นักวิจัยนาโนเทค คิดค้น “เชื้อเพลิงชีวภาพ” พลังงานทางเลือกใหม่ของอุตฯไทย

นักวิทยาศาสตร์รุ่นใหม่จากนาโนเทค พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาหลายฟังก์ชันระดับนาโนเมตร ผลิต “เชื้อเพลิงชีวภาพ” ที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม เพื่อเป็นทางเลือกใหม่

จากแนวความคิดที่ว่าอุตสาหกรรมด้านพลังงานทดแทน ปิโตรเคมี และเคมีชีวภาพ มีความสำคัญยิ่งต่อการพัฒนาประเทศ งานวิจัยพัฒนาด้านวิศวกรรมเคมีและเคมีประยุกต์ โดยเฉพาะตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งเป็นหัวใจสำคัญ คือโจทย์ที่ ดร.ขจรศักดิ์ เฟื่องนวกิจ หนึ่งในนักวิทยาศาสตร์รุ่นใหม่ประจำปี 2554 จากศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) ให้ความสำคัญ โดยตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีโครงสร้างระดับนาโนเมตรที่พัฒนาขึ้นสามารถแสดงสมบัติพิเศษที่ดีกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาทั่วไปโดยการควบคุมฟังก์ชันการทำงานได้หลากหลายรูปแบบ (Multifunctional Nanocatalyst) พร้อมๆ กับการออกแบบระบบการใช้งานตัวเร่งปฏิกิริยาในถังปฏิกรณ์ชนิดต่างๆ เพื่อผลิตเป็น “เชื้อเพลิงชีวภาพ” และสารเคมีพื้นฐานที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

ดร.ขจรศักดิ์ กล่าวว่า ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ตนทำการศึกษาและพัฒนาขึ้นนั้นมีหลายชนิด เช่น Spinel oxides, Mixed alkaline earth oxides, Alumina และ Zeolites รวมถึงคอมโพสิทของตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้ เพื่อให้มีฟังก์ชันความเป็นโลหะ กรด และเบส รวมถึงการมีขนาดและรูปร่างของอนุภาคและรูพรุนที่เหมาะสม โดยเน้นประยุกต์ใช้กับการผลิตไบโอดีเซล ดีเซลสังเคราะห์ แอลกอฮอล์ ไฮโดรเจน และสารเคมีพื้นฐาน เพื่อใช้ทดแทนตัวเร่งปฏิกิริยาเอกพันธ์ (Homogeneous Catalyst) ที่ใช้กันอยู่ทั่วไปซึ่งมักก่อให้เกิดปัญหาด้านสิ่งแวดล้อม และไม่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้

“หลักการผลิตพลังงาน โดยเฉพาะจากวัตถุดิบชีวภาพ คือการเปลี่ยนรูปวัตถุดิบตั้งต้นให้อยู่ในรูปพลังงานที่พร้อมใช้งาน อาจอยู่ในรูปแบบความร้อน ไฟฟ้า หรือการกักเก็บพลังงานในรูปเชื้อเพลิงเหลวเพื่อใช้ในเครื่องยนต์ ซึ่งกระบวนการทั้งหมดต้องผ่านขั้นตอนกรรมวิธีทางเคมี และหน่วยปฏิบัติการที่ใช้ต้องมีประสิทธิภาพสูง เพื่อลดการสิ้นเปลืองพลังงานและการเกิดของเสีย การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีโครงสร้างระดับนาโนเมตรร่วมกับการออกแบบระบบการใช้งานที่เหมาะสม จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและลดค่าใช้จ่ายในกระบวนผลิต”

ดร.ขจรศักดิ์ กล่าวต่อว่า งานวิจัยที่ทำอยู่มี 2 ส่วนคือ 1) ด้านวิศวกรรมเคมี (Chemical Engineering) โดยที่ทีมวิจัยจะออกแบบทั้งตัวอุปกรณ์และกระบวนการที่เหมาะสมที่สุดกับลักษณะสารตั้งต้นที่ใช้และผลผลิตที่ต้องการ เริ่มตั้งแต่กระบวนการเตรียมสารตั้งต้นให้เหมาะสมกับการทำปฏิกิริยา

หลังจากนั้นจะนำสารเข้าไปในตัวถังปฏิกรณ์หลัก ซึ่งจะมีการออกแบบและศึกษาสภาวะการดำเนินการที่เหมาะสม ผลผลิตที่ได้จะผ่านกระบวนการคัดแยกเพื่อให้ได้ผลผลิตหลักที่มีความบริสุทธิสูงพร้อมใช้งาน และ 2) การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาหลายฟังก์ชันที่มีโครงสร้างระดับนาโนเมตร (Multifunctional Nanocatalyst) โดยปกติอุตสาหกรรมการผลิตไบโอดีเซล ดีเซลสังเคราะห์ และสารเคมีพื้นฐานต่างๆจะใช้ระบบตัวเร่งปฏิกิริยาแบบเอกพันธ์ (Homogeneous Catalyst) ซึ่งมักก่อให้เกิดปัญหาด้านสิ่งแวดล้อม

ข้อดีของตัวเร่งปฏิกิริยานาโนแบบวิวิธพันธุ์ (Heterogeneous Catalyst) ที่พัฒนาขึ้นโดยการควบคุมฟังก์ชันความเป็นโลหะ กรด และเบส รวมถึงมีขนาดและรูปร่างของอนุภาคและรูพรุนที่เหมาะสม คือ สามารถเร่งปฏิกิริยาให้เกิดผลผลิตที่ดีและมีคุณภาพสูง การที่ตัวเร่งปฏิกิริยามีหลายฟังก์ชันการทำงานสามารถรองรับสารตั้งต้นที่เป็นของผสมหลายชนิดและยังสามารถทำงานในปฏิกิริยาที่ซับซ้อนได้ดี

พร้อมกันนี้ยังมีข้อดีที่สามารถแยกออกจากผลิตภัณฑ์ที่ต้องการได้ง่าย สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

ดร.ขจรศักดิ์ กล่าวต่อว่า แม้งานวิจัยนี้จะยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่ทีมวิจัยได้ร่วมกันพัฒนาโครงการกับบริษัทเอกชนหลายแห่ง รวมทั้งร่วมวิจัยกับอาจารย์จากหลายสถาบัน อาทิ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย และ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี ขณะเดียวกันในส่วนของบทบาทการสร้างความร่วมมือระหว่างประเทศ ทีมวิจัยมีความร่วมมือกับหลายสถาบัน ได้แก่ สถาบันวิจัย RIKEN มหาวิทยาลัยเกียวโต มหาวิทยาลัยโตเกียว มหาวิยาลัยเฮียวโกะ ประเทศญี่ปุ่น เป็นต้น

สำหรับการพัฒนาต่อยอดงานวิจัยต่อไปในอนาคต ทีมวิจัยจะเน้นทำโจทย์วิจัยจากโรงงาน ซึ่งจะเป็นงานวิจัยประยุกต์เพื่อใช้งานจริง ควบคู่กับการวิจัยพื้นฐานในห้องปฏิบัติการเพื่อให้เกิดองค์ความรู้ใหม่ๆและความเชี่ยวชาญในเชิงลึกในการผลิตผลงานวิจัยคุณภาพสูงในระดับสากลทั้งในรูปแบบงานตีพิมพ์และสิทธิบัตรและสามารถใช้งานได้จริงด้วย

ดร.ขจรศักดิ์ กล่าวทิ้งท้ายว่า งานวิจัยด้านพลังงานทดแทนได้รับความนิยมอย่างมากในประเทศไทย โดยเฉพาะเชื้อเพลิงชีวภาพ ซึ่งมีความเหมาะสมกับประเทศของเรา หากมีหน่วยงานทั้งภาครัฐและเอกชนสนับสนุนงบประมาณการทำวิจัยอย่างจริงจังและผลักดันให้เกิดการทดลองการใช้งานจริง ก็จะทำให้งานวิจัยเกิดผลกระทบอย่างเป็นรูปธรรมมากขึ้น และเนื่องจากการผลักดันให้งานวิจัยเกิดขึ้นในภาคการผลิตหรือภาคอุตสาหกรรมจริงจะต้องอาศัยผู้เชี่ยวชาญจากหลายสาขาจึงต้องการการร่วมมือกันอย่างจริงจังจากหลายภาคส่วนร่วมกัน