“โลกร้อน” ปัจจัยเร่งสู่การแสวงหาพลังงานทางเลือก

การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) จากการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น ถ่านหินและปิโตรเลียม เป็นสาเหตุสำคัญของภาวะโลกร้อน ส่งผลให้เกิดสภาพอากาศแปรปรวน ภัยธรรมชาติที่รุนแรง และอุณหภูมิโลกที่เพิ่มสูงขึ้น พลังงานชีวภาพ (Biofuel) จึงกลายเป็นทางออกที่ทั่วโลกให้ความสนใจ เพราะสามารถผลิตได้จากทรัพยากรหมุนเวียน เผาไหม้สะอาดกว่า และลดการปล่อยคาร์บอนลงได้อย่างมีนัยสำคัญ

การส่งเสริมให้มีการใช้พลังงานชีวภาพได้ในระดับอุตสาหกรรมนั้น จำเป็นต้องมีกระบวนการเปลี่ยนสารประกอบจากชีวมวลไปเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพในระบบการผลิตได้อย่างต่อเนื่อง ซึ่งจะเป็นวิธีการที่เหมาะสมสำหรับการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมไบโอรีเฟอร์เนอรี่ (Biorefinery) ซึ่งเป็นอุตสาหกรรมที่นำเทคโนโลยีชีวภาพมาแปรรูปชีวมวลเพื่อผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูง อาทิ สารเคมีชีวภาพ พลาสติกชีวภาพ และเชื้อเพลิงชีวภาพ ได้อย่างยั่งยืนในอนาคต

 

 

ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ “นิเกิล-เหล็ก” เปลี่ยนสารชีวมวลสู่เชื้อเพลิงชีวภาพ

 

รศ. ดร. อรรถพล ศรีฟ้า อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดลและคณะวิจัย ได้พัฒนา “ตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิล–เหล็กบนตัวรองรับอลูมินา” เพื่อเปลี่ยนสารชีวมวล 5-ไฮดรอกซีเมทิลเฟอร์ฟูรัล (5-hydroxymethylfurfural: HMF) ซึ่งเป็นสารประกอบอินทรีย์ที่เกิดขึ้นจากการคายน้ำของน้ำตาล ไปเป็น 2,5-ไดเมทิลฟูเรน (2,5-Dimethylfuran: DMF) ซึ่งมีสมบัติเหมาะสมสำหรับใช้เป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ โดยพบว่าที่สัดส่วนโมลของนิกเกิลต่อเหล็กเป็น 0.74 ต่อ 0.97 ให้ร้อยละผลได้ของ 2,5-ไดเมทิลฟูเรนสูงสุดเมื่อเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะเดี่ยวอย่างนิกเกิลหรือเหล็กเพียงชนิดเดียว

 

เงื่อนไขที่ดีที่สุดจากการทดลอง

 

การทดลองพบว่า ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีอัตราส่วนโมลของนิกเกิลต่อเหล็ก 0.74 : 0.97 ให้ผลผลิต2,5-ไดเมทิลฟูเรน สูงสุดถึง 90.5% และสามารถเปลี่ยน5-ไฮดรอกซีเมทิลเฟอร์ฟูรัลได้เต็ม 100% โดยเงื่อนไขที่เหมาะสมที่สุดคือ

• อุณหภูมิ: 160°C
• ความดันไฮโดรเจน: 40 บาร์
• ความเร็วสเปซเชิงน้ำหนัก: 0.3 ต่อชั่วโมง

 

ใช้เทคนิคซินโครตรอนเจาะลึกโครงสร้างตัวเร่งปฏิกิริยา

จากการวิเคราะห์คุณลักษณะของตัวเร่งปฏิกิริยาพบว่า การเติมนิกเกิลในตัวเร่งปฏิกิริยาเหล็กบนตัวรองรับอลูมินาช่วยลดอันตรกิริยาระหว่างโลหะและตัวรองรับ นอกจากนี้ทีมวิจัยได้ใช้แสงซินโครตรอนวิเคราะห์ด้วยเทคนิค การดูดกลืนรังสีเอกซ์ (X-ray Absorption Spectroscopy) เพื่อดูสถานะออกซิเดชันของตัวเร่งปฏิกิริยา พบว่าโลหะนิกเกิลและเหล็กเป็นองค์ประกอบหลัก และโลหะออกไซด์นิกเกิลและเหล็กเป็นองค์ประกอบรอง อีกทั้งการวิเคราะห์ด้วยเทคนิคการดูดกลืนรังสีเอกซ์เพื่อติดตามการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างของสารตัวเร่งปฏิกิริยาขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยาถูกรีดิวซ์ในไฮโดรเจนนั้น ยังให้ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญเกี่ยวกับขั้นตอนหรือวิวัฒนาการของการเปลี่ยนสถานะออกซิเดชันของตัวเร่งปฏิกิริยาที่สังเคราะห์ขึ้นด้วย ซึ่งเป็นข้อมูลสำคัญต่อการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยารุ่นใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นในอนาคต

 

ก้าวสำคัญสู่เทคโนโลยีไบโอรีเฟอร์เนอรีที่ยั่งยืน

 

งานวิจัยนี้ถือเป็นอีกหนึ่งก้าวสำคัญของการพัฒนาเทคโนโลยีไบโอรีเฟอร์เนอรี ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและตอบโจทย์เศรษฐกิจคาร์บอนต่ำ ช่วยลดการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิล และขับเคลื่อนสังคมไทยสู่พลังงานสะอาดอย่างยั่งยืนในนอนาคต

 

 

 

สเปกตรัม XAS ของ นิกเกิล (a, b) และ เหล็ก (c, d) เมื่อเกิดปฏิกิริยา hydrogen reduction

 

 

 

 

 

เป็นการใช้โปรแกรม liner combination fitting (LCF) เพื่อหาการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของตัวเร่งปฏิกิริยาอัลลอยนิกเกิลเหล็กบนตัวรองรับอลูมินา ที่อุณหภูมิต่างๆ

 

 

 

บทความโดย

รศ. ดร. อรรถพล ศรีฟ้า ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล

ดร.วันวิสา ลิ้มพิรัตน์ นักวิทยาศาสตร์ระบบลำเลียงแสง3

 

เอกสารอ้างอิง: Kalong, M., Srifa, A., Ratchahat, S., Kooamornpattana, W., Poo-arporn, Y., Limphirat, W., Khemthong, P., Assabumrungrat, S., Tomishige, K. and Kawi, S., “Continuous Flow Hydrogenolysis of 5- Hydroxymethylfurfural into 2,5-Dimethylfuran over Alumina-Supported Nickel–Iron Alloy Catalysts”, Sustainable Energy Fuels (2023), 7, 934-948.