ทางเลือกใหม่ด้านพลังงานหมุนเวียน: การเปลี่ยนน้ำเสียอุตสาหกรรมให้เป็นแก๊สเชื้อเพลิง

 โดย ดร. นคร  วรสุวรรณรักษ์
บัณฑิตวิทยาลัยร่วมด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อม
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

เป็นที่ทราบกันดีว่าเราสามารถเปลี่ยนน้ำ
เสียให้เป็นแก๊สเชื้อเพลิงได้ด้วยเทคโนโลยีที่ใช้กระบวนการทางชีวภาพ
ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่อาศัยจุลินทรีย์ในการเปลี่ยนสารอินทรีย์ที่อยู่ในน้ำ
เสียให้กลายเป็นแก๊สมีเทน หรือที่เราเรียกว่าแก๊สชีวภาพ ซึ่งในปัจจุบันกระบวนการดังกล่าวมีใช้อยู่ในระดับอุตสาหกรรมสามารถเปลี่ยนน้ำเสียที่ได้จากอุตสาหกรรมเกษตรเช่นน้ำเสียจากโรงงานน้ำมันปาล์ม น้ำเสียจากโรงงานแป้งมันสำปะหลังให้กลายเป็นแก๊สชีวภาพซึ่งสามารถนำมาใช้ทดแทนน้ำมันเตาในการให้ความร้อนหรือผลิตไฟฟ้าได้ สามารถช่วยลดค่าใช้จ่ายทางด้านพลังงานแก่โรงงานได้เป็นจำนวนมากและในขณะเดียวกันก็เป็นการบำบัดน้ำเสียอีกด้วย  
อย่างไรก็ตามมีเทคโนโลยีอีกประเภทหนึ่งที่สามารถเปลี่ยนน้ำเสียให้เป็นแก๊ซ
เชื้อเพลิงได้

เทคโนโลยีนี้ใช้กระบวนการทางเคมีที่อาศัยตัวเร่งปฏิกิริยาหรือคะตะลิสต์ใน
การเปลี่ยนสารอินทรีย์ที่อยู่ในน้ำเสียให้กลายเป็นแก๊สมีเทนและแก๊ส
ไฮโดรเจน  กระบวนการการเปลี่ยนน้ำเสียให้เป็นแก๊สเชื้อเพลิงทั้ง 2
เทคโนโลยีดังกล่าว มีข้อได้เปรียบและข้อจำกัดต่างกัน  กล่าวคือ
กระบวนการทางชีวภาพอาศัยจุลินทรีย์ในการทำปฏิกิริยาซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่ช้า ต้องใช้ถังปฏิกรณ์หรือพื้นที่ขนาดใหญ่ ใช้เวลานาน  และไม่สามารถใช้ได้กับน้ำเสียที่มีสารอินทรีย์จำพวกpolyphenol หรือสารลิกนินปนอยู่ ในขณะเดียวกันกระบวนการทางเคมีที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยามีอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เร็วกว่ากระบวนการทางชีวภาพมากจึงใช้ถังปฏิกรณ์หรือพื้นที่ขนาดเล็กกว่า ใช้เวลาน้อยกว่า
สามารถบำบัดน้ำเสียได้ปริมาณมากและสามารถบำบัดน้ำเสียที่เกิดจากอุตสาหกรรมเคมีซึ่งกระบวนการทางชีวภาพไม่สามารถบำบัดได้  
แต่ทั้งนี้เทคโนโลยีการเปลี่ยนน้ำเสียอุตสาหกรรมให้เป็นแก๊สเชื้อเพลิง
โดยกระบวนการทางเคมีซึ่งใช้ตัวเร่งปฏิกิริยายังอยู่ในขั้นการวิจัย
ยังไม่มีใช้อยู่ในระดับอุตสาหกรรม จึงยังต้องใช้เวลาอีกสักพักในการวิจัยเพื่อพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาให้มีประสิทธิภาพและเหมาะสมกับน้ำเสียอุตสาหกรรมแต่ละประเภท

ในที่นี้ผู้เขียนจะขอแนะนำกระบวนการเปลี่ยนน้ำเสียให้เป็นแก๊สเชื้อเพลิงโดยกระบวนการทางเคมีที่เรียกว่า Catalytic Hydrothermal Gasification  คือกระบวนการเปลี่ยนสารอินทรีย์ในน้ำเสียให้กลายเป็นแก๊สเชื้อเพลิงโดย
อาศัยตัวเร่งปฏิกิริยาในสภาวะอุณหภูมิและความดันสูง  ซึ่งในสภาวะHydrothermal น้ำจะยังเป็นสถานะของเหลว โดยทั่วไปจะใช้อุณหภูมิประมาณ 300– 350oC และความดันประมาณ 100 - 200 bar  ซึ่งหัวใจสำคัญของกระบวนการ Catalytic Hydrothermal Gasification  คือตัวเร่งปฏิกิริยา
กล่าวคือตัวเร่งปฏิกิริยาต้องสามารถทนต่อสภาวะอุณหภูมิสูงและความดันสูงได้ 
ตัวเร่งปฏิกิริยาต้อง active และมีพื้นที่ผิวตลอดจนขนาดรูพรุนที่เหมาะแก่การทำปฏิกิริยา   มีนักวิจัยจำนวนมากได้ศึกษาการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสมกับกระบวนการดังกล่าว   ผู้เขียนจะขอแนะนำตัวเร่งปฏิกิริยาบางตัว ดังนี้ 

Elliott และ
คณะ  จาก Pacific Northwest National Laboratory ประเทศสหรัฐอเมริกา
ได้พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะนิเกิล (Ni)  บนอลูมิเนียมออกไซด์ (Al2O3)
และประสพความสำเร็จในการเปลี่ยนสาร p-cresol ในน้ำเสียให้เป็นแก๊สได้สมบูรณ์ โดยสามารถเปลี่ยนเป็นแก๊สมีเทน แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และแก๊สไฮโดรเจนที่อุณหภูมิ 350oC และความดัน 200 bar   แต่พบว่าค่า LHSV (Liquid Hourly Space Velocity) ที่ใช้ในการทดลองมีค่าต่ำมากเพียง 1 – 3 ต่อชั่วโมง (h-1)  ซึ่งหมายความว่าตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวไม่ค่อยมีประสิทธิภาพ (ค่า LHSV คือค่าปริมาณอัตราการไหลของน้ำเสียต่อปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยา มีหน่วยเป็นg/(gcatalysth))กล่าวคือต้องใช้ปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยามากจึงจะสามารถเปลี่ยนสารอินทรีย์ในน้ำเสียให้กลายเป็นแก๊สมีเทนได้อย่างสมบูรณ์

Vogel
และคณะ จาก Paul Scherrer Institut ประเทศสวิสเซอร์แลนด์ได้พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยโลหะรูธีเนียม (Ru) บนคาร์บอน และได้ทำการทดลองน้ำเสียที่มีส่วนผสมของสาร phenol, anisole,ethanol และ acetic acid ให้เป็นแก๊ส
พบว่าสามารถเปลี่ยนน้ำเสียดังกล่าวให้เป็นแก๊สได้สมบูรณ์ โดยเปลี่ยนเป็นแก๊สมีเทน แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และแก๊สไฮโดรเจน ที่อุณหภูมิ 400oC และความดัน 300 bar และใช้ค่า LHSV ที่ 20 h-1 นอกจากนี้ Vogel และคณะยังได้ทำการทดสอบประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวโดยพบว่าตัวเร่งปฏิกิริยารูธีเนียมบนคาร์บอนดังกล่าวสามารถคงประสิทธิภาพการแก๊สซิฟิเคชันได้แม้ว่าจะใช้นานถึง 220ชั่วโมง

ปฏิกิริยา
ที่เกิดขึ้นในกระบวนการ Catalytic Hydrothermal Gasification
สามารถเขียนได้ดังสมการต่อไปนี้ (พิจารณากรณีที่น้ำเสียมีสาร phenol
เป็นองค์ประกอบ)

phenol
จะทำปฏิกิริยาแก๊สซิฟิเคชันกับน้ำบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา แล้วจะเปลี่ยนเป็นแก๊สมีเทน แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และแก๊สไฮโดรเจน ซึ่งปริมาณแก๊สมีเทนและแก๊สไฮโดรเจนที่เขียนอยู่ในสมการเคมีนั้นได้จากการทดลอง  จากสมการเคมีดังกล่าวจะพบว่า phenol 1 โมล สามารถเปลี่ยนเป็นแก๊สมีเทนได้ถึง 3.4 โมล และแก๊สไฮโดรเจน 0.4 โมล   ที่สำคัญคือปฏิกิริยาเกิดขึ้นทันทีเพียงแค่เราให้น้ำเสียไหลผ่านตัวเร่งปฏิกิริยาในสภาวะที่เหมาะสมเท่านั้น และผลิตภัณฑ์ที่ได้จากกระบวนการดังกล่าวคือแก๊สเชื้อเพลิงและน้ำสะอาดเท่านั้น   ซึ่งองค์ประกอบแก๊สเชื้อเพลิงที่ได้จะมีค่าความร้อนประมาณ 20 MJ/m3 เมื่อพิจารณาน้ำเสียที่มีองค์ประกอบ phenol 2% จะพบว่าน้ำเสียปริมาณ 1ลูกบาศก์เมตรจะสามารถผลิตเป็นแก๊สเชื้อเพลิงได้ 43 ลูกบาศก์เมตรซึ่งมีความร้อนเทียบเท่ากับน้ำมันดิบ 21.5 kgโดยสามารถนำมาใช้ทดแทนน้ำมันเตาในหม้อต้มน้ำได้โดยตรง

ดัง
ที่กล่าวมาทั้งหมดเทคโนโลยีการเปลี่ยนน้ำเสียอุตสาหกรรมให้เป็นแก๊สเชื้อเพลิงโดยกระบวนการCatalytic Hydrothermal Gasification  เป็นเทคโนโลยีที่น่าสนใจมากเนื่องจากมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เร็วมากและเหมาะสมกับน้ำเสียอุตสาหกรรมที่กระบวนการชีวภาพไม่สามารถบำบัดได้ นอกจากนี้ตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวยังสามารถที่จะนำมาประยุกต์ใช้กับกระบวนการแก๊สซิฟิเคชันชีวมวลได้อีกด้วย แต่ทั้งนี้เนื่องจากเทคโนโลยี Catalytic Hydrothermal Gasification
ยังเป็นเทคโนโลยีที่ใหม่มากและยังอยู่ในระดับวิจัยยังต้องใช้เวลาในการพัฒนาอีกพอสมควรจึงจะมีใช้ในเชิงพาณิชย์

รูปกระบวนการ Catalytic Hydrothermal Gasification

หมายเหตุ
บัณฑิตวิทยาลัยร่วมด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อมได้รับการสนับสนุนจากสำนักพัฒนาบัณฑิตศึกษาและวิจัยด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี สำนักงานคณะกรรมการการอุดมศึกษา และจากสำนักงานนโยบายและแผนพลังงาน บทความนี้ เป็นความเห็นของผู้เขียน
ซึ่งไม่จำเป็นต้องสอดคล้องกับความเห็นของหน่วยงานที่เกี่ยวข้อง/span>

Credit: //www.jgsee.kmutt.ac.th

สงวนสิทธิ์ภายใต้สัญญาอนุญาต ครีเอทีฟคอมมอนส์ แสดงที่มา-ไม่ใช้เพื่อการค้า-ไม่ดัดแปลง 3.0 ประเทศไทย.
ท่านสามารถนำเนื้อหาในส่วนบทความไปใช้ แสดง เผยแพร่ โดยต้องอ้างอิงที่มา ห้ามใช้เพื่อการค้าและห้ามดัดแปลง

Create Date : 09 มิถุนายน 2552
Last Update : 9 มิถุนายน 2552 0:23:46 น.		0 comments
Counter : 2693 Pageviews.
Share Tweet