วช.หนุนทีมวิจัยสจล.พัฒนาเครื่องผลิตรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ขนาดกึ่งอุตสาหกรรมรองรับความต้องการของอุตสาหกรรมแห่งอนาคต พร้อมประยุกต์ใช้อลูมินา-รีดิวซ์กราฟีนออกไซด์เมมเบรน สำหรับแยกก๊าซไฮโดรเจนบริสุทธิ์ในกระบวนการผลิตเชื้อเพลิงจากชีวมวล สร้างแหล่งพลังงานทดแทนเพิ่มมูลค่าให้วัสดุเหลือทิ้ง
รวมถึงใช้กำจัดก๊าซพิษไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) จากโรงงานอุตสาหกรรมช่วยรักษาสิ่งแวดล้อม
ดร.วิภารัตน์ ดีอ่อง ผู้อำนวยการสำนักงานการวิจัยแห่งชาติ กล่าวว่าวัสดุรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ (Reduced Graphene oxide, RGO) เป็นวัสดุที่มีความสำคัญอย่างมากในอุตสาหกรรมต่างๆในอนาคต เช่น วัสดุผลิตหมึกนำไฟฟ้าสำหรับวงจรอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่วัสดุโปร่งแสงนำไฟฟ้า วัสดุผสมเสริมความเข็งแรงในโพลิเมอร์ ซีเมนต์ ยางพารา วัสดุทางการแพทย์ การนำส่งยา ต้านแบคทีเรีย เสริมแรงไหมเย็บแผล วัสดุผลิตไฟฟ้าโซล่าเซลล์ ตัวกักเก็บพลังงาน ทำขั้วแบตเตอรี่ตัวเก็บประจุยิ่งยวด
เสริมความแข็งแรงเสื้อเกราะกันกระสุนและตัวตรวจวัดต่างๆแต่วัสดุรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ยังมีราคาที่สูง เนื่องจากมีกระบวนการสังเคราะห์ที่ซับซ้อนและสามารถเตรียมได้ในปริมาณที่น้อยกระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม โดยสำนักงานการวิจัยแห่งชาติ (วช.) ตระหนักถึงความสำคัญของการพัฒนาวัสดุรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ซึ่งเป็นวัสดุแห่งอนาคตที่จะช่วยเพิ่มขีดความสามารถด้านนวัตกรรม เทคโนโลยีและเชื่อมโยงองค์ความรู้สู่การขับเคลื่อนธุรกิจใหม่ หรือNew S-Curve ให้กับประเทศไทยจึงให้ทุนสนับสนุนการวิจัยประจำปี2563 แก่โครงการ“การพัฒนาเครื่องผลิตรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์และการประยุกต์ใช้รีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ผลิตอลูมินา-รีดิวซ์กราฟีนออกไซด์เมมเบรนแยกก๊าซไฮโดรเจนบริสุทธิ์ และกำจัดไฮโดรเจนซัลไฟด์” ซึ่งมี “ รองศาสตราจารย์ดร.เชรษฐา รัตนพันธ์” จากสถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง เป็นหัวหน้าโครงการ เพื่อให้สามารถเตรียมวัสดุรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ได้เองภายในประเทศไทยและเพียงพอต่อความต้องการในระดับอุตสาหกรรมในอนาคต
รองศาสตราจารย์ ดร.เชรษฐา รัตนพันธ์หัวหน้าหน่วยวิจัยและนวัตกรรมด้านวัสดุอัจฉริยะ ภาควิชาฟิสิกส์คณะวิทยาศาสตร์
สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง (สจล.) เปิดเผยว่าทีมวิจัยได้มีการพัฒนาต้นแบบเครื่องผลิตรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ขนาดกึ่งอุตสาหกรรมขนาดเล็กด้วยวิธีการออกซิเดชัน–รีดักชันทางเคมีโดยขยายขนาดกำลังผลิต จากเดิม2 ลิตร (40 กรัมผง) ไปเป็นขนาดกำลังผลิต5 ลิตร (80 กรัมผง) ต่อรอบการผลิตซึ่งมีการวางแปลนการสร้างเครื่องต้นแบบผลิตรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ระดับกึ่งอุตสาหกรรมที่สามารถผลิตได้ทั้งวัสดุกราฟีนออกไซด์และรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ในขั้นตอนเดียว เครื่องต้นแบบดังกล่าวจะมีการติดตั้งภายในห้องหน่วยวิจัยและนวัตกรรมด้านวัสดุอัจฉริยะ ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง
นอกจากนี้ยังมีการวิจัยในส่วนที่ขนานกับการสร้างต้นแบบเครื่องผลิตรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ โดยเป็นการพัฒนาวัสดุคอมโพสิตอลูมินา-กราฟีน สำหรับใช้ผลิตก๊าซไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง และกำจัดไฮโดรเจนซัลไฟด์โดยอลูมินา-กราฟีนที่ผลิตขึ้น
สามารถนำไปใช้เป็นเมมเบรนสำหรับแยกก๊าซไฮโดรเจนออกจากก๊าซผลิตภัณฑ์จากกระบวนการแก๊สซิฟิเคชันของชีวมวลหรือวัสดุเหลือใช้จากการเกษตรในประเทศไทยเพื่อเพิ่มมูลค่าให้วัสดุเหลือทิ้ง และใช้เป็นแหล่งพลังงานทดแทน ขณะเดียวกันอลูมินา-กราฟีนยังสามารถนำไปใช้เป็นเมมเบรนเพื่อกำจัดก๊าซพิษไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) จากโรงงานอุตสาหกรรมที่จะปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อมได้ ซึ่งจากการศึกษาพบว่าการเติมกราฟีนในปริมาณที่เพิ่มขึ้นจะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการเลือกผ่านไฮโดรเจนและกำจัดH2S ได้ดีขึ้นที่ผ่านมากราฟีนออกไซด์ยังต้องนำเข้าและมีราคาแพง หากทำการผลิตได้เองเป็นจำนวนมากก็จะสามารถนำกราฟีนมาประยุกต์ใช้กับเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพแก่เมมเบรนในต้นทุนที่ถูกลงได้
โครงการวิจัยจึงมุ่งเน้นทำการศึกษาการผลิตเมมเบรนชนิดใหม่ที่ทำจากเซรามิกชนิดอลูมินาซึ่งมีสมบัติทางกลที่ดีและราคาไม่แพงและทำการเติมกราฟีนเข้าไปเพื่อปรับปรุงสมบัติในการเลือกผ่านและไหลผ่านของก๊าซไฮโดรเจน โดยจะทำการศึกษาอิทธิพลของปริมาณกราฟีนที่เติมเข้าไปต่อความสามารถในการขึ้นรูปโดยวิธีเผาผนึกเป็นเซรามิกเมมเบรนแบบรูพรุน
และทำการปริมาณการเติมกราฟีนที่เหมาะสมเพื่อให้ได้เซรามิกเมมเบรนที่มีประสิทธิภาพเทียบเท่าหรือดีกว่าพลาเดียมเมมเบรนรวมถึงศึกษาความเป็นไปได้ในการนำอลูมินา-กราฟีนเมมเบรนมาใช้การกำจัดก๊าซพิษH2S
รองศาสตราจารย์ ดร.เชรษฐา กล่าวว่า ในงานวิจัยนี้ได้มีการนำเอากราฟีนออกไซด์ที่ได้ผลิตขึ้นมาไปทดลองประยุกต์ใช้ในการผลิตเมมเบรนสำหรับใช้แยกก๊าซไฮโดรเจนโดยกระบวนการผลิตคอมพอสิตเมมเบรนชนิดอลูมินา-กราฟีนออกไซด์ ในการวิจัยนี้สามารถทำได้โดยกระบวนการที่ไม่ยุ่งยากซับซ้อนมีการนำสารตั้งต้นคืออลูมินา ผสมกับกราฟีนออกไซด์ในอัตราส่วน0.5–5.0 wt% แล้วทำการเผาผนึกที่อุณหภูมิ1600 องศาเซลเซียสเป็นเวลา1 ชั่วโมง จากผลการทดสอบทางกายภาพ ทางกล
และสมบัติการเลือกผ่านของก๊าซพบว่าอลูมินา-กราฟีนออกไซด์คอมพอสิตที่มีส่วนผสมของกราฟีนออกไซด์ในปริมาณ5
wt% มีแนวโน้มเหมาะกับการนำไปใช้งานได้ดี โดยค่าการซึมผ่านของก๊าซไฮโดรเจนอยู่ที่2.85x10-4 mol m-2 s-1
Pa-1และมีค่าการเลือกผ่านเป็น5.1 เมื่อทดสอบที่อุณหภูมิ30องศาเซลเซียส ประสิทธิภาพการซึมผ่านของก๊าซไฮโดรเจนของเมมเบรนที่ผลิตขึ้นนี้มีค่าใกล้เคียงกับของพลาเดียมเมมเบรนที่มีขายเชิงพาณิชย์ โดยมีต้นทุนการผลิตต่ำกว่าถึงประมาณ3 เท่า แต่การเลือกผ่านนั้นยังต้องมีการปรับปรุง
ในส่วนการศึกษาความสามารถในการดูดซับก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์นั้นคอมพอสิตที่เติมกราฟีนในปริมาณ3 wt% เผาที่อุณหภูมิ1500 องศาเซลเซียส เป็นเวลา2 ชั่วโมงมีประสิทธิภาพสูงสุด โดยมีค่าBreakthrough time คือ31 นาที และH2S breakthrough capacity คือ 0.43 mg/g
จากผลการทดลองเบื้องต้นเมมเบรนอลูมินา-กราฟีนออกไซด์คอมพอสิตที่ผลิตขึ้นจากงานวิจัยนี้ สามารถนำไปพัฒนาต่อยอดเพื่อประยุกต์ใช้ในการแยกก๊าซไฮโดรเจนจากกระบวนการเผาชีวมวลโดยกระบวนการแก๊สซิฟิเคชั่นและกำจัดก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ได้
