การวิเคราะห์เหล็กบนซีโอไลต์มอดีไนต์ นักวิจยั จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสรุ นารี ท�ำการค้นคว้าวิจยั เพือ่ ปรับปรุงประสิทธิภาพการเร่ง ปฏิกริ ยิ าของซีโอไลต์ ซึง่ เป็นตัวเร่งปฏิกริ ยิ าทีส่ ำ� คัญในวงการอุตสาหกรรมเคมี เนือ่ งจากเทคนิคการทดลอง การดูดกลืนรังสีเอกซ์จะบอกได้ถงึ สถานะทางเคมีของสารตัวอย่าง ทางกลุม่ วิจยั จึงได้ทำ� การตรวจสอบ สถานะของเหล็กในซีโอไลต์ทถี่ กู ท�ำการปรับปรุงประสิทธิภาพด้วยวิธกี ารต่างๆ ทีร่ ะบบล�ำเลียงแสงที่ 8 ของห้องปฏิบตั กิ ารแสงสยาม จากงานวิจยั ชิน้ นี้ นักวิจยั สามารถหาวิธกี ารเตรียมซีโอไลต์ทดี่ ที สี่ ดุ ทีส่ ามารถ เข้าสูส่ มดุลของปฏิกริ ยิ าได้เร็วขึน้ ลดเวลาทีใ่ ช้ในกระบวนการผลิตในการน�ำไปใช้ในอุตสาหกรรม
ลักษณะโพรงของซีโอไลต์มอร์ดีไนต์ (จาก Ch. Baerlocher and L.B. McCusker, Database of Zeolite Structures: http://www.iza-structure.org/databases/) อะตอม ที่มุมหลายเหลี่ยม (เช่น สี่เหลี่ยม ห้าเหลี่ยม) คือซิลิกอน หรืออลูมิ เนียม ส่วนเส้นที่เชื่อมมุมคืออะตอม ออกซิเจน
ซีโอไลต์ (Zeolite) คือผลึกของ สารประกอบออกไซด์ ข องซิ ลิ ก อนและ อลูมิเนียม (Aluminosilicate) มีประโยชน์ อย่างยิ่งในวงการอุตสาหกรรมเคมีในฐานะ ที่ เ ป็ น ตั ว เร่ ง ปฏิ กิ ริ ย าที่ มี ป ระสิ ท ธิ ภ าพสู ง นอกจากนั้ น ยั ง ถู ก ใช้ ใ นการบ� ำ บั ด น�้ ำ เสี ย โครงสร้ า งของซี โ อไลต์ มี ค วามเป็ น โพรงที่ มีขนาดเป็นรูพรุนแบบไมโครพอร์ (ขนาดรู พรุนน้อยกว่า 2 นาโนเมตร) และมีไอออน บวกอยู ่ ใ นโพรง วั ต ถุ ป ระสงค์ ข องงาน วิ จั ย นี้ คื อ การสั ง เคราะห์ ซี โ อไลต์ ม อดี ไ นต์ (MOR) ที่มีไ อออนบวกของโซเดี ย มอยู ่ ใ น โพรง (NaMOR) (รูปที่ 1) โดยใช้ซิลิกาจาก แกลบเป็นสารตัง้ ต้นตัวหนึง่ ในการสังเคราะห์ จากนั้ น ดั ด แปรซี โ อไลต์ ม อดี ไ นต์ เ พื่ อ เพิ่ ม รูพรุนแบบมีโซพอร์ (ขนาดรูพรุนในช่วง 2 - 50 นาโนเมตร) โดยไม่ท�ำลายโครงสร้าง ของซี โ อไลต์ ม อดี ไ นต์ ต ้ น แบบ การเพิ่ ม รูพรุนแบบมีโซพอร์จะช่วยในการเร่งปฏิกิริยา
ท�ำให้สารตั้งต้นแพร่ไปถึงต�ำแหน่งกัมมันต์ (Active site) ของตัวเร่งปฏิกิริยาได้เร็วขึ้น ท�ำให้อัตราเร็วของปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น วิธีการ ดัดแปรซีโอไลต์เพือ่ เพิม่ รูพรุนแบบมีโซพอร์ใน งานวิจัยนี้มี 4 แบบ คือ 1) เปลี่ยนซีโอไลต์มอดีไนต์ที่อยู่ใน รูปโซเดียมไปเป็นรูปโปรตอน โดยการแลก เปลี่ยนไอออน (แทนตัวอย่างนี้ด้วย HMOR) 2) น�ำ HMOR ในข้อ 1 มาต้มใน กรดไนตริกเข้มข้น 2 โมลาร์ ที่ 100 องศา เซลเซียส นาน 4 ชั่วโมง (แทนตัวอย่างนี้ ด้วย AMOR) 3) ต้ม NaMOR ด้วยเบสโซเดียม ไฮดรอกไซด์ที่มีความเข้มข้น 0.2 โมลาร์ ที่ 65 องศาเซลเซียส นาน 30 นาที แล้ว เปลี่ยนให้อยู่ในรูปโปรตอน (แทนตัวอย่างนี้ ด้วย BMOR), 4) ต้ม NaMOR ในกรดก่อน แล้ว ต้มในเบส แล้วเปลี่ยนให้อยู่ในรูปโปรตอน
งานวิจัยด้านอุตสาหกรรม
ที่ผ่านการดัดแปรเพื่อใช้เร่งปฏิกิริยา การเติมหมู่ไฮดรอกซิลบนฟีนอล
(แทนตัวอย่างนี้ด้วย ABMOR) ซีโอไลต์มอดีไนต์ตน้ แบบและตัว ที่ถูกดัดแปรทั้งหมด ถูกน�ำมาใช้เป็นตัว รองรับส�ำหรับเหล็ก (Fe) เพือ่ ใช้สำ� หรับเร่ง ปฏิกิริยาการเติมหมู่ไฮดรอกซิลบนฟีนอล โดยเติมเหล็กในปริมาณ 5 เปอร์เซ็นต์โดย น�้ำหนักตัวรองรับ เนื่องจากชนิดสารประกอบของ เหล็ ก มี ผ ลต่ อ การเร่ ง ปฏิ กิ ริ ย าการเติ ม หมู่ไฮดรอกซิลบนฟีนอล จึงจ�ำเป็นต้อง วิเคราะห์ชนิดของสารประกอบของเหล็ก ที่อยู่บนตัวรองรับ งานวิจัยนี้วิเคราะห์โดย ใช้เทคนิคการดูดกลืนรังสีเอกซ์ โดยเทคนิค X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES) เนือ่ งจากต�ำแหน่งของ Edge เป็น ตัวบอกเลขออกซิเดชันของเหล็ก ซึ่งการ
ทดลองนี้ท�ำที่ระบบล�ำเลียงแสงที่ 8 ของ สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน แล้วน�ำข้อมูล ที่ ไ ด้ ม าวิ เ คราะห์ ด ้ ว ยโปรแกรมผลรวม เชิงเส้น (Linear combination fitting) ใน โปรแกรม ATHENA เทียบกับสเปกตรัม ของสารมาตรฐานเหล็ก เพื่อหาชนิดของ สารประกอบของเหล็ ก และปริ ม าณของ องค์ประกอบแต่ละตัว รูปที่ 2 A แสดงสเปกตรัมของ สารมาตรฐานของเหล็ก (FeO, Fe2O3 และ Fe3O4) ส่วนรูป B แสดงสเปกตรัม ของ 5Fe/ABMOR ที่มีลักษณะเหมือนกับ สเปกตรัมของ Fe2O3 มากที่สุด จากการ วิเคราะห์ด้วยโปรแกรมผลรวมเชิงเส้น พบ ว่าตัวอย่างนี้มี Fe2O3 เท่ากับ 93.9% ส� ำ หรั บ ตั ว อย่ า งเหล็ ก บนตั ว
รองรับ NaMOR, HMOR, AMOR และ BMOR ก็ทำ� การวิเคราะห์แบบเดียวกัน จาก สเปกตรัม และการค�ำนวณด้วยโปรแกรม ผลรวมเชิงเส้น ได้องค์ประกอบของเหล็ก ดังแสดงในตารางที่ 1 ซึง่ สารประกอบหลัก ของ Fe บนตัวอย่างทุกตัว คือ Fe2O3 เมื่ อ น� ำ ตั ว เร่ ง ปฏิ กิ ริ ย าทั้ ง หมด ไปทดสอบการเร่ ง ปฏิ กิ ริ ย าการเติ ม หมู ่ ไฮดรอกซิลบนฟีนอล พบว่าตัวอย่าง 5Fe/ ABMOR ให้ค่าเปอร์เซ็นต์การแปรผันของ ฟีนอลสูงสุด (% conversion of phenol) เนื่ อ งจาก 5Fe/ABMOR มี รู พ รุ น แบบ มี โ ซพอร์ เ พิ่ ม ขึ้ น มากที่ สุ ด ท� ำ ให้ ก าร กระจายตัวของโลหะ Fe บนตัวรองรับ ดีที่สุด
B
A
รูปที่ 2 สเปกตรัมของสารมาตรฐานเหล็ก FeO, Fe2O3 และ Fe3O4 (A) และ สเปกตรัมของ Linear combination fitting ของตัวอย่าง 5Fe/ ABMOR เปรียบเทียบกับสารมาตรฐานเหล็ก (B) ตารางแสดงผลการค�ำนวณด้วยโปรแกรมผลรวมเชิงเส้นของตัวอย่างทั้งหมดเปรียบเทียบกับสารมาตรฐาน FeO, Fe2O3 และ Fe3O4 Catalyst
5Fe/NaMOR
5Fe/HMOR
5Fe/BMOR
5Fe/AMOR
5Fe/ABMOR
FeO (%)
0
0
4.9
0
0
Fe2O3 (%) Fe3O4 (%)
93.9 6.1
93.9 6.1
95.1 0
89.3 10.7
93.9 6.1
นายสิทธิชัย กุลวงค์ และ รศ. ดร. จตุพร วิทยาคุณ สาขาวิชาเคมี ส�ำนักวิชาวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
เอกสารอ้างอิง Kulawong, S., Prayoonpokaracha, S., Neramittagapong, A. and Wittayakun, J., "Mordenite modification and utililization as supports for iron catalyst for phenol hydroxylation". (2011) Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 17(2), pp. 346-351.