การสังเคราะห์คาร์บอนกัมมันต์จากผักตบชวาสำหรับดักจับCO2

ชื่อนักเรียนผู้จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์

ชลดา โสภิรักษ์, ณัฐรดาทิพย์ ทับทิม

อาจารย์ที่ปรึกษาโครงงานวิทยาศาสตร์

พิพัฒน์พงษ์ สาจันทร์

โรงเรียนที่กำกับดูแลโครงงานวิทยาศาสตร์

โรงเรียนวิทยาศาสตร์จุฬาภรณราชวิทยาลัย เลย

ปีที่จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์

พ.ศ. 2565

บทคัดย่อโครงงานวิทยาศาสตร์

บทคัดย่อ

เป็นที่ทราบกันดีว่าโลกกําลังเผชิญผลกระทบของภาวะโลกร้อนจาก ปริมาณก๊าซเรือนกระจก ท่ีถูกปล่อยสู่ช้ันบรรยากาศเป็นจํานวนมากนําไปสู่การ เปลี่ยนแปลงสภาพอากาศทั่วโลกก๊าซเรือนกระจกประกอบด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณร้อย ละ 70 ซึ่งส่วนใหญ่มาจากการเผาไหม้ เชื้อเพลิงฟอสซิลในภาคอุตสาหกรรมและการขนส่งเป็นหลัก

ในปี พ.ศ. 2562 ไทย ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ปริมาณ 288 ล้านตันจัดเป็นอันดับที่ 2 ในกลุ่มอาเซียน การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ในประเทศไทยมาจาก 5 แหล่งหลัก ได้แก่ การผลิตกระแสไฟฟ้าและความร้อนการคมนาคมและขนส่ง การเกษตรอุตสาหกรรมและการผลิตและการก่อสร้างตามลําดับ ทั้ง 5 แหล่งเป็นที่มาของการปล่อยก๊าซ คาร์บอนไดออกไซด์รวมกันถึงร้อยละ 80 ของทั้งหมด

ดังนั้นทีมผู้วิจัยจึงได้ศึกษาการสังเคราะห์คาร์บอนกัมมันต์ เป็นทางเลือกหนึ่งที่จะใช้ในการดักจับ CO2 โดย อาศัยหลักการดูดซับที่ดี เนื่องจากถ่านกัมมันต์มีรูพรุนขนาดเล็กเกิดขึ้นจํานวนมากและขนาดรูพรุนก็แตกต่าง กันขึ้นอยู่กับวัตถุดิบตั้งต้นในการผลิตและวัตถุประสงค์ในการใช้งาน ดังนั้น วัตถุดิบที่ผู้จัดทําเลือกใช้ในการผลิตคือ ผักตบชวา เนื่องจากเป็นพืชท่ีมีรูพรุนและมีอยู่เป็นจํานวนมากในท้องถิ่น

วัตถุประสงค์

  1. เพื่อศึกษาการเตรียมถ่านกัมมันต์จากผักตบชวา ซึ่งเป็นพืชที่สร้างอุปสรรคต่อการระบายน้ำ

  2. ศึกษาการดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยใช้ถ่านกัมมันต์ที่เตรียมได้

ขอบเขตของการศึกษา

ศึกษาการสังเคราะห์คาร์บอนกัมมันต์จากผักตบชวาและศึกษาประสิทธิภาพของคาร์บอนกัมมันต์ในการดักจับ CO2

สมมติฐาน

  1. สามารถสังเคราะห์คาร์บอนกัมมันต์จากผักตบชวา

  2. สามารถดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ตัวแปรที่ศึกษา

ตัวแปรต้น ชนิดของผงคาร์บอนกัมมันต์

ตัวแปรตาม ปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ดักจับได้

ตัวควบคุม ปริมาณของคาร์บอนกัมมันต์,ปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ใช้

ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับ

1)ได้ทราบถึงวิธีการสังเคราะห์วัสดุดูดซับเพื่อ

ดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

2)ลดปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซต์ในบรรยากาศ

3)เพื่อนำผักตบชวามาใช้ให้เกิดประโยชน์

4)สามารถนำความรู้เกี่ยวกับหลักการของคาร์บอน

แคปเจอร์ที่ศึกษาในครั้งนี้ไปใช้ประโยชน์ใน

การกำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ต่อไป

วิธีดำเนินการทดลอง

วัตถุดิบที่ใช้ในการผลิตถ่านกัมมันต์คือผักตบชวา

อุปกรณ์สำหรับการสังเคราะห์คาร์บอนกัมมันต์

เตาเผาไฟฟ้าแบบท่อ (Tube furnace)

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด

เครื่องวัดพีเอชมิเตอร์

กระบอกตวง

เครื่องวิเคราะห์พื้นที่ผิว

ช้อนตักสาร

บีกเกอร์

เครื่องวัดปริมาณ CO2 (gas analyzer)

สารเคมีสำหรับการกระตุ้นเพื่อผลิตถ่านกัมมันต์

กรดไนตริก (HNO3)

กรดซัลฟิวริก (H2SO4)

โซเดียมไฮดรอกไซต์ (NaOH)

สารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH)

กรดไฮโดรคลอริก (HCl) เข้มข้น 3 โมลาร์

น้ำปราศจากไอออน (DI)

ขั้นตอนการดำเนินงาน

  1. การเตรียมคาร์บอนกัมมันต์

    การทดลองเริ่มจากการนำผักตบชวาที่เก็บได้มาสับละเอียด แล้วจึงนำไปตากแดดเป็นเวลา 2-3 วัน จากนั้นนำผักตบชวาที่ตากแห้งแล้วไปเผาที่อุณหภูมิ 500 องศาเซลเซียส เป็นเวลา

1 ชั่วโมงในเตาเผาไฟฟ้าแบบท่อภายใต้บรรยากาศแก๊สเฉื่อยและทำให้ถ่านร้อนเพิ่มขึ้นอีกที่อุณหภูมิ 800 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง เมื่อครบกำหนดเวลา ทำการปิดสวิตซ์เตาเผาและปล่อยให้เตาเผาเย็นตัว จะได้ผลิตภัณฑ์ คือ ถ่านชาร์ จากนั้นนำถ่านชาร์มากระตุ้น โดยการนำถ่านมาผสมกับสารเคมี เช่น กรดไนตริก, กรดซัลฟิวริก, โซเดียม

ไฮดรอกไซค์และโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ ในอัตราส่วนวัตถุดิบต่อสารกระตุ้น 1:3 ดังนี้ใส่ถ่าน 30 กรัมและใส่สารเคมี 90 กรัม ผสมถ่านกับสารเคมีให้เข้ากัน ขั้นตอนถัดไปนำผลิตภัณฑ์ที่ผสมกันแล้ว ไปให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 800 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมงในเตาเผาไฟฟ้าแบบท่อภายใต้บรรยากาศแก๊สเฉื่อย แล้วจึงนำผงที่ได้ไปแช่ในกรดไฮโดรคลอริก เข้มข้น 3 โมลาร์ ปริมาณ 50 mL จากนั้นนำถ่านกัมมันต์ที่ได้มาล้างถ่านด้วยน้ำปราศจากไอออน(DI) จนกระทั่งค่า pH ของถ่านกัมมันต์และน้ำมีค่าใกล้เคียงกัน แล้วนำผลิตภัณฑ์ที่ได้ไปอบให้แห้งที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 24 ชั่วโมง

  1. การวัดสมบัติของคาร์บอนกัมมันต์ที่มีตัวกระตุ้นต่างกัน

    วิเคราะห์โครงสร้างรูพรุนข้างใน ได้แก่ ค่าพื้นที่ผิวจำเพาะ ปริมาตรของรูพรุนขนาดต่างๆ ปริมาตรรูพรุนรวมและขนาดรูพรุนเฉลี่ยซึ่งคำนวณจาก 4xปริมาตรรูพรุนรวม/พื้นที่ผิว โดยใช้ข้อมูลไอโซเทอมการดูดซับแก๊สไนโตรเจนที่อุณหภูมิ -196 องศาเซลเซียส ซึ่งวัดด้วยเครื่องวิเคราะห์พื้นที่ผิวยี่ห้อ Micro meritics รุ่น ASAP 2010 และศึกษาลักษณะพื้นที่ผิวของถ่านกัมมันต์ โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด

  2. เปรียบเทียบประสิทธิภาพของคาร์บอนกัมมันต์ในการดักจับ CO2 ที่มีตัวกระตุ้นต่างกัน

    นำคาร์บอนกัมมันต์จากผักตบชวาที่กระตุ้นสารเคมีชนิดต่างๆ มาทำการดักจับ CO2 โดยการแพร่โมเลกุลของ CO2 ไปยังผิวภายอกของวัสดุดูดซับ โดยที่โมเลกุลของ CO2 จะไหลจากก๊าซชีวมวลเข้มข้นมากกว่าไปยังผิวของวัสดุดูดซับซึ่งเข้มข้นน้อยกว่า โดยเคลื่อนที่เข้าสู่รูพรุนของคาร์บอนกัมมันต์ จากนั้นวัดปริมาณ CO2 ที่เหลืออยู่ และบันทึกผล