การดูดซับสีย้อมของถ่านกัมมันต์ที่ผลิตจากเศษไม้

   การปลูกสร้างสวนป่าต้องมีการตัดสางขยายระยะเพื่อให้ไม้เจริญเติบโต ซึ่งจะมีเศษไม้ กิ่งไม้ หรือไม้ขนาดเล็ก ที่ได้จากการตัดสางขยายระยะ  นอกจากนั้น อุตสาหกรรมแปรรูปไม้ หรืออุตสาหกรรมเฟอร์นิเจอร์ก็จะมีเศษไม้เหลือจากกระบวนการแปรรูป  เศษไม้เหล่านี้สามารถนำมาเพิ่มมูลค่าได้โดยการนำมาทำเป็นถ่านกัมมันต์ ใช้ในการกำจัดสีย้อมในน้ำเสียที่เกิดจากโรงงานอุตสาหกรรมทอผ้า

  ถ่านกัมมันต์(Activated Carbon) เป็นถ่านที่ผ่านกระบวนการทางเคมีหรือกายภาพเพื่อทำให้เกิดรูพรุนจำนวนมาก ทำให้มีพื้นที่ผิวสูง ถ่านกัมมันต์ เป็นตัวกลางที่มีประสิทธิภาพในการดูดติดผิวสูงและการผลิตถ่านกัมมันต์เป็นขั้นตอนที่ใช้เทคโนโลยีที่ไม่ยุ่งยากและมีต้นทุนต่ำ  ถ่านกัมมันต์ต่างจากถ่านชนิดอื่น ๆ เนื่องจากมีความพรุนมากกว่า ทำให้ถ่านมีพื้นที่ผิวภายในเพิ่มขึ้นโดยทั่วไปจะมีพื้นที่ผิวประมาณ 600–1,500 ตารางเมตรต่อกรัม รูพรุนของถ่านกัมมันต์นี้มีขนาดระหว่าง 2-2,000  นาโนเมตร ทำให้สามารถดูดซับกลิ่นและสีได้มากกว่าถ่านธรรมดา โดยถ่านกัมมันต์จะสามารถมีรูพรุนเพิ่มขึ้นได้ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของลิกนินต่อเซลลูโลสในวัตถุดิบ อัตราส่วนของสารกระตุ้นต่อวัตถุดิบ อุณหภูมิที่ใช้ในการกระตุ้น อัตราการให้ความร้อน วัตถุดิบที่ใช้ในการผลิตถ่านกัมมันต์นั้นจะต้องมีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ ซึ่งวัตถุดิบที่นิยมใช้มักจะเป็นของเหลือทิ้งจากอุตสาหกรรม เช่น ไม้ ขี้เลื่อย ถ่านหิน กะลามะพร้าว กระดูก ชานอ้อย และกากเมล็ดกาแฟ

1

                                ลักษณะถ่านไม้สนก่อนและหลังการทุบ

2

ลักษณะเตาเผาถ่านแบบชาวบ้านและภาชนะใช่ตัวอย่างที่แช่สารกระตุ้นก่อนนำไปเผาด้วยเตาเผาแบบชาวบ้าน

          นางสาววราภรณ์ อภิวัฒนาภิวัต  นักวิจัยจากสถาบันค้นคว้าและพัฒนาผลิตผลทางการเกษตรและอุตสาหกรรมเกษตร ได้ทำการทดลองนำเศษไม้จากการตัดแต่งกิ่งของสวนป่า มาผลิตเป็นถ่านกัมมันต์ โดยเปรียบเทียบถ่านกัมมันต์ที่ผลิตจากไม้สนและไม้สักในประเทศไทย  เปรียบเทียบลักษณะและประสิทธิภาพการดูดซับสีย้อมของถ่านกัมมันต์ที่ผลิตได้จากเศษไม้ไม้สนและไม้สักกับสีย้อมรีแอคทีฟ (Reactive dyes) พร้อมกับหาสภาวะที่เหมาะสมในการดูดซับของถ่านกัมมันต์ โดยใช้วิธีการหาพื้นผิวตอบสนอง( Response Surface Methodology, RSM)  ซึ่งเป็นวิธีการทางสถิติมาใช้วางแผนการทดลอง ทำให้สามารถลดชุดการทดลองให้น้อยลง และยังสามารถทราบความสัมพันธ์ระหว่างปัจจัยที่ต้องการทราบได้จากแผนภาพคอนทัวร์ นอกจากนั้นได้ทำการศึกษาเปรียบเทียบลักษณะและประสิทธิภาพการดูดซับสีย้อมของถ่านกัมมันต์ที่ทำการปรับปรุงให้มีประสิทธิภาพในการดูดซับที่ดีขึ้นด้วย

3

                     การแช่สารเคมีก่อนนำไปเผาด้วยเตาเผาสำหรับห้องปฏิบัติการ

4

                  (ก) ถ่านกัมมันต์จากไม้สน และ  (ข)) ถ่านกัมมันต์จากไม้สัก 

5

ภาพถ่ายด้วย SEM ลักษณะถ่านกัมมันต์จากไม้สนก่อน (ก) และหลังการดูดซับ (ข) 

7

ความเข้มข้นสารละลายสีย้อม RBBR ก่อนและหลังการดูดซับด้วยถ่านกัมมันต์จากไม้สน

8

ภาพถ่ายลักษณะพื้นผิวของถ่านไม้สน (ก) ก่อนการกระตุ้นด้วย H3PO4 และ (ข) หลังการกระตุ้นด้วย H3PO4 ด้วยเครื่อง SEM

    โดยทั่วไปกระบวนการผลิตถ่านกัมมันต์ประกอบด้วยขั้นตอนใหญ่ๆ  3 ขั้นตอน คือ 1) ขั้นการเตรียมวัตถุดิบ คือการนำวัตถุที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ เช่น มะพร้าว กะลา แกลบ ขี้เลื้อย หรือเศษไม้ มาเตรียมให้อยู่ในสภาพที่จะเผาให้เป็นถ่านได้ง่าย อาจใช้การบดคัดขนาดก่อนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของถ่านหรือสับให้เป็นท่อนสำหรับวัตถุดิบที่มีความแข็งแรงและเหนียว 2) ขั้นการทำให้เป็นถ่านหรือการคาร์บอไนซ์เซชัน (carbonization) เป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในกระบวนการผลิตถ่านกัมมันต์ เพราะเป็นขั้นตอนเริ่มต้นของการทำให้โครงสร้างมีรูพรุน โดยทำให้เกิดการแตกตัวทางเคมีของสารที่ไม่ใช่คาร์บอน (เช่น ไฮโดรเจน ออกซิเจน ไนโตรเจน) ออกมาในรูปของแก๊สคาร์บอนอิสระที่มีอยู่จะรวมตัวอยู่ในรูปของถ่านชาร์ ถ่านชาร์ที่ได้จากขั้นตอนการคาร์บอนไนซ์เซชันนี้มีความสามารถในการดูดซับต่ำ เพราะว่าการทำให้เกิดถ่านชาร์จะใช้อุณหภูมิประมาณ 400 -500 องศาเซลเซียส ซึ่งยังคงมีน้ำมันทาร์ตกค้างอยู่ภายในช่องว่าง (pore) หรือเกาะอยู่ตามผิว จึงจำเป็นต้องนำถ่านนี้ไปผ่านกระบวนการพัฒนาก็คือ 3) ขั้นการกระตุ้น การทำการกระตุ้น คือการทำให้คาร์บอนหรือถ่านมีความสามารถในการดูดซับสูงขึ้น ทั้งนี้อาจเนื่องมาจากการเพิ่มขึ้นที่พื้นผิวและการทำให้ผิวมีความว่องไวมากขึ้น การกระตุ้นถ่านกัมมันต์แบ่งตามกลไกที่เกิดได้ 2 ประเภท คือ วิธีการกระตุ้นทางเคมี (Chemical cativation) เป็นการผลิตถ่านกัมมันต์โดยให้สารกระตุ้นทำปฏิกิริยาเคมีกับผิวคาร์บอน โดยมีความร้อนเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาการกระตุ้นทางเคมีนิยมใช้กับวัตถุดิบที่เป็นไม้ ข้อดีของวิธีนี้คือใช้อุณหภูมิไม่สูงมาก 400-600 องศาเซลเซียส แต่มีข้อเสียคือมีสารเคมีตกค้างในถ่านกัมมันต์ทำให้ต้องเสียเวลาและค่าใช้จ่ายในการล้างสารเคมีดังกล่าวออกเพิ่มขึ้น รวมทั้งเครี่องมือที่ต้องใช้เป็นชนิดพิเศษที่สามารถต้านทานการกัดกร่อนได้ เพราะสารเคมีเหล่านี้เป็นสารกัดกร่อน สารเคมีที่นิยมใช้ได้แก่ ซิงค์คลอไรด์ (ZnCl2) โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) โซเดียมคลอไรด์ (NaCl) กรดฟอสฟอริก (H3PO4) เป็นต้น อีกวิธีการหนึ่งที่ใช้สำหรับกระตุ้นถ่านกัมมันต์คือ วิธีกระตุ้นทางกายภาพ (Physical activation) เป็นการผลิตถ่านกัมมันต์โดยที่ผิวคาร์บอนเกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ เช่น การจัดเรียงตัวใหม่ ฯลฯ ซึ่งจะเพิ่มความสามารถในการดูดซับของถ่านให้สูงขึ้น นิยมใช้แก๊สออกซิไดซ์ต่างๆ ร่วมกับการใช้ความร้อน ข้อดีของวิธีนี้คือ สามารถนำไปใช้งานได้เลยทันที โดยไม่ต้องล้างสารที่เหลือตกค้าง

             ผลจากการศึกษาประสิทธิภาพการดูดซับสีย้อมรีแอคทีฟ สีฟ้า หรือสีน้ำเงิน (Remozal Brilliant Blue R , RBBR) ของถ่านกัมมันต์ที่ผลิตจากเศษเหลือใช้ของไม้สนและไม้สักในประเทศไทย ทำให้ทราบถึงประสิทธิภาพการดูดซับและสภาวะต่างๆ ที่เหมาะสมต่อการดูดซับและสามารถนำมาประยุกต์ใช้กับน้ำเสียจากโรงงานอุตสาหกรรมและห้องปฏิบัติการได้ ซึ่งถ่านกัมมันต์จากไม้สนที่มีพื้นที่ผิวจำเพาะมากกว่าถ่านกัมมันต์จากไม้สัก ทำให้ถ่านกัมมันต์จากไม้สนมีค่าการดูดซับ มากกว่าค่าการดูดซับจากไม้สัก  จึงเลือกที่จะปรับปรุงการการกระตุ้นเพิ่มประสิทธิภาพการดูดซับจากถ่านกัมมันต์จากไม้สนในขั้นตอนต่อไป

             ในการเพิ่มประสิทธิภาพการดูดซับของถ่านกัมมันต์ที่ผลิตจากไม้สนด้วยวิธีการกระตุ้นและการเผาที่ต่างกัน พบว่าการการเผาด้วยเตาเผาในห้องปฏิบัติการให้ค่าการดูดซับไอโอดีนได้ดีกว่าการเผาด้วยเตาเผาชาวบ้าน และการกระตุ้นด้วยสารละลาย H3PO4 ให้ค่าการดูดซับไอโอดีได้ดีกว่าการกระตุ้นด้วยสารละลาย NaCl  โดยสภาวะที่เหมาะสมที่สุดในการผลิตถ่านกัมมันต์จากไม้สนด้วยการกระตุ้นด้วย H3PO4  ทำให้มีค่าร้อยละการดูดซับสูงสุดเท่ากับ 100 ซึ่งแสดงว่าถ่านกัมมันต์จากไม้สนที่ผ่านการกระตุ้นเพื่อปรับปรุงกระบวนการผลิตสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการลดสี RBBR ได้เพิ่มขึ้นโดยสามารถใช้ความเข้มข้นสีย้อมมากขึ้นจาก 140 มิลลิกรัมต่อลิตรเป็น 160 มิลลิกรัมต่อลิตร ระยะเวลาในการปั่นกวนน้อยลงจาก 270 นาทีเป็น 180 นาที และความเร็วรอบในการปั่นกวนลดลงจาก 200 รอบต่อนาทีเป็น 150 รอบต่อนาที ทำให้สามารถลดค่าใช้จ่ายในการลดสีย้อมลงได้

จะเห็นได้ว่า ถ่านกัมมันต์ที่ได้จากไม้สนของการทดลองนี้ สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของการดูดซับได้ใน 2 ขั้นตอนคือ ขั้นการเตรียมตัวอย่าง และขั้นตอนการทำให้เป็นถ่านซึ่งเป็นกระบวนการก่อนการกระตุ้นด้วยสารเคมี  การเตรียมวัตถุดิบใช้วิธีเตรียมแบบที่ชาวบ้านผลิตถ่านคือการสับตัวอย่างให้เป็นท่อนซึ่งมีขนาดเล็กใหญ่ต่างกัน อาจทำให้ความร้อนเข้าไปไม่ทั่วถึงทำให้คุณภาพของถ่านที่ได้ไม่สม่ำเสมอกัน และขั้นตอนการเผาให้เป็นถ่านซึ่งเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในการผลิตถ่านกัมมันต์ ซึ่งใช้เตาเผาแบบชาวบ้านซึ่งอาจจะควบคุมความร้อนได้ไม่สม่ำเสมอทำให้ธาตุและองค์ประกอบต่างๆ ที่ไม่ใช่คาร์บอนรวมถึงสารระเหยต่างๆ ถูกกำจัดออกไปจากโครงสร้างของวัตถุดิบไม่หมดและอาจส่งผลให้การกระตุ้นให้เป็นถ่านกัมมันต์ลดประสิทธิภาพลง ข้อเสนอแนะการประยุกต์ใช้ผลงานวิจัยนี้คือควรที่จะเข้าไปปรับปรุงกระบวนการผลิตถ่านกัมมันต์ตั้งแต่ขั้นตอนการเตรียมวัตถุดิบและขั้นตอนการทำให้เป็นถ่านซึ่งจะทำให้ถ่านกัมมันต์ที่ได้มีประสิทธิภาพสูงสุด

วราภรณ์ ที่มาข้อมูล : โครงการวิจัยทุนอุดหนุนวิจัย มก.

หัวหน้าโครงการ : นางสาววราภรณ์ อภิวัฒนาภิวัต

ฝ่ายนาโนเทคโนโลยีและเทคโนโลยีชีวภาพ

สถาบันค้นคว้าและพัฒนาผลิตผลทางการเกษตรและอุตสาหกรรมเกษตร

มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

 

เรียบเรียง : ฝ่ายเผยแพร่งานวิจัย

สถาบันวิจัยและพัฒนาแห่ง มก.

โทร. 02 561 1474

e-mail : rdiwan@ku.ac.th

นางสาววราภรณ์ อภิวัฒนาภิวัต