1

หัวขอวิทยานิพนธ การทดสอบประสิทธิภาพฟลมบางสังเคราะหเพื่อใชกําจัดไอระเหย

สารอินทรีย ภาคสนาม

จํานวนหนวยกิตวิทยานิพนธ 3 หนวยกติ

ผูทําการวิจัย นางสาวกมลพร อรรคนิตย

นางสาวนาฎอนงค เชาวไว

นางสาวกนกพรรณ อารีรัตน

นางสาวภาสุรีย เรียนเจริญ

อาจารยที่ปรึกษา รศ. ดร.วิโรจน บุญอํานวยวิทยา

ระดับการศึกษา วิศวกรรมศาสตรบัณทติ

ภาควิชา วิศวกรรมเคม ี

ปการศึกษา 2554

บทคัดยอ

สารฟอรมัลดีไฮดจัดเปนสารพิษ เมื่อเขาสูรางกายแลวจะนําไปสูการเกิดโรคมะเร็งหรือสงผล

กระทบตอรางกายได การกําจัดกาซฟอรมัลดีไฮดมีอยูหลายวิธี แตวิธีท่ีนิยมใชคือปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิส

ซึ่งตัวเรงปฏิกิริยาที่นิยมใชคือ ไททาเนียมไดออกไซด (TiO2) ในงานวิจัยกอนมาพบวาไททาเนียมได

ออกไซด (TiO2) ที่มีการเติม Fe(NO3)3.9H2O กับ N-S (Thiourea) รวมดวยชวยใหประสิทธิภาพการกําจัด

กาซฟอรมัลดีไฮดดีขึ้น อยางไรก็ตามงานวิจัยที่ใชแสงสวางจากธรรมชาติยังไมมีนักวิจัยใดทํามากกอน

ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงคทดสอบประสิทธิภาพของฟลมบาง TiO2 – SiO2 ที่สังเคราะหดวยวิธี

Peroxo Titanic Acid (PTA) ท่ีมีการเติม Fe(NO3)39H2O กับ N-S (Thiourea) รวมดวย โดยทําการทดลองใน

ตูกระจกท่ีมีปริมาตร 95570ลูกบาศกเซนติเมตร ทรงลูกบาศกและติดกระจกเคลือบไททาเนียมไดออกไซดที่

สังเคราะหขนาด 4 x4 นิ้ว จํานวน 70 แผน ไวไดที่ผนังตูกระจก เพื่อเปนแบบจําลองสภาวะที่มีไอระเหยฟอร

มัลดีไฮด กําหนดใหความเขมขนเริ่มตนที่ 1000, 3000 และ 5000 ppmV ตามลําดับ แหลงกําเนิดแสงที่ใชคือ

แสงแดดรําไร (ในรม) และแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต หรือชวงแสงที่มองเห็นได (Visible light)

จากการทดลองพบวากรณีเติมสารเติมรวม (Co-doped) ใหประสิทธิภาพในการกําจัดกาซฟอรมัล

ดีไฮลสูงสุดในสภาวะแสงแดดรําไร (ในรม) ความเขมขนเริ่มตนของกาซฟอรมัลดีไฮด 1000, 3000 และ

5000 ppmV ที่เวลาประมาณ 75 นาที ประสิทธิภาพการกําจัดเทากับ 89.13 %, 57.68 % และ 56.18 %

ตามลําดับ ในขณะที่สภาวะแสงที่มองเห็นได (Visible light) ที่ความเขมขนเริ่มตนของกาซฟอรมัลดีไฮด

1000, 3000 และ 5000 ppmV ที่เวลาประมาณ 125 นาที ประสิทธิภาพการกําจัดฟอรมัลดีไฮดไดเทากับ

76.36 %, 66.64 % และ 63.17%ตามลําดับ

คําสําคัญ: Peroxo Titanic Acid/ Titanium dioxide/ sunlight in the shade, fluoresent light/ Thiourea

1

บทที่ 1

บทนํา

แก”แสงที่มองเห็นได (visible light)” ใหเปน “แสงจากหลอดฟลูออเรส

เซนต” ใหมดทั้งเลมดวย เพราะวาแสงแดดในรมและแสงจากหลอดฟลูออ

เรสเซนต เปนแสงที่มองเห็นดวยกันทั้งคู

1.1 ความสําคัญและที่มาของงานวิจัย

ปจจุบันสารพิษจากสารประกอบอินทรียระเหยงาย (Volatile Organic Compound: VOCs)

ประเภทกาซฟอรมัลดีไฮดที่เกิดขึ้นภายในอาคารนั้นเกิดจากการระเหยของสารตัวทําละลาย ในกาว สี

ทาไม เฟอรนิเจอรไมอัด ตางๆ [1] ซึ่งการสูดดมกาซพิษเหลานี้เขาไปเปนเวลานานจะสงผลใหเกิด

อาการวิงเวียนศีรษะ และอาจเปนสาเหตุของการเปนโรคมะเร็งและโรคทางเดินหายใจได

กาซพิษเหลานี้สามารถกําจัดไดหลายวิธีอาทิ Absorption, Desorption, หรือ Photocatalysis

[2] ซึ่งกระบวนการโฟโตคะตะไลติกที่ใชในการสลายตัวของมลพิษ ไดถูกนํามาใชอยางแพรหลาย

โดยใชไททาเนียมไดออกไซด (TiO2) หรือไททาเนีย เปนตัวเรงปฏิกิริยา เนื่องจากสามารถเตรียมได

งาย ราคาไมแพง มีความเสถียรทางเคมี และมีความเปนพิษต่ํา ทั้งยังใหประสิทธิภาพในการเปน

กระบวนการโฟโตคะตะไลซิสในระดับสูง ไททาเนียมไดออกไซดไดมีการประยุกตใชอยางกวางขวาง

ในหลายๆดาน เชน electro-chromic display devices , thin film optical device , dye sensitized solar

cells , gas sensors , cosmetics และ photocatalysts หรือ ตัวเรงปฏิกิริยาแบบใชแสงรวม ซึ่งเปนสิ่งที่

สนใจศึกษาในงานวิจัยนี้ [3]

เนื่องจากไททาเนียมไดออกไซดมีชองวางพลังงานประมาณ 3.2 eV จึงตองใชพลังงานกระตุน

สูงในการทําปฏิกิริยา สงผลใหแสงที่มีปริมาณพลังงานสูงระดับนี้จะไดจากแสงอัลตราไวโอเลต

สําหรับใชในการกระตุนใหเกิดอิเล็กตรอนกับโฮล ซึ่งแสงอัลตราไวโอเลตนี้ เปนสวนประกอบของ

แสงอาทิตยประมาณ 2-3% เทานั้น หากไดรับปริมาณมากจะกอใหเกิดมะเร็งผิวหนัง จึงตองปรับปรุง

ระดับการดูดกลืนแสงใหอยูในชวงแสงที่มองเห็นได (Visible Light) โดยการเติมอะตอมของธาตุชนิด

2

ตาง ๆ ไดแก การเติมตัวเติมในไททาเนียมไดออกไซดดวยโลหะ, อโลหะ หรือ sensitizers เพื่อลด

ระดับพลังงานกระตุนที่ใชในเกิดปฏิกิริยา [4]

งานวิจัยนี้มีจุดประสงคเพื่อทดสอบฟลมไททาเนียมไดออกไซดที่มีการเติมตัวชวยใหสามารถ

กําจัดกาซพิษที่ชวยใหไททาเนียมไดออกไซดสามารถทําปฏิกิริยาไดในชวงแสงที่มองเห็น โดยใช

กระบวนการ Sol-Gel และ PTA ซึ่งจะทดสอบประสิทธิภาพในการกําจัดไอฟอรมัลดีไฮดที่สภาวะ

ตาง ๆ กัน ลักษณะจําเพาะของฟลมและความคงทน รวมถึงประสิทธิภาพในการนํากลับมาใชงาน

หลาย ๆ ครั้ง เพื่อเปนตนแบบในการนําไปใชงานจริงในการทําฟลมติดกระจกรถยนตหรือสําหรับใช

ในอาคาร และที่อยูอาศัย เพื่อพัฒนาคุณภาพชีวิตของมนุษยใหมีความปลอดภัยมากขึ้น

1.2 งานวิจัยที่เกี่ยวของ

ในปจจุบันมลพิษที่เกิดจากกาซฟอรมัลดีไฮดจะเกิดขึ้นภายในหอง เนื่องจากกาซฟอรมัลดี

ไฮดสามารถระเหยออกมาที่อุณภูมิหองจากเฟอรนิเจอรและอุปกรณเครื่องใชตาง ๆ และกาซฟอรมัลดี

ไฮดเปนกาซที่มีอันตรายตอสุขภาพในหลาย ๆ ดาน เชน มีฤทธิ์กัดกรอนตอตา ผิวหนัง และระบบ

ทางเดินหายใจ และยังกอใหเกิดมะเร็งอีกดวย ดังนั้นจึงมีการหาวิธีในการกําจัดกาซฟอรมัลฟอรมัลดี

ไฮดที่ระเหยออกมาในบรรยากาศดวยปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิส ซึ่งวิธีนี้สามารถออกซิไดซกาซฟอร

มัลดีไฮดใหกลายเปนกาซคารบอนไดออกไซด และน้ํา [5] โดย Noguchi และคณะ ไดทําการศึกษา

การกําจัดกาซฟอรมัลฟอรมัลดีไฮด ดวยปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิสโดยใชฟลมไททาเนียมไดออกไซด

วิธีการศึกษา คือการนําฟลมไททาเนียมไดออกไซดที่เตรียมไดมาจากกระบวนการโซลเจลมาเคลือบ

บน soda lime glass แลวนํา soda lime glass ที่ผานการเคลือบไปใสไวในขวดแกวที่บรรจุกาซฟอร

มัลฟอรมัลดีไฮดความเขมขน 280 ppm ฉายแสงอัลตราไวโอเลต ที่มีความเขมแสง 1.0 mW/cm2

อุณหภูมิประมาณ 22oC ความชื้นสัมพัทธ 40% โดยสังเกต ปริมาณกาซฟอรมัลฟอรมัลดีไฮดที่ลดลง

และปริมาณของกาซคารบอนไดออกไซดที่เพิ่มขึ้นทุก ๆ 10 นาที ผลการทดลองพบวา หลังจากเวลา

ผานไป 80 นาที ไมสามารถตรวจสอบหาปริมาณกาซฟอรมัลฟอรมัลดีไฮดไดเลย ซึ่งสามารถสรุปได

วาปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิสที่มีไททาเนียมไดออกไซดเปนตัวเรงปฏิกิริยาสามารถกําจัดกาซฟอร

มัลฟอรมัลดีไฮดได [6]

การเติม co-doped [7] โดยการเติม Fe(NO3)39H2O ใน TBOT (C-TiO2) เพื่อศึกษาอัตราสวน

ที่เหมาะสมของปริมาณ Fe(NO3)39H2O ที่ใชในการเติมแตงอนุภาคไททาเนียมไดออกไซด ใน

กระบวนการโฟโตคะตะไลซิสโดยผานกระบวนการ Autoclave method ซึ่งตรวจสอบลักษณะและ

3

องคประกอบของไททาเนียมไดออกไซดดวยเครื่อง XRD ,XPS ,PL, UV-Visible absorption

spectroscopy และ EPR พบวาการเติมแตงอนุภาคไททาเนียมไดออกไซดดวยคารบอนและเหล็กทํา

ใหขอบเขตการดูดซับแสงที่มองเห็นไดกวางขึ้น โดยไอออนของเหล็กจะเกาะกับผิวผลึกของไททา

เนียมไดออกไซดซึ่งทําหนาที่ขัดขวางปฏิกิริยา recombination กระบวนการโฟโตคะตะไลซิสของ ไท

ทาเนียมไดออกไซดที่เติมแตงดวยคารบอนและเหล็กนี้ สามารถทําใหเกิดปฏิกิริยาการสลายของ Acid

Orange 7 ภายใตแสงที่มองเห็นไดดวย ดวยความเขมขนของ Fe(NO3)39H2O 0.57% mol ไดดีที่สุด

TBOT มีหมู butyl ที่มีสวนประกอบของคารบอนลอมรอบ ซึ่งชั้นระดับพลังงาน 2p orbital ใน

คารบอนจะมีระดับพลังงานสูงกวาออกซิเจนจึงสามารถจายอิเล็กตรอนไดงายกวาออกซิเจน และจาก

งานวิจัยของ Beata Tryba [8] ไดเปรียบเทียบการเติม Fe3+ ใน TiO2 ,Fe2+-C ในTiO2 และTiO2 ที่

ไมไดเติมตัว doped นําไปทดสอบการดูดซับของฟนอลจะพบวา Fe-C ในTiO2 จะมี % ฟนอลที่เหลือ

มากที่สุดแตเมื่อใส H2O2 จะทําให Fe2+ กลายเปนFe3+ ซึ่งทําให band gap ของไททาเนียมไดออกไซด

ลดลงไดและสามารถดูดซับฟนอลไดมากขึ้น และจากงานวิจัยของ Anna Kubacka [9] ไดมีการเติม

metal และ non metal ในการปรับปรุงไททาเนียมไดออกไซดโดยเติมทังสเตนและไนโตรเจนพบวาจะ

ทําใหชองวางพลังงานลดต่ําลงเมื่อเปรียบเทียบกับการเติมทังสเตนหรือไนโตรเจนเพียง อยางเดียวใน

ไททาเนียมไดออกไซด

ดังนั้นจึ งนํา เหล็ก (Fe( NO3) 39H2O) และ N-S (Thiourea) มาทดลองเพื่ อทดสอบ

ประสิทธิภาพของสารเติมที่เหมาะสมในการกําจัดกาซฟอรมัลฟอรมัลดีไฮดภายใตสภาพแสงตาง ๆ

กัน จากงานวิจัยของฑิฆัมพร ภูเกตุ และคณะ [10] ไดทําการศึกษาโครงสรางผลึกของฟลมบาง TiO2-

SiO2 ที่เตรียมโดยวิธี PTA หลังผานการรีฟลักซเปนเวลา 10 ชั่วโมง ดวยเทคนิค X-ray diffraction

(XRD) โดยใช Cu, Kα เปนแหลงกําเนิดรังสีเอ็กซ โดยทําการวิเคราะหจากตําแหนง 20-80 2-Theta

(degree) พบวา Peak ที่เกิดขึ้นในกราฟ XRD ทั้ง 5 ตําแหนง คือ ที่ 2θ = 25.3°, 37.9°, 48.0°, 54.6°

และ 62.9° เปนตําแหนงอางอิงเฟสอนาเทสของผลึก TiO2 ไดอยางชัดเจนและแทบจะไมปรากฏเฟสรู

ไทล จึงสามารถยืนยันผลการสังเคราะหดวยกระบวนการ PTA วาสามารถสังเคราะหฟลมบาง SiO2-

TiO2 ที่มีโครงสรางเปนผลึกอนาเทสได นอกจากนั้นยังมีการตรวจสอบหมูฟงกชันของ TiO2-SiO2 ที่

ผานการสังเคราะหดวยเครื่อง Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) ในกรณีที่ Fe และ N-

S เปนตัวเติมพบวามีหมูฟงกชันตางๆ ของ Thiourea และจากการตรวจสอบดวยเครื่อง X - Ray

Fluorescence Spectrometry (XRF) สามารถยืนยันไดวามี Fe อยูจริง

4

การใชภายใตแสงอาทิตย[11] ศึกษาระบบแสงอาทิตย-โฟโตแคตาไลติกโดยตัวเรงปฏิกิริยาที่

ใช เปนสารกึ่งตัวนําประเภท ไททาเนียมไดออกไซด (TiO2) เพื่อกําจัดสารเมทิลีนบลู จากปฏิกรณ

ไหลเทแบบขั้นบันไดที่มีการไหลเวียน ซึ่งมี Stainless จํานวน 6 แผน วางสลับกับชองพักน้ํา วางทํามุม

เอียง 5 องศากับแนวระดับ การศึกษาไดดูผลจากการใชแสงจากหลอดยูว ีและการใชแสงอาทิตย พบวา

คาสภาพความเปนกรดเปนดางที่เหมาะสมเทากับ 3 เมื่อความเขมขนเริ่มตนของสารเมทิลีนบลูเพิ่มขึ้น

อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้น ทําใหไดคาคงที่ของการสลายตัวของสารเมทิลีนบลู (k) และคาคงที่

ของการสลายตัว (K) มีคาเทากับ 0.6281 ppm และ 0.0320 ppm เมื่อใชแสงจากหลอดยูวี และ 0.7500

ppm และ 0.0216 ppm เมื่อใชแสงอาทิตย และเมื่ออัตราการไหลเวียนของสารเมทิลีนบลู อัตราการ

เกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นดัวยทําใหได คา k และ K เทากับ 0.4243 ppm และ 4.256 ppm เมื่อใชแสงจาก

หลอดยูวี และ0.4169 ppm และ 3.135 ppm เมื่อใชแสงอาทิตยนอกจากนั้นเมื่อทําการศึกษาถึงผลของ

ความเขมแสงที่มีผลตออัตราการเกิดปฏิกิริยา พบวาเมื่อคาความเขมแสงเฉลี่ยสูงจะใชเวลาในการ

เกิดปฏิกิริยาลดลง

จากผลการศกึษาของการใชแสงจากหลอดยูว ี และแสงแดด นั้นใหผลท่ีสอดคลองกัน นั้นคือ

เมื่อเพิ่มความเขมขนเริ่มตนของสารจะสงผลใหอัตราการเกดิปฏิกิริยาเพิ่มขึน้ และเมื่อเพิ่มอัตราการ

ไหล อัตราการเกิดปฏิกิรยิาก็เพิ่มขึ้นดวย ทั้งนี้แสดงใหเห็นดังสมการความสัมพันธโดย L-H model

ซึ่งคาคงที่ของการเกิดปฏกิิริยาเมื่อมีการใชแสงจากหลอดยูวีจะใหคานอยกวาการใชแสงแดด ซึ่งก็

หมายความวา การใชแสงจากหลอดยูวจีะใชเวลาในการเกิดปฏิกิรยิาส้ันกวา ทั้งนี้อาจเปนเพราะผล

ของความคงที ่ และปริมาณของความเขมแสงที่ใหในการทดลองนั้นเอง และเมื่อพิจารณาผลของความ

เขมแสงก็พบวาที่ความเขมแสงมากจะใชเวลาในการกําจัดสั้นลง

1. 3 วัตถุประสงค

ทดสอบประสิทธิภาพของฟลมบาง TiO2 – SiO2 ที่สังเคราะหไดหลังการเติมโลหะ Fe(NO3)3

กับอโลหะ Thiourea (N-S) โดยสรางตูกระจกที่มีขนาดสมมาตรและทําการติดฟลมที่สังเคราะหไดที่

ผนังตูกระจก เพื่อเปนแบบจําลองสภาวะที่มีไอระเหยงายสารประกอบอินทรีย ภายใตสภาวะที่มี

แสงแดดในรมกับแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต

1.4 ขอบเขตของงานวิจัย

ทดสอบประสิทธิภาพในการกําจัดกาซฟอรมัลฟอรมัลดีไฮด ฟลมบาง TiO2 – SiO2 ที่

สังเคราะหไดในการกําจัดกาซฟอรมัลฟอรมัลดีไฮด โดยศึกษาภายใตแสงแดดรําไร (ในรม) และชวง

แสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต) เปรียบเทียบผลที่ 3 สภาวะ คือ สภาวะควบคุม, สภาวะที่ไมมีการเติม

5

โลหะ Fe(NO3)3 กับอโลหะ Thiourea (N-S) และสภาวะที่มีการเติมโลหะ Fe(NO3)3 กับอโลหะ

Thiourea (N-S) และศึกษาผลของความเขมขนของกาซฟอรมัลฟอรมัลดีไฮดในแตละสภาวะ คือ

1000, 3000 และ 5000 ppmV ตามลําดับ

1.5 ประโยชนที่คาดวาจะไดรับ

1.5.1 ทราบถึงสภาวะที่ดีที่สุดของฟลมบางท่ีสังเคราะหไดในการกําจัดกาซฟอรมัลฟอรมัลดี

ไฮด

1.5.2 ทราบถึงสภาพแสงที่ดีที่สุดของฟลมบางที่สังเคราะหไดในการกําจัดกาซฟอรมัลฟอร

มัลดีไฮด

Thesis Title Efficient Verification of Thin Film for Removal Formaldehyde in Field Study

Thesis Credits 3 Credits

Candidate Miss Kamolporn Accanit

Miss Nat-a-nong Chaowai

Miss Kanokpun Areerat

Miss Pasuree Reanjaruan

Supervisor Assoc. Prof. Dr. Virote Boonamnuayvitaya

Degree of study Bachelor of Engineering

Department Chemical Engineer

Academic Year 2011

Abstract Formaldehyde is a toxic volatile organic compounds (VOCs), which causes cancer and is

harmful to health when uptake into human bodies. There are several methods to degrade formaldehyde, but

the method of photocatalysis reaction is widely used. In the previous work reported by our group,

titaniumdioxide (TiO2) with dopants of Fe(NO3)39H2O and N-S (Thiourea) shows the high efficiency in

formaldehyde degradation. However, the study was limited in small lab scale using fluorescent lamp as

light source. The objective of this work is to confirm the efficiency of formaldehyde degradation by

titanium dioxide film synthesized by Peroxo Titanic Acid (PTA) doped with Fe(NO3)39H2O and N-S

(Thiourea) in a glass chamber using sun light and florescent lamp as light sources. The experiments were

conducted in a cubic95570 cm3 glass chamber where 70 pieces of 4” x 4” glasses were attached around

the glass wall inside. Formaldehyde was injected inside the chamber with the initial concentrations of

1000, 3000 and 5000 ppmV. Two light sources of sunlight in the shade and fluorescent lamp were used.

The experimental results show that titanium dioxide with codopants of Fe(NO3)39H2O and N-S (

Thiourea ) yield the highest photocatalytic efficiency. Under the sunlight in the shade condition, after 75

min, with the initial concentrations of formaldehyde of 1000, 3000 and 5000 ppmV the efficiencies of

degradation are 89.13%, 57.68%, 56.18% respectively. Whereas under the fluorescent lamp, after 125

min, with the same formaldehyde initial concentrations, the efficiencies of degradation are 76.36%,

66.64%, 63.17% respectively.

Keywords: Peroxo Titanic Acid/ Titanium dioxide/ sunlight in the shade, fluoresent light/Thiourea

5

บทที่ 2

ทฤษฎแีละเครื่องมือที่เกี่ยวของในการทดลอง

2.1 กระบวนการโฟโตคะตะไลซิส (Photocatalysis) [12, 13, 14]

คําวา Photocatalysis มาจากสวนประกอบ 2 สวนคือ Photo แปลวา แสง และ Catalysis หมายถึง

กระบวนการที่สสารมีสวนรวมในการเปล่ียนแปลงอัตราของปฏิกิริยาเคมีโดยสสารไมมีการเปลี่ยนแปลง

หรือสูญหายไปในภายหลัง ดังนั้นกระบวนการโฟโตคะตะไลติก (Photocatalytic Process) เปนการเรง

ปฏิกิริยาโดยใชตัวเรงปฏิกิริยาซ่ึงสามารถทําหนาที่เปนตัวเรงปฏิกิริยาไดโดยการกระตุนดวยแสง ตัวเรง

ปฏิกิริยานี้จะทําหนาที่ลดพลังงานกระตุนของการเกิดปฏิกิริยา และยังเปนตัวที่แสดงถึงประสิทธิภาพใน

การเกิดปฏิกิริยา Oxidation สําหรับรักษาสภาพแวดลอม โดยใชแสงฉายบนวัสดุกึ่งตัวนํา ซึ่งจะทําใหเกิด

คูของอิเล็กตรอนและหลุมอิเล็กตรอน ซ่ึงเกิดปฏิกิริยา redox ท่ีใชในการทําลายโครงสรางเคมีได

ในปจจุบันกระบวนการโฟโตแคตาไลติกเปนกระบวนการที่ไดรับความสนใจเปนอยางมาก

เนื่องจากเปนกระบวนการที่มีประสิทธิภาพในการกําจัดสารพิษในอากาศรวมถึงสามารถบําบัดน้ําเสียที่มี

การปนเปอนของสียอมใหเปนสารเคมีอื่นที่ไมมีความเปนพิษไดแก เคมีภัณฑอินทรียที่พบในบรรยากาศ

ของสถานที่ทํางาน เชน อะซิโตนบิวทานอล, ฟอรมัลดีไฮด, เมตาไซลีนหรือสารประกอบที่มีกลิ่นรบกวน

เชน เอทานอล,โทลูอีน, เมทิลเมอรแคปแทน เปนตน โดยสารพวกนี้จะถูกออกซิไดซเปนสารประกอบ

ออกไซดที่เสถียร

ปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิสตองมีองคประกอบคือแคตาลิสตเชน สารกึ่งตัวนํา (Semiconductor),

พลังงานแสงซ่ึงมีคามากกวาหรือเทากับพลังงานโฟตอนของตัวแคตาลิสต, น้ําและออกซิเจนหรือตัวออก

ซิแดนท (Oxidants) อื่นๆ

2.1.1 กระบวนการโฟโตคะตะไลตกิ (Photocatalytic Process)

กระบวนการโฟโตคะตะไลติก (Photocatalytic Process) นิยมใชสารไททาเนียมไดออกไซด

(TiO2) เปนตัวเรงปฏิกิริยาเนื่องจากไททาเนียมไดออกไซดมีราคาถูก, ไมเปนพิษ, ความสามารถในการ

ละลายต่ํา, ความเสถียรสูง, ทนตอการกัดกรอน และชองวางพลังงาน (Band Gap) ของสารไททาเนียมได

ออกไซด (TiO2) ประมาณ 3.2 อิเล็กตรอนโวลต ซึ่งมากกวาสารกึ่งตัวนําสวนมากทําใหเกิดปฏิกิริยาได

อยางรวดเร็ว ดังนั้นการใหพลังงานกับระบบจึงตองใหพลังงานมากกวาหรือเทากับชองวางพลังงาน

ปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิสจึงจะเกิดขึ้นไดซึ่งชวงของแสง UV ที่มีความยาวคลื่นต่ํากวา 400 nm จะใหคา

พลังงานที่มากกวาหรือเทากับชองวางพลังงานของไททาเนียมไดออกไซด

6

อยางไรก็ตามการเกิดปฏิกิริยายังมีขอจํากัดที่สําคัญคือ แสงอาทิตยที่สงมายังพื้นผิวโลกมีชวงแสง

ที่เปนชวงแสง UV ในปริมาณนอยมากคือเฉพาะชวง 350 – 400 nm เทานั้น สงผลใหกระบวนการโฟโต

คะตะไลติกเกิดไดนอย ดังนั้นในปจจุบันจึงมีงานวิจัยที่มุงเนนการปรับปรุงไททาเนียมไดออกไซดใหมี

ความสามารถที่จะเกิดกระบวนการโฟโตคะตะไลติกไดอยางมีประสิทธิภาพในชวงแสงที่ตามองเห็นเพื่อ

ลดการใชหลอดไฟ UV ในกระบวนการโฟโตคะตะไลติก

2.1.2 ชนิดของปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิส

ปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิสแบงได 2 ประเภทเมื่อพิจารณาจากสถานะของตัวเรงปฏิกิริยาดังนี้

1) โฟโตคะตะไลซิสแบบเอกพันธุ (Homogeneous Photocatalysis) เปนกระบวนการที่ใชตัวเรง

ปฏิกิริยา ซ่ึงมีสถานะเดียวกับสารอินทรียที่ตองการกําจัด (โดยทั่วไปแลวจะเปนของเหลว) เชนการยอย

สลาย 2, 4 ไดไนโตรลูอีน โดยใช UV/H2O2

2) โฟโตคะตะไลซิสแบบวิวิธพันธุ (Heterogeneous Photocatalysis) เปนกระบวนการที่ใชตัวเรง

ปฏิกิริยาซ่ึงมีสถานะตางกับสารอินทรียที่ตองการกําจัดเชนยอยสลาย 2-คลอโรฟนอล โดยใช UV/TiO2

2.1.3 ชนิดของตัวแคตาลิสต

สารที่ใชเปนตัวแคตาลิสตในปฏิกิริยาโฟโตแคตาไลซิส ไดแก

1) โลหะตัวนํา (Transition Metal) เชนทองแดง, โครเมียม, นิเกิลเปนตน

2) สารกึ่งตัวนํา (Semiconductor) เชนไทเทเนียมไดออกไซด (TiO2), แคดเมียมซัลไฟด (CdS),

สังกะสี-ออกไซด (ZnO) เปนตน

องคประกอบของโลหะตัวนําและสารกึ่งตัวนําประกอบดวยวาเลนสแบนด (Valence Band) และ

คอนดักชันแบนด (Conduction Band) ในโลหะตัวนําจะมีคอนดักชันแบนดและวาเลนสแบนดที่บรรจุ

อิเล็กตรอนไมเต็ม ทําให S กับ P orbital สามารถเกิดการ Overlap กันได แตในสารกึ่งตัวนําจะมีคอนดัก

ชันแบนด และวาเลนสแบนดที่บรรจุอิเล็กตรอนไมเต็มซึ่งมีชองวางที่เรียกวาชองวางพลังงานหรือแบนด

แก็พ (Band Gap) เมื่ออิเล็กตรอน (Electron, e-) ที่อยูในวาเลนสแบนดไดรับพลังงานโฟตอนจากแสง (hv)

อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปยังคอนดักชันแบนด ในขณะเดียวกันที่บริเวณวาเลนสแบนดจะเกิดโฮล (Hole,

h+) ซึ่งเปนประจุบวกสามารถเคลื่อนที่อยางอิสระในวาเลนสแบนดสวนคอนดักชันแบนดอิเล็กตรอนที่

เคลื่อนที่มาจากวาเลนสแบนดเคลื่อนที่อยางเปนอิสระทั่วคอนดักชันแบนดเชนกันปรากฏการณนี้ทําให

เกิดคูอิเล็กตรอน–โฮล (Electron – Hole Pairs, e-/ h+) สามารถเคลื่อนที่ไปมาระหวางวาเลนสแบนดและ

คอนดักชันแบนดไดงายและรวดเร็วทําใหสารกึ่งตัวนําสามารถนําไฟฟาได

2.1.4 ข้ันตอนการเกิด Photocatalysis

7

ในกระบวนการเรงปฏิกิริยานี้เปนแบบวิวิธพันธุคือการเรงที่ผิวหนาระหวางสถานะที่ตางกันของ

ระบบที่มีมากกวาหนึ่งสถานะ โดยทั่วไปโมเลกุลของสารตั้งตนจะถูกดูดซับ (Adsorbed) ไวบนผิวของ

ตัวเรงปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นที่ผิวของตัวเรงปฏิกิริยา โมเลกุลที่ถูกดูดซับจะเกิดการเปล่ียนแปลงในแงของการ

จัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนและบางพันธะของโมเลกุลจะเริ่มสลาย กระบวนการโฟโตคะตะไลติกนี้จะ

ประกอบดวยขั้นตอนไดแก

1. กระบวนการเกาะหรือดูดติดผิว (Adsorption Process)

2. กระบวนการฉายแสง (Irradiation Process)

2.1.4.1 กระบวนการเกาะหรือดูดติดผิว (Adsorption Process) (เอกสารอางอิงมีไหม)

การดูดซับเปนกระบวนการที่เกี่ยวของกับการสะสมตัวของสาร หรือความเขมขนของสารที่

บริเวณพื้นผิวหรือระหวางผิวหนา (Interface) กระบวนการนี้สามารถเกิดที่บริเวณผิวสัมผัสระหวาง 2

สภาวะใด ๆ เชน ของเหลวกับของเหลว, กาซกับของเหลว, กาซกับของแข็ง หรือของเหลวกับของแข็ง

โดยโมเลกุลหรือคอลลอยดที่ถูกดูดจับเรียกวา สารถูกดูดซับ (Adsorbate) สวนสารที่ทําหนาที่ดูดซับ

เรียกวาสารดูดซับ (Adsorbent)

กลไกของกระบวนการดูดติดผิว

การดูดติดผิว (Adsorption) เปนกระบวนการกักพวกสารละลายหรือสารแขวนลอยขนาดเล็กซึ่ง

ละลายอยูในน้ําใหอยูบนผิวของสารอีกชนิดหนึ่ง โดยที่สารละลายหรือสารแขวนลอย ขนาดเล็กนี้เรียกวา

Adsorbate สวนของแข็งที่มีผิวเปนที่เกาะจับของสารที่ถูกดูดติดเรียกวา Adsorbent การดูดติดผิวนี้จะ

เปนการดูดติดแบบระหวางสถานะ (Phase) ตาง ๆ ทั้ง 3 สถานะ คือ ของเหลว (Liquid), กาซ (Gas) และ

ของแข็ง (Solid) ซึ่งมีไดทั้งแบบ ของเหลว-ของเหลว, กาซ-ของเหลว, กาซ-ของแข็ง และ ของเหลว-

ของแข็ง โดยในที่นี้จะพิจารณาถึงเฉพาะแบบ ของเหลว-ของแข็ง (Liquid –Solid Interface)

กลไกการดูดติดผิว แบงออกเปน 3 ขั้นตอนดังนี้

1) การแพรภายนอก (External Diffusion) การแพรภายนอกเปนกลไกที่โมเลกุลของตัวถูกละลาย

เขาถึงสารดูดติดผิว ซึ่งพื้นผิวของสารดูดติดผิวมีของเหลวหอหุม โดยโมเลกุลแทรกตัวผานชั้นของ

ของเหลวเขาถึงผิวหนาสารดูดติดผิว

8

2) การแพรภายใน (Internal Diffusion) การแพรภายในเปนกลไกที่โมเลกุลของตัวถูกละลาย

แทรกตัวเขาถึงชองวางสารดูดติดผิวเพื่อใหเกิดการดูดติดผิว

3) ปฏิกิริยาพื้นผิว (Surface Reaction) ปฏิกิริยาพื้นผิวเปนกลไกซึ่งโมเลกุลของโมเลกุลของตัว

ถูกละลายดูดติดผิวของสารดูดติดผิว ซึ่งเปนกระบวนการที่รวดเร็วมาก เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการ

แพรในการดูดติดผิวโมเลกุลของสารละลาย หรือสารแขวนลอยก็จะถูกกําจัดออกจากน้ําและไปเกาะติดอยู

บนตัวดูดซับ โมเลกุลของสารสวนใหญจะเกาะจับอยูกับผิวภายในโพรงของตัวดูดซับและมีเพียงสวน

นอยเทานั้นที่เกาะอยูที่ผิวภายนอก การถายเทโมเลกุลจากน้ําไปหาตัวดูดซับเกิดขึ้นไดจนถึงสมดุลจึงหยุด

ณ จุดสมดุล ความเขมขนของโมเลกุลในน้ําจะเหลือนอยเพราะโมเลกุลสวนใหญเคลื่อนที่ไปเกาะจับอยู

กับตัวดูดซับโดยในการเกาะติดจะมีแรงขับดัน (Driving Force) อยู 2 แบบ คือ การดูดซับทางกายภาพ

และการดูดซับทางเคมีในกระบวนการโฟโตคะตะไลติก การดูดซับจะเกิดจากแรงทางเคมีเปนหลัก

ประเภทของการดูดซับ

ปจจัยสําคัญในการบอกชนิดของกระบวนการดูดซับจะพิจารณาจากแรงยึดเหนี่ยวระหวาง

โมเลกุลที่ถูกดูดซับกับผิวของสารดูดซับ โดยแบงเปน 2 ประเภท คือ

1) การดูดซับทางกายภาพ (Physical Adsorption)

เปนการดูดซับที่เกิดจากแรงดึงดูดระหวางโมเลกุลอยางออน คือ แรงแวนเดอรวาลส (Vander

Waals Forces) ซึ่งเกิดจากการรวมแรง 2 ชนิด คือ แรงกระจาย (London Dispersion Force) และแรงไฟฟา

สถิต (Electrostatic Force) การดึงดูดดวยแรงที่ออนทําใหการดูดซับประเภทนี้มีพลังงานการคายความ

รอนคอนขางนอย คือ ต่ํากวา 20 kJ/mol และสามารถเกิดการผันกลับของกระบวนการ (Reversible) ได

งาย ซ่ึงเปนขอดี เพราะสามารถฟนฟูสภาพของตัวดูดซับไดงายดวย สารที่ถูกดูดซับสามารถเกาะอยูรอบ ๆ

ผิวของสารดูดซับไดหลายชั้น (Multilayer) โดยจํานวนชั้นจะเปนสัดสวนกับความเขมขนของสารถูกดูด

ซับ และจะเพิ่มมากขึ้นตามความเขมขนที่สูงขึ้นของตัวถูกละลายในสารละลาย

2) การดูดซับทางเคมี (Chemical Adsorption)

การดูดซับประเภทนี้เกิดขึ้นเมื่อตัวถูกดูดซับกับตัวดูดซับทําปฏิกิริยาเคมีกัน ซึ่งสงผลใหเกิดการ

เปล่ียนแปลงทางเคมีของตัวถูกดูดซับเดิม คือมีการทําลายแรงยึดเหนี่ยวระหวางอะตอมหรือกลุมอะตอม

เดิมแลวมีการจัดเรียงอะตอมไปเปนสารประกอบใหมขึ้น โดยมีพันธะเคมีซึ่งเปนพันธะที่แข็งแรง มี

พลังงานกระตุนเขามาเกี่ยวของทําใหความรอนของการดูดซับมีคาสูงประมาณ 50-400 kJ/mol หมายความ

9

วาการกําจัดตัวถูกดูดซับออกจากผิวตัวดูดซับจะทําไดยาก คือไมสามารถเกิดปฏิกิริยาผันกลับได

(Irreversible) และการดูดซับประเภทนี้จะเปนการดูดซับแบบชั้นเดียว (Monolayer) เทานั้น

สําหรับตัวเรงปฏิกิริยาที่นํามาใชในกระบวนการนี้คือ ไททาเนียมไดออกไซด (Titanium dioxide,

TiO2) ซึ่งมีคุณสมบัติพิเศษ คือจะไมแสดงประจุใด ๆ ขณะยังไมไดรับการเหนี่ยวนํา แตหากถูกเหนี่ยวนํา

โดยสิ่งแวดลอมจะทําใหแสดงประจุชนิดเดียวกันกับส่ิงแวดลอมซ่ึงแตกตางจากคอลลอยดตามธรรมชาติ

ที่จะมีประจุลบ ยกตัวอยางเชน ถาหากใสไททาเนียมไดออกไซดลงไปในน้ําที่มีคา pH ต่ํา ๆ ซึ่งในน้ําจะมี

ประจุบวกอยูมาก จะทําใหไททาเนียมไดออกไซดถูกเหนี่ยวนําเปนบวก และถาหากใสลงไปในน้ําที่มี pH

สูง ๆ ซ่ึงในน้ําจะมีประจุลบอยูมาก ไททาเนียมไดออกไซดก็จะถูกเหนี่ยวนําประจุลบออกมา ดวยลักษณะ

สมบัติเชนนี้จึงทําใหไททาเนียมไดออกไซดชวยในการกําจัดมลภาวะในน้ําเสีย ในการกําจัดโลหะหนัก

หรือสารอินทรียที่เจือปนอยูในน้ําเสียจะถูกดูดซับอยูบนผิวของตัวเรงปฏิกิริยา นอกจากการกําจัด

สารอินทรียและโลหะโดยปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันแลว สารมลพิษอื่น ๆ ทั้งสารอินทรียและสารอนิ

นทรียอาจถูกกําจัดจากสารละลายดวยการดูดซับไวที่ผิวของตัวเรงปฏิกิริยา ซ่ึงการดูดซับทางกายภาพและ

ทางเคมีมีขอแตกตางกันหลายอยาง

ตารางที่ 2.1 เปรียบเทียบระหวางการดูดซับทางกายภาพกับการดดูซับทางเคม ี

ตัวแปร การดูดซบัทางกายภาพ การดูดซบัทางเคม ี

1. คาความรอนของการดูดซับ นอยกวา 20 kJ/mole 50-400 kJ/mole

2. อุณหภูมิที่เกิดการดดูซับ ต่ํา สูง

3. แรงดึงดูดระหวางโมเลกุล แรงแวนเดอรวาลส พันธะเคม ี

10

4. การผันกลับของปฏิกิริยา ผันกลับได สวนใหญผันกลับไมได

5. การดูดซับบนแกส-ของแข็ง เกิดไดเกือบทุกชนดิ เกิดเฉพาะบางระบบ

6. กระบวนการกอกัมมนัตใน

กระบวนการเกิด

ไมเกี่ยวของ

เกี่ยวของ

7. รูปแบบขั้นของการดดูซับ Monolayer และ Multilayer Monolayer

ปจจัยที่มีผลตอการดึงดูดผิว

1) ความปนปวน (Turbulence): อัตราเร็วในการดูดติดผิวขึ้นอยูกับการแพรผานฟลม (Film

Diffusion) และการแพรผานรูพรุน (Pore Diffusion) ซึ่งแลวแตความปนปวนของระบบ ถาสารละลายมี

ความปนปวนต่ําเปนผลใหการลอมรอบสารดูดตดิผิวจะมีความหนามาก และเปนอุปสรรคตอการเคลื่อนที่

ของโมเลกุลเขาไปหาสารดูดติดผิวทําใหการแพรผานฟลม (Film Diffusion) เปนตัวกําหนดอัตราเร็วของ

การดูดติดผิว ในทางตรงกันขามถาสารละลายมีความปนปวนสูงทําใหการแพรผานรูพรุน (Pore

Diffusion) เปนปจจัยกําหนดอัตราเร็วในการดูดติดผิว

2) ขนาดและพื้นที่ของการดูดติดผิว: อัตราการดูดติดผิวเปนสัดสวนผกผันกับขนาดของสารดูด

ติดผิวและพื้นที่ผิวของสารดูดติดผิว มีความสัมพันธโดยตรงกับความสามารถในการดูดติดผิว

(Adsorption Capacity) ยกเวนในกรณทีี่โมเลกุลของสารที่ดูดตดิผิวมีขนาดใหญกวาชองวางของสารดูดตดิ

ผิว

3) ความสามารถในการละลายน้ําของสารดูดติดผิว: เมื่อเกิดการดูดติดผิวโมเลกุลจะถูกดึงออก

จากน้ําและเกาะติดบนผิวของของแข็ง สารที่ละลายน้ําไดหรือแตกตัวเปนไอออนไดจะมีแรงยึดเหนี่ยวกับ

น้ําสูงจึงเปนสารที่ยากในการดูดติดผิว ดังนั้นสารที่ไมละลายน้ําไดนอยจะสามารถเกาะติดบนผิวสารดูด

ติดผิวไดดี

4) ขนาดของสารที่ดูดติดบนผิวของสารที่ดูดติดผิว: ขนาดของสารหรือโมเลกุลมีความสําคัญ

มากตอการดูดติดผิว ซึ่งสวนใหญจะเกิดขึ้นในชองวางของสารดูดติดผิว

5) คา pH: คา pH ของสารละลายเปนปจจัยที่สําคัญของการดูดติดผิว เนื่องจากคา pH มีอิทธิพล

ตอการแตกตัวของไอออนและการละลายน้ําของสารตาง ๆ ดังนั้นจึงมีผลกระทบตอการดูดติดผิว

6) อุณหภูมิ: ในกรณีการดูดติดผิวเปนปฏิกิริยาการคายความรอน พบวาเมื่ออุณหภูมิลดลง

ความสามารถในการดูดติดผิวจะสูงขึน้แตอัตราเร็วในการดูดติดผิวจะลดลง ในทางตรงกันขามถาอุณหภูมิ

สูงขึ้นความสามารถในการดูดติดผิวจะลดลงแตอัตราเร็วในการดูดติดผิวจะสูงขึ้น

2.1.4.2 กระบวนการฉายแสง (Irradiation Process)

11

การฉายแสงบนวัสดุกึ่งตัวนําจะเปนการทําใหอิเล็กตรอนจากชั้นนอก (Valence Band) ไปสูชั้น

การนําไฟฟา (Conduction Band) ในวัสดุประเภทโลหะ เมื่อฉายแสงที่ผิวของโลหะจะเกิดอิเล็กตรอนได

ยากและชวงเวลาในการเกิดอิเล็กตรอนกับหลุมอิเล็กตรอนนั้นสั้นมากทําใหไมสามารถใชได การใชวัสดุ

กึ่งตัวนํานั้นงายกวาเพียงแคพลังงานของแสงที่ฉายนั้นมีมากกวาพลังงานของชองวางพลังงาน (Band

Gap), ชองวางระหวางชั้นคอนดักชันแบนด (Conduction Band) และวาเลนสแบนด (Valence Band), โฟ

ตอนจะไปกระตุนอิเล็กตรอนจากวาเลนสแบนดไปสูคอนดักชันแบนด ในกระบวนการโฟโตคะตะไลติก

นั้น การฉายแสงเปนการใหพลังงานกับระบบในรูปของพลังงานโฟตอน (Photon Energy) มากพอที่จะทํา

ปฏิกิริยาขึ้นไดซึ่งพลังงานดังกลาวนี้เรียกวาพลังงานกระตุน (Activation Energy)

เมื่ออนุภาคของแสง (Photon) ซึ่งมีพลังงานเทากับหรือสูงกวาชองวางพลังงาน (Band Gap) ตก

กระทบผิวหนาอนุภาคสารกึ่งตัวนํา ทําใหเกิดอิเล็กตรอน (e-cb) ในคอนดักชันแบนด และเกิด Hole (h+

vb)

ในวาเลนสแบนด ดังสมการที่ (2.1) โดย 2 ขั้นตอนนี้เรียกวาเกิดการแยกประจุ (Charge Separation)

TiO2 + h e-cb + h+

vb (2.1)

จากนั้น Hole จะทําปฏิกิริยากับน้ํา (H2O) หรือหมูไฮดรอกซิล (OH-) ที่ถูกดูดซับบนผิวของ

ไททาเนียมไดออกไซดได Hydroxyl radicals (OH-) ดังสมการที่ (2.2) และ (2.3)

h+vb+ HO2 (ads) OH + H+ (2.2)

h+vb + OH-

(ads) OH (2.3)

สวนอิเล็กตรอนในชั้นการนําไฟฟา (Conduction Band) จะทําปฏิกิริยากับออกซิเจนได Superoxide ions

ดังสมการที่ (2.4) ซ่ึงจะสลายตัวเปน OH- ดังสมการที่ (2.5)

e-cb + O2

2O (2.4)

OHO 222 222 OOHOH

(2.5)

Hydroxyl radicals นี้มีศักยภาพในการ Oxidize สารอินทรียไดดี ทําหนาที่สลายโมเลกุล

สารอินทรียในสารละลายที่ดูดติดผิวหรืออยูใกลผิวของตัวเรงปฏิกิริยา โดยกลไกของการเกิด

กระบวนการโฟโตคะตะไลติก (Mechanism of Photocatalytic) ที่เกิดกับไททาเนียมไดออกไซดเปนไปดัง

รูป 2.1

12

รูปที่ 2.1 กลไกของการเกิดกระบวนการโฟโตคะตะไลตกิ (Mechanism of photocatalytic)

(ที่มา http://www.textiletoday.com.bd/magazine_images/images/btt-2010-

4/technical_note/clip_image001_0000.png)

2.1.5 การทํางานของปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิส (Photocatalysis Activity)

การทํางานของปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิส (Photocatalysis Activity) มีความสัมพันธกับอัตราการ

เกิดปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิส โดยตัวแปรที่มีผลตอคาการทํางานของปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิส ไดแก

สมบัติของแสงที่ใช, ความเขมของแสง, อัตราการรวมตัวของอิเล็กตรอนกับหลุมอิเล็กตรอน และอัตรา

การเกิดออกซิเดชัน (Oxidation) และปฏิกิริยารีดักชัน (Reduction) ของอิเล็กตรอนกับหลุมอิเล็กตรอน

สมบัติของแสง TiO2 สามารถใชไดที่แสงอัลตราไวโอเลตเทานั้นเนื่องจากวามีแถบชองวาง

พลังงานกวาง ซ่ึงใหพลังงานประมาณ 3.2 eV อยางไรก็ตาม ก็มีการเติมไอออนตัวอื่นเพื่อชวยลด

แถบพลังงานของชองวางทําใหสามารถรับแสงธรรมดาได โดยไอออนที่เติมไดแก Vanadium ions,

Chromium ions, Silver ions เปนตน สําหรับการเติมไนโตรเจนลงไปจะมีการดูดซับแสงธรรมดาและได

คาการทํางานของปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิสสูงสุด

ความเขมของแสง จะควบคุมอัตราการรวมตัวของอิเล็กตรอนกับหลุมอิเล็กตรอนและ

ปริมาณของอิเล็กตรอนและหลุมของอิเล็กตรอนที่เกิด อิทธิพลของความเขมแสงไมเพียงแตจะชวยลด

อัตราการเกิดมลภาวะแตจะชวยในเรื่องอัตราการรวมตัวของอิเล็กตรอนกับหลุมอิเล็กตรอนโดยจะไปมีผล

ตอคา Overall quantum efficiency ระบบที่ใหความเขมขนของแสงต่ํา อัตราการลดลงโดยใชแสงเปน

ตัวกระตุนจะเพิ่มขึ้นตามลําดับความเขมของแสง แตจากการใช Methyl viologen ในไททาเนียมได

13

ออกไซดจะไดวาเมื่อเพิ่มความเขมขนของแสง อัตราการลดลงโดยใชแสงเปนตัวกระตุนจะเพิ่มขึ้น ทําให

ไดวาการพิจารณาจากความเขมแสงนั้นยังไมแนนอน

อัตราการรวมตัวของอิเล็กตรอนและหลุมอิเล็กตรอน ตัวแปรนี้และคาการทํางานของ

ปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิสเชื่อมโยงกันจากพื้นที่ผิวและโครงสรางผิว เชน การดูดซับบนแผนตัวอยาง

(Substrate) ซึ่งมีความสัมพันธกับพื้นที่ผิวและรวมไปถึงขนาดของผลึกของตัวเรงปฏิกิริยาโฟโตคะตะไล

ซิส ดังนั้นหลาย ๆ งานวิจัยจึงใชพื้นที่ผิวและขนาดของผลึกของตัวเรงปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิสมาทํา

การหาคาการทํางานของปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิส ฟลมผสมระหวาง ไททาเนียมไดออกไซด-ซิลิกา

(TiO2-SiO2) ถูกเตรียมโดยระเหยตัวทําละลายออกและเคลือบอยูบนแทงแกว ฟลมผสมจะมีการดูดซับสูง

เนื่องจากมีพื้นที่ผิวใหญและคาการทํางานของปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิสสูง เนื่ องจากไททาเนียมไ ด

ออกไซดมีผลึกแบบอนาเทส (Anatase) ซึ่งเปนรูปแบบของโครงสรางผลึกของไททาเนียมไดออกไซด

และมีคาการทํางานของปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิสสูงกวาแบบรูไทล (Rutile) ความสัมพันธเชิงเสน

ระหวางพื้นที่ผิวและการทํางานของปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิสสามารถดูไดจากปฏิกิริยาระหวาง

อิเล็กตรอน หรือหลุมอิเล็กตรอนโดยการดูดซับบนผิวของแผนตัวอยางในปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิส

เฉพาะตัวเรงปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิสเทานั้นที่จะดูดซับโฟตอนเอาไว อยางไรก็ตามจํานวนของโฟตอน

ควรถูกจํากัด เมื่อเวลาผานไป ตัวเรงปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิสดูดซับโฟตอนหมด พื้นที่ผิวของตัวเรง

ปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิสจะไมเปนตัวทําใหเกิดการรวมตัวของอิเล็กตรอนกับหลุม อิเล็กตรอนจะเปน

พื้นที่ผิวของแผนตัวอยาง

ประสิทธิภาพของปฏกิิริยาโฟโตคะตะไลซิส สามารถหาไดจากความสัมพันธดังตอไปนี ้

Overall= ��

�� (2.6)

ในการหาคาประสิทธิภาพจะเปนการดูอัตราการเกิดปฏิกิริยาของโฟตอนตอโฟตอนที่ถูกดูดซับ

จริง ในความเปนจริงมีตัวแปรมากมายเชนแหลงของแสง, อันดับการเกิดปฏิกิริยา รวมไปถึงสภาวะในการ

14

ทดลองที่ใชในกระบวนการโฟโตคะตะไลติกจากเหตุผลที่วาผูทําการวิจัยสนใจจํานวนโฟตอนที่ถูกสงไป

ทําปฏิกิริยาและจํานวนโฟตอนที่ทําปฏิกิริยาที่แผนตัวอยาง (Substrate) ดังนั้น ประสิทธิภาพใน

กระบวนการโฟโตคะตะไลติก (photonic efficiency) จึงถูกนํามาใชในปฏิกิริยาประสิทธิภาพใน

กระบวนการโฟโตคะตะไลซิส (�) เปนการระบุถึงจํานวนโฟตอนที่ถูกทําปฏิกิริยาตอจํานวนของโฟตอน

ในแสงที่ฉาย

�= ��

�� (2.7)

2.2 ไททาเนียมไดออกไซด (TiO2) [15, 16, 17, 18]

ไททาเนียมไดออกไซดเปนสารที่รูจักกันอยางแพรหลายในการบําบัดน้ําอากาศและกาซพิษเพราะ

ไททาเนียมไดออกไซดเปนสารโฟโตคะตะไลซิสที่มีประสิทธิภาพที่สามารถสลายสารประกอบอินทรีย

เกือบทุกชนิดเมื่ออยูภายใตแสงอาทิตยมีผลิตภัณฑเกี่ยวกับสิ่งแวดลอมและสุขภาพมากมายที่ผลิตขึ้นโดย

อาศัยคุณประโยชนเหลานี้ของไททาเนียมไดออกไซดเชนเส้ือผาที่ทําความสะอาดตัวเองได,กระเบื้อง

ปราศจากเชื้อโรค, การใชไททาเนียมไดออกไซดเพื่อสลายไนโตรเจนไดออกไซดจากอากาศใหสามารถ

ถูกชะลางไปไดงาย, ใชสลายฮอรโมนที่เรงการสุกงอมของพืชผักและเก็บรักษาดอกไมที่ถูกตัดเก็บไวหรือ

ใชสลายกาซพิษตาง ๆ เชน Trichloroethylene จากน้ําหรือสลายสารพิษจากสาหรายสีน้ําตาลซ่ึงการ

ประยุกตใชงานไททาเนียมไดออกไซดเปนไปดังรูป 2.2

15

รูปที่ 2.2 การประยกุตใชงานไททาเนียมไดออกไซด (ที่มา http://www.thaiairpure.com/index.php?route=information/info&info_id=8)

2.2.1 ประโยชนของไททาเนียมไดออกไซด

1. ความสามารถในการตานแบคทีเรีย ไททาเนียมไดออกไซดไมเพียงแตฆาแบคทีเรียไดเทานั้นแตยังชวย

ในการยอยสลายซากของมันดวยไททาเนียมไดออกไซดที่เปนสารเรงปฏิกิริยาดวยแสงนั้นมีประสิทธิภาพ

สูงกวาสารตานแบคทีเรียชนิดอื่น ๆ เนื่องจากปฏิกิริยาจะทํางานเมื่อมีเซลลแบคทีเรียสัมผัสกับพื้นผิวหรือ

เมื่อแบคทีเรียแพรกระจายไปบนพื้นผิวนอกจากนี้สารพิษที่เกิดจากการตายเซลลก็จะถูกทําลายจากการเรง

ปฏิกิริยาดวยแสงของไททาเนียมไดออกไซดดวยและที่สําคัญไททาเนียมไดออกไซดจะไมเกิดการเสื่อม

ประสิทธิภาพหลังจากที่ทําลายเชื้อแบคทีเรียทําใหมีประสิทธิภาพการใชงานที่ยาวนานโดยทั่วไปเมื่อ

กลาวถึงประสิทธิภาพดานยับยั้งหรือตอตานการติดเชื้อไททาเนียมไดออกไซดจะมีความสามารถมากกวา

คลอรีน 3 เทา และมากกวา โอโซน 1.5 เทา

2. ความสามารถดานการกําจัดกลิน่ ดานการกําจัดกลิ่นอนุภาคไฮดรอกซีที่เกิดจากไททาเนียมไดออกไซด

สามารถกําจัดโมเลกุลของ สารอินทรียที่ระเหยอยูในอากาศ (Volatile Organic Compounds หรือ VOCs)

อันเปนสาเหตุของกลิ่นไมพึงประสงคไดโดยการทําลายพันธะระหวางโมเลกุลของสารเหลานั้นดวย

วิธีการนี้จะทําใหสารอินทรียที่ระเหยอยูในอากาศแตกออกเปนโมเลกุลเดี่ยวจึงไมสามารถทําอันตรายหรือ

สงผลตอรางกายมนุษยได นอกจากนี้ยังมีประสิทธิภาพในการฟอกอากาศใหสะอาดโดยการกําจัดโมเลกุล

ของสารที่ทําใหเกิดกลิ่นไมพึงประสงคตัวอยางเชน กลิ่นบุหรี่กลิ่นยาสูบ สารประเภท ฟอรมัลดีไฮด

ไนโตรเจนไดออกไซด ยูรีน กลิ่นอุจจาระน้ํามันเชื้อเพลิง และสารประกอบไฮโดรคารบอนอีกหลายชนิด

ในอากาศไททาเนียมไดออกไซดสามารถทําใหอากาศสะอาดจาก ควัน เกสรดอกไม แบคทีเรีย และไวรัส

รวมถึงกาซอันตรายดวยคุณสมบัติของการเรงปฏิกิริยาดวยแสง

3. ความสามารถในการฟอกอากาศ ไททาเนียมไดออกไซดที่ถูกเรงปฏิกิริยาดวยแสงจะสามารถกําจัดสาร

ที่กอใหเกิดมลภาวะทางอากาศได เชนสารประกอบไนโตรเจนออกไซด ควันบุหรี่ รวมถึงสารระเหยตาง

ๆ ที่ออกมาจากอาคารรวมทั้งโครงสรางของตึกได นอกจากนี้ยังชวยปองกันเขมา และคราบดําตาง ๆที่จะ

เกาะผนังบาน รวมถึงชวยกําจัดสารประเภทที่ทําลายชั้นบรรยากาศ เชนกาซคลอโรฟลูออโรคารบอน

(CFC) และกาซเรือนกระจกประเภทอ่ืนรวมถึงกาซไนโตรเจนไดออกไซด และซัลเฟอรไดออกไซด ทั้ง

ทางตรงและทางออมเมื่อไดรับการกระตุนดวยแสง ในบริเวณที่มีมลภาวะสูงไททาเนียมไดออกไซดจะ

ชวยลดสารกอมลภาวะเหลานี้ได

4. สามารถปองกันการเกิดหยดน้ํา และคราบตาง ๆรวมทั้งทําใหเกิดสมบัติการทําความสะอาดตัวเอง ผนัง

ดานนอกของอาคารที่ถูกปกคลุมดวยคราบเขมาจากการเผาไหมของเครื่องยนตที่มีสวนประกอบเปน

16

น้ํามันเมื่อผนังตึกถูกทาดวยไททาเนียมไดออกไซดซึ่งมีสมบัติการเรงปฏิกิริยาดวยแสงจะทําใหผนังมี

คุณสมบัติในการทําความสะอาดตัวเอง โดยเมื่อถูกกระตุนดวยแสงไททาเนียมไดออกไซดจะทําลาย

สารประกอบไฮโดรคารบอน รวมทั้งฝุนผงตาง ๆที่เกาะติดอยูกับผนัง และจะถูกชะลางออกจากผนังอยาง

งายไดเมื่อฝนตกลงมาทําใหผนังตึกดูสะอาดและใหมอยูเสมอ

5. ความสามารถในการทําน้ําสะอาด สารเรงปฏิกิริยาดวยแสง (ไททาเนียมไดออกไซด) รวมกับรังสีอุลต

ราไวโอเลตสามารถกําจัดสารอินทรียที่กอมลภาวะใหกลายเปนสารที่ไมเปนอันตรายได เชนทําให

กลายเปนกาซคารบอนไดออกไซด และน้ํา รวมถึงมีคุณสมบัติในการตานแบคทีเรียเทคโนโลยีนี้มี

ประสิทธิภาพสูงในการกําจัดสารอินทรียอันตรายและชวยฆาแบคทีเรียหลายชนิดรวมถึงไวรัสในขั้นตอน

ที่สองของการบําบัดน้ําเสียโครงการตนแบบแสดงใหเห็นวากระบวนการเรงปฏิกิริยาดวยแสงนั้นมี

ประสิทธิภาพสูงในการฆาแบคทีเรีย Escherichia coli ซึ่งเปนแบคทีเรียในอุจจาระที่ปนเปอนในน้ํา ได

เปนอยางดีซึ่งสามารถนําไปใชไดเปนอยางดีในกระบวนการบําบัดน้ําเสีย

ไททาเนียมไดออกไซดจึงจัดเปนสารกึ่งตัวนําที่นํามาใชกับกระบวนการโฟโตคะตะไลติก

นอกจากนี้ก็ยังมีสารกึ่งตัวนําอีกหลายตัวที่ประกอบไปดวยออกไซดหรือซัลไฟดของโลหะดังเชน

แคดเมียม (II) ซัลไฟด (CdS) และซิงค (II) ออกไซด (ZnO) ซ่ึงตางมีชองวางพลังงาน (Energy Band Gap)

ที่ใกลเคียงกันกับพลังงานแสงอัลตราไวโอเลตสําหรับแถบวาเลนซ (Valance band), แถบคอนดักชัน

(Conduction Band), ชองวางพลังงาน (Band Gap) และความยาวคลื่นของชองวางพลังงาน (Band Gap

Wavelength) แสดงไวในตารางที่ 2.2

ตารางที ่2.2 ตําแหนงชองวางพลังงานและขนาดของชองวางพลังงานของสารกึ่งตวันําอื่นๆ

สารกึ่งตัวนํา แถบวาเลนซ

(eV)

แถบคอนดักชนั

(eV) ชองวางพลังงาน (eV)

ความยาวคลื่น

(nm)

TiO2 +3.1(+2.9) +0.1(-0.3) 3.0(3.4) 380

SnO2 +4.1 +0.3 3.9 318

ZnO +3.0 -0.2 3.2 390

ZnS +1.4 -2.3 3.7 336

CdS +2.1 -0.4 2.5 497

CdSe +1.6 -0.1 1.7 730

GaAs +1.0 -0.4 1.4 887

17

GaP +1.3 -1.0 2.3 540

2.2.2 คุณสมบัติของไททาเนียมไดออกไซด

2.2.2.1 ทฤษฎขีองวัสดฉุนวนสารกึ่งตัวนําและตัวนําไฟฟา

การใชทฤษฎีการเกิดแถบพลังงานในของแข็งมาอธิบายสมบัติทางไฟฟาของสารตางๆทําให

ทราบวาวัสดุประกอบดวยโมเลกุลโมเลกุลประกอบดวยอะตอมอะตอมประกอบดวยนิวเคลียสและ

อิเล็กตรอนอิเล็กตรอนนั้นวิ่งวนรอบนิวเคลียสและมีวงโคจรที่มีชื่อวา 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d,… ความนาจะ

เปนของการมีอิเล็กตรอนจะมีคาสูงสุดในวงโคจรเหลานั้นนอกจากนี้จํานวนของอิเล็กตรอนที่จะมีไดใน

แตละวงโคจรก็จะมีคาจํากัดและขึ้นอยูกับชนิดอะตอมดวยถาอะตอมอยูหางกันเชนอะตอมของกาซ

พลังงานของอิเล็กตรอนที่อยูในสภาพเสถียรจะมีคาแบบกระโดดอยางไมตอเนื่องซึ่งขึ้นอยูกับวา

อิเล็กตรอนตัวใดอยูในวงโคจรอะไรแตเมื่ออะตอมเขามาอยูใกลชิดกันเชนอะตอมในของแข็งจะทําให

อะตอมขางเคียงมีอิทธิพลตอกันและกันจึงเปนเหตุใหพลังงานของอิเล็กตรอนมีลักษณะเปนแถบๆซึ่ง

เรียกวาแถบพลังงาน (Energy Band) แถบพลังงานของอิเล็กตรอนนั้นบางแถบไมอนุญาตใหอิเล็กตรอน

เขาไปอยูบางแถบอนุญาตใหอิเล็กตรอนเขาไปอยูแถบพลังงานที่อนุญาตใหอิเล็กตรอนเขาไปอยูไดจนเต็ม

และอิเล็กตรอนเหลานั้นเปนอิเล็กตรอนของวงโคจรรอบนอกสุดของอะตอมชื่อเรียกวาแถบวาเลนซ

(Valence Band) อิเล็กตรอนในแถบวาเลนซยังคงเปนอิเล็กตรอนที่ถูกยึดเหนี่ยวดวยแรงคูลอมบอยูกับ

นิวเคลียสไมไดเปนอิเล็กตรอนอิสระการกระตุนใหอิเล็กตรอนที่อยูในวงโคจรนอกสุดซ่ึงก็คืออิเล็กตรอน

ที่อยูในแถบวาเลนซใหมีพลังงานสูงขึ้นนั้นกระทําไดโดยการปอนพลังงานจากภายนอกใหแกอิเล็กตรอน

ซึ่งอาจเปนพลังงานความรอนหรือพลังงานแสงการกระตุนใหอิเล็กตรอนที่อยูในแถบวาเลนซมีพลังงาน

สูงขึ้นจนสามารถขึ้นไปอยูในแถบคอนดักชัน (Conduction Band) จะทําใหอิเล็กตรอนกลายเปน

อิเล็กตรอนอิสระซึ่งจะมีบทบาทตอการนําไฟฟาของวัสดุและตอจากนั้นถาอิเล็กตรอนในแถบคอนดักชัน

คายพลังงานออกมาอิเล็กตรอนก็จะตกกลับลงสูแถบวา-เลนซเชนเดิมในกรณีวัสดุโลหะแถบวาเลนซและ

แถบคอนดักชันมีลักษณะวางตัวซอนทับกันถามีสนามไฟฟามากระทํากับอิเล็กตรอนก็จะทําให

อิเล็กตรอนอิสระวิ่งไดงายสวนในวัสดุฉนวนนั้นแถบวา-เลนซและแถบคอนดักชันอยูหางกันโดยถูกขั้น

ตรงกลางดวยแถบตองหาม (Forbidden Band หรือ Energy Band Gap) ซึ่งมีขนาดกวางมากในฉนวนนั้นมี

อิเล็กตรอนเฉพาะในแถบวาเลนซในแถบคอนดักชันแทบไมมีอิเล็กตรอนอิสระเลยดังนั้นแมจะปอน

สนามไฟฟาเขาสูฉนวนก็จะไมทําใหกระแสไฟฟาไหลในวัสดุสารกึ่งตัวนําแถบตองหามมีขนาดไมกวาง

นักดังนั้นที่อุณหภูมิหองปกติจะมีอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุนดวยความรอนตามธรรมชาติใหกระโดดจาก

แถบวาเลนซขึ้นไปอยูในแถบคอนดักชันไดบางอิเล็กตรอนในแถบคอนดักชันจะมีจํานวนมากขึ้นถา

อุณหภูมิสูงขึ้นดังนั้นเมื่อสนามไฟฟามากระทําสารกึ่งตัวนําจึงนําไฟฟาไดการกระตุนใหอิเล็กตรอนมี

18

ประจุไฟฟาลบกระโดดจากแถบวาเลนซขึ้นไปสูแถบคอนดักชันเปนการทําใหเกิดชองวางที่มีประจุไฟฟา

บวกเหลืออยูแถบวาเลนซเราเรียกชองวางที่ประจุบวกวา “โฮล” (Hole) ทั้งอิเล็กตรอนอิสระ และโฮล

อิสระสามารถเปนพาหะทําใหกระแสไฟฟาไหลไดโดยแตกตางกันที่อิเล็กตรอนนั้นวิ่งสวนทางกับ

สนามไฟฟา แตโฮลวิ่งทิศทางเดียวกับสนามไฟฟาในผลึกที่สมบูรณในทางอุดมคติภายในแถบพลังงาน

ตองหามจะไมมีระดับพลังงานใด ๆ ที่จะอนุญาตใหอิเล็กตรอนเขาไปอยูแตในทางปฏิบัติในผลึกมักจะมี

จุดบกพรอง (Defects) เกิดขึ้นเสมอหรืออาจมีความบริสุทธิ์ไมถึง 100% ทําใหมีอะตอมแปลกปลอมบาง

ชนิดผสมอยูสาเหตุเหลานี้ทําใหเกิดระดับพลังงานจํานวนหนึ่งเกิดขึ้นอยูภายในแถบพลังงานตองหามได

เราเรียกระดับพลังงานที่เกิดขึ้นอยูภายในแถบพลังงานตองหามวาระดับชองวาง (Gap States) หรือ

บางครั้งเรียกวาโลคอไลซ (Localized State) ระดับ Gap States เหลานี้สามารถจับอิเล็กตรอนใหเขาไปอยู

ไดจึงทําใหคุณสมบัติทางไฟฟาและทางแสงของวัสดุมีการเปล่ียนแปลงไปจากกรณีที่ไมมีระดับชองวาง

ดังรูปที่ 2.3

รูปที่ 2.3 กระบวนการที่เกดิขึ้นเมื่อสารกึ่งตัวนําไททาเนียถูกกระตุนดวยแสง

(ที่มา http://www.vcharkarn.com/varticle/27809)

2.2.2.2 สมบัติทางกายภาพของไททาเนียมไดออกไซด

19

ไทเทเนียมไดออกไซด (TiO2) หรือไทเทเนีย (Titania) เปนสารกึ่งตัวนํา (Semiconductor) ชนิด

หนึ่งสภาพที่พบทั่วไปมักปรากฏอยูในรูปของออกไซดของธาตุไททาเนียม ไททาเนียม (Ti) เปนโลหะสี

เทา มีมวลอะตอมเทากับ 47.9 มีความสามารถทนตอการกัดกรอนสูง ไมเปนสารไวไฟ มีเลขออกซิเดชั่น

+4, +3, +2 แตสภาพที่พบทั่วไปเปน +4 ไททาเนียมไดออกไซดจะเปนผงสีขาวมีมวลโมเลกุล 79.9 ซึ่งมี

รูปแบบของผลึกอยู 3 รูปแบบ ดังรูป 2.4 ไดแก

- อนาเทส (Anatase) มีโครงสรางผลึกเปนแบบเตตระโกนอลมีเสถียรภาพมากที่อุณหภูมิต่ํากวารู

ไทลผลึกชนิดนี้นิยมใชเปนตัวเรงปฏิกิริยาในกระบวนการ Photodegradation

- รูไทล (Rutile) มีโครงสรางผลึกเปนแบบเตตระโกนอลสามารถโนมนาวใหมีเสถียรภาพมากได

ที่อุณหภูมิสูงๆชนิดของไททาเนียมไดออกไซดที่ใชในอุตสาหกรรมสวนมากจะเปนแบบรูไทลเกือบทุก

โรงงานเชนโรงงานสีโรงงานเครื่องสําอางโรงงานทําอาหารและบางครั้งพบในหินอัคนี

- บรูไคต (Brookite) เปนผลึกที่พบในแรเทานั้นและมีโครงสรางเปนแบบออรโธรอมบิค

(Orthorhombic) เปนเฟสที่ไมคอยเสถียรนักมักพบในชวงกลางของการเปล่ียนเฟสจากอนาเทสเปนรูไทล

ลักษณะเฉพาะของสารไทเทเนียมไดออกไซด

ไทเทเนียม (Ti) เปนโลหะสีเทามีมวลอะตอมเทากับ 47.9 ทนตอการกัดกรอนสูงไมเปนสารไวไฟ

มีเลขออกซิเดชั่น +4, +3, +2 แตสภาพที่พบทั่วไปเปน +4 ไทเทเนียมไดออกไซดจะเปนผงสีขาวมวล

โมเลกุล 79.9 เปนวัสดุที่มีคุณสมบัติเปนสารกึ่งตัวนําชนิดหนึ่งซึ่งมีโครงสรางผลึกที่แตกตางกัน 3

รูปแบบ คือ บรุคไคท (Brookite) อนาเทส (Anatase) และรูไทล (Rutile) โดยที่โครงสรางผลึกที่นิยม

นํามาใชสําหรับกระบวนการกาํจัดสารอินทรียในน้ําโดยวิธีกระตุนดวแสงคือโครงสรางผลึกแบบอนาเทส

และรูไทลซึ่งมีการจัดเรียงตัวของอะตอมไทเทเนียมเปนแบบ Orthorhombic และที่อะตอมออกซิเจนเขา

ไปเติมเต็มในชองวางแบบ Octahedron โดยที่มุมระหวางแกนของ Octahedron ในรูไทลมีคาเทากับ 90

และ 81.21 องศา ในขณะที่อนาเทสมีคามุมระหวางแกนเทากับ 78.12 และ 92.43 องศา จ า ก ก า ร ที่

ไทเทเนียมไดออกไซดมีโครงสรางผลึกที่แตกตางกันนั้นสงผลใหโครงสรางผลึกแตละโครงสรางมี

คุณสมบัติที่แตกตางกันเมื่อพิจารณาทางดานเทอรโมไดนามิกสพบวาพลังงานเสรีของกิบสของการเกิดที่

ภาวะมาตรฐานสําหรับไทเทเนียมไดออกไซดที่มีโครงสรางแบบรูไทลที่มีคา -889.5 กิโลจูลตอโมล อีกทั้ง

คาความหนาแนนของไทเทเนียมไดออกไซดที่มีโครงสรางผลึกแบบอนาเทสนั้นมีคาเทากับ 3.894 กรัมตอ

ลูกบาศกเมตร ในขณะที่ไทเทเนียมไดออกไซดที่มีโครงสรางผลึกแบบรูไทลนั้นมีคาความหนาแนน

เทากับ 4.250 กรัมตอลูกบาศกเซนติเมตร คุณสมบัติที่แตกตางกันดังกลาวจงึทําใหผลึกของโครงสรางผลึก

แบบอนาเทสมีคาเทากับ 3.23 โวลต ในขณะที่รูไทลมีคาเทากับ 3.02 โวลต จึงทําใหไทเทเนียมได

ออกไซดที่มีโครงสรางผลึกแบบอนาเทสมีความวองไวในการเกิดปฏิกริิยาสูงกวาไทเทเนียมไดออกไซดที่

มีโครงสรางผลึกแบบรูไทล และโครงสรางผลึกแบบบรุคไคท การทําใหบริสุทธิ์นั้นทําไดยาก สวน

20

โครงสรางผลึกแบบรูไทลจะเกิดการรวมตัวใหมของ e- และ h+ ไดงายทั้งยังมีความสามารถในการดูดติด

ผิวต่ํากวาโครงสรางผลึกแบบอนาเทส ในปจจุบันจึงเปนที่นิยมใชโครงสรางผลึกแบบอนาเทสมากกวา

แบบอื่น รูปผลึก, ขนาดอนุภาค, ผิวหนาผลึก, ปริมาณการรวมเปนการรวมผลึกและความบริสุทธิ์ของ

กระบวนการผลิตถูกควบคุมใหเหมาะสมกับการใชงานสารไทเทเนียมไดออกไซดมีลักษณะทางเคมีที่ดีทํา

ใหมีผลขางเคียงตอส่ิงแวดลอมนอยมากจึงปลอดภัยและใชงานไดงาย สมบัติทางกายภาพของไททาเนียม

ไดออกไซดแสดงดังตารางที่ 2.3

รูปผลึกของสารไทเทเนียมไดออกไซด

รูปผลึกของสารประกอบไทเทเนียมไดออกไซดที่เกี่ยวของและกลาวถึง คือ รูไทลและอนาเทส

นั้นมีความแตกตางกันดานการหักเหของแสงความหนาแนน และการทําปฏิกิริยาของแสงซ่ึงไทเทเนียม

ไดออกไซด และประจุบวกของออกซิเจนอยูในโครงตาขายที่มีมากมายหลายแบบรูปผลึกแบบที่ 3 ซ่ึง

ไมไดกลาวถึงของไทเทเนียมไดออกไซด คือ บรุคไคทรูปที่ 2.4 แสดงลักษณะของรูปผลึกชนิดตาง ๆ รู

ไทลมีรูปผลึกที่แนนอนสามารถดูดกลืนรังสีเหนือมวง (Ultra Violet) ไดนอยกวาอนาเทสและรูไทลมี

ลักษณะของสีคอนขางเหลือง อยางไรก็ดีการนําสารไทเทเนียมไดออกไซดไปใชกับแสงที่มีความเขมสูง

เพราะวาดัชนีการหักเหแสงสูง และการกระจายของแสงของผลึกชนิดรูไทลมีผลกระทบในตัวกลางจับ

สารอินทรียมากกวาแบบอนาเทสประมาณ 20%

รูปที่ 2.4 โครงสรางผลึกของไททาเนีย: (a) อนาเทส, (b) รูไทล, และ (c) บรูคไคท

(ที่มา: http://ruby.colorado.edu/~smyth/min/tio2.html)

ไทเทเนียมไดออกไซดเปนสารที่ตองใชแสงยูวีในการทําปฏิกิริยาออกซิเดชั่นกับสารประกอบ

อินทรียที่ผิวหนาผลึกของรูไทลประมาณ 10 เทาตอการเกิดปฏิกิริยานั้น ๆ และอนาเทสจะมีการลดลง

10% ของปฏิกิริยาครึ่งชีวิตของรูไทล ดังนั้นสําหรับการใชงานภายนอกตองใหความสําคัญตอความ

21

บริสุทธ์ิของผลึกรูไทล และปริมาณ 1% ของรังสี x-ray จะไมสามารถสองผานผลึกของสารชนิดนี้อีกทั้ง

สารชนิดนี้สามารถทําใหบริสุทธ์ิไดโดยปฏิกิริยาคลอไรดที่สามารถเกิดขึ้นเองไดตามธรรมชาติ

ทั้งรูไทลและอนาเทสมีโครงสรางเปนแบบเตตระโกนอล (Tetragonal) ผลึกทั้งสองถือวาเปน

โครงสรางที่พบไดทั่วไปเพราะสามารถเกิดขึ้นไดงายเมื่อเปรียบเทียบ คุณสมบัติทางกายภาพของไททา

เนียมไดออกไซดระหวางชนิดรูไทลและอนาเทส ดังตารางที่ 2.4

ตารางที ่2.3 สมบัติทางกายภาพของไททาเนียมไดออกไซด

สูตรทางเคม ี TiO2

ชื่อที่ใชเรียก 1) ไททาเนียมไดออกไซด (Titanium dioxide)

2) ไททานิกแอนไฮไดร (Titanic anhydride)

3) ไททาเนีย (Titania)

พื้นที่ผิว 50 ตารางเมตร/กรัม

ขนาดของอนุภาคโดยเฉลี่ย 20 นาโนเมตร

ความหนาแนน ประมาณ 130 กรัม/ลิตร

มวลโมเลกุล 79.9 กรัม/โมล

ความถวงจาเพาะ 0.7

ตารางที ่2.4 การเปรียบเทียบลักษณะคณุสมบัติทางกายภาพของไททาเนียมไดออกไซดระหวาง

รูไทล (Rutile) และอนาเทส (Anatase)

Properties Rutile Anatase

22

Crystalline form

Band gab energy (eV)

Hardness (Mohs)

Density (g/cm3)

Gibbs free energy,

ΔGf(kcal/mole)

Lattice constant, a (Å )

Lattice constant, c (Å )

Refractive index

Permittity

Melting point (◦C)

Tetragonal system

3.030

6.0-7.0

4.250

-212.6

4.593

2.959

2.71

114

1858

Tetragonal system

3.200

5.5-6.0

3.894

-211.4

3.784

9.515

2.52

31

Transformation to rutile at

temperature above 800 ◦C

ลักษณะโครงสรางโมเลกุลของอนาเทสและรูไทลแสดงดังรูปที่ 2.5 ซ่ึงเปนผลึกที่นํามาใชในดาน

การบําบัดน้ําเสีย

รูปที่ 2.5 ลักษณะโครงสรางโมเลกุลของอนาเทสและรูไทล

(ที่มา http://www.eng.ru.ac.th/envi/aj/EVE410/photocatalytic.pdf)

23

ประสิทธิภาพของไททาเนียมไดออกไซดนั้นขึ้นอยูกับปริมาณและสัดสวนของอนาเทสตอรูไทล

ดวยซึ่ง Yu และคณะ [3] ไดทําการศึกษาถึงประสิทธิภาพของฟลมบางไททาเนียมไดออกไซดที่มี

ปริมาณอนาเทสที่แตกตางกันโดยการนําฟลมบางไททาเนียมไดออกไซดไปใชในการลดสีของเมทิลออ

เรนจมากที่สุดและคาคงที่ในการเกิดปฏิกิริยาจะลดลงเมื่อใชฟลมบางไททาเนียมไดออกไซดที่มีปริมาณอ

นาเทสลดลง

2.2.2.3 การเตรียม TiO2 catalyst

การเตรียมไททาเนียมไดออกไซดสามารถทําไดดังนี้ จํานวนโลหะท่ีใสลงไปเนื่องจาก H2สามารถ

เกิดขึ้นไดจากการเตรียมไททาเนียมไดออกไซด เราสามารถกําจัดออกไดโดยการเติม Pt ลงไปเล็กนอย,

การบํารุงดวยความรอนคือการเปล่ียนโครงสรางของไททาเนียมไดออกไซดใหเปนแบบอนาเทสซึ่งจะได

คา Photocatalytic Activity สูงกวาแบบรูไทล โดยการนําไปเผาที่อุณหภูมิสูงกวา 673 K ทําใหพื้นที่ผิว

ลดลง คา Photocatalytic Activity ของ TiO2 Catalyst จึงเพิ่มขึ้นอยางรวดเร็ว, การบํารุงดวยน้ํารอน

สามารถทําไดโดยใชอุณหภูมิมากกวาจุดเดือดของน้ําเปนการทําใหสามารถรักษาความดันของน้ําได

2.2.2.4 การใชไทเทเนียมไดออกไซดภายใตสภาวะแสงปกติ

เนื่องจากไททาเนียมไดออกไซด (TiO2) ไมสามารถใชแสงที่มองเห็นได (Visible Light) ไดโดย

สามารถใชแสง UV (λ<380 nm) ไดนั้นทําใหมีงานวิจัยหลายงานศึกษาถึงการใชแสงปกติจากดวงอาทิตย

หรือแสงที่มองเห็นได (Visible light) มาใชโดยการเติมโลหะเขาไปในไททาเนียมไดออกไซด เพื่อลด

ชองวางพลังงานของไททาเนียมไดออกไซดทําใหใชพลังงานจากแสงนอยลงในการกระตุนอิเล็กตรอน

จากแถบวาเลนซไปสูแถบคอนดักชัน ซึ่งจากพลังงานที่ลดลงนี้ทําใหเราสามารถใชแสงที่มองเห็นได

(Visible Light) ไดโดยดูไดจากสมการพลังงาน

� =��

λ (2.8)

จากสมการจะเห็นไดวาพลังงาน (E) จะแปรผกผันกับความยาวคลื่น (λ) เมื่อพลังงานนอยลง

ความยาวคลื่นจะมากขึ้นซึ่งจากความยาวคลื่นที่มากขึ้นทําใหสามารถใชแสงที่มองเห็นได (Visible light)

ได (450-900 nm)

การปรับปรุงสมบัติการยอยสลายสารอินทรียโดยใชแสงของไททาเนียมไดออกไซดอาจทําโดย

การเติมไททาเนียมไดออกไซดดวยโลหะทรานสิชันเชนแพลตินัม แพลเลเดียม เงิน เพื่อใหไททาเนียมได

ออกไซดดูดกลืนแสงจากดวงอาทิตยในชวงที่กวางขึ้นคือนอกจากจะดูดกลืนแสงอัลตราไวโอเลตแลวยัง

สามารถดูดกลืนแสงที่ตามองเห็นไดและเพิ่มประสิทธิภาพในกระบวนการโฟโตคะตะไลติกซึ่ง

24

แถบพลังงานของไททาเนียมไดออกไซดเมื่อเกิดกระบวนการโฟโตคะตะไลติกหลังจากเติมโลหะเปนไป

ดังรูป 2.6

รูปที่ 2.6 แถบพลังงานของไททาเนียมไดออกไซดโฟโตคะตะลิสตที่มีโลหะอยู

(A) Reduction (B) Oxidation

(ที่มา http://www.eng.ru.ac.th/envi/aj/EVE410/photocatalytic.pdf)

2.3 การ Dope [19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35]

การโดป (Doping) เปนการเพิ่มจํานวนประจใุหกับอะตอมโดยอาจจะการเพิ่มประจุบวกหรือ

ประจุลบก็ได อะตอมที่ใชในการโดปจะเปนส่ิงแปลกปลอมในผลึกและมีจํานวนนอยมากคือประมาณ

0.1% ทําใหอะตอมของธาตุนั้นเพิ่มความสามารถของปฏิกิริยาออกซิเดชันภายใตแสงอัลตราไวโอเลต

(UV Visible Light) และแสงที่ตามองเห็น (Visible Light) ของไททาเนียมไดออกไซดสามารถทําได

ทั้งส้ิน 3 วิธี ไดแก

1) การโดปไททาเนียมไดออกไซดดวยโลหะ

2) การโดปไททาเนียมไดออกไซดดวยอโลหะ

3) การโดปไททาเนียมไดออกไซดดวย sensitizers

กรณีที่ใชโลหะและอโลหะเปนตัวโดปความสามารถของการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน และ

รีดักชันเกิดจากการที่โลหะและอโลหะท่ีเติมนั้นไปหนวงการรวมตัวกันของอิเล็กตรอนกับโฮลที่เกิดจาก

ปฏิกิริยาโฟโตแคตาไลซิสสงผลใหมีเวลามากพอที่โฮลจะเกิดปฏิกิริยารีดักชันและอิเล็กตรอนจะ

เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันที่พื้นผิวของไททาเนียมไดออกไซดเกิดเปน hydroxyl radical (OH•) และ oxygen

radical ไดอยางสมบูรณ ซ่ึงโลหะและอโลหะที่ถูกใชเปนตัว doped นั้นจะไปลดระดับพลังงานของการ

25

เกิดปฏิกิริยา photooxidation ของไททาเนียมไดออกไซดลง สงผลใหพลังงานที่ใชในการกระตุน electron

ของไททาเนียมไดออกไซดจากแถบวาเลนซขึ้นไปยังแถบคอนดักชันลดลงตามไปดวย

กรณขีอง sensitizers เปนตัวโดป ความสามารถของการเกิดปฏิกิรยิาออกซิเดชันภายใตแสง

อัลตราไวโอเลต และชวงแสงที่ตามองเห็นที่เพิ่มขึ้นนั้นเกดิจากการที ่sensitizers สามารถดูดกลืนคลื่นแสง

ที่มีความยาวคลื่นมากกวา 380 nm ทําให electron ของsensitizers ที่ไดรับการกระตุนจะเขาสู conduction

band ของ TiO2 ในกรณนีี้สวนของ hole จะเกิดขึน้ที่บริเวณ sensitizers ในขณะที ่ electron จะอยูบริเวณ

conduction band ของ TiO2 ซึ่งทั้งสองบริเวณนี้จะเกดิปฏิกิริยา photooxidation กับโมเลกุลของน้ํา และ

oxygen

2.3.1 การโดปไททาเนียมไดออกไซดดวยโลหะไอออน (III) ไนเทรต (Iron(III)Nitrate) และ

อโลหะไทโอยูเรีย (Thiourea)

2.3.1.1 ไอออน (III) ไนเทรต หรือ Ferric Nitrade

Ferric Nitrate หรือ Iron(III)Nitrate มีสูตรโมเลกุลคือ Fe(NO3)3•9H2O เปนสารประกอบของ

Fe(III) ที่อยูในรูปของกรดที่มีความเสถียรสูง มีคุณสมบัติละลายน้ําไดดีและแตกตัวเปน Nitric acid กับ

Fe(III) ซึ่งในกระบวนการสังเคราะหไททาเนียมตองการไอออนของ Fe(III) เพื่อใชเปนสารเติมสําหรับ

การเกิดกระบวนการโฟโตคะตะไลติก

กลไกการเกดิโฟโตคะตะไลซิสของ TiO2 ที่มี Fe(III) เปนสารเติม

เนื่องจาก TiO2 มีชั้น Band gap ที่กวาง ดังนั้นการที่ Electron จะกระโดดจากชั้นวาเลนสแบนด

ไปสูชั้นคอนดักชันแบนดนั้นตองอาศัยพลังงานจากแสงอาทิตยที่มีความยาวคลื่นต่ํากวา 400 นาโนเมตร

ดังนั้นจึงมีการเติมสารเติมเพื่อลดความกวางของชองวางพลังงานนี้

26

รูปที่ 2.7 กลไกการเกดิโฟโตคะตะไลซิสของ TiO2 ที่มี Fe(III) เปนตัวสารเติม

จากรูปจะเห็นไดการเกิดปฎิกิริยาโฟโตคะตะไลซิสนั้นอิเล็กตรอนจะตองหลุดจากชั้นวาเลนส

แบนดขึ้นไปยังชั้นคอนดักชันแบนดแลวเกิด hole ที่ชั้นวาเลนสแบนดแตถาในกรณีที่ระดับพลังงานที่

กระตุนนั้นมีไมมากพอจะทําใหอิเล็กตรอนขึ้นไปไมถึงชั้นคอนดักชันแบนดแลวจะตกกลับมายังชั้นวา

เลนสแบนดซึ่งเรียกวา การเกิด Recombination ดังนั้น Fe(III) จะเปนตัว Trap Electron นั้นไวเพื่อไมให

เกิดการ Recombination กลับไปยังช้ันวาเลนสแบนดทําใหเกิด hole ขึ้นที่ชั้นวาเลนสแบนด (โดย hole จะ

ทําปฏิกิริยากับ hydroxyl ion (OH•) หรือโมเลกุลของน้ํา ได hydroxyl radical (OH•) ในปฏิกิริยาการสลาย

ของฟอรมัลดีไฮด ซ่ึงเกิดจากอิเล็กตรอนในชั้นวาเลนสแบนดถูกกระตุนใหกระโดดขึ้นไปยังชั้นระดับ

พลังงานที่เกิดจากการเติม Fe(III) หลังจากนั้นอิเล็กตรอนที่อยูในระดับชั้นพลังงานนี้จะถูกกระตุนให

กระโดดไปยังชั้นคอนดักชันแบนดตอไปเกิดเปนอิเล็กตรอนอิสระที่อยูในชั้นคอนดักชันแบนดนี้

(electron จะทําปฏิกิริยากับ โมเลกุลของ O2 ได oxygen radical (O2•)ในปฏิกิริยาการสลายของฟอรมัลดี

ไฮด)

2.3.1.2 ไทโอยูเรีย (Thiourea)

ไทโอยูเรีย (Thiourea) สูตรโมเลกุล CS(NH2)2 ซ่ึงเกิดพันธะคูระหวาง C กับ S ทําใหเกิด

โครงสรางโมเลกุลเปนแบบสามเหล่ียมแบนราบ จัดเปนสารประกอบท่ีมีราคาถูก และหาไดงาย ดังนั้นจึง

นิยมนํามาใชในการทําปฏิกิริยาเกี่ยวกับสารชีวโมเลกุล และเปนปุยสําหรับใชในการเกษตร ซ่ึงในการ

ทดลองนี้การเกิดปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิสของ TiO2 จะใชไทโอยูเรียเปนสารเติม ซ่ึงจัดวาเปนสารเติม

ประเภทอโลหะ ซ่ึงมีคุณสมบัติทางกายภาพดังตารางท่ี 2.2

27

ตารางที ่2.5 คุณสมบัติทางกายภาพของไทโอยูเรีย (Thiourea)

IUPAC name: Thiourea

Other names: Thiocarbamide

Properties

Molecular formula CH4N2S

Molar mass 76.12 g/mol

Appearance White solid

Density 1.405 g/mol

Melting point 182oC, 455 K, 360oF

Solubility in water Moderately soluble

รูปที่ 2.8 โครงสรางของไทโอยูเรีย (Thiourea)

(ที่มา: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thiourea)

กลไกการเกดิโฟโตคะตะไลซิสของ TiO2 ที่มี N-S เปนสารเติม

เนื่องจากไททาเนียมไดออกไซดมีชั้น Band gap ที่กวาง ดังนั้นการที่อิเล็กตรอนจะกระโดดจาก

ชั้นวาเลนสแบนดไปสูชั้นคอนดักชันแบนดไดนั้นตองอาศัยพลังงานจากแสงอาทิตยที่มีความยาวคล่ืนต่ํา

กวา 400 nm ดังนี้จึงมีการเติมตัว dope เพื่อลดความกวางของชั้น Band gap นี้

28

รูปที่ 2.9 กลไกการเกดิโฟโตคะตะไลซิสของ TiO2 ที่มี N-S เปนสารเติม

จากรูปจะเห็นวาปฏิกริิยาการเกิดโฟโตคะตะไลซิสของไททาเนียมไดออกไซดนัน้อิเล็กตรอน

จะตองไดรับพลังงานกระตุนสูงพอที่จะหลุดออกจากชั้นวาเลนสแบนด และขึ้นไปยังชั้นคอนดกัชัน

แบนดทําใหเกดิ hole ที่ชั้นวาเลนสแบนด (hole จะทําปฏิกิริยากับ hydroxyl ion (OH•) หรือโมเลกุลของ

น้ํา ได hydroxyl radical (OH•)ในปฏิกริิยาการสลายของฟอรมัลดีไฮด) ซ่ึงถาหากระดับพลังงานที่กระตุน

นั้นไมมากพอจะทําใหเกิดการตกกลับของอิเล็กตรอน ดังนัน้จึงมีการเติมตัว dope ประเภทอโลหะในการ

เกิดปฎิกริิยาโฟโตคะตะไลซิสของไททาเนียมไดออกไซดโดยไนโตรเจนซึ่งเปนธาตใุนสารประกอบไท

โอยูเรีย จะไปฟอรมพันธะกับอะตอมของไททาเนียมไดออกไซดเกิดเปนชัน้ระดับพลังงานที่อยูสูงกวาชั้น

วาเลนสแบนด ทําให band gap นั้นแคบลงซ่ึงอิเล็กตรอนในระดับชัน้พลังงานที่เกิดขึ้นใหมนี้จะถูก

กระตุนไปยังชั้นคอนดกัชันแบนดทําใหเกดิอิเล็กตรอนอิสระที่ชั้นคอนดักชนัแบนด (electron จะทํา

ปฏิกิริยากับ โมเลกุลของ O2 ได oxygen radical (O2•)ในปฏิกิริยาการสลายของฟอรมัลดีไฮด)

2.3.2 ความรูเบื้องตนของสารกึ่งตัวนํา

2.3.2.1 เวเลนซอิเล็กตรอน (Valence Electron)

เวเลนซ (Valence) คืออิเล็กตรอนที่อยูวงนอกสุด หรืออยูในชั้นของเวเลนซ (Valence Shell) ซ่ึง

โดยปกติแลวจะเรียกวาเวเลนซอิเล็กตรอน เวเลนซอิเล็กตรอนเปนคาที่แสดงคณุสมบัติทางเคมีของธาตุแต

ละชนิด ซ่ึงอิเล็กตรอนเหลานี้จะเขาไปมีสวนรวมในการเกดิปฏิกิริยาทางเคมี หลักการในการเกดิปฏิกิริยา

อยางงายอะตอมจะพยายามรวมตัวใหอิเล็กตรอนชั้นนอกสดุมี 8 อิเล็กตรอน อะตอมอาจจะมีการให

อิเล็กตรอนแกอะตอมอื่น หรือรับอิเล็กตรอนจากอะตอมอื่นเขามาเพ่ือทําใหชั้นของอิเล็กตรอนเกิดขึน้

อยางสมบูรณ กระบวนการเหลานี้ทําใหเกดิไอออนขึ้น โดยการใหหรือรับอิเล็กตรอน นอกจากนี้อะตอม

อาจจะมีการใชอิเล็กตรอนรวมกันระหวางอะตอมเพ่ือใหชัน้นอกสุดของแตละอะตอมมีอิเล็กตรอนครบ 8

อิเล็กตรอน กระบวนการนี้ทําใหเกิดพนัธะระหวางโมเลกลุ (Molecular Bond) อะตอมเหลานั้นจึงเกิดการ

รวมตัวเปนโมเลกุลขึ้น

29

Li, Na และ K เปนตัวอยางของธาตุในกลุม 1A และ Cu, Ag, และ Au เปนตัวอยางของธาตุใน

กลุม 1B ดังตัวอยางในรูปที่ 2.10 จากรูป ธาตุแตละชนิดมีเวเลนซอิเล็กตรอนเทากับหนึ่ง และอิเล็กตรอนที่

สามารถบรรจุในชั้น n= 1, 2, 3, 4 เปนดังนี้คือ 2, 8, 18, 32 ซ่ึงเปนตามสมการ 2n2 ซ่ึง n คือเลขควอนตัม

(Principle Quantum Number) เปนตัวเลขจํานวนเต็มตั้งแต n=1, 2, 3… ธาตุเหลานี้จะมีคุณสมบัติทางเคมี

คลายคลึงกัน อะตอมของธาตุเหลานี้มีความสามารถในการเปนตัวนําที่ดี และสามารถใหอิเล็กตรอนแก

อะตอมอ่ืนได 1 อิเล็กตรอน

รูปที่ 2.10 ธาตุในกลุม IA : Li, Na, and K, และธาตุในกลุม IB: Cu, Ag, and Au

(ที่มา http://sub.allaboutcircuits.com/images/03394.png)

C, Si และ Ge เปนตัวอยางของธาตุในกลุม 4A มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 4 อิเล็กตรอนดังแสดงใน

รูปที่ 2.8 และเกิดเปนสารประกอบโดยการใชอิเล็กตรอนเรียกวาพันธะโควาเลนรวมกับธาตุอ่ืนโดยไมมี

การเกดิเปนไอออนจากรูปการมีพนัธะเกิดขึ้นที่ชั้น 2-d แตในความเปนจริงพันธะจะเกิดขึ้นที่ชั้น 3-d ซ่ึง

ปรากฏการณนี้ทําใหธาตุในกลุม 4A มีคุณสมบัติเอนเอียงไปในการเปนสารกึ่งตัวนํา

รูปที่ 2.11 (a) ธาตุในกลุม IVA : C, Si และ Ge (b) การเกิดพันธะโควาเลนตโดยการใชอิเล็กตรอน

รวมกนั

30

(ที่มา: http://sub.allaboutcircuits.com/images/03397.png)

2.3.2.2 โครงสรางของสารกึง่ตัวนํา

สารกึ่งตัวนํา (Semiconductor) เกิดจากการสรางพันธะรวมกันของอะตอมแตละอะตอม

โครงสรางปกติของแตละอะตอมจะถูกลอมรอบดวยแปดอิเล็กตรอน แตละอะตอมประกอบดวยนิวเคลียส

ที่สรางขึ้นจากแกนกลางของโปรตอน (อนุภาคที่มีประจุบวก) และนิวตรอน (อนุภาคที่ไมมีประจุ) ซ่ึงถูก

ลอมรอบดวยอิเล็กตรอน โดยมีจํานวนของอิเล็กตรอนและโปรตอนเทากัน ธาตุแตละชนิดมีจํานวน

อิเล็กตรอนในอะตอมแตกตางกันแสดงดังตารางธาตุ (Periodic table) สวนหนึ่งดังรูปท่ี 2.12

รูปที่ 2.12 ตารางธาต:ุ ตัวอักษรสีน้ําเงนิแสดงธาตุที่เปนองคประกอบของสารกึ่งตวันํา

(ที่มา http://www.asdn.net/asdn/physics/images/PERI-S.gif)

อิเล็กตรอนที่ถูกบรรจุอยูในระดับพลังงานนั้นก็ขึ้นอยูกับจํานวนอิเล็กตรอนในอะตอม วัสดุสาร

กึ่งตัวนําสามารถเกิดไดทั้งในรปูของธาตุเดี่ยว ๆ เชน ซิลิกอน, เจอรเมเนียม รูปของสารประกอบ เชน แกล

เล่ียม อารเซไนด Gallium Arsenide (GaAs), อินเดียม ฟอสไฟด Indium Phosphide (INP), แคดเมียม เทล

เลอไรด Cadmium Telluride (CdTe) รูปของโลหะผสม (Alloy) เชน SixGe (1-x) หรือ AlxGa (1-x) As โดยที่

คา x เปนสัดสวนขององคประกอบธาตุนั้น ๆ และจะมีคาอยูในชวงศูนยถึงหนึ่ง รูปที่ 2.13 แสดง

โครงสรางของสารกึ่งตัวนํา

31

รูปที่ 2.13 โครงสรางแสดงพันธะโควาเลนของผลึกซิลิกอน

(ที่มา: http://www2.warwick.ac.)

อะตอมของสารกึ่งตัวนําเปนธาตุในกลุมที่ 4 ในตารางธาตุ เมื่อมีการรวมกันของธาตุในกลุมที่ 3

และ 5 เรียกวา III-V semiconductors หรือการรวมกันของธาตุในกลุมที่ 2 และ 6 เรียกวา II-VI

semiconductors ซิลิกอนเปนสารกึ่งตัวนําที่ถูกนํามาใชผลิตวงจรไฟฟา Integrated circuit (IC), เซลล

แสงอาทิตย เปนตน โครงสรางพันธะของสารกึ่งตัวนําเปนตัวกําหนดคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนํานั้นซ่ึง

สงผลตอขีดจํากัดของระดับพลังงานที่อิเล็กตรอนสามารถเขาไปบรรจุได และการเคล่ือนที่ของ

อิเล็กตรอนในโครงรางผลึก อิเล็กตรอนที่อยูลอมรอบแตละอะตอมในสารกึ่งตัวนําเปนสวนหนึ่งของ

พันธะโควาเลน พันธะโควาเลนประกอบดวยสองอะตอมที่มีการใชอิเล็กตรอนคูโดดเดี่ยวรวมกัน ในแต

ละอะตอมจะถูกลอมรอบดวยแปดอิเล็กตรอนเพื่อใหเกิดภาวะที่เสถียร อิเล็กตรอนในพันธะโควาเลนจะ

ถูกบรรจุในบริเวณนี้ดวยแรงยึดเหนี่ยวของพันธะ และถูกจํากัดอยูบริเวณรอบ ๆ อะตอม เนื่องจาก

อิเล็กตรอนเหลานี้ไมสามารถเคลื่อนยายหรือเปล่ียนแปลงพลังงานจึงไมเกิดเปนอิเล็กตรอนอิสระ และไม

สามารถสรางกระแสไฟฟาได กระบวนการดูดซึมหรือกระบวนการทางกายภาพอื่น ๆ เปนตัวอยางของ

กระบวนการที่จําเปนตองใชอิเล็กตรอนอิสระ อยางไรก็ตามอิเล็กตรอนมีการจัดเรียงพันธะใหมที่อุณหภูมิ

องศาสัมบูรณ (Absolute zero, 0 K) ที่อุณหภูมินี้อิเล็กตรอนจะมีพลังงานมากพอที่จะหลุดออกจากแรงยึด

เหนี่ยวทางพันธะเคมี และเกิดเปนอิเล็กตรอนอิสระทําใหสามารถเคลื่อนที่ภายในโครงรางผลึกไดและเขา

ไปมีสวนรวมในการนํากระแส ที่อุณหภูมิหองสารกึ่งตัวนํามีอิเล็กตรอนอิสระมากเพียงพอทําใหเกิดการ

นํากระแสได แตขณะเดียวกันที่อุณหภูมิองศาสัมบูรณสารกึ่งตัวนําจะประพฤติตัวเปนฉนวน

การเกิดพันธะ จะทําใหเกิดความแตกตางกันระหวางระดับพลังงานของอิเล็กตรอน ระดับ

พลังงานต่ําสุดเปนสภาวะที่อิเล็กตรอนยึดติดอยู อยางไรก็ตามหากอิเล็กตรอนมีพลังงานความรอนสูง

Electrons in

covalent bonds

32

พอที่จะสลายพันธะนั้นออก อิเล็กตรอนเหลานั้นก็จะกลายเปนอิเล็กตรอนอิสระ เนื่องจากอิเล็กตรอนไม

สามารถอยูระหวางระดับพลังงานทั้งสองนี้ได อิเล็กตรอนจึงตองกลับไปอยูในระดับพลังงานที่ต่ํากวา

หรืออิเล็กตรอนไดรับพลังงานเพียงพอที่จะสลายพันธะ ดังนั้นจึงมีคาพลังงานต่ําสุดที่จะใชในการสลาย

พันธะซ่ึงคาพลังงานต่ําสุดนี้คือชองวางพลังงาน (Band Gap) ของวัสดุกึ่งตัวนํา ในอุปกรณอิเล็กทรอนิกส

จํานวนมาก และพลังงานของอิเล็กตรอนจัดเปนพื้นฐานของการดําเนินงาน ชองวางที่เกิดขึ้นชวยใหพันธะ

โคเวเลนตเคล่ือนที่จากอิเล็กตรอนตัวหนึ่งไปยังตัวอื่น ๆ ปรากฏการณนี้ทําใหเกิดการเคล่ือนที่ของ

ประจุบวกผานโครงสรางผลึก ซ่ึงเราจะเรียกชองวางนี้วา โฮล (Hole) ดังรูปที่ 2.14 แสดงการเกิด

อิเล็กตรอนอิสระ และโฮล

รูปที่ 2.14 การเกิดอิเล็กตรอนอิสระ (Free electron, ) และโฮล (Hole, )

(ที่มา: http://www.asdn.net/asdn/physics/images/BOND2.gif)

2.3.2.3 ชองวางพลังงาน (Band Gap)

ชองวางพลังงาน (Band Gap, EG) ของวัสดุกึ่งตัวนําเปนคาพลังงานต่ําสุดที่ตองใชในการ

เคลื่อนยายอิเล็กตรอนจากระดับสถานะพื้น (Bound State) ไปยังระดับพลังงานอิสระ (Free State) ระดับ

พลังงานที่ต่ํากวาจะเรียกวาแถบเวเลนซ (Valence Band, EV) ซ่ึงเปนแถบที่อยูชั้นนอกสุดของระดับ

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

33

พลังงาน และระดับพลังงานชั้นที่สามารถเกิดเปนอิเล็กตรอนอิสระไดเรียกวาคอนดักชันแบนด

(Conduction band, EC) คอนดักชันแบนดเปนแถบพลังงานที่มีอิเล็กตรอนอยูไมเต็ม และสามารถรับ

อิเล็กตรอนซ่ึงถูกกระตุนจากแถบเวเลนซใหกระโดดเขามาอยูในแถบนี้ ซ่ึงแถบชองวางพลังงานอยู

ระหวางแถบพลังงานนํากระแสและแถบเวเลนซ

วัสดุจําพวกสารกึ่งตัวนํา อิเล็กตรอนที่อยูในแถบพลังงานนํากระแสเปนอิเล็กตรอนที่เคล่ือนที่ได

อยางอิสระ และเหนี่ยวนําใหเกิดการนําไฟฟาได อยางไรก็ตามการเคล่ือนที่ของอิเล็กตรอนไปยังคอนดัก

ชันแบนดทําใหเกิดการนํากระแสเพิ่มขึ้น และในขณะเดียวกันอิเล็กตรอนก็มีการเคลื่อนที่ออกจากคอนดัก

ชันแบนดดวยทําใหเกิดชองวางขึ้น ซึ่งอิเล็กตรอนที่อยูใกลเคียงสามารถเคล่ือนที่ไปยังชองวางนี้ได และ

จะทําใหเกิดชองวางใหมขึ้นมาแทนชองวางที่เกิดขึน้เรียกวาโฮล (Hole) รูปที่ 2.15 (a) เปนรูปแสดงสารกึ่ง

ตัวนําบริสุทธิ์ (Intrinsic Semiconductor) ซ่ึงเปนฉนวนไฟฟา จากรูปจะเห็นวาที่ชั้นนอกสุดของอะตอม

อิเล็กตรอนมีการใชอิเล็กตรอนรวมกัน และมีการจัดเรียงตัวอยางสมบูรณ และรูปที่ 5 (b) เมื่ออะตอม

ไดรับพลังงานจะทําใหเกิดคูของอิเล็กตรอนและโฮล ดังรูป

รูปที่ 2.15 (a) สารกึ่งตัวนําบริสุทธ์ิ (b) โฮล และอิเล็กตรอนอิสระ

(ที่มา: http://sub.allaboutcircuits.com/images/03403.png)

โฮลท่ีเกิดขึ้นจะทําใหเกิดการเคล่ือนท่ีของประจุบวกผานโครงสรางผลึก ดังนั้นการเคล่ือนที่ของ

อิเล็กตรอนไปยังแถบพลังงานนํากระแสจะทําใหเกิดอิเล็กตรอนที่คอนดักชันแบนดและเกิดชองวางใน

แถบเวเลนซดวย ซ่ึงทั้งอิเล็กตรอนและชองวางนี้สามารถชักนําใหเกิดการนํากระแสไดเรียกวาพาหะ

(Carriers) รูปที่ 2.16 เปนแผนภาพแสดงโครงสรางของแถบเวเลนซ และคอนดักชันแบนดของวัสดุกึ่ง

ตัวนํา และฉนวนไฟฟา

34

รูปที่ 2.16 Diagram of band structure of a semiconductor or insulator

(ที่มา: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/16/Electronic_band_diagram.svg/120px)

ความกวางของแถบพลังงาน ซ่ึงวัดออกมาในหนวยของพลังงานเปนตัวกําหนดชนดิของวัสดุ

ตางๆ คือวัสดุจําพวกฉนวนไฟฟา, วัสดุกึ่งตวันํา และโลหะ แถบชองวางพลังงานที่แตกตางกันระหวาง

วัสดุทั้งสามชนิดพลังงานที่แตกตางกันระหวางวัสดุทั้งสามชนิดแสดงดังรูปที ่2.17

รูปที่ 2.17 แถบชองวางพลังงานของวัสดุฉนวนไฟฟา, วัสดกุึ่งตัวนํา และโลหะ

(ที่มา: http://www2.warwick.ac.)

2.3.2.4 สารกึ่งตัวนําบริสุทธิ ์(Intrinsic Semiconductor)

สารกึ่งตัวนําบริสุทธ์ิ (Intrinsic Semiconductor) จัดเปนฉนวนไฟฟา ผลึกซิลิกอนจะแตกตางจาก

ผลึกทั่ว ๆไป ตรงที่อิเล็กตรอนวงนอกอาจหลุดไปจากตําแหนงในอะตอมเม่ืออุณหภูมิส่ิงแวดลอมสูงเกิน

35

กวาศูนยองศาสัมบูรณ (Absolute Zero) ทิ้งหลุมวาง (Hole) ไวที่ตําแหนงนั้น รอจับอิเล็กตรอนจาก

ตําแหนงอื่นท่ีอยูใกลกันดังรูปที่ 2.18

รูปที่ 2.18 อิเล็กตรอนในผลึกซิลิกอนบริสุทธ์ิ

หลุดออกไปเปนอิเล็กตรอนอิสระและทิ้งตําแหนงโฮลไว

(ที่มา: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/imgsol/intrin.gif)

ธาตุซิลิกอน มีอิเล็กตรอนวงนอก 4 ตัว ดังรูป 2.19 หากเติมสารเจือปน (Impurities) หรือที่เรียกวา

สารโดป (Dopants) ลงไปในโครงสรางผลึก จะไดคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนําที่แตกตางกันออกไปจาก

สารกึ่งตัวนําบริสุทธ์ิ

รูปที่ 2.19 อิเล็กตรอนวงนอกของธาต ุซิลิกอน

(ที่มา: http://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode1.gif)

2.3.3 การโดปสารกึ่งตัวนํา

ในทางปฏิบัติจะมกีารเติมสารอ่ืนลงไปในผลึกซิลิกอน หรือ เจอรมันเนียม เพียงเล็กนอย จะทําให

คุณสมบัติทางไฟฟาของสารกึ่งตัวนํานัน้เปล่ียนแปลงไป สภาพการนําไฟฟาของสารตวันํานัน้จะดี

36

กวาเดิมเหมาะสมกับการใชงาน โดยการเติมสาร หรือที่เรียกวาการโดป (Doping) เกิดเปนสารกึ่งตวันํา

ชนิด N (N-type Semiconductor) หรือสารกึ่งตัวนําชนิด P (P-type Semiconductor) ดังรูปที่ 2.20

รูปที่ 2.20 (a) Pentavalent impurities (อิเล็กตรอนวงนอก 5 ตัว) ทําใหเกิดสารกึ่งตัวนําชนิด N ใน

หนวยเซลของซิลิกอน มีอิเล็กตรอนอิสระเกิดขึ้นในกอนสารกึ่งตัวนํา,

(b) Trivalent impurities (อิเล็กตรอนวงนอก 3 ตัว) ทําใหเกิดสารกึ่งตัวนําชนิด P ใน

หนวยเซลลของซิลิกอน การจับคูทําใหเกิดชองวางที่ขาดอิเล็กตรอน เรียกชองวางนี้วา โฮล

(ที่มา: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/imgsol/dop.gif)

2.3.3.1 สารกึ่งตัวนําชนิด N (N-type Semiconductor)

การทําใหเกิดสารกึ่งตัวนําชนิด N (N-type Semiconductor) เกิดจากการเติมสารในกลุม 5A มี

อิเล็กตรอนวงนอก 5 ตัวเรียกวา Pentavalent Impurities เชน สารหนู (Arsenic, As) พลวง (Antimony, Sn)

หรือฟอสฟอรัส (Phosphorous, P) ลงไป อิเล็กตรอนจะถูกใชในการเกิดพันธะเพียง 4 ตัวกับอะตอม

ขางเคียงทําใหเกิดสภาวะมีอิเล็กตรอนอิสระมากกวาจํานวนของโฮล ดวยเหตุที่อิเล็กตรอนมีประจุไฟฟา

ลบและสวนใหญ เปนพาหะ โฮลเปนพาหะสวนนอยของสารจึงเรียกวาเปน สารกึ่งตัวนํา ชนิด N (N-type

Semiconductor) ซ่ึงอะตอมของธาตุเหลานี้จะใหอิเล็กตรอน 1 ตัว และเรียกอะตอมเหลานี้วา Donors

อิเล็กตรอนอิสระที่เกินออกมานี้จะทําใหอะตอมของธาตุมีประจุเปนลบ อิเล็กตรอนเหลานี้เรียกวา

Majority Carriers ขณะที่โฮลท่ีเกิดขึ้นจะเรียกวา Minority Carriers

ตัวอยางเชนการเติมสารหนูลงในผลึกซิลิกอน ดังรูปที่ 2.21 เมื่อมีการใหกระแสไฟฟาอยาง

ตอเนื่อง อิเล็กตรอนในอะตอมของซิลิกอนจะเคลื่อนที่ออกไปอยางอิสระ ขณะเดียวกันอิเล็กตรอนอิสระ

จากอะตอมของธาตุที่เติมลงไปจะเขามาแทนที่ตรงบริเวณตําแหนงโฮลที่วางอยู อยางไรก็ตามจะเกิด

อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่อยูรอบ ๆ ผลึกเชนนี้อยางตอเนื่องทําใหผลึกเกิดประจุลบขึ้น

(b)

(a)

37

รูปที่ 2.21 โครงสรางอะตอมซิลิกอนถูกโดปดวยอะตอมของพลวง


2.3.3.2 สารกึ่งตัวนําชนิด P (P-type Semiconductor)

การทําใหเกิดสารกึ่งตัวนําชนิด P (P-type Semiconductor) คือการเติมสารในกลุม 3A มี

อิเล็กตรอนวงนอก 3 ตัว (Trivalent Impurities) ลงไปในผลึกของสารนั้น เชน อลูมิเนียม (Aluminium,

Al), โบรอน (Boron, B), แกลเลียม (Gallium, Ga) หรืออินเดียม (Indium, In) จึงทําใหไมสามารถเกิด

พันธะไดครบ 4 พันธะ ทําใหเกิดสภาวะขาดอิเล็กตรอน คือการมีที่วางของอิเล็กตรอนซ่ึงก็คือโฮล

มากกวาจํานวนอิเล็กตรอนอิสระ ขณะที่มีโฮลเกิดขึ้นในผลึกของซิลิกอนอิเล็กตรอนที่อยูขางเคียงจะถูก

ดึงดูดเขามาที่โฮล และพยายามเคลื่อนที่ไปเติมที่โฮล แตอยางไรก็ตามเมื่อเกิดการเติมของอิเล็กตรอนเขา

ไปที่โฮลนั้นแลวก็จะเกิดโฮลใหมขึ้นมาแทนจากการเคล่ือนท่ีออกไปของอิเล็กตรอนเอง ดวยเหตุที่โฮลมี

สภาพเปนประจุไฟฟาบวกและเปนพาหะสวนใหญของสาร สวนอิเล็กตรอนจะเปนพาหะสวนนอย เราจะ

เรียก Trivalent Iimpurities ที่เติมลงไปวาผูรับ (Acceptors)

ตัวอยางเชนการเติมโบรอนซ่ึงโดยปกติแลวธาตุมักจะถูกนําไปใชงานมากที่สุด ดังรูปที่ 2.22

โบรอนมีอิเล็กตรอนในอะตอม 5 ตัว และมีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 3 ตัวอยูรอบ ๆ นิวเคลียสของตัวมันเอง

จึงเปนสาเหตุที่ทําใหการเติมโบรอนลงไปนั้นเปนการทําใหเกิดประจุบวกขึ้น โฮลที่เกิดขึ้นจะเรียกวา

Majority Carriers ขณะที่อิเล็กตรอนอิสระจะเรียกวา Minority Carriers ซ่ึงมีความแนนของโฮล หรือ

ตัวรับ (Acceptor Density) สูงกวาอิเล็กตรอนอิสระ หรือความหนาแนนของตัวให (Donor Density)

38

รูปที่ 2.22 โครงสรางอะตอมซิลิกอนถูกโดปดวยอะตอมของโบรอน


ตารางที่ 2.6 เปรียบเทียบชนิดของวัสดกุึ่งตัวนําระหวาง N-type และ P-type

N-type (negative) P-type (positive)

Dopant Group V (e.g.

Phosphorous) Group III (E.g. Boron)

Bonds Excess Electrons Missing Electrons (Holes)

Majority Carriers Electrons Holes

Minority Carriers Holes Electrons

Doping gives:

Negatively charged

Positively charged

Donors

Free electrons

Acceptors

Holes

Supply of energy gives:

Negatively charged

Positively charged

Free electrons

Holes

Free electrons

Holes

เมื่อใชทฤษฎีแถบความถ่ี (Band Theory) มาอธิบายการนํากระแสไฟฟาของสารกึ่งตัวนําที่โดป

แลวพบวา อิเล็กตรอนในอะตอมของสารโดป ทําใหระดับพลังงานของพันธะเพิ่มขึ้น ในสาร กึ่งตัวนํา

ชนิด N พลังงานของอิเล็กตรอนวงนอกจะอยูดานบนของแถบชองวางของพลังงาน (Band Gap) ดังนั้น

ดวยพลังงานเพียงเล็กนอยสามารถจะกระตุนใหอิเล็กตรอนมีระดับพลังงานในแถบคอนดักชันแบนด

(Conduction Cand) สวนในสารกึ่งตัวนําชนิด P โฮลซึ่งมีระดับพลังงานในแถบชองวางของพลังงาน จะ

39

ดึงอิเล็กตรอนจากแถบพลังงานของวาเลนซอิเล็กตรอนและทิ้งโฮลไวใน Valence Band ไดดังรูปที่ 2.23

และรูปที่ 2.24

รูปที่ 2.23 ระดับพลังงานของอิเล็กตรอน และโฮลในสาร N-type

(ที่มา: http://people.bu.edu/cwinrich/donor.htm)

รูปที่ 2.24 ระดับพลังงานของอิเล็กตรอน และโฮล ในสาร P-type

(ที่มา: http://people.bu.edu/cwinrich/acceptor.htm)

2.3.4 เทคนิคการสังเคราะหไททาเนียมไดออกไซด

เทคนิคที่ใชในการสังเคราะหไททาเนียมไดออกไซด ใหมีขนาดอนุภาคขนาดนาโนมีหลาย

เทคนิคดวยกัน เชน gas condensation, spray pyrolysis, sol-gel และกระบวนการ aerosol อ่ืนๆ

1) Vapor Condensation Methods การสังเคราะหอนุภาคขนาดนาโน (Nanoparticles) โดยตรง

จากไอที่อ่ิมตัวของโลหะ โดยเทคนิค gas condensation ประกอบไปดวย 2 ขั้นตอนคือ

ขั้นแรก นาโนเฟส (Nanophase) ของโลหะ เกิดการควบแนนภายใตไออิ่มตัว ซ่ึงอยูใน

บรรยากาศของกาซเฉื่อย (Inert Gas) และเก็บอนุภาคขนาดนาโน (Nanoparticles) ที่พื้นผิวที่เตรียมไวโดย

การหลอเย็นดวยไนโตรเจนเหลว

Band theory diagram for Silicon

doped with a donor impurity.

Electrons in the conduction band

of an n-type semiconductor.

Extra electron

energy levels

Extra hole

energy levels

Band theory diagram for Silicon doped

with an acceptor impurity.

Electrons occupying the new states leave

holes in the valence band of a p-type.

semiconductor

40

ขั้นสอง คือการปลอยกาซออกซิเจนเขาในเครื่องมือที่ใชตรวจวัดอนุภาคมูลฐาน (Chamber)

เพื่อใหเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation) และกระบวนการอันนีลลิ่ง (Annealing) เพื่อใหเกิด

ออกซิเดชันสมบูรณ

2) Spray Pyrolysis วิธี Spray Pyrolysis เปนวิธีท่ีนิยมใชสังเคราะหผงเซรามิคที่มีความเปนเนื้อ

เดียวกันสูง โดยเริ่มตนสารเคมีที่ใชมักจะเปนเกลือของสารละลาย โซล หรือสารแขวนลอย กระบวนการ

ที่เกิดขึ้นคือ การทําใหเกิดละอองหยดเล็กๆ ของสารตั้งตน โดยเนบูไลเซชัน (Nebulization) หรืออะตอม

ไมเซชัน (Atomization) จากนั้นหยดเล็ก ๆ นี้จะผานการระเหย โดยที่ตัวถูกละลาย (Solute) จะรวมตัวกัน

เปนหยด การทําใหแหง (Drying) และเทอโมไลซิส (Thermolysis) ของอนุภาคสารที่อุณหภูมิสูงขึ้นจะทํา

ใหเกิดอนุภาคที่เปนกลางขนาดไมโครเมตร และสุดทายคือการเผาเพื่อใหเกิดอนุภาคที่แนนขึ้น

3) Sol-Gel Technique กระบวนการโซล-เจล เปนวิธีการเติมสารละลายที่ใชเคลือบ โดยสาร

เริ่มตนที่นิยมใช คือสารจําพวกโลหะอัลคอกไซด จากนั้นนําไปทําใหแหง จึงไดเปนฟลมที่สามารถใชงาน

ได ซึ่งวิธีการโซล-เจล นี้เปนวิธีการที่งายสามารถทําไดที่อุณหภูมิต่ํา และสามารถเคลือบลงบนผิววัสดุ

ตัวกลางที่มีขนาดใหญได นอกจากนี้คาใชจายไมแพง เมื่อเทียบกับวิธีอ่ืน อีกทั้งยังใหสมบัติที่เหมาะสมใน

การใชงานแบบโฟโตคะตะไลซิสไดอีกดวย โดยจะกลาวลงในรายละเอียดอีกครั้งหนึ่งในหัวขอทฤษฎี

โซล-เจล

4) การตกตะกอน (Precipitation) การสังเคราะหผงระดับนาโนเมตร โดยวิธีการตกตะกอนเปน

วิธีที่รวดเร็ว ผลิตภัณฑที่ไดจากการสลายดวยความรอนของสาละลายที่อิ่มตัวเปนสารประกอบออกไซด

ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจะเปนการเกิดกระบวนการหลาย ๆ อยางพรอมกัน เชน Nucleation growth coarsening

และ agglomeration ผลิตภัณฑที่เกิดจาการตกตะกอนจะอยูในรูปสารละลายอิ่มตัวยวดยิ่ง เชน ในชวงการ

เกิดนิวเคลียส (Nucleation) ซึ่งจะทําใหการรวมเปนอนุภาคขนาดเล็ก กระบวนการตอมาจะเปน

Agglomeration ซึ่งจะมีการเปล่ียนแปลงขนาด โครงสราง และสมบัติของสาร ที่สภาวะอิ่มตัวสูงสุดจะเปน

ชวงที่มีการเหนี่ยวนําใหเกิดการตกตะกอน ซึ่งจะขึ้นอยูกับอัตราในการเติมสารตั้งตน อัตราการคนผสม

เพื่อควบคุมขนาดและการกระจายตัวของอนุภาค ถึงแมการตกตะกอนจะสามารถสังเคราะหอนุภาคระดับ

นาโนไดหลายประเภท แตโดยทั่วไปแลวจะใชไดดีกับสารที่มีการละลายคอนขางต่ําเพื่อจะไดเกิดการ

ตกตะกอนไดดีเมื่อถึงจุดอิ่มตัว สําหรับปฏิกิริยาในการเกิดตะกอนจะมีหลายแบบ เชน โฟโตรีดักชัน,

ออกซิเดชันและไฮโดรไลซิส ซึ่งการเปลี่ยนแปลงจะขึ้นอยูกับการละลาย อุณหภูมิ และความเขมขน

การสังเคราะหสารประกอบออกไซดของสารที่ละลายน้ําไดและสารที่ไมละลายน้ําจะเปนที่นิยม

ทํานั้นจะเปนที่นิยมทํากันมากกวาพวกสารประกอบโลหะ ปฏิกิริยาในการสังเคราะหสารประกอบ

ออกไซดนั้นแบงออกเปน 2 ประเภท คือการเกิดการตกตะกอนไดโดยไมตองใหความรอน กับแบบที่ตอง

ใหความรอนกอน ในการเกิดทั้ง 2 แบบนั้นการกระจายตัวของอนุภาคกับพวกโลหะที่จะเกิดการคลุมของ

Liquid ที่เขามาจับ หรือ Stabilizer ที่ชวยในการกําจัดพื้นผิวเพื่อปองกันการเกาะเปนกลุมกอนของอนุภาค

ซึ่งในการตกตะกอนนีจ้ําเปนตองใชการ Calcined หรือ Annealed ที่อุณหภูมิสูงเพราะที่อุณหภูมิหองจะได

41

สารที่มีโครงสรางเปนอสัญฐาน (Amorphous) ซ่ึงโดยสวนใหญ แลว ตองการโครงสรางผลึก ดังนั้นใน

การสังเคราะหจึงตองมีการเติมสารพวก Stabilizer หรือสาร

อื่น ๆ ที่ชวยไมใหเกิดการเกาะตัวรวมกันของอนุภาคขนาดนาโนเมตร

2.4 กระบวนการ Peroxo Titanic acid (PTA)

กระบวนการ Peroxo Titanic Acid (PTA) เปนวิธีการที่นยิมในการนํามาทํารวมกับกระบวนการ

Sol-gel เพื่อเตรียมไททาเนียมไดออกไซด ใหไดผลึกที่เปน Anatase Phase ซ่ึงเปนผลึกที่เกิด

กระบวนการโฟโตคะตะไลตกิไดด ีเนื่องจากขอดขีอง Anatase Phase นั่นคือ

Smaller crystalline size

Less deficient site

Higher photocatalytic activity

Better porosity

กระบวนการ Peroxo Titanic acid (PTA) เตรียมโดยการใช Titanyl Sulfate (TiOSO4) และ

แอมโมเนียเปนสารตั้งตน ซ่ึงสารละลายที่ไดจะเปนสารละลายที่ใสและได Anatase phase ของ TiO2 ซ่ึง

เหมาะแกการนําไปเตรียมชั้นฟลมไททาเนียมไดออกไซด เพื่อนําไปทํากระบวนการโฟโตคะตะไลติกตอ

ไป

2.5 โซลเจล (Sol-gel) [36]

กระบวนการผลิตดวยวิธีโซล-เจล เปนกระบวนการที่มีประโยชนหลายอยางในการผลิตเซรามกิ

แกว และโดยเฉพาะวัสดุที่ตองการความบริสุทธิ์สูง โดยทั่วไปกระบวนการโซล-เจล เปนกระบวนการ

เปล่ียนสถานะจากของเหลวที่เรียกวา “โซล” ซ่ึงสวนมากอยูในรูปของสารแขวนลอยที่มีขนาดอนุภาค

ประมาณ 0.1-1 ไมครอน เปนของแข็งที่เรียกวา “เจล” ดังในรูปที ่2.25

42

รูปที่ 2.25 การเปลี่ยนสถานะจากโซลเปนเจล

(ที่มา: http://www.centexbel.be/solgel-treatment)

2.5.1 ความหมายของคําวาโซลและเจล

โซล (Sol) คือ คอลลอยดที่เปนของเหลว เกิดจากของแข็งแขวนลอยอยูในของเหลว โดยที่โซลจะ

มีความหนาแนน อนุภาคของของแข็งมากกวาของเหลวที่อยูรอบๆ อนุภาคของแข็งที่อยูภายในของเหลว

จะมีขนาดเล็กมาก (~1-1000 nm) จนมีแรงตานทานแรงโนมถวงจึงไมมีการตกตะกอน และมีการกระจาย

ตัวอยูทั่วไป โดยที่คอลลอยดบางชนิดจะเปลี่ยนสภาพจากโซลไปเปนเจล หรือเจลไปเปนโซลไดขึ้นอยูกับ

สภาวะตางๆ เชน อุณหภูมิ

เจล (Gel) คือ คอลลอยดที่เปนของแข็งที่ เกิดจากของแข็งแขวนลอยในของเหลว ซึ่งเปน

คอลลอยดที่มีโครงสรางของของแข็งเกิดเปนโครงขายเชื่อมโยง 3 มิติ และมีความพรุนที่กระจายปกคลุม

อยูท่ัวเฟสของเหลว มีขนาดไมแนนอนขึ้นอยูกับภาชนะที่บรรจุ ถาโครงขายของของแข็งเกิดจากโซลที่

เปนอนุภาคคอลลอยด เจลที่เกิดขึ้นเรียกวา คอลลอยดเจล (Colloidal Gel) ถาโครงขายของของแข็งเกิด

จากอนุภาคที่มีขนาดเล็กกวาคอลลอยด เจลที่เกิดขึ้นเรียกวาโพลีเมอริคเจล (Polymeric Gel) เมื่อผานการ

กําจัดตัวทําละลาย (Solvents) และการทําใหแหงท่ีเหมาะสมจะทําใหไดผงของโลหะออกไซดที่มีลักษณะ

ที่ดี เนื่องจากกระบวนการเริ่มตนในหนวยนาโนเมตร และอยูภายใตปฏิกิริยาระดับนาโนเมตร ดังนั้นวัสดุ

ที่ไดจะอยูในระดับนาโนเมตร

2.5.2 สารต้ังตนในกระบวนการโซล-เจล

การเคลือบผิวดวยวิธีโซล-เจลนั้น สารประกอบตั้งตน (Precursor) สําหรับเตรียมคอลลอยดจะ

ประกอบไปดวยโลหะ (Metal) หรือโลหะผสม (Metalloid) ซึ่งถูกลอมรอบไปดวยลิแกนด (Ligand) ตาง

ๆ วิธีโซล-เจลนี้สามารถใชสารประกอบตั้งตนที่หลากหลาย ดังแสดงในตารางที่ 2.7 ซึ่งแสดงหมูลิแกนด

ที่นิยมใชมากที่สุด

ตารางที่ 2.7 หมูลิแกนดที่นิยมเปนสารตั้งตนในกระบวนการโซล-เจล (sol-gel)

43

Alkyl Alkoxy

Methyl • CH3 methoxy • OCH3

ethyl • CH2CH3 ethoxy • OCH2CH3

n-propyl • CH2CH2CH3 n-propoxy • O(CH2)2CH3

iso-propyl H3C(•C)HCH iso-propoxy H3C(•C)CHCH

n-butyl • CH2(CH2)2CH3 n-butoxy • O(CH2)3CH3

Alkyl Alkoxy

sec-butyl H3C(•C)HCH2CH3 sec-butoxy H3C(•O)CHCH2CH3

iso-butyl • CH2CH(CH3)2 iso-butoxy • OCH2CH(C

tert-butyl • C(CH3)3 tert-butyl • OC(CH3)3

Other

Acetylacetonate H3COC(•O)CH2(O•)COCH3

Acetate •OOCCH3

Dot (•) indicates bonding site, Parentheses indicate atom with available bond.

n = normal (meaning a linear chain), sec = secondary, tert = tertiary

สารอินทรียที่มักจะมีพันธะกับอะตอมของโลหะ โดยตัวอยางที่นิยมใชมากที่สุด คือซิลิกอนเต

ตระ-ทอกไซด (Silicon Tetrathoxide) หรือที่เรียกวาเตตระอีทอกซีแลน (Tetraethoxysilane: TEOS, Si

(OC2H5)4) เปนโลหะอัลคอกไซดที่นิยมใชเปนสารตั้งตน เนื่องจากสามารถเกิดปฏิกิริยากับน้ําไดอยาง

รวดเร็ว ซึ่งปฏิกิริยานี้เรียกวา ปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส (Hydrolysis) เพราะหมูอัลคอกซิล (OH-) จะจับเขากับ

อะตอมของโลหะ ดังสมการ

Si(OR)� + H�O → HO − Si(OR) � + ROH (2.9)

เมื่อ R คือโปรตอน หรือลิแกนดอื่น (ถา R คือ หมูอัลคิล, -OR คือ หมูที่อัลคอกซี่)

ปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสจะเกิดไดสมบูรณ (OR จะถูกแทนที่โดย OH-จนหมด) หรือจะเกิดเพียง

บางสวน (Partially Hydrolyzed; Si (OR)4-n (OH)n) นั้นจะขึ้นอยูกับปริมาณน้ํา และคะตะลิสตที่ใช โดย

หากเกิดกระบวนการไฮโดรไลซิสอยางสมบูรณ จะเขียนสมการได ดังนี้

44

Si(OR)� + 4H�O → Si(OH) � + 4ROH (2.10)

ทั้งนี้โมเลกุลที่เกิดไฮโดรไลซิสบางสวนจะทําใหโมเลกุลจํานวน 2 โมเลกุลสามารถเชื่อมโยงกัน

ไดดวยปฏิกิริยาควบแนน (Condensation) ซึ่งจะทําใหเกิดโมเลกุลเล็ก ๆ เชน น้ําหรือแอลกอฮอล ดัง

สมการ

(OR)�Si − OH + HO − Si (OR)� → (OR) �Si − O − Si(OR) � + H�O (2.11)

(OR)�Si − OH + HO − Si(OR) � → (OR) �Si − O − Si(OR) � + ROH (2.12)

โดยปฏิกิริยานี้จะเกิดอยางตอเนื่องทําใหไดโมเลกุลที่ประกอบดวยซิลิกอนที่ใหญขึ้นเรื่อย ๆ โดย

เรียกกระบวนการนี้วา การเกดิโพลิเมอร (Polymerization)

2.5.3 การเกิดเจล (Gel)

เจลเปนสารที่ประกอบดวยโครงสรางตอเนื่องของของแข็งปกคลุมทั่วเฟสของเหลว ซึ่งความ

ตอเนื่องของโครงสรางของแข็ง ทําใหเจลมีความยืดหยุน ซ่ึงเจลสามารถเกิดจากสารละลายได เมื่อเกิดแรง

กระทําแพรกระจายเชื่อมโยงไปยังโมเลกุลอื่นในทิศทางที่ทําใหเกิดเปนโครงรางแห โดยทั่วไปเจลจะ

ขึ้นอยูกับการรวมตัวระหวางโครงสรางของของแข็งและตัวกลางของเหลว ถาของเหลวประกอบดวยน้ํา

เปนสวนใหญจะเรียกเจลนั้นวา เอควาเจล (Aquagel) หรือไฮโดรเจล (Hydrogel) แตถาของเหลว

ประกอบดวยแอลกอฮอลเปนสวนใหญจะเรียกเจลนั้นวา อัลโคเจล (Alcogel)

การเกิดเจล (Gelatin) อาจเกิดไดจากการระเหยอยางรวดเร็วของตัวทําละลายซึ่งเกิดขึ้นในระหวาง

การเตรียมฟลมหรือไฟเบอร โครงรางของเจลจะเคลื่อนยายตอไปยังตําแหนงตาง ๆ จนเกิดการควบแนน

ตอไปเรื่อย ๆ คือมีทั้งโซล โครงรางแหของเจล และโพลิเมอรเล็ก ๆ ที่อนุภาคยังสามารถเชื่อมตอและทํา

ใหเกิดเปนโครงขายเชื่อมโยง หลังจากการเกิดเจลแลวจะเกิดการบมสาร (Aging) เพื่อใหเกิดการ

เปล่ียนแปลงโครงสรางและคุณสมบัติหลังการเกิดเจล ซ่ึงการบมสารอาจรวมถึงการเกิดการควบแนน การ

ละลายตัว และการตกตะกอนใหมของโมโนเมอรหรือโอลิโกเมอร (Oligomer)

การหดตัวของเจล (Shrinkage) อาจเกิดขึ้นไดในระหวางการสังเคราะห หรือการระเหยของ

ของเหลวในระหวางการอบแปง รวมถึงการเปล่ียนแปลงรูปรางของโครงรางแห และการไลน้ําออกจากรู

พรุน การอบแหง (Drying) ทําโดยการระเหยภายใตสภาวะปกติ จะทําใหเกิดการหดตัวของโครงสรางของ

เจลทําใหปริมาตรลดลง 5-10 เทาจากเดิม ซี่งเจลที่เกิดจากการอบแหงที่สภาวะปกติเรียกวา ซีโรเจล

(Xerogel) แตถานําเจลไปอบแหงในเครื่องอบไอน้ําความรอนสูง (Autoclave) ภายใตสภาวะเหนือวิกฤต

(Supercritical Condition) ซึ่งไมมีชั้นผิวสัมผัสระหวางของเหลวและไอน้ํา ดังนั้นจึงไมมีแรงดันคาปลารี

(Capillary Pressure) ทําใหเกิดการหดตัวเพียงเล็กนอยของเจล ผลิตภัณฑที่ไดจากการอบแบบนี้เรียกวา

45

แอโรเจล (Aerogel) ซ่ึงไดจากของแข็งที่มีขนาดเล็กลงประมาณ 1 เปอรเซ็นต ขั้นตอนของวิธีโซล-เจล

สามารถสรุปไดดังรูปที่ 2.26

รูปที่ 2.26 กระบวนการโซลเจล

(ที่มา: http://phys.suwon.ac.kr/~jgyoon/lab)

2.5.4 วิธีการทําโซล-เจล

ขั้นตอนแรกของวิธกีารทําโซล-เจล คือการเลือกสารตั้งตนสําหรับผลิตวัสดุที่ตองการ ซึ่งสารตั้ง

ตนจะนําไปสูการเกดิเปนอนุภาคคอลลอยด (Colloidal Gel) หรือ โพลิเมอริกเจล (Polymeric Gel) ซ่ึงใน

ปจจุบันมกีารผสมสารตาง ๆ ลงไปกับสารตั้งตน เพื่อใหไดผลิตภัณฑที่ใชไดหลากหลายมากขึ้น อนภุาค

คอลลอยด หรือโพลิเมอริกเจลที่เกิดขึ้นสามารถนําไปทําใหเกิดการตกตะกอน และดําเนินการดวยวิธีใด

วิธีหนึ่งตามเทคนคิกระบวนการที่เหมาะสม เชน การอัดดวยความเย็น การอัดดวยความรอน และการเพิ่ม

ความหนาแนนหรือลดรูพรุนโดยวิธกีารเผา (Sintering) เพื่อผลิตเซรามิคที่ตองการอนุภาคคอลลอยด หรือ

โพลิเมอริกเจลจะกระจายอยูในโซลที่เสถียรกอนี่จะเปล่ียนแปลงไปตามเทคนิควิธกีารตาง ๆ ในการทํา

เปนสารเคลือบวัสดุตอไป

2.5.5 ตัวเรงปฏิกิริยาในกระบวนการโซล-เจล

46

ตัวเรงปฏิกิริยาที่ใชในการเตรียมสารละลายในกระบวนการโซล-เจล แบงออกเปน 2 ประเภท

คือ การใชกรดเปนตัวเรงปฏิกิริยา และการใชเบสเปนตัวเรงปฏิกิริยา ซึ่งท้ังสองสภาวะนี้สงผลตอการเกิด

เจลที่แตกตางกัน

สภาวะที่ใชกรดเปนตัวเรงปฏิกิริยา ในสภาวะนี้อัตราการเกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสจะเร็วกวาปฏิกิริยาการ

ควบแนน โดยในการเกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสและการควบแนนจะนําไปสูการขยายตัวของโพลิเมอรสาย

โซตรง และโพลิเมอรที่มีโซกิ่ง ดังรูปที่ 2.27 ซ่ึงการเกิดเจลจะเกิดขึ้นเมื่อโพลิเมอรที่กําลังขยายตัวมีการ

พันกัน และเกิดพันธะขามระหวางสายโซ และกรดจะเปนตัวชวยทําใหอนุภาคของโลหะอัลคอกไซดมี

การกระจายตัวอยางสม่ําเสมอ ซ่ึงกรดที่เลือกมาใชเปนตัวเรงปฏิกิริยานั้นมีหลายชนิดดวยกัน เชน กรด

ไฮโดรคลอริก กรดไนตริก เปนตน

รูปที่ 2.27 กลไกการเกดิปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสในสภาวะทีใ่ชกรดเปนตัวเรงปฏิกิรยิาของ TEOS

(ที่มา: http://www.tkc.go.th/thesis/abstract.asp?item_id=9922)

สภาวะที่ใชเบสเปนตัวเรงปฏิกิริยา ในสภาวะนี้อัตราการเกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสจะเกิดชากวา

ปฏิกิริยาการควบแนน จะทําใหเกิดกลุมของโพลิเมอรที่เปนสายโซกิ่ง (Branched Polymeric Cluster) ดัง

รูปที่ 2.28 และเจลจะเกิดขึ้นเมื่อมีการตอเช่ือมกันระหวางกลุมโพลิเมอร

รูปที่ 2.28 กลไกเกิดการปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสในสภาวะทีใ่ชเบสเปนตัวเรงปฏิกิริยาของ TEOS

47

(ที่มา: http://www.tkc.go.th/thesis/abstract.asp?item_id=9922)

กลาวโดยสรุป วิธีโซล-เจลเปนเทคนิคที่เตรียมเซรามิคหรือแกว มีขอดีและขอเสียหลายประการ

ดังแสดงในตารางที่ 2.8

ตารางที่ 2.8 ขอดีและขอเสียของวิธีโซล–เจล

ขอด ี ขอเสยี

1) ไดโครงสรางเอกพนัธ (Homogeneity)

2) ไดผลิตภัณฑที่มคีวามบริสุทธ์ิสูง

3) ทํางานที่อุณหภูมิต่ํา

3.1 ประหยัดพลังงาน

3.2 ไมเกิดปฏิกิริยาขางเคียง

4) ไดของแข็งอสัญฐานชนิดใหม

5) ไดของแข็งที่มีโครงสรางผลึกชนดิใหม

6) ไดเจลท่ีมีคุณสมบัติจําเพาะ

1) เกิดการหดตัวมากระหวางกระบวนการผลิต

2) เกิดชองวางขนาดเล็กในโครงสราง

3) สารละลายอินทรียบางชนิดเปนอันตราย

4) ใชเวลานาน

5) สารเคมีมีราคาสูง

2.5.6 การเคลือบแบบหมุนเหวี่ยง (Spin Coating)

การเคลือบแบบหมุนเหวี่ยงเปนวิธกีารเคลือบที่นิยมใชในการผลิตฟลมบาง โดยกระบวนการ

หยดสารเคลือบ ซึ่งอยูในภาวะที่เปนของเหลวลงบนจุดศนูยกลางของวัสดุฐาน และเหวี่ยงดวยความเร็วสูง

(600 รอบตอนาท)ี ความเรงสูศูนยกลางทําใหสารเคลือบกระจายไปทั่วแผนรอง สุดทายจะเกิดฟลมบาง

เคลือบบนวัสดุฐาน ความหนาและสมบัติอื่น ๆ ของฟลมบางจะขึ้นอยูกับคณุสมบัติของสารเคลือบ เชน

ความหนืด อัตราการทําใหแหง (Rate of Drying) เปอรเซ็นตของแข็งและแรงดึงผิว (Surface Tension)

ปจจัยที่มีผลตอความหนาฟลมในกระบวนการหมุนเหวี่ยงคือ ความเรว็ของการหมุน เวลาในการหมุน

ปริมาณของสารเคลือบ จากกราฟรูปที ่2.29 จากความสัมพันธระหวาง ความหนาฟลมกับความเร็วในการ

หมุนและเวลาในการหมุน โดยความหนาฟลมจะบางลงเมื่อความเร็วและเวลาในการหมนุมากขึ้น และ

ฟลมที่หนาจะมีความเรว็ในการหมุนสูง เวลาในการหมุนนอย และปริมาณของสารเคลือบมาก

48

รูปที่ 2.29 ความสัมพันธระหวางความหนาของฟลมกับความเรว็ เวลา

และปริมาตรของสารละลายที่ใชในการหมุน

2.6 ฟอรมัลดีไฮด (Formaldehyde) [37, 38, 39, 40]

ฟอรมัลดีไฮด (Formaldehyde) หรือท่ีรูจักกันในชื่อ ฟอรมาลีน สูตรทางเคมี คือ CH2O เปนสาร

กันเสียที่มีสวนผสมใน เครื่องสําอาง แชมพู น้ํายาเคลือบเล็บ น้ํายาบวนปาก ยาระงับกล่ินผา นอกจากนั้น

แลว สารฟอรมัลดีไฮดพบมากในที่อยูอาศัย เนื่องจากเปนสารที่อยูในกาวและสารเคลือบเฟอรนิเจอรไม

ไมอัด และไมแปรรูปอื่นๆ ซ่ึงใชเปนวัสดุกอสราง รวมไปถึงสีทาบานบางชนิด โดยทั่วไปจะมีความ

เขมขน 37% w/v ของ Formaldehyde ซึ่งจัดเปนของเหลวที่ไมมีสีมีกลิ่นฉุนใชสําหรับฆาเชื้อ, ดับกลิ่น, ใช

Fixative เนื้อเยื่อ, ใชเปนน้ํายาดองศพและสามารถสลายไดดวยความรอนเปน Formaldehyde ซึ่งเปนไอใช

เปนสารรมควัน (Fumigant) สําหรับกําจัดแมลงในโกดังเก็บของ คุณสมบัติทางกายภาพของฟอรมัลดีไฮด

(Formaldehyde) เปนไปดังตาราง 2.9

49

ตารางที ่2.9 คุณสมบัติทางกายภาพของฟอรมัลดีไฮด (Formaldehyde)

IUPAC name : methanal

Other names : formol, methyl aldehyde, methylene oxide, methanal,

methylene glycol

Properties

Molecular formula CH2O

Molar mass 30.03 gmol-1

Appearance Colorless gas

Density 1.38 g/l

Melting point -92 °C (pure) ,

-15 °C (37% solution)

Boiling point -21 °C (pure) ,

96 °C (37% solution)

Solubility in water Very high

รูปที่ 2.30 โครงสรางของฟอรมัลดีไฮด (Formaldehyde)

(ที่มา: http://en.wikipedia.org/wiki/Formaldehyde)

50

2.6.1 อันตรายตอสุขภาพอนามัย

สัมผัสทางหายใจ

- การหายใจเขาไป สารนี้มีฤทธิ์กัดกรอน ทําใหเกิดอาการไอ เจ็บคอ และหายใจ ติดขัด

สัมผัสทางผิวหนัง

- การสัมผัสถูกผิวหนัง สารนี้มีฤทธิ์กัดกรอน ทําใหเปนผืน่แดง ปวดแสบปวดรอน และ

ผิวหนังไหม

กินหรือกลืนเขาไป

- การกลืนหรือกนิเขาไป สารนี้มีฤทธิ์กัดกรอน ทําใหเจ็บคอ ปวดทอง และทองรวง

สัมผัสถูกตา

- การสัมผัสถูกตา สารนี้มีฤทธิ์กัดกรอน ทําใหตาแดง เจ็บตาและทําใหการมองเห็นไม

ชัดเจน

การกอมะเร็ง ความผดิปกต,ิอื่น ๆ

- สารนี้ทําใหการกอใหเกิดมะเร็ง

- สารนี้มีฤทธ์ิกัดกรอนตอตา ผวิหนัง และระบบทางเดินหายใจ การหายใจเขาไป ทําให

ปอดอักเสบ การกลืนหรือกินเขาไปทําลายตับและไต การสัมผัสสารเปนเวลานาน ทําใหผิวหนังผิดปกต ิ

กอใหเกดิเนื้องอก มีผลทําลายตับ ไต หัวใจ อาจเปนสารเปลี่ยนแปลงพันธุกรรม

2.6.2 ปฏิกิริยาการสลายของฟอรมัลดีไฮด (Formaldehyde Degradation)

ในการเกิดปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิสสลายฟอรมัลดีไฮดจะเกิด OH• Radical จากไททาเนียมได

ออกไซด จากนั้น Radical เกิดปฏิกิริยา Oxidation กับ CH2O กลายเปน CO2 + H2O ซึ่งมีกลไกการ

เกิดปฏิกิริยาดังตอไปนี้

ขั้นตอนที่ 1 ไททาเนียมไดออกไซดไดรับพลังงานจากแสง ทําใหอิเล็กตรอนถูกกระตุนจากวาเลนซแบนด

ไปยังคอนดกัชันแบนด ทําใหเกิดโฮลที่วาเลนซแบนด และอิเล็กตรอนจะอยูที่คอนดกัชันแบนด ตาม

สมการที่ 2.13

TiO2 h+ + e- (2.13)

ขั้นตอนที่ 2 โฮลจะทําปฏิกิริยากบั hydroxyl ion (OH•) หรือโมเลกุลของน้ําได hydroxyl radical (OH•)

ในขณะที่อิเล็กตรอนจะทําปฏิกิริยากับโมเลกุลของ O2ได oxygen radical (O2•) ตามสมการที่ 2.14 และ

2.15

hv

51

h+ + OH- OH• (2.14)

e- + O2 O2- (2.15)

ขั้นตอนที่ 3 Formaldehyde จะทําปฏิกิริยากับ hydroxyl ions (OH•) ได CHO• radical และน้ํา

ตามสมการที ่2.16

HCHO + OH• HCO• + H2O (2.16)

ขั้นตอนที่ 4 CHO• radical จะทําปฏิกิริยากับ hydroxyl ions (OH•) ไดกรด Formic Acid (HCOOH)

ตามสมการที่ 2.17

HCO•+ OH• HCOOH (2.17)

ขั้นตอนที่ 5 Formic Acid (HCOOH) จะทําปฏิกิริยา Redox กับโฮลของ TiO2ได CO2กับ H2O

ตามสมการที ่2.18

HCOOH + 2h+ CO2 + 2H+ (2.18)

2.7 การตรวจสอบคุณสมบัติทางกายภาพของสาร [41, 42, 43, 44, 45, 46]

2.7.1 กาซโครมาโตกราฟ (Gas Chromatography)

52

รูปที่ 2.31 เครื่องกาซโครมาโตกราฟ

(ที่มา: http://www.gclctoronto.com/gc.htm)

กาซโครมาโตกราฟ (Gas Chromatography) เปนเทคนิคการแยกสารเนื้อเดียวออกจากกัน โดย

อาศัยหลักการที่วาสารแตละชนิดมีความสามารถในการละลายและถูกดูดซับตางกัน จึงทําใหสารแตละ

ชนิดแยกออกจากกันไดโดยตัวอยางที่จะนําเขาสูระบบจะตองสามารถระเหยกลายเปนไอไดและมีความ

เสถียรเมื่อถูกความรอน ตัวอยางที่เปนไอจะถูกพาดวยกาซเฉื่อย (Mobile Phase) ไปยังคอลัมน (Stationary

Phase) เพื่อทําการแยกสารออกจากกัน สารที่แยกไดจะถูกบันทึก เพื่อทําการวิเคราะหตอไป

A

BC

D

E

Abundance

A

B C

E

53

รูปที่ 2.32 การตรวจพบสารในเครื่องกาซโครมาโตกราฟ

(ที่มา: http://www.gclctoronto.com/gc.htm)

2.7.1.1 ชนิดของกาซ โครมาโตกราฟ

สามารถแบงไดเปน 3 ชนิดตามชนดิของ Stationary Phase ดังนี ้

1. Gas-Liquid: Stationary Phase เปนของเหลวที่ถูดดูดซับอยูบนของแข็ง

2. Gas-Solid: Stationary Phase เปนของแข็งมกัใชวิเคราะห Atmospheric Gases (O2, N2, Ar, CO2, H2S,

CO)

3. Gas-Bonded Phase: Stationary Phase เปนสารอินทรียที่สรางพันธะกับพื้นผิวของแข็ง

2.7.1.2 ปจจัยที่มีผลตอการแยกสาร

1. Flow Rate ของ Carriergas (Mobile phase)

2. อุณหภูมิที่สารตัวอยางจะระเหยเปนไอ

3. Polarity ของคอลัมน

4. ชนิดของ detector

2.7.2 สวนประกอบของเครื่อง

GC

Time (minute)

D

Gas Chromatogram

54

องคประกอบหลักที่สําคัญของเคร่ือง GC

รูปที่ 2.33 องคประกอบของเครื่องกาซโครมาโตกราฟ

(ที่มา : http://www.kmitl.ac.th/sisc/GC-MS/main.html)

1) ถังกาซท่ีใชบรรจกุาซตัวพา (Carrier Gas) เพื่อจะพาไอของสารตัวอยางผานเขาไปยังคอลัมน

กาซตัวที่นิยมใชกันไดแก ไนโตรเจน ฮีเลียม และอารกอน เปนตน

2) สวนที่ใชควบคุมการไหลของกาซตางๆ (Flow Controller) ไดแก ไฮโดรเจน อากาศ และ

ไนโตรเจนเปนตน

3) สวนที่สารผสมตัวอยางจะถูกฉีดเขาสูเครื่องมือ (Injector) และระเหยกลายเปนไอกอนที่จะ

เขาสู Column อุณหภูมิที่เหมาะสมของ Injector ควรเปนอุณหภูมิที่สูงพอที่จะทําใหตวัอยางระเหยไดแต

ตองไมทําใหสารสลายตัว เชน Split, Splitless Injector, On Column Injector เปนตน

4) คอลัมน (Column) เปนสวนที่สําคัญที่สุดทีใ่ชสําหรับแยกสาร หมายถึงทอแกวหรือโลหะท่ี

บรรจุสาร (packing material) หรือเฟสคงที่เรียบรอยแลว

5) เครื่องตรวจวัด (Detector) เปนสวนที่ใชสําหรับตรวจวัดสารแตละชนิดที่ถูกแยกออกมาจาก

คอลัมน มีหลายชนิดตามความเหมาะสมดังนี ้

Flame Ionization Detector (FID) เหมาะสําหรับตรวจวดัสารท่ีมี C-H bonds ใน

โมเลกุลหรือที่เรียกวาเปนสารอินทรีย (Organic compounds)

Thermal Conductivity Detector (TCD) มี Filament ที่มีการใหกระแสไฟฟาคงท่ี และ

จะเปรียบเทียบการเปล่ียนแปลงของกระแสไฟของ Filament ใน Reference Cell และ Sample Cell การ

เปล่ียนแปลงนี้จะมีความสัมพันธกับ คาสัมประสิทธ์ิการนําความรอนของสารที่ตองการวิเคราะหกับคา

สัมประสิทธ์ินําความรอนของ Carrier Gas ทําให Detector ชนิดนี้สามารถตรวจสอบสารไดทกุชนิด

ยกเวนตัวกาซ ที่ใชเปน carrier gas

Nitrogen Phosphorous Detector (NPD) เปนเครื่องตรวจวดัที่ใชตรวจวัดเฉพาะ

สารอินทรียที่มีไนโตรเจน (N) หรือฟอสฟอรัส (P) เปนองคประกอบ โดยสารตัวอยางจะถูกเผาใน Plasma

55

ที่เกิดจาก Rubidium Bead ที่ถูกกระตุนดวยไฮโดรเจน (H) และอากาศทําใหสารที่มีไนโตรเจน (N) หรือ

ฟอสฟอรัส (P) กลายเปนไอออน

Flame Photometric Detector (FPD) สารที่มีซัลเฟอร (S) หรือฟอสฟอรัส (P) ใน

องคประกอบเมื่อถูกเผาใน Hydrogen/Air Flame จะใหแสงในชวงคลื่นเฉพาะ แสงนี้จะผาน

Monochromatic Filter ไปยัง Photomultiplier Tube เพื่อทําการตรวจวดั

Electron Capture Detector (ECD) เปน Detector เฉพาะที่ใชวดั Electrophilic

Compounds อยางเชน Halogens, Nitrates และ Conjugated Carbonyls หลักของ Detector นี้คือ 63Ni จะ

เปนตัวใหอิเล็กตรอนเมื่อมีกระแสไฟฟา เมื่อสารที่เปน Electrophilic Compounds เขาไปจับกับอิเล็กตรอน

ทําใหมีการเปล่ียนแปลงของกระแสในการวัด

6) ตูควบคุมอุณหภูมิ (Oven) คือ สวนที่ใชสําหรับบรรจุ Column และเปนสวนที่ควบคุมอุณหภูมิ

ของ Column ใหเปล่ียนไปตามความเหมาะสมกับวิธกีารทีต่องการวิเคราะหสารผสม การควบคุมอุณหภูมิ

ของ Oven นั้นมี 2 แบบ คือ แบบอุณหภูมิคงที่ (Isothermal) จะใชอุณหภูมิเดียวตลอดการวิเคราะห และ

แบบ Temperature Program จะสามารถเปล่ียนอุณหภูมิไดในระหวางการวิเคราะห มักจะนิยมใชกับสาร

ผสมที่มีชวงของจุดเดือดกวาง ทําให Chromatogram ที่ไดมี Peak Shape ไม Broad และยังชวยลดเวลาใน

การวิเคราะห

7) สวนที่ใชประมวลผลและขอมูลตาง ๆ ไดแก อินทิเกรเตอร (Integrator) เครื่องบันทกึโครมา

โต-แกรม (Chromatogram Recorder) ดาตา โปรเซสเซอร (Data Processor) หรือคอมพิวเตอร (Computer)

ลักษณะการทํางานของเครื่องกาซโครมาโตกราฟ เริ่มจากการเลือกสภาวะตาง ๆ ในการวิเคราะห

และจัดสภาวะของเครื่องโครมาโตกราฟใหพรอม ฉีดสารตัวอยางเขาที่อินเจคเตอร สารจะกลายเปนไอ

แลวถูกพาเขาไปในคอลัมนดวยกาซตัวพาอยางชาๆ สารผสมจะถูกแยกออกเปนสวนๆ ที่บริเวณคอลัมน

แลวออกไปสูดีเทคเตอรเกิดสัญญาณซ่ึงเครื่องบันทึก (Recorder) จะแสดงออกมาในรูปโครมาโตแกรม

หรือตอเขาเครื่องพิมพ (Printer) หรือเครื่องอินทิเกรเตอร ทําใหผูวิเคราะหสามารถทราบองคประกอบของ

สารตัวอยางได

2.7.2 Ultraviolet- Visible

Spectroscopy (UV- VIS)

56

รูปที่ 2.34 เครื่อง UV-Vis Spectrophotometer

(ที่มา : http://www.barascientific.com/products/shimadzu/analytical/spectro.html)

UV-Vis Spectrophotometer เปนเครื่องมือที่ใชในการตรวจวัดปริมาณแสงในชวง Ultraviolet

(ความยาวคล่ืน 10 – 380 นาโนเมตร) และชวง Visible (ความยาวคล่ืน 380 – 700 นาโนเมตร) โดย

ตัวอยางท่ีวางอยู ในเครื่องมือ ความยาวคล่ืนแสงจะมีความสัมพันธกับปริมาณและชนิดของสารที่มีอยูใน

ตัวอยางซ่ึงโดย สวนใหญ จะเปนสารอินทรียสารประกอบเชิงซอนและสารอนินทรียที่สามารถดูดกลืน

แสงในชวงความยาวคล่ืนเหลานี้ไดเครื่อง UV-Vis Spectrophotometer ในปจจุบันไดรับการพัฒนาใหมี

ขนาดที่เล็กลง มีความไวมากขึ้น ใหผลลัพธที่ถูกตองแมนยํามากยิ่งขึ้น รวมไปถึงการพัฒนาโปรแกรมที่

ใชควบคูกันกับเครื่องมือในการวิเคราะหและการพวงตอดวยเทคนิคอื่นๆทําใหสามารถนําไปใชงานได

กวางขึ้น

เมื่อทําการวัดปริมาณ ของแสงที่ผานหรือสะทอนมาจากตัวอยางเทียบกับแสงจาก แหลงกําเนิด ที่

ความยาว คลื่นคาตางๆตามกฎของ Beer-Lambert คาการดูด กลืน แสงหรือคา ฤAbsorbance ของสารจะ

แปรผัน กับจํานวนโมเลกุลที่มีการดูดกลืนแสง ดังนั้นจึงสามารถระบุชนิดและปริมาณของสารที่มีอยูใน

ตัวอยางได

57

รูปที่ 2.35 อิเล็กตรอนภายในโมเลกุลมกีารเปลี่ยนระดับชั้นพลังงานเม่ือไดรับพลังงานเพียงพอ

(ที่มา : http://www.mwit.ac.th/~sarawoot/chem40235.htm)

ตารางที ่2.10 ความสัมพันธของสีและการดูดกลืนแสง

Wavelength of absorbance

maximum (nm) Color absorbed Color Remaining

380-420 Violet Green-yellow

420-440 Violet-blue Yellow

440-470 Blue Orange

470-500 Blue-green Red

500-520 Green Purple

520-550 Yellow-green Violet

550-580 Yellow-green Violet-blue

580-620 Orange Blue

620-680 Red Blue-green

680-780 Purple Green-yellow

รูปที่ 2.36 แสดงไดอะแกรมของ Optical System ภายในเครื่อง UV-Visible Spectrophotometer

ซึ่งประกอบดวยแหลงกําเนดิแสง 2 ชนิดคือ Deuterium (D2) Lamp ซึ่งใหคลื่นแสงในชวง UV และ

Tungsten (W) Lamp ซึ่งใหคลื่นแสงในชวง Visible หลักการทํางานเมื่อแสงจากแหลงกําเนิดแสงตก

กระทบที ่Mirror1 ลําแสงจะผานไปยัง Slit และไปตกกระทบที่ Diffraction Grating ซึ่งอุปกรณชนดินี้จะ

ถูกออกแบบใหสามารถหมุนเพื่อเลือกความยาวคลื่นแสงที่เฉพาะเจาะจง หลังจากนั้น Monochromatic

Light (แสงซึ่งมีความยาวคลื่นเดียว) จะผานไปยัง Slit และ Filter จะทําหนาที่กรองแสงที่รบกวนออก

จากนัน้ลําแสงจะตกกระทบ Mirror 2 กอนที่จะสะทอนและแบงออกเปนสองสวนโดย Half Mirror โดย

ครึ่งหนึ่งของลําแสงจะสะทอนจะผานไปยัง Reference Cuvette

58

รูปที่ 2.36 แผนผังสวนประกอบของเครื่อง UV-Vis spectrophotometer

(ที่มา : http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/Spectrpy/UV-Vis/uvspec.html)

การวิเคราะหเชิงคุณภาพ/ปริมาณ

โดยหลักการแลว สเปคตรัมซ่ึงเกิดจากการดูดกลืนแสง ในชวงรังสียูวี และ แสงขาว ของสาร

ตัวอยาง จะแสดงคุณสมบัติเฉพาะของสารนั้นๆ ทําใหสามารถ นําไป ใช วิเคราะห สาร ชนิดตางๆ ได แต

ทั้งนี้การวิเคราะหดวยเทคนิคนี้ เทานั้น จะใหผล ไดเพียง คราว ๆ เพราะลักษณะของสเปคตรัมของสาร

แตละ ชนิดที่ไดจะมี ความ กวาง มาก และยังมีรายละเอียด อีกเยอะจึงตอง ใชเทคนิค อื่นๆ รวมวิเคราะห

ดวย สําหรับการวิเคราะหสารในเชิงปริมาณดวยเทคนิค UV-Vis Spectroscopyสามารถทําไดโดยใช

วิธีการ ทํากราฟ มาตรฐาน ระหวางคา Absorbanceและ คาความเขมแสง ดังนั้น เมื่อ สามารถ วัดคา

Absorbance ของสาร ไดก็ สามารถ หาปริมาณของสาร ที่จะวิเคราะห ไดจากกราฟ

ในการวิเคราะหเชิงปริมาณของเทคนิคนีอ้าศัยหลักการวิเคราะหตามกฎของ Beer-Lambert's Law

ซ่ึงปริมาณความเขมขนของสารตัวอยางในสารละลายจะเปนสัดสวนโดยตรงกับคาการดูดซับ

(Absorbance) ของสารละลายนั้น ดังสมการ

A=εbc (Absorbance A = constant x path length x concentration) (2.13)

เมื่อ A = คาการดูดกลืนแสง

ε = molar absorptivity (L.mol-1.cm-1)

b = path length

c = ความเขมขนของสารที่นํามาวิเคราะห (mol.L-1)

59

รูปที่ 2.37 ความสัมพันธระหวางความเขมขนของสาร

ที่ตองการวิเคราะหและคาการดูดกลืนแสง

(ที่มา : http://faculty.uml.edu/james_hall/84124/15.html)

เมื่อทําการวัดปริมาณของแสงที่ผานหรือสะทอนมาจากตัวอยางเทียบกับแสงจาก แหลงกําเนิด ที่

ความยาว คลื่นคาตางๆตามกฎของ Beer-Lambert คาการดดู กลืน แสงหรือคา absorbance ของสารจะแปร

ผัน กับจํานวนโมเลกุล ที่มีการ ดดูกลืนแสง ดังนัน้จึงสามารถระบุชนิดและปริมาณ ของสารที่มีอยูใน

ตัวอยางได ดังรูปที่ 2.38

รูปที่ 2.38 ตัวอยางกราฟที่ไดจากการวดัตรวจสารดวยเครื่อง UV-Vis Spectrophotometer

(ที่มา : http://share.psu.ac.th/blog/aym2/1124)

concentration

60

รูปที่ 2.39 แผนผังสวนประกอบของเครื่อง UV-Vis spectrophotometer แบบลําแสงเดี่ยว

(ที่มา: http://www.mwit.ac.th/~sarawoot/chem40235.html)

องคประกอบสําคัญของเครื่อง UV-Vis Spectrometer

1. Source หรือแหลงกําเนิดแสงซ่ึงใหกําเนิดแสงในชวง UV และ Visible โดยแหลงกําเนิดแสง

ในชวง UV ไดแก Deuterium หรือ Hydrogen Lamps ซ่ึงจะใหแสงในชวง 160 - 375 นาโนเมตร สวน

แหลงกําเนิดแสงในชวง Visible จะนิยมใช Tungsten Filament Lamp หรือ Tungsten/Halogen Lamp ซ่ึง

จะใหแสงในชวง 350 – 2500 นาโนเมตร

2. Monochromator (Wavelength Selector) ทําหนาที่แยกลําแสงจากแหลงกําเนิดแสง โดยแสง

จะผานเขาที่ Entrance Slit และจะถูกแยกดวย Grating หรือ Prism จากนั้นแสงที่ความยาวคลื่น

ใด ๆ เทานั้นจะออกจาก Monochromator โดยผานทาง Exit Slit

3. Sample Sontainer (Cuvette) เปนอุปกรณสําหรับใสตัวอยางที่ตองการจะวิเคราะหโดยจะตอง

มีลักษณะโปรงแสง วัสดุที่นิยมใช ไดแก Quartz หรือ Fused Silica นิยมใชในการวิเคราะหในชวง UV

และวัสดุที่เปน Silicate Glasses จะนิยมใชในการวิเคราะหชวง Visible

4. Detector เปนอุปกรณสําหรับตรวจวัดแสงที่ผานสารตัวอยางออกมาโดย Detector ที่ใชมี

หลายชนิด ไดแก

Photomultiplier Tube เปน Detector ที่ไวตอแสงทั้งในชวงอัลตราไวโอเลตและชวงแสงที่

มองเห็นโดยสามารถตรวจวัดไดอยางรวดเร็ว และตรวจวัดสารที่มีปริมาณต่ํา ๆ ไดดี ในชวงความยาวคลื่น

190 – 900 นาโนเมตร

Photodiode Array Detector เปน Detector ที่สามารถตรวจวัดในทุกความยาวคล่ืนของแสงได

ในเวลาเดียวกัน โดยมีราคาถูกและตรวจวัดไดตั้งแตชวง 190 – 1100 นาโนเมตร

นอกจากการวิเคราะหในรูปสารละลายแลว เทคนิคนี้ก็ยังสามารถประยุกตใชในการวิเคราะห

ตัวอยางในรูปของแข็งไดอีกดวย เชน การตรวจสอบวัสดุพอลิเมอร เชน พลาสติก กระจก แกว ผา การ

61

ตรวจสอบเพชร พลอย การวิเคราะหทางดานโปรตีน DNA, RNAการวิเคราะหดานสี ดานอาหารและดาน

ส่ิงแวดลอม เปนตน

2.7.3 เคร่ือง Spin Coating

รูปที่ 2.40 เครื่อง Spin Coating (ที่มา: หอง Clean Room มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกลาธนบุรีวิทยาเขตบางขุนเทียน)

เครื่อง Spin Coating เปนเครื่องมือที่ใชในการเคลือบฟลมบางที่เราสังเคราะหขึ้นบนแผนกระจก

โดยใชสภาวะภายใตสุญญากาศ ซ่ึงมี Vacuum Pump เปนตัวที่ทําใหเปนสุญญากาศ ดังรูปที่ 2.40 ในการ

เคลือบสารนั้น จากนั้นนําสารใสลงบนแผนกระจก และทําการปรับคาตาง ๆ เชน ความเร็วรอบ, Step ที่ใช

ในการเคลือบสาร ซ่ึง Step ที่ใช นั้นมีสองแบบ คือ

Step ที่ 1 เปนการทําใหสารที่เคลือบนัน้ กระจายทั่วทั้งแผน

Step ที่ 2 เปนการทําใหสารที่ไดจาก Step 1 เกิดการเคลือบอยางสม่ําเสมอทั่วทั้งแผน (Uniform)

รูปที่ 2.41 vacuum pump

(ที่มา: หอง Clean room มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกลาธนบุรีวิทยาเขตบางขุนเทียน)

62

โดยในการทดลองครั้งนี้เลือกใชเพียง Step ที่ 1 เพียงอยางเดียว เพราะสารมีความหนืดไมมาก ใช

เพียง Step เดียว ก็ทําใหสารกระจายทั่วทั้งแผน อยางสม่ําเสมอ

ขั้นตอนการใชงานเครื่อง Spin Coating

เมื่อนําสารที่ตองการเคลือบหยดลงบนกระจกตามท่ีตองการแลว เริ่มการใชงานเครื่อง ดังนี ้

1. เขาสู Mode

2. กําหนดคา Conditions ตาง ๆ ที่ใชในการทดลอง เชน ความเร็วรอบ, Step เปนตน

3. กด Enter

4. เขา Mode อีกครั้ง แลว กด Enter 2 ครั้ง

5. เลือกใหเปนสุญญากาศโดยการกด VAC

6. เริ่ม Run เครื่อง โดยการกด I/O บนแผงโปรแกรม

รูปที่ 2.42 การวางกระจกสําหรับ Coat สาร รูปที ่2.43 หนาจอโปรแกรมและสวนที่ใชตั้งคาตางๆ

(ที่มา: หอง Clean Room มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกลาธนบุรีวิทยาเขตบางขุนเทียน)

63

2.7.4 กลองจุลทรรศนอิเล็กตรอนแบบสแกน (Scanning Electron Microscope)

รูปที่ 2.44 กลองจุลทรรศนอิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM)

ที่มา (http://www.nano.kmitl.ac.th/index.php/tool/218-scaning-eletron- microscopysem-)

หลักการทํางานของเครื่อง SEM จะประกอบดวยแหลงกําเนิดอิเล็กตรอนซ่ึงทําหนาที่ผลิต

อิเล็กตรอนเพื่อปอนใหกับระบบ โดยกลุมอิเล็กตรอนที่ไดจากแหลงกําเนิดจะถูกเรงดวยสนามไฟฟา

จากนั้นกลุมอิเล็กตรอนจะผานเลนสรวบรวมรังสี (Condenser Lens) เพื่อทําใหกลุมอิเล็กตรอนกลายเปน

ลําอิเล็กตรอน ซ่ึงสามารถปรับใหขนาดของลําอิเล็กตรอนใหญหรือเล็กไดตามตองการ หากตองการภาพ

ที่มีความคมชัดจะปรับใหลําอิเล็กตรอนมีขนาดเล็ก หลังจากนั้นลําอิเล็กตรอนจะถูกปรับระยะโฟกัสโดย

เลนสใกลวัตถุ (Objective Lens) ลงไปบนผิวชิ้นงานที่ตองการศึกษา หลังจากลําอิเล็กตรอนถูกกราดลง

บนชิ้นงานจะทําใหเกิดอิเล็กตรอนทุติยภูมิ (Secondary Electron) ขึ้นซึ่งสัญญาณจากอิเล็กตรอนทุติยภูมินี้

จะถูกบันทึก และแปลงไปเปนสัญญาณทางอิเล็กทรอกนิกสและ ถูกนําไปสรางเปนภาพบนจอโทรทัศน

ตอไปและสามารถบันทึกภาพจากหนาจอโทรทัศนไดเลย

64

18”

4x4”

รูปที่ 2.45 หลักการทํางานของกลองจุลทรรศนอิเล็กตรอนแบบสแกน

ที่มา (http://www.nano.kmitl.ac.th/index.php/tool/218-scaning-eletron- microscopysem-)

2.7.5 ตูกระจกที่ใชทดลอง

2.7.5.1 ตูกระจก ประกอบดวย

ฝาตูมีขนาด 18” 18” ดังรูปที่ 2.46 (a)

ตัวตูกระจกมีขนาด 18” 18”18” ดั รูปที ่2.46 (b)

รูปที่ 2.46 สวนประกอบตางๆของตูกระจก:

(a) ฝาตู (b) ตัวตูกระจก และ (c) กระจกที่ใชทดลอง

18”

18”

65

2.7.5.2 แผนกระจกบาง ขนาด 4”4” จํานวน 16 แผนตอผนังกระจก 1 ดาน ดังรูปที่ 2.46 (c)

2.7.5.3 การติดตัง้วัสดอุุปกรณตางๆ ภายในตูกระจก

Septum เปนวัสดุที่ใชสําหรับฉีดกาซฟอรมัลดีไฮด และดูดกาซฟอรมัลดีไฮดออกจากตูกระจก

ผานวัสดุนี้รูปที่ 2.47 เปนตัวอยางของ septum

รูปที่ 2.47 Septum

(ที่มา: http://www.nationalscientific.com/products/images/C4020-30.jpg)

Hygrometer-Thermometer อุปกรณสองตัวนีใ้ชสําหรับวดัความชืน้ และอุณหภูมิของอากาศ

ภายในตูกระจกที่ใชเปนตูควบคุม

พัดลมเปาอากาศใชสําหรับเปาอากาศภายในตูใหมกีารกระจายอยางทั่วถึงโดยจะติดตั้งพัดลม

นี้ที่บริเวณดานลางของตูกระจก

แผนกระจกบางจากขอ 1.2 ที่ผานการเคลือบฟลมบางนํามาติดบริเวณดานขาง และฝาของตู

กระจกจํานวนทั้งหมด 70 แผน

การติดตั้งวัสดุ และอุปกรณตางๆ ที่กลาวมาขางตนในตูกระจกมีการวางตําแหนงการติดตั้งดังรูป

ที่ 2.48

รูปที่ 2.48 การตดิตั้งอุปกรณภายในตูกระจก

Septum

Hygrometer-Thermometer

แผนกระจก

พัดลมเปาอากาศ

ชองสําหรับใสสายไฟของพัดลม

64

บทที ่3

วิธีการดําเนินงานวิจัย

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค คือ ตองการสังเคราะหฟลมบาง TiO2-SiO2 ที่ใสมีโครงสรางผลึก

แบบอนาเทส และสามารถทําปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิส (Photocatalytic) เพื่อกําจัดกาซฟอรมัลดีไฮด

ไดที่สภาวะแสงในชวงที่มองเห็นได (Visible light) เพื่อบรรลุวัตถุประสงคขางตนจึงตองศึกษาถึง

ศึกษาประสิทธิภาพของฟลมบาง TiO2 – SiO2 ที่สังเคราะหไดหลังการเติมโลหะ Fe(NO3)3 กับอโลหะ

Thiourea (N-S) ในการกําจัดกาซฟอรมัลดีไฮดภายใตแสงแดดรําไร และแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต

3.1 ศึกษาการสังเคราะหฟลมบางTiO2-SiO2 ดวยวิธี Peroxo Titanic Acid (PTA)

ในกรณีเติมและไมเติมโลหะ กับอโลหะ (Metal-Non metal)

การสังเคราะหฟลมบางดวยวิธี Peroxo Titanic Acid (PTA) เพื่อตองการใหไดฟลมที่มี

คุณสมบัติที่เอ้ือตอการทําปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิส โดยปจจัยที่มีผลอยางหนึ่งคือระยะเวลาในการ

รีฟลักซ ในการสังเคราะหฟลมบาง TiO2-SiO2 ซึ่งจะมีผลตอโครงสรางผลึกไททาเนียมไดออกไซดคือ

โครงสรางผลึกแบบอนาเทสจะใหประสิทธิภาพในการเกิดปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิส สูงกวา

โครงสรางผลึกแบบอื่นและช้ันฟลมที่ไดมีความใสเหมาะแกการนําไปใชไดจริงในวงการอุตสาหกรรม

ดังนั้นการทดลองนี้จึงใชเวลาในการรีฟลักซ เพื่อใหไดโครงสรางผลึกไททาเนียมไดออกไซดแบบอนา

เทสมากที่สุดนั้นคือ 10 ชั่วโมง ซ่ึงเปนเวลารีฟลักซที่ผานการทดลองมาแลววาโครงผลึกเปนแบบอนา

เทสมากที่สุด (จากการศึกษาการทํารีฟลักซเปนเวลา 2, 6, 10 ชั่วโมง)[40]

เนื่องจากฟลมบาง TiO2-SiO2 นั้นมีขอเสียคือ ตองใชพลังงานสูงในการทําปฏิกิริยาโฟโตคะ

ตะไลซิส กลาวคือตองใชแสงอัลตราไวโอเลตในการกระตุนใหเกิดปฏิกิริยาเทานั้น ดังนั้นการเติม

โลหะกับอโลหะลงไปบนฟลมบาง TiO2-SiO2 เพื่อลดระดับพลังงานที่ใชในการกระตุน ทําให

ปฏิกิริยาสามารถเกิดไดในชวงแสงที่มองเห็นได (Visible light)

65

อุปกรณในการทดลอง

แผนกระจกบางสําหรับเคลือบฟลม TiO2-SiO2 ขนาด 4’’x 4’’

บีกเกอร

ปเปตขนาด 1, 5 และ 10 ml

เครื่องชั่งสาร

เครื่องปนกวนแมเหล็กไฟฟา (Magnetic Stirrer)

เครื่อง Spin coating

X-ray diffraction

Flash 3 ทาง

เครื่อง Cooling water bath

สารเคมีที่ใชในการทดลอง

เมทิลไตรเมทอกซิเลน (MTMOS)

เมทานอล (MeOH)

แอมโมเนียมไฮดรอกไซด (NH4OH)

กรดไฮโดรคลอริก (HCl, 38%)

น้ํากลั่น

ไททานิลซัลเฟต (TiOSO4) 4.3 g

ไฮโดรเจนเปอรออกไซด (H2O2) 25 ml

Fe(NO3)3 •9H2O

N-S (Thiourea)

H2O

ผงพาราฟอรมัลดีไฮด (CH2OH)

3.1.1 การเตรียมสารละลาย Peroxo Titanic Acid (PTA)

1) ชั่งไททานิลซัลเฟต (TiOSO4) ปริมาณ 4.3 g เติมน้ํากลั่นใหได 150 ml แลวกวนดวย

Magnetic stirrer จากนั้นเติมแอมโมเนียมไฮดรอกไซด (NH4OH) 30%wt จะไดสารละลายไททา

เนียมไฮดรอกไซด (Ti(OH)4)

66

2) นําสารละลาย Ti(OH)4 ไปกรองตะกอนออกโดยใชกระดาษกรอง Whatman N0.40 และตอ

กรวยกรองเขากับ Vacuum Pump ดูดน้ําออกและลางตะกอนขาวบนกระดาษกรองเพื่อกําจัด

แอมโมเนียมไอออนออกดวยน้ํากลั่นประมาณ 5 ครั้ง ขูดตะกอนออกเบา ๆ กรองพอหมาดจะได

ตะกอนสีขาวของ Ti(OH)4

3) นําตะกอน Ti(OH)4 ที่กรองไดมาเติมน้ํากลั่นปริมาณ 112.5 ml แลวกวนดวย Magnetic

stirrer จากนั้นเติมไฮโดรเจนเปอรออกไซด (H2O2) ปริมาณ 25 ml จะไดสารละลายสีเหลือง

4) นําสารละลายที่ไดไปรีฟลักซใน Reflux condenser ที่อุณหภูมิ 100OC เปนเวลา 10 ชั่วโมง

5) เมื่อครบเวลาที่กําหนด ตั้งทิ้งไวใหเย็นจากนั้นเทใส Flask ปดดวยกระดาษฟรอยดตั้งทิ้งไว

อีก 24 ชั่วโมง

TiOSO4 4.3 g H2O 150 ml

NH4OH 30%wt

ลางดวยน้ํากลัน่ 5 ครั้ง

H2O2 25 ml

รูปที่ 3.1 การเตรยีมสารละลาย Peroxo titanic acid (PTA)

กวนดวยเครื่อง Magnetic Stirrer

กรองดวย Vacuum Pump

เติมน้ํากลั่น 112.5 ml


Reflux Condenser

ทิ้งไว 24 ชั่วโมงไดสารละลาย PTA

100 oC, 1 hr

67

3.1.2 การเตรียมสารละลายซิลิกา

1) เตรียมสารละลายเมทิลไตรเมทอกซิเลน (MTMOS): เมทานอล (MeOH): น้ํา (H2O): กรด

ไฮโดรคลอริก (HCl 0.055 M) ดวยอัตราสวน 4.43: 8.22: 2: 0.5 ml ตามลําดับ นําสารละลายที่เตรียม

ไดปนดวยเครื่องปนกวนแมเหล็กไฟฟาที่อุณหภูมิ 25 ๐C เปนเวลา 1 ช่ัวโมง เพื่อไฮโดรไลซิส

2) เตรียมสารละลายของ เมทานอล (MeOH): แอมโมเนียมไฮดรอกไซด (NH4OH) ดวย

อัตราสวน 8.22: 3.2 ml จากนั้นเติมสารละลายเมทานอล (MeOH): แอมโมเนียมไฮดรอกไซด

(NH4OH) ในสารละลายที่ไฮโดรไลซิสแลวในขอท่ี 2.1

3) นําไปปนกวนสารละลายดวยเครื่องปนกวนแมเหล็กไฟฟาเปนเวลา 1 ชั่วโมงอุณหภูมิ

25๐C

4) จากนั้นนําสารละลายที่ไดในขอ 2.3 ไปผสมกับขอ 1.5 กวนสารละลายดวย Magnetic

Stirrer จะไดสารละลายโซลเจล สําหรับการเคลือบ (Spin coating)

รูปที่ 3.2 การเตรยีมสารละลายซิลิกา

MTMOS: MeOH: H2O: HCl 0.055 M

ดวยอัตราสวน 4.43: 8.22: 2: 0.5 ml



กวนแลวไดสารละลาย Sol - Gel

MeOH: NH4OH

8.22: 3.2 ml 25oC, 1hr

25oC, 1hr

68

3.1.3 การสังเคราะหฟลมบางTiO2-SiO2 กรณีไมเติมโลหะ กับอโลหะ (Metal-Non metal)

1. เตรียมสารละลาย PTA ตั้งทิ้งไว 24 ชั่วโมง จากนั้นนําสารละลาย PTA มาปริมาณ 150 ml

(หรือปริมาณ 75 g) ผสมกับสารละลายซิลิกา

2. นําสารละลายที่ไดจากขอ 1 ไปเคลือบบนพื้นผิวของแผนกระจกบางโดยใชเครื่อง Spin

coating ดวยความเร็ว 100 รอบตอนาที (rpm) ที่เวลา 10 วินาที จากนั้นทิ้งไวใหแหงเพื่อใชทดสอบ

ประสิทธิภาพในการสลายกาซฟอรมัลดีไฮดตอไป

3.1.4 การสังเคราะหฟลมบางTiO2-SiO2 กรณีเติมโลหะ กับอโลหะ (Metal-Non metal)

1. เตรียมสารละลาย PTA ตั้งทิ้งไว 24 ชั่วโมง จากนั้นนําสารละลาย PTA มาปริมาณ 150 ml

(หรือปริมาณ 75 g)

2. นําสารละลาย PTA ที่เตรียมไวในขอ 1 มาผสมกับ N-S (Thiourea) ปริมาณ 0.001025 g

(คิดเปนเปอรเซ็นตของไททาเนียมไดออกไซดไดเทากับ 0.125 %wt) จากนั้นเติม Fe(NO3)3•9H2O

ปริมาณ 0.0164 g คิดเปนเปอรเซ็นตของไททาเนียมไดออกไซดไดเทากับ 1 %wt

3. นําสารละลายซิลิกามาผสมลงไปในสารละลายขอ 2 จะไดสารละลาย Sol-gel

4. นําสารละลายขอ 3 มาเคลือบบนแผนกระจกบางโดยใชเครื่อง Spin coating แลวปลอยทิ้ง

ไวแหง

3.2 การทดสอบความใสของฟลมบาง TiO2-SiO2 ที่ไมมีตัวเติม และมีตัวเติมโลหะ

กับอโลหะ (Metal-Non metal)

นําแผนกระจกบางที่ไดทั้งกรณีเติมและไมเติมโลหะกับอโลหะ (Metal-Non metal) ไป

ทดสอบความใสดวยเครื่อง UV-Vis Spectrophotometers (UV 1800) ที่มีความยาวคลื่น 1100 nm

69

3.3 การทดสอบความหนาของฟลมบาง TiO2-SiO2

นําแผนกระจกบางที่ไดไปทดสอบความหนาดวยกลองจุลทรรศนอิเล็กตรอนแบบสแกน

SEM (Scanning Electron Microscope)

3.4 การทดสอบประสิทธิภาพของฟลมบาง TiO2-SiO2 ที่มีการเติมโลหะกับ

อโลหะในการกําจัดกาซฟอรมัลดีไฮด

ทดสอบประสิทธิภาพการกําจัดกาซฟอรมัลดีไฮดภายใตแสงแดดรําไร (Sunlight in the

shade) และแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต (Fluorescent lamp) โดยเปรียบเทียบกันที่ 3 สภาวะ คือ

สภาวะควบคุม (ไมมีการใสไททาเนียมไดออกไซดและไมมีการเติมสารเติมโลหะ Fe(NO3)3 กับ

อโลหะ Thiourea (N-S)), สภาวะที่ไมมีการเติมโลหะ Fe(NO3)3 กับอโลหะ Thiourea (N-S) และ

สภาวะที่มีการเติมโลหะ Fe(NO3)3 กับอโลหะ Thiourea (N-S) เพื่อตรวจสอบดูวาสภาวะใดในแสง

ประเภทใดใหประสิทธิภาพในการกําจัดกาซฟอรมัลดีไฮดดีที่สุด

สําหรับการทดลองในหัวขอนี้ เริ่มจากการนําสารเติมที่เหมาะสมมาสังเคราะหฟลมบาง

TiO2-SiO2 และเตรียมกาซฟอรมัลดี ไฮด จากนั้นนําแผนกระจกบางที่ เตรี ยมไวมาทดสอบ

ประสิทธิภาพการกําจัดกาซฟอรมัลดีไฮดทั้ง 3 สภาวะขางตน ดวยเครื่อง GC 2014

อุปกรณในการทดลอง

เครื่อง Gas Chromatography (GC) 2014

เข็มฉีด GC

ตูกระจกขนาด 18”x18” ปริมาตร 95569.36 ลูกบาศกเซนติเมตร

ขวดเปลาสําหรับบรรจุกาซฟอรมัลดีไฮด

3.4.1 ขั้นตอนการเตรียมฟลมบาง TiO2-SiO2

เตรียมแผนกระจกบางที่เคลือบฟลมบาง TiO2-SiO2 จํานวน 70 แผนตอกลอง 1 กลอง โดย

เลือกใชเวลาในการรีฟลักซที่ใหโครงสรางผลึกแบบอนาเทสดีที่สุดที่ 10 ชั่วโมง

70

3.4.2 การเตรียมกาซฟอรมัลดีไฮด

เตรียมกาซฟอรมัลดีไฮดโดยการชั่งผงพาราฟอรมัลดีไฮดปริมาณ xxx g ใสในขวดแกวVial

xxx ml ที่ใชเปน Reactor ปดขวดแลวนําไปเผาที่อุณหภูมิ 150 oC เปนเวลา 20 นาที ใหกลายเปนกาซ

ฟอรมัลดีไฮด นํากาซนี้ไปใชยังไงตอ อธิบายโดยละเอียดดวย

3.4.3 การทดสอบการกําจัดกาซฟอรมัลดีไฮดภายใตแสงแดดรําไร และแสงจาก

หลอดฟลูออเรสเซนต

1. เตรียมตูกระจกทั้ง 3 ตู สําหรับการทดลอง ดังรูปที่ 2.46

2. นําแผนกระจกที่เคลือบฟลมบาง TiO2-SiO2 ขนาด 4”x4” ติดลงบนผนังตูกระจกภายใน

จํานวน 70 แผนตอ 1 ตู

3. เก็บกาซฟอรมัลดีไฮดที่เตรียมไดในขอ 3.4.2 ปริมาตร *** *** **** ml ฉีดเขาตูกระจก

ที่เตรียมไวจากขอ 2 เพื่อใหไดความเขมขนของกาซฟอรมัลดีไฮดที่ 1000, 3000 และ 5000 ppmV ใน

แตละการทดลอง เริ่มจับเวลาตรวจวัดความเขมขนของกาซฟอรมัลดีไฮดดเริ่มตนที่เวลา t=0 ดวย

เครื่อง GC 2014 ตั้งทิ้งไวในที่มืดโดยใชผาดําคลุมแลวรอจนกระทั่งระบบเขาสูสมดุลที่เวลาประมาณ

** นาที

4. เม่ือระบบเขาสูสมดุลแลวจึงเปดผาดําออกเพื่อรับแสงจากหลอด

ฟลูออเรสเซนตที่มีความเขมของแสงที่ ******

5. ตรวจวัดความเขมขนของกาซฟอรมัลดีไฮดที่เวลาเปดผาดํา จากนั้นวิเคราะหความเขมขน

ของกาซฟอรมัลดีไฮดทุก 5 นาที ในชวงแรก และเพิ่มเปนทุก ๆ 10, 15 หรือ 20 นาที ตามลําดับ รอ

จนกระทั่งระบบเขาสูสภาวะสมดุลท่ี steady state

6.

ทําการทดลองซํ้าตั้งแตขอ 1-5 โดยเปล่ียนเปนแสงแดดรําไร (Sunlight in the shade) ที่มีความ

เขมของแสงที่ ******

83

บทที ่5

สรุปผลการทดลองและขอเสนอแนะ

5.1 สรุปผลการทดลอง

5.1.1 การศึกษาคาความใสของฟลมบาง TiO2-SiO2 กรณีเติมตัวเติมโลหะกับอโลหะ

[Fe(NO3)3.9H2O กับ N-S (Thiourea)]/TiO2 และไมเติมตัวเติม

จากการศึกษาความใสดวยเครื่อง UV-Vis Spectrophotometer พบวาฟลมบาง TiO2-SiO2 กรณี

ไมเติมตัวเติมมีความใสสูงกวากรณีที่เติมตวัเติม Fe และ N-S ท่ีอัตราสวน Weight ratio (%) ของ Fe:

N-S: PTA เปน 1: 0.125: 100

5.1.2 การศึกษาคาการดูดกลืนแสงของฟลมบาง TiO2-SiO2 กรณีเติมสารเติมโลหะกับ

อโลหะ [Fe(NO3)39H2O กับ N-S (Thiourea)]/TiO2 และไมเติมสารเติม

จากการศึกษาคาการดูดกลืนแสงของฟลมบาง TiO2-SiO2 กรณีมีสารเติม Fe และ N-S มีชวง

ความยาวคลื่นที่สามารถดูดกลืนแสงสูงกวา และมีคาพลังงานต่ํากวากรณีไมมีสารเติม

5.1.3 ศึกษาความหนาของฟลมบาง TiO2- SiO2

จากการศึกษาความหนาของฟลมบาง TiO2-SiO2 โดยเทคนคิ SEM (Scanning Electron

Microscope) พบวาฟลมที่เคลือบบนกระจกนัน้คอนขางบาง มีคาเฉลี่ยความหนาคือ 3.934 µm

5.1.4 ศึกษาประสิทธิภาพของฟลมบาง TiO2-SiO2ในการกําจัดกาซฟอรมัลดีไฮด

- ฟลมบางของ TiO2 – SiO2 ที่เติม Co-dope ใหประสิทธิภาพในการกําจดักาซฟอรมัลดีไฮดได

ดีที่สุด เนื่องจาก Fe และ Thiourea ทําหนาที่เปนสารเติมเพื่อลด band gap ชวยใหการจายอิเล็กตรอน

จากชั้น Vanlance band ไปยังชั้น Conduction band ใชพลังงานในการกระตุนนอยลง และเกิด โฟโต

คะตะไลซิสในแสงแดดรําไร (Sunlight in the shade) และแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต (Fluorescent

lamp) ได ซึ่งแสงทั้งสองประเภทนี้ตางก็เปนแสงในชวง Visible light

84

- ความเขมแสงมีผลทําใหฟลมบางของ TiO2 – SiO2 ที่เติม Co-dope ใหประสิทธิภาพในการ

กําจัดกาซฟอรมัลดีไฮดมากขึ้น เนื่องจากในชวงแสงแสงแดดรําไร (Sunlight in the shade) มีความเขม

แสงที่มากกวาแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต (Fluorescent lamp)

5.2 ขอเสนอแนะ

5.2.1 ควรตรวจเชค็ความพรอมของอุปกรณ กอนใชงานทกุครั้ง เพื่อความปลอดภัยในการทดลอง

5.2.2 ขณะทําการทดลองกับสารที่มีอันตรายตอรางกาย เชน กรด HCl, NH4OH, กาซฟอรมัลดีไฮด,

TiO2 เปนตน ควรสวมถุงมือและหนากากทกุครั้งกอนทําการทดลอง

5.2.3 ในขณะที่ทําการทดลอง ควรใชความระมัดระวังขณะใชเข็ม GC เพราะเข็ม GC สามารถขํารุด

เสียหายไดงาย

5.2.4 จากการทดลองพบวา ความใสของแผนฟลมที่ได ยังไมคอยใสเทาที่ควร ควรมีการปรับปรุงให

ใสกวานี้ เพื่อการนําไปใชประโยชนไดอยางมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึน้

5.2.5 การประกอบตูควรใชวัสดุที่ปลอยกาซฟอรมัลดีไฮดในปริมาณที่นอยหรือไมปลอยเลย เพราะ

วัสดุที่ปลอยกาซฟอรมัลดีไฮดจะทําใหการควบคุมการทดลองคอนขางยาก

เราตองการใหใหญอยูแลว ไมตองมีสวนนี้ก็ได

ภาคผนวก

89

ภาคผนวก ก. ขอมูลที่ใชในการทดลอง

ภาคผนวก ก.1 กราฟมาตรฐานของกาซฟอรมัลดีไฮดชวงความเขมขนต่ํา (20-1000 ppmV)

รูปที่ ก.2 กราฟความสัมพันธระหวางคา Peak-Area กับคาความเขมขนของกาซฟอรมัลดีไฮด

y = 2.3602x + 1053.3

R² = 0.9831

800

1300

1800

2300

2800

3300

3800

0 200 400 600 800 1000 1200

Peak

-Are

a (V

.s)

Concentration (ppmV)

90

y = 1.0753x + 1850

R² = 0.9595

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

Peak

-Are

a (V.

s)

Concentration (ppmV)

ภาคผนวก ก.2 กราฟมาตรฐานของกาซฟอรมัลดีไฮดชวงความเขมขนสูง (1000-9000 ppmV)

รูปที่ ก.2 กราฟความสัมพันธระหวางคา Peak-Area กับคาความเขมขนของกาซฟอรมัลดีไฮด

91

ภาคผนวก ก.3 สภาวะที่ใชในการทดลองของเครื่อง Gas Chromatography

(GC) 2014

SPL 1

Temperature 150 ̊C

Pressure 100 kPa

Total Flow 50 mL/min

Column Flow 2.16 mL/min

Linear Velocity 41.3 cm/s

Injection mode split

Split Ratio 1.0

Hold time 3 min

Column

Temperature 150 ̊C

Length 30 m

Inner Diameter 0.32 mm

SPID 1

Temperature 180 ̊C

Flame on

Delay Time 0 min

Sampling Rate 40 msec

92

ภาคผนวก ข. ผลการทดลอง

ภาคผนวก ข.1 การศึกษาชนิดของแสง และสภาวะของฟลมบางที่เหมาะสมตอประสิทธิภาพในการกําจดักาซฟอรมลัดีไฮด

ตารางที่ ข.1 ความเขมขนของกาซฟอรมัลดีไฮดที่เปล่ียนแปลงไปเมื่อผานการทําปฏิกิริยาดวยแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนตของฟลมบาง TiO2-SiO2 ในสภาวะควบคุม

ความเขมขนเริ่มตน 5000 ppmV

เวลาทีใ่ชในการ

ทําปฏิกิริยา

(นาที)

Peak-Area (Vs) ความเขมขนของกาซฟอรมัลดไีฮด (ppmV) ความสามารถในการกําจัดกาซฟอรมัลดไีฮด (%)

ครั้งที่ 1 ครั้งที่ 2 เฉลีย่ ครั้งที่ 1 ครั้งที่ 2 เฉลีย่ ครั้งที่ 1 ครั้งที่ 2 เฉลีย่

0 7621.3 -

7621.3 5367.2 -

5367.2 0 -

0

5 7542.1 -

7542.1 5293.5 -

5293.5 1.37 -

1.37

10 7534.6 -

7534.6 5286.5 -

5286.5 1.50 -

1.50

15 7589.7 -

7589.7 5337.8 -

5337.8 0.547 -

0.54

20 7452.1 -

7452.1 5209.8 -

5209.8 2.93 -

2.93

25 7599.5 -

7599.5 5346.9 -

5346.9 0.37 -

0.37

30 7603.2 -

7603.2 5350.3 -

5350.3 0.31 -

0.31



(นาที)



35 7600.8 - 7600.8 5348.1 - 5348.1 0.35 - 0.35

45 7577.6 - 7577.6 5326.5 - 5326.5 0.75 - 0.75

55 7498.7 - 7498.7 5253.1 - 5253.1 2.12 - 2.12

65 7571.2 - 7571.2 5320.6 - 5320.6 0.868 - 0.86

80 7596.8 - 7596.8 5344.4 - 5344.4 0.42 - 0.424

95 7413.8 - 7413.8 5174.2 - 5174.2 3.59 - 3.59

125 7511.3 - 7511.3 5264.9 - 5264.9 1.905 - 1.90

155 7545.0 - 7545 5296.2 - 5296.2 1.32 - 1.32

215 7409.5 - 7409.5 5170.2 - 5170.2 3.66 - 3.66

93

ตารางที่ ข.2 ความเขมขนของกาซฟอรมัลดีไฮดที่เปล่ียนแปลงไปเมื่อผานการทําปฏิกิริยาดวยแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนตของฟลมบาง TiO2-SiO2 ในสภาวะที่ไมมี

การเติมโลหะ Fe(NO3)3 กับอโลหะ Thiourea (N-S) ความเขมขนเริ่มตน 5000 ppmV



(นาที)



0 7687.8 -

7687.8 5428.99 -

5428.99 0 -

0

5 7294.1 -

7294.1 5062.86 -

5062.86 6.74 -

6.74

10 7253.2 -

7253.2 5024.83 -

5024.83 7.44 -

7.44

15 7229.6 -

7229.6 5002.88 -

5002.88 7.84 -

7.84

20 7209.1 -

7209.1 4983.81 -

4983.81 8.20 -

8.200

25 7199.2 -

7199.2 4974.61 -

4974.61 8.36 -

8.36

30 7196.3 -

7196.3 4971.91 -

4971.91 8.41 -

8.41

94



(นาที)



35 7109.2 - 7109.2 4890.91 - 4890.91 9.91 - 9.911

45 6709.3 - 6709.3 4519.01 - 4519.01 16.76 - 16.76

55 6522.3 - 6522.3 4345.11 - 4345.11 19.96 - 19.96

65 6236.3 - 6236.3 4079.14 - 4079.14 24.86 - 24.86

80 5919.9 - 5919.9 3784.89 - 3784.89 30.28 - 30.283

95 5767.8 - 5767.8 3643.44 - 3643.44 32.88 - 32.88

125 5483.8 - 5483.8 3379.33 - 3379.33 37.75 - 37.75

155 4925.2 - 4925.2 2859.85 - 2859.85 47.322 - 47.32

215 4631.2 - 4631.2 2586.44 - 2586.44 52.358 - 52.358

95

ตารางที่ ข.3 ความเขมขนของกาซฟอรมัลดีไฮดที่เปล่ียนแปลงไปเมื่อผานการทําปฏิกิริยาดวยแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนตของฟลมบาง TiO2-SiO2 ในสภาวะที่มกีาร

เติมโลหะ Fe(NO3)3 กับอโลหะ Thiourea (N-S) ความเขมขนเริ่มตน 5000 ppmV



(นาที)



0 7686.9 - 7686.9 5428.16 - 5428.16 0.015 - 0.015

5 7019.6 - 7019.6 4807.58 - 4807.58 11.44 - 11.44

10 6828.3 - 6828.3 4629.68 - 4629.68 14.72 - 14.72

15 6702 - 6702 4512.22 - 4512.22 16.88 - 16.88

20 6719.5 - 6719.5 4528.50 - 4528.50 16.58 - 16.58

25 6433.5 - 6433.5 4262.53 - 4262.53 21.48 - 21.48

30 6364 - 6364 4197.89 - 4197.89 22.67 - 22.67

96



(นาที)



35 6343.5 - 6343.5 4178.83 - 4178.83 23.03 - 23.03

45 6334.7 - 6334.7 4170.65 - 4170.65 23.17 - 23.17

55 6329.6 - 6329.6 4165.90 - 4165.90 23.26 - 23.26

65 6278.8 - 6278.8 4118.66 - 4118.66 24.13 - 24.13

80 5090.9 - 5090.9 3013.95 - 3013.95 44.48 - 44.48

95 4655.7 - 4655.7 2609.22 - 2609.22 51.93 - 51.93

125 3999.9 - 3999.9 1999.34 - 1999.34 63.17 - 63.17

155 3250 - 3250 1301.96 - 1301.96 76.01 - 76.01

215 3165.2 - 3165.2 1223.10 - 1223.10 77.47 - 77.47

97

ตารางที่ ข.4 ความเขมขนของกาซฟอรมัลดีไฮดที่เปล่ียนแปลงไปเมื่อผานการทําปฏิกิริยาดวยแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนตของฟลมบาง TiO2-SiO2 ในสภาวะใน

สภาวะควบคุม ความเขมขนเริ่มตน 3000 ppmV



(นาที)



0 6202.3 - 6202.3 4047.52 - 4047.52 0 - 0

5 6116.7 - 6116.7 3967.91 - 3967.91 1.96 - 1.96

10 6159.2 - 6159.2 4007.44 - 4007.44 0.99 - 0.99

15 6171.5 - 6171.5 4018.87 - 4018.87 0.70 - 0.70

20 6105.6 - 6105.6 3957.59 - 3957.59 2.22 - 2.22

25 6092.7 - 6092.7 3945.59 - 3945.59 2.51 - 2.51

30 6122.6 - 6122.6 3973.40 - 3973.40 1.83 - 1.83

98



(นาที)



40 6161.1 - 6161.1 4009.20 - 4009.20 0.94 - 0.94

50 6133.5 - 6133.5 3983.53 - 3983.53 1.580 - 1.580

60 6219.3 - 6219.3 4063.33 - 4063.33 -0.39 - -0.39

75 6066.6 - 6066.6 3921.32 - 3921.32 3.11 - 3.11

90 6134.2 - 6134.2 3984.19 - 3984.19 1.564 - 1.564

105 6150.7 - 6150.7 3999.53 - 3999.53 1.185 - 1.185

120 6239.1 - 6239.1 4081.74 - 4081.74 -0.84 - -0.84

135 6067.3 - 6067.3 3921.97 - 3921.97 3.101 - 3.101

165 6088.6 - 6088.6 3941.78 - 3941.78 2.61 - 2.61

99





(นาที)



0 6279.2 - 6279.2 4119.03 - 4119.03 0 - 0

5 5968.2 - 5968.2 3829.81 - 3829.81 7.02 - 7.02

10 5920.1 - 5920.1 3785.08 - 3785.08 8.10 - 8.10

15 5911.9 - 5911.9 3777.45 - 3777.45 8.29 - 8.29

20 5881.8 - 5881.8 3749.46 - 3749.46 8.97 - 8.97

25 5770.9 - 5770.9 3646.33 - 3646.33 11.47 - 11.47

30 5506.7 - 5506.7 3400.63 - 3400.63 17.44 - 17.44

100



(นาที)



40 5337.1 - 5337.1 3242.90 - 3242.90 21.27 - 21.27

50 5328 - 5328 3234.44 - 3234.44 21.47 - 21.47

60 5321.3 - 5321.3 3228.21 - 3228.21 21.62 - 21.62

75 5296.1 - 5296.1 3204.78 - 3204.78 22.19 - 22.19

90 4929.3 - 4929.3 2863.66 - 2863.66 30.47 - 30.47

105 4621.5 - 4621.5 2577.42 - 2577.42 37.42 - 37.42

120 4286.5 - 4286.5 2265.87 - 2265.87 44.99 - 44.99

135 4054.2 - 4054.2 2049.84 - 2049.84 50.23 - 50.23

165 3578.7 - 3578.7 1607.64 - 1607.64 60.97 - 60.97

101





(นาที)



0 6225.5 - 6225.5 4069.09 - 4069.09 1.21 - 1.21

5 5860.7 - 5860.7 3729.84 - 3729.84 9.44 - 9.44

10 5279.6 - 5279.6 3189.43 - 3189.43 22.56 - 22.56

15 5098.6 - 5098.6 3021.11 - 3021.11 26.65 - 26.65

20 5044 - 5044 2970.33 - 2970.33 27.88 - 27.88

25 4754.1 - 4754.1 2700.73 - 2700.73 34.43 - 34.43

30 4581.9 - 4581.9 2540.59 - 2540.59 38.320 - 38.320

102



(นาที)



40 4557.4 - 4557.4 2517.81 - 2517.81 38.87 - 38.87

50 4516.8 - 4516.8 2480.05 - 2480.05 39.79 - 39.79

60 4473.9 - 4473.9 2440.16 - 2440.16 40.76 - 40.76

75 4419.6 - 4419.6 2389.66 - 2389.66 41.99 - 41.99

90 4338.6 - 4338.6 2314.33 - 2314.33 43.81 - 43.81

105 3998.1 - 3998.1 1997.68 - 1997.68 51.50 - 51.50

120 3327.4 - 3327.4 1373.94 - 1373.94 66.64 - 66.64

135 3121.4 - 3121.4 1182.37 - 1182.37 71.30 - 71.30

165 2661.4 - 2661.4 754.58 - 754.58 81.68 - 81.68

103

ตารางที่ ข.7 ความเขมขนของกาซฟอรมัลดีไฮดที่เปล่ียนแปลงไปเมื่อผานการทําปฏิกิริยาดวยแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนตของฟลมบาง TiO2-SiO2 ในสภาวะใน

สภาวะควบคุม ความเขมขนเริ่มตน 1000 ppmV



(นาที)



0 3250.4 - 3250.4 1302.334 - 1302.334 0 - 0

5 3165.5 - 3165.5 1223.38 - 1223.38 6.062554 - 6.062554

10 3293.5 - 3293.5 1342.416 - 1342.416 -3.07769 - -3.07769

15 3258.8 - 3258.8 1310.146 - 1310.146 -0.59983 - -0.59983

20 3245.1 - 3245.1 1297.405 - 1297.405 0.378463 - 0.378463

25 3240.5 - 3240.5 1293.127 - 1293.127 0.706941 - 0.706941

35 3236.8 - 3236.8 1289.687 - 1289.687 0.971151 - 0.971151

104



(นาที)



45 3312.2 - 3312.2 1359.807 - 1359.807 -4.41302 - -4.41302

55 3236.4 - 3236.4 1289.315 - 1289.315 0.999714 - 0.999714

65 3272.3 - 3272.3 1322.701 - 1322.701 -1.56384 - -1.56384

80 3273.7 - 3273.7 1324.003 - 1324.003 -1.66381 - -1.66381

95 3246.8 - 3246.8 1298.986 - 1298.986 0.257069 - 0.257069

110 3239.4 - 3239.4 1292.105 - 1292.105 0.78549 - 0.78549

125 3289.5 - 3289.5 1338.696 - 1338.696 -2.79206 - -2.79206

155 3266.6 - 3266.6 1317.4 - 1317.4 -1.15681 - -1.15681

105





(นาที)



0 3236.7 - 3236.7 1289.594 - 1289.594 0 - 0

5 3138.9 - 3138.9 1198.642 - 1198.642 7.052715 - 7.052715

10 3037.8 - 3037.8 1104.622 - 1104.622 14.34341 - 14.34341

15 3018 - 3018 1086.208 - 1086.208 15.77126 - 15.77126

20 2910 - 2910 985.7714 - 985.7714 23.55953 - 23.55953

25 2902.5 - 2902.5 978.7966 - 978.7966 24.10038 - 24.10038

35 2893 - 2893 969.9619 - 969.9619 24.78546 - 24.78546

106



(นาที)



45 2881.7 - 2881.7 959.4532 - 959.4532 25.60035 - 25.60035

55 2828 - 2828 909.5136 - 909.5136 29.47285 - 29.47285

65 2807.9 - 2807.9 890.8212 - 890.8212 30.92233 - 30.92233

80 2804.1 - 2804.1 887.2873 - 887.2873 31.19637 - 31.19637

95 2734.8 - 2734.8 822.8401 - 822.8401 36.19384 - 36.19384

110 2563.8 - 2563.8 663.8147 - 663.8147 48.52528 - 48.52528

125 2455.6 - 2455.6 563.1917 - 563.1917 56.32797 - 56.32797

155 2263.9 - 2263.9 384.9158 - 384.9158 70.15216 - 70.15216

107





(นาที)



0 3243.2 - 3243.2 1295.638 - 1295.638 -0.46874 - -0.46874

5 2911.9 - 2911.9 987.5384 - 987.5384 23.42251 - 23.42251

10 2812.4 - 2812.4 895.006 - 895.006 30.59782 - 30.59782

15 2799.1 - 2799.1 882.6374 - 882.6374 31.55693 - 31.55693

20 2786.6 - 2786.6 871.0127 - 871.0127 32.45835 - 32.45835

25 2762.7 - 2762.7 848.7864 - 848.7864 34.18187 - 34.18187

35 2756.6 - 2756.6 843.1135 - 843.1135 34.62176 - 34.62176

108



(นาที)



45 2611.9 - 2611.9 708.5465 - 708.5465 45.05661 - 45.05661

55 2458.7 - 2458.7 566.0746 - 566.0746 56.10442 - 56.10442

65 2378.1 - 2378.1 491.1188 - 491.1188 61.91678 - 61.91678

80 2322.9 - 2322.9 439.7842 - 439.7842 65.89745 - 65.89745

95 2296.7 - 2296.7 415.419 - 415.419 67.78683 - 67.78683

110 2277.9 - 2277.9 397.9355 - 397.9355 69.14257 - 69.14257

125 2177.7 - 2177.7 304.7522 - 304.7522 76.36836 - 76.36836

155 2079.6 - 2079.6 213.5218 - 213.5218 83.44271 - 83.44271

109

ตารางที่ ข.10 ความเขมขนของกาซฟอรมัลดีไฮดที่เปล่ียนแปลงไปเมื่อผานการทําปฏิกิริยาดวยแสงแดดรําไร (ในรม) ของฟลมบาง TiO2-SiO2 ในสภาวะควบคุมความ

เขมขนเริ่มตน 5000 ppmV



(นาที)



0 7723.6 - 7723.6 5462.29 - 5462.29 0 - 0

5 7801.9 - 7801.9 5535.106 - 5535.106 -1.33308 - -1.33308

10 7795.1 - 7795.1 5528.783 - 5528.783 -1.21731 - -1.21731

15 7781.3 - 7781.3 5515.949 - 5515.949 -0.98236 - -0.98236

20 7768.2 - 7768.2 5503.766 - 5503.766 -0.75933 - -0.75933

35 7800.3 - 7800.3 5533.619 - 5533.619 -1.30584 - -1.30584

110



(นาที)



50 7729.8 - 7729.8 5468.055 - 5468.055 -0.10556 - -0.10556

65 7735.8 - 7735.8 5473.635 - 5473.635 -0.20771 - -0.20771

80 7763.9 - 7763.9 5499.768 - 5499.768 -0.68612 - -0.68612

110 7804.4 - 7804.4 5537.431 - 5537.431 -1.37565 - -1.37565

140 7787.5 - 7787.5 5521.715 - 5521.715 -1.08792 - -1.08792

200 7698.8 - 7698.8 5439.226 - 5439.226 0.422228 - 0.422228

260 7738.7 - 7738.7 5476.332 - 5476.332 -0.25708 - -0.25708

111

ตารางที่ ข.11 ความเขมขนของกาซฟอรมัลดีไฮดที่เปล่ียนแปลงไปเมื่อผานการทําปฏิกิริยาดวยแสงแดดรําไร (ในรม) ของฟลมบาง TiO2-SiO2 ในสภาวะทีไ่มมีการเติม

โลหะ Fe(NO3)3 กับอโลหะ Thiourea (N-S) ความเขมขนเริ่มตน 5000 ppmV



(นาที)



0 7609.8 - 7609.8 5356.459 - 5356.459 0 - 0

5 7442.8 - 7442.8 5201.153 - 5201.153 2.899406 - 2.899406

10 6865.9 - 6865.9 4664.652 - 4664.652 12.91538 - 12.91538

15 6539.7 - 6539.7 4361.295 - 4361.295 18.57877 - 18.57877

20 6271.5 - 6271.5 4111.876 - 4111.876 23.23518 - 23.23518

35 6176.9 - 6176.9 4023.9 - 4023.9 24.8776 - 24.8776

112



(นาที)



50 6169.4 - 6169.4 4016.926 - 4016.926 25.00781 - 25.00781

65 5959.2 - 5959.2 3821.445 - 3821.445 28.65725 - 28.65725

80 5344.3 - 5344.3 3249.605 - 3249.605 39.33296 - 39.33296

110 4808 - 4808 2750.86 - 2750.86 48.64405 - 48.64405

140 4166.5 - 4166.5 2154.283 - 2154.283 59.78159 - 59.78159

200 3425 - 3425 1464.708 - 1464.708 72.6553 - 72.6553

260 2969.2 - 2969.2 1040.826 - 1040.826 80.56877 - 80.56877

113

ตารางที่ ข.12 ความเขมขนของกาซฟอรมัลดีไฮดที่เปล่ียนแปลงไปเมื่อผานการทําปฏิกิริยาดวยแสงแดดรําไร (ในรม) ของฟลมบาง TiO2-SiO2 ในสภาวะที่มกีารเติม




(นาที)



0 7926 - 7926 5650.516 - 5650.516 -5.48977 - -5.48977

5 6722 - 6722 4530.829 - 4530.829 15.41373 - 15.41373

10 6448.4 - 6448.4 4276.388 - 4276.388 20.16389 - 20.16389

15 6094.1 - 6094.1 3946.899 - 3946.899 26.31515 - 26.31515

20 5795.8 - 5795.8 3669.488 - 3669.488 31.49415 - 31.49415

35 5332.3 - 5332.3 3238.445 - 3238.445 39.5413 - 39.5413

114



(นาที)



50 5310.2 - 5310.2 3217.893 - 3217.893 39.925 - 39.925

65 4706.9 - 4706.9 2656.84 - 2656.84 50.39932 - 50.39932

80 4373.8 - 4373.8 2347.066 - 2347.066 56.18251 - 56.18251

110 4162.7 - 4162.7 2150.749 - 2150.749 59.84756 - 59.84756

140 3616.8 - 3616.8 1643.076 - 1643.076 69.32532 - 69.32532

200 3073.7 - 3073.7 1138.008 - 1138.008 78.75447 - 78.75447

260 2154.4 - 2154.4 283.0838 - 283.0838 94.71509 - 94.71509

115

ตารางที่ ข.13 ความเขมขนของกาซฟอรมัลดีไฮดที่เปล่ียนแปลงไปเมื่อผานการทําปฏิกิริยาดวยแสงแดดรําไร (ในรม) ของฟลมบาง TiO2-SiO2 ในสภาวะควบคุมความ




(นาที)



0 6365.5 - 6365.5 4199.293 - 4199.293 0 - 0

5 6304.6 - 6304.6 4142.658 - 4142.658 1.348688 - 1.348688

10 6356 - 6356 4190.458 - 4190.458 0.210386 - 0.210386

15 6358 - 6358 4192.318 - 4192.318 0.166095 - 0.166095

20 6344 - 6344 4179.299 - 4179.299 0.476138 - 0.476138

25 6356.6 - 6356.6 4191.016 - 4191.016 0.197099 - 0.197099

116



(นาที)



30 6280.9 - 6280.9 4120.618 - 4120.618 1.873547 - 1.873547

40 6309.2 - 6309.2 4146.936 - 4146.936 1.246817 - 1.246817

50 6432.6 - 6432.6 4261.694 - 4261.694 -1.48599 - -1.48599

65 6289.1 - 6289.1 4128.243 - 4128.243 1.69195 - 1.69195

80 6325.5 - 6325.5 4162.094 - 4162.094 0.885838 - 0.885838

110 6368.6 - 6368.6 4202.176 - 4202.176 -0.06865 - -0.06865

140 6303.3 - 6303.3 4141.449 - 4141.449 1.377478 - 1.377478

117





(นาที)



0 6380.4 - 6380.4 4213.15 - 4213.15 0 - 0

5 6337.7 - 6337.7 4173.44 - 4173.44 0.942522 - 0.942522

10 6018.7 - 6018.7 3876.779 - 3876.779 7.983842 - 7.983842

15 5977.5 - 5977.5 3838.464 - 3838.464 8.893254 - 8.893254

20 5843.4 - 5843.4 3713.754 - 3713.754 11.85326 - 11.85326

25 5837.7 - 5837.7 3708.453 - 3708.453 11.97907 - 11.97907

118



(นาที)



30 5829.7 - 5829.7 3701.014 - 3701.014 12.15566 - 12.15566

40 5753.1 - 5753.1 3629.778 - 3629.778 13.84646 - 13.84646

50 5610.2 - 5610.2 3496.885 - 3496.885 17.00071 - 17.00071

65 5328.1 - 5328.1 3234.539 - 3234.539 23.22753 - 23.22753

80 4961.2 - 4961.2 2893.332 - 2893.332 31.32615 - 31.32615

110 4399.6 - 4399.6 2371.059 - 2371.059 43.72241 - 43.72241

140 3983.8 - 3983.8 1984.376 - 1984.376 52.90041 - 52.90041

119





(นาที)



0 6394.16 - 6394.16 4225.946 - 4225.946 -0.30373 - -0.30373

5 5883.2 - 5883.2 3750.767 - 3750.767 10.97475 - 10.97475

10 5794.1 - 5794.1 3667.907 - 3667.907 12.94146 - 12.94146

15 5707.1 - 5707.1 3586.999 - 3586.999 14.86182 - 14.86182

20 5689.2 - 5689.2 3570.352 - 3570.352 15.25693 - 15.25693

25 5681 - 5681 3562.727 - 3562.727 15.43793 - 15.43793

120



(นาที)



30 5676.1 - 5676.1 3558.17 - 3558.17 15.54609 - 15.54609

40 5362.5 - 5362.5 3266.53 - 3266.53 22.46821 - 22.46821

50 4911.1 - 4911.1 2846.74 - 2846.74 32.43201 - 32.43201

65 4348.6 - 4348.6 2323.631 - 2323.631 44.84814 - 44.84814

80 3794.1 - 3794.1 1807.961 - 1807.961 57.08767 - 57.08767

110 3217 - 3217 1271.273 - 1271.273 69.82606 - 69.82606

140 3139.8 - 3139.8 1199.479 - 1199.479 71.53011 - 71.53011

121

ตารางที่ ข.16 ความเขมขนของกาซฟอรมัลดีไฮดที่เปล่ียนแปลงไปเมื่อผานการทําปฏิกิริยาดวยแสงแดดรําไร (ในรม) ของฟลมบาง TiO2-SiO2 ในสภาวะควบคุม ความ




(นาที)



0 3235.5 - 3235.5 1288.478 - 1288.478 0 - 0

5 3250.6 - 3250.6 1302.52 - 1302.52 -1.08986 - -1.08986

10 3178.6 - 3178.6 1235.562 - 1235.562 4.106821 - 4.106821

15 3243.9 - 3243.9 1296.289 - 1296.289 -0.60628 - -0.60628

25 3230.2 - 3230.2 1283.549 - 1283.549 0.382533 - 0.382533

35 3225.6 - 3225.6 1279.271 - 1279.271 0.714543 - 0.714543

45 3221.9 - 3221.9 1275.83 - 1275.83 0.981595 - 0.981595

60 3197.3 - 3197.3 1252.953 - 1252.953 2.757127 - 2.757127

75 3221.5 - 3221.5 1275.458 - 1275.458 1.010466 - 1.010466





(นาที)



0 3184 - 3184 1240.584 - 1240.584 0 - 0

5 2831.9 - 2831.9 913.1405 - 913.1405 26.3943 - 26.3943

10 2809.4 - 2809.4 892.2161 - 892.2161 28.08096 - 28.08096

15 2803.6 - 2803.6 886.8223 - 886.8223 28.51574 - 28.51574

25 2798.5 - 2798.5 882.0794 - 882.0794 28.89805 - 28.89805

35 2742.3 - 2742.3 829.8149 - 829.8149 33.11094 - 33.11094

45 2479.2 - 2479.2 585.139 - 585.139 52.83358 - 52.83358

60 2389 - 2389 501.2555 - 501.2555 59.5952 - 59.5952

75 2257.6 - 2257.6 379.057 - 379.057 69.44528 - 69.44528

122





(นาที)



0 3179 - 3179 1235.934 - 1235.934 0.374813 - 0.374813

5 2612.2 - 2612.2 708.8254 - 708.8254 42.86357 - 42.86357

10 2247.3 - 2247.3 369.4783 - 369.4783 70.21739 - 70.21739

15 2234.1 - 2234.1 357.2026 - 357.2026 71.2069 - 71.2069

25 2221.6 - 2221.6 345.578 - 345.578 72.14393 - 72.14393

35 2097.9 - 2097.9 230.5403 - 230.5403 81.41679 - 81.41679

45 2044.4 - 2044.4 180.7868 - 180.7868 85.42729 - 85.42729

60 2029 - 2029 166.4652 - 166.4652 86.58171 - 86.58171

75 1994.9 - 1994.9 134.7531 - 134.7531 89.13793 - 89.13793

123

ภาคผนวก ค

ตัวอยางการคํานวณ

ค.1 ตัวอยางการคํานวณ % Degradation of Formaldehyde

สมการที่ใชในการคํานวณ คือ

% Degradation of Formaldehyde =

ความเขมขนของFormaldehydeกอนฉายแสง − ความเขมขนของFormaldehydeหลังการฉายแสง

ความเขมขนของFormaldehydeกอนฉายแสง�100

(ค.2)

ตัวอยางการคํานวณ

หาคา % Degradation of Formaldehyde ของกรณีเติม co-dope ที่ความเขมขนของ Fe เปน

0.125 %wt /TiO2 ภายใตสภาวะแสงที่มองเห็นได (Visible light) โดยการทดลองในที่มืดกอน หลังจาก

นั้นทําการฉายแสง บันทึกคาที่เวลา 0, 5, 10, 15, 25, 35, 45, 60 และ 75 นาที

ความเขมขนของ Formaldehyde กอนการฉายแสงนั้นคือ ความเขมขนของ Formaldehyde ที่

เวลา 0 นาที กรณีเติมตัวเติม co-dope ที่มีความเขมขนของ Fe 0.125 %wt /TiO2 วัดคา peak area ดวย

เครื่อง GC 2014 เทากับ 3179 จากนั้นนําคาที่ไดไปเทียบกับกราฟในภาคผนวก ก รูปที่ ก.2 แสดง

Calibration curve of formaldehyde จะทราบความเขมขนของ Formaldehyde ที่เวลา 0 นาที เทากับ

1235.934 ppmV จากนั้นนําไปแทนคาในสมการ (ค.2)

ความเขมขนของ Formaldehyde หลังการฉายแสงนั้นคือ ความเขมขนของ Formaldehyde ที่

เวลาตางๆ แลวทําการบันทึกคา ซ่ึงการเทียบคาเชนเดียวกันกับที่เวลา 0 นาที ดังที่กลาวไปแลวขางตน

ที่เวลา 15 นาที มีความเขมขนของ Formaldehyde เทากับ 357.20 ppmV แลวนําคาไปแทนคาใน

สมการ (ค.2)

% Degradation of Formaldehyde ของ co-dope ที่ความเขมขนของ Fe เปน 0.125 %wt /TiO2

ภายใตสภาวะแสงท่ีมองเห็นได (Visible light) ที่เวลาในการฉายแสง 10 นาท ี

% Degradation of Formaldehyde = (��.��.��)×��

��.��.�� = 71.20 %

124

ค.1 ตัวอยางการคํานวณคาพลังงานทีล่ดลง (Band gap)

จากสมการพลังงาน : E = hc/

โดยที ่ h = 6.62606876ด10-34 Jืs

c = 3.0ด108 m/s

กรณีที่ฟลมบาง TiO2-SiO2 ไมเติมตัวเติม Fe และ N-S อานคาความยาวคลื่นได 403.06 nm

และคํานวณคาแถบพลังงานที่ลดลงไดดังนี ้

� =6.62606876ด��34�ื�×�.�ด��/�

��.��×��= 4.9318 × 10��

และ q = 1.602ด10-19 C

� =4.9318 × 10��

1.602ด10 − 19C= 3.08��

ในทํานองเดียวกนักรณีที่ฟลมบาง TiO2-SiO2 เติมตัวเติมอานคาความยาวคลื่น 431.63 nm

และคํานวณคาแถบพลังงานที่ลดลงได 2.88 eV

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

250 350 450 550 650 750 850 950

% T

ran

smit

tan

ce

Wavelenght (nm)

Co-Dope

No Co-Dope

403.06 431.63

108

1

Documents

Transcript of 1