Cold Plasma / UC10
กรณีใช้งาน UC10 · CO₂ และน้ำ PAW
Gliding Arc ระบบเดียว จัดการ CO₂ และผลิตน้ำ PAW
งานวิจัยเบื้องหลัง UC10 ใช้พลาสมาแบบ Gliding Arc ระบบเดียวศึกษาสองผลพร้อมกัน คือการเปลี่ยนองค์ประกอบก๊าซในห้องทดลองปิด และการผลิตน้ำที่ผ่านพลาสมา (plasma-activated water, PAW) ไปใช้เพาะต้นอ่อน หน้านี้สรุปผลที่วัดได้ ข้อจำกัด และสิ่งที่ควรวัดก่อนทดลองกับก๊าซและน้ำของคุณ
งานวิจัยโดย รศ.ดร.ศิวพล ศรีสนพันธุ์ และทีม Plasma Innovations ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
≈7,500 → 600 ppmCO₂ ในห้องทดลองปิด 56.6 ลิตร ภายในประมาณ 10 นาทีเมื่อเปิด Gliding Arc ที่ความเข้มข้นเริ่มต้นสูง (กลุ่มปิดพลาสมาลดลงใกล้ 1,000 ppm ในราว 70 นาที)
≈1,000 → 600 ppmCO₂ ในห้องทดลองปิดเดียวกัน ใช้เวลา 35 นาทีเมื่อเปิดพลาสมาที่ความเข้มข้นเริ่มต้นต่ำ
12 วันต้นอ่อนทานตะวันที่ได้ PAW (ผลิต 30 นาที) ยาวและหนักกว่ากลุ่มน้ำ DI อย่างมีนัยสำคัญ (p < 0.05) ในเงื่อนไขที่ศึกษา
ตัวเลขในบทความเป็นผลในห้องปฏิบัติการตามเงื่อนไขของงานวิจัยที่อ้างถึง ผลกับล็อตหรือระบบเพาะจริงต้องทดลองซ้ำ
ระบบเดียว สองผลลัพธ์: ก๊าซที่เปลี่ยนไปและน้ำ PAW
CO2 อาจเกิดอยู่แล้วในกระบวนการผลิต การใช้พลังงาน หรือก๊าซทางออก งานวิจัยเบื้องหลัง UC10 ใช้ระบบพลาสมาแบบ Gliding Arc (gliding arc plasma) ระบบเดียวศึกษาสองเส้นทางพร้อมกัน เส้นทางก๊าซใช้ติดตามการเปลี่ยนองค์ประกอบและปลายทางของคาร์บอน ส่วนเส้นทางน้ำใช้ดูว่าน้ำที่สัมผัสเคมีจากพลาสมาจะกลายเป็น PAW ที่ใช้งานต่อได้หรือไม่ [1]
- ผลฝั่งก๊าซ: CO2 · CO · O3 · องค์ประกอบก๊าซทางออก
- ผลฝั่งน้ำ: pH · การนำไฟฟ้า (EC) · H2O2 · NO3− · ผลการใช้งาน
- ผลระดับระบบ: พลังงาน · ปริมาณที่ผลิตได้ · ความสม่ำเสมอ · ความปลอดภัย
ผลในหน้านี้มาจากการทดลองระดับห้องปฏิบัติการ และขึ้นกับองค์ประกอบก๊าซกับสภาวะการทดลอง [1]
ในภาพใหญ่ IPCC สรุปว่ากิจกรรมมนุษย์เป็นสาเหตุของภาวะโลกร้อนอย่างชัดเจน การลดการปล่อยที่ต้นทางยังเป็นหัวใจสำคัญ ส่วนการแยก CO2 ให้เข้มข้นขึ้น การเปลี่ยน CO2 เป็น CO และการเก็บคาร์บอนอย่างถาวร ให้ผลปลายทางต่างกันและต้องประเมินตามหน้าที่ของแต่ละระบบ [2]
ข้อควรระวังค่า CO2 เฉลี่ยทั่วโลกปี 2024 คือ 422.7 ppm [3] ค่านี้เป็นระดับบรรยากาศโลก จึงมีฐานการวัดต่างจากความเข้มข้นในห้องทดลองปิดของ UC10
ทำไมใช้ Gliding Arc ศึกษาก๊าซและน้ำในระบบเดียว
Gliding Arc ใช้สนามไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าสองขั้วสร้างการคายประจุ (discharge) เมื่อก๊าซไหลผ่าน อาร์กจะเคลื่อนและยืดตัวไปตามแนวขั้ว อิเล็กตรอนในพลาสมาถ่ายทอดพลังงานให้โมเลกุลก๊าซจนเกิดการกระตุ้นและปฏิกิริยาเคมี และยังจัดวางจุดสัมผัสน้ำไว้ใกล้บริเวณพลาสมาได้ [1], [4]
ในงานนี้ ก๊าซผสม CO2 กับอากาศหมุนเวียนผ่านบริเวณพลาสมาในห้องทดลองขนาด 56.6 ลิตร ผู้วิจัยติดตามองค์ประกอบก๊าซตามเวลา และตรวจแสงที่พลาสมาเปล่งออกมาด้วยสเปกโทรสโกปีการเปล่งแสง (optical emission spectroscopy, OES) เพื่อช่วยอธิบายชนิดอนุภาคที่เกี่ยวข้องกับการคายประจุ [1]
ตารางนี้สรุปความต่างของการสร้างพลาสมาสามแบบที่มักถูกนำมาเทียบกัน [1], [4], [5]
| ประเภท | ลักษณะการคายประจุ | สิ่งที่ต้องพิจารณา |
|---|---|---|
| DBD | มีวัสดุไดอิเล็กทริกกั้นขั้วไฟฟ้าอย่างน้อยหนึ่งด้าน การคายประจุอาจเป็นเส้นใยหรือกระจายตัวตามสภาวะ | รูปแบบสนามไฟฟ้า วัสดุกั้น ช่องว่าง และการกระจายตัวของการคายประจุ |
| Corona | ไอออไนเซชันเริ่มในบริเวณสนามไฟฟ้าสูง เช่น ใกล้ปลายแหลมหรือลวด โดยไม่ต้องเกิดอาร์กพาดระหว่างขั้ว | บริเวณเกิดพลาสมา การไหล และการสัมผัสของก๊าซกับบริเวณคายประจุ |
| Gliding Arc | อาร์กเริ่มที่ช่องแคบระหว่างขั้ว แล้วการไหลของก๊าซพาให้ยืดตัวตามแนวขั้ว | ความเสถียรของอาร์ก เวลาสัมผัส อุณหภูมิ และพลังงานที่ใช้ |
วัดอะไรบ้าง: ก๊าซ น้ำ และต้นอ่อน
งานด้านก๊าซเปรียบเทียบการเปิดและไม่เปิดพลาสมา ที่ระดับ CO2 เริ่มต้นประมาณ 1,000 และ 7,500 ppm ส่วนงานด้านน้ำวางน้ำกลั่น (distilled water) 500 มิลลิลิตรไว้ใต้บริเวณพลาสมา และติดตามการผลิต PAW นานถึง 60 นาที [1]
| ส่วนที่ศึกษา | สิ่งที่วัด | คำถามที่ต้องการตอบ |
|---|---|---|
| ก๊าซในห้องทดลอง | CO2, CO และ O3 ตามเวลา | เมื่อเปิดพลาสมา องค์ประกอบก๊าซเปลี่ยนอย่างไรเมื่อเทียบกับกลุ่มควบคุม |
| น้ำที่สัมผัสพลาสมา | pH, การนำไฟฟ้า, H2O2 และ NO3− | น้ำเปลี่ยนสมบัติอย่างไรเมื่อเพิ่มเวลาผลิต |
| ต้นอ่อนทานตะวัน | ความยาวและน้ำหนักสด | PAW ให้ผลต่างจากน้ำ DI ภายใต้เงื่อนไขการเพาะเดียวกันหรือไม่ |
ข้อควรระวังppm (ส่วนในล้านส่วน) บอกความเข้มข้นและใช้ติดตามการเปลี่ยนแปลงได้ แต่การประเมินปริมาณคาร์บอนที่เปลี่ยนรูปต้องใช้ข้อมูลปริมาตร การไหล และผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นร่วมด้วย
ผลฝั่งก๊าซ: CO₂ ลดจากประมาณ 7,500 เหลือ 600 ppm ใน 10 นาที
ที่ระดับเริ่มต้นสูง บทความรายงานว่า CO2 ลดจากประมาณ 7,500 เหลือ 600 ppm ภายใน 10 นาทีเมื่อเปิด Gliding Arc ขณะที่กลุ่มไม่เปิดพลาสมาลดลงไปใกล้ 1,000 ppm ในราว 70 นาที ส่วนกรณีเริ่มต้นต่ำ บทความรายงานการลดจากประมาณ 1,000 เหลือ 600 ppm เมื่อเปิดพลาสมา [1]
ข้อควรระวังCO2 ในกลุ่มควบคุมก็ลดลงด้วย บทความอภิปรายว่าอาจมาจากการรั่วหรือการดูดซับบนพื้นผิว จึงต้องอ่านผลการเปิดพลาสมาควบคู่กับกลุ่มควบคุมเสมอ ผลนี้เป็นความเข้มข้นในห้องทดลองปิด การลดลงของ ppm ไม่ใช่การกำจัดหรือดักจับคาร์บอนสุทธิ [1]
ความเข้มข้นเริ่มต้นมีผลต่อพฤติกรรมของระบบ และควรดู CO2 ร่วมกับ CO และ O3 ตามเวลา เพราะก๊าซหลายชนิดเปลี่ยนไปพร้อมกัน ปฏิกิริยาตัวอย่างด้านล่างช่วยอธิบายการเปลี่ยน CO2 และการเกิด O3 ในก๊าซผสม [1]
- CO2 + e− → CO + O + e−
- O + O2 + M → O3 + M
จากก๊าซสู่น้ำ: PAW เปลี่ยนไปอย่างไร
เมื่อก๊าซและน้ำอยู่ในระบบเดียวกัน สารที่เกิดจากพลาสมาบางส่วนถ่ายเทเข้าสู่น้ำและเกิดปฏิกิริยาต่อที่รอยต่อก๊าซกับน้ำและในของเหลว ก๊าซผสม CO2 กับอากาศจึงเกี่ยวข้องกับเคมีของคาร์บอน ออกซิเจน และไนโตรเจน [1]
สมการตัวอย่างต่อไปนี้แสดงเส้นทางที่เกี่ยวข้องกับการเกิดไนเตรตและไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ในระบบก๊าซกับน้ำ งานนี้ตรวจ H2O2 และ NO3− เชิงปริมาณเพื่อดูว่าน้ำเปลี่ยนไปอย่างไร [1]
- N + O2 → NO + O
- NO + O + M → NO2 + M
- 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO
- HNO3 → H+ + NO3−
- •OH + •OH → H2O2
ระหว่างการผลิต PAW น้ำเป็นกรดมากขึ้นและนำไฟฟ้าได้มากขึ้น พร้อมกับไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H2O2) และไนเตรต (NO3−) ที่ตรวจวัดได้เพิ่มขึ้น แสดงว่าน้ำเปลี่ยนแปลงทางเคมีหลังสัมผัสพลาสมา [1]
- pH ลดลง: บอกการเปลี่ยนแปลงความเป็นกรดของน้ำ
- การนำไฟฟ้าเพิ่ม: สอดคล้องกับไอออนในน้ำที่เพิ่มขึ้น แต่ไม่ได้บอกชนิดของไอออน
- H2O2 และ NO3−: บอกระดับสารออกซิไดซ์และไนโตรเจนรูปไนเตรต ซึ่งสัมพันธ์กับการนำน้ำไปทดสอบต่อ
ข้อควรระวังหากจะใช้ PAW ซ้ำได้ ควรระบุน้ำตั้งต้น คุณสมบัติน้ำหลังผลิต และระยะเวลาก่อนใช้ให้ชัดทุกรอบผลิต
ผลกับต้นอ่อนทานตะวัน 12 วัน
ผู้วิจัยเปรียบเทียบ PAW กับน้ำปราศจากไอออน (deionized water, DI) ในการเพาะทานตะวันนาน 12 วัน แต่ละกลุ่มมี 4 ซ้ำ ซ้ำละ 100 เมล็ด ภายใต้สภาพการเพาะเดียวกัน ผลการเติบโตที่รายงานใช้ PAW ที่ผลิตนาน 30 นาที [1]
ในเงื่อนไขที่ศึกษา กลุ่มที่ได้ PAW มีต้นอ่อนยาวกว่าและน้ำหนักสดสูงกว่ากลุ่มน้ำ DI อย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ (p < 0.05) [1]
ข้อควรระวังPAW อาจส่งผลผ่านหลายองค์ประกอบพร้อมกัน ทั้งไนเตรต สารออกซิไดซ์ pH และไอออนในน้ำ ซึ่งอาจเปลี่ยนสภาพที่เมล็ดและรากสัมผัสช่วงแรกของการเจริญ ผลนี้จึงควรทดลองต่อกับชนิดพืช น้ำตั้งต้น และวิธีเพาะที่ใช้จริง โดยวัดผลที่พืชควบคู่กับคุณสมบัติน้ำ
พลังงาน: ความเข้มข้น CO₂ เริ่มต้นเปลี่ยนตัวเลขอย่างมาก
บทความรายงานกำลังไฟประมาณ 50 W และคำนวณพลังงานจำเพาะ (specific energy consumption, SEC) จากความเข้มข้น CO2 ที่ลดลง ค่า SEC ขึ้นกับความเข้มข้นเริ่มต้นมาก และต่างกันมากระหว่างกรณีเริ่มต้นสูงและต่ำ จึงต้องรู้ความเข้มข้นของแหล่งก๊าซจริงก่อนประเมินความคุ้มค่า [1]
| กรณีที่บทความรายงาน | ช่วงเวลา | SEC ที่รายงาน* |
|---|---|---|
| CO2 ประมาณ 7,500 → 600 ppm (เริ่มต้นสูง) | 10 นาที | 11.9 kWh/kg CO2 |
| CO2 ประมาณ 1,000 → 600 ppm (เริ่มต้นต่ำ) | 35 นาที | ประมาณ 720 kWh/kg CO2 |
ข้อควรระวัง*ค่าประมาณตามบทความ [1] หน้า 5 คำนวณจากการเปลี่ยนแปลง CO2 ในชุดทดลอง ไม่ใช่ค่าของระบบทั้งระบบ ก่อนนำไปเปรียบเทียบหรือขยายระบบ ต้องวัดกำลังไฟจริงของพลาสมา ปั๊ม และอุปกรณ์ประกอบ ระยะเวลาทำงาน และปริมาณผลิตภัณฑ์ที่ตรวจวัดได้ หากจะนับประโยชน์จาก PAW ต้องกำหนดปริมาณและคุณสมบัติของน้ำที่ใช้ได้จริงด้วย
ติดตาม CO, O₃ และก๊าซขาออกควบคู่กับ CO₂
ระหว่างเปิด Gliding Arc ผู้วิจัยตรวจพบ CO และ O3 ร่วมกับการเปลี่ยนแปลงของ CO2 การพัฒนาระบบจึงต้องดูทั้งผลที่ต้องการและก๊าซที่เกิดร่วม และควรรวมการตรวจก๊าซขาออก การควบคุมการไหล และการระบายอากาศไว้ในแบบตั้งแต่ต้น [1]
ข้อควรระวังบทความเสนอให้ใช้ปฏิกิริยาระหว่างก๊าซกับน้ำเป็นส่วนหนึ่งของการจัดการสารจากพลาสมา แต่การระบุว่าเปลี่ยนสารได้มากเพียงใดต้องวัดก๊าซก่อนและหลังส่วนสัมผัสน้ำ และตรวจของเหลวร่วมด้วย ผลเคมีของ PAW เพียงอย่างเดียวยังไม่ได้พิสูจน์ว่าก๊าซที่เกิดร่วมถูกกำจัดหมด [1]
ค่าอ้างอิงด้านการสัมผัส CO และ O3 ด้านล่างเป็นเกณฑ์ของสหรัฐฯ สำหรับผู้ปฏิบัติงาน ไม่ใช่เกณฑ์ของไทย ไม่ใช่ข้อกำหนดความเข้มข้นในเครื่องปฏิกรณ์หรือค่าการปล่อยก๊าซ และใช้แทนการตรวจข้อกำหนดที่บังคับใช้ ณ สถานที่ติดตั้งในประเทศไทยไม่ได้ [6], [7], [8]
| ก๊าซ | หน่วยงาน / ประเภท | ค่าอ้างอิง |
|---|---|---|
| CO | OSHA PEL · ค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนัก 8 ชั่วโมง | 50 ppm |
| O3 | OSHA PEL · ค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนัก 8 ชั่วโมง | 0.1 ppm |
| O3 | NIOSH REL · ค่าเพดาน (ceiling) | 0.1 ppm ไม่ควรเกิน ณ เวลาใดระหว่างการสัมผัส |
ข้อควรระวังควรแยกจุดตรวจภายในระบบ ทางออกก๊าซ และบริเวณหายใจของผู้ปฏิบัติงาน ค่าที่วัดในห้องทดลองไม่สามารถบอกความปลอดภัยของสถานที่ทำงานได้โดยตรง การระบายอากาศ ระบบจัดการก๊าซ และจุดตั้งสัญญาณเตือนต้องประเมินตามสภาพใช้งานจริง
จากผลทดลองสู่ระบบจริง
ข้อมูลที่มีเชื่อมให้เห็นตั้งแต่การเปลี่ยนองค์ประกอบก๊าซ คุณสมบัติ PAW ไปจนถึงผลกับต้นอ่อน ขั้นต่อไปคือนำข้อมูลฝั่งก๊าซ น้ำ พลังงาน และความปลอดภัยมาดูร่วมกัน เลือกเงื่อนไข ทำซ้ำ แล้วจึงเพิ่มเวลาทำงานและปริมาณที่ผลิตทีละขั้น
| ประเด็นพัฒนา | ข้อมูลที่ต้องเพิ่ม | ช่วยตัดสินใจเรื่องใด |
|---|---|---|
| คาร์บอนเข้าและออก | ก๊าซ ผลิตภัณฑ์ในน้ำ สิ่งสะสม และผลของกลุ่มควบคุม | CO2 เปลี่ยนรูปหรือเคลื่อนย้ายไปอยู่ที่ใดและปริมาณเท่าใด |
| พลังงานทั้งระบบ | กำลังไฟตามเวลา ปั๊ม และอุปกรณ์ประกอบ | พลังงานต่อผลผลิตที่ใช้งานได้จริง |
| คุณภาพ PAW | ความสม่ำเสมอ อายุหลังผลิต และผลในวิธีเพาะเป้าหมาย | ปริมาณและคุณภาพน้ำตอบโจทย์ผู้ใช้หรือไม่ |
| การทำงานต่อเนื่อง | อัตราการไหล เวลาสัมผัส ความทนทาน และก๊าซขาออก | เงื่อนไขสำหรับพัฒนาเป็นระบบนำร่อง |
เมื่อขยายระบบ ให้เทียบผลที่ได้กับพลังงาน น้ำ และวัสดุที่ใช้ เพื่อเลือกเงื่อนไขที่ให้คุณค่ารวมสูงสุด
ทดลองกับกระแสก๊าซและน้ำของคุณ
ส่งข้อมูล 6 อย่างถึงทีม Plasma Innovations ทางอีเมล [email protected] เพื่อออกแบบการทดลองขนาดเล็กที่เชื่อมข้อมูลก๊าซ คุณภาพน้ำ ผลการใช้งาน และพลังงาน แล้วเลือกเงื่อนไขสำหรับการทดสอบขั้นถัดไป
ส่งอีเมลหาทีมวิจัย[email protected]ดูกรณีใช้งานอื่นของพลาสมาเย็น →ข้อมูลที่ควรเตรียม
- แหล่งก๊าซ
- อัตราการไหล
- ช่วงความเข้มข้น CO₂
- น้ำตั้งต้น
- ปริมาณ PAW ที่ต้องการ
- การใช้งานปลายทาง
อ้างอิง
- N. Tephiruk, S. Homkanchan, J. Puttha, et al., "CO2 reduction and seedling growth enhancement using dual-function gliding arc plasma system," Journal of Environmental Chemical Engineering, vol. 13, no. 5, Art. no. 117567, 2025, doi: 10.1016/j.jece.2025.117567.
- Intergovernmental Panel on Climate Change, "Summary for policymakers," in Climate Change 2023: Synthesis Report, H. Lee and J. Romero, Eds. Geneva, Switzerland: IPCC, 2023, pp. 1–34. [Online]. Available: https://www.ipcc.ch/report/ar6/syr/summary-for-policymakers/. Accessed: Sep. 28, 2026.
- NOAA Climate.gov, "Climate change: Atmospheric carbon dioxide." [Online]. Available: https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-atmospheric-carbon-dioxide. Accessed: Sep. 28, 2026.
- A. Fridman, S. Nester, L. A. Kennedy, A. Saveliev, and O. Mutaf-Yardimci, "Gliding arc gas discharge," Progress in Energy and Combustion Science, vol. 25, no. 2, pp. 211–231, 1999, doi: 10.1016/S0360-1285(98)00021-5.
- H.-Y. Chu and B.-T. Liou, "Gap-dependent arrangements of dielectric barrier discharges in open air," Physics of Plasmas, vol. 21, no. 8, Art. no. 083504, 2014, doi: 10.1063/1.4892639.
- National Institute for Occupational Safety and Health, "Carbon monoxide," NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards. [Online]. Available: https://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0105.html. Accessed: Sep. 28, 2026.
- National Institute for Occupational Safety and Health, "Ozone," NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards. [Online]. Available: https://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0476.html. Accessed: Sep. 28, 2026.
- Occupational Safety and Health Administration, "Table Z-1, Limits for air contaminants," 29 CFR 1910.1000. [Online]. Available: https://www.osha.gov/laws-regs/regulations/standardnumber/1910/1910.1000TABLEZ1. Accessed: Sep. 28, 2026.