การกำจัดฟอสเฟตในน้ำเสียโดยการดูดซับด้วยแคลเซียมคาร์บอเนตและแคลเซียมออกไซด์จากเปลือกหอยเชอรี่ เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่

ชื่อนักเรียนผู้จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์

ปวีณา โพธ์อุดม, สุพัตรา รูปงาม

อาจารย์ที่ปรึกษาโครงงานวิทยาศาสตร์

สุนทร โชครื่นเริง

โรงเรียนที่กำกับดูแลโครงงานวิทยาศาสตร์

โรงเรียนคำตากล้าราชประชาสงเคราะห์

ปีที่จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์

พ.ศ. 2562

บทคัดย่อโครงงานวิทยาศาสตร์

ชื่อโครงการ การกำจัดฟอสเฟตในน้ำเสียโดยการดูดซับด้วยแคลเซียมคาร์บอเนตและแคลเซียมออกไซด์จาก

เปลือกหอยเชอรี่ เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่

Phosphate removal in wastewater by adsorption on calcium carbonate and

calcium oxide from Cherry shell, Cockle shell and Mussel shell.

สาขาโครงงาน วิทยาศาสตร์ สิ่งแวดล้อม

บทนำ

ปัญหามลพิษทางน้ำในปัจจุบันของประเทศไทยมีแนวโน้มเพิ่มมากขึ้น สาเหตุส่วนใหญ่เกิดจากการเจริญเติบโตในด้านต่างๆของประเทศ ฟอสฟอรัสเป็นธาตุอาหารตัวหนึ่งของพืชที่เป็นสาเหตุของปัญหามลพิษทางน้ำ ซึ่งกิจกรรมที่เป็นสาเหตุของการปล่อยฟอสฟอรัสลงสู่แม่น้ำ เช่นน้ำทิ้งจากโรงงานอุตสาหกรรม อาทิ อุตสาหกรรมปุ๋ยเคมี อุตสาหกรรมชุบเคลือบ อุตสาหกรรมอาหาร เป็นต้น นอกจากนี้กิจกรรมจากการซักล้างในครัวเรือน หารใช้ปุยเคมีจากภาคเกษตร การทำฟาร์มปศุสัตว์ ล้วนเป็นสาเหตุของการปล่อยฟอสฟอรัสลงสู่แหล่งน้ำ โดยส่งผลกระทบต่อแหล่งน้ำ คือเกิดปรากฏการณ์ยูโทรฟิเคชัน (Eutrophication) นั่นคือ พืชน้ำ เช่น สาหร่ายและแพลงก์ตอนพืช จะเจริญเติบโตอย่างรวดเร็วและเกิดขึ้นอย่างหนาแน่น ปัญหาปรากฏการณ์ยูโทรฟิเคชัน เกิดขึ้นมากในประเทศแถบสแกนดิเนเวีย เนื่องจากมีแหล่งน้ำปิดมาก เช่น อ่างเก็บน้ำ หนอง บึง หรือทะเลสาบ ซึ่งเป็นสิ่งที่เอื้อต่อการเกิดปรากฏการณ์นี้ เคยมีรายงานว่าค่าวิกฤตของฟอสฟอรัสในแหล่งน้ำเท่ากับ 0.007-0.030 mg/l (ธงชัย พรรณสวัสดิ์.2545) หากเกินค่านี้แล้วสามารถเกิดปรากฏการณ์ น้ำขึ้น-น้ำลงสีแดง หรือ Red Tide อันเป็นรูปแบบหนึ่งของยูโทรฟิเคชันได้ ในประเทศไทยพบปัญหายูโทรฟิเคชันหรือที่เรียกว่า “ขี้ปลาวาฬ” เกิดขึ้นในหลายพื้นที่ เช่น ศรีราชา ชะอำ หัวหิน กว๊านพะเยา บึงแก่นนาคร และบริเวณปากแม่น้ำเจ้าพระยา จังหวัดสมุทรปราการ (ธงชัย พรรณสวัสดิ์.2545) ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องควบคุมปริมาณของฟอสฟอรัสที่ระบายลงสู่แหล่งน้ำให้มีประมาณน้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ ในการเลือกใช้วิธีบำบัดจะต้องคำนึงถึงประสิทธิภาพการบำบัดและความเหมาะสมของเทคโนโลยีที่ใช้ รวมทั้งต้องราคาถูกคุ้มค่าต่อการบำบัด

ในการศึกษาโครงงานครั้งนี้เป็นการศึกษาการกำจัดฟอสฟอรัสในรูปของออร์โธฟอสเฟตที่อยู่ในน้ำเสียโดยการดูดซับด้วยแคลเซียมคาร์บอเนตและแคลเซียมออกไซด์จากเปลือกหอยเชอรี่ เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่ ซึ่งเทคนิคการดูดซับจะมีข้อดีคือเป็นเทคนิคที่ออกแบบไดง่าย สามารถกำจัดออร์โธฟอสเฟตได้ในปริมาณมากและมีค่าใช้จ่ายต่ำ การนำวัสดุเหลือใช้ ได้แก่ เปลือกหอยเชอรี่ เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่ มาใช้เป็นตัวดูดซับออร์โธฟอสเฟตในน้ำเสีย นอกกจากจะเป็นการลดค่าใช้จ่ายที่ไม่ต้องใช้ตัวดูดซับที่มีราคาแพงแล้วยังช่วยเพิ่มมูลค่าให้แก่ของเหลือใช้ที่นำไปทิ้ง อีกทั้งเป็นการช่วยจัดการของเสียและของเหลือทิ้งเหล่านี้อีกทางหนึ่ง ซึ่งนาแต่ละปีจะมีปริมาณเปลือกหอยเชอรี่ เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่ ที่ถูกนำไปทิ้งเป็นจำนวนมาก โดยเฉพาะจากร้านอาหารและอุตสาหกรรมอาหารที่จะต้องใช้วัตถุดิบจากหอยเชอรี่ หอยแครงและหอยแมลงภู่ในกระบวนการผลิต หรือจากการบริโภคภาคครัวเรือนของคนไทย ที่นำไปทิ้งสร้างมลภาวะเพิ่มอีก

สมมติฐาน

แคลเซียมคาร์บอเนตและแคลเซียมออกไซด์ จากเปลือกหอยเชอรี เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่ สามารถดูดซับออร์โธฟอสเฟตในน้ำเสีย ได้แตกต่างกัน

ตัวแปร

ตัวแปรต้น

แคลเซียมคาร์บอเนตและแคลเซียมออกไซด์ จากเปลือกหอยเชอรี เปลือกหอยแครง เปลือกหอยแมลงภู่

ตัวแปรตาม

ประสิทธิภาพในการดูดซับออร์โธฟอสเฟตในน้ำเสีย

เป้าหมายของโครงงาน

โครงงาน การกำจัดฟอสเฟตในน้ำเสียโดยการดูดซับด้วยแคลเซียมคาร์บอเนตและแคลเซียมออกไซด์จากเปลือกหอยเชอรี่ เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่ ผู้ศึกษาได้ทำการศึกษาวิธีการสร้างและพัฒนาตัวดูดซับออร์โธฟอสเฟต โดยการสร้างแคลเซียมคาร์บอเนตและแคลเซียมออกไซด์จากเปลือกหอยเชอรี เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่ ทดสอบประสิทธิภาพในการดูดซับออร์โธฟอสเฟตโดยแคลเซียมคาร์บอเนตและแคลเซียมออกไซด์จากเปลือกหอยเชอรี เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่

ขั้นตอนในการทำโครงงาน

โครงงาน การกำจัดฟอสเฟตในน้ำเสียโดยการดูดซับด้วยแคลเซียมคาร์บอเนตและแคลเซียมออกไซด์จากเปลือกหอยเชอรี่ เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่ ผู้ศึกษาได้แบ่งขั้นตอนการทำโครงงาน ดังนี้

การทดสอบความถูกต้องของการวิเคราะห์ (Validation of Method)

ในการทดสอบความเป็นเส้นตรงของช่วงการวิเคราะห์ โดยใช้สารละลายมาตรฐานฟอสฟอรัสเข้มข้น

100 mg/l เตรียมจาก Na2HPO4 จำนวน 100, 200, 300, 400 และ 500 µl เติม Combined Reagent จำนวน 8 ml ปรับปริมาตรให้ครบ 50 ml สารละลายแต่ละขวดมีความเข้มข้นของฟอสฟอรัสเท่ากับ 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 และ 1.0 mg/l ตามลำดับ ตั้งสารละลายทิ้งไว้ 30 นาที นำสารละลายไปวัดค่าการดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่น 880 nm* สร้างกราฟมาตรฐานระว่างค่าเฉลี่ยการดูดกลืนแสงและความเข้มข้นของสารละลายมาตรฐานฟอสฟอรัส (mg/l)

Combined Reagent คือ 2.5M H2SO4 500 ml + 1.3710g K(SbO)C4H4O6•5H2O 50 ml + 20g (NH4)6Mo7O6•4H2O 150 ml + 5.28g Ascorbic acid 300 ml คำนวณหาค่าต่ำสุดที่วิเคราะห์ได้ (LOD) และขีดจำกัดของการวัดเชิงปริมาณ (LOQ) จาก Regression Line ของกราฟมาตรฐาน ทดสอบความแม่นยำ (Precision) และความเที่ยง (Accuracy) ของวิธีการวิเคราะห์ โดยคำนวณร้อยละการกกลับคืนสำหรับการวิเคราะห์หาปริมาณออร์โธฟอสเฟตในน้ำตัวอย่างผ่านการดูดซับดัวย CaCO3 และ CaO จากเปลือกหอยเชอรี เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่

  • การวัดค่าการดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่น 890 nm โดยเครื่อง UV-visible spectroscopy ได้รับความอนุเคราะห์จากศูนย์วิทยาศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏสกลนคร)

การเตรียม CaCO3 และ CaO จากเปลือกหอยเชอรี เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่

การเตรียม CaCO3 จากเปลือกหอยเชอรี เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่ โดยนำเปลือก

หอยเชอรี เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่ มาล้างสิ่งสกปรกจนสะอาด ผึ่งลมให้แห้งหมาด นำมาต้มกับ 4% m/v NaOH ที่อุณหภูมิ 85-91 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 4 ชั่วโมง เพื่อกำจัดโปรตีน ล้างน้ำให้สะอาด ผึ่งลมให้แห้ง นำมาอบในตู้อบความร้อนที่อุณหภูมิ 150 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 90 นาที บทลดขนาดให้ละเอียดด้วยโกร่งบดยา ร่อนผ่านตะแกรงคัดกรอง ขนาด 100 ไมโครเมตร เก็บใส่ภาชนะที่แห้งและปิดสนิท จากการศึกษางานวิจัยที่เกี่ยวข้อง เปลือกหอยต่างๆ มีปริมาณ CaCO3 ร้อยละ 95-99 (สุภกร บุญยืนและคณะ :2559 อ้างใน Kaplan : 1998)

การเตรียม CaO จากเปลือกหอยเชอรี เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่ โดยนำเปลือก

หอยเชอรี เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่ มาล้างสิ่งสกปรกจนสะอาด ผึ่งลมให้แห้งหมาด นำมาต้มกับ 4% m/v NaOH ที่อุณหภูมิ 85-91 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 4 ชั่วโมง เพื่อกำจัดโปรตีน ล้างน้ำให้สะอาด ผึ่งลมให้แห้ง นำไปอบที่อุณหภูมิ 900 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 5 ชั่วโมง* (สุภกร บุญยืนและคณะ :2558) ทิ้งไว้ให้เย็น นำมาบดด้วยโกรงบดยา ร่อนผ่านตะแกรงคัดกรอง ขนาด 100 ไมโครเมตร เก็บใส่ภาชนะที่แห้งและปิดสนิท

  • การอบที่อุณหภูมิ 900 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 5 ชั่วโมง ได้รับความอนุเคราะห์ห้องปฏิบัติการศูนย์ความเป็นเลิศด้านพลังงานทางเลือก มหาวิทยาลัยราชภัฏสกลนคร

การศึกษาปัจจัยที่มีผลต่อการดูดซับออร์โธฟอสเฟตด้วย CaCO3 และ CaO จากเปลือกหอยเชอรี

เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่

การศึกษาอิทธิพลของปริมาณตัวดูดซับที่มีผลต่อประสิทธิภาพในการดุดซับออร์โธฟอสเฟต

เตรียมน้ำตัวอย่างสังเคราะห์ที่มีความเข้มข้นของออร์โธฟอสเฟตเท่ากับ 100 mg/l ปริมาตร

200 ml ลงในบิกเกอร์ขนาด 250 ml แล้วแปรเปลี่ยน CaCO3 จากจากเปลือกหอยเชอรี เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่ 0.5, 1.0, 2.0 และ 5.0 กรัม ตีกวนเป็นเวลา 180 นาที แล้วเก็บน้ำตัวอย่างสังเคราะห์ เพื่อวิเคราะห์ปริมาณออร์โธฟอสเฟต

ทำการทดลองซ้ำโดยการเปลี่ยนตัวดูดซับเป็น CaO จากเปลือกหอยเชอรี เปลือกหอยแครงและ

เปลือกหอยแมลงภู่ โดยการแปรเปลี่ยน CaO จากเปลือกหอยเชอรี เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่ 0.5, 1.0, 2.0 และ 5.0 กรัม ตีกวนเป็นเวลา 180 นาที แล้วเก็บน้ำตัวอย่างสังเคราะห์ เพื่อวิเคราะห์ปริมาณออร์โธฟอสเฟต

การศึกษาอิทธิพลของระยะเวลาที่มีผลต่อประสิทธิภาพในการดูดวับออร์โธฟอสเฟต

การศึกษาระยะเวลาที่มีผลต่อการดูดซับ โดยใช้เวลาในการดูดซับ โดยใช้เวลาในการดูดซับทั้งหมด

300 นาที เก็บน้ำตัวอย่างสังเคราะห์หลังการดูดซับทุกๆ 60 นาที โดยศึกษาความเข้มข้นเริ่มต้นของสารละลายน้ำตัวอย่างออร์โธฟอสเฟต 100, 200 และ 300 mg/l ใช้ปริมาณตัวดูดซับ CaCO3 จากเปลือกหอยเชอรี เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่ ที่เหมะสมจากการทดลอง 3.1

ทำการทดลองซ้ำ โดยการเปลี่ยนตัวดูดซับเป็น CaO จากเปลือกหอยเชอรี เปลือกหอยแครงและ

เปลือกหอยแมลงภู่ แทน CaCO3

การศึกษาอิทธิพลของ pH เริ่มต้นที่มีผลต่อประสิทธิภาพในการดูดซับออร์โธฟอสเฟต

การศึกษา pH เริ่มต้น โดยแปรเปลี่ยนค่า pH เป็น 1, 4, 7, 9 และ 11 ของน้ำเสียสังเคราะห์ และ

เปลี่ยนความเข้มข้นของออร์โธฟอสเฟต 3 ค่า คือ 100, 200 และ 300 mg/l โดยใช้ปริมาณเปลือกหอยเชอรี เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่และระยะเวลาจากสภาวะที่ดีที่สุดจากข้อ 3.1 และ 3.2

ทำการทดลองซ้ำโดยเปลี่ยนตัวดูดซับจาก CaCO3 จากเปลือกหอยเชอรี เปลือกหอยแครงและ

เปลือกหอยแมลงภู่ เป็น CaO จากเปลือกหอยเชอรี เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่ โดยใช้ปริมาณเปลือกหอยเชอรี เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่และระยะเวลาจากสภาวะที่ดีที่สุดจากข้อ 3.1 และ 3.2

การศึกษาประสิทธิภาพในการดูดซับออร์โธฟอสเฟตในน้ำเสียจากแหล่งน้ำทิ้งตลาดสดเทศบาล

คำตากล้า อำเภอคำตากล้า จังหวัดสกลนคร โดยใช้ CaCO3 และ CaO จากเปลือกหอยเชอรี

เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่

ศึกษาความสามารถในการดูดซับออร์โธฟอสเฟตในนำเสียปนเปื้อนออร์โธฟอสเฟตจากแหล่ง

น้ำทิ้งตลาดสดเทศบาลคำตากล้า อำเภอคำตากล้า จังหวัดสกลนคร โดยใช้ CaCO3 และ CaO จากเปลือกหอยเชอรี เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่ เป็นตัวดูดซับ โดยเลือกปัจจัยการดูดซับที่เหมาะสมที่สุดจากข้อ 3.1, 3.2 และ 3.3

การวิเคราะห์ข้อมูล

วิธี/เทคนิคที่จะใช้ในการวิเคราะห์ข้อมูล

การวิเคราะห์ออร์โธฟอสเฟส โดย Colorimetric Method โดยวิธี Ascorbic Acid Method

Ammonium molybdate และ Potassium antimonyl tartrate จะทำปฏิกิริยาในสารละลายที่เป็นกรดกบสารละลายออร์โธฟอสเฟตเจือจาง เกิดเป็น Heteropoly acid phosphomolybdic acid ซึ่งจะถูกรีดิวซ์โดย Ascorbic acid ได้สี Molybdenum blue วิธีนี้วัดได้ถึงความเข้มข้นต่ำสุด 1 µg P/l ซึ่งความยาวของ light path ที่ใช้ ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของฟอสฟอรัส (P)

เครื่องมือและอุปกรณ์

Colorimetric Equipment

Spectrophotometer พร้อมด้วย Infrared Phototube สำหรับที่ใช้ 880 nm โดยใช้ Light Path 0.5 cm. หรือยาวน้อยกว่านี้

Filter Photometer พร้อมด้วย Red Color Filter และ Light Path 0.5 cm. หรือยาวกว่านี้

Acid-Washed Glassware

การคำนวณ

mg./L-P = (mgP ×1,000)/(sample (ml))

การคำนวณผลในรูปฟอสเฟต

mg/L-PO43- = mg/L-P × 3.06

ประโยชน์และผลที่คาดว่าจะรับ

ผู้ศึกษาได้เรียนรู้กระบวนการทางวิทยาศาสตร์ในด้วยต่างๆ

ผู้ศึกษาได้สร้างและพัฒนาตัวดูดซับโดย CaCO3 และ CaO จากจากเปลือกหอยเชอรี

เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่

ผู้ศึกษาได้เพิ่มมูลค่าให้กับเปลือกหอยเชอรี เปลือกหอยแครงและเปลือกหอยแมลงภู่ ที่เป็นวัสดุเหลือ

จากการบริโภค

ผู้ศึกษาพัฒนากระบวนการทางวิทยาศาสตร์ของตนเอง

ผู้ศึกษาได้เครือข่ายในการเรียนรู้และพัฒนาองค์ความรู้ทางวิทยาศาสตร์จากสถาบันอุดมศึกษา

เอกสารอ้างอิง

ธงชัย พรรณสวัสดิ์ (2545). การกำจัดไนโตรเจนและฟอสฟอรัสชีวภาพ, พิมพ์ครั้งที่ 2. กรุงเทพมหานคร :

สมาคมวิศวกรรมสิ่งแวดล้อมแห่งประเทศไทย

นิรุตม์ สหนาวิน. ปรากฏการณ์ยูโทรฟิเคชัน. วารสารคณะพลศึกษา ปีที่ 15 (ฉบับพิเศษ)

สุภกร บุญยืน (2558). การสลายตัวของแคลเซียมคาร์บอเนตในเปลือกหอย, บทความวิจัย, ภาควิชาเคมี

คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์

เสาวภา ไวยสุศรี (2559). การกำจัดฟอสเฟตในน้ำเสียโดยการดูดซับด้วยแคลเซียมคาร์บอเนตและแคลเซียม

ออกไซด์จากเปลือกไข่, วารสารวิชาการพระจอมเกล้าพระนครเหนือ, ปีที่ 26, ฉบับที่ 3,

หน้า 475-486

Kaplan, D.L., 1998, Mollusk shell structures: Novel design strategies for synthetic materials,

Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 3: 232-236.

https:// www.mahidol.ac.th/sustainable/pdf/Waste-water-analysis-manual.pdf