิกิริยารีดักชันก๊าซไนโตรเจนออกไซด์โดยใช้ก๊าซไฮโดรเจน(H2)เป็นตัวรีดิวซ์ ภายใต้สภาวะที่มีการป้อนก๊าซออกซิเจน ( O2) เพื่อจำลองก๊าซไอเสียจากเครื่องยนต์แบบ Lean-burn Engine โดยทำปฏิกิริยาที่ 200, 350 และ 500 องศาเซลเซียส  เมื่อเปรียบเทียบการใช้ตัวเร่ง 3 ชนิด คือ K/SUZ-4  3.9%Cu/SUZ-4 และ 5.5%Cu/SUZ-4  พบว่าตัวเร่ง 5.5%Cu/SUZ-4 มีความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาสูงสุด และทำงานได้ดีที่สุดที่ 350 องศาเซลเซียส 

    ผลการทดลองนับว่าได้ต้นแบบตัวเร่งปฏิกิริยาแบบใหม่ซึ่งสามารถลดปริมาณก๊าซพิษไนโตรเจนออกไซด์ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ไพศาล

ที่มาข้อมูล : โครงการวิจัยทุนอุดหนุนวิจัย มก.

หัวหน้าโครงการ : รศ.ดร.ไพศาล คงคาฉุยฉาย

ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์

มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

 

เรียบเรียง : ฝ่ายเผยแพร่งานวิจัย

สถาบันวิจัยและพัฒนาแห่ง มก.

โทร. 02 561 1474

       รศ.ดร.ไพศาล คงคาฉุยฉาย