KM 2569 กองนวัตกรรมวัตถุดิบอุตสาหกรรมต่อเนื่อง (กนอ.)

ชื่อเรื่อง : “MOFs: วัสดุอนาคตเปลี่ยนโลก“

1. ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับ MOFs และเครื่อง Breakthrough Carbon Capture

1.1 ประวัติของ MOFs

MOFs หรือ Metal-Organic Frameworks ได้ถูกคิดค้นขึ้นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1995 โดยศาสตร์ตราจารย์ Omar M. Yaghi และกำลังได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องจนถึงปัจจุบัน

1.2 โครงสร้างของ MOFs

MOFs เป็นวัสดุโครงสร้างสามมิติ ประกอบด้วย Metal ion เป็นจุดศูนย์กลางของโครงสร้างย่อย ๆ และลิแกนด์อินทรีย์ เป็นตัวเชื่อมในโครงสร้าง โดยเชื่อม Metal ion ไว้ด้วยกัน โดยโลหะกับลิแกนอินทรีย์จะเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโคออร์ดิเนต

คุณสมบัติของ MOFs

1) พื้นที่ผิวจำเพาะสูง

2) ปรับแต่งรูพรุนได้อิสระ

3) ปรับเปลี่ยนโครงสร้างทางเคมีได้ ด้วยการเลือกชนิดของโลหะและลิแกนด์อินทรีย์ที่แตกต่าง โดย MOFs มีโครงสร้างผลึกที่สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ

ประเภทของ MOFs
UiO series สามารถสังเคราะห์ได้จากโลหะไทเทเนียม, Zr 4+ กับลิแกนด์อินทรีย์กรดไดคาร์บอกซิลิก โดย MOFs ประเภทนี้จะมีลักษณะเด่น คือ มีความเสถียรภาพความทางร้อนและเคมีสูง
ZIF series สามารถสังเคราะห์ได้จากโลหะที่มีประจุ +2 เช่น Zn 2+ หรือ Co 2+ กับลิแกนด์อินทรีย์กลุ่มอิมิดาโซเลต ซึ่งประกอบด้วยธาตุไนโตรเจน โดย MOFs ประเภทนี้มีลักษณะเฉพาะ คือ มีโครงสร้างคล้าย Zeolite แต่ปรับแต่งได้หลากหลายกว่า
MIL series สามารถสังเคราะห์ได้จากโลหะแลนทาไนด์กับลิแกนด์อินทรีย์กรดไดคาร์บอกซิลิก หรือโลหะที่มีประจุ +3 เช่น Fe³⁺, Cr³⁺ และ Al³⁺ กับลิแกนด์อินทรีย์กรดเทเรฟทาลิก โดย MOFs ประเภทนี้มีลักษณะเด่น คือ มีความแข็งแรงทางเคมีสูง
PCN series สามารถสังเคราะห์ได้จากตัวโลหะ Cu 2+ กับลิแกนด์อินทรีย์ที่มีโครงสร้างยาว เช่น s-heptazine trebenzoate โดย MOFs ประเภทนี้มีลักษณะเด่น คือ มักจะมีพื้นที่ผิวสัมผัสสูงและมีรูพรุนขนาดใหญ่
IRMOF series สามารถสังเคราะห์ได้จากโลหะที่มีโครงสร้างทุติยภูมิ (SBU) เป็น (Zn 4 O) 6+ กับลิแกนด์อินทรีย์อะโรมาติกคาร์บอกซิลิก โดย MOFs ประเภทนี้มีลักษณะเด่น คือ มีโครงสร้างที่คล้ายกัน แต่มีลักษณะรูพรุนที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับชนิดของลิแกนด์อินทรีย์ที่เลือกใช้
1. เทคนิคการสังเคราะห์ MOFs
วิธีดั้งเดิม (Conventional Method) นำตัวทำละลายใส่ในภาชนะปิด แล้วให้ความร้อนเหนือจุดเดือดของตัวทำละลาย โดยวิธีนี้เป็นวิธีที่นิยมมากในการสังเคราะห์ MOFs แต่ข้อเสีย คือ ใช้เวลานาน ในการสังเคราะห์
วิธีทางไฟฟ้าเคมี (Electrochemical Method) จะทำการเตรียมสารละลายโลหะ ผสมเข้ากับ
ลิแกนด์และอิเล็กโทรไลต์ โดยวิธีนี้มีข้อดีคือ สามารถสังเคราะห์ได้อย่างรวดเร็ว เป็นวิธีที่ใช้ในระดับอุตสาหกรรม
การใช้คลื่นไมโครเวฟ (Microwave-Assisted Method) เป็นการสังเคราะห์ MOFs อย่างรวดเร็วและได้ปริมาณ MOFs สูงเมื่อเปรียบเทียบกับวิธีดั้งเดิม โดยวิธีนี้สามารถใช้จับคู่กับวิธีอื่นได้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการสังเคราะห์MOFs
วิธีการใช้คลื่นเสียง (Sonochemical Method) เป็นการใช้คลื่นเสียงพลังงานสูง กระตุ้นให้เกิดฟองที่มีพลังงานในช่วงเวลาสั้น ๆ ทำให้เกิดผลึกในตำแหน่งดังกล่าว เป็นวิธีที่ใช้ลดระยะเวลาในการเกิดปฏิกิริยา
วิธีการใช้แรงกลทางเคมี (Mechanochemical Method) วิธีนี้เป็นการใช้แรงกล หรือแรงบด แทนการใช้ตัวทำละลาย วิธีนี้เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เนื่องจากไม่มีตัวทำละลายในระบบ แต่ข้อจำกัดของวิธีนี้คือ การควบคุมผลึกให้มีความสม่ำเสมอ เนื่องจากไม่มีตัวทำละลายเข้ามาเกี่ยวข้อง

ทั้งนี้ การเลือกใช้วิธีการในการสังเคราะห์ขึ้นอยู่กับเป้าหมายในการใช้งาน หากต้องการพื้นที่ผิวสัมผัสมาก ขนาดรูพรุนเฉพาะ หรือมีความเสถียรทางความร้อน ต้องเลือกใช้วิธีการสังเคราะห์ให้ถูกวิธี

ประโยชน์ของ MOFs
ด้านการแพทย์ในการนำส่งยา (Drug Delivery) MOFs เปรียบเสมือนแคปซูลในระดับนาโนที่ช่วยบรรจุตัวยาไว้ภายใน แล้วค่อย ๆ ปล่อยตัวยาไปที่เซลล์เป้าหมาย
การกักเก็บก๊าซ (Gas Storage) เนื่องจาก MOFs มีลักษณะคล้ายฟองน้ำที่มีรูพรุนจำนวนมาก จึงสามารถใช้รูพรุนในการดูดซับและกักเก็บก๊าซเอาไว้ได้
การแยกก๊าซ (Gas Separation) การแยกก๊าซ เป็นกระบวนการสำคัญในอุตสาหกรรมพลังงานและปิโตรเคมี โดยเฉพาะแก๊สธรรมชาติจำเป็นต้องแยก C₃H₈ , C₂H₆ และ CH₄ ออก ซึ่งเป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานสูงมาก โดยการนำ MOFs มาใช้ในการแยกก๊าซ คือ MOFs จะทำหน้าที่เหมือนแผ่นกรองที่แยกชนิดของสารต่าง ๆ ที่มีขนาดแตกต่างกัน ออกจากก๊าซผสมได้อย่างมีประสิทธิภาพ การแยกก๊าซด้วย MOFs จึงไม่ใช่แค่การประหยัดพลังงานเพียงอย่างเดียว แต่ยังช่วยเพิ่มความแม่นยำให้กับอุตสาหกรรมแปรรูปก๊าซได้อย่างมหาศาล
การตรวจจับปฏิกิริยาทางเคมี (Chemical Sensors) MOFs จะทำหน้าที่เหมือนเซ็นเซอร์ในการตรวจจับสารเคมีหรือก๊าซพิษ เช่น การนำ MOFs ชนิด ZIF-67 มาใช้ในการตรวจจับก๊าซฟอร์มาลดีไฮด์ (Formaldehyde) ซึ่งพบได้มากในอาคารอุตสาหกรรมและเฟอร์นิเจอร์ พบว่า เซ็นเซอร์ตัวนี้สามารถ ตรวจจับก๊าซฟอร์มาลดีไฮด์ได้ที่อุณหภูมิต่ำเพียง 150 องศาเซลเซียส และให้ผลตอบสนองที่ไวมากแม้ในความเข้มข้นเพียง 5 ppm
การบำบัดน้ำเสีย (Wastewater Treatment) ในภาคอุตสาหกรรม เช่น สิ่งทอ ฟอกหนัง หรือแม้แต่ในอาหาร มักปล่อยน้ำเสียที่มีสีย้อมอินทรีย์ซึ่งเป็นสารตกค้างในสิ่งแวดล้อมและทำลายสิ่งมีชีวิตในแม่น้ำ โดย MOFs จะทำหน้าที่เหมือนฟองน้ำที่มีแม่เหล็กดูดซับเฉพาะสีย้อมที่ปนเปื้อนในน้ำออกไป

2. เครื่อง Breakthrough Carbon Capture

เครื่อง Breakthrough Carbon Capture เป็นเครื่องดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ที่ได้รับการออกแบบและพัฒนาขึ้นเพื่อใช้ในการทดสอบสมรรถนะการดักจับ CO₂ ภายใต้สภาวะก๊าซไอเสียจำลอง (Flue gas simulation) ซึ่งมีองค์ประกอบใกล้เคียงกับก๊าซไอเสียจริง โดยทั่วไปประกอบด้วยก๊าซ CO₂ ประมาณ 8-10%, ก๊าซไนโตรเจน (N₂) 67-72%, ไอน้ำ 18-20% และก๊าซซัลเฟอร์ออกไซด์ (SO_x) และไนโตรเจนออกไซด์ (NO_x) ในปริมาณเล็กน้อย การจำลองดังกล่าวช่วยสะท้อนการทำงานที่ใกล้เคียงกับการใช้งานจริง และสามารถใช้ประเมินศักยภาพของวัสดุกรอบโลหะอินทรีย์ (MOFs) ในการดักจับ CO₂ ภายใต้สภาวะอุตสาหกรรมได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การใช้งานเครื่องดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ประกอบด้วย 4 ขั้นตอน ได้แก่

ขั้นตอนที่หนึ่ง คือการตั้งค่าก๊าซ โดยป้อนก๊าซ CO₂ เข้าสู่ระบบที่ความเข้มข้น 400 ppm สำหรับการดักจับอากาศโดยตรง (Direct Air Capture, DAC) และ 10-15 % v/v สำหรับก๊าซไอเสีย (Flue gas) โดยมีก๊าซ N₂ และไอน้ำเป็นก๊าซสมดุล

ขั้นตอนที่สอง MOFs ดูดซับก๊าซ CO₂

ขั้นตอนที่สาม คือการตรวจวัดความเข้มข้นของก๊าซ CO₂ โดยใช้เซนเซอร์ ทั้งระบบถูกควบคุมและตรวจสอบผ่านโปรแกรม VOWS-P25-CO2 Adsorption โดยมีการควบคุมอุณหภูมิ (สูงสุด 1000 เซลเซียส, 800 วัตต์) ความดัน (ช่วง -0.85 ถึง 0.9 บาร์) และอัตราการไหลของก๊าซ (สูงสุด 100 sccm) ผ่านระบบคอมพิวเตอร์

ขั้นตอนที่สี่ การฟื้นฟู MOFs (Regeneration) ทำการไล่ก๊าซ CO₂ ออกจาก MOFs โดยการเพิ่มอุณหภูมิหรือลดความดัน