ทความบบพิชญา หมื่นศรี

ห้องปฏิบัติการเทคโนโลยีวัสดุเพื่อสิ่งแวดล้อมหน่วยวิจัยด้านสิ่งแวดล้อม

ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติe-mail: phitcham@mtec.or.th

ทองแดง หรือ คอปเปอร์ (Cu) เป็นธาตุที่เรารู้จักกันดี เพราะเป็นองค์ประกอบในสิ่งของรอบๆ ตัว

ได้แก่ สายไฟ กลอนประตูทองเหลือง1 ปลอกกระสุนปืน และกุญแจ ในธรรมชาติมักพบทองแดงอยู่ในรูป

ของแร่ซลัไฟด์และออกไซด์ เช่น คาลโคไซต์ (chalcocite)2 ควิไพรต์ (cuprite)

3 และ มาลาไคต์ (malachite)

4

ทองแดงเป็นโลหะอ่อนสามารถน�ามาตเีป็นแผ่นหรอืดงึเป็นเส้นได้ มสีมบตันิ�าความร้อนและน�าไฟฟ้า

ได้ดี ดังนั้นจึงน�าไปใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรมไฟฟ้าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อุตสาหกรรมก่อสร้าง

อุตสาหกรรมรถยนต์ หรือใช้เป็นส่วนประกอบสารเคมีทางการเกษตร ประเทศไทยใช้ทองแดงมากเป็น

อนัดับ 3 รองจากเหลก็และอะลมูเินยีม แต่การผลติทองแดงในประเทศไทยยงัไม่เพยีงพอต่อความต้องการ

จึงต้องน�าเข้าจากต่างประเทศ

1 ทองเหลือง (brass) คือ โลหะผสมที่ประกอบด้วยทองแดง (มากกว่าร้อยละ 50) สังกะสี และมีธาตุอื่นๆ ผสมอยู่เล็กน้อย

2 คาลโคไซต์ (chalcocite) คือ แร่ซลัไฟด์ชนิดหนึง่ มีสตูรเคมี Cu

2S รูปผลึกอยู่ในระบบสามแกนต่าง มักมีเนื้อละเอียดแน่น สเีทาแบบตะกัว่

เป็นมัน ความแข็ง 2.5-3 ความถ่วงจ�าเพาะ 5.5-5.8 วาวแบบโลหะ รอยแตกเว้าโค้ง สีผงละเอียดสีเทาด�า ละลายในกรดไนตริก เมื่อเผา

จะได้กลิ่นซัลเฟอร์ไดออกไซด์ เป็นสินแร่ทองแดงที่ส�าคัญ (ที่มา: พจนานุกรมแร่และอัญมณี ฉบับราชบัณฑิตยสถาน)

3 คิวไพรต์ (cuprite) คือ แร่ชนิดหนึ่งมีสูตรเคมี Cu

2O รูปผลึกอยู่ในระบบสามแกนเท่า มีสีแดงเข้ม เป็นสินแร่ที่ส�าคัญของแร่ทองแดง

4 มาลาไคต์ (malachite) คือ แร่ทองแดงชนิดหนึ่ง สีเขียวสด มีสูตรเคมี Cu

2CO

3(OH)

2 รูปผลึกอยู่ในระบบหนึ่งแกนเอียง สีเขียว คล้าย

พวงองุ่นหรือหินย้อย ความแข็ง 3.5-4 ความถ่วงจ�าเพาะ 3.9-4.03 วาวคล้ายเพชรหรือคล้ายแก้ว โปร่งแสง มักเกิดเป็นแร่ทุติยภูมิ

ร่วมกับแร่อะซูไรต์ในตอนบนของสายแร่ทองแดงช่วงที่เกิดออกซิเดชัน ในประเทศไทยพบที่จังหวัดนครราชสีมา อุตรดิตถ์ หนองคาย

ขอนแก่น และในแหล่งทองแดงทั่วไป ใช้ท�าเครื่องประดับ (ที่มา: พจนานุกรมแร่และอัญมณี ฉบับราชบัณฑิตยสถาน)

เมมเบรนส�ำหรับตรวจวัดไอออนทองแดง

ในน�้ำด้วยตำเปล่ำ

65

ทองแดงที่น�าไปใช้ ในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่มักอยู่ในรูปของธาตุและสารประกอบ เช่น คิวปรัสออกไซด์

(Cu2O), คอปเปอร์(I)ซัลไฟด์ (Cu

2S), คิวปรัสฟลูออไรด์ (CuF) และ คอปเปอร์(II)ซัลเฟต (CuSO

4) ซึ่งก็อาจมี

โอกาสปนเปื้อนในแหล่งน�้าทิ้งได้โดยอยู่ในรูปของ Cu(II)

การได้รับทองแดงในปริมาณทีสู่งมากๆ หรือได้รับตดิต่อกันเป็นเวลานานท�าให้ตบัและไตถูกท�าลาย และน�าไป

สู่ภาวะทองแดงคั่งในร่างกาย (Wilson’s disease) โรคไตวายเรื้อรัง หรืออาจถึงขั้นเสียชีวิตได้ ดังนั้นการตรวจวัด

ทองแดงในแหล่งน�า้หรือน�า้เสียจากอตุสาหกรรมก่อนปล่อยทิง้นบัว่าเป็นเร่ืองทีส่�าคญัและจ�าเป็น กรมควบคมุมลพิษ

ได้ก�าหนดปริมาณทองแดงที่ปล่อยทิ้งสู่สิ่งแวดล้อมไว้ไม่เกิน 2 มิลลิกรัมต่อลิตร

วิธีที่ใช้ ในการวิเคราะห์ทองแดงในน�้าส่วนใหญ่คือ เทคนิคอะตอมมิกแอบซอร์พชันสเปกโทรสโกปี (Atomic

Absorption Spectroscopy; AAS) และอนิดกัทฟีลคีปัเปิลพลาสมาออปตคิอลอมิสิชันสเปกโทรสโกปี (Inductively

Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy, ICP-OES) ทัง้สองเทคนคินี้ใช้เคร่ืองมอืทีม่รีาคาแพง และ

ต้องการผูท้ีเ่ช่ียวชาญ ดงันัน้เทคนคิเซ็นเซอร์ทางเคม ี(Chemosensor) จงึเป็นทางเลอืกทดแทนเทคนคิทีก่ล่าวมา

ข้างต้น เนื่องจากใช้งานง่าย มีต้นทุนต�่า ใช้เวลาในการวิเคราะห์สั้น และไม่ต้องการผู้เช่ียวชาญ ส่งผลให้ได้รับ

ความนิยมและความสนใจที่จะพัฒนามาก

หลักการของเซ็นเซอร์ทางเคมีนี้ คือ เมื่อโมเลกุลของโฮสต์ซึ่งประกอบด้วย signaling unit และ binding

unit เกิดอันตรกิริยากับโมเลกุลของเกสต์หรือสารที่สนใจตรงต�าแหน่ง binding unit อย่างจ�าเพาะเจาะจงแบบ

นอนโคเวเลนต์ (noncovalent) จะท�าให้เกิดการเปลีย่นแปลงสมบตัต่ิางๆ เช่น สี สัญญาณไฟฟ้า และแสง ทีบ่ริเวณ

signaling unit ซึ่งการเปลี่ยนแปลงสมบัติเหล่านี้สามารถบ่งชี้ปริมาณสารที่สนใจได้ (ภาพที่ 2)

ภาพที่ 1 ตัวอย่างการน�าทองแดงไปใช้ ในอุตสาหกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์

ภาพที่ 2 การเกิดอันตรกิริยาระหว่างโฮสต์โมเลกุลและเกสต์โมเลกุล

ที่มา: Kaur; & Kumar. (2011). Thiourea based novel chromogenic sensor for selective detection of fluoride

and cyanide anions in organic and aqueous media. P. 9233

66

จากงานวิจัยที่ผ่านมา พบว่าโมเลกุลของโฮสต์ที่ใช้ตรวจวัดทองแดงมีด้วยกันหลากหลายชนิด เช่น TiO2,

ZnO และ ZrO2 nanoparticles ในงานวิจัยนี้เลือกใช้ PEI-PAN Cellulose membrane

5 เนื่องจากมีข้อดีคือ PEI

เป็นแคทไอออนิกพอลิเมอร์ (cationic polymer) ที่มีขนาดโมเลกุลใหญ่ และมีหมู่อะมิโน (-NH2) เป็นจ�านวนมาก

(ภาพที่ 3 ซ้าย) จึงสามารถเกิดสารประกอบเชิงซ้อนกับไอออนของโลหะได้ดี โดยเฉพาะกับ Cu(II) แต่ PEI มี

ความสามารถในการละลายในน�า้ได้สูงจงึต้องตรึงไว้บนแผ่นเมมเบรนด้วยแรงดงึดดูทางไฟฟ้า (ภาพที ่4) โดยอาศยั

พอลิอะคริโลไนทริล (PAN) ซึ่งเป็นแอนไอออนิกพอลิเมอร์ (anionic polymer) (ภาพที่ 3 ขวา)

การเตรียม PEI-PAN Cellulose membrane เริ่มจากการเคลือบ PAN ลงบนแผ่นเซลลูโลส จากนั้นตาม

ด้วย PEI ซึ่งเมมเบรนที่เตรียมนี้ใช้ตรวจวัด Cu(II) ในน�้าโดยกรองน�้าตัวอย่างผ่านเมมเบรน Cu(II) ที่อยู่ในน�้าจะ

เกิดอันตรกิริยากับ PEI บนเมมเบรนเกิดการเปลี่ยนสีจากไม่มีสีเป็นสีฟ้า ผลการทดลองเบื้องต้นพบว่า PEI-PAN

Cellulose membrane สามารถตรวจวัด Cu(II) ในน�า้ให้ผลเป็นทีน่่าพอใจ จงึเกิดการพัฒนาต่อยอดเป็นชุดทดสอบ

อย่างง่ายที่สามารถใช้ตรวจวัดทองแดงในน�้า (ภาพที่ 5) ที่ระดับความเข้มข้นตั้งแต่ 0, 0.5, 1.0, 2.0 และ 2.5

มิลลิกรัมต่อลิตร

ภาพที่ 3 โครงสร้างของพอลิเอทิลีนอิมีน (PEI) (ซ้าย) และพอลิอะคริโลไนทริล (PAN) (ขวา)

ที่มา: http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/181315?lang=en&region=TH

ภาพที่ 4 แสดงการเกิดอันตรกิริยาระหว่าง Cu(II) กับ PEI-PAN Cellulose membrane

5 PEI-PAN Cellulose membrane ประกอบด้วยวัสดุรองรับซึ่งเป็นแผ่นเซลลูโลสเคลือบด้วยสารพอลิอะคริโลไนทริล (Polyacrylonitrile,

PAN) และพอลเิอทลินีอมินี (Polyethyleneimine, PEI) ตามล�าดบั โดยทีโ่ฮสต์โมเลกุลในทีน่ีค้อืพอลเิอทลินีอมินีท�าหน้าทีเ่ป็นตวัทีจ่บั Cu(II)

และเกิดการเปลี่ยนแปลงของสีเมมเบรนจากไม่มีสีเป็นสีฟ้าอ่อน

67

ขั้นตอนการตรวจวัดเป็นตามล�าดับดังนี้

1. เก็บน�้าตัวอย่างใส่ในขวดหมายเลข 1

2. เติมสารปรับสภาพหมายเลข 2 ในน�้าตัวอย่าง เพื่อปรับ pH ให้ได้ประมาณ 7

3. น�ากระดาษกรองหมายเลข 3 ใส่ในตัวยึดกระดาษกรองหมายเลข 4

4. ดูดน�้าตัวอย่างที่อยู่ในขวดหมายเลข 1 โดยใช้หลอดดูดน�้าตัวอย่างหมายเลข 5 จากนั้นน�าตัวยึดกระดาษ

หมายเลข 4 ที่ใส่กระดาษกรองหมายเลข 3 แล้วประกอบเข้ากับหมายเลข 5 เพื่อกรองน�้าตัวอย่าง แล้วสังเกตสี

ที่เกิดขึ้นบนกระดาษกรองเทียบกับแผนภูมิสี (ภาพที่ 6)

ชุดทดสอบคอปเปอร์ ในตัวอย่างน�้าอย่างง่ายด้วยเทคนิคเซ็นเซอร์ทางเคมีนี้เป็นอีกทางเลือกหนึ่งที ่

ใช้วิเคราะห์ Cu(II) ได้ทั้งเชิงคุณภาพและปริมาณ ภายใต้การวิเคราะห์ที่สะดวก ประหยัดเวลา มีต้นทุนต�่า ให้ผล

การวิเคราะห์ที่ถูกต้อง มีความน่าเชื่อถือสูง และสามารถวิเคราะห์ในสถานที่จริงได้

เอกสารอ้างอิง

1. Xu, J., Feng, X., Chen, P., Gao, C., (2012) Development of an antibacterial copper (II)-chelated

polyacrylonitrile ultrafiltration membrane, J. Membr. Sci. 413-414, 62-69.

2. Monier, M., Akl, M.A., Ali, W.M., Modification and characterization of cellulose cotton fibers for fast

extraction of some precious metal ions, 66, 125-134.

3. Wen, T., Qu, F., Li, N.B., Luo, Q. L., (2013) A facile, sensitive, and rapid spectrophotometric method

for copper(II) ion detection in aqueous media using polyethyleneimine, Arabian J. Chem.,In Press.

4. Navarro, R.R., Sumi, K., Fujii, N., Matsumura, M., (1996) Mercury removal from wastewater using

porous cellulose carrier modified with polyethyleneimine, Wat. Res. 30, 2488-2494.

5. Kumar,Vinod.; et al. (2011). Thiourea based novel chromogenic sensor for selective detection

of fluoride and cyanide anions in organic and aqueous media. AnalyticaChimicaActa. 663: 77-84.

6. Liu,Y., Liang, P., GuO, Li. (2005). Nanometer titanium dioxide immobilized on silica gel as

sorbent for preconcentration of metal ions prior to their determination by inductively coupled

plasma atomic emission spectrometry. Talanta. 68: 25-30.

ภาพที่ 5 ชุดทดสอบทองแดงในน�้าอย่างง่าย

ภาพที่ 6 แผนภูมิสีของ Cu(II)-PEI-PAN Cellulose membrane ที่ความเข้มข้นของ Cu(II) 0.5–2.5 มิลลิกรัมต่อลิตร

ชุดทดสอบทองแดง

ประกอบด้วย: หมายเลข 1 ขวดบรรจุน�้าตัวอย่าง

หมายเลข 2 สารปรับสภาพ

หมายเลข 3 PEI-PAN Cellulose membrane

หมายเลข 4 ตัวยึดกระดาษกรอง

หมายเลข 5 หลอดดูดน�้าตัวอย่าง