แนวทางใหม่ในการลดปริมาณการปล่อยก๊าซ เรือนกระจก : นำก๊าซ CO2ไปผลิตเป็นอัลกอฮอลล์
ปรากฏการณ์ก๊าซเรือนกระจก อันเนื่องมาจากการกระทำของมนุษย์ มีส่วนทำให้อุณหภูมิของโลกเพิ่มสูงขึ้น และส่งผลให้เกิดสภาวะภูมิอากาศแปรปรวนทวีความรุนแรง และเกิดบ่อยมากขึ้น สถานการณ์ในปัจจุบันของทุกประเทศ คือความพยายามที่จะช่วยกันลดปริมาณการปล่อยก๊าซเรือนกระจกนี้ โดยก๊าซเรือนกระจกที่สำคัญ ได้แก่ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ซึ่งส่วนใหญ่มาจากการเผาผลาญเชื้อเพลิงทั้งของโรงงานอุตสาหกรรมและยานพาหนะ
เครื่องทดสอบการเกิดปฏิกิริยาโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา
1) ระบบป้อนสารและควบคุมปริมาณสาร
2) ระบบปฏิกรณ์แบบ fixed-bed
3) ระบบเก็บตัวอย่างของก๊าซ
รศ.ดร.เมตตา เจริญพานิช อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ ใช้แนวคิดในการลดปริมาณของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยการนำมาเปลี่ยนให้เป็นสารเคมีพื้นฐานอื่นที่ไม่ส่งผลให้เกิดสภาวะโลกร้อน ซึ่งเป็นแนวทางที่กำลังได้รับความสนใจอย่างมากในปัจจุบัน เพราะนอกจากจะสามารถลดปริมาณก๊าซเรือนกระจกเพื่อลดปัญหาสิ่งแวดล้อมได้แล้ว สารเคมีพื้นฐานที่ผลิตได้ยังสามารถสร้างมูลค่าเพิ่มทางเศรษฐกิจและเป็นการเพิ่มทางเลือกด้านพลังงานทดแทนอีกด้วย
ซึ่งจากแนวคิดดังกล่าวจึงทำการวิจัยและพัฒนาโดยการนำก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ไปใช้เป็นสารตั้งต้นในปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจน (hydrogenation) ซึ่งส่วนใหญ่จะได้ผลิตภัณฑ์เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนจำพวกก๊าซมีเทน (CH4) ซึ่งเป็นก๊าซที่มีความเสถียรสูง แต่มีมูลค่าต่ำเพราะไม่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้มากนัก นอกจากใช้เป็นเชื้อเพลิงในการให้ความร้อน ส่วนผลิตภัณฑ์จำพวกเมทานอลหรือเอทานอลจะเป็นแอลกอฮอล์ที่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้มากกว่า แต่มักได้ออกมาในปริมาณค่อนข้างต่ำ นอกจากนี้ยังมีปฏิกิริยาข้างเคียงคือ ปฏิกิริยา reverse water gas shift (RWGS) ออกมาเป็นก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์อีกด้วย
งานวิจัยของรศ.ดร.เมตตา เจริญพานิช จึงเน้นการศึกษาปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจนของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ไปเป็นผลิตภัณฑ์ประเภทอัลกอฮอล์ในกลุ่มเมทานอลและเอทานอล โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล็ก (Fe) และทองแดง (Cu) เติมลงบนตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยาซิลิกาเมโซพอร์ชนิด MCM-41โดยทำการศึกษาโครงสร้างรูพรุนของตัวรองรับที่แตกต่างกันที่มีต่อประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยาของตัวเร่งเหล็กและทองแดง หลังจากนั้นทำการทดสอบเพื่อศึกษาผลของสนามแม่เหล็กเปรียบเทียบระหว่างสภาวะไม่มีสนามแม่เหล็กกับมีสนามแม่เหล็ก รวมทั้งปัจจัยที่เกี่ยวข้อง เช่น อัตราส่วนของสารตั้งต้นขาเข้า อุณหภูมิในการทำปฏิกิริยา ปริมาณตัวเร่ง ความเข้ม และทิศทางการวางสนามแม่เหล็ก เพื่อหาสภาวะที่เหมาะสมในการทำปฏิกิริยาและการเลือกผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยา
TEM images และ XRD patterns ของตัวรองรับซิลิกาเมโซพอร์ชนิด MCM-41 ที่สังเคราะห์ได้จากการใช้ (ก) โซเดียมซิลิเกต (ข) เตตระเอทิลออโธซิลิเกต เป็นแหล่งซิลิกา
ผลการทดลองในส่วนของโครงสร้างรูพรุนของตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยา MCM-41 ซึ่งมีลักษณะของรูพรุนที่แตกต่างกันอันเนื่องมาจากการใช้แหล่งของซิลิกาที่แตกต่างกัน เมื่อเติมโลหะทองแดงและเหล็กลงบนตัวรองรับ MCM-41 พบว่าตัวรองรับซิลิกาเมโซพอร์ที่มีรูพรุน 2 ขนาดเท่ากับ 2.7 และ 30.5 นาโนเมตร สังเคราะห์ได้โดยใช้เตตระเอทิลออโธซิลิเกตเป็นแหล่งซิลิกา ส่งผลให้ค่าการแปลงผันของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สูงขึ้น และเกิดผลิตภัณฑ์จำพวกอัลกอฮอล์ได้สูงที่สุดด้วยอุณหภูมิที่ต่ำลง โดยการเพิ่มขึ้นของค่าร้อยละการแปลงผันและการเลือกเกิดของผลิตภัณฑ์นั้น เป็นผลมาจากโครงสร้างของตัวรองรับที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ ส่งผลให้แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโลหะและตัวรองรับที่มีรูพรุนสองขนาดต่ำกว่าตัวรองรับที่มีรูพรุนเพียงขนาดเดียว ประกอบกับปริมาณโลหะเหล็กและทองแดงที่ว่องไวบนตัวรองรับปฏิกิริยา มีปริมาณสูงด้วย สำหรับในส่วนของการทดสอบปฏิกิริยาในสภาวะที่มีสนามแม่เหล็กโดยใช้ตัวเร่งเหล็กซึ่งมีคุณสมบัติความเป็นแม่เหล็กสูงเมื่อถูกเหนี่ยวนำในสนามแม่เหล็กนั้น พบว่า ค่าการแปลงผันของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ในสภาวะที่มีการประยุกต์ใช้สนามแม่เหล็กที่อุณหภูมิ 260 องศาเซลเซียสมีค่ามากกว่าในสภาวะที่ไม่มีสนามแม่เหล็กประมาณ 2 เท่า ซึ่งคาดว่าสนามแม่เหล็กทำให้ตัวเร่งเหล็กเกิดการจัดเรียงตัวในแนวเส้นแรงแม่เหล็กให้มีความเหมาะสมในการทำปฏิกิริยา และยังลดพลังงานกระตุ้นในการเกิดปฏิกิริยาอีกด้วย นอกจากนี้ทิศทางการวางของสนามแม่เหล็กในแนวเหนือไปใต้ทำให้การแปลงผันของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สูงกว่าในแนวใต้ไปเหนือ ส่งผลให้ผลิตภัณฑ์ที่ได้ส่วนใหญ่เป็นก๊าซมีเทน