ถ่านกับการควบคุมมลภาวะทางอากาศ (๑)

โรงงานอุตสาหกรรมและกระบวนการผลิตสินค้า ทำให้โลกสมัยใหม่เต็มไปด้วยความเจริญทันสมัย แต่ต้องแลกมาด้วยการสันดาปเชื้อเพลิงธรรมชาติ ทั้งถ่านหิน ต้นไม้ น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ ปลดปล่อยสารปนเปื้อนสู่ชั้นบรรยากาศ ได้แก่ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ไฮโดรเจนคลอไรด์ ไฮโดรเจนซัลไฟด์ สารประกอบอินทรีย์ละเหยง่าย (Volatile Organic Compounds, VOCs) สารออกไซด์ของไนโตรเจน น้ำมันหอมระเหย ไดออกซิน ฟูรัน (furans) คาร์บอนไดออกไซด์ คาร์บอนมอนอกไซด์ และโลหะหนักต่าง ๆ เช่น ปรอท (Hg) โครเมียม (Cr) ตะกั่ว (Pb) ส่งผลต่อสิ่งแวดล้อม ทำให้เกิดเป็นมลภาวะทางอากาศในปัจจุบัน จำเป็นอย่างยิ่งที่ต้องกำจัดหรือป้องกันไม่ให้ส่งผลถึงสุขภาพของมนุษย์ 

ปัจจุบันมีหลายวิธีในจัดการกับมลพิษทางอากาศ เช่น การดักจับด้วยไฟฟ้าสถิย์ กรองอากาศด้วยใส้กรองที่ทำจากถ่านกัมมันต์ ซึ่งนอกจากจะไม่สามารถกำจัดโลหะพิษอย่างปรอทได้แล้ว ยังมีราคาแพง จึงเป็นที่มาของการนำเอาถ่านชีวภาพ (ถ่านไบโอชาร์) มาใช้ประกอบดักจับโลหะพิษ 

ที่ผ่านมาถ่านชีวภาพจะนำไปใช้ประยชน์ในการปรับปรุงดิน ใช้ตรึงสารปนเปื้อนในดิน ใช้ดูดซับสารปนเปื้อนในน้ำ และใช้ในการลดก๊าซเรือนกระจกที่ถูกปลอดปล่อยสู่บรรยายกาศ แต่ในปัจจุบัน มีการนำเอาถ่านชีวภาพมาใช้กำจัดสารปนเปื้อนในโรงงานอุตสาหกรรม มีการศึกษาวิจัยยืนยันว่า ถ่านชีวภาพสามารถกำจัดก๊าซพิษหลากหลายชนิดได้ ได้แก่ 

• ก๊าซประเภทกรด เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ไดไฮโดรเจนซัลไฟล์(H2S) และซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2)
• โลหะหนัก โดยเฉพาะปรอท สารหนู 
• สารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย หรือ VOCs และ ออกไซด์ของไนโตรเจน 

โดยไบโอชาร์ที่ผลิตจากชีวมวล (Biomass) ชนิดต่าง ๆ จะมีคุณสมบัติและความสามารถในการดูดซับแตกต่างกัน  ซึ่งงานวิจัยที่ผ่านมา ชีวมวลหลากหลาย ถูกนำมาทดสอบ ตั้งแต่ ตะกอนจากสิ่งปฏิกูล มูลสัตว์ เช่น ขี้ไก่ จนไปถึง วัตถุดิบตั้งต้นในการเกษตร เช่น เมล็ดฝ้าย เป็นต้น ซึ่งถูกเตรียมภายใต้เงื่อนไขของกระบวนการไพโรไรซิสแตกต่างกันไป 

การศึกษาที่ผ่านมาจำกัดอยู่เพียงบ้างประเด็นเท่านั้น ได้แก่ ๑) การผลิตถ่านชีวภาพจากวัตถุดิบชนิดต่าง ๆ ลักษณะหรือปริมาณถ่านชีวภาพจากกรรมวิธีการผลิต และการนำไปใช้ในระบบนิเวศ ๒) การนำถ่านชีวภาพไปใช้ด้านเกษตรกรรม ๓) การใช้ถ่านชีวภาพในการกำจัดสิ่งปนเปื้อนออกจากน้ำ  ส่วนการศึกษาเกี่ยวกับการนำนำมาใช้ในการกำจัดก๊าซจากบรรยากาศ จะมีบ้างก็เพียงการกำจัด CO2 และ H2S เท่านั้น 

การผลิตถ่านชีวภาพ

ถ่านไบโอโชาร์ หรือ เรียกว่า ถ่านชีวภาพ คือ ถ่านที่ได้จากการนำเอาชีวมวลชนิดต่าง ๆ เช่น ไม้ เศษไม้ มูลสัตว์ อาหารสัตว์ หรือวัสดุเหลือใช้ทางการเกษตร ฯลฯ นำมาผ่านกระบวนการทางความร้อนด้วยกรรมวิธีต่าง ๆ เช่น 

• การคาร์บอนไนเซชั่น (carbornization) คือ กระบวนการทำให้กลายเป็นถ่าน โดยการย่อยสลายเนื้อไม้และแยกก๊าซและของเหลวออกไปให้เหลือคาร์บอน โดยเผาวัตถุดิบภายในสภาวะอับอากาศ หรือ มีออกซิเจนปริมาณน้อย ควบคุมไม่ให้เกิดการสันดาป (combustion) ก๊าซที่ถูกแยกออกจากเนื้อไม้จะรวมเข้ากับออกซิเจนที่มีจำกัด ให้พลังงานความร้อนกับระบบได้เอง กระบวนการนี้จะเกิดในช่วงอุณหภูมิ ๓๐๐ - ๕๐๐ องศาเซลเซียส
• ไฮโดรเทอร์มอล คาร์บอนไนเซชั่น (hydrothermal cabornization) คือ กระบวนการทำให้ชีวมวลกลายเป็นถ่านภายใต้สภาวะปิด ที่อุณหภูมิ 180-300 องศาเซลเซียส เป็นเวลานาน น้ำจากชีวมวลจะทำให้เกิดการอบไอน้ำภายใต้ความดันมากกว่าความดันบรรยากาศ
• กระบวนการ ทอริฟิเคชั่น (torrefication) เป็นการอบไม้ที่อุณหภูมิ ๒๐๐ - ๓๓๐ องศาเซลเซียส ภายใต้ความดันบรรรยากาศ เพื่อแยกก๊าซและของเหลวออก  สิ่งที่เหลือเป็นคาร์บอนและแร่ธาตุต่าง ๆ จึงเหมาะสำหรับผลิตถ่านชีวภาพ (bio-char) ที่ใช้ในการปรับปรุงดินเพื่อการเกษตร
• กระบวนการไพโรไลซิส (pyrolysis) คือ กระบวนการสลายชีวมวล (biomass) แยกก๊าซและของเหลวออกให้เหลือคาร์บอน โดยใช้ความร้อน ภายใต้บรรยายกาศของก๊าซเฉื่อยหรือภาวะไร้ออกซิเจน เป็นกระบวนการเริ่มต้นของกระบวนการแก๊สซิฟิเคชั่น ก๊าซที่ได้จากกระบวนการนี้จะเป็นก๊าซเชื้อเพลิง ติดไฟได้ ก๊าซบางส่วนจะควบแน่นเป็นของเหลวเมื่ออุณหภมิเย็นลง ได้น้ำมัน และน้ำส้มควันไม้ โดยทั่วไปกระบวนการ slow pyrolysis จะมีอุณหภูมิอยู่ในช่วง ๕๐๐ - ๘๐๐ องศาเซลเซียส 
• แก๊สซิฟิเคชั่น (gassification) คือ การปลดปล่อยก๊าซจากวัตถุดิบเมื่อได้รับความร้อนสูง อุณหภูมิอยู่ในช่วง ๗๕๐ - ๙๐๐ องศาเซลเซียส  ก๊าซที่เกิดขึ้นเรียกว่า syngas หรือ  procedure gas ส่วนใหญ่ได้แก่  ไฮโดรเจน(H2) คาร์บอนมอนน๊อกไซด์(CO) ไนโตรเจน(N2) คาร์บอนไดออกไซด์(CO2) และไฮโดรคาร์บอนบางชนิดเช่น CH4, C2H4, C2H6 เป็นต้น  ก๊าซไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนน๊อคไซด์ที่ปลดปล่อยออกมานี้จะให้ค่าความร้อนที่สูงมาก จึงมีการออกแบบเตาเผาแบบต่าง ๆ เพื่อนำก๊าซเหล่านี้ไปใช้เผาไหม้เป็นเชื้อเพลิง รวมถึงการออกแบบให้เผาไหม้ตนเองของเตาเผา

องค์ความรู้ที่ตกผลึกจากผลงานวิจัยต่าง ๆ เกี่ยวกับการผลิตถ่านชีวภาพ ที่สำคัญ ได้แก่ 

• ปริมาณผลผลิต หรือก็คือ ถ่านที่ผลิตได้ต่อวัตถุดิบ ขึ้นอยู่กับ ๒ อย่างหลัก ๆ คือ ชนิดของวัตถุดิบ และ เงื่อนไขหรือวิธีการในการเผาถ่าน  เช่น  ถ้าเป็นการอบด้วยเงื่อนไขต่าง ๆ เช่น ทอริฟิเคชั่น ไฮโดรเทอร์มอล หรือ ไพโรไรซิส จะได้ปริมาณถ่านมากกว่า การคาร์บอนไนเซชั่น หลักการสำคัญคือ ยิ่งเผาที่อุณหภูมิสูงเท่าใด นานเท่าใด ยิ่งได้ถ่านน้อย นั่นเอง 
• การผลิตถ่านชีวภาพจากมูลสัตว์ จะได้ขี้เถ้า (ash) มาก  ส่วนการถ่านที่ได้จากไม้จะมีขี้เถ้าน้อยกว่า แต่ก็ขึ้นกับชนิดของไม้ 
• ประสิทธิภาพของเตาเผาถ่าน แตกต่างกันไปตามแต่ชนิดของเตา เช่น เตาหมุน เตาหลุม เตาถัง เตาเกวียน เตารูเรือ เตากรวย ฯลฯ 

การศึกษาคุณสมบัติของถ่านชีวภาพ

เมื่อได้ถ่านชีวภาพ  ขั้นตอนมารตฐานของการศึกษาวิจัยเกี่ยวกับถ่าน คือ การศึกษาคุณสมบัติเบื้องต้น เช่น พื้นที่ผิวสัมผัส ประจุไฟฟ้าที่ผิว ความเป็นรูพรุน ความเป็นกรด-ด่าง องค์ประกอบของธาตุอาหารพืช และหมู่ฟังก์ชันซึ่งกำหนดคุณสมบัติทางเคมี โดยใช้เทคนิคต่าง ๆ ที่สำคัญ ๆ ได้แก่ 

• เทคนิค FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy)  เพื่อ วัดว่า มีหมู่ฟังก์ชั่นทางเคมีใดบ้างที่ผิวของถ่าน สามารถวิเคราะห์ได้ว่า มีพันธะทางเคมีของธาตุใดอยู่ที่ผิวบ้าง (C-O, C-H, C-C, etc) ซึ่งจะให้พีคที่ตำแหน่งแตกต่างกัน (ศึกษาต่อได้ที่นี่)
• เทคนิค BET (Brunauer-Emmett-Teller) ซึ่งศึกษาการดูดซับและการปลดปล่อยก๊าซในโตรเจนของพื้นผิว สามารถบอกถึงความพรุน และ พื้นผิวสัมผัสของถ่านได้ 
• เทคนิค Raman Spectroscopy ศึกษาความเป็นผลึกของถ่าน ซึ่งอธิบายถึงโครงสร้างการจัดเรียงตัวของอะตอมคาร์บอน
• เทคนิค XDS (X-rays diffraction spectroscopy)  โดยฉายรังสีเอ็กซ์ไปยังถ่านตัวอย่างแล้ววัดคะแสงที่เลี้ยวเบนออกมา สามารถคำนวณหาระยะห่างระหว่างอะตอมของธาตุได้ 
• เทคนิค XPS (X-ray photoemission spectroscopy) เป็นการฉายรังสีเอกซ์ที่มีค่าพลังงานต่างๆ ไปยังสารตัวอย่าง แล้ววัดความเข้มของอิเล็กตรอนที่ปลดปล่อยออกมาในค่าพลังงานต่าง ๆ ทำให้ทราบโครงสร้างทางอิเล็กตรอนของโมเลกุลได้ 

ปัจจัยสำคัญที่เกี่ยวข้องกับความสามารถในการดักจับ ดูดซับ หรือกำจัด สิ่งปนเปื้อนในอากาศ ได้แก่ด ความมีขั่ว (polarity) ความเป็นสารอะโรมาติก (สารไฮโดรคาร์บอนที่มีโครงสร้างเป็นวงแหวน) ปริมาณขี้เถ้า ชนิดและปริมาณของธาตุ ความจุไฟฟ้า ประจุไฟฟ้าที่ผิว และลักษณะของพื้นผิวถ่าน 

คุณสมบัติการมีขั่วไฟฟ้าและการเป็นสารอะโรมาติก

สารอินทรีย์ที่มีลักษณะ ๔ ประการ คือ มีโครงสร้างโมเลกุลเป็นวงแหวน และอะตอมคาร์บอนอยู่ในระนาบเดียวกัน คาร์บอนแต่ละอะตอมมีอิเล็กตรอนในชั้น p-orbital มีการซ้อนทับกันของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนแบบต่อเนื่อง วิิ่งไปทั่วทุกอะตอมคาร์บอน และ มีจำนวน pi-electron เท่ากับ 4n+2 สารที่ไม่ได้มีลักษณะ ๔ ข้อนี้เรียกว่า ไม่ใช่สารอะโรมาติก (non-aromatic) แช่ สารอะลิฟาทิก ไฮโดรคาร์บอน (aliphatic hydrocarbon) ที่มีโมเลกุลยาวเป็นลูกโซ่แต่เป็นปลายเปิด ไม่ปิดเป็นวงแหวน

วิธีการพิจารณาว่าคุณสมบัติด้านนี้มักดูจากอัตราส่วนไฮโดรเจต่อคาร์บอน (H/C) และ ออกซิเจนต่อคาร์บอน (O/C) จากการศึกษาที่ผ่านมาพบว่า ถ่านชีวภาพจะมีค่า H/C อยู่ในช่วง 1.4-1.8 มีค่า O/C อยู่ในช่วง 0.55-0.75  แสดงว่า มีความเป็นออะลิฟาทิกสูง อะโรมาติกต่ำ  งานวิจัยชีว่า ความเป็นอะโรมาติกจะสูงขึ้นเมื่ออุณหภูมิในการเผาสูงขึ้น 

ขอจบตอนที่ ๑ ไว้เท่านี้นะครับ .... ค่อยตามต่อสำหรับผู้สนใจครับ