This post is also available in: English (อังกฤษ)

Introduction

จากข้อมูลขององค์การอนามัยโลก (WHO) มลพิษทางอากาศเป็นสิ่งสำคัญของโลก ความเสี่ยงด้านสุขภาพสิ่งแวดล้อมเดียวที่ใหญ่ที่สุด มลพิษทางอากาศหมายถึงการปนเปื้อน การสูดอากาศทั้งในอาคารและกลางแจ้งด้วยสารหลายชนิดรวมทั้งสารอินทรีย์ สารปนเปื้อนสารเคมีสารปนเปื้อนอนินทรีย์เชื้อโรคและฝุ่นละออง สรุปประเภทของมลพิษทางอากาศแสดงในรูปเป็น ภาพรวมของมลพิษทางอากาศ (Summary of Air Pollution)

กลไกทั่วไปของการเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชั่น VOC

เป้าหมายการสลาย VOCs ของขบวนการเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน คือการแยก VOCs ที่เป็นอันตรายออกเป็น สารประกอบที่ง่ายกว่าเช่นน้ำ (H2O) และคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2)  VOC ที่เป็นชนิดพันธะยาวๆ จะผ่านกระบวนการออกซิเดชั่นตามลำดับขั้นตอน ตัวอย่างเช่นใน รูป Sample acetone oxidation  อะซิโตนจะถูกออกซิไดซ์เป็นอะซิทัลดีไฮด์ซึ่งจะถูกออกซิไดซ์ในภายหลัง ทีละขั้นจนถึงคาร์บอนไดออกไซด์

กระบวนการออกซิเดชั่นของตัวเร่งปฏิกิริยา

กระบวนการเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชั่น (Catalytic Oxidation) มีส่วนสำคัญ ในประสิทธิภาพ ในการทำให้เกิดขึ้น ของสารตัวเร่งปฏิกิริยาที่ออกแบบมาสำหรับการแก้ไขมลพิษของอากาศ โดยเฉพาะ VOCs โดยทั่วไปกลไกของการย่อยสลายตัวเร่งปฏิกิริยาของ VOCs สามารถอธิบายได้ ตามแบบจำลอง ที่ถูกสร้างโดย Langmuir-Hinshelwood, Eley-Rideal หรือ Mars-van Krevelen (MVK) แบบจำลองขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยาและคุณลักษณะของ VOC ที่ต้องการกำจัดหรือเป็นเป้าหมาย

ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาความสำเร็จที่สำคัญคือ ทำด้วยเทคนิคการออกซิเดชั่นโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยานาโน ตัวเร่งปฏิกิริยานี้รวมถึงโนเบิลโลหะที่ใช้โลหะเป็นวัสดุพื้นฐาน กับชนิดที่ไม่ใช่โลหะมีตระกูลออกไซด์ และผลิตภัณฑ์ที่ใช้โลหะออกไซด์ผสม  ในบทความนี้จะแสดงให้เห็นถึง หลักการ ขบวนการปฏิกิริยาทางเคมี ข้อดีและการประยุกต์ใช้กระบวนการออกซิเดชั่นของตัวเร่งปฏิกิริยา ในการย่อยสลายสารประกอบ VOC บางชนิดรวมทั้งเบนซิน ฟอร์มาลดีไฮด์โทลูอีนไอโซโพรพานอลคลอโรเบนซีน ฯลฯ

VOC เป็นหนึ่งในมลพิษทางอากาศที่มีมากที่สุดในชีวิตประจำวันของเรา ส่วนใหญ่เป็นพิษสารก่อมะเร็งและสารก่อมะเร็งกลายพันธุ์บางชนิด  ทีมงาน Mølhave et al. กล่าวว่าการสัมผัสกับส่วนผสมของ VOC ที่สูงกว่า 3 ppb อาจทำให้รู้สึกไม่สบายตัว เช่นการระคายเคืองตาจมูกและลำคอเยื่อเมือกแห้งปวดศีรษะคลื่นไส้  มีหลากหลายวิธีที่ใช้ในการควบคุมมลพิษทางอากาศเช่น ระบบระบายอากาศภายในอาคาร  เครื่องกรองอนุภาค วิธีการดูดซับ เครื่องฟอกอากาศอิเล็กทรอนิกส์ การกรองทางชีวภาพ  และกระบวนการออกซิเดชั่น ในบรรดาเทคนิคเหล่านี้ ขบวนการออกซิเดชัน เป็นที่ได้รับความสนใจเป็นจำนวนมากเนื่องจากเป็นระบบที่มีเสถียรภาพมากที่สุด ต้นทุนไม่สูง มีประสิทธิภาพและปลอดภัย

เปรียบเทียบกับวิธีอื่น กระบวนการออกซิเดชั่น สามารถุย่อยสลาย VOC ให้เป็นสารประกอบที่ไม่เป็นอันตรายได้โดยตรงโดยไม่มีขั้นตอนเพิ่มเติม ซึ่งเป็นเรื่องสำคัญในการย่อยสลาย VOC ที่มีความเป็นพิษสูง

ขบวนการออกซิเดชัน สามารถดำเนินการได้ที่อุณหภูมิห้อง ที่อุณหภูมิที่สูงขึ้น หรือ ได้จากการป้อนพลังงานอื่น ๆ

มีกระบวนการออกซิเดชั่นสองกระบวนการที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ อัตราการกำจัดสารมลพิษทางอากาศซึ่ง ได้แก่ ตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชั่น Catalytic Oxidation(CO) และโฟโตแคตทะไลติกออกซิเดชั่น Photo-Catalytic Oxidation(PCO) ตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst) เป็นที่รู้จักกันดีว่าเป็นสารที่เร่งความเร็วของปฏิกิริยาเคมี โดยการลดระดับพลังงานกระตุ้น เป้าหมายของการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาคือ เพื่อประหยัดพลังงานและปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการ เมื่อเร็ว ๆ นี้ตัวเร่งปฏิกิริยาขนาดนาโน (Nanocatalyst ที่มีหนึ่งมิติ มีขนาดใกล้ 100 นาโนเมตร) ได้รับการศึกษาสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยา รวมถึงในกระบวนการออกซิเดชั่นกับ VOC

ข้อดีของ การใช้ nanocatalyst คือสามารถทำให้ได้พื้นที่ผิวที่สูงขึ้น มีพื้นที่การทำปฏิกิริยามากขึ้น ความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาที่สูงขึ้น มีตัวเลือกที่มากขึ้นและผลพวงทางควอนตัมที่อาจเกิดขึ้นจาก วัสดุวิศวกรรม บทความนี้มุ่งเน้นไปที่การเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชั่นที่ใช้นาโนตัวเร่งปฏิกิริยาของ VOC

โดยทั่วไปมีสามประเภท กลไกในการอธิบายการเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของ VOCs ซึ่งเป็นแบบจำลอง Langmuir- Hinshelwood model , Eley-Rideal model  และ Mars-van Krevelen (MVK) ในมี่นี้จะไม่กล่างถึงแบบจำลองของ MVK เนื่องจากแบบจำลอง MVK ใช้ได้กับปฏิกิริยาออกซิเดชันที่ใช้โลหะออกไซด์เท่านั้น

แบบจำลอง Langmuir-Hinshelwood

ความถูกต้องของแต่ละกลไกขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของ ตัวเร่งปฏิกิริยาและลักษณะของ VOC เป้าหมายแบบจำลอง Langmuir-Hinshelwood ถือว่าออกซิเจน (O2) และ สายพันธุ์ VOC (R-H) ถูกดูดซับลงบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาก่อน ถัดไปคือออกซิเจน แยกตัวออกเป็นชนิดที่มีปฏิกิริยาเพื่อย่อยสลาย VOC ให้กลายเป็น CO2, H2O และ สายพันธุ์ VOC ขนาดเล็ก (R-H ′)

แบบจำลอง Eley-Rideal

O2 จะถูกดูดซับบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อจะผลิตสายพันธุ์ตัวทำปฏิกิริยา จากนั้น VOC จะทำปฏิกิริยาโดยตรงกับ O2 ที่ถูกดูดซับที่ผิวตัวเร่งปฏิกิริยาและได้ผลผลิต CO2, H2O และ R-H ′