| รหัสโครงการ : | R000000271 |
| ชื่อโครงการ (ภาษาไทย) : | การบำบัดน้ำเสียด้วยปฏิกิริยาการเร่งด้วยแสงโดยใช้ฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ผสม |
| ชื่อโครงการ (ภาษาอังกฤษ) : | Wastewater treatment with photocatalytic reaction by titanium dioxide composite films |
| คำสำคัญของโครงการ(Keyword) : | ฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ผสม โฟโตแคตาไลติก ความเป็นพิษ |
| หน่วยงานเจ้าของโครงการ : | คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี > ภาควิชาวิทยาศาสตรประยุกต์ สาขาวิชาวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม |
| ลักษณะโครงการวิจัย : | โครงการวิจัยเดี่ยว |
| ลักษณะย่อยโครงการวิจัย : | ไม่อยู่ภายใต้แผนงานวิจัย/ชุดโครงการวิจัย |
| ประเภทโครงการ : | โครงการวิจัยใหม่ |
| สถานะของโครงการ : | propersal |
| งบประมาณที่เสนอขอ : | 280500 |
| งบประมาณทั้งโครงการ : | 280,500.00 บาท |
| วันเริ่มต้นโครงการ : | 01 ตุลาคม 2559 |
| วันสิ้นสุดโครงการ : | 30 กันยายน 2560 |
| ประเภทของโครงการ : | งานวิจัยประยุกต์ |
| กลุ่มสาขาวิชาการ : | อื่นๆ |
| สาขาวิชาการ : | ด้านวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยีและอุตสาหกรรม |
| กลุ่มวิชาการ : | อื่นๆ |
| ลักษณะโครงการวิจัย : | ระดับชาติ |
| สะท้อนถึงการใช้ความรู้เชิงอัตลักษณ์ : | สะท้อนถึงการใช้ความรู้เชิงอัตลักษณ์ |
| สร้างความร่วมมือประหว่างประเทศ GMS : | ไม่สร้างความร่วมมือทางการวิจัยระหว่างประเทศ |
| นำไปใช้ในการพัฒนาคุณภาพการศึกษา : | ไม่นำไปใช้ประโยชน์ในการพัฒนาณภาพการศึกษา |
| เกิดจากความร่วมมือกับภาคการผลิต : | ไม่เกิดจากความร่วมมือกับภาคการผลิต |
| ความสำคัญและที่มาของปัญหา : | ปัญหาน้ำทิ้งจากภาคการเกษตรและอุตสาหกรรมการเกษตร รวมทั้งน้ำทิ้งจากบ้านเรือน
เป็นปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมทางน้ำที่สำคัญปัญหาหนึ่งในประเทศไทยปัจจุบัน ผลกระทบที่สำคัญคือน้ำทิ้งที่ปนเปื้อนสารประกอบอินทรีย์ต่างๆ หากปล่อยน้ำเสียเหล่านี้ลงสู่แหล่งน้ำธรรมชาติ เช่น แม่น้ำ ลำคลอง โดยไม่ผ่านกระบวนการบำบัดจะทำให้สารแขวนลอยต่างๆ สารประกอบอินทรีย์ รวมทั้งเกลือแร่อนินทรีย์ยังคงตกค้างอยู่ในแหล่งน้ำและจะก่อให้เกิดมลภาวะทางน้ำเป็นพิษ หรือคุณภาพน้ำไม่ได้มาตรฐานซึ่งก่อให้เกิดผลเสียต่างๆตามมา เช่น ไม่สามารถใช้ในการอุปโภค บริโภค หรือทำให้สิ่งมีชีวิตหรือแม้แต่พืชน้ำไม่สามารถดำรงชีวิตอยู่ได้ ทำให้ส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศโดยรวมในที่สุด ดังนั้นปัญหาการขาดแคลนแหล่งน้ำที่มีคุณภาพได้กลายปัญหาวิกฤติทางด้านสิ่งแวดล้อมปัญหาหนึ่งที่ต้องแก้ไขโดยรีบด่วนเพื่อคุณภาพชีวิตของประชาชน
จังหวัดนครสวรรค์เป็นจังหวัดหนึ่งที่มีระบบนิเวศแหล่งน้ำที่สำคัญหลายแห่งทั้งบึง
บอระเพ็ดและเป็นต้นแม่น้ำเจ้าพระยาที่จะไหลลงไปหล่อเลี้ยงบริเวณที่ราบภาคกลาง และยังเป็นจังหวัดที่รับน้ำจากแม่น้ำสายสำคัญๆในภาคเหนือหลายสาย บริเวณจังหวัดนครสวรรค์เป็นบริเวณที่ใช้พื้นที่เพื่อการเกษตรมากและยังเป็นแหล่งที่ตั้งของโรงงานอุตสาหกรรมที่ต่อยอดจากการเกษตร ซึ่งน้ำทิ้งจากแต่ละภาคส่วนเหล่านี้รวมทั้งที่สะสมมาจากพื้นที่ภาคเหนือจะทำให้ประชาชนในบริเวณนี้ประสบปัญหาการขาดแคลนน้ำที่มีคุณภาพ และถ้าไม่มีการแก้ไขน้ำทิ้งเหล่านี้จะส่งผลกระทบต่อเนื่องถึงบริเวณที่ราบภาคกลางด้วยอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
ดังนั้นการนำน้ำเสียจากภาคการเกษตรและอุตสาหกรรมการเกษตรไปบำบัดเพื่อให้กลับคืนสู่สภาพที่นำมาใช้งานได้อีกครั้งถือเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องรีบศึกษาวิจัยและนำไปใช้โดยรีบด่วน ทั้งนี้ในปัจจุบันกระบวนการบำบัดน้ำเสียมีหลากหลายวิธีทั้งที่ใช้กระบวนการทางเคมี เช่น วิธีออสโมซิสผันกลับ (H. Song et al., 2009; E. T. Gjessing et al., 1998) วิธีแลกเปลี่ยนไอออน (V.A. Shaposhnik et al., 2004; G. V. Slavinskaya 2003) การดูดซับกลิ่นและสีด้วยถ่านกัมมันต์ (Z. Yue et al., 2005) และวิธีการทางชีวภาพ เช่น การใช้จุลินทรีย์ย่อยสลายสารพิษ ในกระบวนการทั้งหมดนี้ การใช้ปฏิกิริยาการเร่งด้วยแสง โดยใช้อนุภาคระดับนาโนร่วมกับรังสีอัลตราไวโอเลตเป็นวิธีการหนึ่งที่เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจ เนื่องจาก เกิดปฏิกิริยาได้รวดเร็วกว่าปฏิกิริยาการย่อยสลายด้วยจุลินทรีย์ และไม่ต้องเสียเวลาในการคัดแยกเชื้อจุลินทรีย์เฉพาะชนิดรวมทั้งการควบคุมสภาพแวดล้อมเพื่อให้จุลินทรีย์ทำงานได้ดี ทั้งนี้การบำบัดน้ำเสียโดยใช้อนุภาคในระดับนาโนเมตรคืออนุภาคนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ร่วมกับการกระตุ้นด้วยแสงเป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่มีความเป็นไปได้เพราะปฏิกิริยาการเร่งด้วยแสงสามารถย่อยสลายสารอินทรีย์ที่มีอันตรายไปได้พร้อมๆกันและใช้เวลาในการย่อยสลายน้อยกว่าการย่อยสลายทางชีวภาพด้วยจุลินทรีย์ (D. Beydoun et al., 1999) อนุภาคนาโนที่นำมาใช้ในการบำบัดน้ำเสียได้นั้นมีทั้งซิลเวอร์ ไทเทเนียมไดออกไซด์ และซิงค์ออกไซด์ (Li et al., 2008) โดยมีการใช้ทั้งอนุภาคนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ชนิดเดียวและแบบผสมกับโลหะอื่นๆ (Li et al., 2010; Liu et al., 2009) มีงานวิจัยที่ศึกษาผลของการเจือไทเทเนียมไดออกไซด์ด้วยเหล็กพบว่าจะทำให้สเปกตรัมการดูดกลืนแสงของไทเทเนียมไดออกไซด์เลื่อนไปทางความยาวคลื่นที่เพิ่มขึ้น (red shift) ทำให้ไทเทเนียมไดออกไซด์สามารถดูดกลืนแสงในช่วงวิสิเบิลได้ดีขึ้น ดังนั้นจึงเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของการใช้ไทเทเนียมไดออกไซด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง (Wang et al., 2009; Wetchakun, 2008a, Wetchakun et al., 2008b) นอกจากนี้ตัวเร่งปฏิกิริยานาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ที่ใช้ยังใช้ในรูปของฟิล์มทดแทนการใช้รูปของอนุภาค เพราะการใช้ในรูปของอนุภาคจะต้องทำการบำบัดอีกรอบก่อนปล่อยสู่สิ่งแวดล้อม เพราะจะยังคงเหลืออนุภาคที่แขวนลอยในน้ำอยู่ ซึ่งต่างจากฟิล์มที่เมื่อบำบัดเรียบร้อยแล้ว สามารถเอาฟิล์มออกจากภาชนะโดยมีอนุภาคที่ตกค้างน้อยมาก เนื่องจากมีการยึดเกาะกันระหว่างฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์กับวัสดุที่ใช้เป็นตัวยึดเกาะฟิล์ม
ดังนั้นการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาผสมดังกล่าวน่าจะเป็นอีกแนวทางหนึ่งที่จะสามารถบำบัดน้ำที่ปนเปื้อนสารประกอบอินทรีย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ (ชลดา, 2555) ในการพัฒนากระบวนการบำบัดน้ำเสียด้วยเทคนิคการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงนั้นมีสิ่งที่ต้องคำนึงถึงคือ ปัจจัยต่างๆ ได้แก่ ระยะเวลาที่ใช้แสงยูวีในการฆ่าเชื้อ ความเข้มข้นของอนุภาคนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์และโลหะเจือ และความเข้มข้นของน้ำเสียที่นำมาผ่านกระบวนการบำบัด ซึ่งจะมีผลต่อความสำเร็จของกระบวนการนี้ อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ควรคำนึงของการบำบัดน้ำเสียด้วยปฏิกิริยาการเร่งด้วยแสงคือ ความปลอดภัยและคุณภาพของน้ำนั้นหลังจากผ่านกระบวนการบำบัดแล้วว่ามีความปลอดภัยเพียงพอสำหรับสิ่งมีชีวิตในระบบนิเวศหรือการนำไปใช้ทางการเกษตรต่อไปหรือไม่ เพราะการนำอนุภาคในระดับนาโนเมตรมาใช้ในการบำบัดน้ำเสียเพื่อปล่อยกลับสู่สิ่งแวดล้อมหรือนำไปใช้ทางการเกษตรนั้น ความเป็นพิษระดับนาโน (nanotoxicology) และปัญหาความปลอดภัยของการประยุกต์ใช้อนุภาคนาโนและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมนั้นยังเป็นที่กังวลสำหรับนักวิจัยบางกลุ่ม (Bystrzejewska-Piotrowska et al., 2009; Li et al., 2008) ดังนั้นเพื่อความมั่นใจของผู้ประกอบการและชุมชนที่อยู่ใกล้เคียงและถือเป็นความรับผิดชอบต่อสิ่งแวดล้อม จึงได้ศึกษาความเป็นพิษของน้ำเสียหลังการบำบัดเทียบกับก่อนบำบัดต่อพืชน้ำ พืชเศรษฐกิจ รวมทั้งศึกษาปริมาณโลหะไทเทเนียมที่ตกค้างในน้ำและในพืชด้วย ซึ่งหากน้ำที่ผ่านการบำบัดมานี้ไม่มีพิษต่อสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ ก็มีความเป็นไปได้ที่จะนำน้ำที่ได้จากการบำบัดนี้ปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อมและนำไปใช้ทางการเกษตรได้ |
| จุดเด่นของโครงการ : | ผลการวิจัยนี้จะเป็นประโยชน์ในการยืนยันความปลอดภัยของน้ำเสียหลังการบำบัดด้วยฟิล์มนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ร่วมกับรังสีอัลตราไวโอเลต ซึ่งถ้าวิธีการบำบัดแบบนี้สามารถกำจัดของเสียออกจากน้ำได้ดีและไม่มีส่วนที่เป็นพิษตกค้าง จะเป็นข้อมูลสำคัญในการเผยแพร่และนำไปประยุกต์ใช้ในระดับโรงงานอุตสาหกรรมหรือชุมชนต่อไป |
| วัตถุประสงค์ของโครงการ : | 1. เพื่อศึกษาปัจจัยที่มีผลต่อประสิทธิภาพในการย่อยสลายสารประกอบอินทรีย์โดยใช้ฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ผสมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง
2. เพื่อศึกษาความเป็นพิษของน้ำเสียจากการเกษตรและอุตสาหกรรมเกษตรที่ผ่านการบำบัดด้วยฟิล์มนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ผสมร่วมกับรังสีอัลตราไวโอเลตต่อพืชน้ำและพืชเศรษฐกิจเทียบกับก่อนบำบัด |
| ขอบเขตของโครงการ : | น้ำเสียที่นำมาทดสอบนี้มีทั้งน้ำเสียสังเคราะห์และน้ำเสียที่เก็บมาจากบริเวณจังหวัดนครสวรรค์และพื้นที่ใกล้เคียง ส่วนหนึ่งนำเข้าสู่การบำบัดด้วยฟิล์มนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ผสมร่วมกับรังสีอัลตราไวโอเลตในเครื่อง โฟโตรีแอกเตอร์ (Photoreactor) จากนั้นเก็บน้ำหลังการบำบัดนี้มาทดสอบความเป็นพิษเทียบกับน้ำก่อนการบำบัด
พืชน้ำที่ใช้ในการทดสอบเป็นพืชน้ำที่พบในบริเวณบึงบอระเพ็ด ซึ่งเป็นระบบนิเวศแหล่ง
น้ำที่สำคัญของจังหวัด โดยเลือกชนิดที่มีความสำคัญมา 2 ชนิด ได้แก่ บัว และสาหร่ายหางกระรอก
พืชเศรษฐกิจที่ใช้ โดยเลือกพืชเศรษฐกิจที่นิยมปลูกในจังหวัดนครสวรรค์และพื้นที่ใกล้เคียง
เช่น ข้าว ข้าวโพด และถั่วเหลือง เพื่อน้ำมาทดสอบความเป็นพิษของน้ำต่อการเจริญของพืชระยะก่อนงอกจนถึงเป็นต้นกล้า ซึ่งเป็นระยะที่พืชค่อนข้างอ่อนแอ |
| ผลที่คาดว่าจะได้รับ : | ผลที่ได้จากการศึกษาสามารถนำความรู้ที่ได้ไปประยุกต์ใช้พัฒนาระบบบำบัดน้ำทิ้งที่ปนเปื้อนสารประกอบอินทรีย์โดยใช้ฟิล์มนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ผสมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง ซึ่งเป็นการเพิ่มคุณภาพของน้ำทิ้งก่อนปล่อยสู่แหล่งน้ำธรรมชาติ เมื่องานวิจัยนี้สำเร็จจะได้ผลงานตีพิมพ์ในวารสารระดับชาติ (TCI) หรือนานาชาติ 1 เรื่อง และสามารถถ่ายทอดเทคโนโลยีให้ชุมชนผู้ประกอบอาชีพเกษตรกรรมและผู้ประกอบการ |
| การทบทวนวรรณกรรม/สารสนเทศ : | ไทเทเนียมไดออกไซด์มีเฟสที่สำคัญ 3 เฟส คือ อะนาเทส (anatase), รูไทล์ (rutile) และบรุ๊คไคท์ (brookite) เนื่องจากการจัดเรียงตัวของออกตระฮีดราล (TiO62-) แตกต่างกันจึงส่งผลให้แต่ละเฟสมีคุณสมบัติบางประการต่างกัน ซึ่งแต่ละเฟสจะเหมาะสมในการนำไปใช้งานในด้านที่ต่างกัน (Dinh N. N. et al., 2003) ในงานวิจัยนี้จะทำการสังเคราะห์วัสดุนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์และตัวเร่งปฏิกิริยาผสมด้วยวิธีซอล-เจล (sol-gel) และขึ้นรูปฟิล์มด้วยเทคนิค Dip coating เพื่อใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา สาเหตุที่เลือกใช้วิธีดังกล่าวเพราะวิธีนี้มีขั้นตอนไม่ซับซ้อน ไม่ต้องใช้อุณหภูมิสูงในขั้นตอนการสังเคราะห์ และสามารถเลือกใช้สารตั้งต้นและตัวทำละลายได้หลายชนิด อีกทั้งยังช่วยลดต้นทุนในการผลิตไทเทเนียมได้อีกด้วย ในปัจจุบันอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ถูกนำมาประยุกต์ใช้ในงานด้านต่างๆ เช่น ใช้เป็นส่วนประกอบของสีทาผนัง (Dhang et al., 2004) เป็นตัวเคลือบเพื่อป้องกันแบคทีเรีย (Egerton et al, 2005) เป็นขั้วแอโนดในแบตเตอรี (Bao et al., 2007) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงสำหรับการสลายตัวของสารอินทรีย์ (Ou et al., 2006; Sun et al., 2004) เป็นขั้วไฟฟ้าสำหรับโซลาร์เซลล์ (Almedis et al., 2004) นอกจากนี้ยังถูกนำมาประยุกต์ใช้เป็นตัวตรวจวัดความชื้น ไอระเหยของสารอินทรีย์ และแก๊สชนิดต่างๆ (Chen G. et al., 2004; Bao S.-J. et al., 2007; Otaka H. wt al., 2004) นอกจากนี้ยังสามารถนำไปผลิตเป็นโลหะผสมชนิดใหม่ซึ่งมีประสิทธิภาพดีกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาเพียงชนิดเดียว (Kuo. C-S. et al., 2007; Oh S.-M. et al., 2004) ไทเทเนียมไดออกไซด์มีสมบัติในการเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพราะมีแถบช่องว่างพลังงานประมาณ 3.2 eV จึงจำเป็นต้องใช้แสง UV ที่มีความยาวคลื่นที่ให้พลังงานมากกว่าแถบช่องว่างพลังงานมากระตุ้นให้เกิดอิเล็กตรอนกับโฮลซึ่งจากการศึกษาที่ผ่านมาพบว่าไทเทเนียมไดออกไซด์ในรูปอะนาเทสและรูไทล์ถูกนำมาใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาการเร่งด้วยแสง ซึ่งนิยมในรูปแบบของอะนาเทสมากกว่าเนื่องจากมีการรวมตัวกันระหว่างอิเล็กตรอน-โฮลน้อยกว่ารูไทล์และมีความสามารถในการดูดติดผิวสูงกว่ารูไทล์ นอกจากนี้พบว่าถ้ามีการเจือด้วยออกไซด์ของโลหะอัลคาไลน์ประเภทต่างๆจะเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพในการเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ดีขึ้นเนื่องจากตำแหน่งที่ว่องไว (active site) เกิดจากตำหนิในโครงสร้างของสารประกอบไทเทเนียมไดออกไซด์ (Wang al., 2005; Egerton et al., 2006) ถึงแม้ว่าไทเทเนียมไดออกไซด์จะมีความสามารถในการเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ดีภายใต้แสงอยู่แล้ว แต่หากมีการใช้ไทเทเนียมไดออกไซด์ที่เจือด้วยโลหะอัลคาไลน์หรือโลหะทรานซิชันจะเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาได้ดียิ่งขึ้น เนื่องจากตำแหน่งที่ว่องไวเกิดจากตำหนิในโครงสร้างของสารประกอบไทเทเนียมไดออกไซด์ ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาผสมมีพื้นที่ผิวสำหรับการดูดซับสารมลพิษอินทรีย์เพิ่มมากขึ้น ส่งผลให้เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพในการย่อยสลายสารมลพิษอินทรีย์ได้ดีขึ้น (ชลดา, 2554; Wetchakun, 2008) ดังการศึกษาการย่อยสลายพีเอเอชโดยเปรียบเทียบระหว่างไทเทเนียมไดออกไซด์และไทเทเนียมไดออกไซด์ที่เจือด้วยซามาเลียม (Sm) พบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาผสมมีประสิทธิภาพในการย่อยสลายฟีแนนทรีนและเบนโซ (a) แอนทราซีนได้เร็วกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาไทเทเนียมไดออกไซด์และ commercial P25 เพราะซามาเลียมจะช่วยให้ไทเทเนียมไดออกไซด์ที่สังเคราะห์ได้มีความเป็นผลึกเพิ่มมากขึ้น และช่วยให้ไทเทเนียมไดออกไซด์มีช่วงความยาวคลื่นในช่วงวิสิเบิลเพิ่มมากขึ้น (Phatinavin, 2009) นอกจากไทเทเนียมไดออกไซด์ซึ่งเป็นออกไซด์ที่นำมาเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแล้วยังมีรายงานการใช้เหล็กออกไซด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการย่อยสลายพีเอเอชด้วยแสงได้เช่นกัน (Wang et al., 2009) (ชลดา, 2555)
มีการศึกษาอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับการใช้ไทเทเนียมไดออกไซด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงเพื่อการย่อยสลายสารประกอบอินทรีย์ในน้ำเสีย หนึ่งในปัจจัยที่มีผลต่อประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาไทเทเนียมไดออกไซด์คือลักษณะของความเป็นผลึกซึ่งขึ้นกับเทคนิคที่ใช้ในการสังเคราะห์อนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ โดยที่ผ่านมามีการศึกษาเกี่ยวกับสภาวะที่ใช้ในการสังเคราะห์ระหว่างการสังเคราะห์แบบดั้งเดิมที่ไม่มีขบวนการเติมอัลคอกไซด์เปรียบเทียบกับสภาวะที่มีการเติมอัลคอกไซด์ ซึ่งจากผลที่ได้พบว่าในการสังเคราะห์ไทเทเนียมไดออกไซด์ที่มีการเติมอัลคอกไซด์จะให้ประสิทธิภาพในการย่อยสลายสารอินทรีย์ได้สูงกว่า (Watson , 2003) กลไกการย่อยสลายของสารประกอบอินทรีย์ขึ้นอยู่กับอัตราการดูดซับบนผิวของไทเทเนียมไดออกไซด์ เมื่อใช้เทคนิค Zeta potential ในการตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงประจุระหว่างการดำเนินไปของปฏิกิริยาการเร่งด้วยแสง พบว่าอันตรกิริยาระหว่างสารประกอบอินทรีย์ (กรดออกซาลิกและกรดมาลิก) กับไทเทเนียมไดออกไซด์มีอัตราการดูดซับบนพื้นผิวของไทเทเนียมสูง ดังนั้นถ้าไทเทเนียมไดออกไซด์มีพื้นที่ผิวมากจะทำให้อัตราการดูดซับเพิ่มมากขึ้น ส่งผลให้อัตราการย่อยสลายสารประกอบอินทรีย์สูงขึ้น (Lam et al., 2006) มีรายงานการวิจัยพบว่าฟีแนนทรีนที่ปนเปื้อนในดินสามารถย่อยสลายได้เมื่อใช้ไทเทเนียมไดออกไซด์ที่เจือด้วยเหล็กเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาภายใต้แสงที่ตามองเห็น พบว่ามีร้อยละการย่อยสลายฟีแนนทรีนมากที่สุดเท่ากับ 81 ในขณะที่เปรียบเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยาไทเทเนียมไดออกไซด์มีประสิทธิภาพในการย่อยสลายฟีแนนทรีนเท่ากับ 32.54 จากผลการทดลองพบว่า การเจือตัวเร่งปฏิกิริยาไทเทเนียมไดออกไซด์ด้วยเหล็กจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการย่อยสลายฟีแนนทรีนได้ เนื่องจากเหล็กใช้เป็นตัวจับอิเล็กตรอน (electron trap) ทำให้ลดการรวมตัวกันระหว่างอิเล็กตรอนและโฮลและยังส่งผลให้ตัวเร่งปฏิกิริยาไทเทเนียมไดออกไซด์สามารถดูดกลืนแสงในช่วงความยาวคลื่นที่เพิ่มขึ้นได้ กล่าวคือ สามารถดูดกลืนแสงได้ทั้งในช่วง UV และ Vis เพราะทำให้แทบการนำไฟฟ้าของตัวเร่งปฏิกิริยาไทเทเนียมไดออกไซด์มีค่าลดลงจาก 3.2 เป็น 2.67 อิเล็กตรอนโวล (Chonlada et al., 2015 inpress)
การศึกษาความเป็นพิษของอนุภาคระดับนาโน (Nanotoxicology) เริ่มมีการศึกษาตั้งแต่ ค.ศ. 1990 และพบว่าอนุภาคระดับนาโนมีความเป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิตเช่นกัน ไทเทเนียมไดออกไซด์จะเป็นสารก่อมะเร็งได้ถ้าได้รับผ่านการสูดดม (Li et al., 2008) และมีผลต่อความคงตัวของเยื่อหุ้มเซลล์ใน Porcellio scaber ซึ่งเป็นสัตว์บกที่ไม่มีกระดูกสันหลัง (Valant et al., 2009) ความเป็นพิษของอนุภาคนาโนนั้น อาจจะเกิดจากความเป็นพิษที่เกิดจากผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยา ขนาดของอนุภาคที่เล็กมากทำให้แพร่กระจายเข้าสู่สิ่งมีชีวิตได้ดี หรือเกิดจากรูปร่างการจัดตัว เช่น คาร์บอนนาโนทิวป์ที่อาจทำอันตรายต่อเซลล์ได้ (Bystrzejewska-Piotrowska et al., 2009)
แม้จะมีรายงานว่า อนุภาคนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ไม่เป็นพิษในพืชหลายชนิด เช่น willow (Seeger et al., 2009) ถั่วเขียว (Theerakarunwong and Chouychai, 2013) และผักโขม (Zheng et al., 2005) แต่โลหะไทเทเนียมนั้นมีผลกระทบต่อกระบวนการทางสรีรวิทยาของข้าวโอ๊ต ที่ได้รับสารละลายที่มีโลหะไทเทเนียมจากการฉีดพ่นที่ใบทั้งทางด้านน้ำหนักสด ความสูงและปริมาณคลอโรฟิลล์ (Kuzel et al., 2003) และยังไม่มีรายงานว่าผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาการเร่งด้วยแสงของไทเทเนียมไดออกไซด์เป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิตใดๆหรือไม่ |
| ทฤษฎี สมมุติฐาน กรอบแนวความคิด : | ที่ผ่านมามีการนำวัสดุนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ไปประยุกต์ใช้ในงานต่างๆที่เกี่ยวข้องกับการย่อยสลายสารอินทรีย์โดยใช้วัสดุนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงหรือใช้เป็นตัวเคลือบเพื่อป้องกันแบคทีเรีย เมื่อไทเทเนียมไดออกไซด์ถูกกระตุ้นด้วยแสงอัลตราไวโอเลตจะปล่อยอนุมูลอิสระออกมาซึ่งอนุมูลเหล่านี้จะเข้าไปเร่งปฏิกิริยาโฟโตออกซิเดชันของสารอินทรีย์ทั้งสารอินทรีย์อิสระและสารอินทรีย์ที่เป็นองค์ประกอบของเซลล์ ซึ่งในกรณีสารอินทรีย์ที่เป็นองค์ประกอบของเซลล์ถูกทำลายจะทำให้เซลล์ถูกทำลายไปด้วย ไทเทเนียมไดออกไซด์จึงมีประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อจุลินทรีย์และสารประกอบอินทรีย์
กระบวนการบำบัดน้ำเสียด้วยปฏิกิริยาทางเคมีโดยเฉพาะการใช้วัสดุนาโนร่วมกับการเร่งปฏิกิริยาด้วยรังสีอัลตราไวโอเลต เป็นวิธีหนึ่งที่มีการทดสอบแล้วว่าสามารถใช้กำจัดน้ำเสียได้ เช่นลดปริมาณสารประกอบที่มีคลอรีน สารประกอบอินทรีย์ที่มีไนโตรเจน และปริมาณลิกนินและอนุพันธ์ในน้ำเสียจากอุตสาหกรรมกระดาษได้ดี (Ugurlu and Karaoglu, 2009) แต่ความปลอดภัยของการใช้วัสดุนาโนในการบำบัดน้ำเสียยังเป็นสิ่งที่ควรพิจารณา มิใช่แต่เฉพาะในด้านต้นทุนเท่านั้น นอกจากนี้ ยังมีรายงานการวิจัยพบว่า การใช้วัสดุนาโนที่เจือกับเหล็กสามารถทำให้สารประสิทธิภาพการย่อยสลายเพิ่มขึ้น เพราะทำให้ค่าการดูดกลืนแสงของไทเทเนียมไดออกไซด์เลื่อนไปในย่านแสงที่ตามองเห็น ทำให้สามารถต่อยอดงานวิจัยนี้เพื่อใช้กับแสงอาทิตย์โดยตรงในอนาคตได้ อีกทั้งโลหะเจือที่ใช้คือ เหล็ก ซึ่งพบว่าไม่มีความเป็นพิษต่อพืช เพราะเป็นธาตุอาหารชนิดหนึ่งที่จำเป็นต่อการเจริญเติบโตของพืช แต่รวมถึงความปลอดภัยต่อมนุษย์และระบบนิเวศด้วย (Li et al., 2008) ดังนั้นการประเมินความเป็นพิษของน้ำเสียหลังการบำบัดจึงเป็นวิธีการหนึ่งที่จะช่วยยืนยันถึงความปลอดภัยของกระบวนการบำบัดน้ำเสียแบบนี้ และทำให้เกิดความมั่นใจในการนำไปใช้ต่อไป |
| วิธีการดำเนินการวิจัย และสถานที่ทำการทดลอง/เก็บข้อมูล : | แผนดำเนินงานวิจัยประกอบด้วยขั้นตอน 2 ขั้นตอน คือ
ขั้นตอนที่ 1 การศึกษาปัจจัยที่มีผลต่อประสิทธิภาพการกำจัดสารประกอบอินทรีย์โดยใช้ฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ผสมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง มีขั้นตอนการดำเนินงานดังต่อไปนี้
1. สังเคราะห์ ขึ้นรูปและวิเคราะห์ฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์และฟิล์มผสม
สังเคราะห์และขึ้นรูปฟิล์มนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ที่เจือด้วยเหล็กโดยวิธีซอล-เจล และเทคนิค Dip-coating (Wetchakul and Phanichphant., 2006) จากนั้นนำฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์และฟิล์มผสมไปวิเคราะห์เฟส ปริมาณไทเทเนียม และพื้นที่ผิวจำเพาะต่อไป
2. วัดความเข้มแสงและความไวของรังสีต่อฟิล์ม
3. การทดสอบประสิทธิภาพในการบำบัดโดยวัดปริมาณออกซิเจนทั้งหมดที่ต้องใช้ในการทำปฏิกิริยาเคมี (Chemical oxygen demand; COD) และ ปริมาณออกซิเจนที่จุลินทรีย์ใช้ในการย่อยสลายสารอินทรีย์(Biological oxygen demand; BOD) ก่อนและหลังการทดลอง
น้ำเสียสังเคราะห์ วางแผนการทดลองแบบแฟกทอเรียล 3x2 โดยมี 2 ตัวแปรคือความเข้มข้นของน้ำเสียสังเคราะห์ 3 ระดับ (เตรียมสารละลายซูโครสที่มีความเข้มข้นเป็น 2M, 1M และ 0.5 M) และประเภทของฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ 2 ระดับ คือ ไม่ผสมด้วย Fe และผสมด้วย Fe และนำน้ำเสียสัมผัสกับฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์หรือภายใต้รังสียูวี (UVA) ในตู้โฟโตรีแอคเตอร์ โดยใช้น้ำเสียสังเคราะห์ที่ไม่สัมผัสกับฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์แต่ได้รับรังสียูวีเป็นชุดควบคุม
น้ำเสียจากบ้านเรือน วางแผนการทดลองเช่นเดียวกับน้ำเสียสังเคราะห์ โดยเก็บน้ำเสียจากอาคารต่างๆภายในมหาวิทยาลัย วิเคราะห์องค์ประกอบของน้ำเสียก่อนบำบัด ใช้ความเข้มข้นของน้ำเสียเป็นร้อยละของน้ำเสียในน้ำกลั่นเป็น 100%, 50% และ 25% (%v/v) นำน้ำเสียมาทดสอบกับฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ภายใต้รังสียูวีในตู้โฟโตรีแอคเตอร์ ดังที่อธิบายไว้ข้างต้น
น้ำเสียจากการเกษตร วางแผนการทดลองเช่นเดียวกับน้ำเสียสังเคราะห์ โดยใช้สารละลายมูลสุกรในน้ำกลั่น 50%, 25% และ 12.5% (%w/v) นำน้ำเสียมาทดสอบกับฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ภายใต้รังสียูวีในตู้โฟโตรีแอคเตอร์ ดังที่อธิบายไว้ข้างต้น และวิเคราะห์ปริมาณไนเตรตและไนไตรท์ในน้ำเสียหลังการบำบัด
น้ำเสียจากโรงฆ่าสัตว์ วางแผนการทดลองเช่นเดียวกับน้ำเสียสังเคราะห์ โดยใช้หมูสับละลายในน้ำ 50%, 25% และ 12.5% (%w/v) แล้วกรองเอาหมูสับออก นำน้ำเสียมาทดสอบกับฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ภายใต้รังสียูวีในตู้โฟโตรีแอคเตอร์ ดังที่อธิบายไว้ข้างต้น และวิเคราะห์ปริมาณไนเตรตและไนไตรท์ในน้ำเสียหลังการบำบัด
น้ำเสียจากโรงงานทำขนม วางแผนการทดลองเช่นเดียวกับน้ำเสียสังเคราะห์ โดยใช้น้ำผสมแป้งสาลี 50%, 25% และ 12.5% (%w/v) นำน้ำเสียมาทดสอบกับฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ภายใต้รังสียูวีในตู้โฟโตรีแอคเตอร์ ดังที่อธิบายไว้ข้างต้น
ขั้นตอนที่ 2 การทดสอบความเป็นพิษของน้ำเสียหลังการบำบัดด้วยฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ผสม
มีขั้นตอนการดำเนินงานดังต่อไปนี้
(1) การทดสอบความเป็นพิษของน้ำเสียหลังบำบัดต่อพืชน้ำ
1. คัดเลือกพืชน้ำที่พบได้ทั่วไปในบึงบอระเพ็ดมา 2 ชนิด จากนั้นนำมาอนุบาลในเรือนเพาะชำจนแข็งแรงดี
2. นำพืชน้ำแต่ละชนิดเลี้ยงในน้ำเสียสังเคราะห์ก่อนและหลังบำบัด โดยน้ำเสียหลังบำบัดนั้นจะกรองอนุภาคนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ที่อาจหลุดออกจากฟิล์มขณะผ่านกระบวนการโฟโตแคตาไลติกออกก่อน วางแผนการทดลองแบบ CRD 1 ปัจจัย 5 ระดับต่อพืชหนึ่งชนิดคือ ประเภทของน้ำเสียได้แก่ น้ำกลั่น น้ำเสียก่อนบำบัด น้ำเสียไม่สัมผัสกับฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์และกระตุ้นด้วยยูวี น้ำเสียที่สัมผัสกับฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์และกระตุ้นด้วยยูวี น้ำเสียที่สัมผัสกับฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ผสมและกระตุ้นด้วยยูวี ทำ 5 ซ้ำ สุ่มเก็บผลของน้ำหนักสด น้ำหนักแห้ง ปริมาณคลอโรฟิลล์ และความยาวของพืชทุกๆ 15 วันเป็นเวลา 3 เดือน
3. เปลี่ยนน้ำเสียสังเคราะห์เป็นน้ำเสียจากอาคาร น้ำเสียจากการเกษตร น้ำเสียจากโรงฆ่าสัตว์ และน้ำเสียจากโรงงานทำขนมตามลำดับ ทำการทดลองแบบเดียวกัน
(2) ความเป็นพิษของน้ำเสียหลังบำบัดต่อพืชเศรษฐกิจ
1. เตรียมถาดเพาะเมล็ดขนาด 50 หลุมต่อถาด ใส่ดินสำหรับปลูกพืชลงไปทุกหลุม
2. เพาะเมล็ดพืชเศรษฐกิจสามชนิดที่เลือกลงในถาดเพาะเมล็ด รดด้วยน้ำเสียสังเคราะห์ก่อนและหลังบำบัด โดยน้ำเสียหลังบำบัดนั้นจะกรองอนุภาคนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ที่อาจหลุดออกจากฟิล์มขณะผ่านกระบวนการโฟโตแคตาไลติกออกก่อน วางแผนการทดลองแบบ CRD 1 ปัจจัย 5 ระดับต่อพืชหนึ่งชนิดคือ ประเภทของน้ำเสียได้แก่ น้ำกลั่น น้ำเสียก่อนบำบัด น้ำเสียไม่สัมผัสกับฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์และกระตุ้นด้วยยูวี น้ำเสียที่สัมผัสกับฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์และกระตุ้นด้วยยูวี น้ำเสียที่สัมผัสกับฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ผสมและกระตุ้นด้วยยูวี ทำ 5 ซ้ำ บันทึกผลอัตราเร็วของการงอก ร้อยละการงอก ความยาว น้ำหนักสดและน้ำหนักแห้งของต้นอ่อนและปริมาณคลอโรฟิลล์เมื่อครบ 15 วัน
(3) การวิเคราะห์ปริมาณโลหะไทเทเนียมและสารเจือที่ตกค้างในพืชน้ำ/พืชเศรษฐกิจ
เก็บตัวอย่างพืชน้ำและพืชเศรษฐกิจจากข้อ (1) และ (2) ที่ได้รับน้ำชนิดต่างๆ มาสกัดแล้วส่งวิเคราะห์ปริมาณโลหะไทเทเนียมและสารเจือที่สะสมด้วยพืชด้วยเทคนิค Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) |
| คำอธิบายโครงการวิจัย (อย่างย่อ) : | ศึกษาวิจัยกระบวนการบำบัดน้ำเสียด้วยปฏิกิริยาทางเคมีโดยเฉพาะการใช้วัสดุนาโนร่วมกับการเร่งปฏิกิริยาด้วยรังสีอัลตราไวโอเลต และประเมินความเป็นพิษของน้ำเสียหลังการบำบัดเพื่อยืนยันถึงความปลอดภัยของกระบวนการบำบัดน้ำเสียวิธีการนี้ และทำให้เกิดความมั่นใจในการนำไปใช้ต่อไป |
| จำนวนเข้าชมโครงการ : | 1816 ครั้ง |