การศึกษาประสิทธิภาพการกำจัดเมทิลีนบลูจากตัวเร่งปฏิกิริยาแสงในกระบวนการโฟโตคะตะไลซิส

ชื่อนักเรียนผู้จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์

พัชริญา ชวลิตจินดา, พีรวิชญ์ เหล่าธนาสิน

อาจารย์ที่ปรึกษาโครงงานวิทยาศาสตร์

สิริหทัย ศรีขวัญใจ

โรงเรียนที่กำกับดูแลโครงงานวิทยาศาสตร์

โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์

ปีที่จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์

พ.ศ. 2560

บทคัดย่อโครงงานวิทยาศาสตร์

ในปัจจุบันอุตสาหกรรมฟอกย้อมเป็นอุตสาหกรรมที่มีความสำคัญต่อเศรษฐกิจของประเทศไทย เนื่องจากช่วยเปลี่ยนวัตถุดิบสิ่งทอจำพวกเส้นด้ายดิบ และผ้าดิบเป็นวัสดุสำเร็จ เพื่อใช้เป็นวัตถุดิบของอุตสาหกรรมขั้นปลาย หรือจำหน่ายให้ผู้บริโภคโดยตรง ทำให้สามารถเพิ่มมูลค่าให้กับผลิตภัณฑ์สิ่งทอ และลดการนำเข้าวัตถุดิบจากต่างประเทศได้เป็นอย่างดี (ฐานข้อมูลส่งเสริมและยกระดับคุณภาพสินค้า OTOP, 2017) ซึ่งการขยายตัวของอุตสาหกรรมเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดปัญหาเกี่ยวกับสิ่งแวดล้อม คือ มีการใช้น้ำและสารเคมีปริมาณมากในกระบวนการผลิต ส่งผลให้มีน้ำเสียเกิดขึ้นในปริมาณมากตามไปด้วย (OTOP, 2017) ซึ่งสีย้อมได้ถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมฟอกย้อมหลายประเภท เช่น อุตสาหกรรมผ้า อุตสาหกรรมกระดาษ และอุตสาหกรรมเส้นใย เป็นต้น ซึ่ง Methylene blue เป็นหนึ่งในตัวแทนของสารอินทรีย์ที่นำมาใช้ในการศึกษาในครั้งนี้

จากฐานข้อมูลมูลกรมโรงงานอุตสาหกรรม พบว่าโรงงานฟอกย้อมสิ่งทอเป็นหนึ่งในโรงงานที่ก่อให้เกิดน้ำเสียมากที่สุด ทั้งนี้ปัญหาหนึ่งที่พบคือการปล่อยน้ำเสียที่มีสี โดยทั่วไปสีที่ปนเปื้อนอยู่ในน้ำเสียนั้นมักจะมาจากกระบวนการย้อมสี การพิมพ์ผ้า และการฟอกขาว ซึ่งสีบางประเภทสามารถบําบัดได้ด้วยวิธีทางกายภาพและทางเคมีทั่วๆไป แต่สีบางประเภทไม่สามารถบําบัดได้ด้วยวิธีการดังกล่าว สีย้อมที่ใช้ในอุตสาหกรรมฟอกย้อม มีหลายชนิด เช่น สีรีแอกทีฟ สีเอซิด สีเบสิก สีไดเร็กท์ สีแว็ต สีดิสเพอรส์ เป็นต้น ซึ่งน้ำทิ้งจากอุตสาหกรรมฟอกย้อมสีสิ่งทอเป็นน้ำทิ้งที่ปนเปื้อนสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ชนิดต่างๆ ส่งผลให้เกิดเป็นมลพิษทางน้ำ และในบางครั้งสีย้อมที่เป็นอนุภาคคอลลอยด์นั้นสามารถที่จะไปบดบังแสงอาทิตย์ทีส่องผ่านลงสู่ผิวน้ำ ส่งผลให้พืชน้ำและสาหร่ายไม่สามารถสังเคราะห์แสงได้ ทำให้แหล่งน้ำขาดออกซิเจน ซึ่งมีผลต่อการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตในน้ำ ดังนั้นจึงมีความจำเป็นที่จะต้องมีการกําจัดสีย้อมที่ปนเปื้อนอยู่ในน้ำทิ้งที่ถูกปล่อยมาจากอุตสาหกรรม (กรมโรงงานอุตสาหกรรม, 2556)

ในปัจจุบัน เทคโนโลยีการกำจัดสิ่งเจือปนในน้ำทิ้งจากอุตสาหกรรมฟอกย้อม สามารถใช้เทคนิคการบำบัดน้ำเสียได้หลายวิธี เช่น การตกตะกอนทางเคมี (Chemical coagulation-flocculation), กระบวนการโอโซนออกซิเดชัน (Ozone oxidation), การดูดซับ (Adsorption), การกรอง (Filtration) และกระบวนการไฟฟ้าเคมี (Electrochemical process) นอกจากนี้ ยังมีการศึกษาวิธีการบำบัดน้ำเสียแบบใหม่ที่อาศัยกระบวนการทางกายภาพร่วมกับทางเคมี ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงและกำลังเป็นที่นิยมในปัจจุบัน คือวิธีออกซิเดชันแบบก้าวหน้า (Advanced oxidation process, AOPs) โดยการใช้กระบวนการโฟโต้คะตะไลซิส (photocatalysis) มาใช้เพื่อสลายสีย้อมอินทรีย์ที่ปนเปื้อนในน้ำเสีย (วนิดา ชูอักษร, 2559)

กระบวนการโฟโต้คะตะไลซิส คือ การทำให้อิเล็กตรอนจากชั้น Valence Band ถูกกระตุ้นโดยแสงให้ไปอยู่ในชั้น Conduct Band ดังนั้นในชั้น Valence Band จะเกิด hole ขึ้น และ hole นี้จะสามารถไปทำปฏิกิริยากับน้ำ ให้เกิดเป็น OH . (Hydroxyl radical) ได้ นอกจากนี้ อิเล็กตรอนในชั้น Conduct Band จะสามารถไปทำปฏิกิริยากับออกซิเจน ให้เกิดเป็น O2- ได้ และ O2- จะกลายเป็น OH. ต่อไป ซึ่ง OH . นี้สามารถไปสลายสารอินทรีย์ที่อยู่ในน้ำทิ้งได้ ข้อดีของกระบวนการนี้ คือ ราคาถูก ไม่เป็นพิษ และสามารถนำ Catalyst กลับมาใช้ใหม่ได้

แต่อย่างไรก็ตามปัญหาของกระบวนการนี้ คือ มีขีดจำกัดในช่วงของแสงยูวี ซึ่งเป็นส่วนประกอบ ของแสงอาทิตย์ประมาณ 2-3% เท่านั้น และการที่ hole และอิเล็กตรอนกลับมารวมตัวกัน ทำให้ไม่สามารถเกิด OH . ได้ ซึ่งวิธีการแก้ปัญหา คือ การทำ Co-Precipitation ระหว่างสารกึ่งตัวนำ 2 ตัวที่มี Band gap กว้างพลังงานต่ำ และ Band gap แคบพลังงานสูง ซึ่งจะทำให้เกิดเป็น Couple oxide ขึ้น โดยวิธีการนี้จะทำให้สามารถลดพลังงานกระตุ้นในการเกิดปฏิกิริยา (Ea) และสามารถใช้ Visible light ในการทดลองได้

ดังนั้นคณะผู้จัดทำโครงงานจึงต้องการที่จะปรับปรุงตัวเร่งปฏิกิริยาแสงให้สามารถกำจัดสีย้อม Methylene blue ได้ภายใต้แสงในช่วงวิสิเบิล โดยสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาจากเทคนิคการตกตะกอนร่วม (Co-precipitation) และคณะผู้จัดทำโครงงานจะนำตัวเร่งปฏิกิริยาแสง และสภาวะ ที่ทำให้ประสิทธิภาพการกำจัดสีย้อม Methylene Blue สูงที่สุดมาใช้ในการเคลือบแผ่นยาง เพื่อนำไปทดสอบประสิทธิภาพในการใช้งานแผ่นยางแต่ละครั้งต่อไป