ผ้าใยแก้วเคลือบกากกาแฟลดมลพิษคาเฟอีนในน้ำ

ผ้าใยแก้วเคลือบตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงจากกากกาแฟ เพื่อลดสารคาเฟอีนและมลพิษอื่นๆ ในน้ำ งานวิจัยเพื่อสิ่งแวดล้อม มจธ. นวัตกรรมเพื่อแบรนด์กาแฟรักษ์สิ่งแวดล้อม

‘คาเฟอีน’เป็นสารในกาแฟช่วยกระตุ้นระบบประสาทส่วนกลาง แต่อีกด้านหนึ่ง คาเฟอีนก็มีผลยับยั้งการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ในน้ำ เช่น สัตว์น้ำขนาดเล็ก โดยน้ำที่เกิดจากกระบวนการผลิตกาแฟทั้งในโรงงานและร้านกาแฟล้วนมีสารชนิดนี้เจือปนอยู่ หากปล่อยสู่แหล่งน้ำสาธารณะโดยไม่มีการบำบัด ตัวอ่อนของสัตว์น้ำชนิดต่างๆ ทั้งปลา กุ้ง ปู รวมถึงสัตว์น้ำขนาดเล็ก อาจได้รับผลกระทบจากสารคาเฟอีนในระยะยาวได้

ประเด็นดังกล่าว ทีมวิจัยมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (มจธ.)  จึงนำกระบวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง (Photocatalysis) ช่วยลดปริมาณคาเฟอีนในน้ำจากโรงงานแปรรูปกาแฟหรือร้านกาแฟ ผลงานวิจัยการอัปไซเคิลกากกาแฟให้เป็นหมุดควอนตัมคาร์บอนเรืองแสงเพื่อบำบัดน้ำเสียกากกาแฟด้วยกระบวนการเร่งปฏิกิริยาเชิงแสง ของ รศ. ดร.ภาติญา เขมาชีวะกุล อาจารย์ภาควิชาวิศวกรรมสิ่งแวดล้อม คณะวิศวกรรมศาสตร์ มจธ. ร่วมกับ รศ. ดร.สุรวุฒิ ช่วงโชติ อาจารย์ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องมือและวัสดุ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มจธ. และ ดร.รัตนา ม่วงโมรา

ทีมวิจัยให้ข้อมูลว่ากระบวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง คือ การใช้แสงกระตุ้นตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสงให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีและให้สารอนุมูลอิสระของไฮดรอกซิล (OH)  และซูเปอร์ออกไซด์แอนไอออน (O2) เพื่อกำจัดมลพิษในน้ำ ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงที่นิยมใช้งานด้านการบำบัดน้ำเสียก็ คือ ไททาเนียมไดออกไซด์

“ไททาเนียมไดออกไซด์ได้รับการกระตุ้นด้วยแสงในช่วงคลื่นที่จำเพาะและเกิดปฏิกิริยาเคมี โดยอิเล็กตรอน (-) จะรวมกับออกซิเจน และให้ซูเปอร์ออกไซด์แอนไอออน โฮลจะทำปฏิกิริยากับน้ำและให้สารอนุมูลอิสระของไฮดรอกซิล จะเกิดกระบวนการเคมี สลายสารมลพิษอินทรีย์ที่เจือปนอยู่ในน้ำ แสงที่ใช้กับไทเทเนียมไดออกไซด์ได้ คือ แสง UV ทำให้ระบบนี้ ยังไม่จูงใจในการนำมาใช้กับการบำบัดน้ำเสียของโรงงานในปัจจุบันเท่าที่ควร”

วัตถุประสงค์ของงานวิจัยคือ  การทำให้ไทเทเนียมไดออกไซด์ทำปฏิกิริยาภายใต้แสงที่มีความยาวคลื่นอยู่ในช่วงที่มนุษย์มองเห็นได้ (Visible Light) แทนการใช้แสง UV โดยวิธีการที่เลือกใช้คือ การเพิ่มหมุดควอนตัมคาร์บอนให้กับไททาเนียมไดออกไซด์

“หมุดควอนตัม” หรือควอนตัมดอท (quantum dot) คือวัสดุขนาดเล็กระดับนาโน (เส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 10 นาโนเมตร) มีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ (semiconductor) สมบัติเชิงแสงเปลี่ยนไปเมื่อเปลี่ยนขนาดของวัสดุ และมีคุณสมบัติในการปล่อยพลังงานในรูปแบบของแสงที่มีความยาวคลื่นต่างจากที่ดูดกลืนเข้าไปได้ จึงนำไปใช้ในไดโอทเพื่อทำให้เกิดจุดสี ใช้ในการสร้างจอแสดงผล เช่น จอ LED การเพิ่มหมุดควอนตัมคาร์บอนให้กับไททาเนียมไดออกไซด์จึงช่วยปรับแสงที่ได้รับในช่วงอื่นมาปล่อยในช่วงที่ไททาเนียมไดออกไซด์ทำงานได้ หมุดควอนตัมคาร์บอนยังมีสมบัติเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงด้วยตัวเองที่ทำงาน ภายใต้แสงในช่วงคลื่นที่ตามนุษย์มองเห็น ดังนั้นตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ที่หมุดควอนตัมติดอยู่บนผิวของไทเทเนียมไดออกไซด์ได้จึงทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงในการบำบัดน้ำเสียได้โดยไม่จำเป็นต้องให้แสง UV”

รศ. ดร.ภาติญา กล่าวว่า จากที่ต้องการบำบัดสารคาเฟอีนในน้ำ จากการผลิตกาแฟ ทีมวิจัยจึงผลิตหมุดควอนตัมคาร์บอน จากกากกาแฟ ของเหลือทิ้งจากการแปรรูปกาแฟ หรือชงกาแฟอยู่แล้ว (ที่เรียกหมุดควอนตัมคาร์บอน เพราะมีโครงสร้างหลักเป็นวัสดุคาร์บอน) นอกจากทีมวิจัยจะผลิตหมุดควอนตัมคาร์บอนจากกากกาแฟ นำไปติดอยู่บนผิวของไทเทเนียมไดออกไซด์ได้แล้ว  ยังพัฒนาเทคนิคการใช้งาน เคลือบไว้บนผิวของผ้าใยแก้ว และนำผ้าใยแก้วไปขึงเพื่อให้น้ำเสียไหลผ่าน แทนวิธีการเดิมที่เป็นการใส่ลงไปน้ำที่ต้องการบำบัดโดยตรง

“จากการทดลองในห้องทดลองที่ให้น้ำกาแฟที่เหลือจากการชงกาแฟไหลผ่านผ้าใยแก้วอย่างต่อเนื่อง 12 ชั่วโมง พบว่าสีของน้ำใสขึ้นอย่างชัดเจน ยังทำให้ปริมาณคาเฟอีนในน้ำลดลงร้อยละ 80 ที่สำคัญการเคลือบไทเทเนียมไดออกไซด์บนผ้าใยแก้ว ช่วยลดปริมาณไทเทเนียมไดออกไซด์และหมุดควอนตัมคาร์บอนที่ต้องใช้ เพราะผ้าใยแก้วที่ใช้แล้ว ล้างทำความสะอาด ใช้ซ้ำได้ถึง 5 ครั้ง ก็ยังคงประสิทธิภาพการกำจัดสารคาเฟอีนได้เท่ากับการใช้ในครั้งแรก”

สำหรับการนำผ้าใยแก้วเคลือบตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงจากกากกาแฟ เพื่อลดสารคาเฟอีนและมลพิษอื่นๆ ในน้ำ  มาใช้งานจริง ผู้วิจัยกล่าวว่า กฎหมายไทยยังไม่มีมาตรฐานปริมาณคาเฟอีนในน้ำที่ปล่อยออกสู่แหล่งน้ำ แต่จุดเด่นของนวัตกรรมที่มีค่าวัสดุและต้นทุนการผลิตที่ไม่สูง เป็นระบบที่ไม่ซับซ้อน และทำงานได้ทันทีที่มีแสงแดด จึงน่าจะเป็นจุดขาย ให้ผู้ผลิตกาแฟหรือร้านกาแฟ ที่ใส่ใจด้านสิ่งแวดล้อมได้ไม่มากก็น้อย