ร่มสุริยะ เทคโนโลยีใหม่ในการกำจัดน้ำเสีย

          เมื่อเดือนมิถุนายน ค.ศ.2017 ผู้เขียนและคณะได้รับการร้องขอจากชาวบ้านกลุ่มหนึ่งให้ไปช่วยตรวจบ่อพักน้ำทิ้งของโรงงานอุตสาหกรรมแห่งหนึ่ง เนื่องจากช่วงเวลานั้นเป็นฤดูฝน ส่งผลให้มีฝนตกหนักจนน้ำไหลบ่าไปตามผิวดิน (Runoff) แล้วน้ำในบ่อพักน้ำทิ้งก็ล้นทะลักออกสู่พื้นที่แหล่งน้ำสาธารณะ ในตอนนั้น ผู้เขียนคุยกับเพื่อนที่ลงพื้นที่ด้วยกันว่า “น่าจะมีคนคิดเทคโนโลยีคล้ายแว่นขยายอันใหญ่ๆ แล้วเอามาส่องที่ผิวน้ำของบ่อพักน้ำทิ้ง น้ำจะได้ระเหยเร็วๆ และตกตะกอนได้ไวกว่านี้” หลังจากนั้น ผู้เขียนก็ลืมเรื่องนี้ไปจนหมด เพราะคิดว่าคงไม่มีใครนำไปทำวิจัยอย่างจริงจัง           กระทั่งเดือนมกราคม ค.ศ.2020 ที่ผ่านมา ผู้เขียนได้อ่านงานวิจัยใหม่ของ Akanksha Menon และ Ravi Prasher แห่ง Berkeley Lab ที่ตีพิมพ์ลงในวารสาร Nature Sustainability โดยนักวิจัยทั้งสองได้ร่วมกันพัฒนา ร่มสุริยะ (Solar Umbrella) ซึ่งเป็นอุปกรณ์สำหรับเร่งการระเหยของน้ำในบ่อพักน้ำทิ้ง แต่ก่อนที่ผู้เขียนจะเล่ารายละเอียดของงานวิจัยนี้ ผู้เขียนต้องเล่าเรื่องหน้าที่ของบ่อพักน้ำทิ้งแบบดั้งเดิมก่อน           บ่อพักน้ำทิ้ง (Wastewater Pond) มีหน้าที่รองรับน้ำทิ้งหรือน้ำเสียจากที่พักอาศัย โรงพยาบาล ชุมชน หรือโรงงานอุตสาหกรรมมาเก็บเอาไว้ในเพื่อรอให้น้ำทิ้งดังกล่าวเข้าสู่กระบวนการบำบัดหรือรอให้เกิดการตกตะกอน ก่อนปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อมหรือนำกลับมาใช้ใหม่ บ่อพักน้ำทิ้งแบบใช้พลังงานแสงอาทิตย์จัดเป็นบ่อพักน้ำแบบระเหย (Evaporation Pond) ที่เคยถูกใช้อย่างแพร่หลายในโรงไฟฟ้า โรงกลั่นน้ำทะเล (Desalination Plant) อุตสาหกรรมแก๊สและน้ำมัน รวมถึงอุตสาหกรรมการสกัดลิเธียม (Lithium Extraction) เนื่องจากมีต้นทุนต่ำมาก เพราะอาศัยพลังงานแสงอาทิตย์ในการทำให้น้ำระเหยแล้วรอให้สารต่างๆ ในบ่อตกตะกอน

            อย่างไรก็ตาม บ่อระเหยน้ำจะสามารถใช้งานได้ดีเฉพาะในพื้นที่แห้งแล้งหรือกึ่งแห้งแล้ง (Arid Area หรือ Semi-Arid Area) ที่มีความชื้นต่ำและมีแสงอาทิตย์มาก แต่แสงอาทิตย์และความเร็วลมที่มีผลโดยตรงต่อการระเหยของน้ำก็มักมีค่าไม่สม่ำเสมอ อัตราการระเหย (Evaporation Rate) จึงมีค่าไม่แน่ไม่นอนตามไปด้วย ครั้นจะลงทุนพัฒนาระบบพยากรณ์อากาศเพื่อคาดการณ์แสงและลมล่วงหน้าเหมือนที่ใช้ในโรงไฟฟ้าพลังงานหมุนเวียนก็อาจจะไม่คุ้มทุนสำหรับการบำบัดน้ำทิ้งในโรงงานอุตสาหกรรม ซ้ำร้าย หากน้ำทิ้งที่ผลิตออกมามีปริมาณมาก ขนาดของบ่อพักน้ำก็จะต้องมีขนาดใหญ่ ซึ่งนกและสัตว์ต่างๆ อาจเข้ามากินน้ำและเป็นอันตรายต่อพวกมัน หรืออาจเกิดฝนตกหนักอย่างไม่คาดฝันจนน้ำทิ้งล้นออกมาจากบ่อเหมือนที่ผู้เขียนเคยพบ ดังนั้นการหาวิธีใหม่ๆ เพื่อเร่งให้น้ำระเหยเร็วขึ้นหรือดักจับสารอันตรายในน้ำให้มากขึ้นจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง


            จากปัญหาดังกล่าว ในช่วง 5 ปีที่ผ่านมาจึงมีงานวิจัยจำนวนมากที่พยายามแก้ปัญหาของบ่อพักน้ำแบบระเหย ซึ่งงานวิจัยของ Akanksha Menon และ Ravi Prasher ก็เป็นหนึ่งในนั้น โดยนักวิจัยได้อาศัยหลักการของน้ำที่มีสมบัติในการดูดซับแสงช่วง Mid-Infrared ได้มากมาใช้ให้เกิดประโยชน์ กล่าวคือเมื่อทำการฉายแสงอินฟราเรดในช่วงความยาวคลื่นดังกล่าวใส่น้ำก็จะทำให้เกิดชั้นความร้อนบางๆ หนาประมาณ 100 ไมโครเมตรขึ้นที่บริเวณผิวน้ำ นักวิจัยจึงสร้างเครื่องแปลงการแผ่รังสี (Radiation Transformer) ที่มีลักษณะเป็นแผ่นบางและติดตั้งมันเอาไว้เหนือบ่อระเหยน้ำประมาณหนึ่งฟุต เพื่อเปลี่ยนความยาวคลื่นของแสงอาทิตย์ในช่วง 400 ถึง 1,500 นาโนเมตรไปเป็น 3,000 นาโนเมตรหรือมากกว่า ซึ่งอยู่ในช่วง Mid-Infrared


          ขณะทำงาน ร่มสุริยะนี้จะดูดซับแสงอาทิตย์เอาไว้ แล้วปล่อยเฉพาะแสงในช่วง Mid-Infrared ลงไปที่ผิวน้ำ ซึ่งผลการทดลองในบ่อน้ำเกลือได้แสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์นี้สามารถระเหยน้ำได้เร็วกว่าการระเหยด้วยวิธีธรรมชาติถึง 100 เปอร์เซ็นต์ และอาจเพิ่มขึ้นถึง 160 เปอร์เซ็นต์หากออกแบบระบบเชิงความร้อนให้ดียิ่งขึ้น ในลำดับถัดไป นักวิจัยต้องการที่จะปรับปรุงวัสดุที่ใช้ทำร่มสุริยะโดยเปลี่ยนจากพอลิเมอร์ไปเป็นวัสดุชนิดอื่นเพื่อให้มีราคาต้นทุนต่ำลงและใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์ รวมถึงจะนำไปใช้ในอุตสาหกรรมการสกัดลิเธียมและการกลั่นน้ำทะเล เพื่อเป็นการเพิ่มผลผลิตทางอุตสาหกรรมและทำให้มาตรฐานทางสิ่งแวดล้อมสูงยิ่งขึ้น

 

ที่มา

• https://phys.org/news/2020-01-polluted-wastewater-solar-umbrella.html?fbclid=IwAR3h7WGpUHZXuxXFuksYuMELj5YPD_7uzZY2DY4YvTkUZ6UZPpLs4lFMwd4
• >https://www.nature.com/articles/s41893-019-0445-5?proof=true
• https://www.waterworld.com/home/article/16192273/introduction-to-wastewater-treatment-ponds