Embed Size (px)
Citation preview
ประสิทธิภาพของตัวรับแสงเชิงเรขาคณิตต่อการย่อยสลายเมทลีินบลูเพื่อประยุกต์กับเครื่องโฟโตแคตาไลติกต้นแบบ (Efficiency of Geometric Light Collector on Methylene Blue Degradation for Applying with
Photocatalytic Reactor Prototype)
จิราภรณ์ ศรีสมบัติ1 นาตยา จันดาคูณ1 คัชรินทร์ เวชชากุล1*
1สาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยราชภัฏอุบลราชธานี, อ าเภอเมือง, จังหวัดอุบลราชธานี, 34000 *Corresponding author. E-mail address: [email protected]
บทคัดย่อ การวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษากระบวนการโฟโตแคตาไลติกในการย่อยสลายสารอินทรีย์ในน้้าและศึกษาประสิทธิภาพของตัวรับแสงเชิงเรขาคณิตต่อการย่อยสลายเมทิลีนบลูเพื่อประยุกต์ใช้กับเครื่องโฟโตแคตาไลติกต้นแบบ ในการทดลองได้ทดสอบอัตราการย่อยสลายของสารอินทรีย์ต้นแบบ (เมทิลีนบลู) ด้วยกระบวนการโฟโตแคตาไลติกโดยใช้ไทเทเนียมไดออกไซด์ พี 25 เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา โดยมีเงื่อนไขในการทดลอง ดังนี้ 1. เปลี่ยนรูปทรงตัวรับแสง (พาราโบลาเดี่ยว และพาราโบลาผสม) โดยมีตัวสะท้อนแสงรูปทรงพาราโบลา 2. เปลี่ยนรูปทรงตัวรับแสง (พาราโบลาเดี่ยว และพาราโบลาผสม) โดยไม่มีตัวสะท้อนรูปทรงแสงพาราโบลา 3. เปลี่ยนอัตราการไหลของสารละลาย (90 รอบต่อนาที 120 รอบต่อนาที และ 150 รอบต่อนาที) โดยมีตัวแปรควบคุมคือ ความเข้มข้นของไทเทเนียมไดออกไซด์ 0.5 กรัมต่อลิตร ความเข้มข้นของเมทิลีนบลู 17 มิลลิกรัมต่อลิตร แหล่งก้าเนิดแสง หลอด ยูวีเอ 10 วัตต์ และระยะห่างระหว่างหลอดไฟกับหลอดปฏิกิริยา 16 เซ็นติเมตร ซึ่งผลการทดลองพบว่าตัวรับแสงเชิงเรขาคณิตแบบพาราโบลาเดี่ยวมีประสิทธิภาพสามารถย่อยสลายเมทิลีนบลูได้ดีกว่าตัวรับแสงแบบพาราโบลาผสม 1.08 เท่า ในกรณีที่มีตัวสะท้อนแสงพาราโบลา และตัวรับแสงแบบพาราโบลาผสมมีประสิทธิภาพสามารถย่อยสลายเมทิลีนบลูได้ดีกว่าตัวรับแสงแบบพาราโบลาเดี่ยว 1.93 เท่า ในกรณีที่ไม่มีตัวสะท้อนแสงพาราโบลา เมื่อทดสอบอัตราการไหลผ่านแสงของเมทิลินบลูที่ 90 รอบต่อนาที 120 รอบต่อนาที และ 150 รอบต่อนาที พบว่าที่อัตราไหล 150 รอบต่อนาที สามารถย่อยสลายได้ดีกว่า 90 รอบต่อนาที และ 120 รอบต่อนาที เพียงเล็กน้อย
บทน า ในปัจจุบันนี้สีสังเคราะห์ได้ถูกสังเคราะห์ขึ้นกันอย่างแพร่หลายเพื่อใช้ในการย้อมสีในอุตสาหกรรมสิ่งทอ อุตสาหกรรมการฟอกย้อมสิ่งทอเป็นอุตสาหกรรมที่มีความจ้าเป็นต้องใช้สารเคมีและสีย้อมชนิดต่างๆในกระบวนการผลิตเป็นจ้านวนมาก เนื่องจากต้องท้าให้ผลิตภัณฑ์มีความทันสมัยอยู่เสมอ ดังนั้นน้้าทิ้งจากโรงงานเหล่านี้จึงมีปริมาณสารปนเปื้อนและสีย้อมสูงท้าให้มีผลกระทบต่อระบบนิเวศในน้้าท้าให้น้้าเน่าเสีย ส่งผลต่อสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ในน้้าจึงท้าให้สภาพสิ่งแวดล้อมต่างๆนั้นเสื่อมโทรมตามไปด้วยในปัจจุบันได้มีการน้าวิธีการบ้าบัดน้้าเสียหลากหลายวิธีมาบ้าบัดทางกายภาพ ทางเคมี ทางชีวภาพ กระบวนการบ้าบัดน้าเสียโดยทั่วไปนิยมใช้กระบวนการทางฟิสิกส์และเคมี เช่น การดูดซับด้วยถ่านกัมมันต์ การ
ตกตะกอนด้วยสารเคมี และการใช้เยื่อเลือกผ่าน กระบวนการเหล่านี้ไม่ได้เป็นการท้าลายโมเลกุลสีย้อมในน้้า แต่เป็นเพียงการแยกโมเลกุลสีย้อมออกจากน้้าเท่านั้นซึ่งอาจจะมีหลงเหลืออยู่ได้ ส่วนกระบวนการบ้าบัดน้้าเสียทางชีววิทยานั้นสามารถลดปริมาณสารอินทรีย์ในแหล่งน้้าได้แต่กระบวนการนี้ขึ้นอยู่กับสภาวะแวดล้อมต่อการทางานของจุลินทรีย์ด้วยซึ่งท้าได้อยาก อีกทั้งยังต้องเลือกชนิดและปริมาณของจุลินทรีย์ให้เหมาะสม กระบวนการนี้จึงมีต้นทุนในการบ้าบัดค่อนข้างสูง การบ้าบัดน้้าเสียจากสีย้อมสามารถท้าได้หลายวิธี กระบวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงเป็นวิธีหนึ่งที่น่าสนใจ มีต้นทุนต่้า และยังเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม เนื่องจากสามารถเปลี่ยนสารอินทรีย์ที่เป็นพิษให้กลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้้าซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์สุดท้ายของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง
วัตถุประสงค์ของงานวิจัย ในการวิจัยครั้งนี้ ผู้วิจัยได้ตั้งวัตถุประสงค์ไว้ดังนี ้1. ศึกษากระบวนการโฟโตแคตาไลติกในการยอ่ยสลายสารอินทรยี์ในน้า้ 2. เพื่อศึกษาประสิทธิภาพของตัวรับแสงเชิงเรขาคณิตต่อการย่อยสลายเมทลีินบลเูพือ่ประยุกต์กับเครื่องโฟโตแคตาไลติกต้นแบบ
ขอบเขตของงานวิจัย ในการวิจัยครั้งนี้ ผู้วิจัยได้ก้าหนดขอบเขตของงานวิจัยไว้ดังนี ้1. ประดิษฐ์ตัวรับแสงเชิงเรขาคณิตในการประยุกต์ใช้กับเครื่องปฏิกรณ์แบบใช้แสง 2. ทดสอบอัตราการย่อยสลายของสารอินทรียต์้นแบบ (เมทิลีนบลู) ด้วยกระบวนการโฟโตแคตาไลติก โดยใช้เดกุซา พี25 เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
วิธีการทดลอง 1. เตรียมสารละลายเมทลิีนบลูปรมิาณ 250 ml ความเข้มข้น 17 mg/l 2. เก็บตัวอย่างเติมสารแคตาลิสต์ (TiO2) ความเข้มข้น 0.5 g/l 3. คนในเครื่องกวนสาร 30 นาที ภายใต้ความมืด 4. น้าสารทีไ่ด้ต่อกับเครื่องโฟโตแคตาไลติก 5. เปิดไฟในเครื่องโฟโตแคตาไลติก เริ่มจับเวลา 6. เก็บตัวอย่างที่เวลาผ่านไป 0, 15, 30, 60, 90, 120, 150, 180, 210 และ 240 นาที 7. น้าตัวอย่างที่ได้ไปแกว่งในเครื่องป่ันเหวี่ยง 5 นาที ท้าซ้้าอีกครั้ง 8. น้าตัวอย่างที่ได้ไปทดสอบในเครือ่ง UV - Visible Spectrophotometer
ผลการทดลอง
0 50 100 150 200 250
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
Parabola Collector
Compound Parabola Collector
Linear Fit of Parabola Collector
Linear Fit of Compound Parabola Collector
ln(C
/C0)
Time to decompose (min)
Equation y = a + b*x
Adj. R-Square 0.99631 0.99553
Value Standard Er
Parabola Collector Intercept 0 --
Parabola Collector Slope -0.00376 7.22521E-5
Compound Parabol
a Collector
Intercept 0 --
Compound Parabol
a Collector
Slope -0.00346 7.32373E-5
0 50 100 150 200 250
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
Parabola Collector
Compound Parabola Collector
Linear Fit of Parabola Collector
Linear Fit of Compound Parabola Collector
ln(C
/C0)
Time to decompose (min)
Equation y = a + b*x
Adj. R-Square 0.99375 0.99195
Value Standard Err
Parabola Collector
Intercept 0 --
Parabola Collector
Slope -0.00128 3.19773E-5
Compound Parabola Collector
Intercept 0 --
Compound Parabola Collector
Slope -0.00247 7.02476E-5
กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างเวลาในการย่อยสลายและ ln(C/C0)
0 50 100 150 200 250
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
90 rpm
120 rpm
150 rpm
Linear Fit of 90 rpm
Linear Fit of 120 rpm
Linear Fit of 150 rpm
ln(C
/C0)
Time to decompose (min)
Equation y = a + b*x
Adj. R-Squa 0.99486 0.99195 0.99227
Value Standard Er
90 rpm Intercept 0 --
90 rpm Slope -0.0027 6.33013E-5
120 rpm Intercept 0 --
120 rpm Slope -0.0024 7.02476E-5
150 rpm Intercept 0 --
150 rpm Slope -0.0028 8.00168E-5
0 50 100 150 200 250
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
First Test
Second test
Linear Fit of First Test
Linear Fit of Second test
ln(C
/C0)
Time to decompose (min)
Equation y = a + b*x
Adj. R-Sq 0.9919 0.990
Value Standard
First Test Interce 0 --
First Test Slope -0.002 7.02476E
Second t Interce 0 --
Second t Slope -0.002 8.39324E
สรุปผลการทดลอง จากการศึกษากระบวนการโฟโตแคตาไลติกในเทเนียมไดออกไซด์ในการบ้าบัดน้้าเสียโดยใช้แสงอาทิตย์ในการท้าลายสารปนเปื้อนที่เป็นอันตรายในน้้า ซึ่งการออกแบบและพัฒนาตัวรับแสงแบบ parabola และ compound parabola ซึ่งรูปทรงทางเรขาคณิตก็เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่ส้าคัญในการศึกษาทดลองการย่อยสลายสีย้อมเมทิลินบลูเพื่อประยุกต์กับเครื่องโฟโตแคตาไล -ติกต้นแบบ เพื่อให้การสลายเป็นไปอย่างรวดเร็วและได้ผลดีมากยิ่งขึ้น ผลการทดลองพบว่าตัวรับแสงเชิงเรขาคณิตที่เราท้าการทดลองทั้ง 2 แบบนั้น เมื่อเราก้าหนดทิศทางของแสง จะพบว่าตัวรับแสงแบบ parabola จะสามารถย่อยสลายเมทิลีนบลูได้ดีกว่าตัวรับแสง compound parabola แต่ถ้าเราไม่ก้าหนดทิศทางของแสง จะพบว่าตัวรับแสงแบบ compound parabola สามารถย่อยสลายเมทิลีนบลูได้ดีกว่าตัวรับแสงแบบ parabola และเมื่อเปรียบเทียบอัตราการไหลของเมทิลินบลูที่ 90 rpm, 120 rpm และ 150 rpm เราจะพบว่าที่อัตราไหล 150 rpm สามารถย่อยสลายกว่า 90 rpm และ 120 rpm เพียงเล็กน้อย
ภาพที่ 1 กราฟเปรียบเทียบตัวรับแสงแบบ parabola และแบบ compound parabola กรณีที่มีตัวสะท้อนแสง
ภาพที่ 2 กราฟเปรียบเทียบตัวรับแสงแบบ parabola และแบบ compound parabola กรณีที่ไม่มีตัวสะท้อนแสง
ภาพที่ 3 กราฟเปรียบเทียบอัตราการไหลที ่90 rpm, 120 rpm และ 150 rpm
ภาพที่ 5 กราฟการทดลองซ้้าที่อัตราการไหล 120 rpm
แนวคิดทฤษฎี ไทเทเนียมไดออกไซด์ (นวพันธ์ ขยันกิจ : ออนไลน)์ ไทเทเนียมไดออกไซด์ (titanium dioxide) เป็นสารประกอบออกไซด์ของโลหะแทรนซิชัน มีสูตรโมเลกุลทั่วไปคือ TiO2 ในธรรมชาติจะอยู่ในรูปของแร่รูไทล์ (rutile) อิลเมไนต์ (Ilmenite) หรือแร่ลูโคซีน (Leuxocene) ซึ่งเป็นแร่สีด้าชนิดหนึ่งที่มีองค์ประกอบหลักเป็นไอรอนไทเทเนต (FeTiO3) โดย 93-96 เปอร์เซ็นต์ ของรูไทล์ประกอบด้วยไทเทเนียมไดออกไซด์ อิลเมไนต์ประกอบด้วยไทเทเนียมไดออกไซด์ 44-70 เปอร์เซ็นต์ และลูโคซีนอาจมีไทเทเนียมไดออกไซด์อยู่มากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์ (สุนิษา บุบผาถา, 2556) ไทเทเนียมไดออกไซด์ที่มีอนุภาคในระดับนาโนเมตรจะมีพื้นผิวจ้าเพาะมากซึ่งเป็นข้อดีในการน้าไปใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเนื่องจากสารประกอบอินทรีย์ที่เป็นมลพิษในน้้าจะดูดซับบนบริเวณพื้นผิวของไทเทเนียมไดออกไซด์ได้ในปริมาณมากท้าให้เกิดกระบวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงได้ ดีกว่าไทเทเนียมไดออกไซด์ที่มีพื้นที่ผิวจ้าเพาะต่้า และองค์ประกอบของเฟสก็เป็นส่วนที่ส้าคัญอีกประการหนึ่งที่ทาให้เกิดความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาได้ดีขึ้น ไทเทเนียมไดออกไซด์มีโครงสร้ างหลักๆ 3 โครงสร้าง ได้แก่ รูไทล์ (rutile) อะนาเทส (Anatase) และบรุคไคท์ (Brookite) (สุนิษา บุบผาถา, 2556) โดยที่เฟสอะนาเทส และรูไทล์จะมีโครงสร้างแบบเททระกอนอล ส่วนบรุ๊คไคท์จะมีโครงสร้างผลึกแบบออร์โทรอมบิก โดยทุกโครงสร้างประกอบขึ้นจากหน่วยพื้นฐานรูปทรงแปดหน้า อะตอมไทเทเนียม หนึ่งอะตอมถูกล้อมรอบด้วยอะตอมออกซิเจน หกอะตอม แต่ละรูปแบบโครงสร้างขึ้นอยู่กับการบิดเบี้ยวของการจัดเรียงรูปทรงแปดหน้าบริเวณขอบ มุม และหน้า ดังแสดงในภาพ (นัดดา เวชชากุล, 2012)
ภาพที่ 1 แสดงโครงสร้างผลึกแบบ (ก) อะนาเทส (Anatase) (ข) รูไทล์ (Rutile) และ (ค) บรุคไคท์ (Brookite) โฟโตแคตาไลซิส (Photocatalysis) (อดิศร จ าตุรพิรีย,์ 2549) กระบวนการโฟโตแคตาไลติก (Photo catalytic process) เป็นการเร่งปฏิกิริยาโดยใช้ตัวแคตาลิสต์ ซึ่งสามารถท้าหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ โดยกระตุ้นด้วยแสง ตัวแคตาลิสต์นี้จะท้าหน้าที่ลดพลังงานการกระตุ้นของปฏิกิริยาหลักการท้างานของกระบวนการโฟโตแคตาไลติกออกซิเดชัน (Photo catalytic oxidation) คือ การให้พลังงานแสงเข้าไปในระบบเพื่อเอาชนะค่าแถบพลังงาน(Energy band gap) ซึ่งเป็นค่าของความแตกต่างระหว่างการทางานของแถบนาไฟฟ้า (Conduction band ) กับแถบพลังงานที่เต็มแล้ว (Valence band ) ซึ่งเมื่อพลังงานแสงที่ให้แก่ระบบมากกว่า แถบพลังงาน (Energy band gap) แล้วมีการสร้างอิเล็กตรอนที่มีประจุ (Electron hole pairs) ที่ผิวของสารกึ่งตัวน้า (Semiconductor) ซึ่งกระบวนการนี้เรียกว่ากระบวนการโฟโตแคตาไลติกออกซิเดชัน ส้าหรับกระบวนการโฟโตแคตาไลติกออกซิเดชัน แสงที่ให้แก่ระบบมักเป็นแสงอัลตราไวโอเลต พื้นฐานของกระบวนการโฟโตแคตาไลติกประกอบด้วยการปล่อยอิเล็กตรอนจากแถบวาเลนซ์ (VB) ไปยังแถบไฟฟ้า (CB) ของสารกึ่งตัวน้า (TiO2) และการสร้างโฮล ในแถบวาเลนซ์ (Valence Band) เพราะว่ารังสีอัลตราไวโอเลต มีพลังงานเท่ากับหรือมากกว่าแถบพลังงาน (Band gap > 3.2 eV) กระบวนการนี้จึงสามารถถูกใช้ในการท้าลายมวลสารได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส้าหรับปรากฎการณ์ของกระบวนการที่เกิดขึ้นจากมีการส่องแสงลงบนสารกึ่งตัวน้าท้าให้เกิดตัวพาประจุอิสระอิเล็กตรอน และโฮล โดยประจุที่เกิดขึ้นนี้มีผลท้าให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน และรีดักชันในสารละลาย
เอกสารอ้างอิง 1. นวพันธ์ ขยันกิจ, อนุภาคนาโนไทเทเนยีมไดออกไซด์และการประยุกต์ใช้งาน วิทยาลัยนาโนเทคโนโลยีพระจอมเกล้าลาดกระบัง;สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง (KMITL) 2. นัดดา เวชชากุล, การกาจัดสารอินทรีย์ในน้าด้วยตัวเร่งปฏกิิริยานาโนไทเทเนยีมไดออกไซด์ ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร ์คณะวิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, Technology Energy & Environment February-March 2012, Vol.38 No.221 3. สุนิษา บุบผาถา, ศึกษาปัจจัยที่มีผลต่อการย่อยสลายสีย้อมเมทิลออเรนจ์ด้วยกระบวนการเรง่ปฏิกิริยาด้วยแสง โดยใช้เดกุสซา พ2ี5 เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา วิทยาศาสตร์บัณฑิต สาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวิยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยราชภัฏอุบลราชธาน,ี 2556 4. อดิศร จตุรพิรีย์, การสลายตัวโฟโตแคตาไลติกของสารประกอบคลอโรฟีนอลโดยใช้ถังปฏิกิริยาแบบเททีม่ีการหมุนเวียน, วิทยานิพนธ์ปริญญาวิศวกรรมศาสตรม์หาบัณฑิต, สาขาวิชาวิศวกรรมสิ่งแวดล้อม, มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, 2549.
กิตติกรรมประกาศ งานวิจัยเล่มนี้ส้าเร็จลุล่วงได้ดีด้วยความกรุณาและความช่วยเหลืออย่างดีจาก คณะวิทยาศาสตร์ สาขาวิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยราชภัฏอุบลราชธานี ที่เอื้อเฟื้อสถานที่เพื่อด้าเนินการทดลองงานวิจัยและเครื่องมือส้าหรับผลการวิจัยต่างๆ ขอขอบพระคุณ ดร.คัชรินทร์ เวชชากุล ที่กรุณาเป็นที่ปรึกษางานวิจัยพร้อมทั้งถ่ายทอดความรู้ แนวคิด ทฤษฎีต่างๆที่เกี่ยวข้อง ให้ค้าแนะน้า และจัดหาวัสดุอุปกรณ์ในการทดลอง และคณาจารย์สาขาวิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยราชภัฏอุบลราชธานี ที่ให้การสนับสนุน และให้ค้าแนะน้าตลอดระยะเวลาในการปฏิบัติงานจนกระทั่งท้าให้งานวิจัยส้าเร็จลุล่วงได้ด้วยดี ข้าพเจ้าจึงใคร่ขอขอบคุณเป็นอย่างสูงไว้ ณ โอกาสนี้ ขอขอบคุณทุกๆ คนในครอบครัวของข้าพเจ้า และเพื่อนทุกคน ที่มีคว ามห่วงใย ให้การสนับสนุนและคอยช่วยเหลือให้ก้าลังใจที่ดีจนท้าใหว้ิจัยนี้ส้าเร็จได้ด้วยด ี ท้ายที่สุดนี้ หากมีสิ่งใดขาดตกบกพร่อง หรือผิดพลาดประการใดผู้เขียนขออภัยอย่างสูงในข้อบกพร่องและข้อผิดพลาดนั้น ผู้เขียนหวังว่างานวิจัยนี้ คงเป็นประโยชน์บ้างส้าหรับงานที่เกี่ยวข้องตลอดจนผู้ที่สนใจ
