การสังเคราะห์วัสดุบำบัดน้ำเสียจากเซลลูโลสแบคทีเรียที่มีอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ระดับนาโน
- ชื่อนักเรียนผู้จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์
ศลิษา อภิวัฒน์การุญ, ณิชารีย์ พสุนธาวิโรจน์
- อาจารย์ที่ปรึกษาโครงงานวิทยาศาสตร์
สกล วารินทราพร
- โรงเรียนที่กำกับดูแลโครงงานวิทยาศาสตร์
- ปีที่จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์
บทคัดย่อโครงงานวิทยาศาสตร์
ปัญหาน้ำเน่าเสียเป็นปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมสำคัญที่ผู้คนทั่วโลกตระหนักและพยายามแก้ไขมาอย่างยาวนาน โดยสารกลุ่มหนึ่งที่ก่อให้เกิดมลภาวะทางน้ำคือสารอินทรีย์ต่าง ๆ ซึ่งงานวิจัยต่าง ๆ ได้ศึกษาหาวิธีกำจัดสารอินทรีย์เหล่านั้นที่มีอยู่ในน้ำ และหนึ่งในวิธีนั้นคือ การใช้ปฏิกิริยาโฟโตแคตะไลติก (Photocatalysis) โดยใช้อนุภาคระดับนาโนของไทเทเนียมไดออกไซด์ซึ่งสังเคราะห์ด้วยกระบวนการ Green synthesis ซึ่งเป็นวิธีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ไม่ซับซ้อน และประหยัดพลังงาน ซึ่งงานวิจัยชิ้นนี้มุ่งเน้นเพิ่มประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาโฟโตแคตะไลติกของไทเทเนียมไดออกไซด์โดยนำมาใส่ในเซลลูโลสแบคทีเรียเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวจำเพาะสำหรับการเกิดปฏิกิริยาให้มากขึ้น อีกทั้งยังสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ โดยยืนยันผลการสังเคราะห์อนุภาคระดับนาโนของไทเทเนียมไดออกไซด์จากวิธี Green synthesis โดยใช้สารสกัดจากใบสบู่ดำด้วยเครื่อง X-Ray Diffractometer (XRD) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (FESEM) และเครื่อง Energy Dispersive X-ray Spectrometer (EDS) พบว่าอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ระดับนาโนที่ได้จากการสังเคราะห์โดยกระบวนการ Green synthesis มีโครงสร้างผลึกแบบอะนาเทส อยู่รวมตัวกันเป็นกลุ่มก้อน มีรูปร่างที่ค่อนข้างแน่นอน ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 20-50 นาโนเมตร มีองค์ประกอบหลักคือไทเทเนียมและออกซิเจน ส่วนการสังเคราะห์เซลลูโลสแบคทีเรียพบว่าการเลี้ยงเชื้อแบคทีเรีย Gluconacetobacter xylinus ด้วยอาหารเลี้ยงเชื้อที่ดัดแปลงมาจากสูตร Hestrin-Schramm medium (HS) โดยมีส่วนผสมของกลูโคส ผงยีสต์สกัด เปปโทน โซเดียมไฮโดรเจนฟอสเฟต และกรดซิตริก ในอัตราส่วน 2, 0.5, 0.5, 0.27 และ 0.115% (w/v) ตามลำดับ เป็นวิธีในการเลี้ยงเชื้อแบคทีเรียที่ได้ผลผลิตสูงที่สุด และเมื่อนำอนุภาคระดับนาโนของไทเทเนียมไดออกไซด์มาใส่ในเซลลูโลสแบคทีเรียและตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (FESEM) และเครื่อง Energy Dispersive X-ray Spectrometer (EDS) พบว่าวัสดุบำบัดน้ำเสียประกอบด้วยเส้นใยเซลลูโลสที่มีอนุภาคระดับนาโนของไทเทเนียมไดออกไซด์แทรกตัวอยู่ระหว่างเส้นใยที่สานทับกันไปมา ซึ่งเมื่อนำวัสดุดังกล่าวมาทดสอบการเกิดปฏิกิริยาโฟโตแคตะไลติกกับสารละลายเมทิลีนบลู ซึ่งเป็นตัวแทนของสารอินทรีย์โมเลกุลใหญ่ที่มีโครงสร้างที่ซับซ้อน ย่อยสลายเองตามธรรมชาติได้ยาก และก่อให้เกิดปัญหาเน่าเสียของน้ำซึ่งส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตในน้ำ โดยเซลลูโลสแบคทีเรียที่ผ่านการแช่ด้วยไทเทเนียมไดออกไซด์แบบอะนาเทสที่ความเข้มข้น 0.01 โมลาร์มีประสิทธิภาพสูงสุดในการเกิดปฏิกิริยาโฟโตแคตะไลติกกับสารละลายเมทิลีนบลู อีกทั้งยังสามารถนำกลับมาใช้ซ้ำโดยให้ประสิทธิภาพที่สูงที่สุดเกือบ 60% และมีผลการทดสอบการบำบัดน้ำเสียจริงโดยสามารถลดค่า Chemical oxygen demand (COD) ของน้ำได้ถึง 60.61% ภายใต้แสงอาทิตย์ปกติ โดยเมื่อนำเซลลูโลสแบคทีเรียที่แช่ในสารละลายไทเทเนียมไดออกไซด์ที่สังเคราะห์ด้วยวิธี Green synthesis จากใบสบู่ดำที่ความเข้มข้น 0.01 โมลาร์ พบว่ามีประสิทธิภาพในการเกิดปฏิกิริยาโฟโตแคตะไลติกกับสารละลายเมทิลีนบลู 45% เทียบกับเซลลูโลสแบคทีเรียที่มีไทเทเนียมไดออกไซด์แบบอะนาเทสที่ให้ประสิทธิภาพสูงสุด ซึ่งเป็นแนวทางสำหรับการพัฒนาประสิทธิภาพของวัสดุดังกล่าวที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมตั้งแต่กระบวนการผลิต และการบำบัดน้ำเสียด้วยประสิทธิภาพที่สูงที่สุดในอนาคต
Water pollution is one of the most serious environmental issues that we are facing and trying to reduce for decades. A major cause of water pollution is the contamination of organic compounds that there is much research about it. Photocatalysis applying titanium dioxide (TiO2) nanoparticles is one of the most effective methods for water treatment from organic compound contamination, including green synthesis of titanium dioxide which is a simple method and uses less energy, causing this method to be more environmentally friendly. In this research, a new kind of water treatment material from TiO2 nanoparticle-impregnated bacterial cellulose (TiO2-BC) was synthesized for effluents removal from wastewater to increase the specific surface area and reusability of TiO2 nanoparticles. Green synthesis of TiO2 nanoparticles using the extract from the leaves of Jatropha curcas yielded anatase TiO2 with the steady size of 20-50 nm from the analysis by X-ray diffractometer (XRD), field emission scanning electron microscope (FESEM), and energy dispersive X-ray spectrometer (EDS). For bacterial cellulose (BC) production, using the modified Hestrin-Schramm medium (HS) consisting of glucose, yeast extract powder, peptone, Na2HPO4, and citric acid in a ratio of 2, 0.5, 0.27, and 0.115% (w/v) respectively yielded the highest rate of BC production. Impregnation of TiO2 in bacterial cellulose was confirmed by FESEM and photocatalytic properties of TiO2-BC were studied by observing the decomposition rate of methylene blue (MB), one of the complex organic compounds which can be a cause of water pollution due to the low rate of decomposition in nature, by using UV-visible spectrophotometry. The results show that the rate of MB decomposition and the concentration of TiO2 solutions are in a direct relationship until it reaches 0.01 M of TiO2 solution which is the best condition. The repeatability of TiO2-BC observed by repeating the MB test of 0.01 M TiO2-BCs shows that the rate of MB decomposition of TiO2-BC does not decrease with the highest efficiency of nearly 60%. For the application with real contaminated water, TiO2-BC could reduce the value of chemical oxygen demand (COD) of water for 60.61% under sunlight. Lastly, TiO2-BC using TiO2 nanoparticles synthesized by green synthesis using the extract from the leaves of Jatropha curcas could decompose MB for 45% comparing with TiO2-BC using commercial anatase TiO2 having the highest efficiency of photocatalysis. These results can outline the development of the environmentally friendly material from the production to the application of water treatment with the highest efficiency in the future.