ปัจจุบัน "ถ่านชีวภาพ" กำลังได้รับความสนใจและเป็นที่นิยมอย่างแพร่หลายในบรรดานักวิจัยและเกษตรกร เนื่องจากถ่านชีวภาพมีคุณประโยชน์หลากหลาย เช่น ใช้ในการปรับปรุงคุณภาพของดินและเพิ่มผลผลิตทางการเกษตรช่วยดูดซับโลหะหนักในน้ำเสีย

ถ่านชีวภาพคืออะไร?

            ถ่านชีวภาพ (biochar) คือ วัสดุที่อุดมด้วยคาร์บอน และผลิตจากชีวมวลอินทรีย์ เช่น เปลือกมังคุด ซังข้าวโพต แกลบ เศษไม้ ฯลฯ องค์ประกอบหลักคือ เซลลูโลส ซึ่งเป็นเส้นใย และมีเฮมิเซลลูโลสเป็นตัวยืดเซลลูโลสไว้ด้วยกัน รวมถึงลิกนิน ซึ่งทำหน้าที่ให้เส้นใยยืดเหนี่ยวกันอย่างแข็งแรง ทั้งหมดนี้รวมเรียกว่า ชีวมวลลิกโนเซลลูโลส ดังรูปที่ 1 – 2

รูปที่ 1 โครงสร้างเซลลูโลส

ที่มา https://en.wikipedia.crg/wiki/Cellulose 

รูปที่ 2 ใครงสร้างเฮมิเซลลูโลส

ที่มา http://www.sigmaaldrich.com/contenti/dam/sigma-aldrich/life-science/biochemicals/migrationbiochemicals1/hemicullulaso_xylanase.gif

ถ่านชีวภาพแตกต่างจากถ่านกัมมันต์อย่างไร

            ถ่านชีวภาพมีลักษณะที่เหมือนและที่แตกต่างจากถ่านกัมมันต์ (activated carbon) ดังนี้

ถ่านชีวภาพ ผลิตจากชีวมวล (biomass) เช่น แกลบ ขังข้าวโพด กากอ้อย หรือเศษวัสดุเหลือใช้ทางการเกษตรชนิดต่าง ๆ โดยกระบวนการย่อยสลายด้วยความร้อนที่ไม่ใช้ออกซิเจน ด้วยการให้ความร้อนตั้งแต่ 10 - 500 องศาเซลเซียส กระบวนการย่อยสลายดังกล่าว เรียกว่า กระบวนการไพโรไลซิสแบบช้ำา (slow pyrolysis)  ชีวมวลซึ่งประกอบด้วยสารประกอบไฮโดรคาร์บอนประเภทคาร์บอนิล (carbonyl group) ไฮดรอกซิล (hydroxyl group) และอะโรมาติก (aromatic compound) (Kumar at al.. 2011) เมื่อผ่านกระบวนการไพโรไลซิสแบบช้า จะทำให้ลักษณะผิวของชีวมวลเปลี่ยนไปคือ เริ่มมีรูพรุน ธาตุที่ไม่ใช่คาร์บอน อันได้แก่ไฮโดรเจน ออกซิเจนจะแตกตัวในรูปของแก๊ส (gasification process) ที่เรียกว่าการคาร์บอไนเซซัน (carbonization) อนุมูลคาร์บอนอิสระ (free - radical carbon) ที่มีอยู่จะรวมกลุ่มกันเป็นถ่านชีวภาพที่มีประจุลบ ซึ่งช่วยดูดซับไอออนโลหะหนักหรือธาตุอาหารที่มีประจุบวกได้ แต่การยังคงมีน้ำมันดิน (tar) ตกค้างอยู่ในช่องว่าง (pore) ทำให้ถ่านมีความสามารถในการดูดซับต่ำจึงมีการนำถ่านชีวภาพไปปรับปรุงคุณภาพดินทรายจัด (sandy soils) ตัวอย่างเช่น การใช้ปรับปรุงดินในพื้นที่ศูนย์ศึกษาการพัฒนาห้วยทรายอันเนื่องมาจากพระราชดำริ ที่ตำบลสามพระยา อำเภอชะอำ จังหวัดเพชรบุรี เนื่องจากสภาพดินในพื้นที่ดังกล่าวมีวัตถุตันกำเนิดดิน (sol parent materials)จากหินทราย (sandstone) ทำให้ดินมีลักษณะเป็นดินปนทรายที่มีเนื้อดินค่อนข้างหยาบและมีสภาพเป็นกรดคือ PH ประมาณ 5 – 6 ฮิวมัสที่อยู่ในดินจะจับกับธาตุอะลูมิเนียมและเหล็ก โดยมีกรดเป็นตัวดูดซับทำให้เกิดตะกอนของสารประกอบโลหะอินทรีย์ (organometallic compounds)เมื่อเวลาผ่านไป ตะกอนที่เกิดขึ้นจะสะสมและจับตัวกันเป็นชั้นดินดานแข็ง เมื่อน้ำไหลซึมลงมามันจะขังน้ำ เพราะน้ำซึมผ่านได้ยาก ทำให้รากพืชขาดอากาศหายใจ เพราะดินมีความสามารถในการอุ้มน้ำต่ำ จึงมีการนำถ่านชีวภาพมาผสมเพื่อให้ดินไม่จับตัวแน่น มีความสามารถในการอุ้มน้ำ โปร่งร่วนซุยยิ่งขึ้น และช่วยปรับสภาพความเป็นกรด-เบส ของดินให้มีสภาพเป็นกลาง เพื่อจะได้เป็นแหล่งอาศัยของจุลินทรีย์ในการสร้างอาหารในดิน เพราะเมื่อดินถูกชะล้าง สารอาหารจะยึดเกาะกับถ่าน แทนที่จะถูกชะล้างออกไป

รูปที่ 3  เตาเผาถ่านแกลบ

ที่มา https://phorakfarm.files.wordpress.com/2015/08/wpid-picsart_1440067521479.jpg

            ถ่านกัมมันต์ ผลิตจากชีวมวลหรือเศษวัสดุเหลือใช้ทางการเกษตรเช่นเดียวกับถ่านชีวภาพ โดยกระบวนการย่อยสลายด้วยความร้อนที่ไม่ใช้ออกซิเจนและมีการให้ความร้อนในอัตรา 900 - 1,100 องศาเซลเซียส กระบวนการย่อยสลายดังกล่าว เรียกว่า กระบวนการไพโรไลซิสแบบเร็ว (fast pyrolysis) และเมื่อชีวมวลผ่านกระบวนการไพโรไลซิสแบบเร็วแล้ว ลักษณะพื้นผิวจะเปลี่ยนไป เกิดเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนประเภทคาร์บอนิล (carbonyl group) ไฮดรอกซิล (hydroxyl group) และอะโรมาติก (aromatic compound) ซึ่งมีประจุลบเช่นเดียวกับถ่านชีวภาพ มีการกระตุ้นทางเคมีและทางกายภาพ (chemical and physical activation)โดยมีความร้อนเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา จะทำให้น้ำมันดินที่ตกค้างอยู่ในช่องว่างสลายตัว และช่องว่างถูกปิดไว้ด้วยน้ำมันดินจะถูกกระตุ้นให้เปิดออก ทำให้ถ่านกัมมันต์มีพื้นผิวเป็นรูพรุนและมีความสามารถในการดูดขับมากกว่าถ่านชีวภาพ โดยทั่วไปจึงใช้ประโยชน์ในทางการแพทย์ เช่น การทำถ่านอัดเม็ดเพื่อใช้เป็นยาดูดสารพิษในร่างกาย

            ดังนั้น ถ่านชีวภาพจึงมีความแกต่างจากถ่านกัมมันต์ตรงที่กระบวนการผลิต และจุดมุ่งหมายในการใช้ประโยชน์โดยถ่านชีวภาพจะถูกผลิตโดยผ่านกระบวนการไพโรไลซิสแบบช้า และอุณหภูมิที่ใช้ต่ำกว่า 500 องศาเซลเซียส จึงนิยมใช้ในการปรับปรุงคุณภาพดิน เช่น ดินทรายจัด ส่วนถ่านกัมมันต์จะถูผลิต โดยผ่านกระบวนการไพโรไลซิสแบบเร็ว อุณหภูมิที่ใช้ประมาณ 900 - 1,100 องศาเซลเซียส และนิยมทำเป็นถ่านอัดเม็ดเพื่อดูดสารพิษในร่างกาย

ประโยชน์จากถ่านชีวภาพ

             ชีวมวลที่นำมาผลิตถ่านชีวภาพ เช่น เศษไม้ หรือเศษวัสดุเหลือใช้ทางการเกษตรต่าง ๆ เมื่อผ่านกระบวนการย่อยสลายด้วยความร้อนที่ไม่ใช้ออกซิเจนที่มีความร้อนตั้งแต่ 10 - 500 องศาเซลเซียส หรือที่เรียกว่า กระบวนการไพโรไลซิสแบบช้านั้น จะได้ผลิตภัณฑ์หลักเป็นถ่านชีวภาพ ซึ่งประโยชน์จากถ่านชีวภาพมีหลากหลาย เช่น ช่วยในการปรับปรุงเนื้อดินที่มีความแข็งดานให้ร่วนซุยและสามารถอุ้มน้ำได้มากขึ้น  ปรับสภาพความเป็นกรด-ด่างของเนื้อดินให้มีสภาพเป็นกลางเป็นแหล่งกักเก็บคาร์บอนลงในดิน ช่วยกำจัดกลิ่นเหม็นและดูดความขึ้น รวมถึงสามารถนำไปใช้เป็นปุ๋ยในการทำเกษตร

รูป ใครงการ "ถ่านเปลือกทุเรียน"

ที่มา http://164.115.22.186/webmost/main/index.php/organization-news.html?start=705 

            จากข้อมูลดังกล่าวสามารถเป็นแนวทางสำหรับนักเรียนในการจัดกิจกรรมนอกเวลาเรียนหรือทำโครงงาน (Project) ที่เกี่ยวกับปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมและทรัพยากรธรรมชาติ เช่น การดูดซับโลหะหนักในน้ำเสียโดยใช้ถ่านชีวภาพ การศึกษาสภาพดินที่เสื่อมสภาพและปรับปรุงคุณภาพดินนั้นโดยใช้ถ่านชีวภาพ เพื่อฝึกให้นักเรียนเกิดการเรียนรู้ด้วยกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ นำความรู้ไปใช้ประโยชน์ได้จริง อันจะเป็นประโยชน์ต่อประเทศชาติในการแก้ไขปัญหาสิ่งแวดล้อมของประเทศไทยที่กำลังเผชิญอยู่ในปัจจุบัน

             บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://magazine.ipst.ac.th/

บรรณานุกรม

Huppi. R.. Felber, R.. Neftel, A.. Six. J. & Leifeld, J. (2015). Effect of biochar and liming on soil nitrous oxide emissionsfrom a temperature maize cropping system. European Geosciences Union, 1, 707 - 717.

Kumar, S.. Loganathan, V.A.. Gupta, R.B. & Bamett, M.O. (2011). An Assessment of U (VI) removal from groundwater usingbiochar produced from hydrothermal carbonization. Journal of Environmental Management. 92(10), 2504 - 2512.

Tan. X.. Lui, Y.. Zeng, G.. Wang, X.. Hu, X.. Gu. Y. & Yang, Z. (2015). Application of biochar for the removal of pollutants from aqueous solutions. Chemosphere, 125, 70 - 85.

พินิจภณ ปิตุยะ และคณะ. (2557. เอกสารองค์ความรู้เรื่องถ่านชีวภาพ. สืบคั้นเมื่อ 23 ตุลาคม 2559, จาก http:/www.huaysaicenter.org/index2.php?ge=nav_view&gen_lang=030030216041&lang=.

ศิริลักษณ์ ศิริสิงห์. คู่มือการผลิตและการใช้ถ่านชีวภาพในการเกษตร. สืบคั้นเมื่อ 25 ตุลาคม 2559. จาก http://pirun.ku.ac.th/-fsocoss.

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคนโลยี. (2558). หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์ วิทยาศาสตร์ 6

ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 3 เล่ม 2. กรุงเทพมหานคร: โรงพิมพ์ สกสค. ลาดพร้าว.

อรสา สุกสว่าง. (2554). ไบโอชาร์: เทคนโลยีขับเคลื่อนการพัฒนาพลังงานสีเขียว. สืบคั้นเมื่อ 23 ตุลาคม 2559, จาก http:/wwww.conference.tgo.or.th/download/201 1/workshop/190811/PPT/04_JAFT.pdf.