การกำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยการนำไปผลิตเป็นสารประกอบไดเมทิลคาร์บอเนตในเครื่องปฏิกรณ์ชนิดเมมเบรน

บทคัดย่อ

กระบวนการผลิตสารไดเมทิลคาร์บอเนต (DMC) จากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และเมทานอล ได้มีการพัฒนามาอย่างต่อเนื่อง โดยส่วนใหญ่จะกระทำภายในเครื่องปฏิกรณ์ชนิดแบบปั่นกวน (Auto-clave reactor) ถึงแม้จะว่าจะมีการเลือกใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพ แต่อัตราการเกิดสารไดเมทิลคาร์บอเนตยังอยู่ในปริมาณที่ต่ำ เนื่องจากน้ำที่เกิดจากปฏิกิริยาไปยับยั้งการดำเนินไปสมดุลของปฏิกิริยา ดังนั้น งานวิจัยนี้จึงเป็นการพัฒนาและออกแบบกระบวนการสังเคราะห์ไดเมทิลคาร์บอเนต (Dimethyl Carbonate; DMC) จาก ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และเมทานอล บนเครื่องปฏิกรณ์แบบเบดนิ่งและเปรียบเทียบกับเครื่องปฏิกรณ์เพอแวป-พอเรชันเมมเบรนร่วมกับการใช้สารดูดน้ำ (2-Cyanopyridine; 2-CP) โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาซีเรีย (CeO2) และ/หรือ ซีเรีย-เซอโคเนีย (CeO2-ZrO2) ซึ่งการทดลองถูกแบ่งออกเป็น 3 ส่วน ดังนี้1. การสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาซีเรียและ/หรือ ซีเรีย-เซอโคเนีย สามารถเตรียมได้ด้วยวิธี (1.1) แม่แบบ Soft template (Surfactant, Pluronic P-123) (1.2) แม่แบบ PMMA (Hard template) (1.3) แม่แบบ Pluronic P-123 (Soft template) ควบคู่กับแม่แบบ PMMA (Hard template) และ (1.4) วิธี Hydrothermal method การเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยวิธีที่แตกต่างกันส่งผลต่อการเกิดโครงสร้างรูพรุน mesopores (ขนาดรูพรุนอยู่ระหว่าง 2-50 นาโนเมตร) และ macropores (ขนาดรูพรุนมากกว่า 50 นาโนเมตร) ซึ่งการที่ตัวเร่งปฏิกิริยามีรูพรุนมีขนาดที่แตกต่างกันทั้งสองแบบนี้ มีส่วนสำคัญต่อการสังเคราะห์ไดเมทิลคาร์บอเนต2. การวิเคราะห์คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของตัวเร่งปฏิกิริยา (Characterization) สามารถทดสอบด้วยเทคนิคต่างๆ ได้แก่ (2.1) การตรวจสอบลักษณะสัณฐาน (Morphology) ของตัวเร่งปฏิกิยา ด้วยเทคนิคทางกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (Scanning Electron Microscopy; SEM) (2.2) การตรวจสอบความสามารถในการถูกรีดิวซ์ของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยเทคนิค Temperature Programmed Reduction ด้วยก๊าซไฮโดรเจน (H2-TPR) (2.3) การตรวจสอบความสามารถในการคายซับของตัวเร่งปฏิกิริยา ที่มีตำแหน่งเป็นเบสด้วยเทคนิค Temperature Programmed Desorption (CO2-TPD) ด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (2.4) การตรวจสอบความเป็นกรดของพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยเทคนิค Temperature Programmed Desorption (NH3-TPD) ด้วยก๊าซแอมโมเนีย (2.5) การวิเคราะห์หาพื้นที่ผิวจำเพาะของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยเทคนิค BET (Brunauer–Emmett–Teller) และ (2.6) การตรวจสอบลักษณะโครงสร้างผลึกของตัวเร่งปฏิกิริยา ด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (X-ray Diffractometer; XRD)3. การทดสอบปฏิกิริยาการผลิตสารประกอบไดเมทิลคาร์บอเนต (DMC) จากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และเมทานอล (3.1) ในเครื่องปฏิกรณ์แบบเบดนิ่ง (Catalytic packed-bed reactor) โดยใช้และไม่ใช้ สารดูดน้ำ 2-CP ซึ่งปัจจัยต่างๆ ที่มีผลกระทบต่อผลิตสารประกอบไดเมทิลคาร์บอเนต (DMC) ได้แก่ อัตราส่วนสารตั้งต้น CH3OH:CO2 ปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยา อุณหภูมิในการทำปฏิกิริยา และความดัน พบว่า การใช้สารดูดน้ำ 2-CP มีส่วนช่วยในการเกิดปฏิกิริยาการผลิตไดเมทิลคาร์บอเนตอย่างมาก โดยสารดูดน้ำ 2-CP สามารถจับกับหมู่ฟังก์ชันไฮดรอกไซด์ไอออนและไฮโดรเจนไอออนบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาได้เป็นอย่างดี เช่นเดียวกันกับอัตราส่วนของเมทานอลต่อก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ เท่ากับ 1:1 อุณหภูมิ 120 องศาเซลเซียส ปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยา 1 กรัม และความดัน 10 บาร์ เกิดสภาวะการทดลองดีที่สุด คิดเป็นอัตราการผลิตไดเมทิลคาร์บอเนตเฉลี่ย 1.47 กรัมต่อกรัมตัวเร่งปฏิกิริยาต่อชั่วโมง (3.2) ในเครื่องปฏิกรณ์เครื่องปฏิกรณ์แบบ PDMS เมมเบรน (Catalytic membrane reactor) ร่วมกับการใช้สารดูดน้ำ 2-CP สภาวะในการทดสอบที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส อัตราส่วนของ CH3OH:CO2 เท่ากับ 1:1 ความดัน 10 บาร์ ตัวเร่งปฏิกิริยาเคลือบบน Monolith และ ความหนาของ PDMS membrane เท่ากับ 0.2032 มิลลิเมตร พบว่าอัตราการผลิต DMC เท่ากับ 0.1509 กรัมต่อกรัมตัวเร่งปฏิกิริยาต่อชั่วโมง (ด้านสารป้อน) และ 0.8543 กรัมต่อกรัมตัวเร่งปฏิกิริยาต่อชั่วโมง (ด้านซึมผ่าน) ตามลำดับ เมื่อพิจารณาค่าความบริสุทธิ์ของสารผลิตภัณฑ์ (ด้านซึมผ่าน) พบว่า ค่าความบริสุทธิ์ของเมทานอลลดลงจาก 48.42 เปอร์เซ็นต์ เป็น 33.99 เปอร์เซ็นต์ ในขณะที่ค่าความบริสุทธิ์ของ DMC เพิ่มขึ้นจาก 51.57 เปอร์เซ็นต์ เป็น 66.00 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเปรียบเทียบความบริสุทธิ์ของสารผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นใน เครื่องปฏิกรณ์แบบเบดนิ่ง พบว่า ค่าความบริสุทธิ์ของเมทานอล และ DMC เท่ากับ 42.75 และ 53.63 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ

คำสำคัญ