เทคโนโลยีการทำน้ำสะอาดภายใน 40 นาทีด้วยแผ่นนาโนโฟโตคาตาลิสต์

ปัญหาการขาดแคลนน้ำจืดที่สะอาดเพื่อใช้อุปโภคและบริโภคเป็นปัญหาใหญ่ที่สำคัญในโลกของเรา มีการรายงานว่าปริมาณน้ำในโลก 97% เป็นน้ำทะเลในมหาสมุทร ส่วนที่เหลือ 3% คือน้ำจืด ซึ่งถ้าแบ่งน้ำจืดนี้ออกเป็น 100% มีเพียง 1.2% เท่านั้นที่มนุษย์สามารถเข้าถึงได้ ซึ่งส่วนที่เหลือ 68.7% และ 30.1% จะแบ่งเป็นส่วนของน้ำแข็งและน้ำใต้ดิน ตามลำดับ ^[1] 
 

ปริมาณน้ำในโลก [1]

ถึงแม้ว่าจะเข้าถึงน้ำจืดได้ แต่ก็มีรายงานเพิ่มเติมว่าประชากรโลกถึง 1 ใน 5 คน ไม่สามารถเข้าถึงน้ำจืดที่สะอาดถูกหลักอนามัย ในบางพื้นที่ยังมีพบการขาดแคลนน้ำดื่ม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแถบประเทศกำลังพัฒนาหรือประเทศที่อยู่ในเขตพื้นที่แห้งแล้ง ซึ่งรอบ 10 ปีที่ผ่านมา มีประชากรมากกว่า 5 ล้านคนเสียชีวิตด้วยโรคที่สืบเนื่องจากน้ำไม่สะอาด ดังนั้น กระบวนการจัดสรรน้ำสะอาดให้เพียงพอ รวมถึงการอนุรักษ์การใช้น้ำจึงเป็นสิ่งสำคัญ ^[2]


สำหรับกระบวนการทำน้ำสะอาดตามมาตรฐาน โดยปกติแล้วมีขั้นตอนค่อนข้างซับซ้อน และมีต้นทุนการผลิตค่อนข้างสูง ^[3] จึงเป็นอีกหนึ่งปัจจัยที่ส่งผลต่อการเข้าถึง ดังนั้น จึงมีการพัฒนาระบบให้มีขนาดเล็กลง แต่ก็ยังพบปัญหาในด้านของต้นทุนการผลิตอยู่เช่นเดิม เทคโนโลยีในปัจจุบันมีการประยุกต์ใช้ปรากฎการณ์โฟโตคาตาลิสต์ (Photocatalyst) จากแผ่นฟิล์มของไททาเนียมไดออกไซด์ (Titanium dioxide, TiO₂) ที่มีต้นทุนต่ำและสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้สม่ำเสมอในการช่วยลดสารปนเปื้อนจากในน้ำ _^[4,5] ตามหลักการแล้วเมื่อ TiO₂ ได้รับแสงจะเกิดกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาเคมี ทำให้เกิดอิเล็กตรอนอิสระที่สามารถเคลื่อนตัวไปทำปฏิกิริยาเพื่อกำจัดสารอินทรีย์ แบคทีเรีย เชื้อรา ฯลฯ ที่มาเกาะผิวหน้าของมัน โดยสำหรับการนำไปใช้งานในเชิงปฏิบัตินั้นจะนำแผ่นฟิล์ม TiO2 ที่ถูกเคลือบอยู่บนแผ่นฐานต่าง ๆ เช่น แก้ว หรือ พลาสติก ไปวางในน้ำ โดยให้น้ำที่ต้องการบำบัดไหลผ่านหลาย ๆ ครั้งก็จะทำให้ได้น้ำที่สะอาดขึ้นได้
 

ปรากฎการณ์โฟโตคาตาลิสต์ของ TiO₂ [5]

ถึงแม้ว่า TiO₂ จะค่อนข้างมีประสิทธิภาพในการใช้งานเป็นตัวโฟโตคาตาลิสต์ อย่างไรก็ตามการใช้งานวัสดุตัวนี้มีข้อเสียสำคัญ นั่นคือ ระยะเวลาทำงานของประจุไฟฟ้าอิสระหลังจากถูกกระตุ้นค่อนข้างสั้น (ระดับนาโนวินาที) รวมถึงมีค่าช่องว่างแถบพลังงาน (Bandgap) กว้างประมาณ 3.2 eV ทำให้จำกัดการดูดกลืนแสงในย่านใกล้รังสีอัลตราไวโอเล็ต (Near-UV region) ^[6] ซึ่งทั้งสองปัจจัยนี้ส่งผลต่อประสิทธิภาพการตรวจจับของ TiO₂ นอกจากนั้นยังมีการพบว่าการใช้ TiO₂ มีโอกาสเกิดมลพิษอันดับที่สองจากการปลดปล่อยไอออนโลหะตามปฏิกิริยาเคมี ^[7] เพื่อแก้ไขปัญหานี้จึงมีการนำวัสดุตัวใหม่มาใช้ทดแทน วัสดุที่น่าสนใจคือ กราฟิติกคาร์บอนไนไตรด์ (Graphitic carbon nitride, g-C₃N₄) ซึ่งเป็นวัสดุที่ไม่มีองค์ประกอบของโลหะในโครงสร้าง และมีช่องว่างแถบพลังงานแคบกว่า TiO₂ อย่างไรก็ตามเมื่อนำไปใช้งานยังพบว่ามีประสิทธิภาพการทำปฏิกิริยาต่ำกว่า TiO₂ เนื่องจากมีระยะการทำงานของประจุไฟฟ้าสั้นกว่า และมีระยะเวลาการทำให้น้ำสะอาดนานมาก (มากกว่า 6 ชม) จึงค่อนข้างส่งผลเสียในการใช้งานเชิงปฏิบัติ


เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุชนิดนี้ให้มากยิ่งขึ้น เมื่อไม่นานมานี้ ทีมนักวิจัยจากประเทศจีนได้รายงานการปรับปรุงคุณสมบัติของ g-C3N4 โดยการเพิ่มความเข้มข้นของออกซิเจนให้มีปริมาณสูงขึ้นบริเวณขอบของแผ่นนาโน g-C3N4 เพื่อให้สามารถสร้างประจุอิสระได้มากขึ้น รวมถึงเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีระหว่างสารปนเปื้อนต่าง ๆ อีกด้วย ซึ่งงานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ลงในวารสาร Chem ^[7]  
 

การปรับปรุงวัสดุ g-C3N4 ให้มีปริมาณออกซิเจนเพิ่มสูงขึ้นบริเวณขอบ [7]

การเพิ่มความเข้มข้นของออกซิเจนบริเวณขอบ สามารถทำได้โดยการนำแผ่นนาโน g-C₃N₄ ไปแช่ลงในสารละลายไฮดราไซน์โมโนไฮเดรต (Hydrazine monohydrate, N₂H₄•H₂O) ในระยะเวลาต่าง ๆ ผลการทดลองพบว่าการแช่เป็นเวลา 30 นาทีเป็นเงื่อนไขที่ดีที่สุด ซึ่งเมื่อนำไปทดลองประสิทธิภาพการบำบัดน้ำเสีย โดยสังเกตการลดลงของแบคทีเรียอีโคไล (E. coli) ที่สามารถทำให้มนุษย์เจ็บป่วย พบว่าได้ประสิทธิภาพที่ดีมาก โดยที่ใช้เวลากำจัดเชื้อแบคทีเรียแค่ประมาณ 40 – 60 นาที และสามารถกำจัดได้ถึง 99.9999% เมื่อปรับเปลี่ยนความเข้มแสงและย่านการฉายแสงเป็นย่านต่าง ๆ 
 

ประสิทธิภาพการกำจัดเชื้อแบคทีเรียของแผ่นนาโน g-C₃N₄ เมื่อปรับเปลี่ยนเงื่อนไขการฉายแสง [7]

งานวิจัยนี้ทำให้เราได้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการสร้างอุปกรณ์บำบัดน้ำเสียขนาดเล็กที่มีต้นทุนต่ำ มีประสิทธิภาพสูง โครงสร้างไม่ซับซ้อน และสะดวกต่อการใช้งานในเชิงปฏิบัติ อุปกรณ์ที่สร้างได้จากงานวิจัยนี้จึงเป็นนวัตกรรมที่สำคัญอย่างมาก ที่อนาคตอาจนำมาช่วยแก้ปัญหาการเข้าถึงน้ำจืดที่สะอาดถูกหลักอนามัย ในพื้นที่ที่ขาดแคลนในโลกของเราได้


 

เรียบเรียงโดย

ดร.สายชล ศรีแป้น
อาจารย์คณะวิทยาศาสตร์ พลังงานและสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ (วิทยาเขตระยอง)

• [1] P. H. Gleick, Water in Crisis: A Guide to the World’s Fresh Water Resource; Oxford University Press, New York; 1993.
• [2] สถานการณ์น้ำจืดของโลก และประเทศไทย. http://www.wwf.or.th/what_we_do/wetlands_and_production_landscape/freshwater/ (สืบค้นเมื่อ 11 มิถุนายน พ.ศ. 2562)
• [3] ระบบผลิตน้ำ.https://www.hydrotek.co.th/watertreatment-plant/ (สืบค้นเมื่อ 11 มิถุนายน พ.ศ. 2562)
• [4] H. M. Coleman et al., Photocatalytic degradation of 17-β-oestradiol on immobilized TiO₂, Applied Catalysis B: Environmental 24 (2000), L1 – L5.
• [5] A. Fujishima et al., Titanium dioxide photocatalysis, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews 1 (2000), 1 – 21.
• [6] M. Zhu et al., Metal-free photocatalyst for H₂ evolution in visible to near infrared region: black phosphorus/graphitic carbon nitride, Journal of American Chemical Society 139 (2017), 13234 – 1342.
• [7] Z. Teng et al., Edge-functionalized g-C₃N₄ nanosheets as a highly efficient metal-free photocatalyst for safe drinking water, Chem 5 (2019), 1 – 17.