 |
ทางเลือกใหม่ด้านพลังงานหมุนเวียน: การเปลี่ยนน้ำเสียอุตสาหกรรมให้เป็นแก๊สเชื้อเพลิง
เทคโนโลยีการเปลี่ยนน้ำเสียอุตสาหกรรมให้เป็นแก๊สเชื้อเพลิงโดยกระบวนการ Catalytic Hydrothermal Gasification เป็นเทคโนโลยีที่น่าสนใจมาก เนื่องจากมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เร็วมาก และเหมาะสมกับน้ำเสียอุตสาหกรรมที่กระบวนการชีวภาพไม่สามารถบำบัดได้
|
หน้าที่ 1 - ทางเลือกใหม่ด้านพลังงานหมุนเวียน: การเปลี่ยนน้ำเสียอุตสาหกรรมให้เป็นแก๊สเชื้อเพลิง
ขอขอบคุณข้อมูลภายใต้ความร่วมมือของ JGSEE กับวิชาการดอทคอม
URL : www.jgsee.kmutt.ac.th
ดร. นคร วรสุวรรณรักษ์
บัณฑิตวิทยาลัยร่วมด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อม
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี
เป็นที่ทราบกันดีว่าเราสามารถเปลี่ยนน้ำเสียให้เป็นแก๊สเชื้อเพลิงได้ด้วยเทคโนโลยีที่ใช้กระบวนการทางชีวภาพ ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่อาศัยจุลินทรีย์ในการเปลี่ยนสารอินทรีย์ที่อยู่ในน้ำเสียให้กลายเป็นแก๊สมีเทน หรือที่เราเรียกว่าแก๊สชีวภาพ ซึ่งในปัจจุบันกระบวนการดังกล่าวมีใช้อยู่ในระดับอุตสาหกรรม สามารถเปลี่ยนน้ำเสียที่ได้จากอุตสาหกรรมเกษตรเช่น น้ำเสียจากโรงงานน้ำมันปาล์ม น้ำเสียจากโรงงานแป้งมันสำปะหลัง ให้กลายเป็นแก๊สชีวภาพซึ่งสามารถนำมาใช้ทดแทนน้ำมันเตาในการให้ความร้อนหรือผลิตไฟฟ้าได้ สามารถช่วยลดค่าใช้จ่ายทางด้านพลังงานแก่โรงงานได้เป็นจำนวนมาก และในขณะเดียวกันก็เป็นการบำบัดน้ำเสียอีกด้วย อย่างไรก็ตามมีเทคโนโลยีอีกประเภทหนึ่งที่สามารถเปลี่ยนน้ำเสียให้เป็นแก๊ซเชื้อเพลิงได้ เทคโนโลยีนี้ใช้กระบวนการทางเคมีที่อาศัยตัวเร่งปฏิกิริยาหรือคะตะลิสต์ในการเปลี่ยนสารอินทรีย์ที่อยู่ในน้ำเสียให้กลายเป็นแก๊สมีเทนและแก๊สไฮโดรเจน กระบวนการการเปลี่ยนน้ำเสียให้เป็นแก๊สเชื้อเพลิงทั้ง 2 เทคโนโลยีดังกล่าว มีข้อได้เปรียบและข้อจำกัดต่างกัน กล่าวคือ กระบวนการทางชีวภาพอาศัยจุลินทรีย์ในการทำปฏิกิริยา ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่ช้า ต้องใช้ถังปฏิกรณ์หรือพื้นที่ขนาดใหญ่ ใช้เวลานาน และไม่สามารถใช้ได้กับน้ำเสียที่มีสารอินทรีย์จำพวก polyphenol หรือสารลิกนินปนอยู่ ในขณะเดียวกันกระบวนการทางเคมีที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยามีอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เร็วกว่ากระบวนการทางชีวภาพมาก จึงใช้ถังปฏิกรณ์หรือพื้นที่ขนาดเล็กกว่า ใช้เวลาน้อยกว่า สามารถบำบัดน้ำเสียได้ปริมาณมาก และสามารถบำบัดน้ำเสียที่เกิดจากอุตสาหกรรมเคมีซึ่งกระบวนการทางชีวภาพไม่สามารถบำบัดได้ แต่ทั้งนี้เทคโนโลยีการเปลี่ยนน้ำเสียอุตสาหกรรมให้เป็นแก๊สเชื้อเพลิงโดยกระบวนการทางเคมีซึ่งใช้ตัวเร่งปฏิกิริยายังอยู่ในขั้นการวิจัย ยังไม่มีใช้อยู่ในระดับอุตสาหกรรม จึงยังต้องใช้เวลาอีกสักพักในการวิจัยเพื่อพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาให้มีประสิทธิภาพและเหมาะสมกับน้ำเสียอุตสาหกรรมแต่ละประเภท
ในที่นี้ผู้เขียนจะขอแนะนำกระบวนการเปลี่ยนน้ำเสียให้เป็นแก๊สเชื้อเพลิงโดยกระบวนการทางเคมีที่เรียกว่า Catalytic Hydrothermal Gasification คือกระบวนการเปลี่ยนสารอินทรีย์ในน้ำเสียให้กลายเป็นแก๊สเชื้อเพลิงโดยอาศัยตัวเร่งปฏิกิริยาในสภาวะอุณหภูมิและความดันสูง ซึ่งในสภาวะ Hydrothermal น้ำจะยังเป็นสถานะของเหลว โดยทั่วไปจะใช้อุณหภูมิประมาณ 300 – 350oC และความดันประมาณ 100 - 200 bar ซึ่งหัวใจสำคัญของกระบวนการ Catalytic Hydrothermal Gasification คือตัวเร่งปฏิกิริยา กล่าวคือตัวเร่งปฏิกิริยาต้องสามารถทนต่อสภาวะอุณหภูมิสูงและความดันสูงได้ ตัวเร่งปฏิกิริยาต้อง active และมีพื้นที่ผิวตลอดจนขนาดรูพรุนที่เหมาะแก่การทำปฏิกิริยา มีนักวิจัยจำนวนมากได้ศึกษาการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสมกับกระบวนการดังกล่าว ผู้เขียนจะขอแนะนำตัวเร่งปฏิกิริยาบางตัว ดังนี้
Elliott และคณะ 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 มีหน่วยเป็น g/(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 และคณะยังได้ทำการทดสอบประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวโดยพบว่าตัวเร่งปฏิกิริยารูธีเนียมบนคาร์บอน ดังกล่าวสามารถคงประสิทธิภาพการแก๊สซิฟิเคชันได้แม้ว่าจะใช้นานถึง 220 ชั่วโมง
Miura และคณะ จากมหาวิทยาลัยเกียวโต ประเทศญี่ปุ่น ได้พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะนิเกิล บนคาร์บอน และประสพความสำเร็จในการเปลี่ยนน้ำเสียอุตสาหกรรมอิเลกทรอนิกส์ที่มีส่วนผสมของสาร phenol และสาร methyl ethyl ketone ให้เป็นแก๊สได้สมบูรณ์ โดยสารอินทรีย์ในน้ำเสียดังกล่าวสามารถเปลี่ยนเป็นแก๊สมีเทน แก๊สคาร์บอนได้ออกไซด์ และแก๊สไฮโดรเจน ที่อุณหภูมิ 270oC และความดัน 90 bar และใช้ค่า LHSV ที่ 5 h-1 ซึ่งอุณหภูมิดังกล่าวเป็นอุณหภูมิที่ค่อนข้างต่ำ แสดงให้เห็นว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่พัฒนาโดย Miura และคณะมีประสิทธิภาพสูงมาก นอกจากนี้ยังพบว่าแก๊สเชื้อเพลิงที่ได้จากการแก๊สซิฟิเคชันน้ำเสียดังกล่าวมีองค์ประกอบดังนี้ แก๊สมีเทน 53%, แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ 41% และแก๊สไฮโดรเจน 6% ซึ่งแก๊สเชื้อเพลิงดังกล่าวมีค่าความร้อนประมาณ 20 MJ/m3 (ค่าความร้อนเทียบเท่าปริมาณน้ำมันดิบ 0.5 kg) ดังนั้นแก๊สเชื้อเพลิงนี้สามารถใช้ทดแทนน้ำมันเตาในหม้อต้มน้ำได้ นอกจากนี้ Miura และคณะยังได้ศึกษาประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาโดยการทดลองแก๊สซิฟิเคชันเป็นเวลา 500 ชั่วโมง ซึ่งพบว่าประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวไม่ตกลงเลย
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในกระบวนการ 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 และผลิตภัณฑ์ที่ได้จากกระบวนการดังกล่าวคือ แก๊สเชื้อเพลิงและน้ำสะอาดเท่านั้น ซึ่งองค์ประกอบแก๊สเชื้อเพลิงที่ได้จะมีค่าความร้อนประมาณ 20 MJ/m3 เมื่อพิจารณาน้ำเสียที่มีองค์ประกอบ phenol 2% จะพบว่าน้ำเสียปริมาณ 1 ลูกบาศก์เมตรจะสามารถผลิตเป็นแก๊สเชื้อเพลิงได้ 43 ลูกบาศก์เมตร ซึ่งมีความร้อนเทียบเท่ากับน้ำมันดิบ 21.5 kg โดยสามารถนำมาใช้ทดแทนน้ำมันเตาในหม้อต้มน้ำได้โดยตรง
ดังที่กล่าวมาทั้งหมด เทคโนโลยีการเปลี่ยนน้ำเสียอุตสาหกรรมให้เป็นแก๊สเชื้อเพลิงโดยกระบวนการ Catalytic Hydrothermal Gasification เป็นเทคโนโลยีที่น่าสนใจมาก เนื่องจากมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เร็วมาก และเหมาะสมกับน้ำเสียอุตสาหกรรมที่กระบวนการชีวภาพไม่สามารถบำบัดได้ นอกจากนี้ตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวยังสามารถที่จะนำมาประยุกต์ใช้กับกระบวนการแก๊สซิฟิเคชันชีวมวลได้อีกด้วย แต่ทั้งนี้เนื่องจากเทคโนโลยี Catalytic Hydrothermal Gasification ยังเป็นเทคโนโลยีที่ใหม่มากและยังอยู่ในระดับวิจัย ยังต้องใช้เวลาในการพัฒนาอีกพอสมควรจึงจะมีใช้ในเชิงพาณิชย์
รูปกระบวนการ Catalytic Hydrothermal Gasification
หมายเหตุ
บัณฑิตวิทยาลัยร่วมด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อม ได้รับการสนับสนุนจากสำนักพัฒนาบัณฑิตศึกษาและวิจัยด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี สำนักงานคณะกรรมการการอุดมศึกษา และจากสำนักงานนโยบายและแผนพลังงาน บทความนี้ เป็นความเห็นของผู้เขียน ซึ่งไม่จำเป็นต้องสอดคล้องกับความเห็นของหน่วยงานที่เกี่ยวข้อง
*หมายเหตุ
งานเขียนชิ้นนี้ ได้รับการคุ้มครองสิทธิตามพระราชบัญญัติคุ้มครองสิทธิทางปัญญา โดยลิขสิทธิเป็นของผู้เขียน ที่ให้เกียรตินำเผยแพร่ผ่าน วิชาการ.คอม เรามีความยินดีและอนุญาตให้ทำซ้ำหรือเผยแพร่ต่อเพื่อประโยชน์ทางการศึกษาเท่านั้น กรุณาให้เกียรติผู้เขียน โดยอ้างชื่อผู้เขียนและแหล่งข้อมูลทุกครั้งที่ทำการเผยแพร่ต่อ ห้ามนำส่วนหนึ่งส่วนใดไปเผยแพร่ต่อในสื่อที่เอื้อประโยชน์ทางธุรกิจก่อนได้รับอนุญาต ขอขอบคุณที่ร่วมกันช่วยสร้างให้สังคมไทยเป็นสังคมแห่งปัญญา
