นักวิจัยมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (มจธ.) คิดค้นวิธีอัพไซเคิลกากกาแฟ สร้างนวัตกรรมผ้าใยแก้วเคลือบตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง ช่วยลดสารคาเฟอีนในน้ำเสียจากร้านกาแฟได้ถึง 80% ใช้ซ้ำได้ 5 ครั้งโดยไม่เสื่อมประสิทธิภาพ เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม คุ้มค่า ต้นทุนต่ำ

“คาเฟอีน” เป็นสารในกาแฟที่ช่วยกระตุ้นระบบประสาทส่วนกลาง แต่ทราบหรือไม่ว่าคาเฟอีนมีผลยับยั้งการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ในน้ำได้ เช่น สัตว์น้ำขนาดเล็ก ซึ่งน้ำที่เกิดจากกระบวนการผลิตกาแฟทั้งในโรงงานและตามร้านกาแฟ ก็ล้วนมีสารชนิดนี้เจือปนอยู่ หากน้ำถูกปล่อยลงสู่แหล่งน้ำสาธารณะโดยไม่มีการบำบัดเพื่อลดปริมาณสารคาเฟอีน ตัวอ่อนของสัตว์น้ำชนิดต่างๆ ทั้งปลา กุ้ง ปู รวมถึงสัตว์น้ำขนาดเล็ก อาจได้รับผลกระทบจากสารคาเฟอีนในระยะยาวได้

จึงเป็นที่มาของการนำ “กระบวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง” (Photocatalysis) มาช่วยลดปริมาณคาเฟอีนในน้ำจากโรงงานแปรรูปกาแฟหรือร้านกาแฟ ผลงานวิจัยการอัพไซเคิลกากกาแฟให้เป็นหมุดควอนตัมคาร์บอนเรืองแสงเพื่อบำบัดน้ำเสียกากกาแฟด้วยกระบวนการเร่งปฏิกิริยาเชิงแสง ของ รศ. ดร.ภาติญา เขมาชีวะกุล อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมสิ่งแวดล้อม คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (มจธ.) ร่วมกับ รศ. ดร.สุรวุฒิ ช่วงโชติ อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเครื่องมือและวัสดุ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (มจธ.) และ ดร.รัตนา ม่วงโมรา โดยทีมผู้วิจัยได้ให้ข้อมูลว่ากระบวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง คือ การใช้แสงมาเป็นตัวกระตุ้นตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสงให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีและให้สารอนุมูลอิสระของไฮดรอกซิล (OHŸ) และซูเปอร์ออกไซด์แอนไอออน (OŸ2-) เพื่อกำจัดมลพิษในน้ำ ซึ่งหนึ่งในตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงที่นิยมใช้งานด้านการบำบัดน้ำเสียก็ คือ ไททาเนียมไดออกไซด์

“เมื่อไททาเนียมไดออกไซด์ได้รับการกระตุ้นด้วยแสงในช่วงคลื่นที่จำเพาะและเกิดปฏิกิริยาเคมี โดยอิเล็กตรอน (-) จะรวมกับออกซิเจน และให้ซูเปอร์ออกไซด์แอนไอออน ขณะที่โฮลจะทำปฏิกิริยากับน้ำและให้สารอนุมูลอิสระของไฮดรอกซิล ซึ่งจะเกิดกระบวนการเคมีที่จะสลายสารมลพิษอินทรีย์ที่เจือปนอยู่ในน้ำ แต่แสงที่สามารถใช้กับไทเทเนียมไดออกไซด์ได้ คือ แสง UV ทำให้ระบบนี้อาจยังไม่จูงใจในการนำมาใช้กับการบำบัดน้ำเสียของโรงงานในปัจจุบันเท่าที่ควร”

ดังนั้นวัตถุประสงค์ของงานวิจัยนี้คือ การทำให้ไทเทเนียมไดออกไซด์สามารถทำปฏิกิริยาภายใต้แสงที่มีความยาวคลื่นอยู่ในช่วงที่มนุษย์สามารถมองเห็นได้ (Visible Light) แทนการใช้แสง UV โดยวิธีการที่เลือกใช้คือ “การเพิ่มหมุดควอนตัมคาร์บอนให้กับไททาเนียมไดออกไซด์”

“หมุดควอนตัม” หรือควอนตัมดอท (quantum dot) คือวัสดุขนาดเล็กระดับนาโน (เส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 10 นาโนเมตร) ที่มีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ (semiconductor) ซึ่งสมบัติเชิงแสงสามารถเปลี่ยนไปเมื่อเปลี่ยนขนาดของวัสดุ และมีคุณสมบัติในการปล่อยพลังงานในรูปแบบของแสงที่มีความยาวคลื่นต่างจากที่ดูดกลืนเข้าไปได้ จึงมีการนำไปใช้ในไดโอทเพื่อทำให้เกิดเป็นจุดสีและเป็นที่รู้จักกันในการสร้างเป็นจอแสดงผล เช่น จอ LED การเพิ่มหมุดควอนตัมคาร์บอนให้กับไททาเนียมไดออกไซด์จึงช่วยปรับแสงที่ได้รับในช่วงอื่นมาปล่อยในช่วงที่ไททาเนียมไดออกไซด์ทำงานได้ นอกจากนั้นหมุดควอนตัมคาร์บอนยังมีสมบัติเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงด้วยตัวเองที่ทำงานได้ภายใต้แสงในช่วงคลื่นที่ตามนุษย์มองเห็น ดังนั้นตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ที่หมุดควอนตัมติดอยู่บนผิวของไทเทเนียมไดออกไซด์ได้จึงทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงในการบำบัดน้ำเสียได้โดยไม่จำเป็นต้องให้แสง UV”

รศ. ดร.ภาติญา กล่าวว่า จากโจทย์ที่ต้องการบำบัดสารคาเฟอีนในน้ำที่เกิดจากการผลิตกาแฟ ทีมวิจัยจึงเลือกที่จะผลิตหมุดควอนตัมคาร์บอน จาก “กากกาแฟ” ที่เป็นของเหลือทิ้งจากการแปรรูปกาแฟ หรือชงกาแฟอยู่แล้ว (ที่เรียกหมุดควอนตัมคาร์บอน เพราะมีโครงสร้างหลักเป็นวัสดุคาร์บอน) โดยนอกจากทีมวิจัยจะสามารถผลิตหมุดควอนตัมคาร์บอนจากกากกาแฟและนำไปติดอยู่บนผิวของไทเทเนียมไดออกไซด์ได้แล้ว ยังพัฒนาเทคนิคในการใช้งาน โดยนำไปเคลือบไว้บนผิวของผ้าใยแก้ว และนำผ้าใยแก้วไปขึงเพื่อให้น้ำเสียไหลผ่าน แทนวิธีการเดิมที่เป็นการใส่ลงไปน้ำที่ต้องการบำบัดโดยตรง

“จากการทดลองในห้องทดลองที่ให้น้ำกาแฟที่เหลือจากการชงกาแฟไหลผ่านผ้าใยแก้วอย่างต่อเนื่อง เป็นเวลา 12 ชั่วโมง พบว่าสีของน้ำจะมีความใสขึ้นอย่างชัดเจนแล้ว ยังทำให้ปริมาณคาเฟอีนในน้ำลดลงร้อยละ 80 ที่สำคัญ คือ การเคลือบไทเทเนียมไดออกไซด์บนผ้าใยแก้ว ทำให้ลดปริมาณไทเทเนียมไดออกไซด์และหมุดควอนตัมคาร์บอนที่ต้องใช้ เพราะผ้าใยแก้วที่ใช้แล้วสามารถนำไปล้างทำความสะอาดและใช้ซ้ำได้อีก และแม้จะใช้ซ้ำถึง 5 ครั้ง ก็ยังคงประสิทธิภาพในการกำจัดสารคาเฟอีนได้เท่ากับการใช้ในครั้งแรก”

สำหรับการนำ “ผ้าใยแก้วเคลือบตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงจากกากกาแฟ เพื่อลดสารคาเฟอีนและมลพิษอื่นๆ ในน้ำ” ชิ้นนี้ มาสู่การใช้งานจริงนั้น ทางผู้วิจัยกล่าวว่า เนื่องจากกฎหมายประเทศไทยยังไม่มีมาตรฐานเกี่ยวกับปริมาณคาเฟอีนในน้ำที่ถูกปล่อยออกสู่แหล่งน้ำแต่ด้วยจุดเด่นของนวัตกรรมที่มีค่าวัสดุและต้นทุนการผลิตที่ไม่สูง เป็นระบบที่ไม่ซับซ้อน และทำงานได้ทันทีที่มีแสงแดด จึงน่าจะเป็น “จุดขาย” ให้กับผู้ผลิตกาแฟหรือร้านกาแฟ ที่ใส่ใจด้านสิ่งแวดล้อมได้ไม่มากก็น้อย