การพัฒนาไส้กรองอากาศซิลิกอนคาร์ไบด์จากเซลลูโลสพืชเคลือบด้วยสารโฟโตคะตะลิสต์

ปัญหาสภาพอากาศในประเทศไทยที่มีฝุ่นละอองขนาดเล็ก ทั้งขนาดไม่เกิน 10 ไมโครเมตร (PM10) และขนาดไม่เกิน 2.5 ไมโครเมตร (PM2.5) ส่งผลกระทบต่อระบบทางเดินหายใจ ซึ่งอาจรุนแรงถึงขั้นก่อให้เกิดโรคมะเร็งปอด ดังนั้น งานวิจัยนี้จึงมุ่งศึกษาพัฒนาไส้กรองอากาศเพื่อใช้เป็นองค์ประกอบของเครื่องกรองอากาศภายในบ้านเรือน โดยไส้กรองดังกล่าวถูกเตรียมจากโครงสร้างพืชที่มีรูพรุนของเซลลูโลส ซึ่งเหมาะสมสำหรับใช้เป็นวัสดุกรอง ผ่านกระบวนการทำแห้งแบบเยือกแข็ง (freeze-drying) หรือการอบเพื่อลดความชื้น จากนั้นนำไปผ่านกระบวนการเผาแบบไพโรไลซิส เพื่อให้ได้ถ่านคาร์บอนพรุน

ต่อมา ถ่านที่ได้จากโครงสร้างพืชดังกล่าวถูกเคลือบด้วยผงซิลิกอน (Si) และเผาด้วยอุณหภูมิสูง (1300–1500°C) เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาสร้างผิวเคลือบเป็นซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) จากนั้น ชั้นนอกสุดของไส้กรองจะถูกเคลือบด้วยสารโฟโตคะตะลิสต์ชนิดกราฟิติกซิลิกอนไนไตรด์ (g-C₃N₄) เพื่อเสริมคุณสมบัติในการฆ่าเชื้อแบคทีเรียและ/หรือไวรัส ทั้งนี้ ไส้กรองซิลิกอนคาร์ไบด์ที่เคลือบด้วยสารโฟโตคะตะลิสต์ที่พัฒนาได้ จะถูกนำไปประกอบในเครื่องกรองอากาศต้นแบบ

ผลการทดลองพบว่าสภาวะที่เหมาะสมในการเผาเพื่อให้ได้ถ่านที่คงรูปและมีเปอร์เซ็นต์สารระเหยมากที่สุด จากพืชที่เลือกมา 9 ชนิด ได้แก่ ก้านใบธูปฤาษี ก้านดอกธูปฤาษี กระจูด อ้อ (ทั้งแบบขูดผิวและไม่ขูดผิว) ก้านดอกบัวหลวง ผักตบชวา สายบัว กะลาปาล์ม และไม้ไผ่ (ทั้งแบบขูดผิวและไม่ขูดผิว) คือการเผาที่อุณหภูมิ 800°C เป็นเวลา 90 นาที

เมื่อนำถ่านที่ได้ไปเตรียมไส้กรองซิลิกอนคาร์ไบด์ด้วยกระบวนการคาร์โบเทอร์มิก โดยการเคลือบผงซิลิกอนบนผิวของถ่านไบโอชาร์ พบว่า ที่ผิวของถ่านไบโอชาร์ชนิดท่อ (tube) เกิดเส้นใยนาโนซิลิกอนคาร์ไบด์ปกคลุม ซึ่งมีขนาดเล็ก พื้นที่ผิวสูง มีขนาดรูพรุนเฉลี่ย 0.1–4 ไมครอน และมีปริมาณรูพรุนในช่วง 50–80% อย่างไรก็ตาม เมื่อทดสอบค่าความดันตกคร่อม (pressure drop) พบว่ายังมีค่าสูงเกินไป จึงได้ปรับรูปแบบไส้กรองเป็นแผ่นกลมบาง (disc) ซึ่งมีความดันตกคร่อมต่ำกว่า

สำหรับการสังเคราะห์สารโฟโตคะตะลิสต์ ทำโดยการเผายูเรียที่อุณหภูมิ 400–600°C ซึ่งได้เป็นสาร g-C₃N₄ จากนั้นนำสารที่สังเคราะห์ได้ที่อุณหภูมิ 550°C เป็นเวลา 30 นาที ไปเติมด้วยผง Sn ได้สาร g-(C,Sn₀.₅)₃N₄ ซึ่งมีคุณสมบัติในการดูดกลืนแสงในช่วง 600 นาโนเมตร และมีอัตราการสลายตัวของเมทิลีนบลูเมื่อฉายแสงสีน้ำเงิน อยู่ที่ 0.11 ที่เวลา 12 ชั่วโมง (สำหรับ g-C₃N₄) และ 0.27 a.u.mg/ml/h ที่เวลา 10 ชั่วโมง (สำหรับ g-(C,Sn₀.₅)₃N₄) เมื่อเติม V₂O₅ 0.1 โมล ได้เป็น g-(C,Sn₀.₅)₃N₄–V₂O₅ ซึ่งสามารถสลายเมทิลีนบลูด้วยแสงสีน้ำเงินได้เร็วที่สุด คือ 0.68 a.u.mg/ml/h ภายในเวลา 4 ชั่วโมง

นอกจากนี้ ไส้กรองที่พัฒนาขึ้นยังสามารถต้านเชื้อแบคทีเรีย Staphylococcus aureus ATCC 6538P และต้านไวรัส Infectious Bronchitis Virus (IBV) ได้ภายใน 30 นาที ภายใต้การฉายแสงสีน้ำเงิน ผลการทดสอบประสิทธิภาพการกรองตามมาตรฐาน ASTM F2299-03 ของไส้กรองซิลิกอนคาร์ไบด์เคลือบสารโฟโตคะตะลิสต์จากพืช 3 ชนิด ได้แก่ ไผ่ (ขูดผิวและไม่ขูดผิว), อ้อ (ขูดผิวและไม่ขูดผิว) และก้านดอกธูปฤาษี พบว่าสามารถกรองอนุภาค PM2.5 ได้ในช่วง 95–99% อย่างไรก็ตาม ค่าความดันตกคร่อม (Delta P) ยังสูงอยู่ที่ 762 mmH₂O ซึ่งเกินมาตรฐาน จึงได้เปลี่ยนรูปแบบไส้กรองเป็นแบบแผ่นกลมบาง ที่ให้ค่าความดันตกคร่อมต่ำ (0 mmH₂O) ซึ่งพัฒนาและทดลองภายในห้องปฏิบัติการ

ในขั้นตอนสุดท้าย ได้สร้างเครื่องกรองอากาศต้นแบบ โดยออกแบบให้มีพัดลมเป่าลมผ่านไส้กรอง เพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพการกรองของเครื่องต้นแบบ โดยใช้ควันธูปจำลองฝุ่น PM2.5 ผลการทดลองพบว่า เครื่องกรองต้นแบบรุ่นที่ 3 ซึ่งใช้ไส้กรองแบบแผ่นกลมบาง มีประสิทธิภาพการกรองในเกณฑ์ดี โดยสามารถลดความเข้มข้นของควันธูปจาก 600 ไมโครกรัมต่อลูกบาศก์เมตร เหลือ 70 ไมโครกรัมต่อลูกบาศก์เมตร ภายในเวลา 47 นาที คิดเป็นประสิทธิภาพการกรองที่ 0.47 ลูกบาศก์เมตรต่อตารางเมตรต่อนาที