การศึกษาโครงสร้างของตัวเร่งปฏิกิริยาโคบอลต์
ที่ใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ แบบฟิชเชอร์-โทรปช์
สเปกตรัม XANES ของตัวเร่งปฏิกิริยา 20%Co/Aerosil 20%Co/Aeroperl และ 100Co/20ZrO2/100Aerosil/0.66Ru และ สารมาตรฐาน Co3O4 CoO และ Co foil
สเปกตรัม EXAFS ของตัวเร่งปฏิกิริยา 20%Co/Aerosil 20%Co/Aeroperl และ100Co/20ZrO2/100Aerosil/ 0.66Ru และสารมาตรฐาน Co3O4 CoO และ Co foil
ตลอดระยะเวลาหลายปีที่ผ่านมา หลายประเทศตืน่ ตัวและให้ความสนใจในการ หาแหล่ ง พลั ง งานเพื่ อ ทดแทนพลั ง งาน เชื้อเพลิงจากฟอสซิล แหล่งพลังงานทดแทน ที่ได้รับความสนใจในปัจจุบนั ได้แก่ พลังงาน จากลม แสงอาทิตย์ ก๊าซธรรมชาติ ชีวมวล ประกอบกับปัจจุบันโลกก�ำลังประสบปัญหา โลกร้อน อันเป็นผลมาจากการปล่อยก๊าซ คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และคาร์บอนมอนออกไซด์ (CO) สูบ่ รรยากาศ ซึง่ เกิดจาก การใช้พลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิล แนวคิดใน การลดปริมาณการปล่อยก๊าซดังกล่าวด้วย การเปลี่ ย นเป็ น พลั ง งานเชื้ อ เพลิ ง ในรู ป เชื้อเพลิงสังเคราะห์ (Synthetic fuel) จึงเป็น สิง่ ทีน่ า่ สนใจ โดยปฏิกริ ยิ าทีส่ ำ� คัญทีใ่ ช้ในการ ผลิตเชือ้ เพลิงสังเคราะห์ได้แก่ปฏิกริ ยิ าฟิชเชอร์โทรปช์ (Fischer-Tropsch synthesis) ปฏิกิริยาฟิชเชอร์-โทรปช์ (FischerTropsch synthesis) เป็นปฏิกริ ยิ าเคมีระหว่าง ก ๊ า ซ ค า ร ์ บ อ น ม อ น อ อ ก ไ ซ ด ์ ( ห รื อ คาร์บอนไดออกไซด์) กับไฮโดรเจน เพื่อ
สังเคราะห์สารประกอบไฮโดรคาร์บอนจ�ำพวก พาราฟิ น และโอเลฟิ น ทั้ ง โซ่ ต รงและโซ่ กิ่ ง ส�ำหรับใช้เป็นเชือ้ เพลิงยานยนต์ กระบวนการ ผลิ ต เชื้ อ เพลิ ง สั ง เคราะห์ ผ ่ า นปฏิ กิ ริ ย า ฟิชเชอร์-โทรปช์ แสดงได้ดังนี้ 1. การผลิตก๊าซสังเคราะห์ (Synthesis gas formation) CH4 + ½ O2 catalyst 2H2 + CO 2. กระบวนการฟิชเชอร์-โทรปช์ (FischerTropsch reaction) 2nH2 + CO catalyst -(CH2-)n- + H2O 3. กระบวนการกลั่นแยก (Refining) -(CH2-)n- catalyst Fuel, lubricants, etc. ผลิ ต ภั ณ ฑ์ ที่ เ กิ ด ขึ้ น จากปฏิ กิ ริ ย า ฟิชเชอร์-โทรปช์มหี ลายชนิด เช่น ก๊าซเชือ้ เพลิง ก๊าซปิโตรเลียมเหลว น�ำ้ มันเชือ้ เพลิงยานยนต์ และไข เป็นต้น ซึง่ เป็นประโยชน์ยงิ่ โดยเฉพาะ ผลิตภัณฑ์ที่เป็นเชื้อเพลิงยานยนต์ โดยข้อดี ของเชือ้ เพลิงทีไ่ ด้จากปฏิกริ ยิ าฟิชเชอร์-โทรปช์ นั้ น คื อ มี ค ่ า ออกเทนและค่ า ซี เ ทนสู ง กว่ า
งานวิจัยด้านอุตสาหกรรม
กลุม่ นักวิจยั จากภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ ใช้เทคนิคการวัด การดูดกลืนรังสีเอกซ์ ซึง่ เป็นเทคนิคการวัดทีต่ อ้ งอาศัยแสงซินโครตรอนเท่านัน้ ในการศึกษาโครงสร้าง อะตอมของตัวเร่งปฏิกริ ยิ าโคบอลต์ทใี่ ช้ในกระบวนการผลิตเชือ้ เพลิงสังเคราะห์ ซึง่ เชือ้ เพลิงทีผ่ ลิตได้จาก ปฏิกริ ยิ านีจ้ ะมีคา่ ออกเทนและค่าซีเทนสูงกว่าเชือ้ เพลิงทีไ่ ด้จากการกลัน่ น�ำ้ มันปิโตรเลียม เป็นตัวอย่าง งานวิจยั หนึง่ ทีเ่ กีย่ วข้องกับอุตสาหกรรมการผลิตเชือ้ เพลิง
เชื้อเพลิงที่ได้จากปิโตรเลียม เมื่อเผาไหม้ จะเกิ ด มลพิ ษ น้ อ ยกว่ า เนื่ อ งจากไม่ มี สารประกอบซัลเฟอร์ (ก�ำมะถัน) และไม่มี สารที่ มี โ ครงสร้ า งอะโรเมติ ก อี ก ทั้ ง ยั ง สามารถน�ำน�้ำมันดีเซลที่ได้จากกระบวน การฟิชเชอร์-โทรปช์มาผสมกับน�้ำมันดีเซล ที่มาจากการกลั่นน�้ำมันปิโตรเลียมเพื่อเพิ่ม ค่าซีเทนและปรับปรุงการเผาไหม้ให้ดยี งิ่ ขึน้ ตั ว เร่ ง ปฏิ กิ ริ ย าโคบอลต์ เ ป็ น ตั ว เร่ ง ปฏิ กิ ริ ย าที่ ส� ำ คั ญ ส� ำ หรั บ ปฏิ กิ ริ ย า ฟิชเชอร์-โทรปช์ และใช้เร่งปฏิกริ ยิ านีใ้ นเชิง อุตสาหกรรม โดยทั่วไปเราสามารถเตรียม ตัวเร่งปฏิกิริยาโคบอลต์ด้วยวิธีต่างๆ อาทิ วิ ธี ต กตะกอนร่ ว ม (Co-precipiation) วิธฝี งั ตัว (Incipient wetness impregnation) วิธีโซล-เจล (Sol-gel) จากความแตกต่าง ของวิ ธี แ ละสภาวะการเตรี ย ม ท� ำ ให้ ตั ว เร่งปฏิกิริยาที่เตรียมได้มีสมบัติบางอย่าง ต่างกันไป น�ำไปสู่ความสามารถในการ เร่งปฏิกริ ยิ าและผลิตภัณฑ์ทไี่ ด้แตกต่างกัน การศึกษาโครงสร้างของตัวเร่งปฏิกิริยาจึง
เป็ น กุ ญ แจส� ำ คั ญ ที่ น� ำ ไปสู ่ ค วามรู ้ ค วาม เข้ า ใจถึ ง การเกิ ด ปฏิ กิ ริ ย าและการเกิ ด ผลิตภัณฑ์ได้ เทคนิ ค หนึ่ ง ที่ เ หมาะสมในการ วิ เ คราะห์ โ ครงสร้ า งของตั ว เร่ ง ปฏิ กิ ริ ย า โคบอลต์ คือ เทคนิคการวัดการดูดกลืน รังสีเอกซ์ (X-ray absorption spectroscopy) ด้วยผลการศึกษา X-ray Absorption Near-Edge Structure (XANES) และ Extended X-ray absorption Fine-Structure (EXAFS) สามารถวิ เ คราะห์ ส มบั ติ แ ละ โครงสร้างโดยรอบของอะตอมโคบอลต์ได้ ดั ง แสดงในรู ป ที่ 1 จากการวิ จั ย พบว่ า สเปกตรัม XANES ที่ได้จากการวัดการ ดูดกลืนรังสีเอกซ์ของตัวเร่งปฏิกริ ยิ าโคบอลต์ ทีไ่ ม่เติมตัวกระตุน้ บนตัวรองรับซิลกิ า 2 ชนิด คือ Aerosil (20%Co/Aerosil) และ Aeroperl (20%Co/Aeroperl) และตัวเร่งปฏิกิริยา โคบอลต์ที่เติมตัวกระตุ้น ZrO2 และ Ru (100Co/20ZrO2/100Aerosil/0.66Ru) มี ความสอดคล้องกับสเปกตรัม XANES ทีไ่ ด้
จากสารมาตรฐาน Co3O4 สเปกตรัม EXAFS ที่ได้จากการ ศึ ก ษาตั ว เร่ ง ปฏิ กิ ริ ย าโคบอลต์ ทั้ ง ที่ เ ติ ม ตัวกระตุ้น ZrO2 และ Ru และไม่เติม ตัวกระตุ้น ดังแสดงในรูปที่ 2 นั้น แสดงให้ เห็นว่าตัวเร่งปฏิกิริยาโคบอลต์ที่ไม่ได้เติม ตัวกระตุ้น มีการจัดเรียงตัวของโคบอลต์ คล้ายคลึงกับ Co3O4 และเมื่อเปรียบเทียบ ระยะระหว่างอะตอมโคบอลต์ (Co-Co) ในตั ว เร่ ง ปฏิ กิ ริ ย าโคบอลต์ พ บว่ า ตั ว เร่ ง ปฏิกริ ยิ าโคบอลต์ทเี่ ติมตัวกระตุน้ ZrO2 และ Ru มีระยะ Co-Co เพิ่มขึ้นกว่าตัวเร่ง ปฏิกริ ยิ าโคบอลต์ทไี่ ม่ได้ตวั กระตุน้ อันเป็น ผลจากการมี ZrO2 และ Ru ในโครงสร้าง เทคนิ ค การวั ด การดู ด กลื น รั ง สี เอกซ์จึงเป็นแนวทางหนี่ง ที่ใช้วิเคราะห์ ความแตกต่างแม้เพียงเล็กน้อยในโครงสร้าง ของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เกิดจากวิธีเตรียมและ สภาวะที่ต่างกันได้
สัญญา ปรางค์ศรีอรุณ, ดร. พินทุ์สุดา วีรวัฒน์ และ รศ. ดร. อรรถธีรา วรยิ่งยง ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
เอกสารอ้างอิง Prangsri-aroon, S., Viravathana, P., Bangmek, W., Worayingyong, A., Kangwansupamonkon, W., Deutschmann, O., and H. Schulz. “Promoted and Un-promoted Co/SiO2 Fischer-Tropsch Catalysts”, Advanced Materials Research, 287290, 3093-3097 (2011). Prangsri-aroon, S., Viravathana, P., Worayingyong, A., Kangwansupamonkon, W., and H. Schulz, Prepr. Pap.-Am. Chem. Soc., Div. Petr. Chem. 55(1), 141 (2010).