RDG6040018_web1

เมมเบรนแยกแก๊สชีวภาพได้ไบโอมีเทนใช้เองในประเทศ

ปัจจุบันชุมชนหลายแห่ง และโรงงานอุตสาหกรรมในประเทศไทยหลายที่ ได้มีการหันมาผลิตแก๊สชีวภาพใช้เองในชุมชน และภายในโรงงาน เนื่องจากมีราคาที่ถูก และเป็นพลังงานที่ผลิตใช้เองได้ แต่แก๊สที่ได้ยังคงมีประสิทธิภาพต่ำ หรือให้ความร้อนที่ไม่สูงมากนัก หากชุมชนไหน หรือบริษัทอุตสาหกรรมไหนต้องการคุณภาพที่สูง ก็จำเป็นต้องลงทุนเพิ่มอุปกรณ์ในการช่วยเพิ่มประสิทธิภาพหรือแยกแก๊สที่สำคัญออกมา ด้วยเทคโนโลยีที่เป็นที่นิยมอย่างมากในปัจจุบัน คือการใช้เมมเบรน หรือเยื่อเลือกผ่าน แต่ก็ยังเป็นอุปกรณ์ที่มีราคาแพงต้องนำเข้าจากต่างประเทศ แต่แท้ที่จริงแล้ว ถ้าเราต้องการผลิตเมมเบรนขึ้นใช้เองในประเทศก็น่าจะทำได้ แต่จะทำอย่างไร? ติดตามได้จากบทความนี้กันเลย

การนำแก๊สชีวภาพที่เกิดจากกระบวนการหมักไปใช้ในภาคอุตสาหกรรม หรือวิสาหกิจชุมชนขนาดใหญ่ เช่น ใช้เป็นเชื้อเพลิงในรถยนต์ การผลิตกระแสไฟฟ้า หรืออุตสาหกรรมที่ต้องการความร้อนสูง ไม่สามารถดำเนินการได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากแก๊สชีวภาพมีปริมาณของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในปริมาณมากทำให้มีค่าความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้ต่ำ จึงจำเป็นที่จะต้องมีเทคโนโลยีที่ใช้สำหรับการแยกแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากแก๊สชีวภาพเพื่อผลิตเป็นไบโอมีเทนสาหรับการใช้งานในเชิงพาณิชย์ เทคโนโลยีหนึ่งที่มีประสิทธิภาพสูง มีขั้นตอนการทำงานไม่ซับซ้อน ง่ายต่อการบำรุงรักษา และใช้พลังงานต่ำ ได้แก่ เทคโนโลยีการแยกด้วยเมมเบรน

เทคโนโลยีการแยกด้วยเมมเบรนในประเทศไทย

เทคโนโลยีการแยกด้วยเมมเบรน เป็นการแยกแก๊สไฮโดรเจนซัลไฟล์ (H2S) และแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ออกจากแก๊สชีวภาพ หรือแก๊สเชื้อเพลิงในธรรมชาติ โดยใช้กระบวนการเมมเบรนคอนแทคเตอร์ ซึ่งเป็นกระบวนการดูดซึมแก๊สโดยใช้เมมเบรนเป็นตัวกั้นระหว่างวัฏภาค (phase) เพื่อเพิ่มความบริสุทธิ์ของแก๊สมีเทน (CH4) หรือลดปริมาณของ H2S และ CO2

การศึกษาการซึมผ่านแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และมีเทนสามารถทำได้โดยใช้พอลิเมอร์เมมเบรนชนิด Dense polymer membrane ซึ่งกลไกการซึมผ่านแก๊สเกิดผ่านกลไกประเภท Solution-diffusion ซึ่งมีทั้งหมด 3 ขั้นตอน
1. Sorption ในขั้นตอนนี้โมเลกุลแก๊ส จะถูกดูดซับที่บริเวณผิวของเมมเบรน โดยเมมเบรนที่มีขั้วสูง ซึ่งชอบดูดซับโมเลกุลแก๊สที่มีขั้ว ในขณะเดียวกันเมมเบรนชนิดที่ไม่มีขั้ว ชอบดูดซับโมเลกุลแก๊สที่ไม่มีขั้ว
2. Diffusion ขั้นตอนนี้โมเลกุลแก๊สที่ถูกดูดซับจะเคลื่อนที่ผ่านเข้ามาในเนื้อเมมเบรนโดยกระบวนการแพร่ผ่าน โดยทั่วไปกลไกของการแยกด้วยเมมเบรนมี 2 แบบ คือใช้ความแตกต่างของความดัน (Pressure gradient) หรือความแตกต่างของความเข้มข้นของแก๊ส (Concentration gradient) ซึ่งในการทดลองนี้ใช้กลไกของความแตกต่างของความเข้มข้นของแก๊ส
3. Desorption ในขั้นตอนนี้โมเลกุลแก๊สที่แพร่ผ่านออกมาด้าน Permeate side ของเมมเบรน และแพร่ผ่านออกจากเมมเบรน

อย่างไรก็ตามประเทศไทยมีการใช้เทคโนโลยีเมมเบรนสำหรับการแยกแก๊สในเชิงพาณิชย์ไม่แพร่หลายมากนัก เนื่องจากไม่สามารถผลิตเมมเบรนได้เอง อีกทั้งระบบการแยกแก๊สชีวภาพด้วยเมมเบรนยังต้องดำเนินการภายใต้ความดันสูง มีประสิทธิภาพต่ำ มีการสูญเสียแก๊สมีเทนค่อนข้างสูง หากจะนำมาใช้จริงให้เหมาะกับการใช้งานของ อุตสาหกรรมพลังงานทดแทนจากแก๊สชีวภาพ หรือวิสาหกิจชุมชนขนาดใหญ่ในประเทศไทยอย่างยั่งยืน จำเป็นต้องพัฒนาเมมเบรนที่มีราคาถูก มีการเลือกสรรแก๊สมีเทนสูง รวมถึงสามารถดำเนินการแยกแก๊สชีวภาพได้ที่ความดันต่ำให้ได้

การเพิ่มประสิทธิภาพของเมมเบรน

การเพิ่มประสิทธิภาพของเมมเบรนสามารถทำได้โดยการเติมสารเติมแต่งซิลิกาเพื่อเพิ่มค่าการผ่านของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ รวมถึงเพิ่มการเลือกสรรการแยกแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากมีเทน โดยทำการผสมผงซิลิกา (SiO2) กับพอลิเมอร์ที่ต้องการ โดยใช้เทคนิคการผสมแบบหลอมเหลว (Melt mixing technique) ในเครื่องผสมระบบปิด (Internal mixer) โดยควบคุมปริมาณของซิลิกาให้ได้สัดส่วนเท่ากับ 0.5 กรัม, 1.0 กรัมและ 2.0 กรัม เมื่อเทียบกับน้ำหนักพอลิเมอร์ 100 กรัม สภาวะที่ใช้ในการผสม คือ ใช้อุณหภูมิผสม 130 องศาเซลเซียส ความเร็วรอบของใบพัดตัวหมุนตั้งไว้ที่ 100 รอบต่อนาที และเวลาที่ใช้ในการผสมคือ 30 นาที จากนั้นทำการขึ้นรูปเมมเบรนโดยใช้เครื่องขึ้นรูปด้วยการกดอัด (Compression molding machine) ทำการควบคุมการผลิตเมมเบรนให้มีความหนาประมาณ 40-60 ไมโครเมตร ก่อนนำไปทดสอบการซึมผ่านแก๊ส โดยทำการศึกษาเปรียบเทียบเมมเบรนที่ผลิตจากพอลิเมอร์สามชนิด คือ พอลิเอทิลีนชนิดความหนาแน่นต่ำ (LDPE), พอลิเอทิลีน-เอทิลอะคริเลต (EEA) และ พอลิเอทิลีน-ไวนิลอะซิเทตที่มีเปอร์เซ็นต์ของหมู่ไวนิลอะซีเทตเท่ากับ 18 (EVA18)

การทดสอบการซึมผ่านแก๊ส

การทดสอบการซึมผ่านแก๊สเป็นการทดสอบในระบบแก๊สเดี่ยว (Single gas) โดยมีการศึกษาแก๊สสองชนิดคือ คาร์บอนไดออกไซด์และมีเทน ซึ่งในระบบแก๊สที่ซึมผ่านเมมเบรนจะถูกแก๊สตัวพา (Carrier gas) นำเข้าสู่เครื่องตรวจวัด (Detector) แบบการวัดค่าการนำความร้อน (Thermal conductivity detector; TCD)

เมื่อพิจารณาการซึมผ่านแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ พบว่าเมมเบรนชนิด LDPE , EEA และ EVA18 มีค่าฟลักซ์ของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่ซึมผ่านเมมเบรนเท่ากับ 112, 241 และ 240 กรัมต่อตารางเมตรวัน (g/m2.day) ตามลำดับ หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งได้ว่า เมมเบรนชนิด LDPE มีความเหมาะสม น้อยกว่า เมมเบรนชนิด EEA และ EVA18 ในการเลือกผ่านของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ เนื่องมาจากเมมเบรน LDPE มีความเป็นผลึกสูง ทำให้เมมเบรนทำหน้าที่เป็นเหมือนตัวขวางกั้น (Barrier) แก๊สจึงซึมผ่านได้ยาก ในขณะที่เมมเบรนชนิด EEA และ EVA18 มีความเป็นผลึกต่ำกว่าเมมเบรน LDPE และมีโครงสร้างโมเลกุลประกอบด้วยโครงสร้างที่มีขั้ว คือ หมู่คาร์บอนิล (C=O) ซึ่งมีความสามารถในการดูดซับโมเลกุลแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ได้ดี จึงทำให้มีโมเลกุลของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ถูกดูดซับที่บริเวณผิวของเมมเบรนจำนวนมาก เมื่อความเข้มข้นของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์สูงขึ้น จะเกิดกระบวนการแพร่ของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ จากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงเข้าไปยังเนื้อพอลิเมอร์ที่มีความเข้มข้นต่ำกว่า (Concentration gradient) และโมเลกุลของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ถูกปลดปล่อยออกจากเมมเบรนอีกด้านหนึ่ง

จากผลการทดสอบการซึมผ่านแก๊สมีเทน พบว่าเมมเบรนชนิด LDPE มีค่าฟลักซ์ของแก๊สมีเทนที่ซึมผ่านเมมเบรนสูงที่สุด ประมาณ 40 กรัมต่อตารางเมตรวัน (g/m2.day) ในขณะที่เมมเบรน EVA18 และ EEA มีฟลักซ์ของแก๊สใกล้เคียงกันคือ 24 กรัมต่อตารางเมตรวัน หรือก็คือ เมมเบรนชนิด LDPE มีความเหมาะสมมากกว่า เมมเบรนชนิด EEA และ EVA18 ในการเลือกผ่านของแก๊สมีเทน ซึ่งการที่เมมเบรนชนิด LDPE มีการซึมผ่านแก๊สมีเทนมากกว่า เนื่องมาจาก LDPE เป็นเมมเบรนชนิดไม่มีขั้ว ทำให้แก๊สมีเทนที่มีสมบัติไม่มีขั้วเช่นกันมีการละลายของแก๊สมีเทนที่ผิวสัมผัสของเมมเบรนชนิด LDPE ได้ดีกว่าเมมเบรนที่มีขั้ว EVA18 และ EEA

แต่อย่างไรก็ตามการพิจารณาการแยกแก๊สทั้งสองชนิดนี้ จำเป็นต้องพิจารณาจากค่าฟลักซ์การซึมผ่านของแก๊สทั้งสองชนิด โดยนำมาคำนวณหาค่าการเลือกสรรแก๊ส CO2/CH4 พบว่าเมมเบรนชนิด EVA18 และ EEA มีค่าการเลือกสรรแก๊ส CO2/CH4 สูงใกล้เคียงกันประมาณ 10 ซึ่งมากกว่าการใช้เมมเบรน LDPE ที่มีค่าประมาณ 2.8 ซึ่งบ่งบอกได้ว่าเมมเบรนชนิด EVA18 และ EEA มีความสามารถในการแยกแก๊สทั้งสองชนิดออกจากกันได้ดี เมื่อเปรียบเทียบกับเมมเบรน LDPE

เมื่อทดสอบการซึมผ่านแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ของคอมโพสิตเมมเบรนที่ผสมซิลิกา พบว่าความสามารถในการซึมผ่านแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์มากกว่าเมมเบรนที่ไม่ได้ดัดแปลง โดยอนุภาคซิลิกาที่เป็นองค์ประกอบในคอมโพสิตเมมเบรน ช่วยเพิ่มความมีขั้วให้กับเมมเบรนเนื่องจากบริเวณพื้นผิวของซิลิกาประกอบด้วยหมู่ไซลานอล (Si–O–H) จำนวนมาก จึงช่วยส่งเสริมให้เมมเบรนมีความสามารถในการดูดซับโมเลกุลแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ได้ดี ทำให้ค่าฟลักซ์การซึมผ่านแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์สูงขึ้น ตลอดจนช่วยส่งเสริมให้ค่าการเลือกสรรแก๊ส CO2/CH4 เพิ่มขึ้นด้วย จากการทดสอบการซึมผ่านแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ของคอมโพสิตเมมเบรนที่ผสมซิลิกา พบว่าเมมเบรนชนิด EVA33/2.0SiO2 (พอลิเอทิลีน-ไวนิลอะซิเทตที่มีเปอร์เซ็นต์ของหมู่ไวนิลอะซีเทตเท่ากับ 33 และมีการเติมซิลิกา 2.0 กรัม เมื่อเทียบกับน้ำหนักพอลิเมอร์ 100 กรัม) มีค่าการเลือกสรรแก๊สสูงที่สุด เท่ากับ 31.75 กรัมต่อตารางเมตรวัน

กล่าวโดยสรุป คือ สภาพขั้วของเมมเบรนถือเป็นปัจจัยสำคัญต่อการซึมผ่านแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ตลอดจนค่าการเลือกสรรแก๊ส หากปริมาณหมู่ไวนิลอะซีเทตที่เป็นองค์ประกอบในโคพอลิเมอร์เมมเบรนมีจำนวนเพิ่มขึ้น จะไปขัดขวางการเกิดผลึกของเมมเบรน ทำให้การซึมผ่านแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์เกิดได้ดีขึ้น ประกอบกับหมู่ไวนิลอะซีเทตเป็นหมู่ที่มีขั้ว จึงสามารถดูดซับโมเลกุลแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ได้ดี ทำให้ค่าฟลักซ์การซึมผ่านแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์สูงขึ้น นอกจากนี้หากต้องการเพิ่มประสิทธิภาพของเมมเบรน ยังสามารถทำได้โดยการเติมสารเติมแต่งซิลิกา ซึ่งช่วยเพิ่มความมีขั้วให้กับเมมเบรนได้อีกทางหนึ่ง

อ้างอิงข้อมูลจาก

โครงการวิจัย “การพัฒนาเมมเบรนเพื่อการปรับปรุงคุณภาพแก๊สชีวภาพเป็นไบโอมีเทน”

หัวหน้าโครงการ : อาทิตย์ อัศวสุขี
สนับสนุนโดย : สำนักงานคณะกรรมการส่งเสริมวิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (สกสว.)

เรียบเรียง บุษยา เกรย์
กราฟิก พิชญาภา นาคทับที

 

 

 

 

00:00
00:00
Empty Playlist