กำจัดโลหะหนักด้วยไฮโดรเจลจากฟางข้าว

น้ำเสียที่เกิดจากโรงงานอุตสาหกรรม มักมีการปนเปื้อนโลหะหนัก อาทิ สารตะกั่ว ปรอท เหล็ก สังกะสี นิกเกิล โครเมียม ทองแดง การกำจัดโลหะหนักปนเปื้อนออกจากน้ำเสียอุตสาหกรรมก่อนปล่อยออกสู่แหล่งน้ำสาธารณะมีหลายวิธี  และวิธีหนึ่งที่ได้รับความนิยมอย่างสูงในปัจจุบัน คือ การดูดซับโดยใช้วัสดุจากพอลิเมอร์ชีวภาพ (biopolymer adsorbents) อาทิ ไฮโดรเจล เนื่องจากมีข้อดีที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ สามารถปรับแต่งสมบัติต่างๆได้  จึงเป็นวัสดุที่มีความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์

ในขณะที่ประเทศไทยมีฟาวข้าวเป็นของเหลือทิ้งทางการเกษตรจำนวนมาก ซึ่งฟางข้าวมีเซลลูโลส เป็นองค์ประกอบอยู่สูงถึง 35-40% โดยน้ำหนัก เซลลูโลสเป็นพอลิเมอร์ชีวภาพที่มีการนำมาใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวาง อาทิ นำมาใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตเส้นใย กระดาษ กาว แผ่นฟิล์ม เยื่อกรอง เซรามิก และตัวดูดซับ เป็นต้น ข้อดีของเซลลูโลสคือ เป็นวัสดุที่หาง่าย ราคาถูก สามารถดัดแปลงสมบัติต่างๆได้ง่าย โดยการสังเคราะห์เป็นอนุพันธ์เซลลูโลสประเภทต่างๆ อาทิ คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส (Carboxymethyl cellulose) ที่ได้รับความนิยมในการนำมาใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรมอาหาร อุตสาหกรรมยา อุตสาหกรรมสารซักฟอก ซึ่งเมื่อนำคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส มาสังเคราะห์เป็นไฮโดรเจล จะได้เป็นพอลิเมอร์ที่สามารถใช้ประโยชน์ได้ในหลายด้าน เช่น การใช้เป็นวัสดุเพื่อผลิตเยื่อเลือกผ่าน คอนเทคเลนส์ วัสดุทางการแพทย์ รวมถึงการใช้เป็นตัวดูดซับสารเคมีที่มีประจุซึ่งปนเปื้อนในน้ำเสียได้ โดยไฮโดรเจลมีข้อดี คือ สามารถควบคุมการผลิตและสร้างกำลังผลิตขนาดใหญ่ได้ง่าย สามารถสังเคราะห์ให้มีสมบัติตามต้องการได้ง่าย อีกทั้งสามารถนำกลับมาใช้งานใหม่ได้หลายครั้งอีกด้วย

ด้วยเหตุนี้ ผศ.ดร.ชลิดา เนียมนุ้ย อาจารย์ประจำจากภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ และ ผศ.ดร.กอบศักดิ์ กาญจนาพงศ์กุล จากภาควิชาวิศวกรรมการอาหาร คณะวิศวกรรมศาสตร์ กำแพงแสน  มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตกำแพงแสน จึงได้ทำการวิจัยและพัฒนาไฮโดรเจลคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสจากฟางข้าวที่มีประสิทธิภาพสูงเพื่อใช้ในการดูดซับโลหะหนักสำหรับใช้ในการบำบัดน้ำเสียอุตสาหกรรม เป็นแนวทางในการช่วยลดปัญหาสิ่งแวดล้อมทางน้ำจากโรงงานอุตสาหกรรม ขณะเดียวกันเป็นการสร้างมูลค่าเพิ่มให้กับฟางข้าวที่เป็นวัสดุเหลือใช้ทางการเกษตรอีกด้วย นอกจากนี้ยังได้นำเทคโนโลยีการให้ความร้อนด้วยคลื่นไมโครเวฟซึ่งถือเป็นเทคโนโลยีที่ประหยัดเวลาและพลังงาน อีกทั้งยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมาประยุกต์ใช้ในการให้ความร้อนระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ด้วย

การดำเนินงานวิจัย ประกอบด้วย การนำฟางข้าวมาเตรียมเยื่อเซลลูโลส และนำมาสังเคราะห์เป็นคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสโดยผ่านปฏิกิริยาแอลคาไลเซชันและอีเทอริฟิเคชันโดยใช้ไมโครเวฟในการให้ความร้อน  ศึกษาหาสภาวะที่เหมาะสมในการเตรียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสจากฟางข้าว โดยใช้ความเข้มข้นของโซเดียมไฮดรอกไซด์ ระดับต่างๆ ศึกษาหาปริมาณโซเดียมคลอโรอะซิเตต กำลังไฟฟ้า  และเวลาในการทำปฏิกิริยาที่เหมาะสม หลังจากนั้นจึงนำคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสไปสังเคราะห์ไฮโดรเจล โดยทำการเพิ่มประสิทธิภาพการบวมตัวในน้ำและการดูดซับโลหะหนักโดยเติมพอลิเมอร์ร่วม ด้วยการใช้ไมโครเวฟในการให้ความร้อน เพื่อการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรเซชันและเกิดการเชื่อมขวางของพอลิเมอร์ได้เป็นไฮโดรเจล

(ก) สารละลายเหล็ก (ซ้าย) และทองแดง (ขวา) ก่อนดูดซับด้วยไฮโดรเจล

(ข) สารละลายเหล็ก (ซ้าย) และทองแดง (ขวา) หลังดูดซับด้วยไฮโดรเจล

จากการทดลองพบว่า ฟางข้าวสามารถนำมาเตรียมเยื่อเซลลูโลสที่มีปริมาณแอลฟาเซลลูโลสโดยเฉลี่ยเป็นร้อยละ 85 และในขั้นตอนการสังเคราะห์คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส พบว่าสภาวะที่เหมาะสมคือการใช้ความเข้มข้นของโซเดียมไฮดรอกไซด์เท่ากับ 5.51 กรัมต่อ 100 มิลลิลิตรในขั้นตอนปฏิกิริยาอัลคาไลน์เซชัน และปริมาณโซเดียมคลอโรอะซิเตตเท่ากับ 12.61 กรัม โดยใช้กำลังของไมโครเวฟเท่ากับ 320 วัตต์เป็นเวลา 7.97 นาที ในขั้นตอนปฏิกิริยาอีเทอร์ริฟิเคชัน ซึ่งภายใต้สภาวะที่เหมาะสมนี้สามารถเตรียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสให้ได้องศาการแทนที่สูงสุดเท่ากับ 0.70 นอกจากนี้พบว่าไฮโดรเจลที่สังเคราะห์ได้มีปริมาณเจล (gel content) อยู่ร้อยละ 90.61 และมีค่าการบวมตัวในน้ำเท่ากับร้อยละ 425.34 และความสามารถในการดูดซับเหล็กและทองแดงได้สูงสุดคิดเป็นปริมาณเท่ากับ 92.00 และ 91.95 มิลลิกรัม/กรัมของไฮโดรเจลที่ใช้ ตามลำดับ

                                                 (ก) ไฮโดรเจลจากฟางข้าว ก่อนนำไปใช้ดูดซับโลหะหนัก

                                                (ข) ไฮโดรเจลจากฟางข้าว หลังนำไปใช้ดูดซับเหล็ก

                                               (ค)ไฮโดรเจลจากฟางข้าว หลังนำไปใช้ดูดซับทองแดง

จากการทดลอง จึงได้ผลิตภัณฑ์ ไฮโดรเจลจากฟางข้าว ซึ่งเป็นวัสดุเศษเหลือทางการเกษตรเป็นวัตถุดิบ เพื่อใช้ในการดูดซับโลหะหนักจากน้ำเสียอุตสาหกรรมได้อย่างมีประสิทธิภาพ สามารถปรับแต่งคุณสมบัติอื่นที่ต้องการเพิ่มเข้าไป และยังเป็นผลิตภัณฑ์ที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ซึ่งนับเป็นอีกทางเลือกที่หากสามารถผลิตเชิงพาณิชย์จะช่วยลดค่าใช้จ่ายในการบำบัดน้ำเสียปนเปื้อนโลหะหนักของโรงงานอุตสาหกรรม โดยการใช้วัสดุและเทคโนโลยีภายในประเทศด้วย

ขอขอบคุณที่ท่านเข้ามาอ่านบทความวิจัยนี้ และขอความกรุณาสละเวลาตอบแบบสอบถามการให้บริการข้อมูล เพื่อการปรับปรุงต่อไปด้วย จะขอบคุณยิ่ง  

คลิกที่นี่เพื่อตอบแบบสอบถาม—> https://goo.gl/forms/hcBXc1080pJmdUmF3

ผศ.ดร.ชลิดา เนียมนุ้ย

ที่มาข้อมูล   :    โครงการวิจัยทุนอุดหนุนวิจัย มก. หัวหน้าโครงการ : ผศ.ดร.ชลิดา เนียมนุ้ย ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ เรียบเรียง/สื่อเผยแพร่ :   วันเพ็ญ นภาทิวาอำนวย ฝ่ายเผยแพร่งานวิจัย สถาบันวิจัยและพัฒนาแห่ง มก. โทร. 02 561 1474 e -mail : rdiwan@ku.ac.th