เปลี่ยนขยะพลาสติกเป็นคาร์บอนในเหล็ก การผลิตเหล็กจากกล่องอาหารทดแทนการใช้ถ่านหินได้หรือไม่? ชวนหาคำตอบจากงานวิจัยของ ‘รศ.ดร.สมยศ คงคารัตน์’

ชวนอ่านงานวิจัย “การใช้ประโยชน์ขยะพอลิเมอร์กล่องบรรจุอาหารที่เกิดขึ้นจากธุรกิจส่งอาหารในช่วงการระบาดของโรคโควิด-19 เพื่อการผลิตเหล็กกล้าแบบยั่งยืน : การผลิตคาร์บอนกราไฟต์และการประยุกต์ใช้เป็นสารเพิ่มคาร์บอนในเหล็กเหลว” โดย รศ.ดร.สมยศ คงคารัตน์ คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ ได้รับทุนอุดหนุนการวิจัยจากสำนักงานการวิจัยแห่งชาติ (วช.) เผยแพร่ผ่านสถาบันวิจัยและให้คำปรึกษาแห่งมหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ (TU-RAC)

การดำเนินนโยบายให้ประชาชนเว้นระยะห่างทางสังคม (social distancing) เนื่องจากการแพร่ระบาดของโรคติดเชื้อไวรัสโคโรนา 2019 (COVID-19) ในช่วงที่ผ่านมา ทำให้ธุรกิจส่งอาหาร (food delivery) เฟื่องฟูและเป็นที่นิยมอย่างมาก ทว่าปัญหาสำคัญที่เกิดขึ้นตามมาคือ ขยะที่เป็นกล่องบรรจุอาหารจำนวนมาก โดยเฉพาะบรรจุภัณฑ์ที่เป็นวัสดุพอลิเมอร์หรือพลาสติกซึ่งย่อยสลายได้ยาก

โดยทั่วไปแล้วขยะพอลิเมอร์ที่ใช้เป็นกล่องบรรจุอาหารมี 2 ชนิดคือ พอลิโพรไพลีน (polypropylene: PP) ซึ่งอยู่ในรูปของกล่องพลาสติกขาวขุ่น และพอลิสไตรีน (polystyrene: PS) ที่อยู่ในรูปของกล่องพลาสติกใสอ่อน กล่อง/ถาดโฟมสีขาว รวมทั้งช้อนส้อมพลาสติกและฝาแก้วกาแฟร้อนสีขาว เป็นต้น ส่วนใหญ่ใช้วิธีกำจัดขยะโดยการเผาหรือนำไปทิ้งตามพื้นที่ว่างเปล่า ซึ่งทั้งสองวิธีนี้ก่อให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมเป็นอย่างมาก

ในอุตสาหกรรมการผลิตเหล็กและเหล็กกล้า คาร์บอนเป็นธาตุที่สำคัญมากในกระบวนการผลิต โดยเป็นทั้งเชื้อเพลิงและเป็นตัวทำปฏิกิริยาระหว่างการถลุงเหล็กในเตาหลอม แหล่งของคาร์บอนที่ใช้ในกระบวนการผลิตคือ ถ่านหิน ถ่านโค้ก ถ่านแอนทราไซต์ กราไฟต์ เป็นต้น แต่ทว่าการใช้ถ่านหินหรือเชื้อเพลิงฟอสซิลเหล่านี้ในกระบวนการผลิต ทำให้มีการปล่อยก๊าซเรือนกระจกและมลพิษทางอากาศออกสู่ระบบนิเวศมากตามไปด้วย ขยะพอลิเมอร์หรือพลาสติกเป็นวัสดุที่มีคาร์บอนและไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบหลักทางเคมี ดังนั้นจึงสามารถนำมาใช้เพื่อทดแทนถ่านหินได้ ซึ่งจะช่วยลดปริมาณขยะและปัญหามลภาวะที่เกิดขึ้นจากขยะเหล่านี้ รวมทั้งเป็นการลดปริมาณการใช้ถ่านหินหรือเชื้อเพลิงฟอสซิลในกระบวนการผลิตเหล็ก และลดต้นทุนการผลิต ลดมลพิษและภาวะโลกร้อน

จากปัญหาข้างต้น จึงเป็นที่มาของการศึกษาวิจัยในครั้งนี้ โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาวิธีใช้ประโยชน์ขยะพอลิเมอร์โดยเปลี่ยนเป็นคาร์บอนที่มีคุณค่า และนำมาใช้เป็นสารเพิ่มคาร์บอนในน้ำเหล็กในกระบวนการผลิตเหล็กกล้า ซึ่งสอดคล้องกับเป้าหมายการพัฒนาที่ยั่งยืน 3 เป้าหมาย ได้แก่ เป้าหมายที่ 8 งานที่มีคุณค่าและการเติบโตทางเศรษฐกิจ เป้าหมายที่ 9 โครงสร้างพื้นฐาน นวัตกรรม และอุตสาหกรรม และเป้าหมายที่ 12 การผลิตและการบริโภคที่ยั่งยืน

การเพิ่มคาร์บอนในน้ำเหล็ก (recarburizing) เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นในขั้นตอนการปรุงน้ำเหล็กให้มีคุณภาพและองค์ประกอบทางเคมีตามมาตรฐานอุตสาหกรรมเหล็กโดยใช้ถ่านหิน เช่น แอนทราไซต์ (anthracite) เป็นสาร recaburizer โดย รศ.ดร.สมยศ นำเอาขยะพอลิเมอร์กล่องบรรจุอาหารประเภทพอลิโพรไพลีนและพอลิสไตรีนผสมพอลิโพรไพลีนในสัดส่วนต่าง ๆ (Blend#1 – Blend#6) มาเปลี่ยนเป็นคาร์บอนที่มีความผลึกและมีรูพรุน โดยการให้ความร้อนโดยใช้เหล็กเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่อุณหภูมิ 1550ºC เป็นเวลา 15 นาที คาร์บอนที่ได้จะถูกวิเคราะห์สมบัติและทดลองใช้เป็นสารเพิ่มคาร์บอนในน้ำเหล็กที่อุณหภูมิ 1550ºC เพื่อลดหรือทดแทนการใช้ถ่านหินในกระบวนการผลิต รวมถึงศึกษาพฤติกรรมละลายของคาร์บอนเข้าสู่เหล็กเหลว คำนวณอัตราจลน์การละลาย และประเมินความเป็นไปได้ในการใช้งานจริงในอุตสาหกรรมเหล็กด้วยการเปรียบเทียบกับกรณีของถ่านหินแอนทราไซต์

จากผลการทดลอง พบประเด็นที่น่าสนใจดังนี้

• ถ่านคาร์บอนที่ผลิตได้จากขยะพลาสติกผสม PS/PP ทุกตัวอย่างมีลักษณะเป็นคาร์บอนกึ่งผลึก (semi crystalline) ไม่พบแคลเซียมไฮดรอกไซด์ (CaH₂O₂) ซึ่งเป็นมลทินเจือปนมาด้วย เนื่องจากเกิดจากการสลายตัวทางความร้อน
• ถ่านที่ผลิตได้มีปริมาณคาร์บอน (carbon content) อยู่ระหว่าง 86-91.47 wt% ซึ่งสูงกว่าปริมาณคาร์บอนในถ่านหินแอนทราไซต์ (84.89 wt%) มีปริมาณไฮโดรเจนต่ำกว่า 0.03 wt% ส่วนปริมาณไนโตรเจนและซัลเฟอร์มีค่าอยู่ในช่วง 0.15-0.29 wt% และ 0.41-0.45 wt% ตามลำดับ ซึ่งต่ำกว่าในกรณีของถ่านหินแอนทราไซต์
• คาร์บอนจาก PS มีพื้นที่ผิวสูงสุดคือ 68.49 m²/g และพบว่าค่าพื้นที่ผิวมีค่าต่ำลงเมื่อปริมาณ PS ในพลาสติกผสมลดลง ซึ่งแปรผันตรงอย่างชัดเจน โดยพื้นที่ผิวของคาร์บอนจาก Blend#1 – Blend#6 มีค่าอยู่ระหว่าง 50.14-19.93 m²/g ตามลำดับ
• จากการศึกษาพฤติกรรมการละลายของคาร์บอนเข้าสู่น้ำเหล็กที่ 1550ºC พบว่า ถ่านคาร์บอนจากตัวอย่าง PS และ Blend#1 – Blend#6 มีอัตราจลน์ของการละลายของคาร์บอนเข้าสู่น้ำเหล็กอยู่ในช่วง 1.46×10^-3 – 8.4×10^-3 s^-1 ภายในช่วง 4-10 นาทีแรก และจะช้าลงภายหลัง โดยมีปริมาณคาร์บอนในเหล็กสูงสุดระหว่าง 4.08-4.97 wt% ในขณะที่ถ่านหินแอนทราไซต์มีการละลายได้ช้ากว่าขยะพลาสติกมาก ช่วง 4 นาทีแรกในอัตราเพียง 0.88×10^-3 s^-1 และค่อย ๆ ช้าลงโดยมีคาร์บอนละลายเข้าในเหล็กสูงสุดเพียง 2.8 wt%
• การส่งผ่านซัลเฟอร์เข้าไปในน้ำเหล็กในกรณีของถ่านคาร์บอนจากตัวอย่าง PS และ Blend#1 – Blend#6 มีเพียง 0.01-0.025 wt% ซึ่งต่ำกว่าในกรณีของถ่านหินแอนทราไซต์ที่มีค่าประมาณ 0.02-0.07 wt%
• ทั้งนี้พบว่า เถ้าออกไซด์ในคาร์บอนเป็นปัจจัยหลักที่มีผลต่ออัตราการละลายของคาร์บอน ถ่านคาร์บอนจาก PS และ Blend#1 – Blend#6 ไม่มีเถ้าออกไซด์ตกค้าง ทำให้คาร์บอนสามารถละลายเข้าสู่น้ำเหล็กได้สูงมาก (4.21-4.96 wt%) ซึ่งเร็วกว่ากรณีของถ่านหินแอนทราไซต์ (2.8 wt%) ที่มีเถ้า Al₂O₃ CaO และ SiO₂ เป็นองค์ประกอบหลัก

ดังนั้น ถ่านคาร์บอนจากตัวอย่างขยะกล่องบรรจุอาหาร PS และ Blend#1 – Blend#6 สามารถใช้เป็นสาร recarburizer ทดแทนการใช้ถ่านหินแอนทราไซต์ในกระบวนการกลั่น (refining) น้ำเหล็กในเตาหลอมแบบ ladle ในอุตสาหกรรมเหล็กได้จริงโดยไม่มีผลต่อคุณภาพน้ำเหล็ก โดยมีปริมาณคาร์บอนในเหล็กอยู่ในเกณฑ์ที่ดีกว่าหรือเทียบเท่า และมีซัลเฟอร์ต่ำกว่าเกณฑ์มาตรฐานมาก

กล่าวโดยสรุป ขยะพลาสติกกล่องบรรจุอาหารพอลิโพรไพลีนและพอลิสไตรีน สามารถเปลี่ยนเป็นวัสดุคาร์บอนที่มีคุณค่าเพื่อใช้เป็นสารเพิ่มคาร์บอนในเหล็ก ทดแทนการใช้ถ่านหินในกระบวนการปรุงน้ำเหล็กในอุตสาหกรรมการหลอมเหล็ก ซึ่งไม่ส่งผลต่อคุณภาพเหล็ก โดยคาร์บอนสามารถละลายเข้าไปในน้ำเหล็กได้สูงกว่าและมีซัลเฟอร์ต่ำกว่าการใช้ถ่านหินปกติ ถือเป็นนวัตกรรมใหม่ในการจัดการขยะพลาสติก เพิ่มความยั่งยืนให้อุตสาหกรรมการผลิตเหล็กที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

งานวิจัยดังกล่าวจัดอยู่ในกลุ่มการวิจัยระดับแนวหน้าด้านวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และนวัตกรรม เพื่อการพัฒนาที่ยั่งยืน ธีมการผลิตและบริโภคที่ยั่งยืน

งานวิจัยดังกล่าวเกี่ยวข้องกับ
#SDG8 งานที่มีคุณค่าและการเติบโตทางเศรษฐกิจ
– (8.4) พัฒนาความมีประสิทธิภาพในการใช้ ทรัพยากรของโลกในการบริโภคและการผลิต และพยายามที่จะตัดความเชื่อมโยงระหว่างการเติบโตทางเศรษฐกิจและการทำให้สิ่งแวดล้อมเสื่อมโทรม ซึ่งเป็นไปตามกรอบการดำเนินงาน 10 ปี ของแผนการทำงานเพื่อการบริโภคและการผลิตที่ยั่งยืน โดยมีประเทศที่พัฒนาแล้วเป็นผู้นำในการดำเนินการไปจนถึงปี 2573
#SDG9 โครงสร้างพื้นฐาน นวัตกรรม เเละอุตสาหกรรม
– (9.4) ยกระดับโครงสร้างพื้นฐาน และปรับปรุงอุตสาหกรรม เพื่อให้เกิดความยั่งยืนโดยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ทรัพยากรและการใช้เทคโนโลยีและกระบวนการทางอุตสาหกรรมที่สะอาดและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น โดยทุกประเทศดำเนินการตามขีดความสามารถของแต่ละประเทศ ภายในปี 2573
– (9.5) เพิ่มพูนการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ยกระดับขีดความสามารถทางเทคโนโลยีของภาคอุตสาหกรรมในทุกประเทศ โดยเฉพาะในประเทศกำลังพัฒนา และให้ภายในปี 2573 มีการส่งเสริมนวัตกรรมและให้เพิ่มจำนวนผู้ทำงานวิจัยและพัฒนาต่อประชากร 1 ล้านคน และการใช้จ่ายในภาคสาธารณะและเอกชนในการวิจัยและพัฒนาให้เพิ่มมากขึ้น
#SDG12 การผลิตและการบริโภคที่ยั่งยืน
– (12.2) บรรลุการจัดการที่ยั่งยืน และการใช้ทรัพยากรธรรมชาติอย่างมีประสิทธิภาพภายในปี 2573
– (12.5) ลดการเกิดของเสียโดยให้มีการป้องกันการลดปริมาณการใช้ซ้ำและการนำกลับมาใช้ใหม่ ภายในปี 2573

Research recommends แนะนำงานวิจัยของนักวิจัยธรรมศาสตร์ที่สนับสนุนการขับเคลื่อน SDGs กิจกรรมนี้เป็นส่วนหนึ่งของโครงการสร้างเครือข่ายความร่วมมือด้านวิจัยแบบบูรณาการระดับแนวหน้า เพื่อขับเคลื่อนเป้าหมายการพัฒนาที่ยั่งยืน (TU-SDG Research Network)