ฟองน้ำเพื่อสิ่งแวดล้อม:สามคุณลักษณะในหนึ่งเดียว

แปลและเรียบเรียงโดย

อรวรรณสัมฤทธิ์เดชขจร

เครดิตภาพ: Santanu Bag,Northwestern University

ภาพกราฟิก (บน) แสดงการแยกก๊าซไฮโดรเจนออกจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

(กลาง) รับบทบาทเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการกำจัดกำมะถันด้วยไฮโดรเจน(hydrodesulfurization)

(ล่าง) กำจัดสารปรอทออกจากน้ำ

    ทีมนักเคมีจากมหาวิทยาลัย Northwestern ได้ออกแบบวัสดุชนิดใหม่ที่มีลักษณะคล้ายฟองน้ำ มีสีดำ เปราะ และผ่านการทำให้แห้งเยือกแข็ง (freeze-dried) (เช่นเดียวกับไอศกรีมที่นักบินอวกาศกิน) ซึ่งประสบความสำเร็จอย่างสวยงาม วัสดุชนิดใหม่นี้สามารถกำจัดสารปรอทออกจากแหล่งน้ำเสียได้ แยกก๊าซไฮโดรเจนออกจากก๊าซชนิดอื่นได้อย่างง่ายดาย และยังเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพมากกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดเดิมที่ใช้อยู่ในปัจจุบันในการกำจัดกำมะถันออกจากน้ำมันดิบ

    การกำจัดกำมะถันด้วยไฮโดรเจน (hydrodesulfurization หรือ HDS) แม้จะเป็นคำที่ค่อนข้างยาว แต่มีการใช้กระบวนการนี้อย่างกว้างขวางในการกำจัดกำมะถันจากก๊าซธรรมชาติ และผลิตภัณฑ์ต่างๆ จากการกลั่นปิโตรเลียม เช่น น้ำมันเบนซิน น้ำมันดีเซล และน้ำมันเชื้อเพลิงเครื่องบิน หากปราศจากขั้นตอนดังกล่าวแล้วกำมะถันก็จะถูกเผาไหม้ ซึ่งจะทำให้เกิดฝนกรด (acid rain) ตามมาได้

ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ และไนโตรเจนไดออกไซด์ทำปฏิกิริยากับไอน้ำในอากาศเกิดเป็นกรดซัลฟิวริกและกรดไนตริก

    นักวิทยาศาสตร์พยายามพัฒนาวิธีการกำจัดกำมะถันด้วยไฮโดรเจนมาตลอด แต่ไม่มีทีท่าว่าจะสำเร็จ กระทั่งนักวิจัยแห่งมหาวิทยาลัย Northwestern ได้ร่วมมือกับมหาวิทยาลัย Western Washington และพบว่า แม้วัสดุที่พวกเขาพัฒนาขึ้นจะมีประสิทธิภาพมากกว่าเดิมถึง 2 เท่า แต่จริงๆ แล้วก็ทำมาจากวัสดุประเภทเดียวกันนั่นเอง

    วัสดุโคบอลต์-โมลิบดีนัม-กำมะถันจัดเป็นสารกลุ่มใหม่ประเภทหนึ่งของแคลโคเจล (chalcogel) ซึ่งค้นพบเมื่อไม่นานมานี้โดยมหาวิทยาลัย Northwestern แต่แคลโคเจลชนิดใหม่นี้ทำมาจากธาตุที่มีอยู่ทั่วไป มีความเสถียรเมื่อสัมผัสกับอากาศ น้ำ และสามารถใช้ในรูปแบบผงได้

    สำหรับรายละเอียดและสมบัติของแคลโคเจลชนิดโคบอลต์-โมลิบดีนัม-กำมะถันจะถูกเผยแพร่ออนไลน์ในวันที่ 17 พฤษภาคม โดยวารสาร Nature Chemistry และนี่เป็นครั้งแรกที่รายงานถึงแคลโคเจล ซึ่งใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และตัวแยกก๊าซ

    เมอคูรี จี คานาตซิดิส (Mercouri G. Kanatzidis) ผู้เขียนบทความวิชาการอาวุโสกล่าวว่า “ผมทึ่งกับประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาของเรามาก เมื่อนึกถึงว่าตลอดเวลาที่ผ่านมาความพยายามที่จะหาวิธีพัฒนาการกำจัดกำมะถันด้วยไฮโดรเจนนั้นเป็นไปอย่างยากลำบาก ตามหลักการแล้วตัวเร่งปฏิกิริยาของเราสามารถกำจัดกำมะถันได้มากถึง 2 เท่าเมื่อเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดเดิม ในขณะนี้พวกเรากำลังศึกษาถึงวิธีการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาในสภาวะที่เป็นเชิงพาณิชย์มากขึ้น”

    คานาตซิดิส, ชาลส์ อี (Charles E). และเอมมา เอช มอร์ริสัน (Emma H. Morrison) ศาสตราจารย์ทางด้านเคมีแห่ง Weinberg College of Arts and Sciences และ ซานทานู แบก (Santanu Bag) นักศึกษาปริญญาเอก ได้พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยวิธีที่แตกต่างจากวิธีที่ใช้ในการผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาตัวเดิม

    วัสดุที่มหาวิทยาลัย Northwestern พัฒนาขึ้นมีลักษณะเป็นเจลที่ทำจากโคบอลต์ นิกเกิล โมลิบดีนับ และกำมะถัน ซึ่งต่อมานำไปทำแห้งเยือกแข็ง ทำให้ได้วัสดุที่มีลักษณะคล้ายฟองน้ำซึ่งมีพื้นที่ผิวสูง (1 ลูกบาศก์เซนติเมตรมีพื้นที่ผิวประมาณ 10,000 ตารางฟุต หรือประมาณครึ่งหนึ่งของสนามฟุตบอล) ด้วยความที่มีพื้นผิวสูง และมีเสถียรภาพภายใต้สภาวะของตัวเร่งปฏิกิริยาจึงทำให้โคบอลต์-โมลิบดีนัม-กำมะถันมีประสิทธิภาพสูง

    นักวิจัยยังได้แสดงให้ดูว่าแคลโคเจลชนิดใหม่สามารถดูดซับโลหะหนักที่เป็นพิษออกจากน้ำเสียอย่างที่วัสดุอื่นไม่สามารถทำได้ แคลโคเจลสามารถกำจัดสารปรอทที่ปนเปื้อนอยู่ในน้ำในระดับหลายพีพีเอ็ม (ppm, parts per million)ออกได้เกือบร้อยละ 99 เพราะสารปรอทชอบที่จะจับกับกำมะถัน ซึ่งในแคลโคเจลก็ประกอบด้วยกำมะถันจำนวนมาก

    เมื่อ 2 ปีที่ผ่านมาคานาตซิดิส และแบก รายงานว่าแคลโคเจลสามารถกำจัดสารปรอทออกจากของเหลวได้ แต่แคลโคเจลนั้นประกอบด้วยแพลทินัมซึ่งมีราคาแพง ในขณะที่แคลโคเจลชนิดใหม่ประกอบไปด้วยธาตุที่มีราคาถูก คือใช้โคบอลต์และนิกเกิลแทนแพลทินัม โคบอลต์และนิกเกิลจะเชื่อมต่อกับอะตอมของกำมะถันของไทโอโมลิบเดตแอนไอออน เพื่อสร้างโครงข่ายพรุนแบบ 3 มิติ

    คานาตซิดิสกล่าวว่า “เราประสบความสำเร็จในการทำในสิ่งที่ยาก โดยไม่ใช้แพลทินัม แต่หันมาใช้วัสดุที่หาได้ทั่วไปเพื่อที่จะสร้างเจลแทน เราพบว่าสภาวะที่เหมาะสมที่จะได้สมบัติตามที่เราต้องการนั้น หัวใจสำคัญอยู่ที่การเปลี่ยนตัวทำละลายจากน้ำมาเป็นฟอร์มาไมด์ (formamide)”

    นอกจากจะเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในขั้นตอนการกำจัดกำมะถันออกจากน้ำมันดิบ และฟองน้ำสำหรับดูดซับสารปรอทแล้ว แคลโคเจลยังสามารถแยกก๊าซได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกด้วย นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าวัสดุนี้สามารถแยกก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากก๊าซไฮโดรเจนได้อย่างง่ายดาย ซึ่งเป็นการนำไปใช้งานที่เป็นประโยชน์ต่อการผลิตไฮโดรเจนในเชิงเศรษฐกิจ

    กระบวนการแยกก๊าซใช้ประโยชน์จากอะตอมของกำมะถันซึ่งเป็นซอฟต์อะตอมที่อยู่บริเวณพื้นผิว อะตอมเหล่านี้ชอบที่จะเกิดอันตรกิริยากับซอฟต์โมเลกุลชนิดอื่นๆ ที่ผ่านเข้ามา โดยจะทำให้โมเลกุลนั้นเคลื่อนที่ช้าลง ไฮโดรเจนซึ่งเป็นธาตุที่เล็กที่สุด จัดเป็นฮาร์ดโมเลกุลมันจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงผ่านฟองน้ำนี้ไป ในขณะที่ซอฟต์โมเลกุล เช่น คาร์บอนไดออกไซด์จะใช้เวลาในการเคลื่อนตัวช้ากว่า

แหล่งข่าวและรูปภาพ

http://www.sciencedaily.com/releases/2009/05/090517143341.htm

http://static.howstuffworks.com/gif/acid-rain-1a.jp

=====================================================================

hydrodesulfurization หรือ HDS คือ การกำจัดสารประกอบกำมะถันในกระบวนการกลั่นแยกลำดับส่วนที่ได้จากการกลั่นปิโตรเลียมโดยใช้ไฮโดรเจน และสารเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม กำมะถันจะถูกเปลี่ยนเป็นก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์

ฝนกรด เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่อุณหภูมิสูงซึ่งผลิตกรดซัลฟิวริกและกรดไนตริก ถ้าเชื้อเพลิงมีกำมะถันเป็นองค์ประกอบ กรดเหล่านี้จะลอยจากปล่องไฟขึ้นสู่บรรยากาศ และรวมกับความชื้นแล้วตกลงมาเป็นฝน ฝนกรดทำลายพืช แหล่งน้ำ ดิน ฯลฯ  

แคลโคเจล (chalcogel) คือ โครงข่ายของโลหะกับอะตอมของกำมะถันและมีพื้นที่ผิวสูงมาก