อนุภาคนาโนของซีเรียมออกไซด์กับการลดมลพิษของเครื่องยนต์
(Cerium Oxide Nanoparticles Reducing Engine Emissions)

พิพัฒน์ พิเชษฐพงษ์
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ซีเรียม (cerium, Ce) เป็นธาตุหายาก (rare earths) ธาตุหนึ่งที่สามารถแยกได้จากแร่ที่พบในประเทศ เช่น แร่โมนาไซต์ ซึ่งเป็นแร่วัสดุนิวเคลียร์ชนิดหนึ่ง เนื่องจากมียูเรเนียมและทอเรียมเป็นองค์ประกอบอยู่ด้วย ปัจจุบันมีการใช้ประโยชน์ของซีเรียมในด้านต่าง ๆ อย่างแพร่หลาย โดยเฉพาะการผลิตสารเร่งปฏิกิริยา (catalyst) ในอุตสาหกรรมยานยนต์ มีการใช้ซีเรียมในการผลิตเครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา (catalytic converter) สำหรับการฟอกไอเสียในท่อไอเสียของรถยนต์ โดยการเปลี่ยนคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และน้ำมันเชื้อเพลิง (hydrocarbon) ที่เผาไหม้ไม่หมดในไอเสีย ให้กลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และไอน้ำ (H2O) รวมทั้งการเปลี่ยนไนโตรเจนออกไซด์ (NOx)กลับมาเป็นไนโตรเจน ทำให้ไอเสียที่ออกมามีภาวะความเป็นมลพิษลดลง ด้วยการใช้ซีเรียมออกไซด์ผสมกับอะลูมินัมออกไซด์ ขึ้นรูปเป็นรังผึ้งใช้เป็นฐานรอง (support) ของสารเร่งปฏิกิริยา เพื่อให้มีความคงทนและมีความเสถียรภายใต้อุณหภูมิสูงของท่อไอเสีย สารเร่งปฏิกิริยานี้ยังคงใช้โลหะมีค่า เช่น แพลทินัม (Pt) และ แพลเลเดียม (Pd) เป็นองค์ประกอบ

 
 
catalytic converter
ต่อมามีการศึกษาวิจัยพบว่า ซีเรียมออกไซด์มีส่วนช่วยในการเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของคาร์บอนและไฮโดรคาร์บอน รวมทั้งปฏิกิริยารีดักชันของไนโตรเจนออกไซด์ได้ เนื่องจากอะตอมของซีเรียมสามารถมีประจุได้ 2 สถานะ (valence state) คือ +3 และ +4 ทำให้เกิดเป็นซีเรียมออกไซด์ได้ 2 ชนิด คือ CeO2 (+4) และ Ce2O3 (+3) โดยที่ซีเรียมออกไซด์ทั้งสองชนิดมีโครงสร้างผลึกเหมือนกัน คือเป็นแบบฟลูออไรต์ (fluorite face centered cubic) และการแปลง (transformation) ระหว่างออกไซด์ทั้งสองเกิดขึ้นได้ง่าย ในสถานะปกติ CeO2 จะมีอะตอมลงในตำแหน่งต่าง ๆ ของโครงสร้างอย่างสมบูรณ์ แต่เมื่อมีการเปลี่ยนเป็น Ce2O3 ทำให้มีตำแหน่งว่างของออกซิเจนเกิดขึ้นในโครงสร้างตามรูปที่ 1 และตำแหน่งว่างเหล่านี้จะทำหน้าที่เหมือนที่เก็บออกซิเจน (oxygen storage) ซึ่งทำให้ซีเรียมออกไซด์สามารถดึงออกซิเจนเข้าในกรณีปฏิกิริยารีดักชันของไนโตรเจนออกไซด์ หรือจ่ายออกซิเจนออกในกรณีปฏิกิริยาออกซิเดชันของน้ำมันและอนุภาคคาร์บอน (soot) ที่เผาไหม้ไม่หมด ตามปฏิกิริยาที่แสดงในรูปที่ 2
 
 
รูปที่ 1 โครงสร้างผลึกแบบฟลูออไรต์ ของซีเรียม ออกไซด์ แสดงตำแหน่งว่างของออกซิเจน ในโครงสร้าง
จะเห็นว่าปฏิกิริยาต่าง ๆ ล้วนเกิดด้วยตัวของซีเรียมออกไซด์เอง ไม่ต้องพึ่งตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโลหะมีค่า ซึ่งสภาวะอุณหภูมิของการเผาไหม้ในเครื่องยนต์สามารถเอื้อต่อการเกิดปฏิกิริยา และที่สำคัญสภาพไวของการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับขนาดอนุภาคและพื้นที่ผิวของซีเรียมออกไซด์ หากซีเรียมออกไซด์ที่มีขนาดอนุภาคเล็ก จะทำให้มีพื้นที่ผิวมาก และมีสภาพไวต่อปฏิกิริยาสูง จึงทำให้เกิดแนวคิดในการนำซีเรียมออกไซด์ที่มีอนุภาคขนาดเล็กในระดับนาโนเมตร (nanoparticle) เติมลงในน้ำมันเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ดีเซลโดยตรง เพื่อช่วยการเผาไหม้ให้สมบูรณ์ขึ้น เป็นการลดมลพิษของไอเสียที่เกิดจากไนโตรเจนและอนุภาคคาร์บอนที่เผาไหม้ไม่หมดลงได้
 
ปัจจุบันมีการผลิตอนุภาคนาโนของซีเรียมออกไซด์ที่แขวนลอยอยู่ในสารละลาย เพื่อเติมลงในน้ำมันเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ดีเซล โดยใช้ชื่อว่า Envirox ของบริษัท Oxonica และ Eolys ของบริษัท Rhodia Electronics and Catalysis ซึ่งได้มีการนำไปทดสอบการใช้งานกับรถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์ดีเซลแล้ว บริษัทต่างมีข้อมูลแสดงให้เห็นว่า การเติมอนุภาคนาโนของซีเรียมออกไซด์ สามารถลดปริมาณของคาร์บอนมอนอกไซด์ และไฮโดรคาร์บอน รวมทั้งอนุภาคคาร์บอนที่เกิดจากการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ และกลายเป็นมลพิษในไอเสียของเครื่องยนต์ลงได้ระดับหนึ่ง เป็นการทำให้เครื่องยนต์ทำงานมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น ช่วยลดความสิ้นเปลืองของน้ำมันเชื้อเพลิง มีผลต่อการลดปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ เป็นการช่วยรักษาสิ่งแวดล้อม และช่วยชะลอสภาวะโลกร้อนได้ทางหนึ่ง
Oxonica
 
แหล่งข้อมูล :
- Rhodia Electronics and Catalysis (www.rhodia-ec.com )
- Oxonica ( www.oxonica.com )