การดักจับ CO2 ด้วยสารละลายเอมีน MO Memoir : Tuesday 18 November 2568

การลดการปลดปล่อย CO₂ ด้วยการดักจับ CO₂ มันจะเป็นจริงได้ก็ต่อเมื่อกระบวนการดักจับนั้นต้องไม่ผลิต CO₂

ว่าแต่ในความเป็นจริงนั้นมันทำได้หรือเปล่า ถ้าทำได้จริงทำไมจึงไม่มีการนำมาใช้งานกันอย่างแพร่หลาย ทั้ง ๆ ที่เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องนั้นมันมีการใช้งานจริงในทางปฏิบัติอยู่แล้ว เพียงแต่ไม่ได้นำมาประยุกต์ใช้กับการดักจับ CO₂ เท่านั้น

การกำจัด CO₂ ออกจากแก๊ส ในกรณีที่ CO₂ มีความเข้มข้นสูงและมีอัตราการไหลของแก๊สที่สูงและต่อเนื่อง (เช่นในการแยก CO₂ ออกจากแก๊สธรรมชาติ) จะนิยมใช้การดูดซึม (absorption) ด้วยสารละลายที่เป็นเบสเช่น K₂CO₃ และเอมีน (amine) ต่าง ๆ (โรงแยกแก๊สธรรมชาติในบ้านเราก็มีกระบวนการเหล่านี้ในการดึงเอา CO₂ ออกจากแก๊สธรรมชาติ) จากนั้นจึงนำเอาสารละลายเบสที่อุดมไปด้วย CO₂ ไปให้ความร้อนเพื่อไล่ CO₂ ออกไป CO₂ ที่ถูกไล่ออกไปก็ปล่อยออกสู่บรรยากาศ กระบวนเหล่านี้เคยเล่าไว้เมื่อ ๑๐ ปีที่แล้วในเรื่อง "การกำจัด CO₂ และ H₂S ด้วยกระบวนการ Hot Potassium Carbonate Absorption MO Memoir : Monday 7 December 2558" และ "การกำจัด CO2 และ H2S ด้วยกระบวนการเอมีน (Amine gas treating process) MO Memoir : Friday 11 December 2558"

ต่อมาเมื่อกระแสการดักจับ CO₂ มาแรง ก็มีการทำงานวิจัยเพื่อศึกษาการนำเอากระบวนการเหล่านี้ โดยเฉพาะการใช้เอมีน มาเพื่อดักจับ CO₂ ออกจากแก๊สที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล โดยอ้างว่าช่วยในการลดภาวะโลกร้อน โดยมีการศึกษาทั้งชนิดและความเข้มข้นของเอมีนที่จะทำให้ดักจับ CO₂ ได้ดีที่สุด

แต่สิ่งหนึ่งที่งานวิจัยเหล่านี้มักจะหลีกเลี่ยงไม่กล่าวถึงก็คือ แล้ว CO₂ ที่เอมีนดักจับเอาไว้เอาไปปล่อยทิ้งที่ไหน และความร้อนที่ต้องใช้ในการทำให้เอมีนร้อนเพื่อให้มันคาย CO₂ ออกมานั้นได้มาจากไหน และผลิต CO₂ ด้วยหรือไม่ (รูปที่ ๑) ซึ่งถ้าอ้างว่าแหล่งพลังงานความร้อนสำหรับต้มเอมีนนั้นเป็นแหล่งพลังงานสะอาด ก็ควรที่จะถามต่อไปว่าถ้าเช่นนั้นทำไมไม่เอาพลังงานความร้อนนั้นไปใช้แทนพลังงานร้อนที่ได้จากการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิล จะได้ไม่ต้องทำการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิลให้มันเกิด CO₂ จะได้ไม่ต้องทำการดักจับ CO₂

ถามคำถามแบบนี้เมื่อใดในวงการดังกล่าว มีสิทธิ์สูงที่เขาจะไม่คุยด้วยต่อหรือไม่ก็ถูกเชิญออกจากวง :) :) :)

รูปที่ ๑ การใช้สารละลายเอมีน (amine) ในการดักจับ CO₂ ออกจากแก๊ส

พอโดนแย้งเรื่องดักจับมาเพื่อเอามาปล่อยทิ้งอีกที่หนึ่ง ก็เลยมีการเปลี่ยนเป็นดักจับแล้วไม่ปล่อย และไม่ต้องใช้ความร้อนในการต้มไล่ CO₂ ออกจากเอมีนด้วย ก็เลยเป็นที่มาของกระบวนการ mineralization คือเปลี่ยน CO₂ ที่เอมีนจับอยู่นั้นให้กลายเป็นของแข็งในรูป CaCO₃ ตกตะกอนออกมา และสารเคมีที่ใช้ก็คือ CaO โดยปฏิกิริยาที่เกิดก็คือ

Amine-CO₂ + CaO -----> Amine + CaCO₃

แต่ CaO เป็นสารที่ไม่ได้มีในธรรมชาติในปริมาณที่ทำเหมืองขุดมาใช้งานได้ ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันก็ได้มาจากการนำเอา CaCO₃ มาเผาที่อุณหภูมิสูงให้มันสลายตัวให้ CO₂ ออกมา และพลังงานความร้อนที่ต้องใช้ในการเผาก็ได้มาจากแหล่งพลังงานที่ CO₂ ออกมาเช่นกัน

นั่นคือย้ายการปล่อย CO₂ จากขั้นตอนการไล่ CO₂ ออกจากเอมีนเพื่อนำเอมีนกลับไปใช้งานใหม่ ให้ไปอยู่ที่การผลิต CaO แทน (รูปที่ ๒) คือให้มันเขยิบออกห่างไปอีกหน่อย

รูปที่ ๒ เปลี่ยนมาใช้ CaO ดึง CO₂ ออกจากแทนการต้มไล่

พอมีการทักเรื่องที่มาของ CaO ว่ามีการปลดปล่อย CO₂ และ CaO ก็ละลายน้ำได้น้อย การทำปฏิกิริยาก็ยาก ก็เลยมีการเปลี่ยนไปใช้สารตัวอื่นที่ละลายน้ำได้ และสารตัวที่มาแทนก็คือ CaCl₂ กระบวนการดึง CO₂ ออกจากเอมีนด้วย CaCl₂ ก็คล้ายกับกระบวนการที่ใช้ CaO (รูปที่ ๓)

แต่ก็ยังมีคำถามอยู่ดีว่า CaCl₂ มาจากไหน

รูปที่ ๓ เปลี่ยนจาก CaO มาเป็น CaCl₂ แทน

CaCl₂ ก็ทำนองเดียวกันกับ CaO คือมันไม่ได้มีเป็นแหล่งแร่ในธรรมชาติที่ขุดมาใช้งานได้เลยเหมือน CaCO₃ แหล่งที่มาหลักแหล่งหนึ่งในปัจจุบันก็คือกระบวนการ Solvay ที่ใช้ในการผลิตโซดาแอช (Soda ash หรือ Na₂CO₃) สารตั้งต้นหลักในการผลิตโซดาแอชคือ NaCl และ CaCO₃ โดยมีการใช้อุณหภูมิสูงในการเผา CaCO₃ ให้สลายตัวเกิดแก๊ส CO₂ เพื่อนำไปทำปฏิกิริยากับสารละลาย NaCl และ NH₃ ส่วน CaO ที่เหลืออยู่ก็จะถูกนำไปทำปฏิกิริยากับ NH₄Cl ทำให้ได้ CaCl₂ ออกมาและ NH₃ ที่สามารถนำกลับไปใช้ทำปฏิกิริยาใหม่ (รูปที่ ๔)

รูปที่ ๔ กระบวนการ Solvay ที่ใช้ผลิตโซดาแอช (Na₂CO₃) (จาก https://en.wikipedia.org/wiki/Solvay_process)

ในกระบวนการ Solvay ก็มีการผลิต CO₂ จากแหล่งพลังงานความร้อนที่ใช้ในการทำให้ CaCO₃ สลายตัว

ปฏิกิริยารวมของการดึง CO₂ ออกจากเอมีนด้วยสารละลาย CaCl₂ คือ

Amine-CO₂ + CaCl₂ + H₂O -----> Amine + CaCO₃ + 2HCl_(aq)

จากสมการข้างบนก็เกิดคำถามตามมาอีกก็คือ จะทำอย่างไรกับ HCl ที่เกิดขึ้น และ HCl ที่เป็นกรดนั้นเมื่ออยู่ร่วมกับเอมีนที่เป็นเบส จะเกิดปฏิกิริยาอย่างไรได้บ้าง ซึ่งตรงนี้คงต้องดูกันต่อไปว่าการแก้ปัญหานี้จะออกไปทางไหนกันอีก

Carbon Capture, Utilisation and Storage หรือที่ย่อว่า CCUS นั้นถ้าจะสามารถลดการปลดปล่อย CO₂ ได้จริงก็ต่อเมื่อกระบวนการ CCUS นั้นปลดปล่อย CO₂ น้อยกว่าปริมาณที่มันดักจับเอาไว้ได้ ถ้ามองเห็นประเด็นตรงนี้ก็จะเข้าใจว่าทำไมในเมื่อมีการศึกษาวิจัยกันอย่างแพร่หลาย จึงไม่มีการนำเอามาใช้งานจริงในทางปฏิบัติกันเสียที คือทำพอเป็นพิธีนั้นพอมีอยู่ แต่ห้ามถามเรื่องพลังงานที่ใช้ในกระบวนการว่าผลิต CO₂ มากน้อยแค่ไหน

การดักจับ CO2 ด้วย CaO MO Memoir : Sunday 9 November 2568

ผลการทดลองใด ๆ ก็ตามที่ออกมาสวนทางหรือขัดแย้งกับทฤษฎีหรือองค์ความรู้ที่ใช้กันอยู่ ควรต้องได้รับการตรวจสอบวิธีการทดลองและการวิเคราะห์ผลอย่างละเอียดถี่ถ้วน เพราะถ้ามันแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีหรือองค์ความรู้ที่เราใช้กันอยู่นั้นมันไม่ถูกต้องหรือสมบูรณ์แบบ มันจะเป็นการค้นพบที่ยิ่งใหญ่

แต่จากประสบการณ์เท่าที่เคยเจอมา ผลมักจะออกมาว่า "เกิดจากวิธีการทดลองหรือการวิเคราะห์ที่ไม่เหมาะสมทุกครั้งไป"

ช่วงนี้กระแส Carbon Capture, Utilisation and Storage หรือที่ย่อว่า CCUS กำลังมาแรง แต่ถ้าสังเกตดูก็จะพบว่าเต็มไปด้วยงานวิจัยที่แทบจะไม่มีการนำออกมาใช้งานจริง หรือในบางกรณีก็เป็นการใช้งานจริงกับกรณีเฉพาะเท่านั้นโดยไม่มีการใช้งานกันอย่างแพร่หลายทั่วไป นั่นเป็นเพราะ CO₂ เกิดจากการผลิต "พลังงาน" โดยใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล (หนึ่งในต้นตอหลัก) แต่การดักจับ CO₂ ก็ต้องใช้ "พลังงาน" และการเปลี่ยน CO₂ ไปเป็นสารอื่นก็ต้องใช้ "พลังงานมาก" นั่นก็เป็นเพราะ CO₂ เป็นสารที่มีค่าพลังงานในตัว (หรือ Enthalpy of Formation) ที่ต่ำมากอยู่แล้ว ดังนั้นปฏิกิริยาใด ๆ ที่จะนำ CO₂ ไปเปลี่ยนเป็นสารอื่นก็ต้องใช้พลังงานมากกว่ากระบวนการผลิตดั้งเดิม

ทีนี้ถ้าจะบอกว่าการดักจับและการเปลี่ยน CO₂ ไปเป็นสารอื่นนั้นสามารถทำได้ด้วยการใช้พลังงานสะอาด มันก็จะมีคำถามตามมาว่าถ้าเช่นนั้นทำไมไม่นำเองพลังงานสะอาดเหล่านั้นไปใช้แทนพลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิลเลย จะได้ไม่ต้องมี CO₂ ให้ดักจับ

CaO หรือแคลเซียมออกไซด์ (calcium oxide) เป็นสารตัวหนึ่งที่มีการศึกษาเพื่อนำมาใช้เป็นสารดักจับ CO₂ ออกจากแก๊สปล่อยทิ้งกันอย่างแพร่หลาย มีบทความจำนวนไม่น้อยกล่าวถึงการใช้ CaO ในการดักจับ CO₂ แต่สิ่งหนึ่งที่บทความจะไม่กล่าวถึงคือการผลิต CaO นั้นมีการปลดปล่อย CO₂ เช่นกัน

รูปที่ ๑ เส้นสีส้มคือค่าความเข้มข้นของ CO₂ ในเฟสแก๊สที่สภาวะสมดุล ซึ่งจะเพิ่มสูงขึ้นตามอุณหภูมิเพราะเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน

CaO เป็นสารที่ทำปฏิกิริยากับ CO₂ ในอากาศได้ง่าย ด้วยเหตุนี้เราจึงไม่พบแหล่ง CaO ในปริมาณที่มีนัยสำคัญในธรรมชาติ แต่อาจพบในรูปแบบปะปนอยู่กับสารอื่นในปริมาณไม่มาก แหล่งที่มาใหญ่สุดของ CaO ที่เราใช้กันในปัจจุบันคือการเผา CaCO₃ หรือแคลเซียมคาร์บอเนต (calcium carbonate) ที่อุณหภูมิสูงมากพอ (ระดับ 800ºC หรือสูงกว่า) เพื่อให้ CaCO₃ สลายตัวเป็น CaO และ "CO₂"

และแน่นอนว่าพลังงานหลักที่ต้องใช้ในการเผา CaCO₃ (ในปัจจุบัน) ก็ปลดปล่อย "CO₂" เช่นกัน

ดังนั้นถ้าอยากลดการปลดปล่อย CO₂ สิ่งหนึ่งที่ทำได้คือลดการผลิต CaO

สำหรับผู้เรียนเคมีแล้ว ต้องรู้จักหลักของเลอชาเตอลิเอ (Le Chatelier's Principle) ที่เกี่ยวข้องกับสมดุลเคมี ปฏิกิริยาการสลายตัวของ CaCO₃ ไปเป็น CaO และ CO₂ นั้นเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ดังนั้นที่อุณหภูมิสูงขึ้นการเกิด CaO ก็จะเพิ่มขึ้น (หรือปริมาณ CaCO₃ จะลดลง) รูปที่ ๑ แสดงค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาดังกล่าวในช่วงอุณหภูมิต่าง ๆ จะเห็นว่าที่อุณหภูมิสูงขึ้น CaCO₃ มีแนวโน้มจะสลายตัวเป็น CaO มากขึ้น

รูปที่ ๒ ผลการทดลองที่มีการนำเสนอ ผลการทดลองนี้บอกว่าที่อุณหภูมิสูงขึ้น CaO จะดักจับ CaCO₃ ได้มากขึ้น ?????

เมื่อบ่ายวันศุกร์ที่ผ่านมาระหว่างนั่งฟังนิสิตปริญญาเอกรายหนึ่งนำเสนอผลการทดลองของเขาที่เกี่ยวข้องกับการใช้ CaO ในการดักจับ CO₂ ที่อุณหภูมิต่าง ๆ ในการทดลองของเขาใช้การดูดซับด้วยระบบเบดนิ่ง (fixed-bed) ที่ให้แก๊สผสมที่มี CO₂ ไหลผ่านเบด CaO แล้ววัดความเข้มข้น CO₂ ด้านขาออก โดยทำการวัดจน CaO ดูดซับ CO₂ จนอิ่มตัว แล้วจึงคำนวณหาปริมาณ CO₂ ที่ผ่านไป (ซึ่งเป็นปริมาณเดียวกันกับที่ CaO จับเอาไว้) ผลการทดลองของเขาออกมาว่า CaO จะทำการจับ CO₂ ได้มากขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น ???? (รูปที่ ๒)

ช่วงถามคำถามผมก็ถามเขาไปว่าทำไปในสไลด์ก่อนหน้านี้คุณนำเสนอว่าอุณหภูมิสูงขึ้นจะทำให้ CaCO₃ สลายตัวคาย CO₂ ออกมา (รูปที่ ๓) แล้วทำไมตอนนี้นำเสนอผลการทดลองที่ตรงข้ามกัน แล้วจะอธิบายอย่างไร

รูปที่ ๓ สไลด์ที่นำเสนอก่อนหน้าบอกว่าอุณหภูมิสูงขึ้นจะทำให้ CaCO₃ สลายตัวคาย CO₂ ออกมา (ที่ Calciner)

ถ้าว่ากันตามความรู้พื้นฐานทางเคมีที่เราต่างเรียนกันมา เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นอัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะสูงขึ้น (โดยไม่สนว่าปฏิกิริยานั้นดูดหรือคายความร้อน) ดังนั้นในการทดลองนี้สิ่งที่ควรเห็นคือที่ในช่วงแรกที่เริ่มการดูดซับ การทดลองที่อุณหภูมิต่ำ (เส้นสีแดง) จะเห็นความเข้มข้น CO₂ ด้านขาออกสูงกว่าการทดลองที่อุณหภูมิสูง (เส้นสีเขียว) แต่เมื่อเวลาผ่านไป ความเข้มข้น CO₂ ด้านขาออกของการทดลองที่อุณหภูมิสูงจะเข้าถึงระดับความเข้มข้นด้านขาเข้า (เส้นสีน้ำเงิน) เร็วกว่า (คืออิ่มตัวก่อน) การทดลองที่อุณหภูมิต่ำ (ซึ่งใช้เวลานานกว่าจึงจะทำปฏิกิริยาสมบูรณ์) ดังรูปที่ ๔ ข้างล่าง

รูปที่ ๔ ผลการทดลองที่ควรจะเป็น

ส่วนที่ว่าทำไมเขาถึงได้ผลการทดลองที่ขัดแยังกับทฤษฎีที่ใช้กันอยู่นั้น คงต้องไปดูวิธีการทดลองโดยละเอียด