นวัตกรรมแผ่นกรองกราฟีน เปลี่ยน ‘น้ำเค็มสกปรก’ เป็น ‘น้ำดื่มสะอาด’

เปลี่ยน ‘น้ำเค็มสกปรก’ ให้เป็น ‘น้ำดื่มสะอาด’ ได้ง่าย ๆ ในขั้นตอนเดียว โดยใช้พลังงานและค่าใช้จ่ายน้อยลงเมื่อเทียบกับกระบวนการผลิตน้ำดื่มบริสุทธิ์และการขจัดเกลือในปัจจุบัน

นักวิจัยในประเทศออสเตรเลียได้ทดสอบแผ่นกรองน้ำชนิดใหม่นี้กับน้ำจากอ่าวซิดนีย์ ซึ่งเป็นน้ำเค็มที่ปนเปื้อนไปด้วยสิ่งปฏิกูล สารเคมีที่เป็นพิษ และไมโครพลาสติก พบว่าสามารถกรองน้ำให้บริสุทธิ์และแยกเกลือออกจากน้ำได้ในขั้นตอนเดียว โดยนวัตกรรมกระบวนการกรองรูปแบบใหม่นี้อาจช่วยผู้คนที่ไม่สามารถเข้าถึงน้ำดื่มที่สะอาดและปลอดภัยได้กว่า 2 พันล้านคนทั่วโลก

Dong Han Seo นักวิจัยจากสถาบัน CSIRO องค์กรวิจัยของออสเตรเลียกล่าวว่า “แผ่นกรองดังกล่าวใช้ ‘Graphair’ ซึ่งเป็นกราฟีนชนิดหนึ่งที่สังเคราะห์ขึ้นจากคาร์บอนบริสุทธิ์แผ่นบาง ประกอบไปด้วยช่องว่างระดับนาโนจำนวนมาก ด้วยโครงสร้างอะตอมที่มีลักษณะพิเศษที่ยอมให้เฉพาะโมเลกุลของน้ำบริสุทธิ์ลอดผ่านแผ่นกรองได้เท่านั้น อีกทั้งยังป้องกันไม่ให้อนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่าหลุดออกมาปนเปื้อน เช่น เกลือ น้ำมัน และสารเคมี สารมลพิษอื่น ๆ ก็จะถูกกรองออกได้หมด มีเพียงน้ำเท่านั้นที่สามารถไหลผ่านไปได้”

โรงงานแยกเกลือขนาดใหญ่ทั่วไปนั้นจะใช้กระบวนการออสโมซิสแบบผันกลับ (Reverse Osmosis) ที่อาศัยการเคลื่อนที่ของโมเลกุลน้ำจากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำในการแยกเกลือออกจากน้ำ โดยใช้แรงดันสูงเพื่อดันให้น้ำไหลผ่านชั้นเมมเบรน แต่แผ่นกรองกราฟีนชนิดใหม่นี้ใช้กระบวนการที่แตกต่าง เรียกว่าระบบการกลั่นเมมเบรน (Membrane Distillation) ซึ่งทำงานโดยอาศัยอุณหภูมิที่แตกต่างกันระหว่างน้ำสะอาดและน้ำสกปรก

กระบวนการนี้จึงต้องใช้ความร้อน ซึ่งอาจใช้พลังงานหมุนเวียนได้ Adrian Murdock นักวิจัยในองค์กร CSIRO กล่าวว่า “จริง ๆ แล้ว เราก็อยากจะเห็นการใช้พลังงานแสงอาทิตย์เพื่อให้ความร้อนกับน้ำที่เค็มและสกปรก ให้น้ำระเหยกลายเป็นไอแล้วซึมผ่านเมมเบรนออกมาได้เป็นน้ำที่ใสสะอาด ซึ่งจะมีประสิทธิภาพสูงมากขึ้นในการผลิตน้ำดื่มสะอาด"

จากงานวิจัยเมื่อไม่นานมานี้พบว่า แผ่นเมมเบรนที่เคลือบด้วย Graphair ขนาดประมาณ 1 ตารางนิ้ว สามารถกรองน้ำได้ประมาณ 500 มิลลิลิตรต่อวัน นักวิจัยจึงทำการปรับขนาดเมมเบรนให้มีขนาดใหญ่เท่ากับกระดาษ A5 ซึ่งคาดว่าจะกรองน้ำได้ถึง 50-100 ลิตรต่อวันหรือมากกว่านั้น Murdock กล่าวว่า "แผ่นเมมเบรน 2 - 3 ชุด ก็อาจผลิตน้ำดื่มในปริมาณที่เพียงพอสำหรับหนึ่งครัวเรือนได้" 

แม้กระบวนการกลั่นเมมเบรนจะมีข้อดีมากกว่าการกรองน้ำแบบ Reverse Osmosis แต่ก็อาจมีปัญหาปฏิกูลต่าง ๆ มาเกาะบนผิวเมมเบรนเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อผ่านการใช้งานไประยะหนึ่ง ส่งผลให้แผ่นเมมเบรนตันได้ เมื่อไม่นานมานี้ นักวิจัยในออสเตรเลียจึงทำการทดสอบแผ่นกรองเมมเบรนเคลือบด้วยฟิล์ม Graphair ที่มีจำหน่ายในท้องตลาด พบว่าแผ่นที่ไม่ได้เคลือบมีอัตราการกรองลดลงไปครึ่งหนึ่งภายใน 72 ชั่วโมง แต่ในทางตรงกันข้าม แผ่นเมมเบรนที่เคลือบด้วยกราฟีนจะยังคงทำงานต่อไปได้ดีแม้จะมีน้ำมัน ผงซักฟอก หรือสารปนเปื้อนอื่น ๆ อยู่บนผิวด้วยก็ตาม

อีกทั้งแผ่นกรองกราฟีนยังทำงานได้รวดเร็วกว่า เนื่องจากมีความสามารถในการเพิ่มอัตราการไหลเวียนของน้ำแม้ช่องผ่านของแผ่นกรองจะมีขนาดเล็กระดับนาโนก็ตาม “เนื่องจากกราฟีนทำงานได้ดีกับน้ำ ปริมาณน้ำที่ไหลผ่านเมมเบรนกราฟีนจะสูงกว่าเมมเบรนพอลิเมอร์ที่วางขายและผลิตด้วยเทคโนโลยีที่ทันสมัย” กล่าวโดย Rahul Raveendran Nair ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์วัสดุที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ในสหราชอาณาจักร ซึ่งเป็นที่แรกที่คิดค้นกราฟีน เขายังทำงานเกี่ยวกับเมมเบรนกราฟีนที่ใช้แยกเกลือและทำให้น้ำบริสุทธิ์อีกด้วย โดยทีมงานของ Nair กำลังวิจัยร่วมกับบริษัทผู้ผลิต Icon Lifesaver เพื่อพัฒนาขวดน้ำที่มีแผ่นกรองภายในที่สามารถขจัดสิ่งสกปรก โลหะหนักต่าง ๆ และไวรัสได้

แม้ว่างานวิจัยจะอยู่ในระยะเริ่มต้น แต่ก็มีประสิทธิภาพมากพอที่จะผลิตน้ำดื่มสะอาดได้ในราคาประหยัด นักวิจัยในองค์กร CSIRO ให้ความสนใจกับเทคนิคที่มีความรวดเร็ว ต้นทุนต่ำ และใช้ขั้นตอนน้อยกว่าในอดีตนี้ ผลิตภัณฑ์กราฟีนของพวกเขาทำจากน้ำมันถั่วเหลืองซึ่งมีความยั่งยืนกว่ากราฟีนที่ทำจากเชื้อเพลิงฟอสซิล ในอนาคตอาจจะสามารถผลิตกราฟีนจากของเสียประเภทน้ำมันได้อีกด้วย

Seo กล่าวว่า "เราพยายามจะสร้างกราฟีนให้กับประเทศในโลกที่สาม เพื่อให้สามารถเข้าถึงเมมเบรนที่สามารถกรองสารปนเปื้อนชนิดใดก็ได้ในขั้นตอนเดียว ถือเป็นก้าวแรกในการนำน้ำสะอาดเข้าสู่ประเทศยากจน ทีมงานของเรากำลังวิจัยและผลักดันเทคโนโลยีนี้อย่างต่อเนื่อง เพื่อสร้างระบบกรองน้ำบริสุทธิ์ที่สามารถทำงานเข้ากับเมมเบรนของเราได้ดีที่สุด"

อ้างอิง: บทความ “This Graphene Filter Makes Dirty Saltwater Drinkable”
จากเว็บไซต์ www.fastcompany.com