รู้ทันนักวิจัย (๒๑) ลดโลกร้อนด้วยการดักจับ CO2 ออกจากแก๊สปล่อยทิ้งจากการเผาไหม้ MO Memoir : Sunday 7 July 2562

ในภาคอุตสาหกรรม การแยก CO₂ ออกจากแก๊สมีการทำกันมานานแล้วและมีอยู่ด้วยกันหลายเทคนิค ส่วนจะเลือกใช้เทคนิคใดนั้นขึ้นอยู่กับ ปริมาณแก๊สที่ต้องแยก ความเข้มข้น CO₂ ในแก๊สขาเข้า ความเข้มข้น CO₂ ในแก๊สขาออกที่ยอมรับได้ และองค์ประกอบอื่นที่มีอยู่ในแก๊ส
 

เช่นในกรณีของ CO₂ ความเข้มข้นต่ำ (ระดับ ppm) ที่ปนเปื้อนอยู่ในเอทิลีนที่ใช้ในกระบวนการพอลิเมอร์ไรซ์นั้น การใช้การดูดซับด้วยของแข็งที่เป็นเบส (เช่น KOH) ก็เป็นวิธีการที่เหมาะสม เพราะทำเพียงแค่กะปริมาณเบสที่ต้องใช้ให้มากเพียงพอที่จะทำงานได้จนถึงรอบการหยุดเดินเครื่องเพื่อเปลี่ยนเอาเบสเก่าที่หมดสภาพทิ้ง และใส่เบสใหม่เข้าไป โดยในระหว่างการใช้งานนั้นก็ไม่ต้องมีการดูแลอะไร
 

ในกรณีของแก๊สที่มีปริมาณมากและมีความเข้มข้น CO₂ สูง (เช่นแก๊สธรรมชาติที่ได้มาจากอ่าวไทย) การใช้สารละลายเบสที่สามารถฟื้นคืนสภาพได้ (regeneration) เช่นสารละลาย K₂CO₃ หรือเอมีนต่าง ๆ จะเป็นวิธีการที่เหมาะสมมากกว่า โดยหลักการของวิธีการนี้ก็คือให้สารละลายเบสดูดซับ CO₂ เอาไว้ที่อุณหภูมิต่ำ จากนั้นจึงนำเอาสารละลายเบสที่ดูดซับ CO₂ จนอิ่มตัวนั้นไปต้มไล่ CO₂ ออกจากสารละลายเบสนั้นที่อุณหภูมิสูงขึ้น ก็จะได้สารละลายเบสที่ไม่มี CO₂ ละลายปนอยู่หมุนเวียนกลับไปใช้ดูดซับ CO₂ ใหม่ (แต่ต้องหลังจากทำให้เย็นตัวลง) ส่วน CO₂ ที่แยกออกมาได้นั้นก็ปล่อยทิ้งสู่บรรยากาศหรือเข้าสู่กระบวนการอื่นถ้าหากมีความต้องการ

รูปที่ ๑ แผนผังทั่วไปโดยรวมของกระบวนการแยก CO₂ ออกจากแก๊ส ในกรอบเส้นประสีน้ำเงินทางด้านซ้ายคือส่วนที่มักจะนำเสนอกันในบทความ ส่วนที่อยู่ทางด้านขวานั้นต่างก็มีการปลดปล่อย CO₂ แต่ไม่ได้รับการกล่าวถึง

ถ้าเทียบกับการใช้สารดูดซับที่เป็นของแข็งแล้ว การใช้สารดูดซับที่เป็นของเหลวมันมีข้อดีตรงที่มันลำเลียงผ่านทางระบบท่อได้ง่าย แลกเปลี่ยนความร้อนให้มันร้อนขึ้นหรือเย็นลงก็ทำได้ง่าย แต่มันก็มีข้อเสียบ้างตรงที่อาจมีตัวทำละลายบางส่วนติดไปกับแก๊สขาออก ทำให้ต้องมีการกำจัดตัวทำละลายนั้นออกอีก
 

เรื่องราวมันมาสนุกตรงที่มีความพยายามจะแยก CO₂ ออกจากแก๊สปล่อยทิ้งที่เกิดจากการเผาไหม้ เช่นจากโรงผลิตไฟฟ้า โดยอ้างว่าเป็นการช่วย “ลด” การปลดปล่อย CO₂ ออกสู่บรรยากาศ แก๊สประเภทนี้เป็นแก๊สที่มีอัตราการไหลสูง อุณหภูมิสูง มีความเข้มข้น CO₂ สูง และมีความดันต่ำอยู่ที่ประมาณสูงกว่าความดันบรรยากาศเล็กน้อย การใช้สารดูดซับชนิดครั้งเดียวทิ้งโดยไม่สามารถทำการคืนสภาพเพื่อกลับมาใช้งานใหม่ได้นั้นไม่เหมาะสมแน่ ด้วยความดันที่ต่ำของแก๊สปล่อยทิ้งเหล่านี้ทำให้ไม่สามารถใช้ระบบที่มี pressure drop สูงได้ และด้วยอุณหภูมิที่สูงของแก๊สจึงทำให้ไม่สามารถใช้ระบบการแยกด้วยแผ่นเยื่อที่ทำจากพอลิเมอร์ 
  

แต่ไม่ว่าจะเป็นวิธีการใดก็ตาม สิ่งหนึ่งที่บทความเหล่านี้ทำกันก็คือ การนำเสนอเฉพาะส่วนที่อยู่ในกรอบเส้นประสีน้ำเงินของรูปที่ ๑ สิ่งที่ไม่มีการกล่าวถึงกันก็คือจัดการอย่างไรต่อกับ CO₂ ที่แยกออกมาได้ และนี่ก็เป็นที่มาของคำถามแรกคือ ถ้าหากเป็นการปล่อยออกสู่บรรยากาศเหมือนเดิม ดังนั้นสิ่งที่ทำก็ไม่ได้เป็นการลดการปลดปล่อย CO₂ แต่เป็นเพียงแค่เปลี่นสถานที่ปลดปล่อยเท่านั้น ถ้านำไปเก็บเอาไว้ในรูปของเหลว ก็ต้องถามต่อด้วยว่าพลังงานที่ต้องใช้ในการเปลี่ยนจากแก๊สเป็นของเหลวนั้นปลดปล่อย CO₂ อีกเท่าใด และมีสถานที่เก็บนั้นเพียงพอหรือไม่ ถ้าบอกว่าจะนำไปใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตสารเคมีตัวอื่นที่มีมูลค่าเพิ่มสูงขึ้น ก็ต้องตอบคำถามให้ได้ด้วยว่าพลังงานที่ต้องใช้นั้นปลดปล่อย CO₂ อีกเท่าใด เพราะ CO₂ เป็นสารที่เฉื่อย ต้องใช้พลังงานที่สูงในการกระตุ้นให้มันทำปฏิกิริยาได้ ซึ่งประเด็นตรงนี้เคยเล่าไว้เมื่อ ๓ เดือนที่แล้วเมื่อวันที่ ๔ เมษายน ๒๕๖๒ เรื่อง “รู้ทันนักวิจัย (๒๐) ลดโลกร้อนด้วยการเปลี่ยน CO₂ กลับเป็นสารอินทรีย์”
 

ปฏิกิริยาการดูดซับ (ไม่ว่าจะเป็นการดูดซับด้วยสารละลายของเหลว หรือของแข็ง) เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ดังนั้นการไล่ CO₂ ที่สารดูดซับจับเอาไว้เพื่อนำเอาสารดูดซับไปใช้งานใหม่นั้นต้องใช้พลังงานความร้อน การนำเอาสารดูดซับที่จับ CO₂ จนอิ่มตัว และสารดูดซับที่ผ่านการไล่ CO₂ ออกไปแล้วไปใช้งานใหม่ต่างก็ต้องใช้พลังงานในการลำเลียง คำถามที่เกิดขึ้นก็คือความร้อนที่ใช้ในการไล่ CO₂ และใช้ในการลำเลียงสารดูดซับนั้นได้มาจากไหน ถ้าต่างได้มาจากแหล่งพลังงานที่มีการผลิต CO₂ วิธีการเหล่านี้ก็เป็นการเพิ่มการปลดปล่อย CO₂ ไม่ใช่การลดการปลดปล่อย
 

การใช้สารดูดซับที่เป็นของแข็งในระบบไหลเวียนต่อเนื่องก็ต้องพิจารณาเรื่องพลังงานที่ต้องใช้ในการลำเลียงของแข็งและการลดอุณหภูมิของแข็ง จริงอยู่ที่ว่าในอุตสาหกรรมนั้นมีการใช้ระบบการไหลเวียนของแข็งต่อเนื่อง โดยระบบที่สำคัญคือ FCC ที่ย่อมาจาก Fluidised bed Catalytic Cracking โดยในระบบนี้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เสื่อมสภาพเนื่องจากการสะสมของ coke จะถูกนำไปเผาไล่ coke ทิ้ง ก่อนที่จะหมุนเวียนกลับตัวเร่งปฏิกิริยามาใช้งานใหม่ โดยไม่จำเป็นต้องมีการลดอุณหภูมิของตัวเร่งปฏิกิริยาให้เย็นตัวลง ด้วยเหตุผลที่ว่าปฏิกิริยา cracking นั้นเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อนที่ต้องการอุณหภูมิสูงอยู่แล้ว แต่ปฏิกิริยาการดูดซับแก๊สนั้นเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนที่จะทำงานได้ดีที่อุณหภูมิต่ำ
 

เคยเห็นมีคนนำเสนอการใช้ CaO ที่เป็นของแข็งเป็นสารดูดซับ CO₂ แต่ CaO นั้นได้มาจากการเผา CaCO₃ ที่อุณหภูมิสูงเพื่อให้มันคาย CO₂ ออกมา ซึ่งแน่นอนว่าการผลิต CaO นั้นก่อให้เกิดการการผลิต CO₂ ด้วยไม่ว่าที่ตัว CaCO₃ คายออกมาหรือจากการผลิตพลังงานความร้อนที่ต้องใช้ในการเผา แถมปฏิกิริยานี้ยังยากที่จะทำให้เกิดได้สมบูรณ์
 

องค์ประกอบหนึ่งที่มักมีปนเปื้อนอยู่ในแก๊สเผาไหม้ที่ใช้ในการผลิตไฟฟ้าก็คือ SO₂ ที่เกิดจากการเผาไหม้สารประกอบกำมะถันเที่ปนเปื้อนอยู่ในเชื้อเพลิง SO₂ นี้สามารถทำปฏิกิริยากับออกไซด์ของโลหะอัลคาไลน์หรืออัลคาไลน์เอิร์ธกลายเป็นสารประกอบซัลเฟตได้ (sulphate แบบอังกฤษหรือ sulfate แบบอเมริกา) และการทำให้สารประกอบซัลเฟตนี้สลายตัวกลายเป็นสารประกอบออกไซด์ใหม่ก็ต้องใช้อุณหภูมิสูงด้วยเช่นกัน
 

ถ้าสิ่งที่บทความวิจัยตีพิมพ์ต่าง ๆ คุยนักคุยหนาว่าช่วยลดการปลดปล่อย CO₂ ได้นั้น เป็นเรื่องจริงและสามารถใช้งานได้จริงในทางปฏิบัติ ปัญหาเรื่องโลกร้อนเนื่องจาก CO₂ ที่เพิ่มขึ้นคงหมดไปนานแล้ว
 

Memoir ฉบับนี้ก็ถือว่าเป็นฉบับส่งท้ายปีที่ ๑๑ สรุปว่าปีที่ ๑๑ นี้เขียนไปทั้งหมด ๑๔๒ เรื่อง จำนวน ๘๑๒ หน้า ส่วนปีที่ ๑๒ นั้นจะมีอีกไหม หรือจะเป็นการเขียนในเรื่องทำนองไหนนั้น ก็ยังบอกไม่ได้เหมือนกัน เพราะลากยาวมาได้ถึงปีที่ ๑๑ เนี่ย ก็คิดไม่ถึงเหมือนกัน

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