| รหัสโครงการ : | R000000635 |
| ชื่อโครงการ (ภาษาไทย) : | วัสดุนาโนเชิงวิศวกรรมชนิดตัวดูดซับชีวภาพแคลเซียมคาร์บอเนตจากเปลือกไข่ สำหรับบำบัดน้ำทิ้งที่ปนเปื้อนสีย้อม |
| ชื่อโครงการ (ภาษาอังกฤษ) : | Nano-engineered biosorbent material from egg shell for dye wastewater treatment |
| คำสำคัญของโครงการ(Keyword) : | สีย้อม; แคลเซียมคาร์บอเนต; เปลือกไข่; dye calcium carbonate; eggshell |
| หน่วยงานเจ้าของโครงการ : | คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี > ภาควิชาวิทยาศาสตร์ สาขาวิชาเคมี |
| ลักษณะโครงการวิจัย : | โครงการวิจัยเดี่ยว |
| ลักษณะย่อยโครงการวิจัย : | ไม่อยู่ภายใต้แผนงานวิจัย/ชุดโครงการวิจัย |
| ประเภทโครงการ : | โครงการวิจัยใหม่ |
| สถานะของโครงการ : | propersal |
| งบประมาณที่เสนอขอ : | 85000 |
| งบประมาณทั้งโครงการ : | 85,000.00 บาท |
| วันเริ่มต้นโครงการ : | 17 มกราคม 2565 |
| วันสิ้นสุดโครงการ : | 16 มกราคม 2566 |
| ประเภทของโครงการ : | งานวิจัยประยุกต์ |
| กลุ่มสาขาวิชาการ : | วิทยาศาสตร์ธรรมชาติ |
| สาขาวิชาการ : | สาขาวิทยาศาสตร์เคมีและเภสัช |
| กลุ่มวิชาการ : | เคมีสิ่งแวดล้อม |
| ลักษณะโครงการวิจัย : | ระดับชาติ |
| สะท้อนถึงการใช้ความรู้เชิงอัตลักษณ์ : | สะท้อนถึงการใช้ความรู้เชิงอัตลักษณ์ |
| สร้างความร่วมมือประหว่างประเทศ GMS : | ไม่สร้างความร่วมมือทางการวิจัยระหว่างประเทศ |
| นำไปใช้ในการพัฒนาคุณภาพการศึกษา : | ไม่นำไปใช้ประโยชน์ในการพัฒนาณภาพการศึกษา |
| เกิดจากความร่วมมือกับภาคการผลิต : | ไม่เกิดจากความร่วมมือกับภาคการผลิต |
| ความสำคัญและที่มาของปัญหา : | อุตสาหกรรมสิ่งทอเป็นอุตสาหกรรมที่มีแนวโน้มการเติบโตอย่างต่อเนื่อง ประกอบด้วยอุตสาหกรรมขนาดเล็กในระดับครัวเรือน หมู่บ้าน อุตสาหกรรมขนาดกลางในระดับชุมชน วิสาหกิจชุมชน และอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ในระดับประเทศ โดยมีกระบวนการผลิตตั้งแต่ต้นน้ำ กลางน้ำ และปลายน้ำ หนึ่งในขั้นตอนการผลิตที่สำคัญคือ ขั้นตอนการฟอกย้อม ซึ่งส่วนใหญ่ใช้กระบวนการทางเคมีในการปรับเปลี่ยนคุณสมบัติของเส้นใยโดยใช้สารเคมีและสีย้อมไม่ว่าจะเป็นสีย้อมสังเคราะห์หรือสีย้อมจากธรรมชาติ โดยในขั้นตอนดังกล่าวมีการใช้น้ำเป็นตัวกลางในปริมาณมากเพื่อใช้เป็นตัวกระจายเม็ดสีลงบนเส้นใย และใช้น้ำในขั้นตอนการล้างสีส่วนเกินออกจากเส้นใย ซึ่งในแต่ละขั้นตอนทำให้เกิดของเสียเกิดขึ้น ไม่ว่าจะเป็นขั้นตอนการฟอกย้อม การฟอกขาว และขั้นตอนการล้าง ส่งผลให้น้ำทิ้งจากอุตสาหกรรมสิ่งทอมีการปนเปื้อนหรือการตกค้างของสีย้อมที่มีความเข้มข้นสูง ประกอบกับหากใช้สีย้อมสังเคราะห์ซึ่งมีการใช้สารเคมีเป็นส่วนประกอบหลักของเม็ดสี จะส่งผลต่อการสลายตัวซึ่งใช้ระยะเวลานาน ก่อให้เกิดความเป็นพิษต่อระบบนิเวศน์ หรือการใช้สีย้อมจากธรรมชาติที่แม้จะมีความเป็นพิษต่ำและสลายตัวได้ง่ายกว่า แต่ก็สามารถทำให้น้ำทิ้งมีสีเข้ม และส่งผลกระทบต่อการสังเคราะห์แสงของพืชน้ำได้เช่นกัน ดังนั้น ปัจจุบันจึงต้องมีการควบคุมตรวจสอบมาตรฐานน้ำทิ้งก่อนปล่อยสู่แหล่งน้ำธรรมชาติเพื่อเป็นรักษาระบบนิเวศต่อไป
ที่ผ่านมามีการศึกษาการกำจัดสารมลพิษอินทรีย์ที่เกิดจากองค์ประกอบของสีย้อมในน้ำทิ้งโดยใช้กระบวนการหลักอยู่ 3 กระบวนการ ได้แก่ กระบวนการทางเคมี (chemical treatment process) กระบวนการทางชีวภาพ (biological treatment process) และกระบวนการทางกายภาพ (physical treatment process) ซึ่งในแต่ละกระบวนการมีข้อดี และข้อจำกัดแตกต่างกันไป เช่น กระบวนการทางเคมีเป็นการใช้สารเคมีทำให้โมเลกุลของสีย้อมเกิดการตกตะกอน ซึ่งต้องใช้ตัวตกตะกอนที่สามารถจับสีย้อมให้อยู่ในรูปของตะกอนโดยต้องคำนึงถึงความเป็นพิษของตะกอนที่ตกลงมาเพื่อไม่ให้เกิดเป็นสารมลพิษทุติยภูมิ (secondary pollution) หรือวิธีการแลกเปลี่ยนไอออน วิธีการทางไฟฟ้าเคมี ที่มีขั้นตอนซับซ้อน ทำให้ใช้เวลาและมีค่าใช้จ่ายสูง ส่วนกระบวนการทางชีวภาพ เป็นการใช้จุลินทรีย์ในสภาวะที่มีออกซิเจนในการย่อยสลายสารอินทรีย์ ซึ่งผลิตภัณฑ์สุดท้ายต้องเกิดเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ ทำให้ต้องมีการออกแบบและควบคุมระบบให้เหมาะสมและต้องใช้ผู้ที่มีความชำนาญด้านจุลินทรีย์ ส่วนกระบวนการทางกายภาพจะใช้ตัวดูดซับในการดูดซับโมเลกุลของสีย้อม ซึ่งต้องใช้ตัวดูดซับที่มีพื้นที่ผิวสูงซึ่งมีราคาแพง แต่มีข้อดีคือ สามารถนำตัวดูดซับกลับมาใช้ซ้ำได้ โดยตัวดูดซับที่นิยมใช้ คือ ถ่านกัมมันต์ เนื่องจากประสิทธิภาพในการดูดซับจะขึ้นอยู่กับพื้นที่ผิวจำเพาะของตัวดูดซับ ดังนั้นหากมีการศึกษาการนำตัวดูดซับชนิดอื่นมาใช้ทดแทนถ่านกัมมันต์ ซึ่งมีต้นทุนการผลิตสูง ด้วยวัสดุดูดซับที่มีต้นทุนต่ำและเป็นสิ่งเหลือทิ้ง จะเป็นการเพิ่มมูลค่าให้กับวัสดุดังกล่าวได้ นอกจากนี้ชุมชนยังสามารถนำไปใช้งานหรือลงมือทำได้ ซึ่งจะก่อให้เกิดจะเกิดการพัฒนาอย่างยั่งยืนในที่สุด
เปลือกไข่เป็นวัสดุเหลือทิ้งในอุตสาหกรรมอาหารที่มีประสิทธิภาพในการนำมาใช้เป็นวัสดุดูดซับ เนื่องจากเปลือกไข่ประกอบด้วยองค์ประกอบหลักคือ แคลเซียมคาร์บอเนต ถึงร้อยละ 94 นอกจากนี้เปลือกไข่ยังจัดเป็นวัสดุไบโอเซรามิกธรรมชาติ (natural bio-ceramic) ที่เกิดจากอันตรกิริยาระหว่างสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ในระดับนาโนสเกล ส่งผลต่อสมบัติเชิงกลที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัวที่สามารถนำไปเพิ่มมูลค่าในการดูดซับสารมลพิษอินทรีย์ มีพื้นที่ผิวจำเพาะต่อการดูดซับสูง ไม่มีความเป็นพิษ ทำให้สามารถย่อยสลายได้ในธรรมชาติได้เองในระยะเวลาสั้น นอกจากนี้ยังเป็นการสร้างมูลค่าเพิ่มให้กับวัสดุเหลือทิ้งได้อีกด้วย
งานวิจัยนี้ผู้วิจัยมีความสนใจในการสังเคราะห์อนุภาคแคลเซียมไฮดรอกไซด์ในเปลือกไข่ที่มีขนาดอนุภาคในระดับไมโครเมตรให้มีขนาดอนุภาคในระดับนาโนเมตร เพื่อเป็นการเพิ่มพื้นที่ผิวจำเพาะในการดูดซับ โดยการดัดแปลงวัสดุชีวภาพด้วยความร้อนเพื่อให้โครงสร้างของแคลเซียมไฮดรอกไซด์เกิดการจัดเรียงตัวใหม่ ซึ่งจะส่งผลต่อประสิทธิภาพต่อการดูดซับเพิ่มขึ้น โดยทำเป็นผลิตภัณฑ์ต้นแบบในการบำบัดน้ำทิ้งจากอุตสาหกรรมสิ่งทอ ซึ่งจะมีประโยชน์ต่อผู้ประกอบการ หรือชุมชนที่มีการทำย้อมสีสิ่งทอหรือการย้อมสีเส้นด้ายต่อไป |
| จุดเด่นของโครงการ : | เป็นการนำสิ่งเหลือทิ่งขากภาคอุตสาหกรรมอาหารมาใช้เพิ่มมูลค่าเป็นวัสดุดูดซับชีวภาพในการบำบัดน้ำทิ้งจากอุตสาหกรรมสิ่งทอ |
| วัตถุประสงค์ของโครงการ : | 1) เพื่อศึกษาวิธีการที่เหมาะสมในการสังเคราะห์อนุภาคแคลเซียมไฮดรอกไซต์ในเปลือกไข่
2) เพื่อศึกษาคุณสมบัติเฉพาะของเปลือกไข่
3) เพื่อศึกษาประสิทธิภาพการดูดซับ |
| ขอบเขตของโครงการ : | ศึกษาการเตรียมอนุภาคนาโนแคลเซียมคาร์บอเนตจากเปลือกไข่ด้วยกระบวนการดัดแปลงทางความร้อน และตรวจสอบคุณลักษณะจำเพาะเชิงเปรียบเทียบระหว่างอนุภาคนาโนแคลเซียมคาร์บอเนตที่ได้จากเปลือกไข่กับการลดขนาดอนุภาคแคลเซียมคาร์บอเนตทางการค้า จากนั้นศึกษาประสิทธิภาพในการดูดซับสีย้อมจากน้ำเสียสังเคราะห์ และน้ำเสียจากชุมชนที่ประกอบอุตสาหกรรมเกี่ยวกับสิ่งทอ |
| ผลที่คาดว่าจะได้รับ : | วัสดุดูดซับนาโนแคลเซียมไฮดรอกไซด์จากเปลือกไข่ที่สังเคราะห์ขึ้น สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในชุมชน หรือ อุตสาหกรรมสิ่งทอได้ โดยการเพิ่มมูลค่าสิ่งเหลือทิ้งจากอุตสาหกรรมอาหาร หรือแม้แต่ภายในครัวเรือน หรือชุมชนเองที่มีการบริโภคไข่ โดยมีการพัฒนาต่อยอดองค์ความรู้เพื่อลดขนาดอนุภาคของตัวดูดซับที่โดยปกติใช้ถ่าน กัมมันต์ซึ่งมีราคาสูงเป็นเปลือกไข่ที่มีแคลเซียมคาร์บอเนตที่มีขนาดอนุภาคในระดับนาโนเมตร เป็นวัสดุหลักที่ใช้ดูดซับโมเลกุลของสีย้อม เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการดูดซับ ซึ่งเป็นการสนับสนุนยุทธศาสตร์งานวิจัยพื้นฐาน เพื่อสร้างองค์ความรู้ในศาสตร์ต่าง ๆ ตามกรอบแผนพัฒนาเศรษฐกิจ และสังคมแห่งชาติ ฉบับที่ 13 |
| การทบทวนวรรณกรรม/สารสนเทศ : | ปัจจุบันปัญหามลพิษทางน้ำ เป็นหนึ่งในปัญหาสิ่งแวดล้อมที่สำคัญที่หลายภาคส่วนหันมาให้ความร่วมมือในการหาแนวทางแก้ไขปัญหาแบบยั่งยืน ซึ่งปัญหามลพิษทางน้ำเกิดจากหน่วยงานย่อยที่สุด คือ ประชาชนไม่ว่าเป็นครัวเรือน ชุมชน หรือในระดับใหญ่ ซึ่งก็คือภาคอุตสาหกรรมประเภทต่าง ๆ เช่น ภาคเกษตรกรรม และภาคอุตสาหกรรมเป็นต้น โดยน้ำทิ้งเหล่านี้จะมีลักษณะแตกต่างกันตามชนิดของผลิตภัณฑ์ หรือกระบวนการผลิต และอื่น ๆ โดยในงานวิจัยนี้สนใจศึกษาปัญหามลพิษจากอุสาหกรรมสิ่งทอ เนื่องจากอุตสาหกรรมดังกล่าว พบได้ทั้งในอุตสาหกรรมขนาดย่อม ซึ่งจัดเป็นอุตสาหกรรมในครัวเรือน และอุตสาหกรรมในชุมชน หรืออุตสาหกรรมขนาดใหญ่ เช่น โรงงานสิ่งทอ ซึ่งน้ำทิ้งจากอุตสาหกรรมสีย้อมมีปริมาณมาก เพราะอุตสาหกรรมสิ่งทอต้องใช้ปริมาณน้ำเป็นตัวกลางในการผลิตทุกขั้นตอน ไม่ว่าจะเป็นน้ำทิ้งที่ใช้ขั้นตอนการฟอก ขั้นตอนการย้อม และขั้นตอนการล้าง ซึ่งทุกกระบวนการจะเกิดน้ำทิ้งที่มีสีออกมาทั้งสิ้น สีย้อมไม่ว่าจะเป็นสีย้อมจากธรรมชาติ หรือสีย้อมสังเคราะห์นั้นจะส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอย่างชัดเจน แม้ว่าจะมีปริมาณความเข้มข้นในการใช้ที่ต่ำ อนุภาคของสีบางชนิดสามารถบดบังกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืชน้ำได้ ทำให้ส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศน์ในที่สุด (et.al., 2020)
โมเลกุลของสีย้อมเกิดจากการสร้างพันธะกันของอะตอม ได้แก่ พันธะไฮโดรเจน พันธะไอออนิก พันธะโควาเลนต์ และแรงแวนเดอร์วาลส์ (Varghese eT al., 2019) ซึ่งส่งผลต่อการบำบัด เนื่องจากต้องใช้วัสดุดูดซับที่มีประสิทธิภาพสูง
ที่ผ่านมานิยมใช้วีการต่าง ๆ ในการบำบัด ได้แก่ การดูดซับด้วยวัสดุดูดซับ (adsorption) วิธีการตกตะกอน (coagulation) เทคโนโลยีการกรอง (membrane technology) เทคโนโลยีโอโซน (ozone technology) วิธีการแลกเปลี่ยนไอออน (ion-exchange) วิธีทางไฟฟ้าเคมี (electrochemical) และวิธีการกำจัดทางชีววิทยา (biological treatment) (Carvalho et.al., 2011 ; Mohammad nezhad et.al., 2018 ; Borhade and Kale , 2017 ; Varghese et.al., 2018 ; Wu et al., 2020) โดยแต่ละเทคนิคมีทั้งข้อดีและข้อจำกัดที่แตกต่างกัน เช่น เทคโนโลยีโอโซน แม้ว่าจะเป็นเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพสูงแต่มีข้อเสียเรื่องอาจเกิดโมเลกุลที่มีความเป็นพิษเพิ่มขึ้น เพราะโมเลกุลของสีย้อมประกอบด้วยคลอลีน ดังนั้นหากเกิดปฏิกิริยากับโอโซนในอัตราส่วนที่ไม่เหมาะสมจะส่งผลต่อการแตกพันธะเคมีเกิดผลิตภัณฑ์ใหม่ที่มีพิษเพิ่มขึ้น หรือเทคโนโลยีการกรองที่มีข้อเสียในเรื่องต้นทุนการบำบัดสูง แม้ว่าจะสามารถบำบัดได้ในปริมาณมากก็ตาม ในขณะที่เทคโนโลยีการตกตะกอนมีขั้นตอนซับซ้อน เนื่องจากต้องทำให้เกิดการตกตะกอนเป็นตะกอนวุ้น (Flocculation) และทำให้มีค่า pH เป็นกลางก่อนปล่อยทิ้ง เทคนิคทางไฟฟ้าเคมี และเทคนิคการแลกเปลี่ยนไอออน ที่มีต้นทุนการผลิตสูง แต่ประสิทธิภาพปานกลาง นอกจากนี้วิธีการบำบัดน้ำเสียทางชีวภาพ โดยใช้จุลินทรีย์ในสภาวะที่มีออกซิเจนซึ่งผลิตภัณฑ์สุดท้ายต้องเกิดเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ ซึ่งต้องออกแบบระบบ และชนิดจุลินทรีย์ที่มีความจำเพาะต่อสมบัติทางเคมีของสีย้อม ที่ผ่านมาเทคนิคการดูดซับมีการนำไปใช้ทั้งในอุตสาหกรรมขนาดเล็ก และอุตสาหกรรมขนาดกลาง ซึ่งมีกลไกการทำงาน โดยใช้วัสดุดูดซับที่มีรูพรุนเป็นจำนวนมาก เพื่อดูดซับโมเลกุลของสีย้อม ซึ่งสามารถนำกลับมาใช้ซ้ำได้ แต่ยังมีข้อจำกัดในเรื่องของต้นทุนที่มีราคาสูง เนื่องจากประสิทธิภาพในการดูดซับจะขึ้นอยู่กับพื้นที่ผิวจำเพาะของตัวดูดซับ โดยตัวดูดซับที่นิยมใช้ คือ ถ่านกัมมันต์ เนื่องจากผ่านกระบวนการเผาที่อุณหภูมิสูง จึงมีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงนั่นเอง ดังนั้นหากมีการศึกษาการนำตัวดูดซับบชนิดอื่นมาใช้ทดแทนถ่านกัมมันต์ ซึ่งมีต้นทุนการผลิตสูง โดยใช้วัสดุดูดซับที่มีต้นทุนต่ำ และเป็นสิ่งเหลือทิ้ง จะเป็นการเพิ่มมูลค่าให้กับวัสดุดังกล่าวได้ และชุมชนสามารถนำไปใช้งาน หรือลงมือทำได้ จะเกิดการพัฒนาอย่างยั่งยืนในที่สุด
เปลือกไข่ เป็นหนึ่งในวัสดุเหลือทิ้งจากภาคอุตสาหกรรมอาหารที่มีมากที่สุด ซึ่งเป็นวัสดุที่มีศักยภาพสูง สำหรับการใช้ประโยชน์ด้านการดูดซับสารมลพิษอินทรีย์ที่ตกค้างในแหล่งน้ำทิ้งไม่ว่าจะมาจากภาคอุตสาหกรรมสิ่งทอ อุตสาหกรรมเกษตร หรือแม้แต่อุตสาหกรรมอาหารก็ตาม เนื่องจากเปลือกไข่ประกอบด้วย แคลเซียมคาร์บอเนต ร้อยละ 94 แคลเซียมฟอสเฟต ร้อยละ 1 แมกนีเซียมคาร์บอเนต ร้อยละ 1
และสารประกอบอินทรีย์อื่น ๆ ร้อยละ 4 (Mohammad nezhad et al., 2014 ; Huang et al., 2020) โดยเฉพาะอย่างยิ่งเปลือกไข่จัดเป็นวัสดุไบโอเซรามิกธรรมชาติ (natural bio-ceramic) ที่เกิดจากอันตรกิริยาระหว่างสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ในระดับนาโนสเกล ส่งผลต่อสมบัติเชิงกลที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัวที่สามารถนำไปเพิ่มมูลค่าในการดูดซับสารมลพิษอินทรีย์ (Hassan et al., 2013 ; Huang et al., 2020)
ที่ผ่านมามีการศึกษาการนำเปลือกไข่ไปดูดซับโลหะหนักชนิดต่าง ๆ เช่น Cu(II), Cr(III) (Chojnacka 2005) หรือการใช้เป็นตัวดูดซับไอออนลบ เช่น F- (Bhaumik et al., 2011 ; Carvalho et al., 2011) นอกจากนั้นยังพบว่าจากการที่เปลือกไข่มีสมบัติเชิงกลที่มีสัดส่วนองค์ประกอบทางเคมีที่จำเพาะ ยังสามารถนำเปลือกไข่ไปประยุกต์เป็นฟิลเลอร์ (Filler) ในวัสดุดูดซับที่มีเมทริกซ์เป็นวัสดุพอลิเมอร์ได้เช่นกัน (Hassan et al., 2014) เปลือกไข่และเยื่อด้านในสามารถนำไปใช้ดูดซับสีย้อมชนิดสีย้อมสังเคราะห์ได้ โดยพบว่าประสิทธิภาพในการดูดซับขึ้นอยู่กับพื้นที่ผิวจำเพาะ และค่าขีดความสามารถในการดูดซับ (adsorption capacity) ซึ่งมีไอโซเทอมการดูดซับเป็นไปตามความสามารถของแลงเมียร์ (Langmuir) และฟรุนดิช (Freundlic) ภายใต้สภาวะที่เป็นเบส ซึ่งมีผลจากปริมาณของคาร์บอเนต ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของเปลือกไข่ (Prammanpol and Nitayapat, 2006) นอกจากนี้ยังพบว่ามีการศึกษาอุณหภูมิแคลไซด์ (calcide temperature) ที่ส่งผลต่อกลไก และประสิทธิภาพในการดูดซับ โดยเมื่อศึกษาไอโซเทอมในรูปแบบต่าง ๆ ได้แก่ Langmuir, Freundlich, Temkin และ Dubinin-Radushkevich พบว่าสีย้อมชนิด Rhoda mine B, Eriochrom black T และ Murexide มีกลไกการดูดซับแบบ pseudo-second order ซึ่งหมายถึง อัตราการเกิดกระบวนการดูดซับสีย้อมขึ้นอยู่กับพื้นที่ผิวจำเพาะ หรือ รูพรุนของวัสดุดูดซับที่ยังไม่ถูกครอบครอง และอัตราการคายซับสีย้อมแปรผันตรงกับกำลังสองของตำแหน่งที่ว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาของวัสดุดูดซับที่ไม่ถูกครอบครองนั่นเอง จากการศึกษาดังกล่าว สรุปได้ว่าเปลือกไข่เป็นวัสดุดูดซับทางชีวภาพที่มีประสิทธิภาพสูง และสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้จริง เมื่อมีการนำเปลือกไข่ไปเผาเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิว และรูพรุนในการดูดซับ (Borhade and Kale, 2017) นอกจากพื้นที่ผิวจำเพาะ และจำนวนรูพรุนของเปลือกไข่จะส่งผลต่อประสิทธิภาพในการดูดซับแล้ว โครงสร้างของเยื่อเมมเบรนในเปลือกไข่ยังพบว่ามีโครงสร้างเป็นเส้นใยโปรตีน (fibrous protein) ที่มีประจุบวกบริเวณพื้นผิว ซึ่งเกิดจากสายโซ่ของกรดอะมิโนชนิดอาร์จีนีน (arginine) และไลซีน (lysine) ทำให้สามารถใช้เปลือกไข่เป็นวัสดุดูดซับสีย้อมที่มีประจุลบ ซึ่งเป็นประจุตรงข้ามได้ประสิทธิภาพสูง เพราะใช้แรงดึงดูดทางไฟฟ้า (electrostatic attraction) ตรงข้ามกับสีย้อมชนิด basic dye ที่มีประจุบวกซึ่งเป็นประจุเดียวกับเปลือกไข่จะทำให้เกิดแรงผลักกันส่งผลให้มีประสิทธิภาพในการดูดซับลดลง (Calvalho et al., 2011)
แม้ว่าการศึกษาที่ผ่านมาจะมีการใช้เปลือกไข่มาใช้เป็นวัสดุดูดซับทางชีวภาพอย่างต่อเนื่อง แต่ประสิทธิภาพโดยรวมยังอยู่ในระดับปานกลาง เนื่องจากเปลือกไข่มีพื้นที่ผิวจำเพาะ และขนากรูพรุนที่น้อย ดังนั้นหากมีการศึกษาถึงการใช้วัสดุดูดซับที่ทำจากเปลือกไข่ โดยการดัดแปลงเชิงกล และเชิงเคมีให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจากขนาดไมโครเป็นนาโนจะเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพในการดูดซับได้ดีขึ้น (Hassan et al., 2014) การลดขนาดอนุภาคของแคลเซียมคาร์บอเนตซึ่งเป็นสาระสำคัญในเปลือกไข่สามารถทำได้หลายวิธี เช่น การบดเชิงกล โดยใช้ ball mill ซึ่งเป็นลูกกลิ้งจะสามารถทำให้แคลเซียมคาร์บอเนตมีขนาดอนุภาคลดลงในระดับนาโนเมตรได้ แต่ทั้งนี้ต้องระวังในเรื่องของการปนเปื้อนจากวัสดุที่ใช้ในขั้นตอนการบดย่อย เช่น ลูกกลิ้ง และวัสดุโครงสร้างของ ball mill ส่วนการลดขนาดอนุภาคของแคลเซียมคาร์บอเนตในเชิงเคมีสามารถทำได้โดยการเติมสารเคมีบางชนิดไปรีดิวซ์แคลเซียมคาร์บอเนตให้มีขนาดเล็กลงได้
มีการศึกษาการสังเคราะห์อนุภาคนาโนแคลเซียมคาร์บอเนตที่สังเคราะห์จากเปลือกหอย ด้วยกระบวนการเชิงกลและเชิงเคมีร่วมกัน พบว่าแคลเซียมคาร์บอเนตมีขนาดอนุภาคเท่ากับ 30 ? 5 นาโนเมตร โดยการเริ่มจากการบดย่อยเชิงกลซึ่งจะได้แคลเซียมคาร์บอเนตที่มีขนาดอนุภาคในระดับไมโครเมตร จากนั้นนำไปสังเคราะห์เป็นอนุภาคนาโนแคลเซียมคาร์บอเนต โดยใช้ dodecyl dimethyl betaine ซึ่งเป็นสารลดแรงตึงผิวชนิดแอมโฟเตอร์ริก (amphoteric surfactant) ที่มีทั้งประจุบวกและประจุลบเป็น dispersion agent ทำหน้าที่ควบคุมกระบวนการเกิดนิวคลีเอชัน (nucleation) ของอนุภาคแคลไซด์ จากผลการศึกษา พบว่าแคลเซียมคาร์บอเนตมีขนาดอนุภาคในระดับนาโนเมตร และมีหมู่ฟังชันที่ตำแหน่งเลขคลื่น 1794 cm-1 และ 2520 cm-1 ตรงกับหมู่เอไมด์ และคาร์บอกซิลิก ที่พบในโครงสร้างของเปลือกหอยนั่นเอง และเมื่อศึกษาลักษณะเฟส ด้วยเทคนิค X-ray diffractometry (XRD) พบว่าแคลเซียมคาร์บอเนตเป็นเฟสชนิด aragonite ซึ่งบ่งบอกได้ว่าวิธีการสังเคราะห์ดังกล่าวสามารถสังเคราะห์ผลึก aragonite ได้ 100 เปอร์เซ็นต์ นอกจากนี้เมื่อศึกษาธาตุองค์ประกอบที่พบด้วยเทคนิค Energy dispersive x-ray (EDX) ยังพบธาตุองค์ประกอบคื |
| ทฤษฎี สมมุติฐาน กรอบแนวความคิด : | ปัจจุบันปัญหามลพิษทางนํ า เป็นหนึ งในปัญหาสิ งแวดล้อมที สําคัญที หลายภาคส่วนหันมาให้ความร่วมมือในการหาแนวทางแก้ไขปัญหาแบบ ยั งยืน ซึ งปัญหามลพิษทางนํ าเกิดจากหน่วยงานย่อยที สุด คือ ประชาชนไม่ว่าเป็นครัวเรือน ชุมชน หรือในระดับใหญ่ ซึ งก็คือภาคอุตสาหกรรม ประเภทต่าง ๆ เช่น ภาคเกษตรกรรม และภาคอุตสาหกรรมเป็นต้น โดยนํ าทิ งเหล่านี จะมีลักษณะแตกต่างกันตามชนิดของผลิตภัณฑ์ หรือ กระบวนการผลิต และอื น ๆ โดยในงานวิจัยนี สนใจศึกษาปัญหามลพิษจากอุตสาหกรรมสิ งทอ เนื องจากอุตสาหกรรมดังกล่าว พบได้ทั งใน อุตสาหกรรมขนาดย่อม ซึ งจัดเป็นอุตสาหกรรมในครัวเรือน และอุตสาหกรรมในชุมชน หรืออุตสาหกรรมขนาดใหญ่ เช่น โรงงานสิ งทอ ซึ งนํ าทิ ง จากอุตสาหกรรมสิ งทอมีปริมาณมาก เพราะใช้ปริมาณนํ าเป็นตัวกลางในการผลิตทุกขั นตอน ไม่ว่าจะเป็นนํ าทิ งที ใช้ขั นตอนการฟอก ขั นตอนการ ย้อม และขั นตอนการล้าง ซึ งทุกกระบวนการจะเกิดนํ าทิ งที มีสีออกมาทั งสิ น สีย้อมไม่ว่าจะเป็นสีย้อมจากธรรมชาติ หรือสีย้อมสังเคราะห์นั นจะส่ง ผลกระทบต่อสิ งแวดล้อมอย่างชัดเจน แม้ว่าจะมีปริมาณความเข้มข้นในการใช้ที ตํ า อนุภาคของสีบางชนิดสามารถบดบังกระบวนการสังเคราะห์แสง ของพืชนํ าได้ ทําให้ส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศน์ในที สุด (Wu et al., 2020) สีย้อม (dye) คือ สารอินทรีย์หรือสารอนินทรีย์ที สามารถละลายในตัวทําละลายอินทรีย์หรือนํ าได้ โมเลกุลของสีย้อมเกิดจากการสร้างพันธะ กันของอะตอม ได้แก่ พันธะไฮโดรเจน พันธะไอออนิก พันธะ โคเวเลนต์ และแรงแวนเดอร์วาลส์ (Varghese et al., 2019) โดยกลไกการติด สีเกิดขึ นจากการสร้างพันธะ ไอออนิก หรือพันธะโควาเลนต์ระหว่างโมเลกุลสีย้อมกับโมเลกุลของเส้นใย ทําให้อิเล็กตรอนที อยู่ในโมเลกุลของสี ย้อมเกิดการดูดกลืนพลังงานในช่วงความยาวคลื นที ตามองเห็น (visible region) และเกิดสีที แตกต่างกันออกไปตามความยาวคลื นเฉพาะของสี ย้อมชนิดต่าง ๆ ซึ งส่งผลต่อการบําบัด เนื องจากต้องใช้วัสดุดูดซับที มีประสิทธิภาพสูง ที ผ่านมามีการศึกษาการดูดซับสีย้อมที ตกค้างในนํ าทิ งอย่างต่อเนื องโดยมีการศึกษา เช่น การดูดซับด้วยวัสดุดูดซับ (adsorption) วิธีการตก ตะกอน (coagulation) เทคโนโลยีการกรอง (membrane technology) เทคโนโลยีโอโซน (ozone technology) วิธีการแลกเปลี ยนไอออน (ion exchange) วิธีทางไฟฟ้าเคมี (electrochemical) และวิธีการกําจัดทางชีวภาพ (biological treatment) (Carvalho et al., 2011 ? Mohammadnezhad et al., 2018 ? Borhade and Kale, 2017 ? Varghese et al., 2018 ? Wu et al., 2020) โดยแต่ละเทคนิคมีทั งข้อดีและข้อ จํากัดที แตกต่างกัน เช่น เทคโนโลยีโอโซน แม้ว่าจะเป็นเทคโนโลยีที มีประสิทธิภาพสูงแต่มีข้อเสียคือ อาจเกิดโมเลกุลที มีความเป็นพิษเพิ มขึ น เพราะโมเลกุลของสีย้อมประกอบด้วยคลอรีน ดังนั นหากเกิดปฏิกิริยากับโอโซนในอัตราส่วนที ไม่เหมาะสมจะส่งผลต่อการแตกพันธะเคมีเกิด ผลิตภัณฑ์ใหม่ที มีพิษเพิ มขึ น หรือเทคโนโลยีการกรองที มีข้อเสียในเรื องต้นทุนการบําบัดสูง แม้ว่าจะสามารถบําบัดได้ในปริมาณมากก็ตาม ในขณะ ที เทคโนโลยีการตกตะกอนมีขั นตอนซับซ้อน เนื องจากต้องทําให้เกิดการตกตะกอนเป็นตะกอนวุ้น (flocculation) และต้องทําให้นํ าหลัง กระบวนการบําบัดมีค่า pH เป็นกลางก่อนปล่อยสู่สิ งแวดล้อม เทคนิคทางไฟฟ้าเคมี และเทคนิคการแลกเปลี ยนไอออน เป็นเทคนิคที ใช้ต้นทุนการ ผลิตสูง แต่มีประสิทธิภาพปานกลาง นอกจากนี วิธีการบําบัดนํ าเสียทางชีวภาพ โดยใช้จุลินทรีย์ในสภาวะที มีออกซิเจนต้องทําให้ผลิตภัณฑ์สุดท้าย ต้องเกิดเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และนํ า ซึ งต้องออกแบบระบบ และชนิดจุลินทรีย์ที มีความจําเพาะต่อสมบัติทางเคมีของสีย้อม ที ผ่านมาเทคนิค การดูดซับมีการนําไปใช้ทั งในอุตสาหกรรมขนาดเล็ก และอุตสาหกรรมขนาดกลาง ซึ งมีกลไกการทํางาน โดยใช้วัสดุดูดซับที มีรูพรุนเป็นจํานวน มาก เพื อดูดซับโมเลกุลของสีย้อม ซึ งสามารถนํากลับมาใช้ซํ าได้ แต่ยังมีข้อจํากัดในเรื องของต้นทุนที มีราคาสูง เนื องจากประสิทธิภาพในการดูด ซับจะขึ นอยู่กับพื นที ผิวจําเพาะของตัวดูดซับ โดยตัวดูดซับที นิยมใช้ คือ ถ่านกัมมันต์ ซึ งต้องผ่านกระบวนการเผาที อุณหภูมิสูง จึงมีพื นที ผิวจําเพาะ สูงนั นเอง ส่งผลให้ต้นทุนของตัวดูดซับชนิดนี มีราคาสูง ดังนั นหากมีการศึกษาการนําตัวดูดซับชนิดอื นมาใช้ทดแทนถ่านกัมมันต์ โดยเฉพาะอย่าง ยิ งวัสดุดังกล่าวควรมีต้นทุนตํ า ไม่เป็นพิษ และเป็นสิ งเหลือทิ ง จะเป็นการเพิ มมูลค่าให้กับวัสดุดังกล่าวได้ เปลือกไข่ เป็นหนึ งในวัสดุเหลือทิ งจากภาคอุตสาหกรรมอาหารที มีมากที สุด ซึ งเป็นวัสดุที มีศักยภาพสูง สําหรับการใช้ประโยชน์ ด้านการดูดซับสารมลพิษอินทรีย์ที ตกค้างในแหล่งนํ าทิ งไม่ว่าจะมาจากภาคอุตสาหกรรมสิ งทอ อุตสาหกรรมเกษตร หรือแม้แต่อุตสาหกรรมอาหาร ก็ตาม เนื องจากเปลือกไข่ประกอบด้วย แคลเซียมคาร์บอเนต ร้อยละ 94 แคลเซียมฟอสเฟต ร้อยละ 1 แมกนีเซียมคาร์บอเนต ร้อยละ 1 และสารประกอบอินทรีย์อื น ๆ ร้อยละ 4 (Mohammadnezhad et al., 2014 ? Huang et al., 2020) โดยเฉพาะอย่างยิ งเปลือกไข่จัดเป็น วัสดุไบโอเซรามิกธรรมชาติ (natural bio-ceramic) ที เกิดจากอันตรกิริยาระหว่างสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ในระดับนาโนสเกล ส่งผลต่อสมบัติ เชิงกลที มีคุณสมบัติเฉพาะตัวที สามารถนําไปเพิ มมูลค่าในการดูดซับสารมลพิษอินทรีย์ได้ (Hassan et al., 2013 ? Huang et al., 2020) ที ผ่านมามีการศึกษาการนําเปลือกไข่ไปดูดซับโลหะหนักชนิดต่าง ๆ เช่น Cu(II), Cr(III) (Chojnacka, 2005) หรือการใช้เป็นตัว ดูดซับไอออนลบ เช่น F (Bhaumik et al., 2011 ? Carvalho et al., 2011) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนั นยังพบว่า จากการที เปลือกไข่มี สมบัติเชิงกลที มีสัดส่วนองค์ประกอบทางเคมีที จําเพาะ ยังสามารถนําเปลือกไข่ไปประยุกต์ใช้เป็นฟิลเลอร์ (filler) ในวัสดุดูดซับที มีเมทริกซ์เป็น วัสดุพอลิเมอร์ได้เช่นกัน (Hassan et al., 2014) เปลือกไข่และเยื อด้านในสามารถนําไปใช้ดูดซับสีย้อมชนิดสีย้อมสังเคราะห์ได้ โดยพบว่า ประสิทธิภาพในการดูดซับขึ นอยู่กับพื นที ผิวจําเพาะ และค่าขีดความสามารถในการดูดซับ (adsorption capacity) ซึ งมีไอโซเทอมการดูดซับเป็น ไปตามความสามารถของแลงเมียร์ (Langmuir) และ ฟรุนดิช (Freundlic) ภายใต้สภาวะที เป็นเบส ซึ งมีผลจากปริมาณของคาร์บอเนต ซึ งเป็นองค์ ประกอบที สําคัญของเปลือกไข่ (Prammanpol and Nitayapat, 2006) นอกจากนี ยังพบว่ามีการศึกษาอุณหภูมิแคลไซด์ (calcide temperature) เพื อเพิ มพื นที ผิวและรูพรุนในการดูดซับ ส่งผลต่อกลไกและประสิทธิภาพในการดูดซับ โดยเมื อศึกษาไอโซเทอมในรูปแบบต่าง ๆ ได้แก่ Langmuir, Freundlich, Temkin และ Dubinin-Radushkevich พบว่าสีย้อมชนิด Rhoda mine B, Eriochrom black T และ Murexide มี กลไกการดูดซับแบบ pseudo-second order ซึ งหมายถึง อัตราการเกิดกระบวนการดูดซับสีย้อมขึ นอยู่กับพื นที ผิวจําเพาะ หรือ รูพรุนของวัสดุดูด ซับที ยังไม่ถูกครอบครอง และอัตราการคายซับสีย้อมแปรผันตรงกับกําลังสองของตําแหน่งที ว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาของวัสดุดูดซับที ไม่ถูกครอบครองนั นเอง จากการศึกษาดังกล่าว สรุปได้ว่าเปลือกไข่เป็นวัสดุดูดซับทางชีวภาพที มีประสิทธิภาพสูง และสามารถนําไปประยุกต์ใช้ได้ จริง (Borhade and Kale, 2017) นอกจากพื นที ผิวจําเพาะและจํานวนรูพรุนของเปลือกไข่จะส่งผลต่อประสิทธิภาพในการดูดซับแล้ว ยังพบว่าเยื อ เมมเบรนภายในเปลือกไข่มีโครงสร้างเป็นเส้นใยโปรตีน (fibrous protein) ที มีประจุบวกบริเวณพื นผิว ซึ งเกิดจากสายโซ่ของกรดอะมิโนชนิดอาร์จี นีน (arginine) และไลซีน (lysine) ทําให้สามารถใช้เปลือกไข่เป็นวัสดุดูดซับสีย้อมที มีประจุลบ ซึ งเป็นประจุตรงข้ามได้ประสิทธิภาพสูง เพราะใช้ แรงดึงดูดทางไฟฟ้า (electrostatic attraction) ตรงกันข้ามกับสีย้อมชนิด basic dye ที มีประจุบวก ซึ งเป็นประจุเดียวกับเปลือกไข่จะทําให้เกิดแรง ผลักกันส่งผลให้มีประสิทธิภาพในการดูดซับลดลง (Calvalho et al., 2011) แม้ว่าการศึกษาที ผ่านมาจะมีการใช้เปลือกไข่มาใช้เป็นวัสดุดูดซับทางชีวภาพอย่างต่อเนื อง แต่ประสิทธิภาพโดยรวมยังอยู่ในระดับปาน กลาง เนื องจากเปลือกไข่มีพื นที ผิวจําเพาะ และขนาดรูพรุนที น้อย ดังนั นหากมีการศึกษาถึงการใช้วัสดุดูดซับที ทําจากเปลือกไข่ โดยการดัดแปลง เชิงกล และเชิงเคมี ให้เกิดการเปลี ยนแปลงจากขนาดไมโครเมตรเป็นนาโนเมตรจะเป็นการเพิ มประสิทธิภาพในการดูดซับได้ดีขึ น (Hassan et al., 2014) การลดขนาดอนุภาคแคลเซียมคาร์บอเนตซึ งเป็นสารสําคัญในเปลือกไข่สามารถทําได้หลายวิธี เช่น การบดเชิงกล โดยใช้ลูกกลิ ง (ball mill) สามารถทําให้แคลเซียมคาร์บอเนตมีขนาดอนุภาคลดลงในระดับนาโนเมตรได้ แต่ทั งนี ต้องระวังในเรื องของการปนเปื อนจากวัสดุที ใช้ในขั น ตอนการบดย่อย เช่น ลูกกลิ ง และวัสดุโครงสร้างภายในอุปกรณ์การบดย่อย ส่วนการลดขนาดอนุภาคของแคลเซียมคาร์บอเนตในเชิงเคมีสามารถ ทําได้โดยการเติมสารเคมีบางชนิดไปรีดิวซ์แคลเซียมคาร์บอเนตให้มีขนาดเล็กลงได้ ส่วนการดัดแปลงวัสดุชีวภาพด้วยความร้อนเพื อให้โครงสร้าง ของแคลเซียมไฮดรอกไซด์เกิดการจัดเรียงตัวใหม่ ซึ งจะส่งผลต่อประสิทธิภาพต่อการดูดซับเพิ มขึ นเพราะมีพื นที ผิวจําเพาะในการดูดซับเพิ มขึ น มีการศึกษาการสังเคราะห์อนุภาคนาโนแคลเซียมคาร์บอเนตที สังเคราะห์จากเปลือกหอย ด้วยกระบวนการเชิงกลและเชิงเคมีร่วมกัน พบว่าแคลเซียมคาร์บอเนตมีขนาดอนุภาคเท่ากับ 30 นาโนเมตร โดยการเริ มจากการบดย่อยเชิงกลซึ งจะได้แคลเซียมคาร์บอเนตที มีขนาดอนุภาค ในระดับไมโครเมตร จากนั นนําไปสังเคราะห์เป็นอนุภาคนาโนแคลเซียมคาร์บอเนต โดยใช้ dodecyl dime |
| วิธีการดำเนินการวิจัย และสถานที่ทำการทดลอง/เก็บข้อมูล : | 1. ทบทวนเอกสารที่เกี่ยวข้องกับการบำบัดน้ำเสียด้วยเทคโนโลยีต่าง ๆ วัสดุดูดซับทางชีวภาพ และวิธีการสังเคราะห์วัสดุชีวภาพให้อยู่ในระดับนาโนเมตร
2. วางแผนการทดลอง โดยศึกษาวิธีการเตรียมแคลเซียมคาร์บอเนตจากเปลือกไข่ และศึกษาวิธีการสังเคราะห์อนุภาคนาโนแคลเซียมคาร์บอเนตจากเปลือกไข่ด้วยกระบวนการดัดแปลงทางความร้อนร่วมกับวิธีทางเคมี โดยดัดแปลงจากวิธีของ Hassan และคณะ 2014 เพื่อให้ได้ตัวดูดซับที่มีรูพรุนและพื้นที่ผิวจำเพาะในการดูดซับเพิ่มขึ้นจากวิธีแบบดั้งเดิมที่สังเคราะห์โดยวิธีทางกลด้วยการใช้ลูกกลิ้ง (Ball mill)
3. ศึกษาสมบัติเฉพาะของเปลือกไข่ โดยศึกษาขนาดอนุภาคของตัวดูดซับด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตอนแบบส่องกราด (Scanning electron microscope ; TEM) ศึกษาสัณฐานวิทยาของตัวดูดซับด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (Transmission electron microscope ; SEM), ศึกษาพื้นที่ผิวจำเพาะในการเกิดปฏิกิริยาด้วยเครื่องวัดพื้นที่ผิวและความเป็นรูพรุน (Surface and porosity analyzer ; BET), ศึกษาลักษณะเฟสของตัวดูดซับด้วยเครื่องวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์ (X-ray diffractometer ; XRD) และ ศึกษาหมู่ฟังก์ชันของตัวดูดซับเครื่องวิเคราะห์สารโดยใช้แสงอินฟราเรด (Fourier transform infrared spectrometer ; FT-IR)
4. ศึกษาประสิทธิภาพการดูดซับ โดยการศึกษาตัวแปรต่าง ๆ ได้แก่ ปริมาณตัวดูดซับ ระยะเวลาในการดูดซับ กลไกการดูดซับ การนำมาใช้ซ้ำ และประสิทธิภาพในการดูดซับจากน้ำเสียสังเคราะห์ที่ใช้สารมาตรฐานสีย้อมที่ทราบความเข้มข้นที่แน่นอน ในการหาสภาวะที่เหมาะสม ก่อนนำไปบำบัดน้ำเสียจากพื้นที่ทดลองที่มีการใช้สีย้อมในการย้อมสิ่งทอ |
| คำอธิบายโครงการวิจัย (อย่างย่อ) : | งานวิจัยนี้เป็นการนำเปลือกไข่ซึ่งเป็นสิ่งเหลือทิ่งจากภาคอุตสาหกรรมอาหารมาใช้เพิ่มมูลค่าเป็นวัสดุดูดซับชีวภาพในการบำบัดน้ำทิ้งจากอุตสาหกรรมสิ่งทอ โดยใช้วิธีการสังเคราะห์ทางเคมีเพื่อให้วัสดุชีวภาพมีขนาดเล็กลงเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวจำเพาะในการดูดซับ โดยมีการศึกษาปัจจัยที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพในการดูดซับต่าง ๆ รวมถึงการทดลองโดยการใช้แสงจากดวงอาทิตย์เพื่อเป็นการพัฒนา ต่อยอดที่ยั่งยืนต่อไป |
| จำนวนเข้าชมโครงการ : | 320 ครั้ง |