เปลี่ยนขวดพลาสติกเป็น ‘MOFs’ วัสดุนาโนขั้นสูง ตัวช่วยจับ CO2
นักวิจัยนาโนเทค สวทช. เพิ่มค่าขวดพลาสติกธรรมดาให้กลายเป็น “วัสดุนาโนขั้นสูง” อย่าง MOFs หรือวัสดุโครงข่ายโลหะอินทรีย์ ตัวช่วยดักจับและกักเก็บ “คาร์บอนไดออกไซด์” ตัวร้ายทำโลกร้อน ชูจุดเด่นด้วยกระบวนการเคมีสีเขียว และชุดระบบปฏิกรณ์การไหลแบบต่อเนื่องด้วยระบบ Continuous flow ปิดคอขวดเรื่องกำลังการผลิต ตอบความต้องการใช้งานในราคาที่แข่งขันได้ พร้อมพัฒนาสูตร MOFs ที่หลากหลาย ประยุกต์ใช้ดักจับและกักเก็บโมเลกุลสารอย่างจำเพาะเจาะจงได้อีกมาก รองรับความต้องการของภาคอุตสาหกรรมขั้นสูง ลดการนำเข้า ตอบเศรษฐกิจหมุนเวียน (Circular Economy) ภายใต้โมเดลเศรษฐกิจ BCG ด้วยนวัตกรรมอย่างยั่งยืน
ดร.ชลิตา รัตนเทวะเนตร จากทีมวิจัยนาโนเทคโนโลยีเพื่อสิ่งแวดล้อม กลุ่มวิจัยวัสดุผสมและการเคลือบนาโน ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) กล่าวว่า ขวดน้ำพลาสติกที่ทำมาจากพอลิเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET) นั้น นับเป็นขยะที่พบได้จำนวนมากในทุกๆ วัน ในขณะเดียวกัน ก็สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้หลากหลายรูปแบบ ซึ่งหนึ่งในนั้นคือ การใช้ วทน. ในการเปลี่ยนขยะขวดพลาสติกให้เป็นวัสดุนาโนมูลค่าสูงอย่าง MOFs
MOFs ย่อมาจาก Metal Organic Frameworks หรือ วัสดุโครงข่ายโลหะอินทรีย์ เป็นวัสดุนาโนชนิดหนึ่งที่มีสมบัติน่าสนใจหลายอย่าง อาทิ มีพื้นที่ผิวมาก มีความพรุนสูง มีความหนาแน่นต่ำ และทนอุณหภูมิที่สูงมาก นอกจากนี้ ยังมีความสามารถที่น่าสนใจอย่างการคัดเลือกโมเลกุลที่ต้องการออกจากโมเลกุลอื่น มีการนำไปใช้กับตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีที่จำเพาะกับรูปร่างและโครงสร้างของสารเคมีนั้นๆ ทำให้สามารถใช้เป็นสารดูดซับ หรือตัวกรองได้ ขึ้นอยู่กับโครงสร้าง
“ด้วยความที่ MOFs เป็นวัสดุลูกผสม (hybrid material) ที่ประกอบไปด้วย ส่วนที่เป็นโลหะและสารอินทรีย์ ทีมวิจัยจึงมองเห็นโอกาส พัฒนากระบวนการย่อยพอลิเอทิลีนเทเรฟทาเลตจากขวดพลาสติกมาแทนที่ส่วนประกอบที่เป็นสารอินทรีย์ หรือออร์แกนิค ลิแกนด์ (organics ligand) ซึ่งเป็นสารตั้งต้น พร้อมพัฒนาสูตร/กระบวนการในการสังเคราะห์ MOFs นำร่อง ชนิด UiO-66 จากโลหะเซอร์โคเนียม (zirconium) และ MIL-53 จากโลหะอลูมิเนียม(aluminum) ด้วยแนวคิดเคมีสีเขียว (Green Chemistry) โดย MOFs ดังกล่าว มีสมบัติในการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์หรือ CO2” ดร. ชลิตากล่าว
นักวิจัยนาโนเทคมองว่า MOFs มีโอกาสทางการตลาดที่น่าสนใจ ด้วยสมบัติในการดูดซับจากรูพรุนจำนวนมากบนพื้นผิว แต่ปัญหาคอขวดของวัสดุนวัตกรรมนี้คือ กำลังการผลิต แทบทุกที่ในโลกสามารถสังเคราะห์ออกมาได้ในปริมาณน้อยมาก ทำให้มีราคาสูง MOFs บางตัวมีราคาหลักล้านต่อกิโลกรัม ทำให้ความต้องการของตลาดชะงัก แม้อยากได้ ก็หาซื้อยาก หรือราคาแพงจนไม่สามารถใช้ได้ จึงมีแนวคิดในการพัฒนากระบวนการสังเคราะห์ MOFs จากขวดพลาสติก ที่สามารถขยายกำลังการผลิต เพื่อต่อยอดเชิงพาณิชย์ได้
ดร. ชลิตากล่าวว่า โครงการวิจัยนี้ ได้รับการสนับสนุนทุนวิจัยจากหน่วยบริหารและจัดการทุนด้านการเพิ่มความสามารถในการแข่งขันของประเทศ (บพข.) แผนงานกลุ่มเศรษฐกิจหมุนเวียนร่วมกับบริษัท แมกโน-เลีย ควอลิตี้ ดีเวล็อปเม้นต์คอร์ปอเรชั่น จำกัด และสำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) ระยะเวลา 2 ปี โดยปีแรก เป็นการวิจัยและพัฒนากระบวนการสังเคราะห์ MOFs จากเซอร์โคเนียม (zirconium) หรือ UiO-66(Zr) และอลูมิเนียม (aluminum) หรือ MIL-53(Al) ด้วยต้นทุนต่ำ และในปีที่ 2 จะเป็นการพัฒนาระบบการสังเคราะห์ MOFs ที่สามารถอัพสเกลได้
ทีมวิจัยนาโนเทค ได้พัฒนากระบวนการย่อยพอลิเอทิลีนเทเรฟทาเลตจากขวดพลาสติกมาเป็นสารตั้งต้น (monomers) ได้ด้วยกระบวนการที่มีต้นทุนต่ำ พร้อมกันนี้ ยังได้พัฒนาชุดระบบปฏิกรณ์การไหลแบบต่อเนื่อง ที่สังเคราะห์ด้วยระบบ Continuous flow ซึ่งมีข้อดีคือ ใช้แนวคิดเคมีสีเขียว ซึ่งเป็นการออกแบบกระบวนการสังเคราะห์ตั้งแต่ต้นน้ำโดยไม่สร้างภาระให้สิ่งแวดล้อม สามารถควบคุมการเกิดปฏิกิริยาได้ดี ลดการเกิดของเหลือ (waste) จากกระบวนการสังเคราะห์ ช่วยเพิ่มทำให้สามารถสังเคราะห์ MOFs ได้อย่างต่อเนื่อง ทลายคอขวดในด้านการอัพสเกลการผลิตได้
ผลจากการคิดค้นและพัฒนาของนักวิจัยนาโนเทค ทำให้สามารถ UiO-66 ได้ถึง 1 กิโลกรัมต่อชั่วโมง และ MIL-53 ที่ราว 20 กิโลกรัมต่อชั่วโมง และยังสามารถประยุกต์ใช้กับ MOFs อื่นๆ ได้ทุกแบบ
“วัสดุโครงข่ายโลหะอินทรีย์หรือ MOFs นั้น มีขาย แต่ส่วนมากใช้ในงานวิจัยและพัฒนา ในขณะที่ในประเทศไทย ไม่ได้มีคนใช้ เพราะหาซื้อไม่ได้ ต้องนำเข้าจากต่างประเทศ ซึ่งเมื่อ 5 ปีที่แล้ว มีเพียงไม่กี่บริษัททั่วโลกที่มี MOFs ขาย แม้ปัจจุบัน จะมีผู้จำหน่ายหลายรายมากขึ้น แต่ก็ยังไม่แพร่หลาย ด้วยปัจจัยด้านราคาเป็นหลัก” ดร. ชลิตากล่าว พร้อมเสริมว่า MOFs ที่นาโนเทคพัฒนาขึ้นนั้น มีต้นทุนที่ถูกกว่า ทำให้สามารถแข่งขันได้ทั้งในเรื่องของประสิทธิภาพและราคา ปัจจุบัน เริ่มมีเอกชนรายใหญ่ที่แสดงความสนใจ และติดต่อเข้ามาแล้วโดยเฉพาะเรื่องของการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งตัว MOFs ที่นาโนเทคทำได้ ก็มีหลากหลายรูปแบบ หลากหลายการใช้งาน เป็นโอกาสที่จะต่อยอดได้ในอนาคต
ปัจจุบัน ดร. ชลิตาเผยว่า ได้จดทรัพย์สินทางปัญญา 2 สิทธิบัตร คือ การสังเคราะห์ UiO-66 และ MIL-53 ซึ่งทีมวิจัยนาโนเทคเอง พร้อมสำหรับความร่วมมือในด้านต่างๆ ทั้งการผลิต MOFs, การจ้างวิจัยเพื่อพัฒนาสูตรเฉพาะ รวมถึงการรับถ่ายทอดเทคโนโลยีอีกด้วย
นอกจากนี้ นักวิจัยนาโนเทคยังแย้มว่า ทีมวิจัยยังมีแผนที่จะนำไปประยุกต์ใช้เพื่อเปลี่ยนของเหลือจากกระบวนการผลิต (waste) ในอุตสาหกรรมต่างๆ ที่มีความเป็นไปได้มาสังเคราะห์เป็น MOFs ที่มีมูลค่าสูงได้อีกด้วย
