วช. หนุนทีมวิจัย สจล. พัฒนาเครื่องผลิตรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ขนาดกึ่งอุตสาหกรรม

วช. หนุนทีมวิจัย สจล. พัฒนาเครื่องผลิตรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ขนาดกึ่งอุตสาหกรรม รองรับความต้องการของอุตสาหกรรมแห่งอนาคต   พร้อมประยุกต์ใช้อลูมินา-รีดิวซ์กราฟีนออกไซด์เมมเบรน สำหรับแยกก๊าซไฮโดรเจนบริสุทธิ์ในกระบวนการผลิตเชื้อเพลิงจากชีวมวล สร้างแหล่งพลังงานทดแทนเพิ่มมูลค่าให้วัสดุเหลือทิ้ง รวมถึงใช้กำจัดก๊าซพิษไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) จากโรงงานอุตสาหกรรม ช่วยรักษาสิ่งแวดล้อม

ดร.วิภารัตน์ ดีอ่อง  ผู้อำนวยการสำนักงานการวิจัยแห่งชาติ กล่าวว่า วัสดุรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ (Reduced Graphene oxide, RGO) เป็นวัสดุที่มีความสำคัญอย่างมากในอุตสาหกรรมต่างๆ ในอนาคต เช่น วัสดุผลิตหมึกนำไฟฟ้าสำหรับวงจรอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ วัสดุโปร่งแสงนำไฟฟ้า วัสดุผสมเสริมความเข็งแรงในโพลิเมอร์ ซีเมนต์ ยางพารา  วัสดุทางการแพทย์ การนำส่งยา ต้านแบคทีเรีย เสริมแรงไหมเย็บแผล วัสดุผลิตไฟฟ้าโซล่าเซลล์  ตัวกักเก็บพลังงาน ทำขั้วแบตเตอรี่ ตัวเก็บประจุยิ่งยวด เสริมความแข็งแรงเสื้อเกราะกันกระสุน  และตัวตรวจวัดต่าง ๆ แต่วัสดุรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ยังมีราคาที่สูง เนื่องจากมีกระบวนการสังเคราะห์ที่ซับซ้อนและสามารถเตรียมได้ในปริมาณที่น้อย กระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม โดยสำนักงานการวิจัยแห่งชาติ (วช.) ตระหนักถึงความสำคัญของการพัฒนาวัสดุรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ ซึ่งเป็นวัสดุแห่งอนาคตที่จะช่วยเพิ่มขีดความสามารถด้านนวัตกรรม เทคโนโลยี และเชื่อมโยงองค์ความรู้สู่การขับเคลื่อนธุรกิจใหม่ หรือ New S-Curve ให้กับประเทศไทย จึงให้ทุนสนับสนุนการวิจัยประจำปี 2563 แก่โครงการ  “การพัฒนาเครื่องผลิตรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์และการประยุกต์ใช้รีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ผลิตอลูมินา-รีดิวซ์กราฟีนออกไซด์เมมเบรน แยกก๊าซไฮโดรเจนบริสุทธิ์ และกำจัดไฮโดรเจนซัลไฟด์” ซึ่งมี “รองศาสตราจารย์ ดร.เชรษฐา รัตนพันธ์” จากสถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง เป็นหัวหน้าโครงการฯ เพื่อให้สามารถเตรียมวัสดุรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ได้เองภายในประเทศไทย และเพียงพอต่อความต้องการในระดับอุตสาหกรรมในอนาคต 

รองศาสตราจารย์ ดร.เชรษฐา รัตนพันธ์ หัวหน้าหน่วยวิจัยและนวัตกรรมด้านวัสดุอัจฉริยะ ภาควิชาฟิสิกส์คณะวิทยาศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง (สจล.) เปิดเผยว่า ทีมวิจัยได้มีการพัฒนาต้นแบบเครื่องผลิตรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ขนาดกึ่งอุตสาหกรรมขนาดเล็ก ด้วยวิธีการออกซิเดชัน–รีดักชันทางเคมี โดยขยายขนาดกำลังผลิต จากเดิม 2 ลิตร (40 กรัมผง) ไปเป็นขนาดกำลังผลิต 5 ลิตร (80 กรัมผง) ต่อรอบการผลิต ซึ่งมีการวางแปลนการสร้างเครื่องต้นแบบผลิตรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ระดับกึ่งอุตสาหกรรม ที่สามารถผลิตได้ทั้งวัสดุกราฟีนออกไซด์และรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ในขั้นตอนเดียว เครื่องต้นแบบดังกล่าวจะมีการติดตั้งภายในห้องหน่วยวิจัยและนวัตกรรมด้านวัสดุอัจฉริยะ ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง

นอกจากนี้ยังมีการวิจัยในส่วนที่ขนานกับการสร้างต้นแบบเครื่องผลิตรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ โดยเป็นการพัฒนาวัสดุคอมโพสิตอลูมินา-กราฟีน สำหรับใช้ผลิตก๊าซไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง และกำจัดไฮโดรเจนซัลไฟด์ โดยอลูมินา-กราฟีนที่ผลิตขึ้น สามารถนำไปใช้เป็นเมมเบรนสำหรับแยกก๊าซไฮโดรเจนออกจากก๊าซผลิตภัณฑ์จากกระบวนการแก๊สซิฟิเคชันของชีวมวลหรือวัสดุเหลือใช้จากการเกษตรในประเทศไทย เพื่อเพิ่มมูลค่าให้วัสดุเหลือทิ้ง และใช้เป็นแหล่งพลังงานทดแทน ขณะเดียวกันอลูมินา-กราฟีน ยังสามารถนำไปใช้เป็นเมมเบรนเพื่อกำจัดก๊าซพิษไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) จากโรงงานอุตสาหกรรมที่จะปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อมได้ ซึ่งจากการศึกษาพบว่าการเติมกราฟีนในปริมาณที่เพิ่มขึ้นจะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการเลือกผ่านไฮโดรเจน และกำจัด H2S ได้ดีขึ้น ที่ผ่านมากราฟีนออกไซด์ยังต้องนำเข้าและมีราคาแพง หากทำการผลิตได้เองเป็นจำนวนมากก็จะสามารถนำกราฟีนมาประยุกต์ใช้กับเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพแก่เมมเบรนในต้นทุนที่ถูกลงได้

 
โครงการวิจัยจึงมุ่งเน้นทำการศึกษาการผลิตเมมเบรนชนิดใหม่ที่ทำจากเซรามิกชนิดอลูมินาซึ่งมีสมบัติทางกลที่ดีและราคาไม่แพง และทำการเติมกราฟีนเข้าไปเพื่อปรับปรุงสมบัติในการเลือกผ่านและไหลผ่านของก๊าซไฮโดรเจน  โดยจะทำการศึกษาอิทธิพลของปริมาณกราฟีนที่เติมเข้าไปต่อความสามารถในการขึ้นรูปโดยวิธีเผาผนึกเป็นเซรามิกเมมเบรนแบบรูพรุน  และทำการปริมาณการเติมกราฟีนที่เหมาะสมเพื่อให้ได้เซรามิกเมมเบรนที่มีประสิทธิภาพ เทียบเท่าหรือดีกว่าพลาเดียมเมมเบรน รวมถึงศึกษาความเป็นไปได้ในการนำอลูมินา-กราฟีนเมมเบรนมาใช้การกำจัดก๊าซพิษ H2S 

 
รองศาสตราจารย์ ดร.เชรษฐา กล่าวว่า ในงานวิจัยนี้ได้มีการนำเอากราฟีนออกไซด์ที่ได้ผลิตขึ้นมาไปทดลองประยุกต์ใช้ในการผลิตเมมเบรนสำหรับใช้แยกก๊าซไฮโดรเจน โดยกระบวนการผลิตคอมพอสิตเมมเบรนชนิดอลูมินา-กราฟีนออกไซด์ ซึ่งการวิจัยนี้สามารถทำได้โดยกระบวนการที่ไม่ยุ่งยากซับซ้อน มีการนำสารตั้งต้นคืออลูมินา ผสมกับกราฟีนออกไซด์ในอัตราส่วน 0.5–5.0 wt% แล้วทำการเผาผนึกที่อุณหภูมิ 1,600 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 1 ชั่วโมง จากผลการทดสอบทางกายภาพ ทางกล และสมบัติการเลือกผ่านของก๊าซ พบว่าอลูมินา-กราฟีนออกไซด์คอมพอสิตที่มีส่วนผสมของกราฟีนออกไซด์ในปริมาณ 5 wt% มีแนวโน้มเหมาะกับการนำไปใช้งานได้ดี โดยค่าการซึมผ่านของก๊าซไฮโดรเจนอยู่ที่ 2.85 x 10-4 mol m-2 s-1 Pa-1 และมีค่าการเลือกผ่านเป็น 5.1 เมื่อทดสอบที่อุณหภูมิ 30 องศาเซลเซียส ประสิทธิภาพการซึมผ่านของก๊าซไฮโดรเจนของเมมเบรนที่ผลิตขึ้นนี้มีค่าใกล้เคียงกับของ พลาเดียมเมมเบรนที่มีขายเชิงพาณิชย์ โดยมีต้นทุนการผลิตต่ำกว่าถึงประมาณ 3 เท่า แต่การเลือกผ่านนั้นยังต้องมีการปรับปรุง

ในส่วนการศึกษาความสามารถในการดูดซับก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์นั้นคอมพอสิตที่เติม กราฟีนในปริมาณ 3 wt% เผาที่อุณหภูมิ 1500 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง มีประสิทธิภาพสูงสุด โดยมีค่า Breakthrough time คือ 31 นาที และ H2S breakthrough capacity คือ 0.43 mg/g จากผลการทดลองเบื้องต้น เมมเบรนอลูมินา-กราฟีนออกไซด์คอมพอสิตที่ผลิตขึ้นจากงานวิจัยนี้ สามารถนำไปพัฒนาต่อยอดเพื่อประยุกต์ใช้ในการแยกก๊าซไฮโดรเจนจากกระบวนการเผาชีวมวลโดยกระบวนการแก๊สซิฟิเคชั่น และกำจัดก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ได้