รู้ทันนักวิจัย (๒๐) ลดโลกร้อนด้วยการเปลี่ยน CO2 กลับเป็นสารอินทรีย์ MO Memoir : Thursday 4 April 2562

แม้ว่าโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์ (carbon dioxide CO₂) จะมีอะตอม O ที่มีค่า electronegativity สูงมาเกาะถึง 2 อะตอม แต่ด้วยการที่แรงที่อะตอม O ออกแรงดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอม C ในทิศทางตรงข้ามกัน ทำให้โมเลกุล CO₂ มีค่า dipole moment ที่เป็นศูนย์ และอะตอม C เองยังมีความสามารถที่ต่ำในการดึงอิเล็กตรอนจาก nulceophile (กล่าวอีกอย่างก็คือ CO₂ เป็น electrophile ที่ไม่ดี) ความว่องไวในการทำปฏิกิริยาของอะตอม C ของ CO₂ จึงต่ำมากเมื่อเทียบกับพวกที่มีอะตอม O มาเกาะเพียงอะตอมเดียวเช่นคาร์บอนมอนออกไซด์ (carbon monoxide CO) หรือ ฟอร์มัลดีไฮด์ (formaldehyde H(CO)H) แต่ถึงกระนั้นก็ตามก็ยังมีการนำเอา CO₂ ทำปฏิกิริยาสร้างหมู่คาร์บอกซิล (carboxyl -COOH) ให้กับสารประกอบฟีนอล (phenol C₆H₅-OH) เพื่อสังเคราะห์สารประกอบ monohydroxy benzoic acid เพียงแต่ต้องใช้ความดันสูงและอุณหภูมิสูงช่วยในการทำให้ปฏิกิริยาเกิด (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยา Kolbe–Schmitt reaction ที่ใช้ในการสังเคราะห์กรดซาลิซัยลิก (salicylic acid) ที่เป็นสารตั้งต้นของยาแอสไพริน (aspirin) จากฟีนอลและ CO₂ โดยใช้ NaOH เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ปฏิกิริยาเกิดที่ความดันประมาณ 100 atm อุณหภูมิ 125ºC (รูปภาพและเนื้อหาส่วนนี้นำมาจาก https://en.wikipedia.org/wiki/Kolbe-Schmitt_reaction) ในกรณีนี้ CO₂ จะเข้าไปเกาะที่ตำแหน่ง ortho (คือข้างอะตอม O ของฟีนอล) แต่ถ้าใช้ KOH เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา CO₂ จะเข้าไปเกาะที่ตำแหน่ง para (คือตรงข้ามอะตอม O ของฟีนอล) ได้ผลิตภัณฑ์เป็น 4-hydroxy benzoic acid แทน ซึ่งคงเป็นผลจากการที่ไอออน K⁺ มีขนาดใหญ่กว่า Na⁺ จึงไปขวางไม่ให้ CO₂ เข้าแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho ได้

ปฏิกิริยาระหว่าง CO₂ กับไฮโดรเจนที่เกิดเป็นแก๊สมีเทน (methane CH₄) ที่อุณหภูมิสูง (ประมาณ 300-400ºC) โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย (เช่นโลหะ Ni) ก็เป็นอีกปฏิกิริยาหนึ่งที่เป็นที่รู้จักกันมานานแล้วในชื่อ Sabatier reaction สมการรวมของปฏิกิริยานี้คือ

CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O

ปฏิกิริยานี้มีการคายความร้อนออกมา 165 kJ/mol ของมีเทนที่ผลิตได้ ถ้าอ่านถึงตรงนี้แล้วใครสงสัยว่าทำไมปฏิกิริยาคายความร้อนจึงต้องใช้ "อุณหภูมิสูง" ในการทำให้เกิด แสดงว่ามีความเข้าใจที่ไม่ถูกต้องระหว่างค่าคงที่สมดุลกับการเกิดปฏิกิริยา เพราะปฏิกิริยาจะ "เกิดได้หรือไม่" นั้น พลังงานกระตุ้นเป็นตัวกำหนด ส่วน "ถ้าเกิดได้แล้ว" จะไปข้างหน้าได้ไกลแค่ไหนนั้น ค่าคงที่สมดุลเป็นตัวกำหนด

(หมายเหตุ : ค่า enthalpy of formation ∆H_f ที่ 25ºCของ CH₄, CO₂ และ H₂O_(g) คือ -74.87, -393.5 และ -241.82 kJ/mol ตามลำดับ)
 

อีกแนวทางหนึ่งในการเปลี่ยน CO₂ เป็นสารอินทรีย์ตัวอื่นได้แก่กระบวนการ electro reduction ที่รีดิวซ์โมเลกุล CO₂ ด้วยไฮโดรเจนที่ได้จากน้ำหรือสารอินทรีย์ (ไฮโดรเจนอาจมาในรูปของ H⁺ ก็ได้) ปฏิกิริยานี้ในขณะนี้ก็เริ่มมีการศึกษากันเพิ่มขึ้น แต่ก็ยังไม่สามารถพัฒนาขึ้นมาระดับเชิงพาณิชย์ได้

การหาทางนำเอา CO₂ มาใช้เป็นสารตั้งต้นเพื่อสังเคราะห์สารอินทรีย์ตัวอื่น ด้วยเหตุผลที่ว่าเพื่อลดขั้นตอนการทำปฏิกิริยาให้ลดลงนั้นจัดว่าเป็นเหตุผลที่ฟังขึ้น แต่ถ้าใช้เหตุผลว่าเพื่อต้องการ "ลดโลกร้อน" นั้นโดยส่วนตัวแล้วเห็นว่าเป็นเหตุผลที่ยากที่จะรับ เว้นแต่จะสามารถชี้แจงได้ว่าพลังงานที่ต้องใช้ในการทำปฏิกิริยานั้นมาจากไหน และไม่ทำให้เกิด CO₂ หรือมลพิษตัวอื่นเพิ่มเติม
 

เช่นในปฏิกิริยา Kolbe–Schmitt reaction นั้นแหล่งพลังงานที่จะใช้เพิ่มความดันให้กับระบบและเพิ่มอุณหภูมิให้สูงถึงระดับที่ปฏิกิริยาเกิดได้นั้นได้มาจากไหน การได้มาซึ่งพลังงานเหล่านี้มีการปลดปล่อย CO₂ หรือไม่ และถ้ามีการปลดปล่อยจะสามารถพิสูจน์ได้ไหมว่า CO₂ ที่ปลดปล่อยนั้นน้อยกว่าที่นำมาใช้ทำปฏิกิริยา ในกรณีของการเปลี่ยน CO₂ ไปเป็น CH₄ นั้นนอกจากจะต้องตอบคำถามเรื่องที่มาของแหล่งพลังงานแล้ว ยังต้องตอบด้วยว่าแก๊ส H₂ ได้มาจากไหน และการได้มาซึ่งแก๊ส H₂ นั้นมีการปลดปล่อย CO₂ มากน้อยเพียงใด และการทำดังกล่าวมีประโยชน์อย่างใดในเมื่อ H₂ มีราคาแพงกว่า CH₄ (คือเปลี่ยนของแพงให้กลายเป็นของถูกทำไม)
 

ในกรณีของกระบวนการ electro reduction ก็เช่นกัน ประเด็นสำคัญคือแหล่งที่มาของกระแสไฟฟ้าที่ต้องใช้ในการทำให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้น และในกรณีที่ใช้สารอินทรีย์เป็นตัวให้อะตอม H ก็ต้องชี้แจงด้วยว่าสารอินทรีย์เหล่านี้มีที่มาอย่างใด เป็นสิ่งที่มีเองในธรรมชาติหรือจากกระบวนการผลิต และการได้มาซึ่งสารอินทรีย์เหล่านั้นก่อเกิด CO₂ มากน้อยเพียงใด

การลดโลกร้อนด้วยการรณรงค์ให้หันมาใช้รถยนต์ไฟฟ้า ที่ใช้ไฟฟ้าที่ผลิตจากแหล่งพลังงานที่ไม่ก่อให้เกิด CO₂ นั้นเป็นสิ่งที่สมเหตุสมผลกัน (แต่ต้องไม่ลืมคิดด้วยว่าจะจัดการกับแบตเตอรี่ที่หมดสภาพและเป็นขณะพิษด้วยนั้นอย่างไร) แต่ถ้าเป็นการใช้รถยนต์ไฟฟ้า ที่ใช้ไฟฟ้าที่ผลิตจากการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิลนั้น แล้วอ้างว่าเป็นการช่วยลดการปลดปล่อย CO₂ นั้น มันเป็นเพียงแค่การลดการปลดปล่อย CO₂ ในบริเวณที่มีการนำรถไฟฟ้าไปใช้งาน แต่มันไปเพิ่มการปลดปล่อย CO₂ ณ แหล่งผลิตไฟฟ้าเพราะมีการใช้ไฟฟ้าเพิ่มมากขึ้น สรุปง่าย ๆ ก็คือมันเป็นเพียงแค่การย้ายแหล่งปลดปล่อย จากในเมืองให้ไปยังชุมชนรอบโรงไฟฟ้าแทน 
  

นอกจากนี้ยังมีคำถามเรื่องช่วงเวลาที่ต้องใช้ในการชาร์ตไฟ เพราะต้นทุนการผลิตไฟฟ้าในบ้านเรานั้นเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา ช่วงหัวค่ำกับกลางวัน (ที่มีความต้องการพลังงานไฟฟ้าสูง) จะมีต้นทุนสูงกว่าช่วงดึกหรือหลังเที่ยงคืนมาก (ที่มีความต้องการพลังงานไฟฟ้าต่ำ) ดังนั้นค่าชาร์จแบตควรขึ้นกับช่วงเวลาที่ทำการชาร์จด้วยหรือไม่ เพราะถ้าทุกคนหันมาชาร์จกันตอนหัวค่ำ (แทนที่จะเป็นช่วงหลังเที่ยงคืน) หรือตอนกลางวันที่มีการใช้ไฟฟ้าเยอะ (เพราะอาคารพาณิชย์และที่ทำงานต่าง ๆ เปิดเครื่องปรับอากาศกันมากเนื่องจากอากาศร้อน) โรงไฟฟ้าที่มีอยู่นั้นจะสนองความต้องการได้หรือไม่

ฝากทิ้งท้ายไว้หน่อยคือ ถ้าคิดจะซื้อรถยนต์ไฟฟ้า อย่าลืมถามนะครับว่าถ้าเปิดแอร์วิ่งในสภาพการจราจรติดขัดในเมือง ที่อากาศร้อนทั้งกลางวันกลางคืน (แถมกลางคือยังต้องเปิดไฟแสงสว่างอีก) แถมบางทีติดอยู่บนทางด่วนเป็นชั่วโมง ชาร์จแบตหนึ่งครั้งจะเดินทางได้จริงกี่กิโล ผมเคยถามมาสองรายแล้ว และก็ได้คำตอบที่ไม่ค่อยประทับใจเท่าใดนัก