นาโนเทคโนโลยี เพื่อสิ่งแวดล้อม

การนำนาโนเทคโนโลยี มาใช้ในงานสิ่งแวดล้อมนั้นดูเหมือนว่าจะเป็นศาสตร์ใหม่ที่หลายคนไม่คุ้นเคย นักในความเป็นจริงแล้วพื้นฐานของการนำแนวทางในการนำเทคโนโลยีนี้มาจากการพัฒนาวัสดุให้มีขนาดเล็ก ลงในระดับนาโนโดยมีสัดส่วนของพื้นที่ผิวต่อปริมาตรที่สูงขึ้น ซึ่งจะทำให้ได้ลักษณะสมบัติใหม่ เช่น มีสมบัติ ทางแม่เหล็ก มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยา สามารถดูดกลืนคลื่นแสงวิซิเบิลได้ และนำลักษณะสมบัติใหม่ ของวัสดุนาโนนั้นๆ มาใช้งานบนพื้นฐานปฎิกิริยาทางเคมี หรือเคมีกายภาพ ที่มีอยู่เดิม เช่น กระบวนการดูดซับ ปฏิกิริยารีดอกซ์ โฟโตเคมี (photochemistry) ซึ่งการนำวัสดุนาโนไปใช้งานด้วยปฏิกิริยาเหล่านี้ทำให้ต้องมี การพัฒนา ปรับปรุง และประยุกต์แนวทางการนำไปใช้ในการป้องกัน บำบัด และกำจัดมลพิษขึ้นใหม่ ซึ่งนำไปสู่เกิดนวัตกรรมใหม่ๆ ที่เกิดขึ้นและใช้งานในรูปของผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ

ในปัจจุบัน นาโนต่อสิ่งแวดล้อมและสุขภาพของมนุษย์ซึ่งเป็นประเด็นที่ต้องตระหนักอย่างมากในการนําเทคโนโลยีนี้ไปใช้ งาน เพื่อไม่ให้วัสดุนาโนที่สร้างประโยชน์อย่างมากนี้มาเป็นปัญหามลพิษในสิ่งแวดล้อมที่ต้องมาแก้ไขปัญหากัน ในภายหลัง โดยมุ้งหวังว่าความรู้และประสบการณ์จากงานวิจัยที่ปรากฏในเล่มนี้จะนําไปสู่การจุดประกายให้มี การค้นวคว้าวิจัยและพัฒนาศาสตร์ในด้านนี้เพื่อนําไปใช้ประโยชน์ในการแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อมให้กับประเทศไทย มากยิ่งขึ้น

1. ความสําคัญของ นาโนเทคโนโลยี ในการป้องกันและกําจัดมลพิษในสิ่งแวดล้อม

นาโนเทคโนโลยี เป็นเทคโนโลยีในระดับของอะตอม โมเลกุล และอนุภาคของโมเลกุลที่มีขนาดในช่วง ระหว่าง 1-100 นาโนเมตร และเป็นกระบวนการสร้างโดยใช้โครงสร้างของวัสดุ อุปกรณ์ และระบบต่างๆ ที่ ผลิตขึ้นมาซึ่งมีลักษณะสมบัติใหม่ที่เป็นผลมาจากขนาดที่เล็กมากของวัสดุ โดยสามารถควบคุมหรือใช้งานวัสดุ ในระดับอะตอมนั้น (NNI, 2008) นาโนเทคโนโลยีได้ถูกนำมาใช้กับงานอุตสาหกรรมหลากหลายประเภท เช่น อุตสาหกรรมทางการแพทย์ อุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์ อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ อุตสาหกรรมสิ่งทอ อุตสาหกรรมก่อสร้าง ซึ่งรวมไปถึงการนำไปใช้งานด้านการป้องกันและกำจัดมลพิษในสิ่งแวดล้อม เช่น การใช้ เทคโนโลยีนี้ร่วมกับการสร้างผิวถนนจราจร และอุโมงค์ต่างๆ ในประเทศอังกฤษเพื่อลดมลพิษบนท้องถนน การใช้วัสดุนโนในผนังคอนกรีตและกระจกอาคารในการกำจัดคราบสกปรกและเชื้อโรค การใช้วัสดุ นาโนในการผลิตเมมเบรนสำหรับระบบผลิตน้ำดื่ม จากความก้าวหน้าของวิทยาการด้านนี้ทำให้นโนเทคโนโลยี ยังคงมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง และจะทำให้เกิดนวัตกรรมในการป้องกันสิ่งแวดล้อมอีกมากในอนาคตอันใกล้ โดยเฉพาะการแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อมทั้งในส่วนของการผลิตน้ำสะอาด การกำจัดมลพิษทางน้ำและอากาศ รวมทั้งการฟื้นฟูพื้นที่ปนเปื้อนและการกำจัดของเสียอันตราย นอกจากนี้ ผลิตภัณฑ์ชนิดใหม่ที่มาจากนาโน ทคโนโลยีเพื่อป้องกันมลพิษในสิ่งแวดล้อมนั้น จะปรากฏในตลาดสินค้าในระดับสากล ทั้งในปัจจุบัน และอนาคตอันใกล้นี้

2. ลักษณะพื้นฐานและคุณสมบัติของวัสดุนาโน

วัสดุนาโนที่นิยมนำมาใช้งานในการบำบัดและกำจัดมลพิษนั้น มักมีลักษณะสมบัติเฉพาะที่ทำให้ สามารถกำจัดมลพิษได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งมาจากขนาดที่เล็กลงของวัสดุ และทำให้เกิดลักษณะสมบัติ พิเศษที่แตกต่างไปจากสารเคมีชนิดเดียวกันที่อยู่ในรูปของก้อนรวม (bulk chemical) ในหลากหลายรูปแบบ จึงสามารถนำวัสดุนาโนไปประยุกต์ใช้งานได้หลากหลายมากขึ้น และทำให้เกิดนวัตกรรม กระบวนการและ ผลิตภัณฑ์ใหม่ที่เกิดขึ้นหลายชนิด รวมทั้งการใช้งานในด้านป้องกัน บำบัด และกำจัดมลพิษอีกด้วย อนึ่ง กระบวนการที่ใช้ในการบำบัดและกำจัดสารพิษนั้นเป็นกระบวนการพื้นฐานที่มีมาอยู่เดิมแล้ว เพียงแต่ ลักษณะเฉพาะของวัสดุนาโนได้ทำให้ประสิทธิภาพของกระบวนการเพิ่มมากขึ้น หรือลดขั้นตอนของ กระบวนการลง ตัวอย่างของกระบวนการบำบัดและกำจัดสารมลพิษพื้นฐานที่มีในกระบวนการโฟโตคะตะไลชิสนั้น ประกอบด้วยกระบวนการดูดซับสารมลพิษบนผิวของวัสดุ และตามมาด้วยการเปลี่ยนรูปหรือย่อยสลายสาร มลพิษที่เกาะติดบนพื้นผิวของวัสดุนั้นๆ โดยทั้งสองกระบวนการเป็นการทำปฏิกิริยาที่ต่อเนื่องกัน ซึ่งการใช้ วัสดุนาโนทำให้การเกิดขึ้นของกระบวนการทั้งสองรวดเร็วมากยิ่งขึ้น และประสิทธิภาพของกระบวนการ เพิ่มขึ้นตามไปด้วย

3. กระบวนการพื้นฐานในการบําบัดและกําจัดสารมลพิษด้วยวัสดุนาโน

การบำบัดและกำจัดมลพิษด้วยวัสดุนาโน อาศัยหลักการของกระบวนการพื้นฐานในการบำบัดและ กำจัดมลพิษที่มีอยู่เดิม โดยกระบวนการที่ใช้ในการบำบัดนั้นอาจมีลักษณะแตกต่างไปจากวัสดุที่มีขนาดใหญ่ (แต่เป็นชนิดเดียวกันกับวัสดุนาโนนั้นๆ อยู่บ้าง ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยารีดักชันเป็นกระบวนการพื้นฐานของ เหล็กนาโนประจุศูนย์โดยเกิดขึ้นกับสิ่งปนเปื้อนที่ดูดติดผิวบนอนุภาคนาโนนั้นๆ ซึ่งเป็นหลักการเดียวกับเหล็ก ประจุศูนย์ที่มีขนาดในระดับไมครอน แต่เนื่องจากเหล็กนาโนประจุศูนย์มีขนาดเล็กมากในระดับนาโนทำให้ พื้นที่ผิวต่อปริมาตรสูง มีพฤติกรรมในลักษณะของคอลลอยด์ และมีลักษณะสมบัติแม่เหล็กซึ่งแตกต่างออกไป จากวัสดุเดียวกันในระดับไมครอน ทำให้แนวทางในการกำจัดมลพิษแตกต่างไปด้วย เพื่อให้เข้าใจถึงกลไกใน การบำบัดและกำจัดมลพิษของวัสดุนาโนเหล่านี้ จึงจำเป็นที่จะต้องเข้าใจ ถึงกระบวนการทางกายภาพ-เคมี พื้นฐานทั่วไปที่เกี่ยวข้อง ก่อนที่จะเข้าสู่กลไกเฉพาะในการบำบัดและกำจัดมลพิษของวัสดุนาโนแต่ละชนิด ซึ่ง แตกต่างกันไปตามลักษณะสมบัติของวัสดุนาโนนั้นๆ

4. วัสดุนาโนและกลไกปฏิกิริยาในการบําบัดและกําจัดมลพิษ

ในบทนี้เนื้อหาจะครอบคลุมวัสดุนาโนที่มีการนํามาใช้งานในการบําบัดและกําจัดมลพิษอย่างเป็น รูปธรรมและสามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งได้แก่ – ไททาเนียมไดออกไซด์และโลหะออกไซด์ได้แก่ซิงค์ออกไซด์และทังสเตนออกไซด์ – วัสดุนาโนรูพรุน ได้แก่ซิลิกา อลูมินา วัสดุนาโนในกลุ่มเหล็ก ได้แก่ ไอรอนออกไซด์และวัสดุนาโนเหล็กประจุศูนย์ – วัสดุนาโนซิลเวอร์ เนื้อหาประกอบด้วยพื้นฐานของวัสดุ ลักษณะสมบัติที่นํามาใช้งานด้านบําบัดและกําจัดสารมลพิษ ตลอดจนพัฒนาการของวัสดุนาโนนั้นๆ ในการบําบัดและกําจัดสารมลพิษ

5. การบําบัดและกําจัดโลหะหนักจากตัวกลางสิ่งแวดล้อมด้วยวัสดุนาโน

รายละเอียดในบทนี้กล่าวถึงการนําวัสดุนาโนและกลไกปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ที่เกิดขึ้นในการบําบัดและ กําจัดโลหะหนัก อย่างไรก็ดีในการกําจัดมลพิษแต่ละชนิดซึ่งมีความจําเพาะของสารมลพิษนั้นๆ สิ่งที่จําเป็น ที่ควรรู้และเข้าใจมากที่สุด คือ ลักษณะพื้นฐานและปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องของมลพิษนั้นๆ ในช่วงแรกของบทนี้ จึงเป็นเนื้อหาในส่วนของลักษณะสมบัติและปฏิกิริยาเคมีพื้นฐานที่เกี่ยวข้องในการบําบัดและกําจัดโลหะหนัก ดูดซับนั้นจะเกิดขึ้นได้มากบนพื้นผิวของเหล็กนาโนประจุศูนย์นอกจากนี้เมื่อสารละลายมีค่าพีเอชสูงนั้น โลหะ หนักหลายชนิดจะตกตะกอนผลึกลงมา ได้แก่แคดเมียม (Cd) สังกะสี(Zn) โคบอลต์(Co) และทองแดง (Cu) ในปัจจุบันได้มีแนวคิดในการการนําเหล็กนาโนประจุศูนย์ไปใช้งานในการกําจัดโลหะหนักทั้งใน น้ําใต้ดินและในดิน ยังต้องมีงานวิจัยรองรับอีกมาก เพื่อให้ได้สภาวะที่เหมาะสมในการบําบัดและการ ดําเนินการในพื้นที่จริงที่มีการปนเปื้อนโลหะหนักอยู่

6. การบําบัดและกําจัดสารอินทรีย์จากตัวกลางสิ่งแวดล้อมด้วยวัสดุนาโน

สารเคมีอินทรีย์เป็นสารเคมีที่ประกอบด้วยธาตุพื้นฐานคือ คาร์บอน และไฮโดรเจนเป็นหลัก โดย สารอินทรีย์เป็นสารเคมีที่มีหลากหลายชนิดทั้งที่เกิดเองในธรรมชาติและถูกสังเคราะห์ขึ้นเพื่อใช้งาน สารอินทรีย์หลายชนิดนั้นเมื่อมีการใช้งานเสร็จสิ้นหรือหมดอายุแล้วจะกลายเป็นสิ่งปนเปื้อนที่ทำให้เกิดมลพิษ และมีความเป็นอันตรายในตัวสารเคมีนั้นเอง ซึ่งต้องมีการบำบัดและกำจัดที่เหมาะสมด้วยวิธีการที่ถูกต้อง สารอินทรีย์เมื่อมีการทำปฏิกิริยา (ไม่ว่าจะเป็นทางกายภาพหรือเคมี) จะเปลี่ยนสถานะได้ง่าย หากนำวิธีการ บำบัดและกำจัดสารเหล่านี้ที่ไม่เหมาะสมมาใช้งาน จะทำให้สารนทรีย์สามารถย้ายจากตัวกลางสิ่งแวดล้อม หนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่งได้โดยง่าย และเกิดการย้ายแหล่งมลพิษไปโดยไม่สามารถกำจัดสารอินทรีย์เหล่านี้ให้ หมดไปได้จริง ในการนำวัสดุนาโนมาใช้ในการบำบัดและกำจัดสารอินทรีย์ในสิ่งแวดล้อมนั้น จึงจำเป็นที่จะต้องรู้และ เข้าใจถึงลักษณะสมบัติพื้นฐานของสารอินทรีย์ รวมทั้งปฏิกิริยาเคมีพื้นฐานของสารอินทรีย์ที่เกี่ยวข้องกับการ บำบัดและกำจัด ก่อนที่จะเข้าสู่วิธีการในการใช้งานวัสดุนาโนในการบำบัดและกำจัดสารอินทรีย์ที่เป็นมลพิษให้ หมดไปจากตัวกลางสิ่งแวดล้อมได้

7. การปรับปรุงคุณภาพน้ําและการผลิตน้ําสะอาดด้วยวัสดุนาโน

ในปัจจุบันนาโนเทคโนโลยีได้ทำให้เกิดการพัฒนามิติใหม่ในการปรับปรุงคุณภาพน้ำ โดยเฉพาะน้ำที่ใช้ ในการบริโภคและอุปโภค เทคโนโลยีที่ใช้งานกันมาโดยตลอดจะเป็นการสร้างระบบส่วนกลาง (centralized system) ซึ่งต้องมีการลงทุนสูงในการสร้างระบบผลิตน้ำขนาดใหญ่ และระบบจ่ายน้ำไปยังแต่ละบ้าน ในขณะ ที่ไม่สามารถส่งจ่ายน้ำไปยังพื้นที่ที่ห่างไกลได้ นาโนเทคโนโลยีได้เข้ามามีบทบาทอย่างมาก โดยมุ่งเป้าไปยัง ระบบผลิตน้ำสะอาดขนาดเล็กทั้งในรูปแบบที่สามารถผลิตน้ำสะอาดที่จุดใช้น้ำ หรือก๊อกน้ำแต่ละบ้านโดยตรง (point of use, POU) หรือรูปแบบระบบผลิตน้ำสะอาดขนาดเล็กสำหรับบ้านแต่ละหลัง (point of entry, POE) เพื่อให้แจกจ่ายน้ำสะอาดไปยังแต่ละก๊อกน้ำของบ้านได้ โดยไม่ต้องพี่งระบบผลิตน้ำสะอาดส่วนกลาง ซึ่ง จะทำให้ไม่ต้องมีการลงทุนระบบสาธารณูปโภคทั้งในส่วนของระบบผลิตขนาดใหญ่และระบบจ่ายน้ำ การ ปรับปรุงคุณภาพน้ำในรูปแบบนี้ได้นำลักษณะสมบัติของวัสดุนาโนและปฏิกิริยาทางเคมีของวัสดุนั้นๆ มาใช้งาน เนื้อหาบทนี้จึงมุ่งเข้าไปยังการนำวัสดุนาโนไปใช้งานอย่างเป็นรูปธรรมในการปรับปรุงคุณภาพน้ำและ การผลิตน้ำสะอาด ซึ่งประกอบด้วยการกำจัดจุลินทรีย์และฆ่าเชื้อโรค และ การนำวัสดุนาโนไปใช้ในการผลิต เป็นเมมเบรนสำหรับกำจัดสิ่งปนเปื้อนในน้ำ ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่นำมาใช้พัฒนาต่อยอดในการเป็นระบบผลิต

8. การบําบัดน้ําเสียด้วยวัสดุนาโนและการออกแบบถังปฏิกรณ์

จากการที่วัสดุนโนสามารถนำไปใช้งานในการกำจัดมลพิษทั้งสารอินทรีย์และโลหะหนัก ตลอดจน สามารถกำจัดจุลินทรีย์ต่างๆ ออกจากระบบได้ จึงทำให้มีการนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้งานในการบำบัดน้ำเสีย โดยมุ่งเป้าในส่วนของน้ำเสียโรงงานอุตสาหกรรมซึ่งมีสารพิษหลากหลายชนิดมากกว่าการนำไปใช้กับ น้ำเสียชุมชน โดยทั่วไปแล้ว การบำบัดน้ำเสียประกอบด้วยกระบวนการทางกายภาพ กระบวนการทางเคมี (ซึ่งรวมกระบวนการทางกายภาพ-เคมีด้วย) และกระบวนการทางชีวภาพ การเลือกใช้กระบวนการในการ บำบัดน้ำเสียนั้น จะขึ้นอยู่กับลักษณะของน้ำเสียก่อนเข้าระบบ และคุณภาพน้ำที่ต้องการหลังจากผ่านระบบ แล้วเป็นหลัก เมื่อพิจารณาจากลักษณะสมบัติของวัสดุนาโนแล้ว ในการนำวัสดุนาโนไปใช้ในกระบวนการ บำบัด ส่วนใหญ่จะเป็นการนำไปใช้กับกระบวนการบำบัดทางกายภาพ-เคมี เช่น กระบวนการดูดซับ ปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิส กระบวนการเมมเบรน โดยระบบบำบัดน้ำเสียที่นำวัสดุนาโนไปใช้งานนั้น ยังคงต้องมี การบำบัดน้ำเสียด้วยกระบวนการอื่นๆ ร่วมด้วยตามความเหมาะสมของการบำบัดน้ำเสียนั้นๆ เนื้อหาในบทนี้ได้แบ่งเป็นสามส่วน คือ ส่วนที่หนึ่งมุ่งเน้นในส่วนของการพิจารณาเลือกใช้กระบวนการ บำบัดน้ำเสียด้วยวัสดุนาโนที่เหมาะสมกับชนิดของน้ำเสียนั้นๆ โดยยกตัวอย่างการนำวัสดุนาโนไปใช้งานในการ บำบัดน้ำเสียอุตสาหกรรมแต่ละประเภท ส่วนที่สองเป็นเรื่องของถังปฏิกรณ์ในการบำบัดน้ำเสียด้วยปฏิกิริยา

9. การกําจัดมลพิษทางอากาศด้วยวัสดุนาโน

ความก้าวหน้าในการพัฒนาวัสดุนาโนและการนำมาใช้ในการป้องกันและกำจัดมลพิษในสิ่งแวดล้อม นั้น ไม่ได้จำกัดเฉพาะการนำไปใช้งานในการบำบัดน้ำเสียเท่านั้น แต่ยังรวมไปถึงการนำวัสดุนาโนไปใช้ในการ กำจัดมลพิษทางอากาศด้วย โดยเฉพาะการนำวัสดุนาโนไททาเนียมไดออกไซด์ที่มีการนำไปใช้งานอย่าง แพร่หลาย ทั้งในส่วนของการกำจัดก๊าซพิษที่พบในท้องถนน เช่น ออกไซด์ของไนโตรเจน (NOx) ออกไซด์ของ ชัลเฟอร์ (sox) คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย (VOC) ที่อยู่ภายในอาคาร โดยแนวทางการบำบัดและกำจัดมลพิษทางอากาศด้วยวัสดุนโนนั้น มักอยู่ในรูปของการนำวัสดุนาโน ไปเคลือบผลิตภัณฑ์ต่างๆ และทำให้เกิดปฏิกิริยาในการกำจัดมลพิษบนผิวหน้าของผลิตภัณฑ์นั้นๆ วัสดุนาโน ชนิดอื่นๆ ที่นำมาใช้ในการกำจัดมลพิษทางอากาศนั้นมีอย่างจำกัด ซึ่งต้องยังมีการพัฒนางานวิจัยอีกมาก เนื้อหาในบทนี้จึงมุ่งเป้าไปที่การใช้วัสดุไททาเนียมไดออกไซด์ในการกำจัดมลพิษทางอากาศด้วยปฏิกิริยา โฟโตคะตะไลซิสเป็นหลัก การใช้งานวัสดุนาโนชนิดนี้นอกจากจะประสบความสำเร็จอย่างดียิ่งใน ห้องปฏิบัติการแล้ว ในปัจจุบันยังได้มีการนำเทคโนโลยีนี้มาใช้ในรูปของผลิตภัณฑ์ต่างๆ อีกด้วย ตัวอย่างของ ผลิตภัณฑ์ที่มีการนำวัสดุนาโนไปใช้เพื่อกำจัดมลพิษทางอากาศ

10. ความปลอดภัยของวัสดุนาโนต่อมนุษย์และสิ่งแวดล้อม

นับตั้งแต่ปี ปี ค.ศ. 2000 ที่ประเทศสหรัฐอเมริกาได้ผลักดันให้มีการพัฒนานโนเทคโนโลยีขึ้นมา อย่างเป็นรูปธรรม ทำให้การพัฒนาทางด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีทุกสาขาวิชามุ่งเป้าในการศึกษาวิจัยที่ เกี่ยวข้องวัสดุขนาดนาโน และเกิดการพัฒนาของเทคโนโลยีนี้อย่างรวดเร็ว ทำให้นาโนศาสตร์และนาโน เทคโนโลยีเปรียบเสมือนเป็นศูนย์รวมของวิทยาศาสตร์ และเกิดการผสมผสานศาสตร์หลายๆ สาขาเข้าด้วยกัน ทำให้เกิดศาสตร์แขนงใหม่ขึ้นมาอีกมากมาย การนำวิทยาการนโนเทคโนโลยีจากห้องปฏิบัติการของ สถาบันการศึกษาและสถาบันวิจัยต่างๆ ทั่วโลกเข้าสู่โลกของอุตสาหกรรมในรูปของผลิตภัณฑ์ ต่างๆ และสู่มื ของผู้บริโภคจึงเกิดขึ้นได้ในระยะเวลาอันสั้น และรวดเร็วอย่างมาก

เอกสารอ้างอิง

ณัฐพันธุ์ศุภกา, ไขปริศนานาโนเทคโนโลยี, สมบัติทางแม่เหล็กอันแปลกประหลาด, ศูนย์นาโนเทคโนโลยี
แห่งชาติ, จาก http://vcharkarn.com/varticle/324, กันยายน 2556

Fujishima A, Hashimoto K, Watanabe T. TiO2 Photocatalysis fundamentals and application.
BKC, Inc. 1999.

Kanel SR, Greneche J-M, Choi H. Arsenic(V) removal from groundwater using nano scale zerovalent iron as a colloidal reactive barrier material. Environ Sci Technol 2006;40:2045-50