ก๊าซเซนเซอร์ ต้นทุนต่ำแบบใหม่ ฝีมือคนไทย

นักวิจัยมก. ประดิษฐ์อุปกรณ์ตรวจจับการรั่วไหลก๊าซแอมโมเนียต้นทุนต่ำแบบใหม่ โดยวิธีพิมพ์แบบระบบอิงค์เจ็ท

 1

   2

แบบจำลองหลักการทำงาน(sensing mechanism) ของก๊าซเซนเซอร์แบบโพลิเมอร์นำไฟฟ้า

3

  สารเคมีที่อยู่ในรูปของก๊าซหรือสารระเหย ที่พบได้บ่อยในการใช้งานของภาคอุตสาหกรรม ได้แก่ แอมโมเนีย (NH3) ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2)  ไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S)  และคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) การรั่วไหลของก๊าซหรือสารระเหยเหล่านี้ มีผลต่อระบบทางเดินหายใจ ระบบย่อยอาหาร ผิวหนัง และเป็นสาเหตุให้เสียชีวิต บ่อยครั้งที่ได้ข่าวการเกิดก๊าซแอมโมเนียรั่วไหลในโรงงานน้ำแข็ง ส่งผลให้เกิดอันตรายทั้งคนงาน และส่งกลิ่นไปกระทบคนในชุมชนจำนวนมาก อีกทั้งแอมโมเนียเข้มข้นสามารถติดไฟจึงอาจเป็นสาเหตุให้เกิดการระเบิดได้ แม้ว่าจะมีเครื่องตรวจวัดก๊าซแอมโมเนียวางขายตามท้องตลาด แต่ยังมีราคาค่อนข้างสูงเพราะต้องนำเข้าจากต่างประเทศ การรั่วไหลของก๊าซแอมโมเนียจึงยังคงเป็นปัญหาสำคัญในโรงงานอุตสาหกรรม หากสามารถตรวจพบการรั่วไหลเพื่อแก้ไขได้ทันก่อนให้เกิดผลกระทบต่อสุขภาพคนงานและผู้คนในบริเวณโดยรอบ

  ผศ.ดร.ชัชวาล วงศ์ชูสุข อาจารย์ประจำภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ จึงได้ ประดิษฐ์แอมโมเนียก๊าซเซนเซอร์ เครื่องมือตรวจจับการรั่วไหลของก๊าซแอมโมเนีย ด้วยวิธีการพิมพ์แบบอิงค์เจ็ท (inkjet printing technic) โดยอาศัยหลักการทำงานของก๊าซเซนเซอร์แบบโพลิเมอร์นำไฟ้ฟ้า ซึ่งเป็นวิธีที่สะดวกทำได้ง่าย สามารถเตรียมได้ที่อุณหภูมิห้อง ประหยัดต้นทุน และสามารถผลิตขึ้นได้เองในประเทศ  

    ผลการดำเนินงานแรกคือ การผลิตหมึกอิเล็กทรอนิกส์ โดยได้สูตรการผลิตหมึกนำไฟฟ้ากราฟีน ซึ่งได้จากการผสมผงกราฟีนลงในสารละลาย dimethyl sulfoxide  กวนรวมกับโพลิเมอร์นำไฟฟ้า PEDOT : PSS เป็นเวลา 24 ชั่วโมงที่อุณหภูมิห้อง  นำไปเติมลงในเครื่องพิมพ์อิ้งค์เจ็ทที่ถูกดัดแปลงเพื่อใช้เป็นตัวฉีดหมึกที่เป็นสารละลายโพลิเมอร์นี้ลงบนฐานรองแผ่นใสซึ่งสามารถโค้งงอได้ โดยทำเป็นขั้วไฟฟ้าที่มีรูปร่างคล้ายหวี  ชั้นฟิล์ม gas sensing ของ grapheme- PEDOT: PSS จะถูกเคลือบอยู่บนอิเล็กโทรดที่ผลิตขึ้นโดยกระบวนการพิมพ์แบบอิงค์เจ็ท เมื่อนำไปทดสอบการตรวจจับก๊าซแอมโมเนียที่อุณหภูมิห้อง พบว่าก๊าซเซนเซอร์ที่ผสมกราฟีน( Graphene –PEDOT:PSS) ที่ผลิตขึ้นสามารตอบสนองต่อก๊าซแอมโมเนียได้ดีกว่าการใช้โพลิเมอร์นำไฟฟ้าที่ไม่มีกราฟีนถึง 3 เท่า ผลการวิจัยจึงได้สร้างฟิล์มบางจากวัสดุนาโนGraphene : PEDOT-PSS ที่สามารถตอบสนอง(sensitivity ) และเลือกการตอบสนอง(selectivity) ต่อก๊าซแอมโมเนียที่มีประสิทธิภาพสูง แม้มีปริมาณแอมโมเนียรั่วไหลเพียงเล็กน้อย ที่ระดับความเข้มข้นตั้งแต่ 25 -1000 ppm. ณ อุณหภูมิห้อง โดยประสิทธิภาพการตอบสนองที่เพิ่มขึ้น เกิดจากการเพิ่มของพื้นที่ผิวจากกราฟีน และการเพิ่มอันตรกิริยา จาก chemisorbed oxygen การเคลื่อนย้ายประจุโดยตรง และการพองบวมของโพลิเมอร์

    นอกจากนี้ นักวิจัยยังได้ทำการศึกษาและอธิบายกลไกการรวมตัวของวัสดุนาโนชนิดใหม่ที่นำมาผลิตก๊าซเซนเซอร์นี้ด้วยระเบียบวิธีทางกลศาสตร์ควอนตัมเชิงโมเลกุล รวมทั้งการพัฒนาซอฟต์แวร์เพื่อการตรวจจับ จดจำ แยกแยะหรือบอกปริมาณของก๊าซแอมโมเนียโดยการสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์แบบฝังตัวลงบานก๊าซเซนเซอร์ที่ผลิตขึ้นด้วย

     การผลิตแอมโมเนียก๊าซเซนเซอร์เพื่อตรวจจับการรั่วไหลของก๊าซแอมโมเนียในราคาถูก สามารถผลิตได้เองในประเทศนี้ สามารถจะช่วยลดความเสี่ยงและอันตรายจากการรั่วไหลก๊าซพิษ ช่วยยกระดับคุณภาพชีวิต ลดการนำเข้าเทคโนโลยีจากต่างประเทศ และยังสามารถนำองค์ความรู้ไปต่อยอดพัฒนาก๊าซเซนเซอร์ในการตรวจจับก๊าซพิษชนิดอื่นได้ต่อไป

4

ที่มาข้อมูล : โครงการวิจัยทุนอุดหนุนวิจัย มก.

หัวหน้าโครงการ : ผศ.ดร.ชัชวาล  วงศ์ชูสุข

ภาควิชาฟิสิกส์

คณะวิทยาศาสตร์

มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

 

เรียบเรียง : ฝ่ายเผยแพร่งานวิจัย

สถาบันวิจัยและพัฒนาแห่ง มก.

โทร. 02 561 1474

e-mail : rdiwan@ku.ac.th

 ผศ.ดร.ชัชวาล  วงศ์ชูสุข