การประยุกต์ใช้ถ่านกัมมันต์เคลือบไทเทเนียมไดออกไซด์และเติม...

การประยกตใชถานกมมนตเคลอบไทเทเนยมไดออกไซดและ

เตมฟลออรนบนพนผวสาหรบการบาบดนาเสย

โดย

นางสาว จนทรจรา ศวะประทานกล

วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตร วทยาศาสตรมหาบณฑต (ฟสกส)

ภาควชาฟสกส คณะวทยาศาสตรและเทคโนโลย มหาวทยาลยธรรมศาสตร

ปการศกษา 2558 ลขสทธของมหาวทยาลยธรรมศาสตร

การประยกตใชถานกมมนตเคลอบไทเทเนยมไดออกไซดและ

เตมฟลออรนบนพนผวสาหรบการบาบดนาเสย

โดย


วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตร

วทยาศาสตรมหาบณฑต (ฟสกส) ภาควชาฟสกส

คณะวทยาศาสตรและเทคโนโลย มหาวทยาลยธรรมศาสตร ปการศกษา 2558

ลขสทธของมหาวทยาลยธรรมศาสตร

APPLICATION OF COATED TITANIUM DIOXIDE ON ACTIVATED

CARBON UNDER SURFACE FLUORINATION FOR

WASTEWATER TREATMENT

BY

MISS JANJIRA SIVAPATARNKUN

A THESIS SUBMITTED IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF

MASTER OF SCIENCE (PHYSICS)

DEPARTMENT OF PHYSICS FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

THAMMASAT UNIVERSITY

ACADEMIC YEAR 2015

COPYRIGHT OF THAMMASAT UNIVERSIT

(1)

หวขอวทยานพนธ การประยกตใชถานกมมนตเคลอบไทเทเนยมไดออกไซดและเตมฟลออรนบนพนผวสาหรบการบาบดนาเสย

ชอผเขยน นางสาว จนทรจรา ศวะประทานกล

ชอปรญญา วทยาศาสตรมหาบณฑต สาขาวชา/คณะ/มหาวทยาลย สาขาวชาฟสกส

คณะวทยาศาสตรและเทคโนโลย มหาวทยาลยธรรมศาสตร

อาจารยทปรกษาวทยานพนธ อาจารย ดร.สายณห ผดวฒน

ปการศกษา 2558

บทคดยอ ไทเทเนยมไดออกไซด (TiO2) ทเตรยมจากเทคนคโซล-เจลและเกรดทางการคาทมโครงสรางผลกแบบ อนาเทสและแบบรไทล TiO2 เตมฟลออรนลงบนพนผว (F-TiO2) ทาโดยการจมแชในสารละลายโซเดยมฟลออไรด (NaF) และเคลอบ TiO2 และ F-TiO2 ลงบนถานกมมนต (Activated Carbon : AC) ซงในการเตรยม TiO2 เคลอบลงบน AC ( TiO2/AC) และ F-TiO2 เคลอบลงบน AC (F-TiO2) จะศกษาถงผลของอตราสวนระหวางไทเทเนยมเตตระไอโซโพรพอกไซด (titanium tetra-isopropoxide : TTIP) ตอ 2-โพรพานอล (2-propanal : 2PP) ของ 1:5 1:15 และ 1:30 และปรบคา pH ดวย HCl เทากบ 2 ผลของจานวนรอบในการจมเคลอบของ 1 3 และ 5 รอบ และเวลาในการจมเคลอบของ 1 5 และ 10 min. พบวาเงอนไขทเหมาะสมคอ TTIP:2-PP เทากบ 1:30 pH เทากบ 2 จมเคลอบลงบน AC จานวน 1 รอบและเวลาจมเคลอบ 10 min. โดยหลงจากจมเคลอบจะนาไปอบทอณหภม 400 oC เปนเวลา 2 hr. โดยเงอนไขในการเคลอบมผลตอขนาดของเกรน โครงสรางระดบจลภาค ลกษณะทางพนผว ความหนา การกระจายตวและความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสง ซง TiO2 และ TiO2/AC มเกรนลกษณะกลม สวน F- TiO2 มการกอตวในลกษณะเสนใยนาโน ในการทดสอบความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงในการจางสเมทลลนบล (Methylene Blue : MB) และการจางสของนาเสยจากโรงงานอตสาหกรรมสงทอ พบวา ใช F- TiO2 /AC 10 g ตอปรมาณสารละลาย MB 150 ml สามารถจางสของ MB จนใสไมมสไดในเวลาเพยง 5 min. เมอนา F-TiO2

/AC 500 g ตอ 1 ใบพด มาประกอบรวมกบกงหนนาซงใชใบพดทงหมด 24 ใบ มาบาบดนาเสยจาก

(2)

โรงงานอตสาหกรรมบรรจในอางปรมาตร 30 L พบวาภายใตการฉายแสง UV ทเวลา 30 hr. มความสามารถในการจางสไดดกวาโดยใชเวลาในการบาบดนอยกวากงหนทประกอบไปดวยใบพดทเคลอบ TiO2 และกาจดสารอนทรยดกวาทระบบโรงงานใชอยในปจจบนโดยใชเวลาในการบาบดนอยกวา ตวอยางทใหผลการจางสทดทสดคอ AC แบบผงผสมกบ F-TiO2 โดยใหคา = 1.086

คาสาคญ : TiO2 F-TiO2 การเตมฟลออรนลงบนพนผว ถานกมมนต กระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสง

(3)

Thesis Title Application of Coated Titanium Dioxide on Activated Carbon under Surface Fluorination for Wastewater Treatment

Author Miss Janjira Sivapatarnkun Degree Master Degree of Science (Physics) Major Field/Faculty/University Department of Physics

Faculty of Science and Technology Thammasat University

Thesis Advisor

Dr. Sayan Pudwat

Academic Years 2015

ABSTRACT Titanium dioxide (TiO2) were prepared by Sol-Gel technique and commercial grade with anatase and rutile phase. F-TiO2 were prepared by surface fluorination under immersion in NaF solution .In addition, TiO2 and F-TiO2 were coated on activated carbon (AC) that were prepared by Sol-Gel method under condition of the titanium tetraisopropoxide (TTIP) to 2-propanol (2-PP) ratio of 1:5 1:15 and 1:30 and used hydrochloric acid (HCl) for adjusting the pH of 2, number of coating of 1 3 and 5 cycles and coating time of 1 5 and 10 min. After coating, the samples were annealed at temperature of 400 oC .The optimum condition sample was dipped into the former sol-gel of 1 cycle with 10 min prepared time under TTIP: 2-PP ratio of 1:30 and pH of 2 .The effect of prepared condition on grain size, microstructure, surface morphology, thickness, distribution and photocatalytic activity were investigated. Surface morphology of TiO2 and TiO2/AC formed grain as knobby shape while F-TiO2 /AC formed nano-fiber. Photocatalytic Activity that observed by MB-decolorization with various condition of F-TiO2/AC. Under the sample to MB solution (0.05 mmol) ratio of 10g per 150 ml, the MB solution changed to be the colorless solution after treated time of 5 min. F-TiO2/AC of 500 g per 1 paddle that used to produced of 24 paddles of water wheel for treatment wastewater of 30 L. Under UV irradiation time

(4)

of 30 hr, F-TiO2/AC efficiency was better than TiO2 coated paddles of water wheel and decolorization were better than efficiency under present treatment-system of textile industry. The powder of AC with F-TiO2 showed the greatest decolorization with the of 1.086.

Keywords: TiO2, F-TiO2, Activated carbon, Surface Fluorination, Photocatalytic Activity.

(5)

กตตกรรมประกาศ

วทยานพนธเลมนสาเรจตามความหวงของผเขยนได เนองมาจากความเมตตากรณาของอาจารยทปรกษาทมพระคณยงขอกราบขอบพระคณ อาจารย ดร.สายณห ผดวฒน ทกรณารบเปนทปรกษาและเสยสละเวลาอนมคาในการใหความร คาปรกษา คาแนะนาทางวชาการ ตรวจทานและแกไขขอบกพรองดวยความเอาใจใสทกขนตอนเพอใหวทยานพนธเลมนเสรจสมบรณ ขอกราบขอบพระคณอาจารยคณะกรรมการสอบวทยานพนธ ผชวยศาสตราจารย ดร .กมล เอยมพนากจ อาจารย ดร.ปกรณ ปรชาบรณะ และผชวยศาสตราจารย ดร.นรนดร วทตอนนต ทไดกรณาใหขอเสนอแนะและใหแนวคดทเปนประโยชนตอการจดทาวทยานพนธจนสาเรจลลวงไปไดดวยด ขอกราบขอบพระคณอาจารย ขนษฐา ทหยสมทธ อาจารยประจาสาขาวชา สงแวดลอม มหาวทยาลยราชภฏบานสมเดจเจาพระยาทใหความชวยเหลอในการจดเตรยมหองปฏบตการ อกทงยงเออเฟอเครองมอทใชในการวเคราะหผลการทดลอง ขอบคณเจาหนาทภาควชาฟสกสคณะวทยาศาสตรและเทคโนโลย มหาวทยาลยธรรมศาสตรทชวยเหลอเออเฟอเครองมอทใชในการวเคราะหและสถานททางานวทยานพนธและขอบคณนางสาว รงทพย ชาตสวสดเจาหนาทบรหารงานทวไปประจาภาควชาฟสกสทคอยตดตอประสานงานใหความสะดวกตลอดมา

ขอขอบคณคณะกรรมการการวจยแหงชาตทสนบสนนทนผชวยนกวจยในการทางานวจยจากงบประมาณแผนดนประจาปงบประมาณ 2556 มหาวทยาลยธรรมศาสตร

สดทายนขอกราบขอบพระคณบดามารดาและครอบครวทสนบสนนดานการเรยนและคอยใหกาลงใจทดเสมอมา ขอขอบคณเพอนพองนองพผเคยรวมงานทเขาใจและชวยเหลอผเขยนในการเรยนและการจดทาวทยานพนธ ขอกราบขอบพระคณครบาอาจารยทกทานและมหาวทยาลยธรรมศาสตร ทประสทธประสาทวชาความรทงปวงใหแกผเขยน ประโยชนใดอนใดทไดจากการศกษาครงนผเขยนขอมอบแดบดามารดาครบาอาจารยและผมพระคณทกทาน รวมถงผทนาผลการศกษาไปตอยอดพฒนาใหเกดประโยชนแกสาธารณชนตอไป


มหาวทยาลยธรรมศาสตร

2558

(6)

สารบญ

2.2 ไทเทเนยมไดออกไซด (TiO2) 8 2.3 กระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงของ TiO2 11

หนา บทคดยอภาษาไทย (1) บทคดยอภาษาองกฤษ (3) กตตกรรมประกาศ (5) สารบญตาราง (11) สารบญภาพ (12) รายการสญลกษณและคายอ (17) บทท 1 บทนา 1 1.1 ความสาคญและทมาของการวจย 1 1.2 วตถประสงคของการศกษา 3 1.3 ขอบเขตของโครงงาน 3 1.4 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ 4 1.5 ระยะเวลาในการดาเนนงาน 4 บทท 2 วรรณกรรมและงานวจยทเกยวของ 6 2.1 กระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสง 6

2.4 กระบวนการยดเกาะทผวหรอกระบวนการดดซบทผว 13 2.5 กลไกการดดซบ 14 2.6 ถานกมมนต 14 2.6.1 โครงสรางและคณสมบตของถานกมมนต 15 2.7 เมทลนบล (methylene blue) 17 2.8 กระบวนการเตรยมฟลมดวยเทคนคโซล-เจลและ

กระบวนการเคลอบแบบจมเคลอบ

17 2.8.1 การเกดเจล 20 2.8.2 ตวเรงปฏกรยาในกระบวนการโซล-เจล 20 2.8.3 การเตรยมโซล–เจล 21 2.8.4 การเคลอบแบบจมเคลอบ 22 2.8.5 การเคลอบแบบหมนเหวยง (spin coating) 24

(7)

3.2 การตรวจวดและการวเคราะห 32 3.3 สารเคม อปกรณและเครองมอ 34

3.5 การวเคราะหคณลกษณะเฉพาะและความสามารถ ของกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงของ TiO2/AC และ F- TiO2/AC

43 3.5.1 การศกษาลกษณะพนผวของ TiO2 F- TiO2

TiO2/AC และ F- TiO2/AC

43

2.9 การเตมฟลออรนบนพนผว TiO2 (fluorination on surface of TiO2)

25

2.10 การทบทวนวรรณกรรมสารสนเทศ (information) ทเกยวของ

25

2.10.1 การเตรยมผวเคลอบ TiO2 และ F-TiO2 โดยเทคนคโซล-เจล

26

2.10.2 การวเคราะหผวเคลอบ TiO2 และ F-TiO2 29 2.10.3 การศกษาประสทธภาพในการบาบดนาเสย 30 บทท 3 วธการวจย 3.1 การเตรยม TiO2/AC และ F- TiO2/AC 32

3.3.1 สารเคมและวสดอปกรณในการเตรยมผวเคลอบ และการตรวจสอบ

34

3.3.2 เครองมอและอปกรณในการเตรยม 35 3.4 การเตรยมตวอยาง 36 3.4.1 การเตรยมโซล-เจล 37 3.4.2 การเตรยมผวเคลอบ TiO2 จากโซล-เจลบน

AC และแผนสแตนเลส

38 3.4.3 การเตรยมผวเคลอบ TiO2 เกรดทางการคา

ลงบน AC

41 3.4.4 การเตมฟลออรนลงบนพนผวของ TiO2

และ TiO2/AC 42

3.5.2 ยว-วสสเบล สเปกโตรสโคป 43 3.5.3 การศกษาความสามารถของกระบวนการเรง

(8)

4.1.1 ลกษณะพนผวของ TiO2/AC และ F-TiO2/AC

58

4.1.2 ความสามารถในการจางส MB ของ TiO2/AC และ F-TiO2/AC

59

5.1.1 การเตรยมTiO2/AC และ F-TiO2/AC 80 5.1.2 การออกแบบกงหนนา 81

ปฏกรยาแสงของ TiO2 F-TiO2 TiO2/AC และ F-TiO2/AC

44

3.6 การออกแบบและสรางกงหนนา 45 3.7 การบาบดนาเสยจากโรงงานอตสาหกรรมสงทอ

47

บทท 4 ผลการวจยและอภปรายผล 48 4.1 การศกษา TiO2/AC และ F-TiO2/AC 48

4.1.3 ความสามารถในการบาบดนาเสยจากโรงงาน อตสาหกรรมของ TiO2 และ F-TiO2/AC

63

4.1.4 ความสามารถในการจางส MB ของ TiO2

เกรดทางการคาและ AC แบบผง

69 4.2 ศกษาประสทธภาพการบาบดนาเสยจาก

โรงงานอตสาหกรรมสงทอของกงหนนา TiO2

และ F-TiO2/AC

73 4.2.1 คณลกษณะของนาเสย 74 4.2.2 การบาบดนาดวยกงหนทมสวนประกอบ

ของ TiO2 และ F-TiO2/AC

75 4.2.3 ประสทธภาพการบาบดนาเสยจาก

โรงงานอตสาหกรรมสงทอดวยกงหนทเตรยม จากการเคลอบ TiO2 และแผนใบพด F-TiO2/AC

77 บทท 5 สรปผลการวจยและขอเสนอแนะ 80 5.1 สรปผลการทดลอง 80

5.1.3 การเตรยมใบพดกงหนนา 82 5.1.4 ประสทธภาพในการบาบดนาเสยจาก

(9)

โรงงานอตสาหกรรมสงทอ 82 5.2 ขอเสนอแนะ 82 บทท 5 สรปผลการวจยและขอเสนอแนะ 80 รายการอางอง ประวตผเขยน

(10)

สารบญตาราง

ตารางท หนา 1.1 ขนตอนและระยะเวลาในการดาเนนงาน 4 2.1 สมบตทางกายภาพและโครงสรางของ TiO2 เฟสอนาเทส 9 2.2 สมบตทางกายภาพของ TiO2 เฟสรไทล 10 2.3 สมบตทางกายภาพของTiO2 เฟสบรคไคท 10 2.4 สมบตของสารกงตวนา 11 2.5 หมลแกนดทนยมใชเปนสารตงตนในกระบวนการโซล-เจล 19 3.1 สารเคมและวสดอปกรณในการเตรยมผวเคลอบและ

การตรวจสอบ

34 3.2 เครองมอและอปกรณในการเตรยมตวอยาง 35 3.3 เครองมอทใชในการตรวจสอบคณลกษณะเฉพาะ 35 4.1 ลกษณะทางสณฐานวทยา ขนาดรพรน ขนาดอนภาค

และขนาดเสนใย คาคงทเวลา ของ AC TiO2/AC และ F- TiO2/AC ตามเงอนไขอตราสวนของ TTIP:2PP

59

(11)

สารบญภาพ

ภาพท หนา 2.1 กระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงของอนภาคสารกงตวนา 7 2.2 โครงสรางผลกพนฐานของ TiO2 8 2.3 การดดซบทางกายภาพ 14 2.4 แบบจาลองโครงสรางผสมของถานกมมนตและการดดซบ

สารอนทรย

16 2.5 แบบจาลองกลไกการยอยสลายสารสโดย TiO2 บนรพรน

ของ AC

17 2.6 โครงสรางเมทลลนบล 17 2.7 การเปลยนสถานะจาก“โซล”กลายเปน“เจล”

2.8 การโตของโพลเมอรและการเกดเจล

(a) สภาวะทใชกรดเปนตวเรงปฏกรยา (b) สภาวะทใชเบสเปนตวเรงปฏกรยา 21 2.9 กระบวนการเตรยมโซล-เจล

2.10 ขนตอนการจมเคลอบแบบกะ (a) Immersion (b) Start Up

22

(c) Deposition and Drainage (d) Evaporation (e) Drainage 23 2.11 การเคลอบแบบหมนเหวยง 24 3.1 เงอนไขการเตรยมตวอยางสาหรบศกษาการยอยสลายของ MB 33 3.2 เงอนไขการเตรยมตวอยางสาหรบการบาบดนาเสย MB 33 3.3 เครองสเปกโตรไฟโตมเตอร รน UV 1100 36 3.4 การวเคราะหโครงสรางจลภาคดวยเครอง FE-SEM 36 3.5 ขนตอนการเตรยมโซล-เจล

3.6 การเคลอบผวแบบเคลอบจม TiO2/AC 37 38

3.7 ขนตอนการเตรยมผวเคลอบ TiO2/AC 39 3.8 การเคลอบผวแบบเคลอบจม TiO2/AC Powder 40

(12)

3.9 การเคลอบผวแบบเคลอบ TiO2 เกรดทางการคา/AC 41 3.10 ขนตอนการเตมฟลออรนลงบน TiO2/AC เพอสรางตวอยาง F-TiO2/AC 42 3.11 กงหนนาและการตดตง

(a) กงหนนาชนดเคลอบ TiO2 (b) กงหนนาทประกอบดวยใบพด F-TiO2/AC

(c) การตดตงสาหรบบาบดนาเสยของ AC 3.12 การประกอบกงหนนาทประกอบดวยใบพด F-TiO2/AC 3.13 นาเสยอตสาหกรรมสงทอจากโรงงานจงสถตย จากด 4.1 ภาพถายดวยเทคนค FE-SEM เปรยบเทยบความแตกตาง

45 46 47

ลกษณะพนผวของ TiO2/AC และ F-TiO2/AC ทกาลงขยาย 5,000 และ 100,000 เทา จานวนรอบในการเคลอบ 1 รอบ

เวลาในการจมเคลอบท 10 min. คา pH ในตวอยาง F-TiO2 คอ 2

50

4.2 ภาพถายดวยเทคนค FE-SEM เปรยบเทยบความแตกตาง ลกกษณะพนผวของ TiO2/AC และ F-TiO2/AC ทกาลงขยาย 5,000 เทาทอตราสวน TTIP:2PP 1:30 จานวนรอบในการ

เคลอบ 1 รอบเวลาในการจมเคลอบท 1 5 และ 10 min. ตามลาดบ คา pH ในตวอยาง F-TiO2 คอ 2

51 4.3 ภาพถายดวยเทคนค FE-SEM เปรยบเทยบความแตกตาง

ลกษณะพนผวของ TiO2/AC และ F-TiO2/AC ทกาลงขยาย 5,000 เทา อตราสวน TTIP:2PP 1:30 ทเวลาในการเคลอบ 1 min. จานวน รอบในการเคลอบท 1 3 และ 5 รอบ คา pH ในตวอยาง F-TiO2 คอ 2

52 4.4 ภาพถายดวยเทคนค FE-SEM ทกาลงขยาย 5,000 และ 100,000 เทา เปรยบเทยบความแตกตางลกษณะพนผว

ของ F-TiO2/ACทเตรยมดวยคา pH ทแตกตางกน

คอท pH=2 และ pH= 4 ทอตราสวน TTIP:2PP 1:30 จานวนรอบในการเคลอบ 1 รอบเวลาในการเคลอบ 10 min. 53 4.5 สเปคตรมการดดกลนของ MB ทม F-TiO2/AC เปนตวเรง

(13)

ปฏกรยาดวยแสงทอตราสวน TTIP:2PP 1:5 1:15 และ 1:30 เวลาฉายแสง UVA ท 5 min.เปรยบเทยบกบ Pure MB และ AC 54

4.6 สเปคตรมการดดกลนของ MB ทม TiO2/AC และ F-TiO2/AC เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสง ทอตราสวน

TTIP:2PP 1:30 เวลาฉายแสง UVA ท 5 min. เปรยบเทยบกบ Pure MB และ AC 55 4.7 ภาพถายสารละลาย MB เปรยบเทยบการจางสระหวาง

TiO2/AC (1:5) TiO2/AC (1:30) และ F-TiO2/AC (1:30)

เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสงทเวลาในการฉายแสงตางกน คอ 1 3 และ 5 min. 4.8 การเปรยบเทยบการดดกลนทเวลาตางๆของ MB หลง การฉายแสงตลอดชวงเวลา 5 min ภายใตการเรงปฏกรยา ดวยแสงของ TiO2/AC ทอตราสวน TTIP: 2PP 1:5 1:15

56

และ 1:30 เปรยบเทยบ กบ AC 4.9 การเปรยบเทยบการดดกลนทเวลาตางๆของ MB หลงการ

57

ฉายแสงตลอดชวงเวลา 5 min ภายใตการเรงปฏกรยาดวยแสง ของ F-TiO2/AC ทอตราสวน TTIP:2PP 1:5 1:15 และ 1:30 เปรยบเทยบกบ AC

4.10 การเปรยบเทยบการดดกลนของ MB หลงการฉายแสงชวงเวลา 5 min. ภายใตการเรงปฏกรยาดวยแสงของ F-TiO2/AC เมอเปลยนคาเวลาในการจมเคลอบท 1 5 และ 10 min. ทอตราสวน TTIP:2PP 1:30 คา pH = 2 เปรยบเทยบกบ AC 4.11 การเปรยบเทยบการดดกลนของ MB หลงการฉายแสงชวงเวลา 5 min. ภายใตการเรงปฏกรยาดวยแสงของ F-TiO2/AC เมอเปลยนจานวนรอบในการเคลอบ ท 1 3 และ 5 รอบ คา pH = 2 เปรยบเทยบกบ AC

58

60

61

(14)

4.12 การเปรยบเทยบการดดกลนของ MB หลงการฉายแสง ชวงเวลา 5 min. ภายใตการเรงปฏกรยาดวยแสงของ F-TiO2/AC เมอเปลยนคา pH = 2 และ pH = 4 ทเวลาในการจมเคลอบ 10 min. จานวนรอบในการเคลอบ 1 รอบ ทอตราสวน TTIP: 2PP 1:30 เปรยบเทยบกบ AC 4.13 สเปคตรมการดดกลนของนาเสย โดยม TiO2/AC เปนตวเรง ปฏกรยาดวยแสงทอตราสวน TTIP:2PP 1:5 1:15 และ 1:30 เปรยบเทยบกบ Pure Wastewater และ AC หลงถกฉายแสง UV (a) ทเวลาฉายแสง 1 hr. (b) ทเวลาฉายแสง 6 hr. 4.14 สเปคตรมการดดกลนของนาเสย โดยม F-TiO2/AC เปนตวเรง ปฏกรยาดวยแสงทอตราสวน TTIP:2PP 1:5 1:15 และ 1:30 ทเปรยบเทยบกบ Pure Wastewater และ AC หลงถก ฉายแสง (a) ทเวลาฉายแสง 1 hr. (b) ทเวลาฉายแสง 6 hr. 4.15 ภาพถาย (a) นาเสยจรงจากโรงงาน ภาพถาย (b) นาเสยทบาบดดวย F-TiO2/AC เปนเวลา 6 hr. 4.16 สเปคตรมการดดกลนของนาเสย โดยม F-TiO2/AC เปนตวเรง ปฏกรยาดวยแสงทอตราสวน TTIP:2PP 1:30 ทเวลาฉายแสง UV ทเวลาตางๆตลอด 6 hr. เปรยบเทยบกบ Pure Wastewater และ AC 4.17 สเปคตรมการดดกลนของนาเสยเปรยบเทยบกบ TiO2/AC และ F-TiO2/AC เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสง ทอตราสวน TTIP:2PP 1:30 เปรยบเทยบกบ Pure Wastewater และ AC หลง ถกฉายแสง UV (a) 1 hr. (b) 6 hr. 4.18 ความเขมขนของ MB หลงการฉายแสงภายใตการเรงปฏกรยา ดวยแสงของ AC Bulk AC Powder Rutile/AC Bulk F-Rutile/AC Bulk Anatase/AC Bulk F-Anatase/AC Bulk TiO2 /AC BulkF-TiO2 /AC Bulk Rutile/AC Powder F-Rutile/AC Powder Anatase/AC Powder F-Anatase/AC Powder TiO2 /AC Powder และ F-TiO2 /AC Powder ทเวลาฉายแสงตางๆ

62 64 65 67

(15)

a) เปรยบเทยบ TiO2 /AC Bulk และ F-TiO2 /AC Bulk ทเวลาฉายแสงท 5 และ 30 min. b) เปรยบเทยบ AC Bulk และ AC Powder ทเวลาฉายแสง ท 5 และ 30 min. c) เปรยบเทยบ TiO2 เกรดทางการคาและ TiO2 ทเตรยมจาก กระบวนการโซล-เจลรวมกบ AC Bulk และAC Powder ทเวลาฉายแสงท 5 และ 30 min. d) สเปคตรมการดดกลนของ MB ทม TiO2 /AC Bulk TiO2 /AC Powder F-TiO2 /AC BulkF- TiO2 /AC Powder เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสงทเวลาฉายแสงท 5 และ 30 min. e) สเปคตรมการดดกลนของ MB ทม Rutile/AC Bulk F-Rutile/AC Bulk Anatase/AC Bulk F-Anatase/AC Bulk TiO2 /AC Bulk และ F-TiO2 /AC Bulk เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสงทเวลา ฉายแสงท 5 และ 30 min. f) สเปคตรมการดดกลนของ MB ทม Rutile/AC Powder F-Rutile/AC Powder Anatase/AC Powder F-Anatase/AC Powder TiO2 /AC Powder และ F-TiO2 /AC Powder เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสงทเวลา ฉายแสงท 5 และ 30 min. 4.19 กระบวนการบาบดนาเสยจากระบบบาบดนาเสยของ โรงงานจงสถตย จากด 4.20 ลกษณะนาเสยจากระบบหลอเยนของโรงงานอตสาหกรรม สงทอของโรงงานจงสถตย จากด 4.21 กงหนนาและการตดตง (a) กงหนนาชนดเคลอบ TiO2 (b) กงหนนาทประกอบดวยใบพด F-TiO2/AC (c) การตดตงสาหรบบาบดนาเสย

68 69 72 74

(16)

4.22 ภาพถายหลงการบาบดนาเสยดวยกงหนนาทใบพดม สวนประกอบของ TiO2 และ F-TiO2/AC ทเวลาตางๆ หลงจากผานการบาบดเปนเวลาทงหมด 30 hr. 4.23 ภาพถายหลงการบาบดนาเสยดวยกงหนนาทใบพดม สวนประกอบของ F-TiO2/AC เปรยบเทยบการบาบดนาเสย กบนาเสยขาออกจากโรงงานทเวลา 24 hr.

76 77

(17)

รายการสญลกษณและคายอ

สญลกษณ/คายอ คาเตม/คาจากดความ TiO2 F-TiO2 AC AC Bulk AC Powder TiO2/AC F-TiO2/AC

AC Bulk TiO2

AC Bulk F-TiO2

AC Powder TiO2

AC Powder F-TiO2

AC Bulk Rutile AC Bulk F-Rutile

AC Bulk Anatase AC Bulk F-Anatase

ไทเทเนยมไดออกไซด ไทเทเนยมไดออกไซดทผานการเจอฟลออรนทผว ถานกมมนต ถานกมมนตแบบเมด ถานกมมนตแบบผง ไทเทเนยมไดออกไซดเคลอบถานกมมนต ไทเทเนยมไดออกไซดเคลอบถานกมมนตและผานการเจอฟลออรนทผว ไทเทเนยมไดออกไซดเคลอบถานกมมนตแบบเมด ไทเทเนยมไดออกไซดเคลอบถานกมมนตแบบเมดและผานการเจอฟลออรนทผว ไทเทเนยมไดออกไซดเคลอบถานกมมนตแบบผง ไทเทเนยมไดออกไซดเคลอบถานกมมนตแบบผง และผานการเจอฟลออรนทผว

ถานกมมนตแบบเมดผสมกบไทเทเนยมไดออกไซดเกรดทางการคาเฟสรไทล 100% ถานกมมนตแบบเมดผสมกบไทเทเนยมไดออกไซดเกรดทางการคาเฟสรไทล 100% และผานการเจอฟลออรนทผว

ถานกมมนตแบบเมดผสมกบไทเทเนยมไดออกไซดเกรดทางการคาเฟสอนาเทส 100% ถานกมมนตแบบเมดผสมกบไทเทเนยมไดออกไซดเกรดทางการคาเฟสอนาเทส 100% และผานการเจอฟลออรนทผว

(18)

AC Powder Rutile

AC Powder F-Rutile AC Powder Anatase AC Powder F-Anatase

2pp (2-propanal) NaF HCl Photocatalysis process pH

MB (Methylene blue) FE-SEM TTIP (Titanium tetraisopropoxide)

UV (Ultra violet)

UV-Vis

Dye●+

e-

h+

F-

ถานกมมนตแบบเมดผงกบไทเทเนยมไดออกไซดเกรดทางการคาเฟสรไทล 100%

ถานกมมนตแบบผงผสมกบไทเทเนยมไดออกไซดเกรดทางการคาเฟสรไทล 100% และผานการเจอฟลออรนทผว ถานกมมนตแบบผงผสมกบไทเทเนยมไดออกไซดเกรดทางการคาเฟสอนาเทส 100% ถานกมมนตแบบผงผสมกบไทเทเนยมไดออกไซดเกรดทางการคาเฟสอนาเทส 100% และผานการเจอฟลออรนทผว

2-โพรพานอล โซเดยมฟลออไรด กรดไฮโดรคลอรก กระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสง ความเปนกรด – เบส

เมทลลนบล กลองจลทรรศน อ เลกตรอนแบบสองกราด ไทเทเนยมเตตระไอโซโพรพอกไซด

แสงเหนอมวง เครองอลตราไวโอเลตและวสเบลสเปกโทรสโคป

สยอมในสภาวะถกกระตนดวยแสง

อเลกตรอน โฮล

ฟลออไรดไอออน

1

บทท 1 บทนา

1.1 ทมาและความสาคญ

ในชวงทศวรรษทผานมาไทเทเนยมไดออกไซด (TiO2) นยมนามาประยกตสาหรบการใชงานดานตางๆ เนองจาก TiO2 ซงเมออยในบรรยากาศของนาและแสงอลตราไวโอเลต (UV) แมในความเขมนอยภายใตแสงอาทตยจะมความสามารถในการเรงปฏกรยาไดดกวาสารเคมตวอน นอกจากน TiO2 มสมบตทางกายภาพ สมบตทางเคม และสมบตทางไฟฟาทนาสนใจ อกทงเปนวสดทไมมพษและมความเสถยรสง สมบตทกาลงนยมศกษาเปนอยางมากคอ สมบตทาความสะอาดตวเอง (self-cleaning property) ซงประกอบดวยสมบต 2 อยาง ไดแก ความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสง (photocatalytic activity) และสภาพชอบนาเหนยวนาดวยแสง (photoinduced hydrophilicity) ซงสมบตเหลานสามารถนาไปประยกตใชงานได เชน การฟอกอากาศ กระจกอาคาร และการบาบดนาเสย เปนตน อธบายโดยสงเขปไดวา เมอวสดทถกเคลอบดวย TiO2 อยภายใตแสงดวงอาทตยหรอแสงจากหลอดไฟทใหแสง UV ออนๆ ทาใหวสดทถกเคลอบสามารถทาความสะอาดตวเองไดหมายถงวสดสามารถทาลายเชอทกอใหเกดโรคไดและยอยสลายคลาบสกปรกหรอสารอนทรยทมาจบเกาะใหแตกตวเปนโมเลกลทมขนาดเลกลงจนและในทสดจะกลายเปนกาซคารบอนไดออกไซดกบนา

ในปจจบนปญหาดานสงแวดลอมโดยเฉพาะนาเสยท ถกผลตขนโดยโรงงานอตสาหกรรมและครวเรอนสรางปญหาอยางมากตอคณภาพชวต กระบวนการบาบดนาเสยมหลากหลายวธการแตวธการทมประสทธภาพและกาลงไดรบความนยมในการวจย คอ กระบวนการดดซบสยอมออกจากนาเสยดวยถานกมมนต (activated carbon : AC ) เนองจาก AC มรพรนขนาด เลกจานวนมาก ทาใหความสามารถในการดดซบสง อยางไรกตามประสทธภาพการดดซบจะลดลง เมอโมเลกลของสยอมเกาะตดบนพนผวของ AC มากขน จงจาเปนตองกาจดโมเลกลของสยอมออกจากผวของ AC ดวยวธการเผาแตจะทาใหตนทนในการนา AC กลบมาใชใหมสงขนอกทงยงอาจทาใหพนทผวสมผสของAC ลดลงอกดวย ดงนนจงเรมมงานวจย TiO2 มารวมเปนตวเรงปฏกรยาดวยแสงโดยการเรงของปฏกรยาจะเกดภายใตแสง UV และเกดทผว TiO2 เมอมการฉายแสง UV ในชวงความยาวคลนทเหมาะสมกบชองวางพลงงาน (energy gap : Eg) บน TiO2 จะทาใหเกดการสรางคอเลกตรอน (e-) – โฮล (h+) โดย e- บรเวณแถบวาเลนซ (valence band) ถกกระตนใหมระดบพลงงานทสงขนและเปลยนระดบพลงงานไปยงแถบคอนดกชน (conduction band) และเกด h+ ซง

2

เปนชองวางทไมม e- ทแถบวาเลนซ h+ จะทาปฏกรยากบนาและหมไฮดรอกซล (hydroxyl : OH-) เพอทาใหเกดอนมลอสระของไฮดรอกไซด (OH ) ทมความไวในการทาปฏกรยาทาใหโมเลกลของสารอนทรยทละลายอยในนาเสยถกสลายตวเปนโมเลกลเลกลง ในขณะท e- สามารถชวยลดปรมาณโลหะหนกบางชนดทละลายอยในนาเสยไดดวยโดยการรกษาความสมดลยทางไฟฟา (electro neutrality) การผสมผสานระหวาง TiO2 และ AC จงควรมประสทธภาพเพมขนในการทจะกาจดสารอนทรยมากกวาสาร TiO2 เพยงอยางเดยว โดยตงอยบนสมมตฐานทวา AC จะมสวนชวยอยางมากในการดดซบสารอนทรยจงชวยให TiO2 ทางานดขนมประสทธภาพสงขนจงเหมาะแกการนามายอยสลายสารเจอปนในนาเสย ดงนนการเตรยมตวเรงปฏกรยา TiO2 ลงบน AC (TiO2/AC) ซงเปนตวรองรบทมความสามารถในการดดซบสงจงเปนการเพมประสทธภาพในการบาบดนาเสยเพราะมทงการดดซบสารอนทรยและยอยสลายอกทงตวดดซบนยงสามารถนากลบมาใชซาไดอกดวย [1,2]

เพอทจะศกษาการเพมประสทธภาพของการยอยสลายสารอนทรยและการเพมอตราการเรงปฏกรยาดวยแสงของ TiO2 ในงานวจยนไดศกษาการปรบปรงพนผวโดยการเตมฟลออรนลงบนพนผว (surface fluorination) ของ TiO2 (F-TiO2) เนองมาจากฟลออรนนนมสมบตทสามารถรบและจาย e- ไดด สงผลทสาคญคอเกด OH มากกวา TiO2 ทไมไดเตมฟลออรน หลกการนจงเปนกระบวนการทชวยในการเพมอตราการยอยสลายของสารอนทรยมากขน [2]

ดงนนงานวจยนจงศกษาการประยกตใช AC เคลอบ TiO2 และเตมฟลออรนบนพนผว (F-TiO2/AC) พฒนาการเคลอบ AC ดวย TiO2 ทเตรยมจากวธโซลเจล (sol-gel method) เพอศกษาสภาวะทเหมาะสม ไดแก อตราสวน TTIP:2PP จานวนรอบในการจมเคลอบ เวลาในการจมเคลอบ และ คา pH ของสารละลายโซเดยมฟลออไรด (NaF) โดยศกษาวเคราะหสมบตลกษณะโครงสราง พนผว ทดสอบกระบวนการดดซบและประสทธภาพการเรงปฏกรยาดวยแสงหาสภาวะทเหมาะสมตอการนาไปประยกตใชงาน นอกจากนงานวจยนศกษาการสรางตนแบบกงหนนาทมการออกแบบการใชงานรวมกบ F-TiO2/AC ในระดบ Lab Scale เพอนามาทดลองหาประสทธภาพในการบาบดนาเสยจรงจากโรงงานอตสาหกรรมเพอพฒนาไปใชงานจรงตอไป

3

1.2 วตถประสงคของการศกษา 1.2.1 เพอศกษาอทธพลของ TiO2 โดยศกษา 2 เกรดคอ TiO2 เกรดทางการคาและ TiO2 ท

เกดจากการเตรยมโดยวธโซล-เจลรวมกบ AC

1.2.2 เพอศกษากระบวนการเตรยมและหาเงอนไขทเหมาะสมของ F-TiO2/AC 1.2.3 เพอศกษากระบวนการเรงฏกรยาดวยแสงของ F-TiO2/AC 1.2.4 เพอพฒนาและสรางองคความรสาหรบการเคลอบ TiO2 และ F-TiO2 ลงบน AC เพอ

นาไปประยกตทากงหนนาสาหรบการบาบดนาเสยจากอตสาหกรรมสงทอ โดยใชเทคโนโลยการเคลอบแบบจม (dipped coating) โดยเทคนคโซล-เจล

1.2.5 ออกแบบและสรางกงหนนาทม F-TiO2/AC และ TiO2/AC เปนองคประกอบของกงหน เพอทดสอบประสทธภาพในการบาบดนาเสยจากอตสาหกรรมสงทอ

1.3 ขอบเขตของโครงงาน 1.3.1 สงเคราะห TiO2 ดวยเทคนคโซล-เจล 1.3.2 เตรยม F-TiO2/AC 1.3.3 ศกษาลกษณะสญฐานของ F-TiO2/AC ดวยกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด

(field emission scanning electron microscope: FESEM) 1.3.4 ทดสอบการสลายตวเชงแสงของเมทลลนบล (methylene blue: MB) ของ TiO2/AC

และ F-TiO2/AC ดวยเครองอลตราไวโอเลตและวสเบลสเปกโทรสโคป (UV-VIS spectroscope: UV-VIS)

1.3.5 สรางและออกแบบกงหนระดบ Lab scale เพอทดสอบประสทธภาพในการบาบดนาเสยจากโรงงานอตสาหกรรมสงทอ

1.4 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ

1.4.1 สรางองคความรในการเคลอบ TiO2 ลงบน AC เพอการประยกตใชเปน Photocatalytic Surface สาหรบการบาบดนาเสยและการปรบปรงพนผวโดยการเตมฟลออรนลงบนพนผวของ TiO2 เพอเพมประสทธภาพของการยอยสลายสารอนทรยหรอเพมอตราการเรงปฏกรยาดวยแสง เพอขอมลพนฐานสาหรบการพฒนาตวเรงปฏกรยาทางแสงและการประยกตใชในการบาบดนาเสยจากโรงงานอตสาหกรรมสงทอ

1.4.2 สรางกงหนนาบาบดนาเสยระดบ Lab scale ทใชงานรวมกบ F-TiO2/AC เพอบาบดนาเสยจากโรงงานอตสาหกรรมสงทอ

4

1.4.3 นาความรทไดจากโครงงานวจยมาเผยแพรในงานประชมวชาการหรอวารสารระดบชาตหรอนานาชาต

1.5 ระยะเวลาในการดาเนนงาน

ตารางท 1.1

ขนตอนและระยะเวลาในการดาเนนงาน

แผนการดาเนนงาน ป 2556

ม.ค-ม.ค เม.ย-ม.ย ก.ค-ก.ย ต.ค-ธ.ค

1. คนควาและรวบรวมขอมล งานวจยทเกยวของ

การดาเนนงานในหองปฏบตการ

2. ศกษาการเตรยม TiO2/AC และ F-TiO2/AC ซงม เกรดทางการคาและทเกดจากการเตรยมโดย Sol-Gel Process ทเงอนไขตางๆ

3. เตรยม TiO2/AC และ F-TiO2/AC ทเงอนไขตางๆ

5



4. นา TiO2/AC และ F-TiO2/AC มาทดสอบความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงกบ MB ทเงอนไขตางๆ

5. นา TiO2/AC และ F-TiO2/AC มาทดสอบความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงกบนาเสยจากโรงงานอตสาหกรรมสงทอทเงอนไขตางๆ

6. วเคราะหสมบตตางๆของ TiO2/AC และ F-TiO2/AC ทไดจากการเตรยม - โครงสรางจลภาคของฟลม - Photocatalytic Activity

7. สรปเงอนไขการเตรยม F-TiO2/AC



การดาเนนงานในหองปฏบตการ

8. ออกแบบและสรางกงหนนาท

ม F-TiO2/AC เปนองคประกอบ

ของกงหน

6



9. นากงหนมาทดสอบประสทธภาพในการบาบดน าเสยจากโรงงานอตสาหกรรมสงทอ

10. สรปผลการทดลองและจดทารายงาน

7

บทท 2

วรรณกรรมและงานวจยทเกยวของ

ในงานวจยนมขอมลพนฐานทสาคญในการดาเนนการวจยไดแก กระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสง ตวเรงปฏกรยาดวยแสง กระบวนการยดเกาะทผวหรอกระบวนการดดซบทผว และขอมลพนฐานในการตรวจสอบประสทธภาพในการบาบดนาเสยและเอกสารงานวจยทเกยวของ เปนตน

2.1 กระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสง

กระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสง (photocatalysis) เปนการเรงปฏกรยาโดยใชตวเรงปฏกรยา (catalysts) ซงทาหนาทลดพลงงานกระตนของการเกดปฏกรยาซงตวมนเองตองใชแสงเขารวมในการเรงปฎกรยา โดยจะเกดการกระตนไดเมอมการดดกลนแสงทมพลงงานมากกวาหรอเทากบแถบชองวางพลงงาน (energy band gap) ในงานวจยนเปนกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงแบบสถานะตาง (heterogeneous photocatalysis) เปนกระบวนการทใชตวเรงปฏกรยาทมสถานะตางกบสารอนทรยทตองการยอยสลายซงสวนใหญแลวเปนการเรงปฏกรยาใชตวเรงปฏกรยาทเปนสารกงตวนา โดยอาศยการกระตนจากแสงซงปฏกรยาเกดบรเวณผวของสารกงตวนาจะไปเพมอตราเรวของการเกดปฏกรยาในกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงใหเกดไดเรวยงขน

กระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงแบบสถานะตางจะเกดขนทผวของสารกงตวนาสามารถสรปได 5 ขนตอนดงรปท 2.1 คอ

(1) สารกงตวนาดดกลนแสงทมพลงงานมากกวาหรอเทากบคาแถบชองวางพลงงาน ทาใหเกดการสรางค e-– h+ ขน โดยท e- จะถกกระตนใหไปอยทแถบนาและ h+ อยทแถบวาเลนซ

(2) ค e-– h+ ถกนาสตาแหนงทเหมาะสมทผวเนองจากพลงงานทไดรบ

(3) ค e-– h+ บางสวนกลบมารวมกนใหมอกครง (recombination)

(4) ค e-– h+ ทผวดดจบกบโมเลกลทเขามาทาปฏกรยาออกซเดชน – ปฏกรยารดกชน

(5) ไดผลตภณฑใหมทชวยในการเรงปฏกรยาดวยแสงหรอเปนสารผลตภณฑทเกดจากการเรงปฏกรยาดวยแสง [3]

8

ภาพท 2.1 กระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงของอนภาคสารกงตวนา

สาหรบกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงเปนวธการหนงทใชในการบาบดสารทเจอปนอยในนาและในอากาศซงกระบวนการประกอบไปดวย 2 สวนคอกระบวนการยดเกาะทผวหรอกระบวนการดดจบทผวและกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสง

เมอสารกงตวนาถกฉายดวยแสงทมพลงงานมากกวาหรอเทากบ Eg ของสารกงตวนาจะทาใหเกดการสรางค e- - h+ ดงสมการ [4]

hehTiO2 (2.1 a)

ซงค e- - h+ มบทบาทในการเกดปฏกรยาออกซเดชน-รดกชน โดย e- ทาใหเกดปฏกรยารดกชนกบสารอนทรย

AAe (2.1 b)

และ h+ ทาใหเกดปฏกรยาออกซเดชนกบสารอนทรยหรอไอออนตางๆ

DDh (2.1 c)

เมอ A และ D คอตวรบ e- และตวให e- ตามลาดบ

9

2.2 ไทเทเนยมไดออกไซด

ไทเทเนยมไดออกไซด (TiO2) เปนสารกงตวนา (semiconductor) ประเภท n-type และเปนสารเรงปฏกรยาดวยแสง TiO2 ไดถกคนพบกอนหนานมาหลายทศวรรษ ซงนาไปใชงานอยางแพรหลายยกตวอยางเชน ใชเปนสวนประกอบในเครองสาอาง อาหาร และสงกอสราง เปนตน เนองจาก TiO2 ถกจดอยในกลมของสารทปลอดภยไมใชสารทอยในกลมของสารกอมะเรงและสารทกอใหเกดการกลายพนธ ดวยเหตนจงสรปไดวา TiO2 ไมใชสารพษ โครงสรางผลกพนฐานของ TiO2

สามารถแบงออกเปน 3 แบบดงน

1. อนาเทส (anatase) มโครงสรางผลกเตตระโกนอล (tetragonal)

2. รไทด (rutile) มโครงสรางผลกเตตระโกนอล (tetragonal)

3. บรคไคท (brooklite) มโครงสรางผลกแบบออทอรอมบค (orthorhombic)

ภาพท 2.2 โครงสรางผลกพนฐานของ TiO2 [5]

TiO2 มชองวางพลงงานของโครงสรางผลกอานาเทส รไทลและบรคไคทมคาเทากบ 3.2 eV 3.0 และ ~3.2 eV ตามลาดบ โดย TiO2 ทมโครงสรางแบบอนาเทส จะมความสามารถในการเกดกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงทดกวาโครงสรางแบบรไทล [6] เนองจากการกลบมารวมตวกนใหม

10

ของค e- - h+ เกดไดยากกวาโครงสรางแบบรไทด ในขณะทโครงสรางแบบรไทลมคาดชนหกเหของแสง (refractive index) สงกวาโครงสรางแบบอนาเทสและมความเสถยรทอณหภมสง โดยทวไปแลวโครงสรางผลกแบบอนาเทสและรไทดเปนทนยมนามาศกษากระบวนการเรงปฏ กรยาดวยแสง โครงสรางผลกอนาเทสใหประสทธภาพในการเรงปฏกรยาสงกวาโครงสรางผลกรไทด [7] แตอยางไรกตามยงมตวแปรอกหลายอยางทสงผลกระทบตอประสทธภาพในการเรงปฏกรยาของแตละโครงสรางผลกของ TiO2 ไดแก พนทผว ขนาดของอนภาคผลก และทสาคญมากคอวธการทใชในการสงเคราะหผลก TiO2 สวนโครงสรางแบบบรคไคทยงไมมการศกษากนมากนก สมบตทางกายภาพและโครงสรางของ TiO2 ทงสามเฟสแสดงดงตารางท 2.1 - 2.3

ตารางท 2.1 สมบตทางกายภาพและโครงสรางของ TiO2 เฟสอนาเทส [8]

Material name Anatase

Composition TiO2

System Tetragonal

Temperature (˚C) 25

a(Å), b(Å), c(Å) 3.7842 (13) 3.7842 (13) 9.5146 (15) α(deg), (deg), (deg) 90 90 90

Unit cell volume (Å3) 136.3

Dx (g/cm3) 3.89 Atom Site G x/a y/b z/c B (Å2)

Ti 4a 1 0 0 0 0.390 (63)

O 8e 1 0 0 0.2081 (2) 0.613 (90)

11

ตารางท 2.2 สมบตทางกายภาพของ TiO2 เฟสรไทล [8]

Material name Rutile

Composition TiO2

System Tetragonal

Temperature (˚C) 25

a(Å), b(Å), c(Å) 4.593 (2) 4.593 (2) 2.959 (2) α(deg), (deg), (deg) 90 90 90

Unit cell volume (Å3) 62.42 Dx (g/cm3) 4.25

Atom Site G x/a y/b z/c B (Å2)

Ti 2a 1 0 0 0 0.42 (6) O 4e 1 0.3051 (7) 0.3051 (7) 0 0.6 (6)

ตารางท 2.3 สมบตทางกายภาพของTiO2 เฟสบรคไคท [8]

Material name Brooklite Composition TiO2

System Orthorhombic Temperature (˚C) 25

a(Å), b(Å), c(Å) 9.174 (2) 5.449 (2) 5.138 (2)

α(deg), (deg), (deg) 90 90 90 Unit cell volume (Å3) 257

Dx (g/cm3) 4.13

Atom Site G x/a y/b z/c B (Å2) Ti 8c 1 0.1289 (1) 0.0972 (1) 0.8628 (1) 0.37 (3)

O1 8c 1 0.0095 (4) 0.0095 (5) 0.1835 (5) 0.46 (6)

O2 8c 1 0.2314 (4) 0.1110 (4) 0.5366 (6) 0.53 (7)

12

นอกจาก TiO2 ยงมสารกงตวนาอนๆทอาจนามาใชเปนตวเรงปฏกรยาดวยแสง แสดงดงตารางท 2.4

ตารางท 2.4 สมบตของสารกงตวนา [9]

วสด พลงงานแถบชองวาง (eV) ความยาวคลนทสอดคลองกบพลงงานแถบชองวาง (nm)

BaTiO3 3.3 375 Cdo 2.1 590

Cds 2.5 497 CdSe 1.7 730

Fe2O3 2.2 565

GaAs 1.4 887 GaP 2.3 540

SnO2 3.9 318

SrTiO3 3.4 365 TiO2 3.2 390

WO3 2.8 443 ZnO 3.2 390

Zns 3.7 336

2.3 กระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงของ TiO2

กระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงนยมใชสาร TiO2 ขนาดอนภาคระดบนาโนเปนตวเรงปฏกรยาเนองจากไมเปนพษ ความสามารถในการละลายตาและมความเสถยรสง โดยกระบวนการเรงปฏกยาดวยแสงของ TiO2 จะทางานไดภายใตการกระตนของแสงในชวงแสง UV กลาวคอ Eg ของสารกงตวนา TiO2 คานวณหาไดจาก

โดยท E คอพลงงานของโฟตอน (อนภาคของคลนแมเหลกไฟฟา) เทากบคาคงทของ hE

13

พลงค (Planck’s constant) มคาประมาณ 6.625 x 10-34 J . s และความถของคลนแมเหลกไฟฟา

(Hz)

c

โดยท c คอ อตราเรวแสงในสญญากาศมคาประมาณ 3x108 m/s และ คอ ความยาว

คลน (nm)

จะได chE

nm

sm810x3sJ3410x625.6

E

nm

sJ2610x875.19E

โดยท 1 eV = 1.602x10-19 J

ดงนน

nm

nm.eV1240gE

(2.2)

เมอ คอความยาวคลนของแสงและ Eg ของ TiO2 ในเฟสอนาเทสและรไทลมคา 3.26 และ 3.05 eV ตามลาดบ เมอแสงในชวง UV ตกกระทบ TiO2 ซงเปนชวงแสงทมพลงงานเหมาะสมทจะไปกระตนให e- ไปอยยงแถบการนาและเกด h+ ในแถบวาเลนซ ทาใหเกดปฏกรยาออกซเดชน-รดกชนขนทผวรอยตอระหวางสารกงตวนากบสงแวดลอม ในกรณทวไปสาหรบบรรยากาศปกตเมอมแสงเขาตกกระทบผลกปฏกรยาทผวรอยตอระหวางตวเรงปฏกรยา TiO2 กบสภาพแวดลอมทมนาและออกซเจนจะเปนไปตามสมการดงน [10]

เมอแสงกระตน TiO2 จะเกดปฏกรยาสรางค e- - h+

hehTiO2 υ (2.3 a)

โฮลทเกดขนเมอทาปฏกรยากบไฮดรอกซลไอออน (OH-) ทเกดจากการแตกตวของนาจะไดผลตภณฑเปน OH

OHHhOHHOH2 (2.3 b)

อเลกตรอนทาปฏกรยากบออกซเจนเกดเปนซปเปอรออกไซดเรดคอล ( 2O )

(2.3 c) 22 OOe

14

2O ทาปฏกรยากบโปรตอน (H+) ทเกดจากการแตกตวของนาจะเกดผลตภณฑเปนเปอรไฮดรอกซล

เรดอล ( 2HO )

(2.3 d)

เมอ 2HO ทาปฏกรยากบ

2HO จะเกดผลตภณฑเปนไฮโดรเจนเพอรอกไซด (H2O2)

(2.3 e)

และ

2HO ทาปฏกรยากบ e- จะเกดผลตภณฑเปน OH (2.3 f)

โดยทกกระบวนการจะสราง OH และ 2O ซงหมฟงชนกทงสองนจะไปทาปฏกรยากบสารอนทรยท

เจอปนในนาตอไป

2.4 กระบวนการยดเกาะทผวหรอกระบวนการดดซบทผว

การดดซบเปนความสามารถของสารดดซบ (adsorbent) ในการดงโมเลกลหรอคอลลอยด(adsorbate) ทอยในสภาวะกาซหรอของเหลวใหมาเกาะตดบนพนผวของสารดดซบซงกระบวนการดดซบนสามารถเกดขนระหวางพนผว 2 สถานะเชน กาซกบของเหลว กาซกบของแขง และของเหลวกบของเหลวหรอของเหลวกบของแขง ซงงานวจยนศกษากระบวนการดดซบทางกายภาพ (physical adsorption) การดดซบแบบนสามารถเกดแบบหลายชน (multilayers) บนพนผวของตวดดซบซงเปนการดดซบอยางออนและไมมพนธะเคมเกดขนแตจะดงดดดวยแรงแวนเดอรวาลส (van der waals) ซงแรงแวนเดอรวาลสเปนแรงยดทออนมากและเกดขนเฉพาะโมกลทอยใกลกน ดงนนคาของแรงแวนเดอรวาลสจงขนกบพนทผวสมผสระหวางโมเลกลซงมผลมาจากรปรางและขนาดของโมเลกล ซงการเกดแวนเดอรวาลสสามารถอธบายดวยฟสกสควอนตมซงกลาววาอะตอมทกชนดมอเลกตรอนเคลอนทในหลายระดบวงโคจรมตาแหนงทเปลยนแปลงอยทกขณะซงลกษณะดงกลาวทาใหเกดไดโพลโมเมนตแบบชวคราวขนสามารถเหนยวนาอะตอมใกลเคยงใหเกดไดโพลโมเมนตไดและดงดดกนในทสด ซงเปนการดงดดดวยแรงทออนจงเกดกระบวนการผนกลบไดงาย การผนกลบของการดดซบสามารถเกดขนไดโดยขนอยกบความแขงแรงของแรงดงดดระหวางตวดดซบและตวถกดดซบสารทถกดดซบสามารถเกาะอยรอบผวของสารดดซบไดหลายชน (multilayer) ดงภาพท 2.3

22 HOHO

22222 OOHHOHO

OHOHeOH 22

15

ภาพท 2.3 การดดซบทางกายภาพ [11]

2.5 กลไกการดดซบ การดดซบเปนการเคลอนยายสาร (mass transfer) จากแกสหรอของเหลวมายงของแขง

หรอของเหลวการเกาะตดบนพนผวของตวดดซบเกดขน 3 ระยะตดตอกนดงน

ระยะท1 การแพรภายนอก (external diffusion) เปนระยะทโมเลกลของตวถกดดซบในของเหลวจะเคลอนทไปเกาะอยรอบนอกของตวดดซบ

ระยะท 2 การแพรภายใน (intraparticle diffusion) เปนระยะทโมเลกลของตวถกดดซบจะฟงกระจายเขาไปในรพรนของตวดดซบ

ระยะท 3 การดดซบ (adsorption) เปนระยะทเกดการเกาะตดบนผวในรพรนระหวางตวถกดดซบและพนผวของตวดดซบการเกาะตดในระยะท 3 จะเกาะตดบนผวดวยการดดซบทางกายภาพ

2.6 ถานกมมนต

ถานกมมนต (AC) เปนถานทอยในรปคารบอนอสณฐาน (amorphous carbon) ชนดหนง แตถกผลตขนมาเปนพเศษโดยกระบวนการกอกมมนต (activation) ซงทาใหพนทผวภายใน (internal surface area) เพมขนอนเนองมาจากโครงสรางทเปนรพรนจานวนมาก จากคณสมบตเหลานจงทาให AC แตกตางจากถานชนดอน เชน ถานลกไนท ถานไม และแกรไฟต เปนตน AC มความสามารถในการดดซบสงอนเนองมาจากมพนทผวมาก มความจในการดดซบสง ผวโครงสรางเปนแบบรพรนขนาดเลกจานวนมาก (microporous structure) และมความไวในการดดซบสงโดยทรพรนนมขนาดตงแต 20-20,000 Å ดงนนพนทผวจงสงและมความจในการดดซบ (adsorption capacity) สงดวยเชนกน การวดพนทผวของ AC ทาไดโดยการหาปรมาณไนโตรเจนทถก AC ดดซบไววธวดสมรรถนะของ AC อาจกระทาไดโดยการวเคราะหคาการดดซบไอโอดน ( iodine number)

สารดดซบ

(Adsorbent)

สารทถกดดซบ (Adsorbate)

16

ซงมคาใกลเคยงกบพนทผวของ AC [12] โดยปจจยทมผลตอการดดซบไดแก ขนาดและพนทผวของสารดดซบ (size and surface area) ลกษณะของสารดดซบคาความเปนกรดเบสอณหภมและเวลาในการสมผสซงชนดของ AC ทใชในการทดลองคอ ชนดเมด I600

2.6.1 โครงสรางและคณสมบตของถานกมมนต เมอพจารณาลกษณะผวของ AC จะพบวามลกษณะเปนรพรนจานวนมากมขนาดเสนผาน

ศนยกลางแตกตางกน รพรนเหลานจะลกเขาไปในเนอของ AC อยางไมเปนระเบยบและความลกไมสมาเสมอ ลกษณะของรปรางของรพรนนนไมสามารถบอกไดแนนอนบางรพรนมลกษณะเปดขางหนงปดขางหนงบางครงเปนรปตวว ชนดของรพรนตามขนาดรศมของรพรนสามารถจดจาแนกประเภทของรพรนตามระบบ International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) ไดดงน ไมโครพอร (micropore) คอ รพรนทมขนาดรศมหรอ Half-width เลกกวา 2 nm (< 20 Å) เมโซพอร (mesopore) คอ รพรนทมขนาดรศมอยในชวง 2-50 nm (20-500 Å) แมคโครพอร (macropore) คอ รพรนทมขนาดรศมใหญกวา 50 nm (> 500 Å) [12] ไมโครพอรมความสาคญอยางมากในการดดซบเนองจากพนทการดดซบมากทสดทาใหการดดซบเพมมากขน รพรนขนาดเลกมความสมพนธกบคาพนทผวจาเพาะซงปรมาณของรพรนแตละขนาดหรอทเรยกกนวาการกระจายขนาดของรพรน (pore size distribution) จะขนอยกบชนดของวตถดบทใชและวธการกระตน โครงสราง AC สวนมากประกอบดวยรพรนกระจดกระจายโครงสรางทมแมคโครพอร มโซพอรและไมโครพอรเรยกวาโครงสรางผสม (mixed structure type) ดงภาพท 2.4 พบวาแมคโครพอรเปนทางเปดหลกสผวภายนอกอนภาคมโซพอรเปนกงออกมาจากแมคโครพอรอกทหนง

ภาพท 2.4 แบบจาลองโครงสรางผสมของ AC และการดดซบสารอนทรย [13]

ในกระบวนการกาจดนาเสยโดยการดดซบเปนการเกาะตดดวยแรงทางฟสกสมากกวาแรงทางเคม จงไมมการเปลยนโครงสรางของสารปนเปอนแตเปนการยายสารปนเปอนจากสถานะ

17

สารละลายเขาไปในของแขงเพองายในการกาจดสารปนเปอนเทานน ดงนนการนา TiO2 ทมสมบตการกระตนดวยแสง (photocatalysis) เมอ TiO2 ถกแสงทาปฏกรยากบนาทาใหโมเลกลของสารอนทรย และสทละลายอยสลายตว ซงในการประยกตใชสมบตการดดซบของ AC รวมกบกระบวนการกระตนดวยแสงของ TiO2 ชวยทาใหการบาบดนาเสยมประสทธภาพสงขน ภาพท 2.5 การกลไกของการประยกตใช TiO2 เคลอบบน AC [13]

ภาพท 2.5 แบบจาลองกลไกการยอยสลายสารสโดย TiO2 บนรพรนของ AC [13]

2.7 เมทลนบล (methylene blue)

เมทลนบล (MB) เปนสเบสค (basic dye) ทละลายนาไดมโครงสรางเปนแคทไอออนในสวนประกอบทใหส บางครงเรยกสประเภทนวาสแคทไอออนก (cationic dyes) เมอมการปนเปอนในนาเสยจะกอใหเกดมลพษ นอกจากนพษของ MB อาจทาอนตรายตอสงมชวตทอาศยอยในแหลงนาและบรเวณใกลเคยง ดงนนจงจาเปนทตองมการกาจดสในนาเสยกอนทงลงแหลงนาสาธารณะ [14]

18

ภาพท 2.6 โครงสราง MB [14]

2.8 กระบวนการเตรยมฟลมดวยเทคนคโซล–เจล และกระบวนการเคลอบแบบจมเคลอบ

กระบวนการโซล – เจลเปนหนงในกระบวนการทใชเตรยมสารเคลอบเพอเตรยมชนเคลอบ ซงกระบวนการโซล – เจล เปนกระบวนการทอาศยการเปลยนสถานะจากของเหลวทเรยกวา “โซล” ซงสวนมากอยในรปของสารแขวนลอยไปเปนของแขงกงเหลวทเรยกวา “เจล”

ภาพท 2.7 การเปลยนสถานะจาก“โซล”กลายเปน“เจล” [15]

ปฏกรยาในกระบวนการโซล – เจล ม 3 ปฏกรยาคอ ไฮโดรไลซส (hydrolysis) การควบแนนเปนนา (water condensation) และการควบแนนเปนแอลกอฮอล (alcohol condenstion) ดงสมการดานลาง มปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยาไดแก คาความเปนกรดเปน

19

ดางของตวเรงปฏกรยา อตราสวนโมลของนากบโลหะ และอณหภม ดงนนการควบคมปจจยเหลานจะทาให โซล – เจล ทไดมสมบตและโครงสรางตางกน

Hydrolysis: M-O-R+H2O -> M-OH+R-O (2.4 a)

Water condensation: M-OH+HO-M -> M-O-M+H2O (2.4 b)

Alcohol condensation: M-O-R+HO-M -> M-O-M+R-OH (2.4 c)

เมอ M แทนโลหะไดแก Si, Zr, Ti, Al, Sn, Ce และ แทนกลมอลคอลซล (alkoxyl Group)

สาหรบการเตรยม TiO2 ดวยวธโซล-เจลเปนหนงเทคนคทนยมใชในการสงเคราะหวสดนาโน เนองจากเปนวธทงายและราคาถก สามารถทาไดหลายรปแบบ เชน ผงละเอยด ฟลมบาง เสนใย และวสดกอนซงเปนสารตงตนสาหรบการผลตผลตภณฑตาง ๆ ตอไป

การเตรยมอนภาค TiO2 ดวยวธโซล-เจล มปฏกรยาเคมทสาคญไดแก ปฏกรยาไฮโดรไลซส (สมการท 2.5 a) และการควบแนน (สมการท 2.5 b และ 2.5 c) ของโลหะอลคอกไซด ซงเกดการฟอรมตวเกดเปนโครงตาขายทเรยกวา เจล [15]

Ti – OR + H2O Ti – OH + ROH (2.5 a)

Ti – OH + OR – Ti Ti – O – Ti + ROH (2.5 b)

Ti – OH + HO – Ti Ti – O – Ti + H2O (2.5 c)

เมอ R คอหมลแกนดทนยมใชเปนสารตงตนดงแสดงในตารางท 2.6 ซงแสดงถงหมลแกนดทนยมใชกนมาก เชน โลหะอลคอลไซดสามารถทาปฏกรยากบนาไดดและเปนสารอนทรยทมกจะมพนธะกบอะตอมของโลหะ


หมลแกนดทนยมใชเปนสารตงตนในกระบวนการโซล-เจล [15]

Alkyl Alkyl

Methyl •CH3 Methoxy •OCH3

Ethyl •CH2CH3 Ethoxy •OCH2CH3

n-propyl • CH2CH2CH3 n-propoxy • OCH2CH2CH3

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

20

Sec-butyl H3C(•C)HCH2CH3 Sec-butoxy H3C(•O)HCH2CH3

iso-butyl •CH2CH(CH3)2 iso-butoxy •OCH2CH(CH3)2 Teet-butyl •C(CH3)3 Teet-butoxy •OC(CH3)3

Other

Acetalacetonate H3COC(•O)CH(O•)COCH3

Acetate •OOCCH3

ทงนโมเลกลทเกดปฏกรยาไฮโดรไลซสบางสวนจะทาใหโมเลกลจานวน 2 โมเลกลมาเชอมตอกนไดโดยปฏกรยาควบแนนเปนนาและแอลกอฮอล ซงปฏกรยานจะเกดอยางตอเนองทาใหไดโมเลกลทประกอบด วยโลหะท ใหญข น เร อยๆ โดย เร ยกกระบวนการน ว า “การ เกด โพล เมอร (polymerization)” โดยทโพลเมอรจะเกดจากการทโมโนเมอรจานวนมากทเกดการสรางพนธะอยางนอย 2 พนธะ ซงจานวนพนธะทโมโนเมอร สามารถรวมตวไดเรยกวา ฟงกชนนลลต (f) ถา f=2 หรอเรยกวาเปนไบฟงกชนนลโมโนเมอร โดยจะสรางพนธะกบสองหนวยขางเคยงไดโมเลกลทมโครงสราง 2 มต แตถาโมโนเมอรมพนธะทเกดแอคทพ 3 พนธะ จะสรางโมเลกลทมโครงสราง 3 มต สามารถนาไปสการเปนกงแขนง (branching) ตอเนองกนเปนโพลเมอร อยางไรกตามภายใตสภาวะเชน ปรมาณนาลดลง จะทาใหเกดการควบแนนนอยลงสงผลใหเกดกงแขนงลดลง ถาโมโนเมอรสามารถเกดพนธะไดมากกวา 2 พนธะจะสามารถรวมตวไดโมเลกลใหญทมขนาดไมจากดและมขนาดใหญมากคอสามารถเหนดวยตาเปลาแพรกระจายไปทวทงสารละลายซงจะเรยกวาการเกดเจล

2.8.1 การเกดเจล โดยทวไปเจลจะขนอยกบการรวมตวระหวางโครงสรางของแขงและของเหลวถา

ของเหลวประกอบดวยนาเปนสวนใหญจะเรยกวา เอควาเจล (aquagel) หรอไฮโดรเจล (hydrogel) แตถาของเหลวประกอบดวยแอลกอฮอลเปนสวนใหญจะเรยกเจลนนวา อลโคเจล (alcogel) การเกดเจลในกระบวนการ โซล-เจล อาจเกดจากการระเหยอยางรวดเรวของตวทาละลายซงเกดขนในระหวางการสงเคราะหฟลมหรอไฟเบอร โดยโครงรางแหของเจลจะเคลอนยายตอไปยงตาแหนงตางๆ จนเกดการควบแนนตอไปเรอยๆ เกดเปนโครงขายเชอมโยงเกดเปนเจล หลงจากการเกดเจลแลวจะเกดการบมสาร (aging) เพอใหเกดการเปลยนแปลงโครงสรางและสมบตหลงจากการเกดเจล ซงการบมสารอาจรวมไปถงกระบวนการควบแนนและการละลายตวและการตกตะกอนใหมของโมโนเมอรหรอโอลโกเมอร การหดตวของเจล (shrinkage) อาจเกดขนไดในระหวางการสงเคราะหหรอการระเหยของของเหลวในระหวางการอบแหง ทาโดยการระเหยภายใตสภาวะปกตจะทาใหเกดการหดตว

21

ของโครงสรางเจล ซงเจลทเกดจากการอบแหงทสภาวะปกตเรยกวา ซโรเจล (xerogel) แตถานาเจลไปอบแหงในเครองอบไอนาความรอนสงภายใตสภาวะเหนอวกฤต (supercritical condition)ซงไมมชนผวสมผสระหวางของเหลวและไอนา ดงนนจงไมมแรงดนคาปลาร (capillary pressure) ทาใหเกดการหดตวเพยงเลกนอยของเจล ผลตภณฑทไดจากการอบแหงเรยกวา แอโรเจล (aerogel)

2.8.2 ตวเรงปฏกรยาในกระบวนการโซล-เจล ตวเรงปฏกรยาทใชในการเตรยมสารละลายในกระบวนการ โซล – เจล แบง

ออกเปน 2 ประเภทคอ

2.8.2.1 สภาวะทใชกรดเปนตวเรงปฏกรยา โดยในสภาวะนอตราการ

เกดปฏกรยาไฮโดรไลซสจะเรวกวาปฏกรยาควบแนน ซงกระบวนการทงสองอยางนาไปสการขยายตวของโพลเมอรสายโซตรงและสายโซกง การเกดพนธะขามระหวางสายโซ และกรดนจะเปนตวชวยทาใหอนภาคของโลหะอลคอกไซดมการกระจายตวอยางสมาเสมอ ซงกรดทเลอกมาทาปฏกรยานนมหลายชนดเชนกน เชน กรดไฮโดรคลอรก หรอ กรดไนตรกเปนตน

2.8.2.2 สภาวะทใชเบสเปนตวเรงปฏกรยา ในสภาวะนอตราการเกดปฏกรยาไฮโดรไลซสจะเกดชากวาปฏกรยาการควบแนนจะทาใหเกดกลมของโพลเมอรทเปนสายกงโซและเจลจะเกดขนเมอมการเชอมตอระหวางสายพอลเมอร ทงนกรดและเบสจะสงผลตอการเกดเจลและการเชอมตอกนของกลมโพลเมอรทแตกตางกนดงภาพท 2.8

ภาพท 2.8 การโตของโพลเมอรและการเกดเจล (a) สภาวะทใชกรดเปนตวเรงปฏกรยา

(b) สภาวะทใชเบสเปนตวเรงปฏกรยา [16]

a) b)

22

2.8.3 การเตรยมโซล – เจล

ขนตอนแรกของการเตรยมโซล-เจล คอผสมสารตงตน (precursor) กบนาหรอแอลกอฮอลสารตงตนทนยมใชในกระบวนการโซล-เจล เปนสารประกอบโลหะหรอกงโลหะบางชนดทไวตอปฏกรยา เชน อะลมเนต (aluminates) ไททาเนต (titanate) เปนตน แลวเกดปฏกรยาควบแนนรวมตวกนเปนโครงขายอยในสภาวะทเรยกวาเจล ในกระบวนการผลตทงสภาวะโซลหรอ เจลเมอเขาสสภาวะทาใหแหงจะไดผลตภณฑในรปแบบตางๆ เชน เสนใย (fiber) ผง (powder) หรอฟลมเคลอบ (coating films) บนวสดรองรบ ซงสรปกระบวนการไดดงภาพท 2.9

ภาพท 2.9 กระบวนการเตรยมโซล-เจล [17]

2.8.4 การเคลอบแบบจมเคลอบ

วธการเคลอบผวมอย 2 แบบทนยมใชกนโดยทวไป คอการจมเคลอบแบบกะ (batch dip coating) และการจมเคลอบแบบตอเนอง (continuous dip coating)

2.8.4.1 การจมเคลอบแบบกะ (batch dip coating) ในการจมเคลอบแบบนนสามารถแบงขนตอนในขณะเคลอบได 5 ขนตอน

23

ดงแสดงในภาพท 2.10 (a) ถง (e) ดงน a) ขนตอนการจมชนงาน (immersion) b) ขนตอนการเรมตนดงชนงานขน (start up) c) ขนตอนทสารละลายเกาะทผวชนงานและเรมไหลยอนกลบ (deposition and drainage) d) ขนตอนทสารละลายระเหย (evaporation) e) ขนตอนทสารละลายไหลแยกออกจากชนงาน (drainage)

สาหรบตวทาละลายทระเหยงายเชน แอลกอฮอล ขนตอนการระเหยมกจะเกดขนพรอมๆกบขนตอน(b) (c) และ (d)

ภาพท 2.10 ขนตอนการจมเคลอบแบบกะ (a) Immersion (b) Start Up (c) Deposition and Drainage (d) Evaporation (e) Drainage [18]

2.8.4.2 การจมเคลอบแบบตอเนอง (continuous dip coating)

การจมเคลอบแบบตอเนองแตกตางกบการจมเคลอบแบบกะตรงทจะไมมการแยกขนตอนท (b) และ (e) ของการจมเคลอบแบบกะออกจากกนแตจะแยกขนตอนการจมชนงานลงในสารละลายจากขนตอนอนโดยชนงานจะถกดงผานสารละลาย และทาใหเกดขอบเขตของของเหลวทบรเวณระหวางชนของสารละลายทเกาะชนงานกบผวหนาของสารละลายในอางเคลอบ ชนขอบเขตนแบงออกไดเปน 2 สวนคอชนขอบเขตดานในและชนขอบเขตดานนอกชนขอบเขตดานในจะเกาะตดอยกบชนงานและเคลอนทไปบนชนงาน สวนขอบเขตชนนอกจะเคลอนทกลบลงมา ความหนาของชนทเคลอบยบนชนงานนนจะมความสมพนธกบตาแหนงของจดทแบงระหวางชนขอบเขตดานนอกและชนขอบเขตดานใน โดยทบรเวณเหลานจะมแรงกระทาอย 5 แรงคอ 1) แรงดงทเกดจากความหนดทดงของเหลวขนเมอชนงานเคลอนทขนดานบน

a) b) c) d) e)

24

2) แรงโนมถวง 3) แรงลพธทเกดจากผลรวมของแรงในบรเวณทเปนรอยตอของชนตวอยางทเกาะบนชนงานกบสารละลายในอางเคลอบซงมผวหนาเวาเขา (concavely curve meniscus) 4) แรงเฉอยของชนขอบเขตของของเหลวในบรเวณทของเหลวเกาะกบชนงาน

5) แรงทเกดจากความดนไมสมาเสมอ วธการเคลอบดวยโซล-เจล นนการระเหยมกจะขนอยกบการแขงตวของฟลมทเคลอบ

โดยปจจยทสาคญทสดของอตราการระเหยนน คออตราการแพรของไอทแพรออกจากผวหนา ซงจะขนอยกบการเคลอนทของกาซ ทชนขอบเขตบางๆทอยตดกบผวหนา เนองจากการพามวลทเกดจากเคลอนทของกาซเพยงเลกนอยกสามารถทาใหการแพรเพมขนไดอยางมาก

2.8.5 การเคลอบแบบหมนเหวยง (spin coating)

การเคลอบแบบหมนเหวยงเปนวธการเคลอบอกวธหนงทนยมใช โดยการหยดสารเคลอบซงอยในภาวะทเปนของเหลวลงบนจดศนยกลางของวสดฐานและเหวยงดวยความเรวสง ความเรงสศนยกลางทาใหสารเคลอบกระจายไปทวแผนรอง สดทายจะเกดชนบางเคลอบบนวสดฐาน แสดงดงภาพท 2.11 ความหนาและสมบตอนๆจะขนอยกบสมบตของสารเคลอบ เชน ความหนด อตราทาใหแหง (rate of drying) เปอรเซนตของแหงและแรงตงผว (surface tension) ปจจยทมผลตอความหนาในกระบวนการหมนเหวยง คอความเรวของการหมน เวลาในการหมน ปรมาณของสารเคลอบ

ภาพท 2.11 การเคลอบแบบหมนเหวยง [19]

25

2.9 การเตมฟลออรนบนพนผว TiO2 (fluorination on surface of TiO2)

กระบวนการเตมฟลออรนทผว (surface flurorination) ของ TiO2 เปนหลกการสาหรบปรบปรงพนผว โดยอาศยอนตรกรยาทางไฟฟาสถตของประจบนผวของตวเรงปฏกรยา TiO2 กบสารอนทรยใหมประสทธภาพมากขนดวยการเตมฟลออรนไอออนไปบนผวของ TiO2 โดยทกระบวนการดงกลาวสามารถเกดขนไดโดยการแลกเปลยนระหวางหม OH ทผวของ TiO2 กบ ฟลออไรดไอออนดงสมการท (2.6 a) และ (2.6 b)

Ti – OH + F- Ti – F + OH

- (2.6 a)

หรอ กรณทผวของ TiO2 มการดดซบโมเลกลนาสามารถเขยนสมการไดเปน

Ti – OH2 + F Ti – F + H2O (2.6 b)

ซงในกระบวนการดงกลาว ฟลออไรดไอออนจะถกดดซบทผวของ TiO2 ไดดในสภาพทเปนกรดมคา pH = 3 โดยมงานวจยไดศกษาผลของการเตมฟลออรนบนพนผวของ TiO2 เพอเพมความสามารถของกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงในการยอยสลายสารประกอบอนทรยแคทไอออนก ซงในทนไดใชเมทลนบล เปนตวทดสอบ พบวาการเตมฟลออรนสามารถเพมอตราการเกดปฏกรยาไดถง 2.5 เทา เนองมาจากฟลออรนนนมคณสมบตทสามารถรบและจาย e- ไดด สงผลใหเกดจานวน h+ บนพนผว TiO2 มากขน ซงเมอ h+ ทาปฏกรยากบนาทาใหเกด OH• มากกวา TiO2 ทไมไดเตมฟลออรน โดยปฏกรยาดงกลาวไดอธบายไวดงสมการท (2.6 c) และ (2.6 d) [20]

Ti – F + H2O + hvb+ Ti – F + OH

• + H+ (2.6 c)

Ti – OH + hvb+ Ti - OH

•+ (2.6 d)

อยางไรกตามผลของโครงสรางเฟสของ TiO2 และขนาดผลกยงเปนตวแปรสาคญตอการดดซบของฟลออไรดและการดดซบสารประกอบอนทรยซงจะสงผลตอความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงของ TiO2 ภายใตแสงในชวง UV อกดวย

26

2.10 การทบทวนวรรณกรรมสารสนเทศ (information) ทเกยวของ

TiO2 เปนชนเคลอบทมความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงซงมความสามารถในการยอยสลายสารอนทรยทมโมเลกลใหญใหมขนาดเลกลง และ TiO2 ทมเฟสอนาเทส (anatase phase) จะมสมบต Photocatalytic activity ทด ในป 1992 Heller และคณะ [21] ไดทาการศกษาและปรบปรงกระจกใหสามารถทาความสะอาดตวเองได สาหรบใชในอาคารเมอแสงอลตราไวโอเลตทออกมาจากไฟในอาคารในการกระตนให TiO2 ทางาน และในป 1998 Sunada และคณะ [22] ไดนากระจกทเคลอบ TiO2 ไปทดสอบความสามารถในการทาความสะอาดตวเองดวยการนาไปฆาเชอ Escherichia coli (E. coli) บนกระจกทมการฉายแสงธรรมชาต โดยการศกษา TiO2 แบงไดเปน 2 สวน คอสวนของการเตรยมและสวนการวเคราะห ซงจะไดกลาวถงการทบทวนวรรณกรรมในสวนของการเตรยมและการวเคราะหตอไป

2.10.1 การเตรยมผวเคลอบ TiO2 และ F-TiO2 โดยเทคนค Sol-gel การสงเคราะห TiO2 โดยใชสารตงตนไดหลายชนดเชน ไทเทเนยมเตระไอโซโพรพอก

ไซดไทเทเนยม (IV) ไอโซโพรพานอลและใช 2-โพรพานอล เปนตวทาละลาย เตตระบวทวออโทไททาเนท-เอทานอล-นา-ไดเอทาโนลาไมนและไทเทเนยมเตตระไอโซโพรพอกไซด -ไอโซโพรพานอล-ไฮโดรคลอรก สามารถสราง Sol-gel และเคลอบลงบนวสดโดยทหลงจากเคลอบแลวนาไปอบทอณหภม 300-500oC จงแสดงเฟสอนาเทส และเมออณหภมสงขน จะแสดงเฟสรไทลชดเจนมากขน ซงการอบทเปนผลกในเฟสตามทตองการเหมาะตอการนาไปเคลอบและสรางชนฟลมเคลอบลงบนวสดรองเคลอบทมจดหลอมเหลวสง ความหนาจะมความสาคญตอโครงสรางผลก และมสมบตความเปน Photocatalytic activity ซงมการศกษาตอเนอง จากรายงานทผานมามการศกษาทความหนาตางๆเพอกาหนดความหนาใหเหมาะสมกบการใชเครองมอตรวจสอบ จากรายงานทผานมา พบวาความหนาทนามาศกษาอยในชวงความหนาประมาณ 65-950 nm ตอมาไดมการศกษาสมบตตาง ๆ ของ TiO2 ทเตรยมขนดวยกระบวนการโซล-เจล โดยในป 2004 มการวจยโดย C.Su และคณะ [23] ไดศกษาและต พมพในวารสาร Catalysis Today เร อง “Sol-gel Preparation and Photocatalysis of Titanium dioxide” โดย TiO2 เตรยมขนดวยกระบวนการโซล-เจล จากไทเทเนยม (IV) เอนบทอกไซด (titanium (IV) n-butoxide) ผสมกบ ไอโซโพรพรล แอกอฮอล ( Isopropyl alcohol) อะซท ล อะซ โ ตน ( acetylacetone) และน า ด ว ย อต ร าส วน โมลค อ 1:100:2:0.01 และปรบคา pH ดวยกรดไนตรกใหมคาเทากบ 2 จากนนนาไปอบทอณหภม 400 500 600 และ 700oC พบวาเมออณหภมในการอบสงขนความเปนผลกของ TiO2 มความเปนผลกสงขน และทอณหภมสงกวา 500oC เกดเฟสผสมระหวางอนาเทสและรไทลขน ขนาดผลกมคาอยในชวง 4-35 nm จากนนผวจยไดศกษากระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงพบวาตวอยางทอบทอณหภม 500oC

27

มความสามารถในกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงสงสด เนองจากการทมเฟสอนาเทสและรไทลผสมกนอยจะชวยในเรองของการลดอตราการกลบมารวมตวกนอกครงของค e- - h+ ตอมามการปรบปรงสมบตในกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงของ TiO2 ดวยวธตาง ๆ เชน การเจอธาตอนลงเพอเพมพาหะประจ (charge carrier) ทาให TiO2 แสดงสมบตของสารกงตวนาชนดเอน (n-type) หรอชนดพ (p-type) ซงกระบวนการนจะชวยปรบคาแถบชองวางพลงงานซงเปนสมบตเฉพาะตวของสารกงตวนาแตละชนด คอกระบวนการดงกลาวจะไปชวยลดพลงงานของโฟตอน (ชวงของความยาวคลน) ทกระตนให TiO2 ชวยเรงปฏกรยาขนมาได ดงเชน ในงานวจยของ H.F. YU และคณะ [24] ไดศกษากระบวนการปรบปรงสมบตของกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงของ TiO2 ดวยการเจออะตอมของฟอสฟอรสลงไป ดวยกระบวนการโซล-เจล โดยผวจยไดใชการเคลอบดวยเทคนคหมนเหวยงดวยความเรว 2000 rpm จากนนนาไปอบทอณหภมในชวง 600–1200oC และนาไปทดสอบความสามารถในกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสง UV เปนเวลา 12 hr พบวา P-TiO2 อบทอณหภมระหวาง 600 และ 900oC สามารถเกดกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงสาหรบการยอยสลาย MB ในนาได มากกวา 84 % โดยสอดคลองกบคาคงทเวลานอยกวา 7.1 hr ซงดกวา TiO2 ทไมมการเตมฟอสฟอรสในอณหภมเดยวกน ในขณะเดยวกนมงานของ XU Thian-hua และคณะ [25] ไดปรบปรงสมบตของ TiO2 โดยการเจออะตอมของธาตไนโตรเจน (N) ลงไปซงกอใหเกดการเลอนไปของ Eg ใหมคาตาลง ซงสามารถทาให TiO2 เกดกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงภายใตการฉายแสง UV และยงชวยเพมประสทธภาพในการเกดปฏกรยา เมอเทยบกบ TiO2 ทไมมการเจอ ตอมาไดมงานวจยของ Y. Chen และคณะ [26] ไดศกษาผลของพนผวฟลออรนตอกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงและสภาวะชอบนา (hydrophilic) ของฟลม TiO2 ทเตรยมดวยวธโซล-เจล เตรยมโดยใชไทเทเนยม (IV) เอนบททอกไซด 17.2 ml. กบ เอทานอล 67.3 ml และ โพลเอทลนกลายโค (PEG) 1g ตามลาดบ และเคลอบดวยเทคนคการเคลอบแบบจม จากนนนาไปอบทอณหภม 100OC และอบทอณหภม 350 450 550 และ 650OC เปนเวลา 1 hr ตามลาดบ สาหรบกระบวนการเตมฟลออรนทผวทาไดโดยนาชนเคลอบทไดไปแชในสารละลาย NaF (pH = 4) ทความเขมขนแตกตางกน (0 10 20 30 40 และ 50 mM) และนาไปทดสอบความสามารถในกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงโดยพจารณาจากความสามารถในการจางสของ RhB และทดสอบคณสมบตความชอบนาภายใตการฉายแสง UV มกาลง 300 W ความเปนผลกของ TiO2 จะเกดขนเมอเผาทอณหภมสงกวา 350OC โดยทอณหภม 450OC เกดเฟสอนาเทสเพยงอยางเดยว และทอณหภม 550oC เกดเฟสผสมระหวาง อนาเทสและรไทล และทอณหภมสงกวานนจะเกดเฟสรไทลทงหมด ซงเมอนาไปทดสอบการยอยสลาย RhB แลวพบวา TiO2 ทประกอบไปดวยเฟสอนาเทสและรไทล มความสามารถในกระบวนการดวยแสงสงสด และเมอเทยบระหวาง TiO2 และ F-TiO2 ในเงอนไขเดยวกบพบวาชนเคลอบทมการเตมฟลออรนทผว

28

จะมความสามารถในกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงสงกวากรณทไมม และปฏกรยาเกดขนไดดทสดทเงอนไขการจมในสารละลาย NaF เขมขน 40 mM สาหรบผลของความชอบนาพบวา TiO2 แสดงสมบตความชอบนาคอ สามารถทาใหมมสมผสของหยดนาแผราบไปกบพนผวไดมากกวา F-TiO2 ในป 2010 มผลงานของ L.Kangle และคณะ [27] ไดศกษาผลของโครงสรางเฟสตอความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสง TiO2 ภายใตการเตมฟลออรนทผว โดยผวจยไดเตรยม TiO2 และ F-TiO2 ดวยกระบวนการไฮโดรเทอมอลในรปแบบของผงทมขนาดผลกในระดบนาโนเมตรทมองคประกอบของเฟสแตกตางกนขนอยกบอตราสวนของ SO4

-2 ในสารละลายไฮโดรเทอมอล และไดนาผงผลกเหลานไปทดสอบความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงโดยพจารณาจากการยอยสลาย X3B โดย TiO2 และ F-TiO2 ทมองคประกอบของเฟสอนาเทสเพยงอยางเดยวมความสามารถในกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงสงสด และเมอพจารณาปรมาณการดดซบทผวของ X3B พบวา TiO2 ทมองคประกอบในเฟสอนาเทสเพยงอยางเดยวจะมปรมาณของ X3B ถกดดซบสงกวากรณทมเฟสผสม แตสาหรบในกรณการดดซบ X3B ทผวผงผลก F-TiO2 การดดซบกลบลดลง ซงอาจเปนผลมาจากไฟฟาสถตทผวของ F-TiO2 กบ X3B ทมประจเปนลบ

และในป 2013 ไดมงานวจยของ M.V. Dozzi และ E. Selli [28] ไดศกษาผลขององคประกอบเฟส และพนทผวสมผสตอความสามารถในกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงของ F-TiO2 โดย TiO2 ในงานวจยนไดใชผง TiO2 เกรดทมขายในทองตลาดโดยสารแตละชนดมพนทผวและองคประกอบเฟสทแตกตางกน โดยศกษาผลของกระบวนการเตมฟลออรนทผวตอกระบวนการปรบปรงประสทธภาพของกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงของ TiO2 ในการยอยสลายสารยอมอะโซ Acid Red 1 (AR1) โดยผลกระทบของสภาวะความเปนกรด-เบส ผลกระทบของการเตมฟลออรนและความสามารถของการดดซบ AR1 ทผว ตอความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงของ TiO2 ภายใตการกระตนจากแสง UV และแสงหลายความถ โดยพบวา TiO2 ทมเฟสผสมระหวางอนาเทสและรไทล มความสามารถในกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงสงกวา TiO2 ในเฟสอนาเทสเพยงอยางเดยวอกทงอตราการเกดปฏกรยาของเฟสผสมไมมการเปลยนในชวงคาสภาวะความเปนกรดในทางกลบกน TiO2 ในเฟสอนาเทส มอตราการเกดปฏกรยาทเพมขนภายใตสภาวะความเปนกรดพบวาการเตมฟลออรนทผว TiO2 ทมพนผวสมผสสงจะมการเกดปฏกรยาในอตราตาลง สาหรบกรณไมมการเตมฟลออรน เมอสภาวะความเปนกรดสงขนทาใหอตราการยอยสลาย AR1 สงกวากรณทมการเตมฟลออรน การดดซบ AR1 ของ TiO2 ในเฟสอนาเทสทไมมการเตมฟลออรนมคาสงกวากรณทมการเตมฟลออรนสาหรบกรณของเฟสรไทลพบวา มการดดซบ AR1 ทนอยและมความสามารถในการเรงปฏกรยาทตากวาในเฟสอนาเทส

29

จากการศกษา M.V. Dozzi และ E. Selli [29] ไดนาเสนอแนวคดของกลไกการเกดปฏกรยาสาหรบกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงของ F-TiO2 โดยเสนทางแรกของกระบวนการเรมจาก ตวเรงปฏกรยาถกกระตนทาใหเกดการสรางค e- - h

+ จากนนสารยอม AR1 เขาทาปฏกรยาออกซเดชนกบ h+ หรอเขาทาปฏกรยากบ OH• ทไดจากการทาปฏกรยาระหวางนากบ h+ ในแถบเวเลนซทผวรอยตอทาใหเกดการยอยสลาย AR1 เกดขน สาหรบเสนทางทสองเปนเสนทางของสารยอมไวแสง กลาวคอสารยอมมการดดกลนแสงแลวเกดการเปลยนระดบพลงงานของ e- อยในสภาวะกระตนจากนน e- จะถกจายไปยงสารกงตวนาทแถบนากลายเปน Dye•+ จงเกดปฏกรยาออกซเดชนกบออกซเจนทาใหเกดกระบวนการยอยสลายของสารยอม

2.10.2 การวเคราะหผวเคลอบ TiO2 และ F-TiO2

โดยทวไปภายหลงจากการเคลอบจาเปนตองมการวเคราะหและตรวจสอบสมบตของผวเคลอบวาเปนไปตามตองการหรอไม ในกรณของ TiO2 และ F-TiO2 สาหรบวธการตรวจสอบสมบต Photocatalytic activity ทเปนมาตรฐานยงไมมการกาหนดไวชดเจนแตกมวธการทยอมรบกนทวไปเทาทคนหาไดจากรายงานวจยตางๆ หลายวธ ทสาคญๆ และใชกนคอนขางมากคอการวด Photocatalytic activity จากการปายสารอยางบนพนผว แลวดการสลายตวของสารเหลานนภายใตการฉายแสง UV ดวยการวดการเปลยนสหรอการดดกลนแสงทปายไปบนชนเคลอบ

นอกจากสมบตวด Photocatalytic activity แลวยงตองวเคราะหสมบตทางกายภาพและเคมอนๆอกดวย เพอใหทราบวาชนเคลอบทไดมสมบตทเหมาะกบการประยกตใชงาน รวมทงเพอประโยชนในการทดลองเพอหาเงอนไขทเหมาะสมสาหรบการเตรยมและการปรบปรงประสทธภาพใหสอดคลองกบการใชงานตอไป โดยสมบตดงกลาวอาจจะเปนเรองทวไปทตองทราบในการประยกตใชงานบางอยาง เชน ความหนา ความแขงแรง ความคงทน เปนตน และยงมสมบตทมผลตอประสทธภาพในการใชงาน เชน โครงสรางทางจลภาคและ surface roughness โครงสรางทางผลกรวมทงสวนผสมของ crystal phase ตางๆ สมบตของแสงวสด (n,k) คา optical band gap องคประกอบทางเคมและการนาไฟฟา เปนตน

เหนไดวาเทคนคทใชในการวเคราะหสมบตมหลากหลาย เทาทพบในรายงานเทคนค ทใชเปนหลกไดแก Scanning electron microscopy (SEM) และ UV-VIS Spectrophotometry เปนตน ดงนน การวดและวเคราะห TiO2 และ F-TiO2 สาหรบใชเคลอบเพอใชในการบาบดนาเสยอาจแบงออกไดคราว ๆ ไดแก การวด Photocatalytic activity โครงสรางจลภาคและความหนา เปนตน การวด Photocatalytic activity เพอใหทราบวาชนเคลอบทเตรยมไดมสมบตทดมากนอยเพยงใด หลกการคอทาการเคลอบหรอปายสารอนทรยสมบตทางเคม โดยสารเคลอบเหลานสามารถถกทาลาย

30

หรอยอยสลายไดดวยปฏกรยา oxidation ของ photocatalytic activity บนชนเคลอบ Self-cleaning ตวอยางเชน rhodamine B, stearic acid, methylene blue, methyl orange, trichloroethylene และ salad oil เปนตน อตราเรวของการถกทาลายจะวดไดจากสมบตทางเคมหรอทางแสงทเปลยนไปดวยเครองมอตางๆ การวดความเปลยนแปลงการดดกลนแสงในชวง UV หรอ IR เครองมอหลกทใชในการวด photocatalytic activity ไดแก เครอง spectrophotometer การวเคราะหโครงสรางทางจลภาคของผลก เพอตรวจหาสภาพทเหมาะสมหรอมประสทธภาพด จากการศกษาทผานมาพบวาลกษณะโครงสรางทางจลภาคขนกบเทคนคการเตรยมมผลอยางมากกบ photocatalytic activity เทคนคทใชในการวเคราะหโครงสรางทางจลภาคหลก ๆ ไดแก SEM และ TEM เปนตน

การวดความหนาซงสวนใหญจะเตรยมดวยวธ sol-gel หรอ dipping ทาไดงายโดยใชเครองวดความหนาแบบ stylus profile meter กรณชนเคลอบทบางมากจาเปนตองใชเทคนคทยงยากมากขน เชน SEM ของ fracture surface และ TEM การทดสอบความคงทนทาไดหลายวธซงการประยกตใชงานนนการทดสอบพนฐาน เชน การตดแนน การทนความรอน การทนความชน หรอการจาลองการใชงานจรงซงมาตรฐานเหลานถกกาหนดและประกาศไวชดเจนแลวเปนสวนใหญ และการวเคราะหสมบตทางกายภาพและเคมอนๆ หมายถงการวเคราะหทไมไดกลาวถงขางตน ซงอาจจะมผลตอการศกษาเชน optical band gap เปนตน

2.10.3 การศกษาประสทธภาพในการบาบดนาเสย

สาหรบการตรวจสอบนาเสยทไดจากการบาบดดวย TiO2 และเทคนคการตรวจสอบและการวเคราะหประสทธภาพในการบาบดนาเสยตรวจสอบไดตามรายงานวจย นอกจากนการบาบดนาเสยยงตองการบาบดตาม Standard Methods of Water and Wastewater ไดแก pH COD BOD สภาพความเปนดาง ส ของแขงแขวนลอย ทเคเอน และฟอสฟอรส เปนตน

ฉลาด บรรเทา และชสทธ ศรสทธกมล [30] ศกษานาเสยจากโรงงานผลตเยอกระดาษมสซงเกดจากลกนนซงมองคประกอบทยากตอการบาบด โครงการนเปนการศกษาการบาบดสจากนาเสยโรงงานผลตเยอกระดาษโดย TiO2 ดวยปฏกรยาไฟโตแคตาไลซส มวตถประสงคเพอศกษาระยะเวลาปรมาณ TiO2 ทเหมาะสมทใชในการบาบดและประสทธภาพในการนาไปใชบาบดนาเสยจรง การทดลองทาโดยใชแบบจาลองแบบเตมเตมครงเดยว (Batch) และใชนาเสยสงเคราะหซงปรมาณลกนน 10 mg/L ในการหาระยะเวลาโดยใช TiO2 ทเหมาะสม จากการทดลองพบวาระยะเวลาลกนนถกบาบดหมดใน 8 hr พบวา ปรมาณไทเทเนยมไดออกไซดทเหมาะสมคอ 4.0 g/L โดยสามารถกาจดลกนนไดทงหมดและจากการทดลองในการบาบดสจากลกนนในนาเสยจรงซงม

31

ปรมาณลกนน 27.4 mg/L พบวาเมอใชปรมาณ TiO2 4.0 g/L และระยะเวลา 8 hr ประสทธภาพการกาจดลกนนสามารถกาจดได รอยละ 69.8

Houas, et al. [31] ศกษาการกาจด MB ดวยกระบวนการเรงปฏกรยากระตนดวยแสงซงอาศย TiO2 เปนตวเรงปฏกรยา ใชถงปฏกรณ Pyrex reactor ซงมรปรางแบบทรงกระบอกขนาด 90 mL พนทหนาตด 11 cm2 การวเคราะหทาโดยวดคาความเขมขนของสาร MB จากเครอง UV-vis Spectrometer จากการศกษาสามารถพบวาสารละลาย MB สามารถถกกาจดได ผลจากการดดซบของตวเรงปฏกรยาทาใหสามารถหาคาคงทของการเกดปฏกรยาได 6.25 x 103 mol/L และเมอควบคมคาความเปนกรด-เบส pH = 3-9 ทาใหความสามารถในการลดสของ MB เพมขนโดยการกระตนดวยแสงภายใตกระบวนการเรงปฏกรยากระตนดวยแสง UV เปลยนแปลงโครงสรางสารของวงเบนซนอยในรปคารบอนไดออกไซด ซลเฟอรไดออกไซด แอมโมเนยและไนเตรต

Kua, et al. [32] ศกษาการประยกตใชฟลม TiO2 บนใบพดแบบมแกนหมนรอบขนาดของถงปฏกรณปรมาตร 8 L ศกษาลดสยอมผาประเภทตาง ๆ เชน MB ( max’ 660 nm) ส RR195 ( max’ 540 nm) และ RY145 ( max’ 420 nm) ภายใตการฉายรงสจากแสงอาทตยโดยการเปรยบเทยบระหวางการใชกบไมใช TiO2 จากการทดลองการยอยสลายสของสยอมโดยใชระบบพลงงานแสงอาทตยโดยไมมฟลม Photocatalytic TiO2 รอยละการกาจดสสาหรบ MB RR195 และ RY145 พบวา 23.3, -9.3 และ -20.7 ตามลาดบ

32

บทท 3 วธการวจย

การทดลองแบงเปนสองสวนหลกๆ ไดแก 3.1 การเตรยม TiO2/AC และ F- TiO2/AC

3.1.1 การเตรยมดวยเทคนคโซล-เจลและการจมเคลอบ 3.1.2 การเตรยมจากผง TiO2 ทางการคา 3.1.3 การเตรยมผวเคลอบ TiO2/AC และ F- TiO2/AC 3.1.4 ออกแบบและสรางกงหนนาทประยกตใชงานรวมกบ F-TiO2/AC

3.2 การตรวจวดและการวเคราะห 3.2.1 ศกษาโครงสรางระดบจลภาคดวยกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (field

emission scanning electron microscope: FE-SEM) 3.2.2 ศกษาการสลายตวของ MB รวมกบ TiO2/AC และ F-TiO2/AC ซงวดคาการดดกลน

แสงของ MB ดวยเครองอลตราไวโอเลตและวสเบลสเปกโทรสโคป (UV-VIS spectroscope; UV-VIS)

ตามเงอนไขดงแผนภาพท 3.1

33

ภาพท 3.1 เงอนไขการเตรยมตวอยางสาหรบศกษาการยอยสลายของ MB

3.2.3 ศกษาการบาบดนาเสยจากโรงงานอตสาหกรรมสงทอดวย TiO2/AC และ F-TiO2/AC ซงวดคาการดดกลนแสงของนาเสยดวยเครอง UV-VIS ตามเงอนไขแสดงดงแผนภาพท 3.2

ภาพท 3.2 เงอนไขการเตรยมตวอยางสาหรบการบาบดนาเสย

34

3.3 สารเคม อปกรณและเครองมอ 3.3.1 สารเคมและวสด อปกรณในการเตรยมผวเคลอบและการตรวจสอบ

ตารางท 3.1 สารเคมและวสดอปกรณในการเตรยมผวเคลอบและการตรวจสอบ

สารเคมและวสด เกรด/ทมา

ไทเทเนยมเตตระไอโซโพรพอกไซด (Ti(OC3H7)4 Analysis regent/ Kento company 2-โพรพานอล (2-C3H7OH:2PP) Analysis regent/ Kento company

กรดไฮโดรคลอรก (HCl) Conc.10%V/Merck company อะซโตน (CH3COCH3) Analysis regent/ Kento company

เมทลลนบล (C16H18N3SC1.3H2O) ชนดเมด (180oC) /ศกษาภณฑ

ถานกมมนต (Activated Carbon :AC) I600 โซเดยมฟลออไรด (NaF) Analysis regent/ Kento company

ไทเทเนยมไดออกไซดเกรดทางการคา เฟสอนาเทส 100%

Analysis regent/ Kento company

ไทเทเนยมไดออกไซดเกรดทางการคา เฟสรไทล 100%

Analysis regent/ Kento company

อลมเนยมฟอยล ศกษาภณฑ

พาราฟลม ศกษาภณฑ นากลน ศกษาภณฑ

นายาลางจาน ซลไลต/Uniliver Thai Holding company

นาเสยจากโรงงานอตสาหกรรมสงทอ โรงงานจงสถตย จากด สแตนเลส

ตะแกรงสแตนเลส

นอต

https://www.google.co.th/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjnr_vr27vLAhXV1I4KHaYrBfgQFgghMAE&url=http%3A%2F%2Fwww.unifoil-thailand.com%2FAluminium.php&usg=AFQjCNG2EwX3EKv8SfXn2F8k2SMZZMOpzA&bvm=bv.116573086,d.c2E

35

3.3.2 เครองมอและอปกรณในการเตรยม ตารางท 3.2 เครองมอและอปกรณในการเตรยมตวอยาง

เครองมอและอปกรณ เกรด/ทมา

บกเกอร ขนาด 50 100 150 500 1000 และ 2000 ml

Schott Duran brand

เครองดดสารละลาย (pipette) รน A30-5000 ยหอ Pipette BLUE

เครองปนดวยแมเหลก (magnetic stirrer) รน MST ยหอ VELP SCIENTICA เตาอบ รน VULCAN 3-550 ยหอ NEY

เครองเคลอบฟลมแบบหมนเหวยง (spin coating)

Auto Claver

หลอดยว

เครองอลตราโซนค (ultrasonic) รน DSA100-XN1

ครกบดเซรามค

ตะแกรงรอนคดขนาด

3.3.3 เครองมอทใชในการตรวจสอบคณลกษณะเฉพาะ


เครองมอทใชในการตรวจสอบคณลกษณะเฉพาะ

เครองมอ เกรด/ทมา เครองสเปกโตรไฟโตมเตอร รน UV 1100 ตงอยทสาขาวชาสงแวดลอม คณะ

วทยาศาสตรและเทคโนโลยมหาวทยาลยราชภฎบานสมเดจเจาพระยา

กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (FE-SEM)

ยหอ FE-SEM HITACHI รน S4700 ตงอยทศนยไมโครอเลกทรอนกสแหงชาต

https://www.google.co.th/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwi4npLI3LvLAhVQC44KHRGlB5QQFgghMAA&url=http%3A%2F%2Fwww.merittech.co.th%2Findex.php%3Flay%3Dshow%26ac%3Dcat_showcat%26l%3D2%26cid%3D43437&usg=AFQjCNF7C9KxIo1bX1Xe5TbTYS1Zn6NhIg&bvm=bv.116573086,d.c2E

36

ภาพท 3.3 เครองสเปกโตรไฟโตมเตอร รน UV-VIS 1100

ภาพท 3.4 การวเคราะหโครงสรางจลภาคดวยเครอง FE-SEM

3.4 การเตรยมตวอยาง

ในการทดลองจะทาการเคลอบ TiO2 และ F-TiO2 ลงบน AC ซงการเตรยม TiO2 และ F-TiO2 เตรยมโดยเทคนคกระบวนการโซล-เจล จาเปนตองพจารณาตวแปรสาหรบเงอนไขการเคลอบดงตอไปน

37

สวนผสมไทเทเนยมไอโซโพรพรอกไซด : (TTPP, Ti(OC3H7)4) กบตวทาละลาย 2-โพรพานอล : (2-PP, C3H7OH) ทอตราสวน 1:5 1:15 และ 1:30

จานวนรอบในการจมเคลอบ (dipped coating) ท 1 3 และ 5 รอบ

เวลาในการจมเคลอบ ทเวลา 1 5 และ 10 min.

3.4.1 การเตรยมโซล-เจล

เพอหาเงอนไขของอตราสวนระหวาง TTIP:2PP ทเหมาะสมสาหรบการเตรยมเปนผวเคลอบ TiO2 เพอใชในกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสง ซงในการทดลองนไดมการเตรยมโซล-เจลดวยอตราสวนคอ TTIP: 2PP 1:5 1:15 และ 1:30 ปรบคา pH = 2 ดวยกรด HCl กวนสารดวยเครอง 2 ชวโมง และทงไว 1 วน ทาใหไดโซล-เจล แสดงดงแผนภาพท 3.5

ภาพท 3.5 ขนตอนการเตรยมโซล-เจล

อตราสวน TTIP:2PP 1:5 1:15 และ 1:30 (ปรมาตร/ปรมาตร)

นาไปกวนดวยเครองกวนสารเปนเวลา 2 hr.

เทสารละลายใสขวดปดขวดดวยพาราฟลม ทงไว 1 วน

ปรบคา pH ดวย HCl ใหมคา pH = 2

โซล-เจล

38

3.4.2 การเตรยมผวเคลอบ TiO2 จากโซล-เจล ลงบน AC และแผนสแตนเลส แบงออกเปนสามสวนไดแก 3.4.2.1 การเตรยม TiO2 / AC แสดงดงภาพท 3.6 โดยการเคลอบแบบจม

คอการเคลอบในลกษณะจมทงไวในรอบและเวลาตามเงอนไขทเตรยม หลงจากนนในแตละรอบทเคลอบจะนาชนงานไปอบทอณหภม 80oC เพอทาใหผวเคลอบแหงและระเหยสารอนทรย และจมเคลอบอกครงตามจานวนรอบทตองการ เมอครบรอบแลวนาผวเคลอบไปอบทอณหภม 400oC เพอนาผวเคลอบไปศกษาคณลกษณะตอไปซงมแผนผงแสดงขนตอนเพองายตอการเขาใจดงภาพท 3.7

ภาพท 3.6 การเคลอบผวแบบเคลอบจม TiO2/AC

TiO2/AC

39

ภาพท 3.7 ขนตอนการเตรยมผวเคลอบ TiO2/AC

40

3.4.2.2 การเตรยม TiO2 / AC แบบผง ทาเหมอนสวนท 1 ทกขนตอนเพมเตมคอการเตรยม AC แบบผงทาไดโดยนา AC มาบดละเอยดดวยครกเซรามคแสดงขนตอนดงภาพท 3.8

ภาพท 3.8 การเคลอบผวแบบเคลอบจม TiO2/AC แบบผง

3.4.2.3 การเตรยม TiO2 บนแผนสแตนเลส ขนาด 10.5 10.0 cm2 สาหรบประกอบเปนกงหนเพอนาไปบาบดนาเสยจากโรงงานอตสาหกรรมสงทอ และนานาเสยไปศกษาประสทธภาพกอนและหลงการบาบดนาเสยโดยในการเตรยมไดศกษาตวแปรคอปรมาตรโซล-เจล และอตราเรวของการหมนเหวยงตอการกระจายตว ศกษาสมบตของตวอยางหลงการเตรยม รวมไปถงประสทธภาพในการบาบดนาเสย [33] โดยผวจยมการศกษาไวกอนหนาและนาเงอนไขทเหมาะสมมาใชประโยชน

TiO2/AC แบบผง

41

3.4.3 การเตรยมผวเคลอบ TiO2 เกรดทางการคาลงบน AC นา TiO2 เกรดทางการคาทใชในการทดลองม 2 เกรดคอ TiO2 เกรดทางการคาเฟส

อนาเทส 100% และ TiO2 เกรดทางการคาเฟสรไทล 100% มาผสมกบ AC แบบเมดและ

แบบผงตามเงอนไขแสดงดงภาพท 3.9

ภาพท 3.9 การเคลอบผวแบบเคลอบ TiO2 เกรดทางการคา/AC

42

3.4.4 การเตมฟลออรนลงบนพนผวของ TiO2 และ TiO2/AC การเตมฟลออรนลงบนพนผวของ TiO2 และ TiO2/AC ทาโดยการจมแชใน

สารละลาย NaF ทความเขมขน 30 mmol pH = 2 เปนเวลา 2 hr. [33] 3.4.4.1การเตรยมฟลออรนลงในบนพนผวของ TiO2 นาโซล-เจลทไดภายหลงขนตอนการเตรยมตามเงอนไขตางๆนาไปอบทอณหภม

400oC เพอใหตวอยางเปลยนจากอสณฐานเปนผลกในกรณผลก TiO2 เกรดทางการคามเฟสอนาเทส 100% และ ผงผลก TiO2 เกรดทางการคามเฟสรไทล 100% โดยนาผงผลก TiO2 แชในสารละลาย NaF ทอณหภมหองเปนเวลา 2 hr. เพอใหเกดการยดจบฟลออรนทผว หลงจากนนนาไปอบในเตาทอณหภม 80oC เปนเวลา 1 hr จะได F-TiO2 สาหรบนาไปวเคราะหคณลกษณะและสมบตตาง ๆ

3.4.4.2 การเตมฟลออรนลงบนพนผวของผวเคลอบ TiO2/AC

หลงจากการเคลอบผวเคลอบดวยเทคนคการเคลอบแบบจมซงเปนการเคลอบของการทดลองในระยะแรกเพอดความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสง สาหรบการนาผวเคลอบ TiO2/AC มาเตมฟลออรนลงบนพนผวเพอสรางตวอยาง F-TiO2/AC มขนตอนแสดงดงภาพท 3.10

ภาพท 3.10 ขนตอนการเตมฟลออรนลงบน TiO2/AC เพอสรางตวอยาง F-TiO2/AC

43

3.5 การวเคราะหคณลกษณะเฉพาะและความสามารถของกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงของ TiO2/AC และ F- TiO2/AC

ในการประยกตใช TiO2 สาหรบเปนตวเรงปฏกรยาดวยแสงในกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงนน ความเปนผลก ขนาดของผลก และลกษณะพนผวเปนปจจยหนงทสงผลกระทบตอกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสง ซงเกยวของการสรางค e- - h+ นอกจากนขนาดเกรนจะสงผลตอพนทผวสมผส (surface area) กบสงแวดลอมซงจะสงผลตอความสามารถในการเกดกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงเชนกน ดงนนจงจาเปนอยางยงทจะตองศกษาปจจยดงกลาว

3.5.1 การศกษาลกษณะพนผวของ TiO2 F- TiO2 TiO2/AC และ F- TiO2/AC

ลกษณะพนผวของผวเคลอบ ศกษาโดยการถายภาพจากกลอง FE-SEM ยหอHITACHI รน S4700 ตงอยทศนยไมโครอเลกทรอนกสแหงชาต

3.5.2 ยว-วสสเบล สเปกโตรสโคป (UV-VIS spectroscopy)

สเปกโตรสโคป (spectroscopy) เปนวธการศกษาเกยวกบการเกดอนตรปฏกรยาระหวางคลนแมเหลกไฟฟากบสารโดยเมอการดดกลนหรอปลดปลอยคลนแมเหลกไฟฟาขน สามารถนามาตรวจวดปรมาณคลนแมเหลกไฟฟาหลงผานสาร แลวสามารถวดไดหลายวธขนอยกบการเลอกใชความยาวคลนของคลนแมเหลกไฟฟา

ในการทดลองนใชเครอง UV-VIS โดยศกษาคาการดดกลนของคลนแมเหลกไฟฟาในชวง 200-800 nm เมอผานคลนดงกลาวเขาไปในสาร สารจะไดรบพลงงานเพมขนจากโฟตอนของคลนแสงและสารจะดดกลนแสงไวสวนหนง และใหแสงอกสวนหนงถกสงผานออกไปคลนแสงทถกดดกลนไวจะทาใหอเลกตรอนหรออะตอม หรอโมเลกล หรอไอออน เกดการเปลยนสถานะของพลงงาน โดยพลงงานทถกดดกลนเขาไปทาใหเกดเการเปลยนแปลงพลงงานในรปแบบตาง ๆ คอ การเปลยนสถานะทเกดจากการหมนของโมเลกล การเปลยนสถานะทเกดจากการสนของโมเลกลและการเปลยนสถานะของอเลกตรอน

การทดสอบกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงในการยอยสลายสของ MB ทอยในรป ของผง โดยวดการดดกลนแสงดวยเครอง UV-VIS แลวบนทกผลเพอศกษาอตราการลดลงของความเขมขนของ MB เมอเวลาในการฉายแสง UV เพมขน

รอยละของการยอยสลายสของ MB (%decolorization of methylene blue) สามารถคานวณไดจากสตรดงสมการท 3.1

44

% Decolorization = –

100% (3.1)

เมอ คอ คาการดดกลนทเวลาเรมตน t = 0 s

คอ คาการดดกลน

3.5.3 การศกษาความสามารถของกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงของ TiO2 F-TiO2 TiO2/AC และ F-TiO2/AC

เพอศกษาความสามารถในการเรงปฏบตดวยแสงสาหรบ TiO2 ชนดผงทางการคาและผวเคลอบทเตรยมขนของ TiO2 และ F-TiO2 ทเตรยมบน AC นามาทดสอบจากความสามารถในการจางสของ MB ทละลายนาดวยความเขมขน 0.05 mmol โดยพจารณาแบงเปน 2 กรณ ดงน

กรณผง TiO2 และ F-TiO2 เตมผง 0.8 mg ลงไปในสารละลาย MB ในปรมาตร 30 ml จากนนนาไปฉายแสง UVA ความเขมแสงทความยาวคลน 365 nm เปนเวลา 2 hr โดยทก ๆ ครงชวโมงจะเกบตวอยางมาวดความสามารถในการดดกลนแสงเพอดการจางสของ MB ดวยเครอง UV-Vis ในชวงความยาวคลนตงแต 200-800 nm

กรณการเคลอบ TiO2 และ F-TiO2/AC ลงบน AC ใชอตราสวน TiO2/AC หรอ F-TiO2 /AC 10 g ตอ MB 150 ml จากนนนาไปฉายแสง UVA ทความเขมแสงสงสดทความยาวคลน 365 nm เปนเวลา 5 min โดยทกๆ นาทจะเกบตวอยางขนมาวดความสามารถในการดดกลนแสงเพอดการจางสของ MB ดวยเครอง UV-Vis ในชวงความยาวคลนตงแต 200-800 nm เชนเดยวกน ในกรณทดสอบความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสง กรณการทดสอบการจางสทไดจากโรงงานยอมผาทาโดยการนาเอา TiO2/AC หรอ F-TiO2/AC มาในปรมาณ 10 g ตอปรมาณนาเสย 150 ml ฉายแสง UVA ตลอด 6 hr และเกบตวอยางทกๆ ครงชวโมง เพอนาไปตรวจสอบความสามารถในการจางสของ TiO2/AC หรอ F-TiO2/AC ทใชเปนตวเรงปฏกรยา

3.6 การออกแบบและสรางกงหนนา

ในการออกแบบและสรางกงหนนาผวจยไดออกแบบและสรางกงหนนาโดยคานงถง ความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงของ TiO2 หรอ F-TiO2/AC เปนสาคญ โดยออกแบบกงหนใหสามารถกวาดอากาศไปเตมใหกบนาและเพมพนทผวสมผสระหวางตวผวเคลอบกบนาใหมากเพอชวยในการยอยสลายสารอนทรยในนาเสยจากโรงงานอตสาหกรรมสงทอ อยางไรกตามการออกแบบยงจาเปนตองใหผวเคลอบสามารถทจะรบแสงจากดวงอาทตยหรอหลอด UVA จากการทดลองแลว

45

เขาไปสมผสกบนาเสยเพอชวยในการยอยสลายสารอนทรยทอยในนา กงหนจงถกออกแบบใหมใบพดจานวนมากขนและสามารถกวาดอากาศสนาได ลกษณะกงหนทออกแบบแสดงดงภาพท 3.11 (a) โดยกงหนทออกแบบมใบพดทเคลอบ TiO2 ทงหมด 24 แผน ขนาดใบพด 10.0 x 10.5 cm2

ภาพท 3.11 กงหนนาและการตดตง (a) กงหนนาชนดเคลอบ TiO2 (b) กงหนนาทประกอบดวยใบพด F-TiO2/AC

(c) การตดตงสาหรบบาบดนาเสย

นาเสย

(c)

(a) (b)

46

จากภาพท 3.11 (b) แตละใบพดนนมการเชอมตดกบแผนสแตนเลสชนดตาขายทภายในบรรจ AC ในปรมาณเทาๆกน แสดงขนตอนดงรปท 3.12

ภาพท 3.12 การประกอบกงหนนาทประกอบดวยใบพด F-TiO2/AC

47

3.7 การบาบดนาเสยจากโรงงานอตสาหกรรมสงทอ

การบาบดนาเสยจากอตสาหกรรมสงทอไดรบการอนเคราะหนาเสยจรงจากระบบบาบดของโรงงานจงสถตย นาเสยจากระบบหลอเยนกอนเขาระบบเตมอากาศ

ภาพท 3.13 นาเสยอตสาหกรรมสงทอจากโรงงานจงสถตย จากด

นาเสยจากโรงงานอตสาหกรรมสงทอจากโรงงานจงสถตย จากด โดยเกบนาในระบบนาหลอเยนลกษณะสนาตาลเขมมฟองมากเนองจากมการปนเปอนนายาซกลาง ไมมกลนไมพงประสงค แตจะมกลนของสารเคมทใชในกระบวนการผลตบางเลกนอย เชน สารฟอกขาว สยอม เปนตน

48

บทท 4 ผลการวจยและอภปรายผล

ผลการทดลองแบงเปนสวนๆ ดงน o ผลของกระบวนการเตรยมและการวเคราะห TiO2 คอ เกรดทางการคาและทได

จากการเตรยมโดยเทคนคโซล-เจลและนามาใชเทคนคการเคลอบแบบจม (dipped coating) บนถานกมมนต (TiO2/AC)

o ผลการศกษากระบวนการเตรยมและหาเงอนไขท เหมาะสมในการเตมฟลออรนลงบนพนผวของไทเทเนยมไดออกไซดรวมกบถานกมมนต (F-TiO2/AC)

o ผลการศกษากระบวนการเรงฏกรยาดวยแสงของ TiO2 F-TiO2 TiO2/AC และ F-TiO2/AC

o ผลการทดสอบประสทธภาพการบาบดนาเสยจากอตสาหกรรมสงทอของกงหนนา ทม F-TiO2/AC เปนองคประกอบของกงหน

o ผลการศกษา TiO2 F-TiO2 TiO2/AC ชนดผงและ F-TiO2/AC ชนดผง ในเบองตนไดศกษาการเตรยม TiO2 โดยเลอกใชกระบวนการโซล-เจล ซงในการทดลองนไดเตรยมสารละลาย โซล-เจล โดยใชสารตงตนเปน TTIP ผสมเขากบ 2PP ดวยอตราสวนทแตกตางกนคอ 1:5 1:10 1:15 และ 1:30 โดยปรมาตร จากนนนาไปอบแหงและนาไปอบทอณหภม 400 OC และนามาเตมฟลออรนโดยการจมแชในสารละลาย NaF ทาใหได F-TiO2 นอกจากนไดนาโซล-เจลทไดมาจมเคลอบ AC แลวจงนาไปเตมฟลออรนทผว (F-TiO2 /AC) ซงจะไดผลของการเตรยมและการวเคราะหผลเปนลาดบดงน 4.1 การศกษา TiO2/AC และ F-TiO2/AC

4.1.1 ลกษณะพนผวของ TiO2/AC และ F-TiO2/AC

ผลของอตราสวน TTIP:2PP

จากภาพท 4.1 เปนการพจารณาลกษณะพนผวของผวเคลอบ TiO2/AC และ F-TiO2/AC โดยพจารณาทจานวนรอบในการเคลอบ 1 รอบทเวลาจมเคลอบ 10 min ในกรณทมการเตมฟลออรนลงบนพนผว F-TiO2/AC ปรบ pH = 2 ดวยกรด HCI พบวาทง TiO2/AC และ F-TiO2/AC ม TiO2 และ F-TiO2 กระจายตวอยทวบรเวณ โดยในสวนของชองรพรนเปดม TiO2 และ F-TiO2 เขาไปเคลอบเกาะอย โดย TiO2 และ F-TiO2 เกาะตวบนพนผว AC รวมเปนกลมโดยมลกษณะเปนเมดเกรนขนาดนาโนเมตรกระจายตวอยและจบกลมกนในลกษณะทเปนฟองนา อยางไรกตามเมอพจารณาท

49

อตราสวน TTIP:2PP ทตางกน พบวาทง TiO2 และ F-TiO2 ของ TTIP:2PP ทอตราสวน 1:5 และ 1:15 มลกษณะไมตางกนมาก คอมลกษณะจบตวกนเปนกลมกอนลกษณะแบบฟองนาบนพนผว AC ในขณะท TTIP:2PP ทอตราสวน 1:30 ของ F-TiO2/AC พบวาเกดพนผวในลกษณะเสนใยนาโนโดยมขนาดเสนผานศนยกลางในระดบทเลกกวา 250 nm กระจายตวทวบรเวณพนผวซงเสนใยนาโนนาจะเกดขนในชวงทมการเตมฟลออรนลงบนพนผวและเกดขนไดกบอนภาคทมขนาดเกรนเลกทสดของ TTIP:2PP นนคอทอตราสวน 1:30 โดยอนภาคทเปนเกรนจบตวรวมกนเปนในเสนใยนาโน อยางไรกตามการเกดเสนใยนาโนเกดขนบนพนผวของ AC เพราะจากการทดลองพบวา TiO2 ไมสามารถฟอรมตวเปนเสนใยนาโน F-TiO2 ไดเองภายใตเงอนไขการเตมฟลออรนทผวดวยเงอนไขเดยวกน

(a) TiO2 /AC 1:5 (×5,000) (b) TiO2 /AC 1:15 (×5,000) (c) TiO2 /AC 1:30 (×5,000)

(d) TiO2/AC 1:5 (×100,000) (e) TiO2/AC 1:15 (×100,000) (f) TiO2/AC 1:30 (×100,000)

50

(g) F-TiO2 /AC 1:5 (×5,000) (h) F-TiO2 /AC 1:15 (×5,000) (i) F-TiO2 /AC 1:30 (×5,000)

(j) F-TiO2 /AC 1:5 (×100,000)

(k) F-TiO2 /AC 1:15 (×100,000)

(l) F-TiO2 /AC 1:30 (×100,000)

ภาพท 4.1 ภาพถายดวยเทคนค FE-SEM เปรยบเทยบความแตกตางลกษณะพนผวของ TiO2/AC และ F-TiO2/AC ทกาลงขยาย 5,000 และ 100,000 เทา จานวนรอบในการเคลอบ 1 รอบ เวลาในการจมเคลอบท 10 min. คา pH = 2

ผลของเวลาในการจมเคลอบ จากภาพท 4.2 ผลของเวลาทใชในการจมเคลอบตอลกษณะพนผวมความแตกตาง

กนอยางเหนไดชด กลาวคอทจานวนรอบในการจมเคลอบ 1 รอบในการจมเคลอบ 1 min. จะม TiO2 และ F-TiO2 เกาะอยบนพนผว AC อยางเบาบางทาใหเหนรพรนของ AC อยางชดเจน ในขณะทเมอเวลาในการจมแชนานขน TiO2 และ F-TiO2 กระจายตวอยบนพนผวทวบรเวณมากขนและเมอตรวจสอบดวยภาพถายจากกลอง FE-SEM พบวาทเวลาในการเคลอบ 10 min. มการกระจายตวของ TiO2 และ F-TiO2 ทครอบคลมทวบรเวณมากกวา 5 min. อยางไรกตามเมอเปรยบเทยบระหวาง TiO2/AC และ F-TiO2/AC พบวาผลของการเตมฟลออรนบนพนผวสงผลตอโครงสรางของ F-TiO2 ใหจบตวกนเปนเสนใยนาโนและกระจายตวเขาไปอยในรพรนมากขน

51

(a) TiO2 / AC

จมเคลอบ 1 min.

(b) TiO2 / AC


(c) TiO2 / AC


(d) F-TiO2 / AC


(e) F-TiO2 / AC


(f) F-TiO2 / AC


ภาพท 4.2 ภาพถายดวยเทคนค FE-SEM เปรยบเทยบความแตกตางลกษณะพนผวของ TiO2/AC และ F-TiO2/AC ทกาลงขยาย 5,000 เทา ทอตราสวน TTIP:2PP 1:30 จานวนรอบในการเคลอบ 1 รอบเวลาในการจมเคลอบท 1 5 และ 10 min. ตามลาดบ คา pH = 2

ผลของจานวนรอบในการเคลอบ จากภาพท 4.3 แสดงถงตวอยางทมจานวนรอบในการเคลอบมากขน ซงการเคลอบ

ในแตละรอบจานนเปนตองนาเขาสการอบความรอนท 60oC เปนเวลา 24 hr. เพออบแหงซงเปนกระบวนการทสนเปลองเวลาและพลงงาน แตเพอเปรยบเทยบวาการเคลอบรอบเดยวใชเวลานานกบการเคลอบหลายรอบใชเวลาสนๆ การเคลอบแบบไหนใหสมบตทดและเหมาะแกการนาไปใชงานมากกวากน จากภาพท 4.3 ผลการศกษาลกษณะพนผวพบวาภายใตเงอนไขทใชจานวนรอบในการ

52

เคลอบหลายครงขน พบวา TiO2 และ F-TiO2 กระจายตวครอบคลมพนผว AC มากขนและหนาแนนมากขนซงผวเคลอบของ F-TiO2 จะใหผวเคลอบทมลกษณะเปนเสนใยกระจายตวอยทวรพรนเมอเปรยบเทยบการเคลอบ 1 รอบมผวเคลอบ TiO2 และ F-TiO2 กระจายตวอยอยางเบาบาง

(a) TiO2 / AC

เคลอบ 1 รอบ

(b) TiO2 / AC


(c) TiO2 / AC


(d) F-TiO2 / AC


(e) F-TiO2 / AC


(f) F-TiO2 / AC


ภาพท 4.3 ภาพถายดวยเทคนค FE-SEM เปรยบเทยบความแตกตางลกษณะพนผวของ TiO2/AC และ F-TiO2/AC ทกาลงขยาย 5,000 เทา อตราสวน TTIP:2PP 1:30 ทเวลาในการเคลอบ 1 min. จานวนรอบในการเคลอบท 1 3 และ 5 รอบ คา pH = 2

ผลของคา pH ในการเตรยม F-TiO2/AC จากภาพท 4.4 พจารณาผลตางของคา pH ในการเตรยม F-TiO2/AC พบวามผล

อยางมากตอรปแบบกบฟอรมตวของ F-TiO2 บนพนผว AC ซงในชวงกรด pH = 2 สงผลทาให F-

53

TiO2/AC ฟอรมตวกนเปนเสนใยนาโนไดอยางชดเจน ในขณะท pH = 4 พบลกษณะผวเคลอบทมการกระจายของอนภาค F-TiO2/AC อยางหนาแนนเปนผวโดยมลกษณะเปนเกรนจบตวกนเปนกลมกอน

(a) F-TiO2 /AC pH = 2

(×5,000)

(b) F-TiO2 /AC pH = 2

(×10,000)

(c) F-TiO2 /AC pH = 4

(×5,000)

(d) F-TiO2 /AC pH = 4

(×10,000)

ภาพท 4.4 ภาพถายดวยเทคนค FE-SEM ทกาลงขยาย 5,000 และ 100,000 เทา เปรยบเทยบความแตกตางลกษณะพนผวของ F-TiO2/AC ทเตรยมดวยคา pH ทแตกตางกนคอท pH = 2 และ pH = 4 ทอตราสวน TTIP:2PP 1:30 จานวนรอบในการเคลอบ 1 รอบเวลาในการเคลอบ 10 min.

4.1.2 ความสามารถในการจางส MB ของ TiO2/AC และ F-TiO2/AC

ในการศกษาความสามารถในกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงสามารถทาไดดวยการพจารณาความสามารถในการจางสของ MB ซงตงอยบนสมมตฐานคอ AC เปนตวชวยดดซบ

54

สารอนทรย อยางไรกตาม AC มขดจากดในการดดซบเมออมตวจงไมสามารถดดซบไดเพมและภายใตเงอนไขการเคลอบ TiO2/AC และ F-TiO2/AC ทาใหสามารถยอยสลายสารอนทรยทดดซบภายใตการเรงปฏกรยาดวยแสงและเพอพจารณาความสามารถในการจางสของ MB โดยรวมเอาการดดซบและยอยสลายโดยการเรงปฏกรยาดวยแสงเขาดวยกน จงไดศกษาถงผลของตวแปรตาง ๆ ดงน

ผลของอตราสวน TTIP:2PP จากภาพท 4.5 และ 4.6 ผลการทดลองนเปนการศกษาเพอยนยนวาอตราสวนของ

TTIP:2PP มผลตอการเรงปฏกรยาดวยแสงภายใตการเคลอบบน AC โดยทดสอบภายใตแสง UVA ทอตราสวน F-TiO2/AC : สารละลาย MB คอ 10 g : 150 ml ซงพบวา TTIP:2PP ท 1:30 ใหผลการเรงปฏกรยาทดสด ซงดกวา 1:15 และ 1:5 เปนอตราสวนทแยทสดและเกดการจางสโดยสามารถเปลยนสของ MB จากสนาเงนเปนสใสไดในเวลาเพยง 5 min ภายใตเงอนไขอตราสวน TTIP:2PP ท 1:30

(a) สเปคตรมการดดกลนของ MB (b) ภาพขยาย

ภาพท 4.5 สเปคตรมการดดกลนของ MB ทม F-TiO2/AC เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสง ทอตราสวน TTIP:2PP 1:5 1:15 และ 1:30 เวลาฉายแสง UVA ท 5 min. เปรยบเทยบกบ Pure MB และ AC

จากภาพท 4.7 และ 4.8 เมอเปรยบเทยบระหวาง F-TiO2/AC และ TiO2/AC เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสง ทอตราสวน TTIP:IP 1:30 พบวา F-TiO2/AC มความสามารถในการจางสทดกวาทเวลาในการฉายแสง 5 min. F-TiO2/AC มความสามารถในการจางสไดเปนสใสในขณะท TiO2/AC ยงคงมสของ MB

300 400 500 600 700 8000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Ab

so

rba

nc

e(a

.u.)

Wavelength(nm)

55

(a) สเปคตรมการดดกลนของ MB (b) ภาพขยาย

ภาพท 4.6 สเปคตรมการดดกลนของ MB ทม TiO2/AC และ F-TiO2/AC เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสง ทอตราสวน TTIP:2PP 1:30 เวลาฉายแสง UVA ท 5 min. เปรยบเทยบกบ Pure MB และ AC

จากภาพท 4.7 แสดงถงการเปรยบเทยบการจางสของแตละตวอยางจะเหนวาเมอเวลาฉายแสงนานขนสจะจางลง และเมอศกษาผลของอตราสวนของ TTIP: 2PP มผลตอความสามารถจางสไดดขน โดย F-TiO2/AC (1:30) จางสไดดทสดทเวลาเพยง 3 min. สกจะจางอยางชดเจน

300 400 500 600 700 8000

1

2

3

4A

bs

orb

an

ce

(a.u

.)

Wavelength(nm)

Pure MB

AC

1:30 TiO2/AC

1:30 F-TiO2/AC

300 400 500 600 700 8000.00

0.05

0.10

0.15

0.20

Ab

so

rba

nc

e(a

.u.)

Wavelength(nm)

56

Samples

(TTIP:2PP)

UV Irradiation Time (min.)

1 3 5

AC

AC/TiO2

(1:5)

AC/TiO2

(1:30)

AC/F-TiO2

(1:30)

ภาพท 4.7 ภาพถายสารละลาย MB เปรยบเทยบการจางสระหวาง TiO2/AC (1:5) TiO2/AC (1:30) และ F-TiO2/AC (1:30) เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสงทเวลาในการฉายแสงตางกน คอ 1 3 และ 5 min.

57

พจารณาความแตกตางของความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงระหวาง TiO2/AC และ F-TiO2/AC เปรยบเทยบกบ AC เพยงอยางเดยว แสดงดงภาพท 4.8 และภาพท 4.9 ซงแสดงการเปลยนแปลงการดดกลนทเวลาตางๆของ MB และพจารณาเปนความเขมของ MB ซงพบวา F-TiO2/AC มความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงดกวา TiO2/AC ทกอตราสวน TTIP:2PP โดยคาคงทเวลาในการจางส MB แสดงดงตารางท 4.1 คอ F-TiO2/AC มคาคงทเวลาเทากบ 0.742 0.422 และ 0.260 min ของอตราสวน TTIP: 2PP 1:5 1:15 และ 1:30 ตามลาดบ ซงคาคงทเวลานอยแสดงวาเปนตวเรงปฏกรยาดวยแสงทด สาหรบ TiO2/AC มคาคงทเวลาเทากบ 1.409 0.659 และ 0.340 min ตามลาดบในขณะท AC มคาคงทเวลามากถง 2.068 min.

ภาพท 4.8 การเปรยบเทยบการดดกลนทเวลาตางๆ ของ MB หลงการฉายแสงตลอดชวงเวลา 5 min. ภายใตการเรงปฏกรยาดวยแสงของ TiO2/AC ทอตราสวน TTIP:2PP 1:5 1:15 และ 1:30 เปรยบเทยบกบ AC

0 1 2 3 4 5

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

A/A

0

UV Irradiation time (min.)

AC

1:5 TiO2/AC

1:15 TiO2/AC ,

1:30 TiO2/AC

58

ภาพท 4.9 การเปรยบเทยบการดดกลนทเวลาตางๆของ MB หลงการฉายแสงตลอดชวงเวลา 5 min. ภายใตการเรงปฏกรยาดวยแสงของ F-TiO2/AC ทอตราสวน TTIP:2PP 1:5 1:15 และ 1:30 เปรยบเทยบกบ AC

จากการพจารณาผลการทดลองดงกลาวเมอพจารณาผลของความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงระหวาง TiO2/AC และ F-TiO2/AC เปรยบเทยบกบ AC เพยงอยางเดยว พบวา F-TiO2/AC มความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงทดกวา TiO2/AC ทกอตราสวนของ TTIP:2PP ซงจะสรปไดดงตารางท 4.1 ตวอยาง F-TiO2/AC มคาคงทเวลาเทากบ 0.742 0.422 และ 0.260 min. ของอตราสวน TTIP:2PP 1:5 1:15 และ 1:30 ตามลาดบ ซงคาคงทเวลาทมคานอยแสดงวาการเรงปฏกรยาดวยแสงเกดไดด สาหรบ TiO2/AC มคาคงทเวลาเทากบ 1.409 0.659 และ 0.340 min. ตามลาดบ ในขณะท AC มคาคงทเวลามากทสดถง 2.068 min. และจากตารางสรปไดวาขอมลในตารางนนแสดงถงบทสรปของโครงสรางตวอยางตามเงอนไขทเตรยมรวมถงความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงจากการจางสของ MB

0 1 2 3 4 5

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

A/A

0


AC ,

1:5 F-TiO2/AC ,

1:15 F-TiO2/AC ,

1:30 F-TiO2/AC ,

59


ลกษณะทางสณฐานวทยา ขนาดรพรน ขนาดอนภาคและขนาดเสนใย คาคงทเวลา ของ AC TiO2/AC และ F-TiO2/AC ตามเงอนไขอตราสวนของ TTIP:2PP

ตวอยาง

(TTIP:2-PP)

ลกษณะทาง

สณฐานวทยา

ขนาดรพรน/

อนภาค/เสนใย

คาคงทเวลา ( )

(min.)

AC

รพรนขนาดตางๆ

กระจายตวบนพนผว

Macropores 50-100 µm

Micropores 100 nm-3µm 2.068

TiO2/AC (1:5)

อนภาคนาโนกระจายตวหนาทบ

เสมอนเปนแผนปดรพรน ขนาดอนภาค < 80 nm 1.409

(1:15) อนภาคนาโนขนาดตางๆกระจาย

ตวบนพนผว AC ขนาดอนภาค < 50 nm 0.659

(1:30) อนภาคนาโนขนาดตางๆกระจาย

ตวบนพนผว AC ขนาดอนภาค < 40 nm 0.340

F- TiO2/AC (1:5)

อนภาคนาโนเกดการเชอมตอกน

เปนสวนมาก ขนาดอนภาค < 80 nm 0.740

(1:15) อนภาคนาโนเกดการเชอมตอกน

เปนกลมคลายฟองนา (sponge) ขนาดอนภาค < 50 nm 0.422

(1:30)

อนภาคนาโนเชอมตอกนเกดเปน

ลกษณะคลายเสนใยนาโน

(nano-fiber)

ขนาดเสนใย < 250 nm

ขนาดอนภาค < 40 nm 0.260

60

ผลของเวลาในการจมเคลอบ

จากภาพท 4.10 พจารณาผลของเวลาในการจมเคลอบทจานวนรอบในการเคลอบ 1 รอบ TTIP:2PP 1:30 โดยเปลยนคาเวลาในการจมเคลอบคอ 1 5 และ 10 min. คา pH = 2 โดยมคาคงทเวลาในการจางส MB ทเวลาในการจมเคลอบ 1 5 และ 10 min. คอ 1.020 0.695 และ 0.260 ตามลาดบ จากกราฟแสดงใหเหนวาเมอเวลาในการเคลอบนานขนความสามารถในการจางสดขนตามลาดบ

ภาพท 4.10 การเปรยบเทยบการดดกลนของ MB หลงการฉายแสงชวงเวลา 5 min. ภายใตการเรงปฏกรยาดวยแสงของ F-TiO2/AC เมอเปลยนคาเวลาในการจมเคลอบท 1 5 และ 10 min. ทอตราสวน TTIP:2PP 1:30 คา pH =2 เปรยบเทยบกบ AC

61

ผลของจานวนครงในการเคลอบ

จากภาพท 4.11 พจารณาผลของจานวนรอบในการจมเคลอบทเวลาในการจมเคลอบ 1 min. โดยเปลยนจานวนรอบคอ 1 3 และ 5 รอบ ทอตราสวน TTIP:2PP 1:30 คา pH =2 โดยมคาคงทเวลาในการจางส MB ทจานวนรอบในการจมเคลอบ 1 3 และ 5 รอบ คอ 1.020 0.777 และ 0.6300 จากกราฟแสดงใหเหนวาเมอจานวนในรอบการเคลอบมากขนความสามารถในการจางสดขนตามลาดบ

ภาพท 4.11 การเปรยบเทยบการดดกลนของ MB หลงการฉายแสงชวงเวลา 5 min. ภายใตการเรงปฏกรยาดวยแสงของ F-TiO2/AC เมอเปลยนจานวนรอบในการเคลอบ ท 1 3 และ 5 รอบ ทเวลาในการจมเคลอบ 1 min. ทอตราสวน TTIP2PP 1:30 คา pH = 2 เปรยบเทยบกบ AC

0 1 2 3 4 5

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 AC ,

F-TiO2/AC 1 cycle ,

F-TiO2/AC 3 cycle ,

F-TiO2/AC 5 cycle ,

A/A

0


62

ผลของคา pH ในการเตรยม F-TiO2/AC จากภาพท 4.12 พจารณาผลของคา pH ตอความสามารถเรงปฏกรยาดวยแสง

TTIP:2PP 1:30 โดยเปลยนคา pH = 2 และ 4 โดยมคาคงทเวลาในการจางส MB ท pH = 2 คอ 0.260 และท pH =4 คอ 0.275 จะเหนไดวาท pH = 2 ใหคาการจางแสงทด

ภาพท 4.12 การเปรยบเทยบการดดกลนของ MB หลงการฉายแสงชวงเวลา 5 min. ภายใตการเรงปฏกรยาดวยแสงของ F-TiO2/AC เมอเปลยนคา pH = 2 และ pH = 4 ทเวลาในการจมเคลอบ 10 min. จานวนรอบในการเคลอบ 1 รอบ ทอตราสวน TTIP: 2PP 1:30 เปรยบเทยบกบ AC

0 1 2 3 4 5

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 AC ,

F-TiO2/AC pH=2 ,

F-TiO2/AC pH=4 ,

A/A

0

UV Irradiation time (min)

63

4.1.3 ความสามารถในการบาบดนาเสยจากโรงงานอตสาหกรรมของ TiO2/AC และ F-TiO2/AC

เพอตรวจสอบความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงของตวอยางจงนามาบาบดนาเสยจรงจากโรงงานภายใตแสง UV โดยใชตวอยาง 10 g/นาเสย 150 ml มาทดสอบโดยการคนดวยแทงแมเหลกคนตลอด 6 hr. และเกบตวอยางทกๆ 1 hr. จากภาพท 4.13 (a) และ (b) แสดงผลการบาบดนาเสยดวย TiO2/AC ซงจากกราฟแสดงใหเหนวาเมออตราสวน TTIP:2PP มากขนทาใหความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงทดขน โดยท TTIP:2PP 1:30 เปนเงอนไขในการบาบดนาเสยทดทสด โดยจากสเปกตรมทมการเปลยนแปลงการดดกลนอยางชดเจนเมอมการบาบดคอ ชวง 270-320 nm และสเปคตรมสวนมากถกดดกลนอยในชวง 250-400 nm ทาใหนาเสยกอนการบาบดนนมสทตามองเหนเปนสนาตาลแกมเหลองซงการดดกลนชวงแสงดงกลาวทาใหนาตวอยางคอยๆเปลยนเปนสใส

300 400 500 600 700 8000

1

2

3

4

5

Ab

so

rba

nc

e (

a.u

.)

Wavelength(nm)

Pure Wastewater

AC

1:5 TiO2/AC

1:15 TiO2/AC

1:30 TiO2/AC

a)

64

ภาพท 4.13 สเปคตรมการดดกลนของนาเสย โดยม TiO2/AC เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสง ทอตราสวน TTIP:2PP 1:5 1:15 และ 1:30 เปรยบเทยบกบ Pure Wastewater และ AC หลงถกฉายแสง UV (a) ทเวลาฉายแสง 1 hr. (b) ทเวลาฉายแสง 6 hr.

จากภาพท 4.14 เปนผลของสเปคตรมการดดกลนของนาเสยหลงผานการบาบดดวย F-TiO2/AC ซงเมออตราสวน TTIP:2PP มากขนทาใหความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงทดขน โดยท TTIP:2PP 1:30 เปนเงอนไขในการบาบดทดทสดซงเหนผลไดอยางชดเจนวาตลอดชวงเวลา 6 hr ในการบาบดสามารถจางสไดอยางตอเนองและใชเวลาเพยง 6 hr. กสามารถบาบดนาเสยไดอยางสมบรณและเหนนาเสยเปลยนเปนสใสดงภาพท 4.15

300 400 500 600 700 8000

1

2

3

4

5A

bs

orb

an

ce

(a

.u.)

Wavelength(nm)

Pure Wastewater

AC

1:5 TiO2/AC

1:15 TiO2/AC

1:30 TiO2/AC

b)

65

ภาพท 4.14 สเปคตรมการดดกลนของนาเสย โดยม F-TiO2/AC เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสง ทอตราสวน TTIP:2PP 1:5 1:15 และ 1:30 ท เปรยบเทยบกบ Pure Wastewater และ AC หลงถกฉายแสง (a) ทเวลาฉายแสง 1 hr. (b) ทเวลาฉายแสง 6 hr.

300 400 500 600 700 8000

1

2

3

4

5

Ab

so

rba

nc

e(a

.u.)

Wavelength(nm)

Pure Wastewater

AC

1:5 F-TiO2/AC

1:15 F-TiO2/AC

1:30 F-TiO2/AC

300 400 500 600 700 8000

1

2

3

4

5

Ab

so

rba

nc

e(a

.u.)

Wavelength(nm)

Pure Wastewater

AC

1:5 F-TiO2/AC

1:15 F-TiO2/AC

1:30 F-TiO2/AC

a)

b)

66

รปท 4.15 ภาพถาย (a) นาเสยจรงจากโรงงาน

(b) นาเสยทบาบดดวย F-TiO2/AC เปนเวลา 6 hr.

จากภาพท 4.16 แสดงสเปคตรมการดดกลนของนาเสยทผานการบาบดดวย F-TiO2/AC ตลอดชวงเวลา 6 hr. ซงเหนผลไดอยางชดเจนวาตลอดชวงเวลา 6 hr. ในการบาบดสามารถจางสไดอยางตอเนองโดยความสามารถในการจางสนนในชวงชวโมงแรกๆ จะสามารถจางสไดชดเจนและดกวาชวงชวโมงหลง

a) b)

67

ภาพท 4.16 สเปคตรมการดดกลนของนาเสย โดยม F-TiO2/AC เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสง ทอตราสวน TTIP:2PP 1:30 ทเวลาฉายแสง UV ทเวลาตางๆตลอด 6 hr. เปรยบเทยบกบ Pure Wastewater และ AC

จากภาพท 4.17 (a) และ (b) แสดงสเปคตรมการดดกลนของนาเสยทผานการบาบดทเวลา 1 hr และ 6 hr. โดยเปรยบเทยบระหวาง TiO2/AC และ F-TiO2/AC ทอตราสวน TTIP:2PP 1:30 โดย F-TiO2 /AC ใหผลทดกวาและดกวา AC เปนอยางมาก

300 400 500 600 700 8000

1

2

3

4

5

Ab

so

rba

nc

e (

a.u

.)

Wavelength(nm)

Pure Wastewater

AC 1 hr.

AC 6 hr.

1:30 F-TiO2 /AC 1 hr.

1:30 F-TiO2/AC 2 hr.

1:30 F-TiO2/AC 3 hr.

1:30 F-TiO2/AC4 hr.

1:30 F-TiO2/AC5 hr.

1:30 F-TiO2/AC6 hr.

68

ภาพท 4.17 สเปคตรมการดดกลนของนาเสยเปรยบเทยบกบ TiO2/AC และ F-TiO2/AC เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสง ทอตราสวน TTIP:2PP 1:30 เปรยบเทยบกบ Pure Wastewater และ AC หลงถกฉายแสง UV (a) 1 hr. (b) 6 hr.

300 400 500 600 700 8000

1

2

3

4

5

Ab

so

rba

nc

e (

a.u

.)

Wavelength(nm)

Pure Wastewater

AC

1:30 TiO2/AC

1:30 F-TiO2/AC

300 400 500 600 700 8000

1

2

3

4

5

Ab

so

rba

nc

e (

a.u

.)

Wavelength(nm)

Pure Wastewater

AC

1:30 TiO2 /AC

1:30 F-TiO2 /AC

a)

b)

69

4.1.4 ความสามารถในการจางส MB ของ TiO2 เกรดทางการคา และ AC แบบผง

ในการศกษาการเพมประสทธภาพกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงสามารถทาไดโดยการเพมพนทผวสมผสซงในงานวจยนทาโดยการบด AC ใหเปนผง (AC Powder) นนทาใหสามารถยอยสลายสารอนทรยทดดซบภายใตการเรงปฏกรยาดวยแสงไดรวดเรวกวา AC แบบเมด (AC Bulk) อกทงยงศกษาความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงระหวาง TiO2 ทเตรยมจากกระบวนการโซล-เจล และ TiO2 เกรดทางการคาทใชในการทดลองม 2 เกรดคอ TiO2 เกรดทางการคาเฟสอนาเทส (Anatase) 100% และ TiO2 เกรดทางการคาเฟสรไทล (Rutile) 100% มาผสมกบ AC Bulk และ AC Powder เมอพจารณาความสามารถในการจางสของ MB ไดศกษาถงผลของตวแปรตาง ๆ เปรยบเทยบกนแสดงดงน

72

ภาพท 4.18 ความเขมขนของ MB หลงการฉายแสงภายใตการเรงปฏกรยาดวยแสงของ a) เปรยบเทยบ TiO2 /AC Bulk และ F-TiO2 /AC Bulk ทเวลาฉายแสงท 5 และ 30 min. b) เปรยบเทยบ AC Bulk และ AC Powder ทเวลาฉายแสงท 5 และ 30 min. c) เปรยบเทยบ TiO2 เกรดทางการคาและ TiO2 ทเตรยมจากกระบวนการโซล-เจลรวมกบ AC Bulk และ AC Powder ทเวลาฉายแสงท 5 และ 30 min. d) สเปคตรมการดดกลนของ MB ทม TiO2 /AC Bulk TiO2 /AC Powder F-TiO2 /AC Bulk F-TiO2 /AC Powder เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสงทเวลาฉายแสงท 5 และ 30 min. e) สเปคตรมการดดกลนของ MB ทม Rutile/AC Bulk F-Rutile/AC Bulk Anatase/AC Bulk F-Anatase /AC Bulk TiO2 /AC Bulk และ F-TiO2 /AC Bulk เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสงทเวลาฉายแสงท 5 และ 30 min. f) สเปคตรมการดดกลนของ MB ทม Rutile/AC Powder F-Rutile/AC Powder Anatase/AC Powder F-Anatase/AC Powder TiO2/AC Powder และ F-TiO2/AC Powder เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสงทเวลาฉายแสงท 5 และ 30 min.

73

จากรปท 4.18 a) - c) แสดงความเขมขนของ MB หลงการฉายแสงภายใตการเรงปฏกรยาดวยแสงของ AC Bulk AC Powder Rutile AC Bulk F-Rutile/AC Bulk Anatase/AC Bulk F-Anatase/AC Bulk TiO2/AC Bulk F-TiO2 /AC Bulk Rutile/AC Powder F-Rutile/AC Powder Anatase/AC Powder F-Anatase/AC Powder TiO2/AC Powder และ F- TiO2 /AC Powder ทเวลาฉายแสงท 5 และ 30 min. แสดงใหเหนวาตวอยางทเตรยมดวยเงอนไข F-TiO2 /AC Powder คอเงอนไขทมความสามารถในการจางสของ MB ไดดทสดภายใตการเตรยมสารละลาย MB ความเขมขน 0.05 mmol อตราสวนระหวางสารละลาย MB ตอ สารตวอยางคอ 400 ml:0.15 g ซงสารละลาย MB เกดการจางสจนกลายเปนสใสทเวลาฉายแสงท 5 min.

จากรปท 4.18 d) - f) แสดงความเขมขนของ MB หลงการฉายแสงภายใตการเรงปฏกรยาดวยแสงของ พบวาทเวลาชวงแรกเงอนไขทของตวเรงปฏกรยาดวยแสงทดคอ TiO2 /AC Powder และ F-TiO2 /AC Powder แตอยางไรกตามภายใตเงอนไขเวลาการฉายแสงเดยวกนทเงอนไข F-TiO2 /AC Powder มความสามารถในการจางสของ MB มากกวา TiO2 /AC Powder เพราะการเตมฟลออรนบนพนผวของ TiO2 คอการเพมกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงในการยอยสลายสารประกอบอนทรยแคทไอออนกซงในทนไดใช MB เปนตวทดสอบ เนองมาจากฟลออรนมสมบตทจบ e- ไดด สงผลใหเกดจานวน h+ บนพนผว TiO2 มากขน เปนการลดกระบวนการรวมกนของ e- - h+ซงเมอ h+ ทาปฏกรยากบนาทาใหเกดหม OH• มากขนกวา TiO2 ทไมไดเตมฟลออรน

4.2 ศกษาประสทธภาพการบาบดนาเสยจากอตสาหกรรมสงทอของกงหนนา TiO2 และ F-TiO2/AC

นาเสยทใชในการทดลองนนไดรบการอนเคราะหนาเสยจรงจากระบบบาบดนาเสยของโรงงานจงสถตย จากด ซงนามาวเคราะหคณลกษณะตางๆในเบองตนได ตามมาตรฐานโดยวธตาม Standard Method for the Examination of Water and Wastewater. 21h ed. (2005) มหลายคณลกษณะยกตวอยาง เชน การวเคราะหส ใชวธวเคราะหคอ UV-VIS Spectrometer เปนตน

74

4.2.1 คณลกษณะของนาเสย

นาเสยจากโรงงานอตสาหกรรมสงทอจากโรงงานจงสถตย จากด ในการทดลองนนนนเกบนาในระบบนาหลอเยนนาเสยซงกอนปลอยลงสธรรมชาตนนจะตองผานการบาบดโดยกระบวนการใชจลนทรยเตมอากาศ (actived sludge : AS) ตอดวยถงตกตะกอนเพอกาจดจลนทรยแขวนลอยแสดงดงแผนภาพท 4.19 นาเสยมลกษณะสนาตาลแกมเหลอง มฟองมากเนองจากมการปนเปอนของนายาซกลางและมกลนของสารเคมทใชในกระบวนการผลตบางเลกนอย เชน สารฟอกขาว สยอม เปนตน

ภาพท 4.19 กระบวนการบาบดนาเสยจากระบบบาบดนาเสยของโรงงานจงสถตย จากด

นาเสยจากกระบวนการผลต

บอพกนาเสย

ระบบนาหลอเยน

ปรบ pH

ระบบเตมอากาศ

ระบบตกตะกอน

บอพกนา

ระบายนาสสาธารณะ

75

ภาพท 4.20 ลกษณะนาเสยจากระบบหลอเยนของโรงงานอตสาหกรรมสงทอ

4.2.2 การบาบดนาดวยกงหนนาทมสวนประกอบของ TiO2 และ F-TiO2/AC

การศกษาการบาบดนาเสยจากโรงงานอตสาหกรรมสงทอไดนานาเสยจากโรงงานยอมผาจงสถตย โดยนาตวอยางนาเสยจากอตสาหกรรมสงทอปรมาตร 30 L โดยทาใบพดกงหนขนาด 10.0 x 10.5 cm2 แบงออกเปน 2 เงอนไข ดงน

ใบพด TiO2 เคลอบบนใบพดสแตนเลส

เคลอบโดยการเคลอบแบบหมนเหวยงทอตราเรวรอบ 1500 rpm ปรมาตร 1.5 ml ทงสองดาน และอบดวยอณหภม 400oC เปนเวลา 2 hr. และเคลอบเปนจานวนรอบทงหมด 10 รอบ

ใบพด F-TiO2/AC

ทาจากตะแกรงสแตนเลสหอหม F-TiO2/AC ปรมาณ 20 g ตอใบพด โดยเตรยมทเงอนไข TTIP:2PP 1:30 pH = 2 จมเคลอบ AC เปนจานวน 1 รอบ ใชเวลาจมเคลอบ 10 min. จากภาพท 4.21 (c) การตดตงในระบบการบาบดนาเสยโดยฉายแสงUV ทความเขมแสง 0.22 mW/cm2 ซงในขณะฉายแสง UV จะเกบตวอยางทกๆ hr. ชวง 12 hr. แรกและเกบทกๆ 4 hr. ในชวงหลงจนครบ 24 hr สดทายเกบอกทเมอเวลาผานไปอก 6 hr. จนครบ 30 hr.

สนาตาล

แกมเหลอง

76

ภาพท 4.21 กงหนนาและการตดตง (a) กงหนนาชนดเคลอบ TiO2 (b) กงหนนาทประกอบดวยใบพด F-TiO2/AC และ (c) การตดตงสาหรบบาบดนาเสย

(a) (b)

(c)

นาเสย

77

4.2.3 ประสทธภาพการบาบดนาเสยจากอตสาหกรรมสงทอดวยกงหนนาทเตรยมจากฟลมเคลอบ TiO2 และแผนใบพด F-TiO2/AC

จากภาพท 4.22 แสดงภาพถายนาเสยทผานการบาบดในชวงเวลาตางๆ ซงจากการทดลองนากงหนนาทใบพดเปน F-TiO2/AC มาบาบดนาเสยจากอตสาหกรรมสงทอเปรยบเทยบกบกงหนทมใบพดเคลอบ TiO2 โดยใชระยะเวลาฉายแสง UV 30 hr. ซงจากรปแสดงใหเหนวากงหนนาทใบพดเปน F-TiO2/AC ใหการบาบดสดกวากงหนนาใบพดเคลอบ TiO2 ชดเจนและกงหนนาใบพด F-TiO2 ใหผลการบาบดสทดกวานาเสยขาออกจากโรงงาน

78

ภาพท 4.22 ภาพถายหลงการบาบดนาเสยดวยกงหนนาทใบพดมสวนประกอบของ TiO2

และ F-TiO2/AC ทเวลาตางๆหลงจากผานการบาบดเปนเวลาทงหมด 30 hr.

ภาพท 4.23 ภาพถายหลงการบาบดนาเสยดวยกงหนนาทใบพดมสวนประกอบของ F-TiO2/AC เปรยบเทยบการบาบดนาเสยกบนาเสยขาออกจากโรงงานทเวลา 24 hr.

กลไกการบาบดดวย F-TiO2/AC เปนการบาบดทอาศยการดดจบสารอนทรยในนาเสยและใชกระบวนเรงปฏกรยาดวยแสงชวยในการจางสโดยการยอยสลายสารอนทรยใหเปนโมเลกลเลกลง เนองจากการเตมฟลออรนเปนการเพมประสทธภาพในกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสง โดยไปดดจบ

79

บนพนผวของ TiO2 ซงกระบวนการดงกลาวสามารถเกดขนไดโดยการแลกเปลยนระหวางหม OH ทผวของ TiO2 และ F- ทาใหเกด Ti-F และเปนปฏกรยาททาใหเกด e- ทเกดขนถกจบโดยออกซเจนเกดเปนอนมลของออกซเจนทวองไวตอการเกดปฏกรยาเรยกวา active oxygen species เชน หม OH•

และ O2•- ซงเปนหมฟงชนกทสาคญในกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงเปนเรดคอลทไวในการทา

ปฏกรยาตอสารสและเกดการยอยสลายส ซงสทเกดจากอตสาหกรรมสงทอนนมความซบซอนและมสหลากหลายกลม โดย F-TiO2 และ TiO2 สามารถลดสเนองจากทาใหเกด h+- e- ไปดง e- จาก O2

แลวเกดการแตกตวกบนาทาใหเกด OH- และอาจจะเปลยนรปไปเปน H2O2 จากไอออนของอนมลอสระออกซเจน (O2

-) โดยท O2 เปนตวทเขารบ e- จากอนภาคสารกงตวนา ดงสมการท (4.2 a)

ecb- + O2 O2

•- (4.2 a)

โดย อเลกตรอนและโฮลจะมารวมกน (recombination) โดยปราศจากผใหอเลกตรอนหรอผรบแสดงในสมการ (4.2 b)

ecb- + hvb

+ TiO2 (4.2 b)

H2O2 สามารถเกดไดจากการทาปฏกรยาของ O2- ดงสมการ (4.2 c) - (4.2 f)

O2•-+ H+ HO2

• (4.2 c)

HO2• + HO2

• H2O2 + O2 (4.2 d)

O2•-+ 2HO2

• H2O2 + 2O2 (4.2 e)

HO2• + H+ H2O2 (4.2 f)

H2O2 เขาทาปฏกรยาทาไดอนมลอสระ OH• และมการเขาทาปฏกรยากบตวเรง OH• เปนสารออกซไดซเอเจนตสามารถลดสไดดงแสดงในสมการท (4.2 g) - (4.2 i) ซงสมการท (4.2 i) อธบายไดวาสดทายแลวผลตภณฑจะไดเปน CO2 และ H2O

H2O2 + ecb- OH• + OH- (4.2 g)

H2O2 + O2•- OH• + OH- + O2 (4.2 h)

Dye + {OH•, O2•-} degradation products CO2+H2O (4.2 i )

80

บทท 5 สรปผลการวจยและขอเสนอแนะ

การทดลองแบงออกเปนสองตอนโดยตอนแรกคอการศกษาเพอคนหาตวเรงปฏกรยาดวยแสงทดโดยศกษาเงอนไขตางๆ ในการเตรยม TiO2 ศกษาความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงระหวาง TiO2 ทเตรยมจากกระบวนการโซล-เจล และ TiO2 เกรดทางการคาทใชในการทดลองม 2 เกรดคอ Anatase และ Rutile และเงอนไขในการเตรยมสารละลาย NaF เพอเตมฟลออรนลงบนพนผวของ TiO2 เพอหาเงอนไขทเหมาะสมในการเพมประสทธภาพสาหรบกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงของ TiO2 จากนนจงเคลอบ TiO2 และ F-TiO2 ลงบน AC Bulk และ AC Powder เพอทดสอบคณลกษณะทเหมาะสมในการนาไปใชบาบดนาเสยจรงจากโรงงานอตสาหกรรมสงทอ ซงการศกษาคณลกษณะไดพจารณาถงการศกษาลกษณะพนผว การเรงปฏกรยาดวยแสง เปนตน และสวนทสองคอสวนของการออกแบบกงหนนา และการนา TiO2 และ F-TiO2/AC ไปเปนสวนประกอบกบกงหนนาเพอนาไปบาบดนาเสยจากโรงงานอตสาหกรรมสงทอ

5.1 สรปผลการทดลอง

5.1.1 การเตรยม TiO2/AC และ F-TiO2/AC

(1) จากการศกษาพบวา AC มความพรนสงประกอบไปดวยรพรนเปดขนาดใหญและรพรนขนาดเลกจานวนมาก ดงนนผวเคลอบ TiO2 และ F-TiO2 กระจายตวอยบนผวและในรพรน

(2) อตราสวนระหวาง TTIP:2PP โดยปรมาตรโดยอตราสวนของ 2PP เพมขนจะทาใหความสามารถในการเกดกระบวนการปฏกรยาดวยแสงสงขนโดยอตราสวน 1:30 สามารถจางสของ MB ไดเรว อกทงลกษณะพนผวแสดงวาเกรนมขนาดเลก ซงเปนลกษณะโครงสรางทเปนตวเรงปฏกรยาดวยแสงทด

(3) คา pH ทเหมาะสมตอการนาไปใชในการเตรยม F-TiO2/AC โดยการเตมกรด HCl พบวาทคา pH = 2 ทาให F-TiO2/AC มความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงทดโดยท TTIP:2PP 1:30 ทาใหเกดจากลกษณะโครงสรางทคลายเสนใยนาโนและมลกษณะเปนเกรนขนาดเลกจบตวอยภายในเสนใยนาโน ทาใหมพนผวสมผสมากขนเนองจากมลกษณะเปน 3 มตไมเกดการซอนทบกนเปนพนผวในลกษณะ 2 มต

(4) ความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงของ F-TiO2/AC มประสทธภาพทดกวา TiO2/AC โดยพบวา F-TiO2/AC ทจานวน 10 g ตอ MB 150 ml ใชเวลาในการฉายแสง UV ความ

81

เขมแสง 0.22 mW/cm2 เปนเวลา 5 min พบวาสามารถจางส MB กลายเปนสใส โดย F- TiO2 /AC และ TiO2/AC มคาคงทเวลาในการจางส MB ท 0.260 และ 0.340 ตามลาดบ

(5) หลงการฉายแสง UV ภายใตการเรงปฏกรยาดวยแสงทเวลาฉายแสง UV ท 5 และ 30 min. พบวาเงอนไข F- TiO2 /AC แบบผง คอเงอนไขทมความสามารถในการจางสของ MB ไดดทสดภายใตการเตรยมสารละลาย MB ความเขมขน 0.05 mmol อตราสวนระหวางสารละลาย MB ตอ สารตวอยางคอ 400 ml:0.15 g ซงสารละลาย MB เกดการจางสจนกลายเปนสใสทเวลาฉายแสงท 5 min.

(6) ภายใตเงอนไขเวลาการฉายแสงเดยวกนทเงอนไข F-TiO2/AC Powder มความสามารถในการจางสของ MB มากกวา TiO2 /AC Powder อนเกดจากผลของการเตมฟลออรนบนพนผวของ TiO2 เพอเพมกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงในการยอยสลายสารประกอบอนทรยแคทไอออนกซงในทนไดใช MB เปนตวทดสอบ

(7) ความสามารถในการบาบดนาเสยจากโรงงานสงทอ F-TiO2/AC มประสทธภาพทดกวา TiO2/AC ซงใหผลสอดคลองกบผลของการจางส MB และเมอพจารณาการจางสพบวาทอตราสวน F-TiO2/AC จานวน 10 g ตอ นาเสย 150 ml F-TiO2/AC สามารถจางสจากโรงงานอตสาหกรรมสงทอไดอยางสมบรณกลายเปนสใสภายในเวลาเพยง 6 hr.

5.1.2 การออกแบบกงหนนา

การออกแบบกงหนไดมการประยกตใช TiO2 และ F-TiO2/AC มาเปนสวนองคประกอบทเปนใบพด ในการออกแบบไดออกแบบใหใบพดสมผสกบนาเสยและแสงยวใหมากทสด โดยกงหนทออกแบบมใบพดทงหมด 24 แผน ขนาดใบพด 10.0 x 10.5 cm2 โดยระบบไดออกแบบใหมมอเตอรควบคมการหมนเพอใหใบพดกงหนเตมอากาศเขาสนาเสยทตองการบาบด ดวยระบบสามารถปรบเปลยนคาอตราเรวในการหมนได ในการควบคมอตราการหมนเพอบาบดนาเสยในระบบเปดซงเปนอตราเรวควบคมใหนาในระบบคงทไมใหสญเสยปรมาณนาเสยจากการตนาของใบพด

5.1.3 การเตรยมใบพดกงหนนา

1) การตรยมใบพดกงหนเคลอบ TiO2 ใชวธการเคลอบแบบหมนเหวยง การเคลอบลงบนแผนสแตนเลสขนาด 10.0 x 10.5 cm2 ทาไดโดยการใช โซล-เจล 1.5 ml และอตราการเรวรอบในการเคลอบ 1500 rpm ฟลมจะกระจายตวทวแผน จากนนนาไปอบทอณหภม 400oC ในแตละรอบซงจานวนรอบในการเคลอบทงหมดคอ 10 รอบ

82

2) การเตรยมใบพดกงหน F-TiO2/AC โดยเตรยม F-TiO2/AC ทมเงอนไขทมการบาบดนาเสยทดทสดทไดจากการตรวจสอบคณลกษณะ ซงกคออตราสวนระหวาง TTIP:2PP คอ 1:30 ความเขมขนสารละลาย NaF 30 mmol ท pH = 2 หลงจากนนจงนาไปเตรยมในตาขายสแตนเลสขนาด 10.0 x 10.5 cm2

5.1.4 ประสทธภาพในการบาบดนาเสยจากโรงงานอตสาหกรรมสงทอ

นาเสยจากอตสาหกรรมสงทอทใชในการทดลองคอนาเสยจากโรงงาน จงสถตย จากด ซงเปนนาเสยจากการยอมผาและเปนนาเสยหลงจากออกจากระบบหลอเยนกอนเขาสขนตอนการเตมอากาศ การบาบดนาเสยทาภายใตกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสง UV ความเขมแสงเฉลย 0.22 mW/cm2 เปรยบเทยบระหวางกงหนเคลอบ TiO2 และม F-TiO2/AC เปนองคประกอบ ผลการทดลอง พบวาประสทธภาพในการบาบดนาเสยของกงหนทม F-TiO2/AC เปนองคประกอบของใบพดนนทเวลาในการบาบด 24 hr. ใหผลการบาบดจากการจางสทดกวากงหนทมใบพดเคลอบ TiO2 และนาขาออกจากโรงงาน จงสถตย ทใชเวลาในการบาบด 24 hr. เทากนซงผลการบาบดทดนนเกยวของกบความสามารถดดจบของ AC และความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงของ F-TiO2

5.2 ขอเสนอแนะ

5.2.1 การศกษาวธการเตรยม TiO2 เพอทจะปรบปรงประสทธภาพในกระบวนการเรงปฏกรยาดวยแสงใหมความเหมาะสมกบการใชงานนนพบวามตวแปรบางตวทนาสนใจและควรศกษาทาวจยเพมเตมตอไป เชน การสรางผวเคลอบในรปแบบตาง ๆ การเจอสารเพอเพมเตมความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสง และการเพมความสามารถในการดดซบ

5.2.2 ในสวนของ F-TiO2 นนยงคงตองศกษาและพฒนาวธการนา F-TiO2 ไปใชงานในสวนของกระบวนการบาบดตอไป โดยดผลของฟลออรนวาเปลยนแปลงไปมากนอยแคไหนเมอเวลาในการบาบดผานไปและมการบาบดหลายรอบ

5.2.3 การออกแบบกงหนควรมการศกษาการออกแบบเพมเตมใหตวอยางมพนทผวสมผสกบแสงและนาเสยใหมากขนเพอเพมประสทธภาพในการบาบด

5.2.4 ศกษาการบาบดนาเสยเพมเตมทมาจากหลากหลายแหลงโรงงานอตสาหกรรมมากยงขนและควรศกษาเพมเตมในดานคาคณลกษณะของนาเสยภายหลงการบาบดตามมาตรฐานกรมควบคมมลพษ

83

รายการอางอง 1. J. Arana, J. M. Dona-Rodriguez, E. Tello Rendon, C. Garriga i Cabo, O. Gonzalez-Diaz, J. A. Herrera-Melian, J. Perez-Pena, G. Colon, and J. A. Navio, “TiO2 activation by using activated carbon as a support: Part I. Surface characterisation and decantability study,” Applied Catalysis Environmental, vol. 44, no. 2, pp. 161–172, 2003. 2. S. S. M.Asilturk, “TiO2-activated carbon photocatalysts: Preparation, characterization and photocatalytic activities,” Chemical Engineering Journal, vol. 180, pp. 354–363, 2012. 3. A.Ahmadpour and D. D. Do, “The preparation of activated carbon from macadamia nutshell by chemical activation,” Carbon, vol. 35, no. 12, pp. 1723–1732, 1997. 4. X. Zhang and L. Lei, “Effect of preparation methods on the structure and catalytic performance of TiO2/AC photocatalysts,” Journal of Hazardous Materials, vol. 153, no. 1–2, pp.827–833, 2008. 5. Y. Li, M. Ma, S. Sun, X. Wang, W. Yan, and Y. Ouyang, “Preparation and photocatalytic activity of TiO2–carbon surface composites by supercritical pretreatment and sol–gel process,” Catalysis Communications, vol. 9, no. 7, pp. 1583–1587, 2008. 6. K. S. W. Sing, “Overview of Physical Adsorption by Carbons,” in Adsorption by Carbons, E. J. Bottani and J. M. D.Tascon, Eds. Amsterdam: Elsevier, pp. 3–14, 2008. 7. J. Lyklema, “Discrimination between physical and chemical adsorption of ions on oxides,” Colloids and Surfaces, vol. 37, pp. 197–204,1989. 8. L.Youji, M.Mingyuan, S.Shuguo, W.Xiaohong, Y.Wenbin, O.Yuzhu, “Preparation and photocatalyticactivity of TiO2 carbon surface composites by supercritical pretreatment and sol–gel process” Catalysis Communications 9, pp.1583-1587, 2008.

9. M.A.Barakat ,"Adsorption and photo degradation of Procion yellow H-EXL dye in textile wastewater over TiO2 suspension," Journal of Hydro-environment Research, 2011.

84

11. S. Chin, E. Park, M. Kim, and J. Jurng, “Photocatalytic degradation of methylene blue with TiO2 nanoparticles prepared by a thermal decomposition process,” Powder Technology, vol. 201, no. 2, pp. 171–176, 2010. 12. U. Diebold, “The surface science of titanium dioxide”, Surface Science Report 48, 2003. 13. F.Akira, N.R.Tata ,and A. Donald , “Titanium dioxide photocatalysis”, Journal of Photochemetry and Photobiology,2000.

14. K.Y.Foo, B.H.Hameed , “Decontamination of textile wastewater via TiO2/activated carbon composite materials”, Advances in Colloid and Interface Science, pp.130–143, 2010.

15. P.Zeman, S.Takabayashi , “Nano-scale photocatalytic TiO2 thin films prepared by magnetron sputtering”, Thin Solid Films, 2003.

16. M. Yamagishi, S.Kuriki, P.K. Song and Y. Shigesato, “Thin films TiO2 photocytalyst deposited by reactive magnetron sputtering”,Thin Solid Films, 2003.

17. P.Zeman and S.Takabayashi, “Effect of totol and oxygen patial pressures on structure of photocatalytic TiO2 films sputtered on unheated substrate”,Surface and Coatings Technology,2002.

18. S. Qourzal, A. Assabbane, and Y. Ait-Ichou, “Synthesis of TiO2 via hydrolysis of titatiumtetraisopropoxide and its photocatalytic activity on a suspended mixture with activated carbon in the degradation of 2-naphthol”,Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry ,2004.

19. N.M. Igor and J.K. Kenneth., “Comparative study of TiO2 particles in powder form and as a thin nanostructured film on quartz”,Journal of Catalysis, 2004.

20. J. Yu, X. Zhao and Q. Zhao. , “ Photocatalytic activity of nanometer TiO2 thin films prepared by the sol–gel method”,Materials Chemistry and Physics, 2001.

21. D.J. Kim, S.H. Hahn, S.H. Oh and E.J. Kim, “Influence of calcinations temperature on structural and optical properties of TiO2 thin films prepared by sol–gel dip coating”,Materials Letters, 2002.

85

22. S.K. Zheng, G. Xiang, T.M. Wanga, F. Pan, C. Wang, and W.C. Hao, “ Photocatalytic activity studies of TiO2 thin films prepared by r.f. magnetron reactive sputtering”,Vacuum, 2004. 23. J.M. Wu, and T.W. Zhang, “ Photodegradation of rhodamine B in water assisted by titania films prepared through a novel procedure”,Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2004. 24. J.Y. Zhang, I.W. Boyd, B.J. O’Sullivan, P.K. Hurley, P.V. Kelly and J.-P. Senateur, “ Nanocrystalline TiO2 films studied by optical, XRD and FTIR spectroscopy”,Journal of Non-Crystalline Solids, 2002. 25. I.Chuasontia, K. Hathaisamit and S. Pudwat, “Effect of Surface Fluorination on Photocatalytic Activity of Titania Nano-Powder”, 5th International Science, Social Science, Engineering and Energy Conference 2013 (ISEEC 2013), December 18-20, 2013. 26. S. Pudwat, I. Chuasontai, K. Hathaisamit, K, Aiempanakit, M. Horprathum and P. Limsuwan, “Preparation of Titanium Dioxide Films on Water Wheel for Domestic Wastewater Treatment”, International Conference on Applied Physics and Material Applications (ICAPMA2013), 20-22 FEB 2013. 27. S. Pudwat , I. Chuasontai, S. Kunapermsiri, T. Preansaythong and K. Hathaisamit “A Study of Photocatalytic Activity of TiO2 Films on Water Wheel for MB Degradation”, 4th International Science, Social Science, Engineering and Energy Conference 2012 (ISEEC 2012), December 11-14, 2012.

28. D.G. Syarif, A. Miyashita, T.Yamaki, T.SumitaY. Choi, and H. Itoh, “Preparation of anatase and rutile thin films by controlling oxygen partial pressure”,Applied Surface Science, pp.287–292,2002.

29. A.C. Rodrigues, M. Boroski, N.S. Shimada, J.C. Garcia, J. Nozaki and N. Hioka, “Treatment of paper pulp and paper mill wastewater by congulation-flucculation followed by heterogeneous photocataltsis”,Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2008.

86

30. P. A. Pekakis, N. P. Xekoukoulotakis and D. Mantzavinos, “Treatment of textile dyehouse wastewater by TiO2 photocatalysis”,WATER RESEARCH, pp.1276–1286,2006.

31. W. S. Kuo and P.H. Ho, “Solar photocatalytic decolorization of dyes in solution with TiO2”, Dyes and Pigments , pp.212-217,2006.

32. M.Toyoda, Y.Nanbu ,T.Kitob , M.Himnob and M.Inagakib , “ Preparation and performance of anatase-loaded porous carbons for water purification, Desalination 159, pp.273-282,2003.

33. Li Y., Li J., Ma M.Y., Ouyang Y.Z. and Yan W.B, “Prepaaration of TiO2/active carbon with Fe ions doping photocatalyst and its application to photocatalytic dedradation of reactive brilliant red K2G”, Science in China Series B: Chemistry, pp.1113-1119, 2009.

34. รศณญา ทบปลา, เฉลมพนธ งามโสภาสรสกล และอภสฏฐ ศงสะเสน, “การบาบดสยอมเมททลลนบลโดยไทเทเนยมไดออกไซดทยดเกาะบนถานจากซงขาวโพด”,ในการสมมนาทางวชาการเรอง The 35th Congress on Science and Technology of Thailand (STT35), มหาวทยาลยบรพา,2552.

35. M.Kaneko and I.Okura. "Photocatalysis science and technology", Kodansha and springer,2002.

[36. G.Parker, "Introductory semiconductor device physics", Prentice Hall Europe (UK), 1994.

87

ประวตผเขยน

ชอ นางสาวจนทรจรา ศวะประทานกล วนเดอนปเกด วนจนทรท 10 กนยายน พ.ศ.2533 ทนการศกษา ทนผชวยวจยงบประมาณแผนดนประจาปงบประมาณ

2556 มหาวทยาลยธรรมศาสตร

ผลงานทางวชาการ

งานประชมวชาการ

J.Sivapatarnkun, N.Singhamarasri and S. Pudwat, “Films-Spreading and Photocatalytic Activities of F-TiO2 Films on Stainless Steel Coated by Spin Coating Method”, The 8th Annual Conference of The Thai Physics Society, Siam Physics Congress (SPC2013), Mach 22-23, 2013.

J.Sivapatarnkun, K.Hathaisamit and S. Pudwat, “Surface Morphology and Pholtocatalytic Activity of F-TiO2/AC Prepared by Sol-Gel and Dipped Coating Technique”, Pure and Applied Chemistry International Conference 2014 (PACCON 2014), January 8-10, 2014.

J.Sivapatarnkun, K.Hathaisamit and S. Pudwat “Enhancement for Photocatalytic Activity of TiO2 Combined with Activated Carbon under Surface Fluorination (F-TiO2/AC)”, The 2nd International Conference on Applied Physics and Material Applications (ICAPMA 2015), 28 –30 May 2015.

88

ผลงานระดบนานาชาต

J.Sivapatarnkun, K.Hathaisamit and S. Pudwat, “Surface Morphology and Pholtocatalytic Activity of F-TiO2/AC Prepared by Sol-Gel and Dipped Coating Technique”, Pure and Applied Chemistry International Conference 2014 (PACCON 2014).

J. Sivapatarnkun, K. Hathaisamit, S. Pudwat, "Enhancement for Photocatalytic Activity of TiO2 Combined with Activated Carbon under Surface Fluorination (F-TiO2/AC)", Key Engineering Materials, Vols. 675-676, pp. 560-563, 2016.

การประยุกต์ใช้ถ่านกัมมันต์เคลือบไทเทเนียมไดออกไซด์และเติม...

Documents

Transcript of การประยุกต์ใช้ถ่านกัมมันต์เคลือบไทเทเนียมไดออกไซด์และเติม...