Transcript KM2 - วิทยาลัยพลังงานและสิ่งแวดล้อมอย่างยั่งยืนรัตนโกสินทร์

การลดมลภาวะทางอากาศด้ วยถ่ านกามันต์ ท่ ไี ด้ จากชีวมวล
วิทยาลัยพลังงานและสิ่งแวดล้ อมอย่ างยั่งยืนรัตนโกสินทร์
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลรัตนโกสินทร์
31/01/ 57
ถ่ านกัมมันต์ (Activated carbon)
• ถ่านกัมมันต์ (Activated carbon หรื อ activated charcoal)
หมายถึง ผลิตภัณฑ์ที่ได้ จากการนาวัตถุดิบธรรมชาติ หรื อ อินทรี ยวัตถุ ซึง่ มี
คาร์ บอนและไฮโดรเจนเป็ นองค์ประกอบหลักมาผ่านกรรมวิธีก่อกัมมันต์
(activation process) จนได้ ผลิตภัณฑ์สีดา มีโครงสร้ างที่มีลกั ษณะเป็ น
รูพรุน มีพื ้นที่ผิวสูง มีคณ
ุ สมบัติในการดูดซับสารต่างๆได้ ดี
• ถ่านกัมมันต์เป็ นถ่านที่มีความสามารถในการดูดซับสูง เพราะมีรูพรุน
ขนาด 18-10,000 อัมสตรอง เป็ นจานวนมาก นอกจากนี ้ตาม
พื ้นผิวของรูพรุนยังมีอิเลคตรอนอิสระที่พร้ อมจะแลกเปลี่ยนประจุ และ
ยึดเหนี่ยวโมเลกุลของสารต่างๆได้ อย่างดี ถ่ามกัมมันต์เมื่อใช้ หมดแล้ ว
อาจทาให้ กลับมามีความสามารถในการดูดสี กลิน่ และก๊ าซ และนา
กลับมาใช้ ได้ อีก โดยการ Regenerate
หลักการทางานของถ่ านกัมมันต์ (Activated carbon)
• กาจัดสารอินทรี ย์ในน ้าโดยใช้ หลักการดูดซับ (Adsorption) และ
ดูดซึม (Absorbtion) การดูดซับจะเป็ นการจับกันอย่างหลวมๆ
ของสารอินทรี ย์และคาร์ บอน ที่ผิวนอกของถ่านกัมมันต์ โดยยึดกันด้ วย
แรงแวนเดอร์ วาล์วเป็ นชันๆ
้ ส่วนกระบวนการดูดซึมนันจะอาศั
้
ย
หลักการแพร่ของก๊ าซ หรื อสารประกอบเข้ าไปในร่างแหรูพรุนภายใน
เม็ดถ่านซึง่ ภายในจะเกิดปฏิกิริยาเคมี หรื อเกิดการจับยึดโดยความเป็ น
ร่างแหยึดเหนี่ยวไว้
วิธีการ Regenerate มีดังนี ้
• วิธีใช้ ไอน ้า (Steam regeneration : ใช้ กบั ถ่านที่เปื อ้ นจากสาร
ระเหย (Volatile) เพียงเล็กน้ อย
• วิธีใช้ สารเคมี Chemical regeneration : ใช้ สารเคมีละลายสาร
ต่างๆที่ถกู ดูดติด ส่วนใหญ่จะทา ณ อุณหภูมิ 100 C ภายใต้ สภาพ pH
สูง
• วิธีใช้ จลุ นิ ทรี ย์ Biological regeneration : ใช้ จลุ ินทรี ย์ยอ่ ยสลาย
สารต่างๆที่ถกู ดูดติด
• วิธีใช้ อณ
ุ หภูมิ (Thermal regeneration) : ใช้ ความร้ อน (800950 C) เผาถ่านเพื่อให้ สารอินทรี ย์ถกู ดูดซับย่อยสลาย มีข้อเสีย 2 ข้ อคือ
ต้ องใช้ เงินทุนมากในการซื ้อเตาเผา และเกิดการสูญเสียคาร์ บอนระหว่างเผา
จานวนหนึง่
ถ่ านกัมมันต์ (Activated Carbon) มีกชี่ นิด ?
1. ถ่านกัมมันต์ชนิดผง (Powder Activated Carbon : PAC)
ขนาดเล็กกว่า 0.18 มม.
ถ่ านกัมมันต์ (Activated Carbon) มีกชี่ นิด ?
2. ถ่านกัมมันต์ชนิดเกล็ด (Granular Activated Carbon
: GAC) ขนาด 0.2 ถึง 5.0 มม.
ถ่ านกัมมันต์ (Activated Carbon) มีกชี่ นิด ?
3.ถ่านกัมมันต์ชนิดเม็ด (Pelleted Activated Carbon)
ขนาด 0.8 ถึง 5.0 มม.
ถ่ านกัมมันต์ (Activated Carbon) มีกชี่ นิด ?
4. ถ่านกัมมันต์ที่เป็ นเส้ นใย (Cloth and fibers activated
carbon)
ถ่ านกัมมันต์ (Activated Carbon) มีกชี่ นิด ?
5. ถ่านอัดแท่ง
การผลิตถ่ านกัมมันต์ (Activated Carbon)
คุณสมบัตขิ องวัตถุดบิ ที่จะนามาผลิตถ่ านกัมมันต์ มีดังนี ้
• มีปริมาณสารระเหยต่า
• มีคาร์ บอนเป็ นองค์ประกอบในปริมาณสูง
• มีราคาถูกและหาง่าย
• มีคณ
ุ สมบัติคงที่
วัตถุดบิ ทีใ่ ช้ ผลิตแบ่ งได้ ดงั นี้
• สารเซลลูโลสที่มาจากพืช เช่น ไม้ ยางพารา ไม้ ไผ่ และเศษไม้ เหลือทิ ้ง
• วัสดุเหลือทิ ้งจากการเกษตร เช่น แกลบ กะลามะพร้ าว กะลาปาล์ม ขี ้
เลื่อย ชานอ้ อย และซังข้ าวโพด เป็ นต้ น
• วัตถุดิบจากสัตว์ เช่น กระดูกหรื อเขาสัตว์ เป็ นต้ น
กระบวนการผลิตถ่ านกัมมันต์ โดยทัว่ ไป แบ่ งเป็ น 2 ขั้นตอน
1. กระบวนการคาร์ บอไนซ์ (Carbonization) เป็ นการไพโรไรซิสซึง่
เกิดขึ ้นในที่อบั อากาศ เพื่อเพิ่มสัดส่วนตาร์ บอนของสารอินทรี ย์
ขณะเดียวกันก็ได้ ผลิตภัณฑ์อื่นที่เป็ นของเหลว และแก๊ สออกมาด้ วย
โครงสร้ างวงอะโรมาติกหลักที่เหลือกลายเป็ นโครงสร้ างของถ่านชาร์ ส่วน
กลุม่ โครงสร้ างโมเลกุลหรื อหมูท่ ี่มีขนาดเล็กกว่าจะกลัน่ สลายตัวออกมา
เป็ นผลิตภัณฑ์ตา่ งๆ ได้ แก่ น ้า แอมโมเนีย น ้ามันทาร์ และแก๊ สต่างๆ หรื อ
เรี ยกง่ายๆ ก็คือเป็ นกระบวนการเผาวัตถุดิบให้ เป็ นถ่าน ซึง่ อุณหภูมิในการ
เผาประมาณ 200-400 องศาเซลเซียส
กระบวนการคาร์ บอไนเซชั่นสามารถแบ่ งออกได้ 3 ขั้นตอน ดังนี้
• การสูญเสียน ้าออกจากโครงสร้ างวัตถุดิบที่ช่วงอุณหภูมิ 27-197
องศาเซลเซียส
• การไพโรไรซิสโดยเกิดแก๊ สและน ้ามันทาร์ ในโครงสร้ างที่ช่วงอุณหภูมิ
197-497 องศาเซลเซียส
• ช่วงที่มีการเกาะตัวกันของโครงสร้ างถ่านชาร์ โดยในช่วงนี ้น ้าหนักของ
วัตถุดิบจะลดลงไปมาก ที่ช่วงอุณหภูมิ 497-847 องศาเซลเซียส
กระบวนการผลิตถ่ านกัมมันต์ โดยทัว่ ไป แบ่ งเป็ น 2 ขั้นตอน
2.กระบวนการกระตุ้น (Activation) เป็ นการเปลี่ยนแปลงทาง
กายภาพสาหรับคาร์ บอน ด้ วยการเพิ่มพื ้นที่ผิวให้ มากขึ ้น โดยการทาให้ มีรู
พรุนมากขึ ้น หรื อเป็ นการเพิ่มประสิทธิภาพการดูดซับสารอื่นๆ ของถ่าน
กัมมันต์ แบ่งได้ เป็ น 2 วิธีคือ การกระตุ้นทางเคมี และการกระตุ้นทาง
กายภาพดังนี ้
กระบวนการกระตุ้น (Activation) มี 2 วิธี
• 2.1 การกระตุ้นทางเคมี (Chemical Activation) เป็ น วิธีการ
เพิ่มปริมาตรรูพรุนและพื ้นที่ผิวโดยปฏิกิริยากับสารเคมี ซึง่ การกระตุ้น
ชนิดนี ้นิยมใช้ กบั วัตถุดิบที่เป็ นไม้ อุณหภูมิที่ใช้ ในการกระตุ้นอยูใ่ นช่วง
150-900 องศาเซลเซียส และสารกระตุ้นที่นิยมใช้ ทวั่ ไปในทาง
อุตสาหกรรม เช่นแคลเซียมคลอไรด์ ซิงค์คลอไรด์ กรดฟอสฟอริก และ
โพแทสเซียม ไฮดรอกไซด์ เป็ นต้ น ซึง่ สามารถแทรกซึมได้ ทวั่ ถึง ทาให้
ส่วนที่ไม่บริสทุ ธิ์ละลายหมดไปได้ เร็วขึ ้นจากนันน
้ าไปเผาในถังที่มี
ออกซิเจนเป็ นเวลาหลายชัว่ โมง แต่มีข้อเสียที่ต้องล้ างสารเคมีที่ใช้ ใน
การกระตุ้น ซึง่ ติดมากับถ่านกัมมันต์ออกให้ หมดไม่ให้ เหลือตกค้ างอยู่
เลย เพื่อความปลอดภัยในการนาไปใช้ งาน
การกระตุ้นทางเคมี
2.1.1 การกระตุ้นด้ วยซิงค์คลอไรด์ (ZnCl2)
• โดยการใช้ สารละลาย ZnCl2 ผสมกับวัตถุดิบโดยใช้ สภาวะที่อณ
ุ หภูมิ
ประมาณ 130 องศาเซลเซียส หลังจากนี ้จะนาไปทาการคาร์ บอไนซ์ที่
อุณหภูมิ 600-850 องศาเซลเซียส ซึง่ ในระดับอุตสาหกรรมจะ
คานึงถึงประสิทธิภาพในการนาเอา ZnCl2 กลับมาใช้ ใหม่เป็ นอย่าง
มาก ด้ วยประสิทธิภาพการนา ZnCl2 กลับมาใช้ ใหม่คอ่ นข้ างจากัด
ประกอบกับปั ญหาการกัดกร่อนต่อเตาเผาจึงทาให้ การใช้ ZnCl2 เป็ น
สารกระตุ้นในระยะหลังลดลง
การกระตุ้นทางเคมี
2.1.2 การกระตุ้นด้ วยกรดฟอสฟอริก
• กระบวนการกระตุ้นทางเคมีโดยใช้ ฟอสฟอริกเป็ นสารกระตุ้นจะใช้
อุณหภูมิในการกระตุ้นที่คอ่ นข้ างต่าคือ 400-500 องศาเซลเซียส ซึง่
การใช้ ฟอสฟอริกนันสามารถผ่
้
านกระบวนการนากลับมาใช้ ใหม่ โดยยัง
ได้ กรดฟอสฟอริกที่มีความเข้ มข้ นสูง พบว่าวัตถุดิบที่เป็ นไม้ สามารถ
ผลิตเป็ นถ่านกัมมันต์ที่มีประสิทธิภาพโดยวิธีนี ้
กระบวนการกระตุ้น (Activation) มี 2 วิธี
2.2 การกระตุ้นทางกายภาพ (Physical Activation) เป็ นการ
กระตุ้นด้ วยการใช้ แก๊ ส หรื อไอน ้า ซึง่ ใช้ อณ
ุ หภูมิในหารเผากระตุ้นค่อนข้ าง
สูงประมาณ 800-1000 องศาเซลเซียส เพราะไอน ้าที่ใช้ จะต้ องเป็ นไอ
น ้าร้ อนยิ่งยวด (superheated steam) เพื่อทาให้ สารอินทรี ย์ตา่ งๆ
สลายไป ทาให้ โครงสร้ างภายในมีลกั ษณะรูพรุน (porous) อยูท่ วั่ ไป
ขนาดของรูพรุนที่ได้ จะมีขนาดเล็กกว่าการกระตุ้นทางเคมี ซึง่ ถ่านกัมมันต์
ที่กระตุ้นด้ วยวิธีนี ้มีข้อดีที่สามารถนามาใช้ งานได้ เลย ทันทีโดยไม่ต้องล้ าง
สารที่เหลือตกค้ าง
2.2.1 การกระตุ้นด้ วยไอน ้าในเตาเผาที่หมุนได้ (Rotary Kiln)
• เตาเผาจะอยูใ่ นแนวนอนและหมุนได้ รอบตัวโดยใช้ มอเตอร์ ซึง่ จะทาให้
ถ่านคลุกเคล้ ากับไอน ้าได้ มากขึ ้น ไอน ้าที่ออกมาจากเครื่ องทาไอน ้าจะ
ถูกทาให้ อณ
ุ หภูมิสงู ขึ ้น โดยผ่านเข้ าไปในท่อทองแดงจนเกิดเป็ น
Super heated stream แล้ วเข้ าเตาเผาที่หมุน ซึง่ ก็จะทา
ปฏิกิริยากับถ่าน
http://bantanthai.tarad.com
ขอบคุณคะ ขอให้ ทุกท่ านโชคดี