การดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยใช้ขี้ตะกรันที่ได้จากกระบวนการผลิตเหล็ก

บทคัดย่อ

ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นก๊าซเรือนกระจกที่ก่อให้เกิดปัญหาภาวะโลกร้อน การลดการปล่อยก๊าซ CO2 สู่บรรยากาศเป็นสิ่งจำเป็นซึ่งต้องมีการวิจัยพัฒนาเทคนิคใหม่ๆ ที่สามารถกักเก็บ CO2 ได้อย่างมีประสิทธิภาพและมีค่าใช้จ่ายในการดำเนินการที่ต่ำลง จากการศึกษาองค์ประกอบที่มีอยู่ในขี้ตะกรันที่เป็นวัสดุเหลือทิ้งจากอุตสาหกรรมถลุงเหล็กกล้า พบว่ามีองค์ประกอบของแคลเซียมออกไซด์ (CaO) ซึ่งมีความสามารถในการกักเก็บ CO2 งานวิจัยนี้จึงสนใจทำการศึกษาการดักจับ (Capture) CO2 โดยใช้สารละลายแคลเซียมไอออนที่ได้จากกระบวนการชะละลายขี้ตะกรันในคอลัมน์บรรจุขนาดต้นแบบ โดยแบ่งการศึกษาออกเป็น 2 ตอน ดังนี้ ตอนที่ 1 ศึกษากระบวนการชะละลายแคลเซียมออกจากขี้ตะกรันโดยเปรียบเทียบชนิดของสารชะละลาย 2 ชนิด คือ สารละลายกรดอะซิติกและน้ำปราศจากไอออน จากการศึกษาพบว่าสารละลายที่เหมาะสมเพื่อใช้ในกระบวนการดักจับ CO2 คือ สารละลายแคลเซียมไอออนที่ได้จากการชะละลายขี้ตะกรันด้วยน้ำปราศจากไอออน ซึ่งให้ประสิทธิภาพในการกำจัดCO2 เบื้องต้นร้อยละ 75.74 ซึ่งสูงกว่าสารละลายกรดอะซิติกซึ่งให้ประสิทธิภาพในการกำจัด CO2 เพียงร้อยละ 39.69 เนื่องจากสารละลายแคลเซียมไอออนที่ได้จากการชะละลายขี้ตะกรันด้วยน้ำปราศจากไอออน มีค่าพีเอชและค่าความเป็นด่างที่เหมาะแก่การดูดซึม CO2 ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงเลือกใช้สารละลายแคลเซียมไอออนที่ได้จากการชะละลายขี้ตะกรันด้วยน้ำปราศจากไอออน ที่สภาวะในการชะละลายแคลเซียมไอออนคือ อัตราส่วนของเหลวต่อของแข็ง (L/S) 10:1 (กรัมต่อกรัม) ที่อุณหภูมิห้อง เป็นสารดูดซึมสำหรับการกำจัด CO2 ในในคอลัมน์บรรจุขนาดต้นแบบต่อไป ตอนที่ 2 ศึกษาการนำสารละลายแคลเซียมไอออนที่ได้จากการชะละลายขี้ตะกรันด้วยน้ำปราศจากไอออนไปใช้ในการกำจัด CO2 จากอากาศเสียจำลองและทำการหาสภาวะที่เหมาะสมในการกำจัด CO2 ในคอลัมน์บรรจุขนาดต้นแบบ โดยตัวแปรที่ทำการศึกษาประกอบด้วย อัตราการไหลของของเหลว (0.3-0.9 ลิตรต่อนาที) อัตราการไหลของก๊าซหรืออัตราการไหลอากาศเสีย (0.25-0.85 ลิตรต่อนาที) และความเข้มข้นของแคลเซียมที่ได้จากการชะละลายขี้ตะกรัน (200-1000 มิลลิกรัมต่อลิตร) ออกแบบการทดลองและหาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ด้วยวิธีพื้นผิวตอบสนอง Response Surface Methodology (RSM) แบบ Central Composite Design (CCD) ด้วยโปรแกรม Design Expert Software เพื่อประเมินผลและแสดงความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรอิสระอันจะนำไปสู่สภาวะการดำเนินการที่เหมาะสม ทำให้ได้แบบจำลองสมการกำลังสอง (Quadratic Model) ของประสิทธิภาพการกำจัด CO2 ดังสมการ และได้สภาวะที่เหมาะสมในการดำเนินการ คือ ที่อัตราการไหลของของเหลว 0.77 ลิตรต่อนาที อัตราการไหลของก๊าซ 0.25 ลิตรต่อนาที ความเข้มข้นของแคลเซียมที่ได้จากการชะละลายขี้ตะกรัน 725 มิลลิกรัมต่อลิตร และดำเนินการโดยใช้สารละลายแบบไหลผ่านครั้งเดียวเป็นเวลา 15 นาที ซึ่งค่าจากการคำนวณจะให้ประสิทธิภาพในการกำจัด CO2 สูงสุดร้อยละ 100 และมีผลการทดสอบจากการทดลองจริงร้อยละ 97.81 ให้ผลที่ใกล้เคียงกับผลจากการทำนายโดยมีความคาดเคลื่อนน้อยกว่าร้อยละ 5 เป็นตัวบ่งบอกถึงความแม่นยำของแบบจำลองสมการทางคณิตศาสตร์ เมื่อ y = ประสิทธิภาพการกำจัด CO2 (ร้อยละ) x1 = อัตราการไหลของของเหลว (ลิตรต่อนาที) x2 = อัตราการไหลของก๊าซหรืออัตราการไหลอากาศเสีย (ลิตรต่อนาที) x3 = ความเข้มข้นของแคลเซียมที่ได้จากการชะละลายขี้ตะกรัน (มิลลิกรัมต่อลิตร) โดยสรุปแล้วงานวิจัยนี้ยืนยันได้ว่าสามารถนำขี้ตะกรันซึ่งเป็นของเสียจากโรงงานถลุงเหล็กมาเป็นสารตั้งต้นในการกำจัด CO2 ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และเป็นแนวทางในการนำไปประยุกต์ใช้จริงเพื่อลดการปล่อย CO2 จากภาคอุตสาหกรรมสู่บรรยากาศได้

คำสำคัญ