Bulletin of Applied Sciences

อุตสาหกรรมฟอกย้อมเป็นหนึ่งในอุตสาหกรรมกลางน้ำที่สำคัญของอุตสาหกรรมสิ่งทอในประเทศไทย กระบวนการผลิตนั้นต้องใช้สีย้อมเป็นวัตถุดิบหลัก เมื่อน้ำเสียที่ปนเปื้อนไปด้วยสีย้อมถูกปล่อยลงสู่แหล่งน้ำสาธารณะ จะส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศและสุขภาพของมนุษย์ในพื้นที่ข้างเคียง งานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์ที่จะพัฒนาประสิทธิภาพวัสดุดูดซับจำพวกถ่านกัมมันต์ที่ได้จากวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรให้มีสามารถในการกำจัดสีย้อมออกจากน้ำทิ้งมากขึ้น ด้วยการสร้างรูพรุนเมโซพอร์เพิ่มเติมในโครงสร้างของถ่านกัมมันต์ ในงานศึกษาวิจัยนี้ถ่านกัมมันต์จะเตรียมจากเหง้ามันสำปะหลัง โดยใช้ ZnCl₂เป็นตัวกระตุ้น ผ่านกระบวนการไฮโดรเทอร์มอลคาร์บอไนเซชันแบบหม้อเดียว ตามด้วยการคาร์บอไนเซชั่นของไฮโดรชาร์ที่ได้ ณ อุณหภูมิ 800 องศาเซลเซียส ซึ่งพบว่า สภาวะที่เหมาะสมในการเตรียมถ่านกัมมันต์จากเหง้ามันสำปะหลังให้มีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงสุด คือ การใช้ ZnCl₂ ในอัตราส่วนต่อเหง้ามันสำปะหลังเท่ากับ 3 โดยมวล (3.0Z-AC) ถ่านกัมมันต์ที่ได้นี้มีโครงสร้างรูพรุนแบบสองลักษณะในช่วงไมโครพอร์และเมโซพอร์ โดยมีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงถึง 1,405 ตารางเมตรต่อกรัม และมีปริมาตรรูพรุน ไมโครพอร์และเมโซพอร์มากถึง 0.42 และ 0.54 ลูกบาศก์เซนติเมตรต่อกรัม ตามลำดับ จากการศึกษาการดูดซับสีย้อมเมทิลลีน บลู ในน้ำสีสังเคราะห์ด้วยถ่านกัมมันต์ดังกล่าว พบว่า มีพฤติกรรมการดูดซับแบบชั้นเดียวสอดคล้องกับแบบจำลองการดูดซับของแลงเมียร์ (R² = 0.9993) โดยมีระยะเวลาสมดุลในการดูดซับเมทิลลีน บลู 210 นาที และมีค่าความจุการดูดซับเมทิลลีน บลู สูงสุดถึง 274 มิลลิกรัมต่อกรัม ขณะที่ถ่านกัมมันต์ทางการค้าใช้เวลาในการดูดซับถึง 270 นาที และมีค่าการดูดซับสูงสุดเพียง 260 มิลลิกรัมต่อกรัม

Enhancing adsorption efficiency of methylene blue from water using cassava rhizome-derived mesoporous activated carbons prepared via one-pot hydrothermal carbonization

The textile dyeing industry is one of the important midstream industries for textile industry in Thailand. This production process requires dyes as the main components. When such contaminated wastewater is discharged into public water, this negatively affects surrounding ecosystems and human health. The present work aims to improve the adsorption efficiency of agricultural residues derived activated carbons in removing dyes from textile dyeing effluent by the creation of the mesopores into the carbon structure. The activated carbons were prepared from cassava rhizome using ZnCl₂ as an activating agent and were fabricated by one-pot hydrothermal carbonization, followed by the carbonization of the obtained hydrochars at 800 °C. The result demonstrated that the optimal condition to obtain activated carbons with a high specific surface area and the largest mesopore volume was using the mass ratio of ZnCl₂ to cassava rhizome of 3 (3.0Z-AC). 3.0Z-AC possessed bimodal pore size distribution in the range of the micro and mesopores and had the specific surface area, the micropore- and mesopore volumes of 1,405 m²/g, 0.42 cm³/g and 0.54 cm³/g, respectively. Such a mesoporous activated carbon was used as the adsorbent to investigate the adsorption efficiency of methylene blue in dye-contaminated water. The adsorption behavior of methylene blue on 3.0Z-AC was monolayer adsorption based on the Langmuir isotherm model (R² = 0.9993). The equilibrium time of 210 minutes and adsorption capacity of 274 mg/g were found for this sample, while the equilibrium time of the commercial activated carbon is 270 minutes and its maximum adsorption capacity is 260 mg/g.  

กรมโรงงานอุตสาหกรรม กระทรวงอุตสาหกรรม. แนวทางที่ดีด้านการป้องกันและลดมลพิษสำหรับอุตสาหกรรม. [ออนไลน์]. [อ้างถึงวันที่ 5 พฤษภาคม 2564] เข้าถึงจาก: http://www.diw.go.th/hawk/job/1_8.pdf

ไพทิพย์ ธีรเวชญาณ, สิรินทรเทพ เต้าประยูร, ดวงรัตน์ อินทร, เพ็ชรพร เชาวกิจเจริญ และประไพ ธุรกิจ. การกำจัดสีในน้ำทิ้งจากโรงงานฟอกย้อมสิ่งทอโดยใช้วัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร และของเหลือทิ้งจากโรงงานอุตสาหกรรมต่างๆ. [ออนไลน์]. [อ้างถึงวันที่ 29 ธันวาคม 2564] เข้าถึงจาก: http://www.tnrr.in.th/2558/?page=result_search&record_id=83216

ศิริพรรณ พฤกธารา, ภารดี ช่วยบำรุง, ชุตินันท์ พูลเกิด และสิทธิสุนทร สุโพธิณะ. การบำบัดน้ำสีรีแอคทีฟบลูความเข้มข้นสูงด้วยปฏิกิริยาเฟนตันและเสมือนเฟนตันที่ใช้ผงตะไบเหล็ก. วารสารวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. 2562, 27(4), 27661-27674.

ALI, H., Biodegradation of Synthetic Dyes-a Review. Water, Air, & Soil Pollution. 2010, 213, 251-273.

กรมโรงงานอุตสาหกรรม กระทรวงอุตสาหกรรม. ประกาศกระทรวงอุตสาหกรรมเรื่อง กำหนดมาตรฐานควบคุมการระบายน้ำทิ้งจากโรงงานที่ประกอบกิจการเกี่ยวกับการฟอก ขัด หรือเคลือบสีหนังสัตว์ พ.ศ. 2561.[ออนไลน์]. [อ้างถึงวันที่ 29 ธันวาคม 2564] เข้าถึงจาก: https://www.diw.go.th/webdiw/wp-content/uploads/2021/07/law-fac-env-12022562.pdf

ปิลันธน์ ธรรมมงคล. การประยุกต์ใช้ไบโอเทคโนโลยีกำจัดสีในน้ำทิ้งจากโรงงานฟอกย้อม. [ออนไลน์] [อ้างถึงวันที่ 5 พฤษภาคม 2564] เข้าถึงจาก: https://www.atdp-textiles.org/blog_biotech_environment

CHOOAKSORN, W., Color Removal Technology in Industrial Wastewater. Burapha Science Journal. 2012, 17(1), 181-191.

พัชรนันท์ จันทร์พลอย, กฤติยากรณ์ หลวงดี และนภารัตน์ จิวาลักษณ์, การดูดซับสีย้อมเมทิลีนบลูของถ่านเปลือกส้มโอที่เตรียมจากการเผาแบบเตาลาน, วารสารวิชาการและวิจัย มทร. พระนคร. 2563, 14(1), 15-25

PHURIRAGPITIKHON, J., P. GHIMIRE, and M. JARONIEC, Tannin-Derived Micro-Mesoporous Carbons Prepared by One-Step Activation with Potassium Oxalate and CO2. Journal of Colloid and Interface Science. 2020, 558, 55-67.

รวินิภา ศรีมูล. การบำบัดสีย้อมในน้ำเสียด้วยกระบวนการดูดซับ. วารสารวิทยาศาสตร์ มข. 2559, 44(3), 419-434.

THABUOT, M., Development of Heavy Metal and Dye Adsorbents to Substitute for the Commercial Activated Carbon. Naresuan University Journal: Science and Technology. 2553, 18(2), 17-27.

MUNTEAN, S.G., N. MARIA ANDREEA, E. MUNTEAN, A. TODEA, R. IANOŞ, and C. PĂCURARIU. Removal of Colored Organic Pollutants from Wastewaters by Magnetite/Carbon Nanocomposites: Single and Binary Systems. Journal of Chemistry. 2018, 2018, 6249821.

SZCZĘŚNIAK, B., J. PHURIRAGPITIKHON, J. CHOMA, and M. JARONIEC, Recent Advances in the Development and Applications of Biomass-Derived Carbons with Uniform Porosity. Journal of Materials Chemistry A. 2020, 8, 18464-18491.

CARBON FILTRATION SOLUTIONS PTY LTD. Carbon information. [ออนไลน์] [อ้างถึงวันที่ 12 พฤษภาคม 2564] เข้าถึงจาก: https://carbonfiltrationsolutions.com.au/carbon-information/

ASOUHIDOU, D. D., K.S. TRIANTAFYLLIDIS, N. K. LAZARIDIS, K. A. MATIS, S. S. KIM, and T. J. PINNAVAIA, Sorption of Reactive Dyes from Aqueous Solutions by Ordered Hexagonal and Disordered Mesoporous Carbons. Microporous and Mesoporous Materials. 2009, 117(1-2), 257-267.

LIBBRECHT, W., K. VANDAELE, K. DE BUYSSER, A. VERBERCKMOES, J.W. THYBAUT, H. POELMAN, J. DE CLERCQ, and P. VAN DER VOORT, Tuning the Pore Geometry of Ordered Mesoporous Carbons for Enhanced Adsorption of Bisphenol-A. Materials. 2015, 8(4), 1652-1665.

MARSZEWSKA, J., and M.JARONIEC, Tailoring Porosity in Carbon Spheres for Fast Carbon Dioxide Adsorption. Journal of Colloid and Interface Science. 2017, 487, 162-174.

JIANG, Y., Q. XIE, Y. ZHANG, C. GENG, B. YU, and J. CHI, Preparation of Magnetically Separable Mesoporous Activated Carbons from Brown Coal with Fe3O4. International Journal of Mining Science and Technology. 2019, 29(3), 513-519.

GUO, F., X. JIANG, X. JIA, S. LIANG, L. QIAN, and Z. RAO, Synthesis of Biomass Carbon Electrode Materials by Bimetallic Activation for the Application in Supercapacitors. Journal of Electroanalytical Chemistry. 2019 844, 105-115.

Jin, Q., Li, Y., Yang, D., and Cui, J., Chitosan-Derived Three-Dimensional Porous Carbon for Fast Removal of Methylene Blue from Wastewater. RSC Advances. 2018, 8(3), 1255-1264.

Chen, S., Tang, S., Sun, Y., Wang, G., Chen, H., Yu, X., Su, Y. and Chen, G., Preparation of a Highly Porous Carbon Material Based on Quinoa Husk and Its Application for Removal of Dyes by Adsorption. Materials (Basel, Switzerland). 2018, 11(8), 1407.

สุภาวดี น้อยน้ำใส และสมสกุล รัตนกุญชร, การปรับปรุงตัวดูดซับฟอสเฟตในน้ำเสียด้วยตะกอนจากระบบผลิตน้ำประปา, วารสารวิทยาศาสตร์ มข. 2559, 44(3), 542-552.

BALOU, S., S. E. BABAK, and A. PRIYE, Synergistic Effect of Nitrogen Doping and Ultra-Microporosity on the Performance of Biomass and Microalgae-Derived Activated Carbons for CO2 Capture. ACS Applied Materials & Interfaces. 2020, 12(38), 42711-42722.

GALE, M., T. NGUYEN, M. MORENO, and K. L. GILLIARD-ABDULAZIZ, Physiochemical Properties of Biochar and Activated Carbon from Biomass Residue: Influence of Process Conditions to Adsorbent Properties. ACS Omega. 2021, 6(15), 10224-10233.

SING, K. S. W., Reporting Physisorption Data for Gas/solid Systems with Special Reference to the Determination of Surface Area and Porosity (Recommendations 1984). Pure & Applied Chemistry. 1985, 57(4), 603-619,

Szczęśniak, B., Phuriragpitikhon, J., Choma, J. and Jaroniec, M., Mechanochemical Synthesis of Three-Component Graphene Oxide/ordered Mesoporous Carbon/metal-Organic Framework Composites. Journal of Colloid and Interface Science. 2020, 577, 163-172.

SHOKRY, H., M. ELKADY, and E. SALAMA, Eco-Friendly Magnetic Activated Carbon Nano-Hybrid for Facile Oil Spills Separation. Scientific Reports. 2020, 10, 10265.

ธีรดิตถ์ โพธิตันติมงคล และปิยธิดา อุระชื่น, การกำจัดตะกั่วในน้ำเสียอุตสาหกรรมโดยใช้ถ่านกัมมันต์จากไม้มะขามที่ผ่านการกระตุ้นด้วยกรดฟอสฟอริก. วารสารวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. 2560, 25(2), 191-209.

EL-HALWANY, M. M., Study of Adsorption Isotherms and Kinetic Models for Methylene Blue Adsorption on Activated Carbon Developed from Egyptian Rce Hull (Part II), Desalination. 2010, 250(1), 208-213.

ชาญชัย คหาปนะ และณภัทร โพธิ์วัน, การศึกษาประสิทธิภาพการดูดซับสีย้อมเมทิลีนบลูโดยใช้วัสดุดูดซับที่เตรียมจากผักตบชวา, วารสารวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทร์วิโรจน์. 2563, 15(2), 58-70.

ZHANG, G., B. LEI, S. CHEN, H. XIE, and G. ZHOU, Activated Carbon Adsorbents with Micro-Mesoporous Structure Derived from Waste Biomass by Stepwise Activation for Toluene Removal From Air, Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021, 9(4), 105387.

MANDAL, S., J. CALDERON, S.B. MARPU, M.A. OMARY, and S.Q. SHI, Mesoporous Activated Carbon as a Green Adsorbent for the Removal of Heavy Metals and Congo Red: Characterization, adsorption kinetics, and isotherm studies, Journal of Contaminant Hydrology. 2021, 243, 103869.