การพัฒนาเซลล์โฟโตอิเล็กโตรคะตะไลติกสำหรับกำจัดของเสียอิมัลชันน้ำมันในน้ำจากระบบอุตสาหกรรม

Abstract

น้ำเสียประเภทที่มีอิมัลชันน้ำมันละลายในน้า ทำให้ปริมาณออกซิเจนที่ละลายในน้ำลดลงทำให้เกิดมลภาวะทางน้ำตามมา ฉะนั้นจำเป็นอย่างยิ่งที่ต้องบำบัดก่อนปล่อยลงสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตามการบำบัดน้ำเสียดังกล่าวยากแก่การตกตะกอน และต้องใช้เวลาในกระบวนการบำบัดค่อนข้างนาน ดังนั้นวัตถุประสงค์งานวิจัยนี้คือการพัฒนาเทคนิคที่มีประสิทธิภาพสูงในการบำบัดน้ำมันอิมัลชันในน้ำ ด้วยการพัฒนาการเตรียมขั้วไฟฟ้าสารกึ่งตัวนำแอโนด เพื่อใช้ในการออกซิไดซ์อิมัลชันน้ามันในน้ำด้วยเทคนิคโฟโตอิเล็กโตรคะตะไลติก นอกจากนี้ได้ศึกษาและออกแบบเซลล์ต้นแบบให้มีประสิทธิภาพ สะดวก รวดเร็ว และราคาถูก ในการบำบัดน้ำเสียน้ำมันอิมัลชันดังกล่าว โดยแบ่งการศึกษาวิจัยออกเป็นสองส่วนดังนี้ ส่วนที่หนึ่ง เป็นการพัฒนาการเตรียมขั้วไฟฟ้าสารกึ่งตัวนำบิสมัทวานาเดท (Bismuth vanadate: BiVO [subscript 4]) ลงบนตัวรองรับกระจกนำไฟฟ้าฟลูออรีนโดปทินออกไซด์ (Fluorine doped tin oxide: FTO) ด้วยวิธีไซคลิกโวลแทมเมตรี (Cyclic Voltammetry Deposition: CVD) ศึกษาสภาวะที่เหมาะสมในการเตรียมขั้วไฟฟ้าบิสมัทวานาเดทและทดสอบสมบัติต่างๆ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพในการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันมากที่สุดโดยศึกษาสมบัติทางแสงด้วยเครื่องยูวีวิสิเบิลสเปกโทรโฟโตมิเตอร์ (UV-visible spectrophotometer) ศึกษาสมบัติทางโฟโตอิเล็กโตรคะตะไลติกสำหรับการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันในสารละลายน้ำ ด้วยเครื่องโพเทนชิโอสแตท (Potentiostat) ศึกษาความต้านทานเชิงเคมีไฟฟ้าด้วยเทคนิคอิมพีแดนซ์สเปกโทรสโกปีเชิงเคมีไฟฟ้า (Electrochemical impedance spectroscopy: EIS) ศึกษาลักษณะทางสัณฐานวิทยาด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (Scanning electron microscopy: SEM) ศึกษาโครงสร้างผลึกด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (X-ray diffraction: XRD) และศึกษาองค์ประกอบทางเคมีของฟิล์มบางที่ผิวหน้าขั้วไฟฟ้าด้วยเทคนิคสเปกโทรสโกปีของอนุภาคอิเล็กตรอนที่ถูกปลดปล่อยด้วยรังสีเอกซ์ (X-ray photoelectron spectroscopy; XPS) ผลการศึกษาพบว่า สภาวะที่เหมาะสมในการเตรียมขั้วไฟฟ้าบิสมัทวานาเดท (FTO/BiVO4) ด้วยเทคนิคไซคลิกโวลแทมเมตรีเพื่อให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุดในการเกิดปฏิกิริยาออกซิชันในสารละลายน้ำ คือ ค่าพีเอช (pH) ของสารละลายอิเล็กโตรไลต์เท่ากับ 4.5 อุณหภูมิของสารละลายอิเล็กโตรไลต์เท่ากับ 40 องศาเซลเซียส จำนวนรอบของการสแกนศักย์ไฟฟ้าเท่ากับ 1 รอบ อัตราการสแกนศักย์ไฟฟ้าเท่ากับ 50 มิลลิโวลต่อวินาที ค่าศักย์ไฟฟ้าในช่วง +1.5 โวลต์ ถึง +2.5 โวลต์ (เทียบกับขั้วไฟฟ้าอ้างอิงซิลเวอร์/ซิลเวอร์คลอไรด์:vs. Ag/AgCl) และเผาที่อุณหภูมิ 500 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 1 ชั่วโมง ซึ่งสามารถศึกษาและยืนยันสมบัติต่างๆ ที่สอดคล้องกับสมบัติโฟโตอิเล็กโตรคะไลติกได้เป็นอย่างดี ในส่วนที่สองคือการศึกษาและออกแบบเซลล์ต้นแบบสำหรับกำจัดสารละลายน้ำมันหล่อเย็น (Cutting oil) ซึ่งเป็นตัวแทนของน้ำเสียประเภทอิมัลชันน้ำมันในน้ำ จากการพัฒนาเซลล์ต้นแบบโดยใช้ขั้วไฟฟ้าบิสมัทวานาเดทที่พัฒนาขึ้นเป็นขั้วไฟฟ้าแอโนดและแผ่นสังกะสีเป็นขั้วไฟฟ้าแคโทดวางขนานกัน ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ 0.1 โมลต่อลิตรโซเดียมซัลเฟต ควบคุมศักย์คงที่เท่ากับ 1 โวลต์ ภายใต้การเร่งการเกิดปฏิกิริยาด้วยแสงช่วงตามองเห็น และเพิ่มการไหลเวียนของสารละลายผ่านขั้วไฟฟ้าด้วยปั๊ม พบว่าสามารถกำจัด สารละลายน้ำมันหล่อเย็น (Cutting oil) ได้ถึง 76 เปอร์เซ็นต์ และลดค่าซีโอดี ได้ 78 เปอร์เซ็นต์ ภายในเวลา 7 ชั่วโมง สามารถยืนยันได้ว่าขั้วไฟฟ้า FTO/BiVO [subscript 4] ที่พัฒนาขึ้นสามารถประยุกต์ใช้กับชุดต้นแบบและมีประสิทธิภาพในการบำบัดน้ำเสียประเภทอิมัลชันน้ำมันในน้ำได้เป็นอย่างดี ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเซลล์ต้นแบบโฟโตอิเล็กโตรคะตะไลติกที่พัฒนาขึ้นเป็นวิธีที่สะดวก รวดเร็ว และประหยัด เหมาะที่จะพัฒนาต่อยอดในระดับอุตสาหกรรมได้

Wastewater with oil-in-water emulsions could decrease the dissolved oxygen level in the water and thus results to water pollutions. The wastewater must be treated before it could be released into the environment. However, this kind of wastewater is difficult to precipitate and the process needs longer time. Therefore, this research aimed to develop a high-efficiency technique for the oil-in-water emulsion treatment plan by generating a semiconductor anode for oxidizing oil-in-water emulsions in the photo-electrocatalytic degradation. Moreover, the prototype cell was designed and studied to produce a rapid, convenient, efficient, and economical wastewater treatment. The study was divided into two parts. In the first part, the bismuth vanadate (BiVO [subscript 4]) semiconductor anode was developed. The bismuth vanadate (BiVO [subscript 4]) was deposited on fluorine doped tin oxide (FTO) glass substrates using cyclic voltammetry deposition (CVD). To acquire the maximum oxidation efficiency, the optimum conditions for bismuth vanadate anodes were studied and the anode properties were investigated. First, the optical absorption of the anodes was examined using a UV/Vis spectrophotometer. Then, the photo-electrocatalytic oxidation in aqueous solutions was analyzed using a potentiostat and the charge transfer resistance was studied using electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Next, the surface morphology was investigated by scanning electron microscopy (SEM). The crystalline structures were studied using X-ray diffraction (XRD) and the chemical composition of the thin film deposition on the anode surface was confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The study revealed that to maximizing oxidation efficiency of the bismuth vanadate anode in aqueous solution by cyclic voltammetry, the optimum conditions were as follows: the electrolyte solution pH was 4.5 and the temperature of the electrolyte solution was 40 °C. The number of scan process and the scan rate were 1 cycle and 50 mV/s, respectively. The applied potential was between +1.5 V to +2.5 V (vs Ag/AgCl). Finally, the fabricated electrode was calcinated at 500 °C for 1 hour. These results confirmed that the properties of the bismuth vanadate (BiVO [subscript 4]) semiconductor anode corresponds to the photo-electrocatalytic properties. In the second part, the prototype cell for the cutting oil, as an example of oil-in-water emulsions, removal was designed and studied. In the prototype cell, the prepared bismuth vanadate anode was placed in parallel with a zinc plate cathode in the electrolyte solution of 0.1 M sodium sulfate. The applied potential was controlled at 1.0 V. Under the visible light irradiation and an increasing flow of solution through the electrodes with a pump, it was found that the prototype cell could degrade 76 % of cutting oil and could achieve the COD removal rate of 78 % within 7 hours. The result confirmed that the developed FTO / BiVO [subscript 4] anodes could be used in the designed prototype and it showed high-efficiency in oil-in-water emulsion removal process. This result pointed out that the photo-electrocatalytic prototype cell was a convenient, fast, and economical method suitable for further industry level development.