คาร์บอนไดออกไซด์แล้วไง ข้องใจเหรอคะ (ตอนที่ 1)

คาร์บอนไดออกไซด์แล้วไง ข้องใจเหรอคะ (ตอนที่ 1)

โดย รวิศ ทัศคร


 

          คาร์บอนไดออกไซด์เป็นสารประกอบที่คนทั่วไปรู้จักกันดี คาร์บอนไดออกไซด์มีสถานะเป็นก๊าซที่อุณหภูมิห้อง ผู้ที่ศึกษาสมบัติต่างๆ ของคาร์บอนไดออกไซด์เป็นคนแรกคือ Joseph Black ในช่วงปี ค.ศ. 1750s (ราว พ.ศ. 2293)

          มนุษย์เผาเชื้อเพลิงฟอสซิลเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ทำความร้อนหรือทำความเย็นให้แก่อาคาร หรือเพื่อให้กำลังแก่เครื่องจักร รวมถึงใช้งานในอุตสาหกรรมต่างๆ มากมาย จนตัวเลขปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่มนุษย์เราปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศโลกอย่างมหาศาลเมื่อไม่นานมานี้นั้น สูงถึง 1.09 ล้านกิโลกรัมต่อวินาที ซึ่งจากการเจาะน้ำแข็งจากบริเวณขั้วโลกมาศึกษาทำให้นักวิทยาศาสตร์ทราบว่าระดับคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศได้รักษาระดับของมันอยู่ในช่วง 170–300 ส่วนในล้านส่วน (ppm) มาตลอดแปดแสนปี และการเปลี่ยนแปลงใดๆ จะใช้เวลาเป็นพันๆ ปีจึงจะเปลี่ยน แต่จาก ค.ศ. 1750 (พ.ศ. 2293) ที่เป็นจุดเริ่มต้นของยุคอุตสาหกรรมเป็นต้นมา ระดับคาร์บอนไดออกไซด์ได้เพิ่มจาก 280 ppm ไปจนมากถึง 400 ppm ในปัจจุบัน[1]


รูปที่ 1 ระดับคาร์บอนไดออกไซด์ที่เพิ่มขึ้น และอุณหภูมิเฉลี่ยตั้งแต่ปี ค.ศ. 1880 – 2013 ซึ่งเพิ่มจาก 56 oF (13.33 oC) ขึ้นมาเป็น 58.5 oF (14.72 oC) (ที่มา : [1])

          นอกจากก๊าซมีเทนแล้ว คาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดจากกิจกรรมต่างๆ ของมนุษย์เป็นหนึ่งในบรรดาก๊าซเรือนกระจกตัวสำคัญที่เป็นตัวการสำคัญในการกักเก็บพลังงานความร้อนเอาไว้ในชั้นบรรยากาศ ซึ่งเป็นสาเหตุของการเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศโลก ทำให้โลกของเรามีอุณหภูมิเฉลี่ยเพิ่มขึ้นแล้วถึง 1.15 องศาเซลเซียส จากข้อมูลของ NOAA เมื่อปี พ.ศ. 2562[2]

          องค์การอุตุนิยมวิทยาโลก (WMO) ได้เผยแพร่บทความ[3] ว่าในอีก 5 ปี โลกเรามีโอกาสประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ที่อุณหภูมิเฉลี่ยจะมีค่าสูงกว่าอุณหภูมิก่อนมีการปฏิบัติอุตสาหกรรมถึง 1.5 องศาเซลเซียส

          ถ้าใครติดตามข่าวคราวด้านสิ่งแวดล้อมคงทราบว่า หากอุณหภูมิเฉลี่ยของโลกเราร้อนเกิน 1.5 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นจุดวิกฤตเมื่อไหร่ หายนะที่ตามมาจะมีมากมาย ตั้งแต่ระดับน้ำทะเลที่อาจเพิ่มขึ้นถึง 10 เซนติเมตร และอาจมีเพียง 1 เปอร์เซ็นต์ของแนวปะการังที่ยังคงมีชีวิตอยู่ได้ การประมงก็จะถูกผลกระทบ โดยมีการคาดว่าปริมาณปลาที่จับได้จะลดลงถึง 1.5 ล้านตัน จะเกิดการเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศ บางที่แห้งแล้ง บางที่น้ำท่วม และเกิดหิมะตกในที่ที่ไม่เคยตก แหล่งน้ำสะอาดและปริมาณอาหารของชาวโลกจะขาดแคลน

          เป็นที่ทราบกันดีว่าที่คาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศโลกพุ่งสูงขึ้นไวมากจากการกระทำของมนุษย์ เมื่อเทียบกับยุคก่อนอุตสาหกรรม แต่ก็ยังไม่ไวพรวดพราด ส่วนหนึ่งเป็นเพราะมหาสมุทรมีส่วนช่วยอยู่ไม่น้อย ในการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ส่วนเกินจากชั้นบรรยากาศ และพยายามปรับสมดุลให้แก่โลก โดยคาร์บอนไดออกไซด์ที่มนุษย์ปล่อยออกมากว่า 25 เปอร์เซ็นต์จะละลายเข้าไปในน้ำทะเล และถูกแพลงก์ตอนพืชขนาดจิ๋วขนิดที่มีเปลือกเป็นหินปูน (calcareous phytoplankton/calcifying plankton) นำไปสร้างเปลือกของพวกมัน และเมื่อพวกมันตาย ซากของพวกมันก็จะตกตะกอนลงไปก้นมหาสมุทร ทับถมกลายเป็นหินและบางส่วนก็ถูกพากลับเข้าไปใต้เปลือกโลกเมื่อกาลเวลาผ่านไปแสนนานจนเกิดการเคลื่อนที่ของเปลือกโลกใต้มหาสมุทร ที่บางแผ่นของเปลือกโลกมีการมุดเข้าไปใต้เปลือกโลกอีกแผ่นหนึ่ง ซึ่งก็นับว่าเจ้าแพลงก์ตอนพวกนี้มีความสำคัญอย่างมากต่อวัฏจักรคาร์บอนของโลกเรา แถมยังมีความสำคัญต่อสายใยอาหารในท้องทะเล (pelagic food web) อีกด้วย นั่นคือพวกมันเป็นอาหารของสัตว์ในทะเลนั่นเอง[4]

          แต่จากการที่มี CO2 มากเกินไปในบรรยากาศ ส่วนที่ละลายลงมหาสมุทร กลับทำให้มหาสมุทรเป็นกรด สิ่งนี้จะทำให้ความสามารถในการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์จากบรรยากาศของแพลงก์ตอนเหล่านี้ลดลง เพราะส่วนค็อกโคลิท (coccolith) ซึ่งเป็นแผ่นแคลเซียมคาร์บอเนตที่เป็นเปลือกของแพลงก์ตอนพวกนี้เปลี่ยนแปลงรูปร่างไป (อ่านเกี่ยวกับค็อกโคลิทได้ใน https://www.thwiki.press/wiki/Coccoliths) ซึ่งจากการศึกษาของทีมวิจัยร่วมจากสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสิ่งแวดล้อมของมหาวิทยาลัย Universitat Autònoma de Barcelona (ICTA-UAB) ประเทศสเปน มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ของอังกฤษ และสมาคมชีววิทยาทางทะเลแห่งสหราชอาณาจักร พบว่าสาหร่ายในกลุ่ม Coccolithophores ซึ่งเป็นแพลงก์ตอนกลุ่มใหญ่ในแพลงก์ตอนที่มีเปลือกหินปูนนั้น เมื่อศึกษาด้วยการส่องด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ภาพถ่ายแพลงก์ตอนแสดงให้เห็นลักษณะของค็อกโคลิทที่ไม่สมบูรณ์และผิดรูปร่างไปมากขึ้นเรื่อยๆ ตามอุณหภูมิที่สูงขึ้น และความเป็นกรดที่มากขึ้นของมหาสมุทร สิ่งนี้ทำให้นักวิจัยกังวลถึงปัญหาที่จะเกิด แม้ในปัจจุบันการวิจัยยังไม่ได้ศึกษาปัจจัยเรื่องอัตราการตกตะกอนของพวกมันที่จะจมลงไปที่ก้นทะเลในภาคสนาม แต่จากการคำนวณในคอมพิวเตอร์โดยนำเอารูปร่างของแพลงก์ตอนที่เปลี่ยนไปมาคิด ก็พบว่าอัตราการตกตะกอนจะเร็วขึ้นเมื่อน้ำทะเลอุ่นขึ้นอีกด้วย ซึ่งเรื่องนี้เป็นเรื่องสำคัญมากต่อประชากรแพลงก์ตอน เนื่องจากอัตราการอยู่รอดของพวกมันจะขึ้นกับอัตราการจมลงไปในน้ำของพวกมัน ซึ่งมันจำเป็นต้องอยู่ในโซนของระดับน้ำที่ไม่ลึกมากและยังมีแสงส่องทะลุลงไปถึง ในบริเวณความลึกที่มันยังสังเคราะห์แสงได้นั่นเอง ซึ่งหากมันจมลงไปลึกกว่านั้น มันจะสังเคราะห์แสงไม่ได้และตาย


รูปที่ 2
การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของค็อกโคลิท เมื่อความเป็นกรดและอุณหภูมิของน้ำทะเลเพิ่มสูงขึ้น (ที่มา: [5])

          แค่ในบรรยากาศมีก๊าซ CO2 อยู่เพียงประมาณ 0.05 เปอร์เซ็นต์ก็ยังส่งผลกระทบต่อสภาพอากาศของโลกเราถึงขนาดนี้ แต่สมมติว่าชั้นบรรยากาศมี CO2 อยู่เกือบทั้งหมด โลกเราก็คงจะมีสภาพไม่แตกต่างจากดาวศุกร์ที่ร้อนระอุ ที่มีบรรยากาศเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ถึง 97 เปอร์เซ็นต์ และมีอุณหภูมิพื้นผิวสูงถึง 467 องศาเซลเซียส

          แม้ว่าคาร์บอนไดออกไซด์จะเป็นก๊าซเรือนกระจก แต่การกักเก็บความร้อนและอุณหภูมิของดาวจะขึ้นกับความหนาแน่นของก๊าซและระยะห่างจากดวงอาทิตย์ด้วยเช่นกัน หากมีก๊าซอยู่เบาบางและอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ อย่างดาวอังคารที่มีความดันบรรยากาศเบาบางที่มีค่าน้อยกว่า 1 เปอร์เซ็นต์ของความดันบรรยากาศโลก และยังมีความเข้มของการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์น้อยกว่าดาวศุกร์มาก แม้ว่าบรรยากาศของดาวอังคารถึง 96 เปอร์เซนต์จะประกอบด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ แต่ก็ยังมีอุณหภูมิที่หนาวเย็นกว่าโลก

ความพยายามในการหาวิธีจัดการกับคาร์บอนไดออกไซด์

          ผลกระทบจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ร่วมกับก๊าซมีเทนที่มนุษย์ปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศ ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมมหาศาล จนหลายปีมานี้มีหลายต่อหลายกลุ่ม พยายามหาวิธีในการจัดการกับก๊าซเรือนกระจกเหล่านี้ โดยหากเป็น CO2 เป็นที่ทราบกันว่า หากเผาด้วยอุณหภูมิที่สูงพอ คาร์บอนไดออกไซด์จะเริ่มสลายตัวกลับเป็นออกซิเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์ หรือหากที่อุณหภูมิและความดันสูงๆ CO2 ก็อาจกลับกลายเป็นออกซิเจนและคาร์บอนใหม่ก็เป็นไปได้ ดังที่เคยมีผู้ศึกษามาก่อนแล้วในยุค 1980s (ราว พ.ศ. 2523)[6] ดังรูปที่ 3 เพียงแต่การเผาโดยตรงอาจเสียค่าใช้จ่ายในการดำเนินการสูง
                                


รูปที่ 3
การเผา CO2 ที่อุณหภูมิและความดันต่างๆ โดยในโซน A จะยังไม่เกิดการสลายตัวของ ส่วนในโซน B CO2 จะเกิดการสลายตัวบางส่วน กลายเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์และออกซิเจน ส่วนในโซน C ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ คาร์บอนและออกซิเจน (ที่มา : [6])

          ตลอดหลายสิบปีที่ผ่านมา เราจะเห็นพัฒนาการนวัตกรรมทางเทคโนโลยีหลายอย่างในการจัดการ CO2 ตั้งแต่เรื่องความพยายามในการนำมันกลับมาจากชั้นบรรยากาศ หรือดักมันไว้ในอุตสาหกรรมก่อนปล่อยออกสู่บรรยากาศ เพื่อแปลงรูปมันกลับเป็นเชื้อเพลิงหรือสารประกอบอื่น ซึ่งบางชนิดเป็นสารตั้งต้นของการทำเป็นพลาสติก เป็นต้น มีงานวิจัยหลายงานที่เป็นไปในทิศทางนี้ เช่น ในช่วงทศวรรษ 1990 (ราว พ.ศ. 2533) มีนักศึกษามหาวิทยาลัยพรินซ์ตันคนหนึ่ง ชื่อ หลินเจ้า (Lin Chao) ได้ทดลองพ่นคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไปในเซลล์ไฟฟ้าเคมีโดยใช้ขั้วคาโทดทำจากธาตุแพลเลเดียม (palladium) และใช้ไพริดิเนียม (pyridinium) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งเขาค้นพบว่าเมื่อจ่ายไฟฟ้าเข้าไปจะสามารถสังเคราะห์เมทานอลได้จากคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งในสมัยนั้นไม่มีคนตระหนักหรือให้ความสนใจมากนัก แต่หลังจากนั้นในปี พ.ศ. 2546 ก็มีผู้มาสืบต่อไอเดียดังกล่าวในการแปลง CO2 ให้เป็นเชื้อเพลิง แต่คราวนี้ใช้วิธีอื่น โดยแอนดรูว์ โบคาสลีย์ (Andrew Bocasly) นักเคมีที่ทำงานที่ห้องปฏิบัติการมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน และนักศึกษาปริญญาเอก เอมิลี บาร์ตัน (Emily Barton) ได้ทดลองใช้วัสดุกึ่งตัวนำแบบที่ใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์มาทำเป็นขั้วอิเล็กโทรดในเซลล์ไฟฟ้าเคมี ซึ่งพบว่าสามารถเปลี่ยน CO2 ให้เป็นเชื้อเพลิงได้เช่นกัน[7]

          สำหรับตัวอย่างงานเมื่อเร็วๆ นี้ เช่น การศึกษาเกี่ยวกับปฏิกิริยาไฮโดรจีเนชัน หรือการเติมไฮโดรเจนเข้าไปให้แก่ CO2 เพื่อผลิตเป็นเมทานอล ซึ่งแต่เดิมต้องใช้อุณหภูมิสูงมากกว่า 300 องศาเซลเซียส แต่ก็มีการพัฒนาให้เติมโลหะทรานสิชันเข้าไป เพื่อให้อุณหภูมิที่ต้องใช้ในการทำปฏิกิริยาลดลง[8] หรือแนวทางในการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นสารผลิตภัณฑ์พวก C2 เช่น เอทิลีนและเอทานอล  ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นทองแดง ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ในอุตสาหกรรมยังสามารถนำไปใช้งานอย่างอื่นได้อีก ในปัจจุบันก็มีการปรับปรุงประสิทธิภาพของสารที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาให้ดีขึ้น โดยอาศัยการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เกิดจากธาตุแพลเลเดียม (Pd) ร่วมกับทองแดง (Cu) ซึ่งทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัย Central South University ประเทศจีนได้ค้นพบว่า ตรงรอยต่อของโลหะทั้งสองชนิดจะเป็นจุดที่ลดพลังงานที่ต้องอาศัยในการเกิดปฏิกิริยาลงได้[9] นอกจากนี้ยังมีทีมวิจัยจากสถาบัน Chinese Academy of Sciences (CAS) ที่พัฒนาปรับปรุงประสิทธิภาพของการใช้พลังงานไฟฟ้าในการเปลี่ยนแปลง CO2 และน้ำ ให้เป็นสารเคมีจำพวกสารประกอบอินทรีย์ชนิดต่างๆ และเชื้อเพลิง ที่เป็นสารผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยา electrocatalytic CO2 reduction reaction (CO2RR) ได้เพิ่มขึ้นมาก[10] ดังแสดงไว้ในรูปที่ 4


รูปที่ 4
ภาพแสดงการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ประกอบด้วยอนุภาคนาโนทองแดงและผงคอปเปอร์ไอโอไดด์ (CuI) ซึ่งสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการเกิดปฏิกิริยา CO2RR ทำให้มีอัตราการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นสารผลิตภัณฑ์ที่มีคาร์บอนสองตัวขึ้นไปมากยิ่งขึ้น (ที่มา : [10])

          ยังมีอีกงานวิจัยในทำนองเดียวกันอีกงานหนึ่งที่น่ากล่าวถึง โดยงานนี้มาจากศูนย์วิทยาการทรัพยากรหมุนเวียน Center for Sustainable Resource Science (CSRS) ของสถาบันไรเคน(RIKEN) ซึ่งย่อจาก Rikagaku Kenkyusho (理化学研究所) (ชื่อเท่นะครับ-ผู้เขียน) หรือก็คือสถาบันวิจัยฟิสิกส์และเคมี ของประเทศญี่ปุ่น ซึ่งใช้สารเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเหล็กซัลไฟด์ที่มีนิกเกิล เพื่อรีดิวซ์คาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ และสารผลิตภัณฑ์ชนิดอื่นๆ ที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ โดยมีแนวคิดจากเอนไซม์คาร์บอนมอนอกไซด์ดีไฮโดรจีเนส (CODH) ซึ่งเป็นหนึ่งในเส้นทางการเกิดปฏิกิริยาที่ช่วยลดพลังงานในขั้นตอนที่เกี่ยวข้องกับขั้นตอนแรกของปฏิกิริยาดังกล่าวได้ โดยเอนไซม์นี้แบคทีเรียนที่ไม่ต้องการออกซิเจนใช้เอนไซม์นี้ในการดำเนินชีวิต ซึ่งนักวิจัยจาก CSRS ที่นำโดยริวเฮย์ นาคามูนะ ได้เสนอว่าอะตอมนิกเกิลนั้นเป็นกุญแจสำคัญของกลไกการเกิดปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่ตำแหน่งกัมมันต์ หรือบริเวณเร่ง (active site) ของเอนไซม์ พร้อมทั้งได้พยายามคิดค้นสารอนินทรีย์ที่ทำหน้าที่ได้เหมือนเอนไซม์ตัวนี้ (inorganic analog) และจ่ายไฟฟ้าเข้าไป และติดตามผลด้วยเทคนิคอินฟราเรดสเปกโตรสโกปี โดยปฏิกิริยาขั้นต่อมาจะเกิดรีดักชันของคาร์บอนมอนอกไซด์ และกลายเป็นมีเทนและอีเทน ตามลำดับ[11], [12] ซึ่งความรู้ตรงนี้อาจพัฒนาไปใช้ในการจับคาร์บอนไดออกไซด์จากบรรยากาศหรือแหล่งปล่อย CO2 อื่นๆ เพื่อแปลงเป็นสารที่ใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรมต่อไป

          ยังมีความเคลื่อนไหวจากกลุ่มนักวิจัยที่ประกอบด้วยสมาชิกจากมหาวิทยาลัย Penn State มหาวิทยาลัยฮ่องกง และมหาวิทยาลัยเสฉวน ในการพัฒนาปฏิกิริยาไฮโดรจีเนชัน หรือกระบวนการเติมไฮโดรเจนให้แก่ CO2 ให้กลายเป็นสารไฮโดรคาร์บอนมวลโมเลกุลสูงโดยใช้พลาสมาที่ 23.8 องศาเซลเซียส ซึ่งมีค่าประมาณใกล้เคียงอุณหภูมิห้อง โดยอาศัยเครื่องกำเนิดพลาสมาแบบไดอิเล็กทริกแบริเออร์ดิสชาร์จ (DBD) ซึ่งกำเนิดพลาสมาด้วยการใช้สนามไฟฟ้ากระแสสลับแบบต่อเนื่อง เครื่องแบบนี้สามารถให้ non-equilibrium plasma ที่ความดันบรรยากาศซึ่งมีอุณหภูมิต่ำอย่างมีประสิทธิภาพ ใช้ต้นทุนต่ำ โดยอาศัยเครื่องปฏิกรณ์แบบ DBD packed bed plasma reactor ซึ่งให้ตัวกลางที่มีความพิเศษในการใช้กระทำการแปลงสภาพ CO2 ที่อุณหภูมิต่ำ การที่มีอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงจำนวนมากในวัฏภาคพลาสมาจะสามารถกระตุ้นทั้งโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์และไฮโดรเจน ผ่านกระบวนการการกระตุ้น (excitation) และการแตกตัว (dissociation) โดยไม่มีความจำเป็นต้องใช้การดูดซับที่พื้นผิวเพื่อเกิด activation แบบที่ต้องการในการเร่งปฏิกิริยาโดยอาศัยอุณหภูมิสูงในแบบที่เคยมีการทำกันมา ซึ่งแนวทางนี้เคยมีคณะอื่นๆ ทำการศึกษามาก่อน เพียงแต่งานในช่วงก่อนนี้ทำได้เพียงคาร์บอนมอนอกไซด์และมีเทน มีเพียงงานเดียวที่รายงานถึงการเลือกให้เกิดสารไฮโดรคาร์บอนมวลโมเลกุลสูงได้ประมาณ 14 เปอร์เซ็นต์ แต่ในครั้งล่าสุดนี้สามารถให้ผลผลิตไปเป็นไฮโดรคาร์บอนมวลโมเลกุลสูงได้กว่า 46 เปอร์เซ็นต์ ที่อัตราการเปลี่ยน CO2 ที่ 74 เปอร์เซ็นต์เลยทีเดียว[13]

กำจัด CO2 อย่างไว ด้วยการแยกจากบรรยากาศโดยตรง หรือดูดไปเก็บไว้ใต้ดิน ?
           ตามที่กล่าวมา จะเห็นว่ามีหลายแนวคิด หลายวิธีทีเดียว ที่มีการคิดค้นเพื่อแปลงสภาพคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นเชื้อเพลิงหรือสารอื่นๆ เพื่อใช้ในอุตสาหกรรม แต่นอกเหนือจากนี้ก็มีแนวคิดจากกลุ่มนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยคิวชู และสถาบัน National Institute of Advanced Industrial Science and Technology ประเทศญี่ปุ่น[14] ซึ่งได้ลองคำนวณจำลองผลการดูดอากาศปกติ ผ่านกระบวนการที่เรียกว่า direct air capture (DAC) ซึ่งเป็นกระบวนการที่ใช้อยู่ในอุตสาหกรรมในการดึงเอาคาร์บอนไดออกไซด์ความเข้มข้นสูงจากจุดปล่อย เช่น โรงปูนซีเมนต์ หรือโรงไฟฟ้าชีวมวล โดยการนำไปผ่านลงในสารละลายด่าง เช่น โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ หรือตัวดูดซับอื่นๆ ที่ใช้ได้ เพื่อดูด CO2 ออก จากนั้นก็ให้ความร้อนเมื่อต้องการปล่อย CO2 ที่ดักได้ออกมา นักวิจัยต้องการใช้กระบวนการนี้ ดูดเอา CO2 ไปอัดเก็บไว้ในบ่อใต้ดิน แต่เปลี่ยนจากการดูดซับในสารละลาย เป็นการกรองโดยใช้เยื่อเมมเบรนแบบที่เลือกชนิดของก๊าซที่ซึมผ่านได้(permselective membranes) โดยเสนอให้ตั้งโรงงานแยกก๊าซนี้ในที่ห่างไกลจากชุมชน เพียงแต่หากดูดเอาอากาศทั่วไปโดยตรงอย่างที่นักวิจัยเสนอ แทนที่จะเป็นก๊าซจากปล่องไอเสียหรือเตาเผาของโรงงานอุตสาหกรรม ก๊าซที่ได้มาอาจจะไม่บริสุทธิ์นัก เนื่องจากมี CO2 น้อย และจะมีออกซิเจนและไนโตรเจนจากอากาศปกติติดมาด้วย เพราะเยื่อเมมเบรนน่าจะมีประสิทธิภาพไม่ถึง 100 เปอร์เซ็นต์ กลุ่มวิจัยจึงเสนอให้อัดก๊าซที่ดูดได้ด้วย DAC เข้าไปเก็บในแหล่งกักเก็บใต้ดิน ซึ่งเป็นโพรงขนาดใหญ่ที่อาจเป็นแท่นขุดเจาะต่างๆ ที่เคยดูดเอาปิโตรเลียมขึ้นมาใช้ ซึ่งปัจจุบันนี้ก็มีการใช้การอัดก๊าซ CO2 เข้าไปในช่องว่างของชั้นหินเพื่อทดแทนปิโตรเลียมที่ขุดขึ้นมาอยู่แล้ว โดยเสนอว่าอาจหาวิธีใดวิธีหนึ่งในการแยกเอาออกซิเจนและไนโตรเจนขึ้นมาตามท่อเพื่อปล่อยกลับออกสู่บรรยากาศ และแยกเอา CO2 ออกไปอีกทางหนึ่ง ดังรูปที่ 5 ทั้งนี้ในรายงานวิจัย ทีมวิจัยยังได้หยิบยกกรณีตัวอย่างด้วยว่าเกือบ 95 เปอร์เซ็นต์ของคาร์บอนไดออกไซด์ที่ถูกอัดฉีดเข้าไปในชั้นหินบะซอลต์ที่เกาะไอซ์แลนด์โดยบริษัทสตาร์ตอัปชื่อ CarbFix ที่บิลเกตส์สนับสนุน ซึ่งสำนักงานตั้งอยู่ที่นครเรคยาวิก (Reykjavík) ได้กลายเป็นหินแร่คาร์บอเนตภายในเวลา 2 ปีเท่านั้น (https://www.carbfix.com/) และยังอ้างอิงถึงการคาดคะเนเอาไว้ว่า หากเก็บกักในหมู่เกาะญี่ปุ่น CO2 แค่เพียงในญี่ปุ่นก็มีความจุในการกักเก็บ CO2 ถึง 100 กิกะตัน (Gt) แล้ว ซึ่งเทียบเท่ากับปริมาณการปลดปล่อย CO2 ที่ญี่ปุ่นปล่อยออกมาสู่บรรยากาศเป็นเวลาถึง 100 ปีทีเดียว


รูปที่ 5
แนวคิดในการดูดก๊าซ ออกมาจากชั้นบรรยากาศโดยตรงโดยอาศัย DAC เพื่อไปเก็บในบ่อน้ำมันและก๊าซธรรมชาติหรือแหล่งโพรงเก็บใต้ดิน และปล่อยเฉพาะออกซิเจน และไนโตรเจน คืนสู่ชั้นบรรยากาศ (ที่มา : [14])

         เคยมีการมองว่าจะมีโอกาสไหมที่คาร์บอนไดออกไซด์จะตกลงมาเป็นละอองหิมะที่ขั้วโลกใต้ เพราะอุณหภูมิที่หนาวเย็นที่สุดในโลกที่เคยวัดได้ในทวีปแอนตาร์กติกาในปี พ.ศ. 2526 คือ -89.2 องศาเซลเซียส ซึ่งที่อุณหภูมินี้คาร์บอนไดออกไซด์จะตกลงมาเป็นละอองของแข็งบนพื้นร่วมกับหมอกละอองน้ำที่กลายเป็นละอองผลึกของแข็งเล็กๆ ที่ปลิวไปมาพร้อมกับสายลมที่เย็นยะเยือก เช่นเดียวกับพื้นที่บริเวณขั้วดาวหรือขั้วโลกของดาวอังคาร แต่ก็มีผู้ถกเถียง[15] ว่า การจะเกิดปรากฏการณ์เช่นนั้นขึ้น ขึ้นกับความดันย่อยของคาร์บอนไดออกไซด์ด้วย บนโลกที่มีความดันย่อยของคาร์บอนไดออกไซด์น้อย คาร์บอนไดออกไซด์แข็งหรือน้ำแข็งแห้งที่มีผู้ทดลองเก็บไว้ในตู้แช่ที่มีอุณหภูมิเย็นจัดในระดับเดียวกันกับขั้วโลกกลับระเหิดหายไปเมื่อเก็บไว้นานๆ เพราะความแตกต่างของความดันของก๊าซที่พื้นผิวน้ำแข็งแห้งกับความดันย่อยในอากาศมีค่าแตกต่างกัน จึงเกิดการถ่ายเทมวลและเกิดการระเหิดออกไปนั่นเอง

          อย่างไรก็ตาม ด้วยความหนาวเย็นของขั้วโลกใต้เป็นตัวช่วย การแยกคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากบรรยากาศก็ยังกระทำได้ง่ายกว่าที่อื่นๆ บนโลก จึงมีผู้เสนอแนวคิดในการตั้งโรงงานในการแยกคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาจากอากาศที่บริเวณขั้วโลก[16] โดยเสนอให้ติดตั้งโรงแยก CO2 ถึง 440 แห่ง ที่จ่ายกำลังระบบทำความเย็นโดยโรงไฟฟ้าพลังลมขนาด 1200 เมกะวัตต์ 16 แห่ง

          เพื่อทำความเย็นเพิ่มให้กับอากาศที่ดูดเข้าไปในโรงแยกโดยอาศัยไนโตรเจนเหลวเป็นสารทำความเย็น ก่อให้เกิดหิมะน้ำแข็งแห้ง ซึ่งเป็นปุยคาร์บอนไดออกไซด์แข็งในสภาพเย็นจัด แล้วนำไปถมที่ในหลุมซึ่งขุดเอาไว้ขนาด 380X380X10 เมตร หลายๆ หลุม ซึ่งเมื่อนำปริมาตรของทุกหลุมมาคิดรวมกันก็จะมีขนาดโดยรวมแล้วเทียบเท่ากับกว้างยาวด้านละ 2 กิโลเมตร ลึก 160 เมตร ซึ่งเขาคำนวณว่าภายใน 1 ปีจะสามารถเก็บ CO2 ได้เทียบเท่ากับปริมาณคาร์บอนถึง 2.24X10-3 กิกะตันเลยทีเดียว แต่แน่นอนว่าแผนนี้เป็นเพียงการเสนอขึ้นมาเท่านั้น การดำเนินงานคงจะต้องเป็นโครงการใหญ่ระดับโลก ซึ่งเกิดขึ้นไม่ง่ายนัก

          ในบทความตอนนี้ทั้งหมด เราพูดถึงภาพรวมของวิธีการต่างๆ นานา ที่มีผู้ประดิษฐ์ คิดค้น วิจัย เสนอกันขึ้นมา เพื่อจัดการกับปัญหาของสิ่งแวดล้อมที่เกิดจากคาร์บอนไดออกไซด์ แต่อันที่จริงแล้ว คาร์บอนไดออกไซด์ที่ดูเหมือนจะเป็นตัวร้ายก็มีประโยชน์ต่อการนำไปใช้งานของมนุษย์อย่างมหาศาลเช่นเดียวกัน

          มาดูกันต่อในตอนหน้านะครับว่ามันเอาไปใช้ทำอะไรได้บ้าง


แหล่งข้อมูลอ้างอิง
1. https://phys.org/news/2017-03-science-carbon-dioxide-climate.html
2. https://www.ncdc.noaa.gov/sotc/global/201913
3. https://public.wmo.int/en/media/press-release/new-climate-predictions-increase-likelihood-of-temporarily-reaching-15-%C2%B0c-next-5
4. http://shorturl.at/koNV5
5. https://phys.org/news/2016-07-ocean-acidification-impact-calcareous-phytoplankton.html
6. Lietzke, M. H., & Mullins, C. (1981). The thermal decomposition of carbon dioxide. Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry, 43(8), 1769–1771. doi:10.1016/0022-1902(81)80381-8
7. https://www.scientificamerican.com/article/turning-carbon-dioxide-back-into-fuel/
8. https://phys.org/news/2021-03-catalytic-hydrogenation-carbon-dioxide-methanol.html
9. https://phys.org/news/2021-05-tuning-reaction-barriers-carbon-dioxide.html
10. https://phys.org/news/2021-05-catalyst-boosts-carbon-dioxide-electroreduction.html
11. https://phys.org/news/2021-05-nickel-atom-aids-carbon-dioxide.html
12. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/CC/D0CC07318K#!divAbstract
13. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/GC/D0GC03779F#!divAbstract
14. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ghg.2099
15. https://wattsupwiththat.com/2009/06/13/results-lab-experiment-regarding-co2-snow-in-antarctica-at-113f-80-5c-not-possible/
Agee, E., Orton, A., & Rogers, J. (2013). CO2 Snow Deposition in Antarctica to Curtail Anthropogenic Global Warming. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 52(2), 281–288. doi:10.1175/jamc-d-12-0110.1