จีนเปลี่ยนพลาสติกเป็นน้ำมันบินด้วยนิกเกิล–โคบอลต์ ยังไม่พร้อมใช้จริง

ถุงพลาสติกหนึ่งใบกับเชื้อเพลิงเครื่องบินหนึ่งลิตรอาจดูเหมือนไม่เกี่ยวข้องกัน แต่เมื่อพิจารณาในระดับโมเลกุล ทั้งสองสิ่งมีโครงสร้างพื้นฐานคล้ายกัน คือประกอบด้วยสายโซ่ของอะตอมคาร์บอนและไฮโดรเจน ความแตกต่างสำคัญอยู่ที่ความยาว รูปร่าง และการจัดเรียงตัวของสายโซ่เหล่านั้น

พลาสติกเปรียบเสมือนสร้อยที่ร้อยลูกปัดต่อกันเป็นสายยาว จึงมีความแข็งแรงและคงทน ส่วนเชื้อเพลิงการบินประกอบด้วยโมเลกุลที่สั้นกว่าและมีขนาดเหมาะสมต่อการเผาไหม้ หากสามารถตัดสายโซ่ยาวของพลาสติกให้เป็นท่อนขนาดพอดี โดยไม่ทำให้แตกตัวมากเกินไปจนกลายเป็นก๊าซ ขยะพลาสติกก็อาจถูกเปลี่ยนให้เป็นวัตถุดิบสำหรับผลิตเชื้อเพลิงได้

แนวคิดนี้เป็นหัวใจของงานวิจัยล่าสุดจากจีน ซึ่งเสนอวิธีเปลี่ยนขยะพลาสติกบางประเภทให้เป็นสารไฮโดรคาร์บอนที่มีขนาดโมเลกุลอยู่ในช่วงเดียวกับเชื้อเพลิงการบิน โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาจากโลหะที่มีราคาต่ำกว่าวิธีซึ่งพึ่งพาโลหะมีค่าในอดีต 

ผลการทดลองให้ผลิตภัณฑ์ของเหลวสูงถึง 82.3% และสามารถควบคุมให้ผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่อยู่ในช่วงโมเลกุลที่ต้องการได้สำเร็จ 

อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ได้ยังไม่ใช่เชื้อเพลิงที่พร้อมเติมลงในเครื่องบินทันที แต่ถือเป็นอีกก้าวสำคัญของความพยายามเปลี่ยนพลาสติกให้เป็นผลิตภัณฑ์มูลค่าสูง ผ่านกระบวนการที่ควบคุมได้และอาจมีต้นทุนสมเหตุสมผลมากขึ้น

พลาสติกชนิดใดที่นำมาทดลอง

ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยฟู่ตั้นและสถาบันวิจัยขั้นสูงเซี่ยงไฮ้ ซึ่งอยู่ภายใต้สถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน มุ่งศึกษาพลาสติกกลุ่ม “พอลิโอเลฟิน” โดยเฉพาะสองชนิดหลัก ได้แก่ พอลิเอทิลีน หรือ PE และพอลิโพรพิลีน หรือ PP

PE พบได้ในถุงพลาสติก ฟิล์มห่อสินค้า รวมถึงขวดและภาชนะบางประเภท ขณะที่ PP มักใช้ผลิตกล่องอาหาร ฝาขวด หลอด บรรจุภัณฑ์ และของใช้ในชีวิตประจำวัน พลาสติกกลุ่มนี้คิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 60% ของการผลิตพลาสติกทั่วโลก จึงเป็นขยะอีกกลุ่มที่พบได้มากที่สุด

ข้อได้เปรียบของพอลิโอเลฟินคือมีคาร์บอนและไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบหลักเช่นเดียวกับเชื้อเพลิง แต่คุณสมบัติเดียวกันนี้ก็ทำให้พลาสติกกลุ่มดังกล่าวจัดการได้ยาก เพราะพันธะระหว่างอะตอมคาร์บอนมีความเสถียรสูง จึงไม่แตกตัวหรือทำปฏิกิริยาได้ง่าย

ความทนทานนี้มีประโยชน์ในระหว่างการใช้งาน เพราะช่วยให้ถุงไม่ขาดง่ายและภาชนะไม่เสื่อมสภาพเร็ว แต่เมื่อพลาสติกกลายเป็นขยะ คุณสมบัติเดิมกลับทำให้มันตกค้างอยู่ในสิ่งแวดล้อมเป็นเวลานาน การเปลี่ยนพอลิโอเลฟินให้กลับมาเป็นสารที่มีมูลค่าจึงต้องอาศัยกระบวนการที่สามารถตัดพันธะคาร์บอนได้อย่างมีประสิทธิภาพและแม่นยำ

สูตรนิกเกิล-โคบอลต์ ตัวช่วยสำคัญของการทดลอง

เชื้อเพลิงการบินเป็นส่วนผสมของไฮโดรคาร์บอนหลายรูปแบบ โดยโมเลกุลสำคัญส่วนใหญ่อยู่ในช่วงที่มีอะตอมคาร์บอนประมาณ 8-16 ตัว หรือที่เรียกว่า C8-C16

โจทย์สำคัญจึงอยู่ที่การตัดสายโซ่คาร์บอนของพลาสติกให้ได้ขนาดพอดี หากสายโซ่ยังยาวเกินไป สารที่ได้อาจมีลักษณะหนักและหนืดจนไม่เหมาะสำหรับใช้เป็นเชื้อเพลิงเครื่องบิน แต่หากตัดจนสั้นเกินไป โมเลกุลอาจแตกตัวกลายเป็นก๊าซ เช่น มีเทน ซึ่งจัดเก็บและขนส่งได้ยากกว่า อีกทั้งยังมีมูลค่าต่ำกว่าผลิตภัณฑ์ในรูปของเหลว

กระบวนการที่ทีมวิจัยนำมาใช้เรียกว่า “ไฮโดรจีโนไลซิส” ซึ่งอาศัยไฮโดรเจนร่วมกับตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อตัดพันธะระหว่างอะตอมคาร์บอนของพลาสติก และเปลี่ยนสายโซ่ที่ยาวมากให้กลายเป็นโมเลกุลขนาดเล็กลง

ตัวเร่งปฏิกิริยาทำหน้าที่ช่วยให้โมเลกุลพลาสติกและไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากันในตำแหน่งที่เหมาะสม กระบวนการนี้จึงควบคุมขนาดของผลิตภัณฑ์ได้แม่นยำกว่าการให้ความร้อนแก่พลาสติกเพียงอย่างเดียว

ที่ผ่านมา ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ควบคุมการตัดสายโซ่ได้ดีมักต้องใช้โลหะมีค่า เช่น แพลทินัมหรือรูทีเนียม ซึ่งมีราคาสูงและอาจเป็นอุปสรรคต่อการขยายเทคโนโลยีไปสู่ระดับอุตสาหกรรม นิกเกิลจึงเป็นอีกทางเลือกที่น่าสนใจ เพราะมีราคาต่ำกว่าและสามารถเร่งปฏิกิริยาได้ดี

อย่างไรก็ตาม นิกเกิลมีข้อจำกัดสำคัญ คืออาจทำให้สายโซ่แตกตัวมากเกินไป จนผลิตภัณฑ์บางส่วนกลายเป็นก๊าซมีเทน แทนที่จะหยุดอยู่ในช่วงโมเลกุลของเชื้อเพลิงเหลว

ทีมนักวิจัยจึงเติมโคบอลต์ลงในตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลบนฐานซิลิกา โดยโคบอลต์ไม่ได้ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งหลัก แต่ช่วยปรับสภาพแวดล้อมและโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของนิกเกิล ทำให้นิกเกิลทำงานได้แม่นยำขึ้น

การเติมโคบอลต์ยังช่วยลดขนาดอนุภาคนิกเกิลจากประมาณ 11.1 นาโนเมตร เหลือ 7.8 นาโนเมตร ส่งผลให้มีพื้นที่ผิวสำหรับเกิดปฏิกิริยามากขึ้น และช่วยให้นิกเกิลกระตุ้นและส่งผ่านไฮโดรเจนได้ดีขึ้น

ที่สำคัญ ตัวเร่งชนิดนี้ช่วยให้การตัดพันธะเกิดขึ้นบริเวณด้านในของสายโซ่มากขึ้น แทนที่จะค่อย ๆ ตัดจากปลายสายจนเหลือเพียงโมเลกุลขนาดเล็ก เปรียบได้กับการตัดเชือกเส้นยาวออกเป็นท่อนขนาดใกล้เคียงกัน แทนที่จะเฉือนจากปลายเชือกทีละน้อยจนเหลือแต่ชิ้นส่วนขนาดเล็ก

ความสามารถในการควบคุมตำแหน่งและระดับของการตัดสายโซ่นี้ ทำให้นักวิจัยเพิ่มสัดส่วนผลิตภัณฑ์ในช่วง C8-C16 พร้อมลดการเกิดก๊าซที่ไม่ต้องการได้ ซึ่งถือเป็นหัวใจสำคัญของการเปลี่ยนขยะพลาสติกให้เข้าใกล้การเป็นวัตถุดิบสำหรับเชื้อเพลิงการบิน

ได้ผลิตภัณฑ์ของเหลว 82.3% แต่ยังไม่ใช่น้ำมันที่พร้อมเติมเครื่องบิน

ภายใต้อุณหภูมิ 280 องศาเซลเซียส และแรงดันไฮโดรเจน 3 เมกะปาสคาล ตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิล-โคบอลต์สามารถเปลี่ยนพอลิเอทิลีนให้เป็นผลิตภัณฑ์ในรูปของเหลวได้ 82.3% โดยผลิตภัณฑ์ที่ได้มีค่าความเลือกจำเพาะต่อสารไฮโดรคาร์บอนช่วง C8-C16 อยู่ที่ 79% และมีประสิทธิภาพสูงกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้นิกเกิลเพียงชนิดเดียวประมาณ 2.6 เท่า

อย่างไรก็ตาม ตัวเลข 82.3% ไม่ได้หมายความว่า เมื่อนำพลาสติก 100 กิโลกรัมใส่ลงในเครื่องแล้วจะได้น้ำมันเครื่องบินสำเร็จรูปออกมา 82.3 ลิตร แต่หมายถึงสัดส่วนของผลิตภัณฑ์ที่ได้ในรูปของเหลวภายใต้เงื่อนไขการทดลอง

ส่วนค่าความเลือกจำเพาะ 79% สะท้อนความสามารถของตัวเร่งปฏิกิริยาในการควบคุมให้ผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่อยู่ในช่วงโมเลกุล C8-C16 แทนที่จะกลายเป็นสารชนิดอื่นหรือก๊าซที่ไม่ต้องการ

ดังนั้น ผลิตภัณฑ์ที่ได้จึงควรเรียกว่า “สารไฮโดรคาร์บอนในช่วงเชื้อเพลิงการบิน” หรือ aviation fuel-range hydrocarbons มากกว่าจะเรียกว่าเชื้อเพลิงเครื่องบินที่พร้อมใช้งานทันที

ทีมนักวิจัยยังรายงานว่า ตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวสามารถใช้กับตัวอย่างขยะพลาสติกจากการใช้งานจริงได้ ไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะพลาสติกบริสุทธิ์ที่เตรียมขึ้นสำหรับการทดลอง อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการรับมือกับสิ่งปนเปื้อน รวมถึงประสิทธิภาพในการทำงานต่อเนื่องระยะยาว ยังต้องได้รับการศึกษาเพิ่มเติม

โมเลกุลได้ขนาด ไม่ได้แปลว่าเชื้อเพลิงผ่านมาตรฐาน

การมีโมเลกุลอยู่ในช่วงเดียวกับเชื้อเพลิงการบินเป็นเพียงจุดเริ่มต้น เพราะน้ำมันเครื่องบินต้องทำงานได้ภายใต้สภาวะที่แตกต่างกันอย่างมาก ตั้งแต่อุณหภูมิต่ำบนระดับความสูงหลายหมื่นฟุต ไปจนถึงความร้อนสูงบริเวณเครื่องยนต์

เชื้อเพลิงจึงต้องผ่านข้อกำหนดหลายด้าน ทั้งจุดเยือกแข็ง ความหนาแน่น ความเสถียรเมื่อได้รับความร้อน คุณสมบัติการเผาไหม้ และสัดส่วนของสารประกอบแต่ละชนิด 

แม้ผลิตภัณฑ์จากพลาสติกจะมีจำนวนอะตอมคาร์บอนอยู่ในช่วงที่ต้องการ แต่ยังต้องผ่านการแยก การปรับปรุงคุณภาพ การวิเคราะห์องค์ประกอบ และการทดสอบอีกหลายขั้น ก่อนจะได้รับอนุญาตให้นำไปผสมหรือใช้กับเครื่องบินพาณิชย์

หนึ่งในมาตรฐานสำคัญคือ ASTM D7566 ซึ่งใช้กับเชื้อเพลิงการบินที่ผลิตจากองค์ประกอบสังเคราะห์ กระบวนการผลิตแต่ละประเภทต้องผ่านการประเมินและรับรอง และอาจถูกกำหนดให้ผสมกับเชื้อเพลิงเครื่องบินทั่วไปในสัดส่วนที่แตกต่างกัน

งานวิจัยนี้จึงแสดงให้เห็นว่า นักวิทยาศาสตร์สามารถควบคุมการตัดสายโซ่พลาสติกให้ได้โมเลกุลในช่วงเป้าหมาย แต่ยังไม่ได้พิสูจน์ว่าผลิตภัณฑ์ดังกล่าวมีคุณสมบัติครบถ้วนตามมาตรฐานเชื้อเพลิงการบิน

ตัวเร่งปฏิกิริยาถูกลง ไม่ได้แปลว่าเชื้อเพลิงราคาถูก

แม้งานวิจัยนี้จะถูกนำเสนอว่าเป็นวิธีเปลี่ยนขยะพลาสติกเป็นเชื้อเพลิงการบินด้วยต้นทุนต่ำ แต่คำว่า “ต้นทุนต่ำ” ในที่นี้หมายถึงการลดการพึ่งพาโลหะมีค่าราคาแพงสำหรับผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นหลัก ไม่ได้หมายความว่าเชื้อเพลิงที่ได้มีราคาต่ำกว่าเชื้อเพลิงเครื่องบินจากปิโตรเลียมแล้ว

หากเทคโนโลยีนี้ถูกนำออกจากห้องปฏิบัติการไปใช้ในระดับอุตสาหกรรม ต้นทุนจริงจะต้องครอบคลุมตั้งแต่การเก็บรวบรวม คัดแยก และทำความสะอาดขยะพลาสติก การสร้างความร้อนและแรงดัน การผลิตไฮโดรเจน การแยกและปรับปรุงคุณภาพผลิตภัณฑ์ ไปจนถึงการบำรุงรักษาและเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยา

ขยะพลาสติกในชีวิตจริงไม่ได้สะอาดและเป็นเนื้อเดียวกันเหมือนตัวอย่างในห้องทดลอง แต่อาจมีเศษอาหาร สี กาว สารกันไฟ โลหะ หรือพลาสติกชนิดอื่นปะปนอยู่ สิ่งเจือปนเหล่านี้อาจลดประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา ทำให้คุณภาพผลิตภัณฑ์ไม่สม่ำเสมอ และเพิ่มต้นทุนในการเตรียมวัตถุดิบ

ดังนั้น แม้การเปลี่ยนจากโลหะมีค่ามาใช้นิกเกิลและโคบอลต์อาจช่วยลดต้นทุนของตัวเร่งปฏิกิริยา แต่ยังไม่เพียงพอที่จะสรุปว่ากระบวนการทั้งหมดจะมีความคุ้มค่าในเชิงพาณิชย์

ผลิตจากขยะพลาสติก จะนับเป็น SAF ได้หรือไม่

นอกจากเรื่องต้นทุนแล้ว ยังมีคำถามสำคัญว่า เชื้อเพลิงที่ผลิตจากพลาสติกจะถือเป็นเชื้อเพลิงการบินที่ยั่งยืน หรือ Sustainable Aviation Fuel: SAF ได้หรือไม่

SAF ไม่ได้หมายถึงเชื้อเพลิงที่ผลิตจากวัตถุดิบทางเลือกเท่านั้น แต่ต้องมีศักยภาพลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเมื่อพิจารณาตลอดวัฏจักรชีวิต ตั้งแต่การได้มาของวัตถุดิบ การผลิตและขนส่งเชื้อเพลิง ไปจนถึงการนำไปใช้งานจริง

การผลิตเชื้อเพลิงจาก “ขยะ” จึงไม่ได้ทำให้ผลิตภัณฑ์นั้นกลายเป็น SAF โดยอัตโนมัติ แต่ต้องพิจารณาด้วยว่ากระบวนการผลิตใช้พลังงานชนิดใด ไฮโดรเจนมาจากเชื้อเพลิงฟอสซิลหรือพลังงานสะอาด และทุกขั้นตอนของกระบวนการปล่อยก๊าซเรือนกระจกมากน้อยเพียงใด

พลาสติกส่วนใหญ่ในปัจจุบันผลิตจากน้ำมันและก๊าซธรรมชาติ คาร์บอนที่อยู่ในพลาสติกจึงยังเป็นคาร์บอนจากฟอสซิล เมื่อนำพลาสติกมาเปลี่ยนเป็นเชื้อเพลิงและเผาไหม้ในเครื่องยนต์ คาร์บอนดังกล่าวก็ยังถูกปล่อยออกมาในรูปของคาร์บอนไดออกไซด์

เทคโนโลยีนี้จึงไม่ได้ทำให้เชื้อเพลิงเครื่องบิน “ปลอดคาร์บอน” แต่เป็นการนำคาร์บอนที่เคยถูกใช้ผลิตพลาสติกกลับมาใช้ประโยชน์อีกครั้ง ก่อนที่พลาสติกจะถูกฝังกลบหรือเผาทำลาย

กล่าวอีกอย่างคือ งานวิจัยนี้อาจช่วยลดต้นทุนของตัวเร่งปฏิกิริยาและเปิดทางให้ขยะพลาสติกกลายเป็นวัตถุดิบด้านพลังงานได้มากขึ้น แต่การจะสรุปว่าเชื้อเพลิงที่ได้ทั้ง “ราคาถูก” และ “ยั่งยืน” ยังต้องพิสูจน์อีกหลายด้าน ตั้งแต่ต้นทุนการผลิตจริงไปจนถึงการปล่อยก๊าซเรือนกระจกตลอดวัฏจักรชีวิต

ทำไมโลกจึงต้องหาวิธีใหม่จัดการขยะพลาสติก

ในแต่ละปี โลกผลิตพลาสติกราว 460 ล้านตัน แต่ขยะพลาสติกที่เกิดขึ้นมีไม่ถึง 9% ที่ถูกรีไซเคิลกลับมาใช้งานจริง ส่วนที่เหลือจำนวนมากถูกนำไปฝังกลบ เผาทำลาย หรือหลุดรอดออกสู่สิ่งแวดล้อม โดยเฉพาะบรรจุภัณฑ์ซึ่งมีสัดส่วนประมาณครึ่งหนึ่งของขยะพลาสติกทั้งหมด

สาเหตุหนึ่งเป็นเพราะพลาสติกไม่ได้มีเพียงชนิดเดียว ขวดน้ำ ถุงหูหิ้ว กล่องอาหาร ซองขนม และชิ้นส่วนเครื่องใช้ไฟฟ้าอาจผลิตจากพอลิเมอร์คนละประเภท ทั้งยังมีสี กาว สารเติมแต่ง หรือวัสดุอื่นผสมอยู่ เมื่อขยะเหล่านี้ถูกทิ้งปะปนกัน การคัดแยกและนำกลับมาผลิตเป็นวัสดุคุณภาพสูงจึงทำได้ยากและมีต้นทุนสูง

การรีไซเคิลที่คนทั่วไปคุ้นเคยเริ่มจากการคัดแยก ล้าง บด หลอม และขึ้นรูปพลาสติกให้เป็นผลิตภัณฑ์ใหม่ วิธีนี้เหมาะกับพลาสติกที่ค่อนข้างสะอาด แยกชนิดได้ชัดเจน และยังมีคุณภาพเพียงพอสำหรับนำกลับมาใช้

แต่สำหรับถุงพลาสติก ฟิล์มห่อสินค้า บรรจุภัณฑ์หลายชั้น หรือพลาสติกที่มีสิ่งปนเปื้อน การหลอมกลับมาใช้ใหม่อาจทำได้ยากหรือไม่คุ้มค่า การรีไซเคิลทางเคมีจึงเข้ามาเป็นอีกทางเลือกหนึ่ง

แทนที่จะรักษาโครงสร้างของพลาสติกไว้เช่นเดิม การรีไซเคิลทางเคมีจะตัดหรือเปลี่ยนสายโซ่โมเลกุลให้กลับมาเป็นสารเคมีพื้นฐาน น้ำมัน หรือวัตถุดิบสำหรับอุตสาหกรรมอื่น งานวิจัยจากจีนครั้งนี้อยู่ในแนวทางดังกล่าว แต่ก้าวไปไกลกว่าการย่อยพลาสติกให้แตกตัวแบบทั่วไป เพราะนักวิจัยพยายามควบคุมทั้งตำแหน่งและระดับของการตัดสายโซ่ เพื่อให้ได้โมเลกุลในช่วงที่ใกล้เคียงกับเชื้อเพลิงการบินมากที่สุด

อย่างไรก็ตาม เส้นทางจากห้องปฏิบัติการไปสู่การใช้งานจริงยังอีกยาวไกล เทคโนโลยีนี้ต้องพิสูจน์ทั้งความปลอดภัย ความทนทาน ต้นทุน ความสามารถในการผลิตระดับอุตสาหกรรม และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมตลอดวัฏจักรชีวิต

หากผ่านบททดสอบเหล่านี้ได้ ขยะพลาสติกบางส่วนที่รีไซเคิลด้วยวิธีเดิมได้ยากอาจไม่ต้องจบลงในหลุมฝังกลบหรือเตาเผา แต่อาจกลายเป็นวัตถุดิบอีกทางหนึ่งสำหรับอุตสาหกรรมการบิน ซึ่งยังมีทางเลือกด้านพลังงานสะอาดค่อนข้างจำกัด

อ้างอิง : SCMP