น้ำกิน น้ำใช้ เป็นปัจจัยสำคัญในชีวิตที่ขาดไม่ได้ น้ำบาดาลจึงเปรียบเสมือนเส้นเลือดสำคัญของหลายชุมชน NANOTEC Newsletter ฉบับนี้ จะพาไปคุยกับ “ดร. หนุ่ม – กฤตภาส เลาหสุรโยธิน” จากทีมวิจัยกระบวนการระดับนาโนเพื่ออุตสาหกรรมเกษตร ที่ต่อยอดความเชี่ยวชาญด้านวัสดุนาโน ตอบโจทย์คุณภาพชีวิตและภัยแล้งที่ชุมชนหลายแห่งของไทยต้องเผชิญเมื่อใช้น้ำบาดาลในการดำรงชีวิต “นน หมู่บ้าน และพื้นที่ชายขอบที่ประสบปัญหาในเรื่องของคุณภาพน้ำด้วยระบบการจัดการน้ำสะอาดที่มีประสิทธิภาพ ตอบ BCG ยกระดับคุณภาพชีวิตประชาชนไทย
ระบบน้ำบาดาลมีความสำคัญมากในพื้นที่ที่มีความต้องการน้ำใช้เพื่ออุปโภคและบริโภค ซึ่งในหลายพื้นที่ พบว่า น้ำบาดาลมีการปนเปื้อนไอออนต่างๆ เช่น เหล็ก แมงกานีส แคลเซียม หรือเกลือ ที่ส่งผลต่อคุณภาพน้ำ และคุณภาพชีวิตของประชาชนผู้ใช้น้ำ ทีมวิจัยนาโนเทคจึงนำองค์ความรู้มาพัฒนาต่อยอดวัสดุนาโนที่มีโครงสร้าง 2 มิติ จากนาโนเคลย์หรือเลเยอร์ดับเบิ้ลไฮดรอกไซด์ที่มีสมบัติในการดูดซับและแลกเปลี่ยนไอออนในการตรึงไอออนและโมเลกุลของสารประกอบต่างๆ เพื่อให้สามารถเพิ่มสมบัติการดูดซับสารปนเปื้อนดียิ่งขึ้น
“เราศึกษาร่วมกับการพัฒนาวัสดุกราฟีนออกไซด์ให้เป็นคอมพอสิตระดับนาโนไฮบริดของวัสดุสองมิติ 2 ชนิด ที่มีความเข้ากันได้ โดยมองความเป็นไปได้ที่วัสดุนาโนไฮบริดนี้จะถูกนำไปใช้งานจริงได้ และมี TRL ที่สูงขึ้นเพื่อการต่อยอดใช้ประโยชน์ทั้งเชิงพาณิชย์และเชิงสาธารณะประโยชน์ จึงออกแบบให้วัสดุดังกล่าวนี้ อยู่ในรูปของแผ่นเมมเบรนที่มีรูพรุนระดับนาโนหรือไมครอนจะทำให้ถูกนำไปใช้งานในระบบกรองได้ ถอดเปลี่ยนได้ และล้าง (regenerate) ใหม่ได้” ดร.กฤตภาสกล่าว
งานวิจัยนี้ นาโนเทค สวทช. พร้อมกับผู้ร่วมวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีนานาชาติสิรินธร มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ (SIIT) ได้รับทุนสนับสนุนการวิจัยนวัตกรรมจากสำนักงานการวิจัยแห่งชาติ (วช.) เพื่อพัฒนาและออกแบบนาโนไฮบริดเมมเบรนพร้อมระบบชุดกรองน้ำแบบไหลข้าม (crossflow) สำหรับการกำจัดไอออนแคลเซียมและเกลือคลอไรด์จากกลไกการดูดซับและการแยกไอออนจากลักษณะของนาโนแชลเนล (nanochannel) จากชั้นซ้อนทับกันของกราฟีนออกไซด์และนาโนเคลย์ โดยมีประสิทธิภาพและความเป็นไปได้ในการพัฒนาต่อให้เกิดประโยชน์กับชุมชน ซึ่งเป็นเป้าหมายหนึ่งที่ต้องการให้เกิดขึ้นได้จริง
ในการเตรียมวัสดุเลเยอร์ดับเบิ้ลไฮดรอกไซด์หรือนาโนเคลย์สังเคราะห์นั้น นักวิจัยนาโนเทคเผยว่า สามารถเตรียมขึ้นได้อย่างง่ายจากเกลือไนเตรดของโลหะที่เป็นไดเวเลนท์แคตไอออนกับไตรเวเลนท์แคตไอออน เมื่อใช้ไอออนของโลหะที่เหมาะสม จะสามารถเตรียมและผลิตเลเยอร์ดับเบิ้ลไฮดรอกไซด์ที่มีสมบัติเฉพาะต่างกัน และมีสมบัติการดูดซับและการแลกเปลี่ยนไอออนลบจากชั้นระหว่างเลเยอร์ของแคตไอออนไฮดรอกไซด์ เมื่อนำไปผนวกกับวัสดุคาร์บอนจึงสามารถเพิ่มสมบัติการดูดซับและพื้นที่ผิวให้สูงขึ้น
การสร้างคาร์บอนที่มีสมบัติหลากหลายและมีพื้นที่ผิวสูง เช่น กราฟีนออกไซด์ที่มีสมบัติเชิงโครงสร้างแบบ 2D จะมีความสอดคล้องกันกับมิติของวัสดุเลเยอร์ดับเบิ้ลไฮดรอกไซด์ เมื่อทำการผสมแบบ in-situ ตามวิธีที่ทางนาโนเทคพัฒนาขึ้นนี้ ทำให้มีการก่อตัวของของผสมทั้งสองชนิดและได้วัสดุคอมพอสิตแบบ 2D/2D ที่ยากจะแยกกันออก ข้อดีของแนวทางแบบนี้คือทำให้วัสดุมีสมบัติการดูดซับและตรึงไอออนของเป้าหมายได้ดีขึ้น ที่สำคัญ เมื่อนำไปขึ้นรูปเป็นแผ่นเยื่อกรองโดยมีวัสดุยึดเหนี่ยวที่เหมาะสม จะทำให้วัสดุคอมพอสิตนี้ มีความเสถียร ทนต่อการนำไปใช้งานในการแยกผ่านตะกอนหรืออนุภาคได้ดี โดยเฉพาะการก้าวข้ามข้อจำกัดด้านการเป็นวัสดุที่มีความชอบน้ำต่ำ (hydrophilicity) ของกราฟีนออกไซด์ที่จะสลายตัวเมื่อนำไปใช้ในงานด้านน้ำ
ดังนั้น เมื่อวัสดุนาโนไฮบริดนี้อยู่ในรูปของเมมเบรนที่มีขนาดรูพรุนเล็กระดับไมครอน และมีความเสถียรสูงจึงสามารถนำมาใช้รับแรงดันในกระบวนการกรองน้ำได้ผ่านการดูดซับและกรองแบบไหลข้าม (croosflow) ที่มีข้อดีกว่าแบบ dead-end หรือกรองแบบตั้งฉากกับหน้าแผ่นกรองที่จะเกิดการสะสมและอุดตันจนไม่สามารถใช้งานต่อได้
“ผลการทดสอบในระดับห้องปฏิบัติการ เราได้ผลการทดสอบที่แสดงให้เห็นว่า วัสดุเมมเบรนนี้มีสมบัติในการดูดซับไอออนที่มีประจุทั้งในกลุ่มไอออนลบ เช่น Cl– และไอออนบวก เช่น Ca2+ และไอออนอื่นๆ” ดร. กฤตภาสกล่าว พร้อมชี้ว่า งานวิจัยนี้พัฒนาวัสดุนาโนคอมพอสิตขั้นสูงนี้ สามารถพัฒนากระบวนการที่มีประสิทธิภาพ โดยรวมถึงการควบคุมอัตราส่วนทางเคมี อุณหภูมิ และบรรยากาศที่เหมาะสมจึงเกิดวัสดุดังกล่าวได้ นอกจากนี้ยังพัฒนาเทคนิคในการผลิตในปริมาณมาก การออกแบบและพัฒนารูปแบบการเตรียมให้ได้วัสดุในรูปผงแห้ง ที่เก็บได้ยาวนานกว่าและคงประสิทธิภาพได้ดีเช่นเดียวกับวัสดุที่เพิ่งเตรียมขึ้นใหม่ ในสถิติ สามารถเก็บไว้ได้นานเกิน 1 ปี จึงพร้อมสำหรับการต่อยอดสู่งานวิจัยและพัฒนาวัสดุอื่นต่อไป
นอกจากนี้ ทีมวิจัยนาโนเทคยังกำลังดำเนินงานวางแผนพัฒนาระบบน้ำกรองของโรงเรียนในจังหวัดอุดรธานี ผ่านความร่วมมืออย่างน้อยสองเครือข่าย ได้แก่ มรภ.ราชภัฏอุดรธานี และทางโรงเรียนเป้าหมายใน ตำบลพันดอน อำเภอกุมภวาปี จ.อุดรธานี เป็นโครงการภายใต้งบบูรณาการน้ำ ปี 2567 ซึ่งจะเป็นการสำรวจคุณภาพน้ำและทำการปรับปรุงฟื้นฟูระบบกรองน้ำที่มีอยู่เดิมให้มีประสิทธิภาพดีขึ้นอีกครั้งโดยการใช้ระบบตกตะกอน การให้อากาศ และการกรองผ่านระบบไมโครเมมเบรนนาโนไฮบริด โดยจะมีการติดตาม ทดสอบผลเปรียบเทียบความแตกต่างของระบบที่ติดตั้ง เพื่อรวบรวมเป็นผลงานวิจัยเชิงวิชาการ และร่วมกับการพัฒนาทักษะและความเข้าใจให้กับโรงเรียนและชุมชนผู้ดูแลระบบในพื้นที่จริง ให้ทราบถึงประโยชน์ของนาโนเทคโนโลยีต่อไป
“นวัตกรรมแผ่นไมโครเมมเบรนพร้อมด้วยชุดกรองแบบไหลข้ามนี้ จะเป็นประโยชน์สำหรับกลุ่มชุมชนที่ประสบปัญหาในเรื่องของคุณภาพน้ำ มีโรงเรียน หมู่บ้าน และพื้นที่ชายขอบที่ยังมีความต้องการระบบการจัดการน้ำสะอาดที่มีประสิทธิภาพ ตอบโมเดลเศรษฐกิจ BCG ในการใช้ วทน. ยกระดับคุณภาพชีวิตประชาชนไทย ในขณะเดียวกัน การพัฒนาวัสดุนาโนไฮบริดของเลเยอร์ดับเบิ้ลไฮดรอกไซด์และกราฟีนออกไซด์นี้ ยังพร้อมสำหรับการผลิตในเชิงพาณิชย์เมื่อมีผู้สนใจรับการถ่ายทอดเทคโนโลยี โดยขณะนี้อยู่ในระหว่างการวิจัยเพิ่มเติมถึงการใช้งานอื่นๆ ที่หลากหลาย และนำเสนอให้ผู้สนใจได้เห็นโอกาสในการนำไปขยายผลเชิงอุตสาหกรรมและพาณิชย์ต่อไป” ดร. กฤตภาสกล่าวย้ำ