นักวิจัยศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) ต่อยอดความเชี่ยวชาญด้านวัสดุนาโน ตอบโจทย์คุณภาพชีวิตและภัยแล้งที่ชุมชนหลายแห่งของไทยต้องเผชิญเมื่อใช้น้ำบาดาลในการดำรงชีวิต ส่งนวัตกรรม “นาโนไฮบริดเมมเบรน” ที่ผสานวัสดุกราฟีนออกไซด์และนาโนเคลย์ สู่แผ่นเมมเบรนที่มีรูพรุนระดับนาโน/ไมครอนสำหรับใช้ในระบบกรอง ถอดเปลี่ยน-ล้าง (regenerate) ใหม่ได้ ตอบโจทย์ความต้องการระบบการบำบัดน้ำบาดาลที่มีการปนเปื้อนไอออนต่างๆ เช่น เหล็ก แมงกานีส แคลเซียม เกลือ พร้อมต่อยอดพัฒนาต้นแบบระบบน้ำกรองของโรงเรียน ณ จังหวัดอุดรธานี หวังเป็นตัวช่วยกลุ่มชุมชน โรงเรียน หมู่บ้าน และพื้นที่ชายขอบที่ประสบปัญหาในเรื่องของคุณภาพน้ำด้วยระบบการจัดการน้ำสะอาดที่มีประสิทธิภาพ ตอบโจทย์ BCG ยกระดับคุณภาพชีวิตประชาชนไทย
ดร.กฤตภาส เลาหสุรโยธิน ทีมวิจัยกระบวนการระดับนาโนเพื่ออุตสาหกรรมเกษตร ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) กล่าวว่า ระบบน้ำบาดาลมีความสำคัญมากในพื้นที่ที่มีความต้องการน้ำใช้เพื่ออุปโภคและบริโภค ซึ่งในหลายพื้นที่ พบว่า น้ำบาดาลมีการปนเปื้อนไอออนต่างๆ เช่น เหล็ก แมงกานีส แคลเซียม หรือเกลือ ที่ส่งผลต่อคุณภาพน้ำ และคุณภาพชีวิตของประชาชนผู้ใช้น้ำ ทีมวิจัยนาโนเทคจึงนำองค์ความรู้มาพัฒนาต่อยอดจากวัสดุนาโนที่มีโครงสร้าง 2 มิติ จากนาโนเคลย์หรือเลเยอร์ดับเบิ้ลไฮดรอกไซด์ที่มีสมบัติในการดูดซับและแลกเปลี่ยนไอออนในการตรึงไอออนและโมเลกุลของสารประกอบต่างๆ เพื่อให้สามารถเพิ่มสมบัติการดูดซับสารปนเปื้อนดียิ่งขึ้น
“เราศึกษาอย่างต่อเนื่องร่วมกับการพัฒนาเสริมวัสดุกราฟีนออกไซด์ให้เป็นคอมพอสิตระดับนาโนไฮบริดของวัสดุสองมิติ 2 ชนิด ที่มีความเข้ากันได้ โดยมองความเป็นไปได้ที่วัสดุนาโนไฮบริดนี้จะถูกนำไปใช้งานจริง และมี TRL ที่สูงขึ้นเพื่อการต่อยอดใช้ประโยชน์ทั้งเชิงพาณิชย์และเชิงสาธารณะประโยชน์ ด้วยเหตุนี้จึงออกแบบให้วัสดุดังกล่าว อยู่ในรูปของแผ่นเมมเบรนที่มีรูพรุนระดับนาโนหรือไมครอนซึ่งจะทำให้ถูกนำไปใช้งานในระบบกรอง ถอดเปลี่ยน และล้าง (regenerate) ให้นำกลับมาใช้ใหม่ได้” ดร.กฤตภาส กล่าว
โดยงานวิจัยส่วนนี้ นาโนเทค สวทช. พร้อมกับผู้ร่วมวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีนานาชาติสิรินธร มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ (SIIT) ได้รับทุนสนับสนุนการวิจัยและนวัตกรรมจากสำนักงานการวิจัยแห่งชาติ (วช.) เพื่อพัฒนาและออกแบบนาโนไฮบริดเมมเบรนพร้อมระบบชุดกรองน้ำแบบไหลข้าม (Crossflow) สำหรับการกำจัดไอออนแคลเซียมและเกลือคลอไรด์จากกลไกการดูดซับและการแยกไอออนจากลักษณะชั้นระดับนาโน (Nanochannel) จากการซ้อนทับกันของกราฟีนออกไซด์และนาโนเคลย์ โดยมีประสิทธิภาพและความเป็นไปได้ในการพัฒนาต่อให้เกิดประโยชน์กับชุมชน ซึ่งเป็นเป้าหมายหนึ่งที่ต้องการให้เกิดขึ้นได้จริง
ดร.กฤตภาส กล่าวถึงการเตรียมวัสดุเลเยอร์ดับเบิ้ลไฮดรอกไซด์หรือนาโนเคลย์สังเคราะห์ว่า สามารถเตรียมขึ้นได้จากเกลือไนเตรดของโลหะที่เป็นไดเวเลนท์แคตไอออนกับไตรเวเลนท์แคตไอออน เมื่อใช้ไอออนของโลหะที่เหมาะสม จะสามารถเตรียมและผลิตเลเยอร์ดับเบิ้ลไฮดรอกไซด์ที่มีสมบัติเฉพาะต่างกัน และมีสมบัติการดูดซับและการแลกเปลี่ยนไอออนลบจากชั้นระหว่างเลเยอร์ของแคตไอออนไฮดรอกไซด์ เมื่อนำไปผนวกกับส่วนประกอบของวัสดุคาร์บอนจึงเป็นการเพิ่มสมบัติการดูดซับและพื้นที่ผิวให้สูงขึ้น
การสร้างคาร์บอนที่มีสมบัติหลากหลายและมีพื้นที่ผิวสูง เช่นกราฟีนออกไซด์ ที่มีสมบัติเชิงโครงสร้างแบบ 2D จะมีความสอดคล้องกันกับมิติของวัสดุเลเยอร์ดับเบิ้ลไฮดรอกไซด์ เมื่อทำการผสมแบบ in-situ ตามวิธีที่ทางนาโนเทคพัฒนาขึ้นนี้ ทำให้มีการก่อตัวของของผสมทั้งสองชนิดและได้วัสดุคอมพอสิตแบบ 2D/2D ที่ยากจะแยกกันออก ข้อดีของแนวทางแบบนี้คือทำให้วัสดุมีสมบัติการดูดซับและตรึงไอออนของเป้าหมายได้ดีขึ้น ที่สำคัญ เมื่อนำไปขึ้นรูปเป็นแผ่นเยื่อกรองโดยมีวัสดุยึดเหนี่ยวที่เหมาะสม จะทำให้วัสดุคอมพอสิตนี้ มีความเสถียร ทนต่อการนำไปใช้งานในการแยกผ่านตะกอนหรืออนุภาคได้ดี โดยเฉพาะการก้าวข้ามข้อจำกัดด้านการเป็นวัสดุที่มีความชอบน้ำต่ำ ( Hydrophilicity) ของกราฟีนออกไซด์ที่จะสลายตัวเมื่อนำไปใช้ในงานด้านน้ำ ดังนั้น เมื่อวัสดุนาโนไฮบริดนี้อยู่ในรูปของเมมเบรนที่มีขนาดรูพรุนเล็กระดับไมครอน และมีความเสถียรสูงจึงสามารถนำมาใช้รับแรงดันในกระบวนการกรองน้ำได้ผ่านการดูดซับและกรองแบบไหลข้าม (Crossflow) ที่มีข้อดีกว่าแบบ dead-end หรือกรองแบบตั้งฉากกับหน้าแผ่นกรองที่จะเกิดการสะสมและอุดตันจนไม่สามารถใช้งานต่อได้
ต้นแบบนาโนไฮบริดเมมเบรน พร้อมวัสดุนาโน
“ผลการทดสอบในระดับห้องปฏิบัติการ แสดงให้เห็นว่า วัสดุเมมเบรนนี้มีสมบัติในการดูดซับไอออนที่มีประจุทั้งในกลุ่มไอออนลบ เช่น Cl– และไอออนบวก เช่น Ca2+ และไอออนอื่นๆ งานวิจัยนี้พัฒนาวัสดุนาโนคอมพอสิตขั้นสูงนี้ สามารถพัฒนากระบวนการที่มีประสิทธิภาพ โดยรวมถึงการควบคุมอัตราส่วนทางเคมี อุณหภูมิ และบรรยากาศที่เหมาะสมจึงเกิดวัสดุดังกล่าวได้ นอกจากนี้ ยังพัฒนาเทคนิคในการผลิตในปริมาณมาก การออกแบบและพัฒนารูปแบบการเตรียมให้ได้วัสดุในรูปผงแห้ง ที่เก็บได้ยาวนานกว่าและคงประสิทธิภาพได้ดีเช่นเดียวกับวัสดุที่เพิ่งเตรียมขึ้นใหม่ ในสถิติ สามารถเก็บไว้ได้นานเกิน 1 ปี จึงพร้อมสำหรับต่อยอดสู่งานวิจัยและพัฒนาวัสดุอื่นต่อไป” ดร. กฤตภาส กล่าว 
นอกจากนี้ ทีมวิจัยยังกำลังดำเนินงานวางแผนพัฒนาระบบน้ำกรองของโรงเรียนในพื้นที่จังหวัดอุดรธานี ผ่านความร่วมมืออย่างน้อยสองเครือข่าย ได้แก่ มรภ.ราชภัฏอุดรธานี และทางโรงเรียนเป้าหมายใน ตำบลพันดอน อำเภอกุมภวาปี จ.อุดรธานี ภายใต้โครงการงบบูรณาการน้ำ ปี 2567 ซึ่งจะเป็นการสำรวจคุณภาพน้ำและทำการปรับปรุงฟื้นฟูระบบกรองน้ำที่มีอยู่เดิมให้มีประสิทธิภาพดีขึ้นอีกครั้งโดยการใช้ระบบตกตะกอน การให้อากาศ และการกรองผ่านระบบไมโครเมมเบรนนาโนไฮบริด โดยจะมีการติดตาม ทดสอบผลเปรียบเทียบความแตกต่างของระบบที่ติดตั้ง เพื่อรวบรวมเป็นผลงานวิจัยเชิงวิชาการ และร่วมกับการพัฒนาทักษะและความเข้าใจให้กับโรงเรียนและชุมชนผู้ดูแลระบบในพื้นที่จริง ให้ทราบถึงประโยชน์ของนาโนเทคโนโลยีต่อไป
“นวัตกรรมแผ่นไมโครเมมเบรนพร้อมด้วยชุดกรองแบบไหลข้ามนี้ จะเป็นประโยชน์สำหรับกลุ่มชุมชนที่ประสบปัญหาในเรื่องของคุณภาพน้ำ มีโรงเรียน หมู่บ้าน และพื้นที่ชายขอบที่ยังมีความต้องการระบบการจัดการน้ำสะอาดที่มีประสิทธิภาพ ตอบโมเดลเศรษฐกิจ BCG ในการใช้วิทยาศาสตร์ยกระดับคุณภาพชีวิตประชาชนไทย ในขณะเดียวกัน การพัฒนาวัสดุนาโนไฮบริดของเลเยอร์ดับเบิ้ลไฮดรอกไซด์และกราฟีนออกไซด์นี้ ยังพร้อมสำหรับการผลิตในเชิงพาณิชย์เมื่อมีผู้สนใจรับการถ่ายทอดเทคโนโลยี ซึ่งขณะนี้อยู่ในระหว่างการวิจัยเพิ่มเติมถึงการใช้งานอื่นๆ ที่หลากหลาย และนำเสนอให้ผู้สนใจได้เห็นโอกาสในการนำไปขยายผลเชิงอุตสาหกรรมและพาณิชย์ต่อไป” ดร. กฤตภาส กล่าว