การพัฒนาเทคโนโลยีพลาสมาไพโรไลซิส-แก๊สซิฟิเคชันสำหรับกำจัดขยะติดเชื้อ และขยะอันตรายจากโรงพยาบาล

2 กันยายน 2562

 

1. บทนำ

 

 

รูปที่1 การลักลอบทิ้งขยะติดเชื้อในพื้นที่สาธารณะ [1]

 

        พาดหัวข่าวหนังสือพิมพ์เดลินิวส์ในวันที่ 4 พฤษภาคม พ.ศ. 2558 “ชาวเมืองคอนผวาโรคร้าย มือมืดลอบทิ้งขยะติดเชื้อ” [1] สะท้อนปัญหาร้ายแรงของสังคมไทยในการกำจัดขยะติดเชื้อไม่ถูกวิธี เนื่องจากข้อจำกัดหลายอย่างเช่น การขาดความรับผิดชอบของสถานพยาบาล การบังคับใช้กฎหมายหย่อนยาน ขาดความตระหนักปัญหาของสังคม จำนวนเตาเผาขยะไม่เพียงพอ และขาดแคลนเทคโนโลยีที่เหมาะสม เป็นต้น ขยะติดเชื้อเป็นขยะที่เกิดจากสถานพยาบาลและศูนย์วิจัยทางวิทยาศาสตร์สุขภาพ ปัจจุบันประเทศไทยมีสถานพยาบาลซึ่งประกอบด้วยโรงพยาบาล ศูนย์บริการสาธารณสุข ศูนย์สุขภาพชุมชน คลินิก ทั้งของรัฐและเอกชน เป็นจำนวนมากกว่า 37,000 แห่ง มีจำนวนเตียงมากกว่า 140,000 เตียง โดยเฉลี่ยจะมีขยะติดเชื้อเกิดขึ้น 0.5 – 0.8 กิโลกรัมต่อเตียงต่อวัน ในปีพ.ศ. 2555 มีขยะติดเชื้อเกิดขึ้น 4.2 หมื่นตัน หรือ 40 ล้านกิโลกรัม ในขณะที่จำนวนเตาเผาขยะติดเชื้อมีจำนวนไม่เพียงพอ ทั่วประเทศมีเตาเผาขององค์กรปกครองส่วนท้องถิ่น 13 แห่ง และเตาเผาของเอกชนอีก 4 แห่ง ถึงว่าแม้สถานพยาบาลประมาณครึ่งหนึ่งมีเตาเผาภายในใช้เอง เช่น โรงพยาบาลละงู จังหวัดสตูล แต่ก็ไม่เพียงพอ [2] ทำให้มีการลักลอบทิ้งขยะติดเชื้อในที่สาธารณะ หรือทิ้งปนกับขยะชุมชนทั่วไป หรือมีการเผาทำลายในเตาเผาที่ไม่ได้มาตรฐาน ขยะติดเชื้อเป็นขยะอันตรายซึ่งปนเปื้อนเชื้อโรคร้ายแรงต่างๆที่สามารถแพร่ไปยังชุมชน เช่น โรคท้องร่วง โรคพยาธิ เชื้ออหิวาตกโรค ไทฟอยด์ โรคบิด บาดทะยัก ไวรัสตับอักเสบ และโรคเอดส์ เป็นต้น นอกจากนั้นขยะติดเชื้อยังประกอบด้วย ถุงเลือด ผ้าก๊อซ สำลีเช็ดแผล เข็มฉีดยา ขวดน้ำเกลือ สารกัมมันตรังสี ยาปฏิชีวนะ (antibiotics) ยาอันตราย (cytotoxic drugs)  สารเคมีอันตราย ของมีคม ซากสัตว์ทดลอง ชิ้นเนื้อ เป็นต้น ซึ่งจะทำให้เกิดมลภาวะต่างๆกับสิ่งแวดล้อม เช่นการปนเปื้อนน้ำใต้ดิน การปนเปื้อนในแหล่งน้ำสาธารณะ การปนเปื้อนในห่วงโซ่อาหาร หรือการเกิดแก๊สอันตรายต่างๆเช่นไดออกซิน ฟูแรน ถ้าหากมีการเผาขยะติดเชื้อร่วมกับขยะชุมชนในเตาเผาที่ไม่ได้มาตรฐานซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่า 800 เซลเซียส [3]

 

        เทคโนโลยีพลามาไพโรไลซิส-แก๊สซิฟิเคชันเป็นเทคโนโลยีการกำจัดขยะติดเชื้อที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในปัจบัน ทั้งในเชิงเศรษฐศาสตร์และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม เนื่องจากพลาสมา (plasma) มีอุณหภูมิสูงกว่า 1,200 เซลเซียส และมีรังสียูวีความเข้มสูง อุณหภูมิสูงของพลาสมาจะทำให้ส่วนประกอบของขยะที่เป็นพลาสติก สำลี ขวดแก้ว ผ้า ชิ้นเนื้อ สลายตัวหรือไพโรไลซิสและแก๊สซิฟิเคชันขึ้น เกิดเป็นแก๊สเชื้อเพลิงเช่น ไฮโดรเจน คาร์บอนมอนอกไซด์ มีเทน ในขณะเดียวกันความร้อนและรังสียูวีจะทำลายเชื้อโรคทุกชนิดอย่างสมบูรณ์ ทั้งเชื้อโรคปกติและเชื้อโรคที่ต้านทานความร้อน โดยอุณหภูมิของพลาสมาที่บริเวณขั้วแคโทดประมาณ 20,000 เคลวิน (หรือ 19,726.85 เซลเซียส) ที่บริเวณขั้วอาโนดประมาณ 7,000 เคลวิน (หรือ 6,726.85 เซลเซียส) และที่บริเวณขยะประมาณ 1,500 เคลวิน (หรือ 1,226.85 เซลเซียส) เทคโนโลยีพลาสมาไพโรไลซิส-แก๊สซิฟิเคชันเป็นเทคโนโลยีที่เหมาะสมที่จะพัฒนาขึ้นในประเทศไทย เพื่อแก้ปัญหาวิกฤตเนื่องจากการกำจัดขยะติดเชื้ออย่างไม่เหมาะสม โดยเทคโนโลยีพลาสมามีคุณสมบัติในการจัดการขยะติดเชื้อให้ถูกสุขลักษณะดังนี้

 

  1.  มีอุณหภูมิและรังสียูวีสูง สามารถสลายส่วนประกอบของขยะได้ทั้งหมด และทำลายเชื้อโรคต่างๆได้อย่างสมบูรณ์
  2. ใช้เวลาในการเพิ่มและลดอุณหภูมิเร็วมาก น้อยกว่ามิลลิวินาที (0.001 วินาที)
  3. มีขนาดกะทัดรัด สามารถพัฒนาเพื่อใช้งานกับโรงพยาบาลชุมชนซึ่งมีจำนวนเตียงน้อยกว่า 100 เตียง หรือโรงพยาบาลศูนย์ที่มีจำนวนเตียงมากกว่า 1,000 เตียง
  4. ไม่มีขี้เถ้าลอย (fly ash) และขี้เถ้าหนัก (bottom ash) ทำให้ลดปัญหาการดักจับและการกำจัด
  5. ไม่เกิดแก๊สอันตรายเช่นไดออกซิน ฟูแรน NOx หรือ SOx

 

2. พลาสมาร้อน

 

 

รูปที่ 2  สถานะของสสารที่อุณหภูมิต่างๆ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นของแข็งจะเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว แก๊ส และพลาสมา

 

        พลาสมาคือสสารในสถานะที่4 ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อแก๊สมีอุณหภูมิสูงมากดังแสดงในรูปที่ 2 เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นจะทำให้อนุภาคมีพลังงานจลน์มากขึ้น การชนกันอย่างรุนแรงระหว่างอนุภาคจะสามารถเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวภายในระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียส แล้วทำให้อิเล็กตรอน หลุดออกจากอะตอม เกิดการไอออนไนเซชัน (ionization) เป็นไอออนซึ่งมีประจุบวกและอิเล็กตรอนอิสระที่มีประจุลบขึ้น นอกจากนั้นการชนกันระหว่างไออนและอิเล็กตรอนยังทำให้เกิดการรวมตัวกันแล้วปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรืออนุภาคโฟตอน(photon) ออกมา ทำให้พลาสมาเป็นสถานะของสสารที่ประกอบด้วยอนุภาคหลายชนิด ทั้งไอออน อิเล็กตรอน อะตอม โมเลกุล แรดิคัล(radicals) และ โฟตอน อันตรกริยาที่สำคัญในพลาสมาคือแรงที่กระทำกับประจุเนื่องจากสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ทำให้พลาสมามีพฤติกรรมแตกต่างจากสสารในสถานะของแก๊สซึ่งไม่มีประจุอิสระอย่างชัดเจน พลาสมาซึ่งมีอิเล็กตรอนและไอออนต่างๆอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน (thermal equilibrium) เรียกว่าพลาสมาร้อน หรือ thermal plasma โดยทั่วไปพลาสมาร้อนที่มีการใช้งานในปัจจุบันมีอุณหภูมิระหว่าง 1,500 – 5,500 เซลเซียส [4,5]

 

3. หัวทอร์ชพลาสมาแบบไฟตรง

 

                         

                               (ก)                                                                                   (ข)

 

รูปที่ 3 (ก) ระบบการกำเนิดพลาสมาร้อนโดยใช้หัวทอร์ชพลาสมาแบบไฟตรง (ข) พลาสมาเจ็ตที่พุ่งออกจากหัวทอร์ชพลาสมาแบบไฟตรง ซึ่งมีอุณหภูมิมากกว่า 1,200 เซลเซียส

         

        ระบบหัวทอร์ชพลาสมาแบบไฟตรง (DC plasma torch) ที่ได้พัฒนาขึ้นมีลักษณะดังแสดงในรูปที่ 3(ก) ซึ่งมีส่วนประกอบหลักคือแหล่งจ่ายไฟตรง (DC power supply) กำลัง 5 กิโลวัตต์ และ หัวทอร์ชพลาสมาแบบไฟตรง ซึ่งเมื่ออัดอากาศเข้าไปในหัวทอร์ชโดยใช้ปั๊มลม (air pump) และจ่ายความต่างศักย์ให้กับหัวทอร์ชประมาณ 100 – 200 โวลต์ จะทำให้เกิดการแตกตัวของอากาศเป็นพลาสมาร้อน และทำให้มีกระแสพลาสมาประมาณ 20 – 60 แอมแปร์ โดยกำลังของพลาสมามีลักษณะดังแสดงในรูปที่ 4 ซึ่งมีกำลังสูงสุดประมาณ 5,800 วัตต์

 

 

รูปที่ 4  ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้า (Isetting) กำลังไฟฟ้า และกำลังพลาสมา

 

        โดยปัญหาที่สำคัญของหัวทอร์ชพลาสมาแบบไฟตรงคือการกัดกร่อนของหัวทอร์ช ซึ่งเกิดจากการชนของไอออนบวกแล้วทำให้เกิดกระบวนการสปัตเตอริ่ง (sputtering) ขึ้น ทำให้อายุการใช้งานของหัวทอร์ชจำกัด การกัดกร่อนของหัวทอร์ชมีลักษณะดังแสดงในรูปที่ 5 ซึ่งพบว่าหลังจากการดิสชาร์จ 10 นาทีจะทำเกิดการกัดกร่อนแล้วทำให้เกิดหลุมขึ้นที่บริเวณตรงการของหัวทอร์ช

 

     

(ก)                                                  (ข)

 

รูปที่ 5 (ก) หัวทอร์ชก่อนการดิสชาร์จ และ (ข) หัวทอร์ชหลังจากผ่านการดิสชาร์จ 1 นาที

 

4. สรุป

 

        เทคโนโลยีพลาสมาร้อนเป็นเทคโนโลยีที่สามารถสร้างความร้อนได้มากกว่า 1,200 เซลเซียส ในประเทศที่พัฒนาแล้วมีการใช้เทคโนโลยีพลาสมาไพโรไลซิส-แก๊สซิฟิเคชันเพื่อกำจัดขยะติดเชื้อและขยะอันตรายต่างๆ ซึ่งจะสามารถทำลายเชื้อโรคและสารพิษต่างๆ และได้ผลผลิตซึ่งเป็นแก๊สเชื้อเพลิงและตะกรันที่เสถียร โครงการวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อเพื่อพัฒนาระบบการกำเนิดพลาสมาร้อนที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 1,200 เซลเซียส โดยใช้หัวทอร์ชพลาสมาแบบไฟตรง ซึ่งสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่อง และเพื่อพัฒนาองค์ความรู้ของพลาสมาร้อนสำหรับใช้ในการสร้างเครื่องต้นแบบเทคโนโลยีสะอาดในการกำจัดขยะติดเชื้อและขยะอันตรายจากโรงพยาบาล โดยในการดำเนินการปีที่ 2 ได้ประสบความสำเร็จในการพัฒนา แหล่งจ่ายไฟตรงกำลังมากกว่า 20 กิโลวัตต์ และได้พัฒนาหัวทอร์ชพลาสมาร้อนที่มีอัตราการกัดกร่อนของขั้วคาโทด 1.5 – 5.7 มิลลิกรัม / คูลอมบ์ [6-8]  ซึ่งเป็นอัตราการกัดกร่อนที่ใกล้เคียงกับขั้วแคโทดในเชิงพานิชย์ โดยสามารถกำเนิดพลาสมาร้อนที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 1,200 เซลเซียส และในปีที่ 3 ที่พัฒนาหัวทอร์ชพลาสมาแบบไฟตรงที่สามารถกำเนิดพลาสมาร้อนที่มีกำลังสูงกว่า 25 กิโลวัตต์ และสร้างเตาเผาพลาสมา (plasma furnace) ซึ่งประกอบด้วยห้องเผาขยะ และฉนวนกันความร้อน เพื่อทดสอบการเผาขยะติดเชื้อจากโรงพยาบาล 

 

เอกสารอ้างอิง

 

  1. หนังสือพิมพ์เดลินิวส์ ออนไลน์ วันที่ 4 พฤษภาคม 2558.

  2. หนังสือพิมพ์ไทยรัฐออนไลน์ วันที่ 20 มิถุนายน 2557.

  3. จันทนา มณีอินทร์, “การจัดการมูลฝอยติดเชื้อขององค์กรปกครองส่วนท้องถิ่น”, วิทยานิพนธ์ปริญญาโท สถาบันบัณฑิตพัฒนบริหารศาสตร์ 2556.

  4. Umberto Arena, “Process and technological aspects of municipal solid waste gasification: A review”, Waste Management 32 (2012) 625639.

  5.  Ajay Kumar, David D. Jones and Milford A. Hanna, Thermochemical biomass gasification: A review of the current status of the technology”, Energies 2009, 2, 556-581; doi:10.3390/en20300556

  6.  R. N. Szente, R. J. Munz and M. G. Drouet, “Electrode erosion in plasma torch”, Plasma Chem Plasma Process (1992) 12: 327.

  7.  Plasma Energy Corp, 1988.

  8.  Westinghouse, 1979.

 

รายงานโดย

 

รศ. ดร. หมุดตอเล็บ หนิสอ*, ธรรมนูญ ศรีน่วม, ริฎวี ตาเล๊ะ และ วัชรินทร์ คงสวัสดิ์

ศูนย์วิจัยความเป็นเลิศทางด้านพลาสมาและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

มหาวิทยาลัยวลัยลักษณ์ ตำบลไทยบุรี อำเภอท่าศาลา จ. นครศรีธรรมราช-80160

E-mail: mnisoa@yahoo.com*