“MOF” วัสดุแห่งอนาคต จากของเสียสู่วัสดุมูลค่าสูง

สรุปสาระสำคัญ

• MOF วัสดุแห่งอนาคต ออกแบบโครงสร้างได้ในระดับนาโน
• นักวิจัย สวทช. พัฒนาเทคโนโลยีผลิต MOF ต้นทุนต่ำจากของเสีย
• ใช้งานได้ทั้ง อุตสาหกรรมพลังงาน การดูแลสิ่งแวดล้อม และเพื่อสุขภาพและการแพทย์
• มุ่งสู่ ไทยทำ ไทยใช้ ลดการพึ่งพาเทคโนโลยีต่างประเทศ

“ถ้าเราสามารถสร้างวัสดุขึ้นมาใหม่โดยกำหนดได้ตั้งแต่ลักษณะโครงสร้างไปจนถึงสมบัติทางเคมีในระดับนาโนเมตร เราจะใช้ประโยชน์จากวัสดุเหล่านั้นได้มากขนาดไหน” นี่คือแนวคิดจุดตั้งต้นของการพัฒนา Metal-Organic Framework หรือ MOF (มอฟ) วัสดุผสมระหว่างโลหะกับสารอินทรีย์ที่ออกแบบโครงสร้างและสมบัติให้มีความจำเพาะได้ ที่นักวิจัยในหลายประเทศทั่วโลกพัฒนากันมาตั้งแต่ช่วงปี ค.ศ. 1990 (พ.ศ. 2533) จนทุกวันนี้มีนวัตกรรมวัสดุ MOF ที่หลากหลาย ทั้งเพื่อการดูแลรักษาสิ่งแวดล้อม ยกระดับอุตสาหกรรมพลังงาน หรือกระทั่งใช้เป็นวัสดุทางด้านสุขภาพและการแพทย์ แต่ก็ยังมีอุปสรรคสำคัญ คือ “ต้นทุนการผลิตที่สูงเกินกว่าจะใช้ประโยชน์วัสดุนี้ในระดับอุตสาหกรรมอย่างแพร่หลาย”

กระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (อว.) โดยศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) พัฒนาเทคโนโลยีการผลิต MOF ในเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลต่อเนื่อง (continuous flow reactor) และเทคโนโลยีการผลิต MOF จากของเสียหรือวัสดุเหลือทิ้ง มุ่งตอบโจทย์ลดต้นทุนการผลิต ลดการใช้พลังงาน และลดการพึ่งพาเทคโนโลยีจากต่างประเทศ โดยได้รับการสนับสนุนจากหน่วยบริหารจัดการทุนด้านการเพิ่มความสามารถการแข่งขัน (บพข.)

ดร.ชลิตา รัตนเทวะเนตร นักวิจัยทีมวิจัยนาโนเทคโนโลยีเพื่อสิ่งแวดล้อม นาโนเทค สวทช. อธิบายว่า MOF เป็นวัสดุผสมระหว่างโลหะกับสารอินทรีย์ โดยโลหะทำหน้าที่เป็นจุดเชื่อม (node) ขณะที่สารอินทรีย์ทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อม (linker) ระหว่างโลหะแต่ละจุด ทำให้วัสดุมีลักษณะเป็นโครงข่ายสามมิติที่มีรูพรุนจำนวนมาก โดยในการผลิตหากเลือกใช้โลหะ สารอินทรีย์ รวมถึงการออกแบบโครงสร้างที่แตกต่างกัน ก็จะทำให้วัสดุมีสมบัติต่างกันไปด้วย

“แม้ MOF จะเป็นวัสดุนวัตกรรมที่มีสมบัติโดดเด่นและมีศักยภาพสูงในหลายอุตสาหกรรม แต่การนำไปใช้ในระดับอุตสาหกรรมยังไม่แพร่หลายนัก สาเหตุสำคัญประการหนึ่งคือข้อจำกัดด้านเทคโนโลยีการผลิต ที่โดยทั่วไปนิยมใช้การสังเคราะห์แบบเป็นรอบ (batch synthesis) ซึ่งมีข้อจำกัดด้านกำลังการผลิตและการควบคุมกระบวนการ ทำให้เมื่อผู้ผลิตพยายามเพิ่มขนาดการผลิตมักเกิดปัญหาการควบคุมอุณหภูมิและสภาวะปฏิกิริยา ส่งผลให้อัตราผลผลิต (yield) ลดลงจากระดับสูงร้อยละ 90–98 เหลือเพียงประมาณร้อยละ 50 เท่านั้น”

เพื่อแก้ไขข้อจำกัดดังกล่าว ทีมวิจัยจึงได้พัฒนากระบวนการผลิตรูปแบบใหม่โดยใช้ continuous flow reactor ซึ่งเป็นระบบการผลิตแบบต่อเนื่องที่ควบคุมการไหลของสารตั้งต้นและสภาวะปฏิกิริยาได้อย่างสม่ำเสมอขึ้น

ดร.ชลิตา อธิบายเพิ่มเติมว่า จุดเด่นสำคัญของการสังเคราะห์แบบ continuous flow คือ การควบคุมการถ่ายเทความร้อนและอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีได้อย่างแม่นยำ กล่าวคือแม้วิธีการนี้จะมีอัตราการผลิตต่อหน่วยเวลาอยู่ในระดับไม่สูงนัก แต่การที่ผลิตได้อย่างต่อเนื่อง และมีอัตราผลผลิตสูงถึงร้อยละ 98 จะทำให้เพิ่มกำลังการผลิตจากหลักกรัมต่อชั่วโมงเป็นระดับกิโลกรัมต่อชั่วโมงได้อย่างมีเสถียรภาพ

“เทคโนโลยีการผลิตดังกล่าวยังมีความยืดหยุ่นสูง ประยุกต์ใช้กับการผลิต MOF สูตรต่าง ๆ ได้หลากหลาย ที่สำคัญเป็นระบบเครื่องจักรที่พัฒนาและผลิตได้ภายในประเทศ จึงช่วยลดการพึ่งพาการนำเข้าเครื่องจักรราคาแพงจากต่างประเทศ และเปิดโอกาสให้เกิดการขยายการผลิตในระดับอุตสาหกรรมในอนาคตได้เป็นอย่างดี”

นอกจากการพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อก้าวผ่านข้อจำกัดด้านการผลิต ที่ผ่านมาทีมวิจัยยังได้พัฒนาสูตรการผลิต MOF ที่เหมาะแก่การผลิตด้วยเทคนิค continuous flow reactor อีกหลายชนิด โดยสิ่งที่ทีมวิจัยให้ความสำคัญเป็นอย่างยิ่ง คือ การลดต้นทุนวัตถุดิบ และการเลือกใช้วัตถุดิบที่มีมากและหาได้ง่ายในประเทศไทย

ดร.ชลิตา เล่าถึงผลงานแรกที่ทีมวิจัยพัฒนาว่า เป็น MOF ที่ผลิตจากขยะขวดพลาสติกประเภท PET เพราะในพลาสติกชนิดนี้มีกรดเทเรฟทาลิก (terephthalic acid) ซึ่งเป็นสารอินทรีย์ที่นำมาใช้ในการผลิต MOF ได้ โดยทีมวิจัยผลิต MOF ได้ 2 สูตร คือ MIL-53 (มิล-53) และ UiO-66 (ยูไอโอ-66) ที่มีสมบัติในการกักเก็บสารมีเทนได้อย่างปลอดภัย เหมาะแก่การใช้เป็นวัสดุในถังบรรจุเชื้อเพลิงสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมพลังงานและปิโตรเคมี

“อีกตัวอย่างเด่น คือ การผลิต MOF โดยใช้เศษออกไซด์ของเหล็กที่เป็นของเสียจากกระบวนการรีดเหล็กร้อน ในอุตสาหกรรมเหล็ก โดย MOF ที่ทีมวิจัยผลิตได้ คือ MIL-100 (มิล-100) ที่มีสมบัติในการดูดซับ VOCs ซึ่งเป็นกลุ่มสารเคมีระเหยง่ายที่มักพบในสีทาบ้านและเฟอร์นิเจอร์ โดยหากผู้อยู่อาศัยในพื้นที่สูดดม VOCs เข้าไปในปริมาณมากหรือต่อเนื่องเป็นระยะเวลานานจะเป็นอันตรายต่อร่างกายได้ MIL-100 จึงเป็น MOF ที่เหมาะแก่การประยุกต์ใช้งานกับเครื่องกรองอากาศและเครื่องปรับอากาศ

“นอกจากนี้ MIL-100 ยังมีสมบัติเร่งปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนกลุ่มแก๊สอันตรายอย่างไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) ให้เป็นแก๊สไนโตรเจนที่มีอยู่ทั่วไปในอากาศได้ด้วย ทั้งนี้ไนโตรเจนออกไซด์เป็นแก๊สอันตรายเพราะสามารถทำปฏิกิริยากับสารต่าง ๆ ในอากาศแล้วแปรสภาพไปเป็นฝุ่น PM2.5 ได้ MIL-100 จึงเหมาะแก่การนำไปประยุกต์ใช้งานกับระบบบำบัดมลพิษทางอากาศของโรงงานอุตสาหกรรม”

นอกจากตัวอย่าง MOF เพื่อการใช้งานในอุตสาหกรรมพลังงานและลดปัญหามลพิษในสิ่งแวดล้อม ทีมวิจัยยังได้พัฒนา MOF ชนิด Copper-BDC (คอปเปอร์-บีดีซี) เพื่อใช้ประโยชน์ทางด้านสุขภาพและการแพทย์ด้วย

ดดร.ชลิตา เล่าว่า ผลงานนี้เกิดขึ้นจากการนำทองแดงที่ตกค้างในน้ำยากัดแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ (PCB) ผลพลอยได้จากอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ และกรดเทเรฟทาลิกจากขวดพลาสติก PET มาใช้ในการผลิต Copper-BDC ที่มีสมบัติในการฆ่าเชื้อไวรัสและแบคทีเรีย โดยใช้ไอออนของทองแดงในการทำลายโครงสร้างของเชื้อ MOF ชนิดนี้จึงเหมาะแก่การใช้ผลิตเป็นฟิล์มเคลือบพื้นผิวจุดที่มีการสัมผัสบ่อยในพื้นที่สาธารณะ เช่น ปุ่มกดลิฟต์ โดยที่ผ่านมาทีมวิจัยได้นำ Copper-BDC ไปใช้ทดสอบประสิทธิภาพการฆ่าเชื้อก่อโรคที่มีความรุนแรงสูงแล้ว 2 ชนิด คือ ไวรัสโคโรนาและไวรัสกลุ่มเอนเทอโรไวรัสซึ่งเป็นไวรัสก่อโรคมือ เท้า ปาก

อีกหนึ่งทิศทางสำคัญที่ทีมวิจัยกำลังผลักดัน คือ การพัฒนา MOF สำหรับดักจับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่เป็นหนึ่งในสาเหตุหลักของภาวะโลกร้อน

ดร.ชลิตา อธิบายว่า ทีมวิจัยได้นำ MOF ชนิด CALF-20 ซึ่งมีการพัฒนาสูตรการผลิตขึ้นในต่างประเทศมาวิจัยต่อยอดเพื่อเพิ่มกำลังการผลิต โดยมุ่งพัฒนาสูตรให้ผลิตได้รวดเร็ว อัตราผลผลิตสูง และขยายกำลังการผลิตในระดับอุตสาหกรรมได้จริง ปัจจุบันกำลังร่วมกับบุคลากรวิจัยจากคณะวิศวกรรมศาสตร์ ภาควิชาวิศวกรรมเคมี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ ในการพัฒนาเครื่องต้นแบบระบบดักจับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จากโรงงาน โดยได้รับการสนับสนุนทุนวิจัยจากบริษัท ปตท. สำรวจและผลิตปิโตรเลียม จำกัด (มหาชน)

“ในระยะต่อไปทีมวิจัยยังมีแผนมุ่งพัฒนาเทคโนโลยีการผลิต MOF ไปสู่ระดับการใช้งานจริงมากยิ่งขึ้น โดยเฉพาะการพัฒนาอุปกรณ์ต้นแบบเพื่อการนำ MOF ไปใช้ประโยชน์ด้านต่าง ๆ ทั้งในกลุ่มพลังงาน สิ่งแวดล้อม สุขภาพและการแพทย์ เพื่อให้ภาคอุตสาหกรรมได้เล็งเห็นถึงแนวทางการใช้ประโยชน์จาก MOF อย่างเป็นรูปธรรมมากยิ่งขึ้น ปัจจุบันทีมวิจัยพร้อมถ่ายทอดเทคโนโลยีการผลิต MOF ทุกสูตรดังที่กล่าวถึงข้างต้น และเทคโนโลยีการผลิต MOF ด้วยเทคนิค continuous flow reactor แล้ว”

ผู้ประกอบการที่สนใจร่วมวิจัยและพัฒนาผลิตภัณฑ์ MOF รวมถึงรับถ่ายทอดเทคโนโลยี ติดต่อสอบถามรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ ดร.ชลิตา รัตนเทวะเนตร อีเมล chalita@nanotec.or.th หรือพูดคุยสอบถามรายละเอียดเพิ่มเติมจากนักวิจัยได้ที่งานประชุมวิชาการประจำปี สวทช. ครั้งที่ 21 (NAC2026) ซึ่งจะจัดขึ้น ณ อุทยานวิทยาศาสตร์ประเทศไทย ในวันที่ 24–28 เมษายนนี้

เรียบเรียงโดย ภัทรา สัปปินันทน์ ฝ่ายสร้างสรรค์สื่อและผลิตภัณฑ์ สวทช.
อาร์ตเวิร์กโดย ภัทรา สัปปินันทน์
ภาพประกอบโดย นาโนเทค สวทช. และภาพจาก Freepik