1. การพัฒนาระบบการตรวจวัดแก๊สแอมโมเนีย ที่มีฟิล์มพอลิอะนิลินเป็นตัวรับรู้ The Development of Ammonia Measurement System Using the Absorption of Polyaniline Film สาขาวิชาเคมี นายกิตติพงศ์ คำสุข โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์

2. ที่มาและความสำคัญของโครงงาน

3. วิธีการตรวจวัดปริมาณแก็สแอมโมเนีย ใช้วิธีและสารเคมีที่ค่อนข้างยุ่งยากและอันตราย อุปกรณ์วัดปริมาณแอมโมเนียโดยเฉพาะมีราคาสูง รายละเอียดของปัญหา

4. งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง Zhe Jin (2001) reported that they have presented an optical ammonia gas sensor based on a polyaniline film prepared by chemical oxidation. The film shows significant spectroscopic changes upon exposure to ammonia gas at room temperature. The new sensor effectively eliminates the limitations associated with the current conducting polymer gas sensors, which are based on conductivity measurements

5. Debarnot(2003) reported that Polyaniline appears to be a good candidate to realize gas sensors because of its sensitivity at room temperature, its easy of synthesis by various methods and its low cost. At present, the trend seems to be the use of composite with polyaniline as the sensitive layer. As for the transduction mode, the measurement of dc resistivity variations is the most used technique to monitor the gas adsorption on polyaniline. However, parameters like response time and selectivity of resistive gas sensors remain to be improved. The measurement of threshold voltage variations, optical or electrochemical parameters under gas flow present several advantages compared to that of resistivity. งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง (2)

6. งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง (3) Prasad(2005) Reported that they have synthesized a water soluble, polyelectrolyte(PSSM) templated PANI from which good quality spin-cast films are fabricated. The ammonia sensing capability of the thin films are investigated and the optimal film characteristics are established. A 5-layer spin-coated film is found to be the most suitable system. The PANI–PSSM sensor exhibits stable, reproducible and reversible resistance changes in presence of ammonia in the 5–250 ppm range. The response and recovery times are quite short, in the range 50–1000 s depending on the ammonia concentration. Response at 150 s is shown to vary linearly with ammonia concentrations in this range

7. วัตถุประสงค์ของโครงงาน 1. ประดิษฐ์ฟิล์มพอลีเมอร์ที่สามารถรับรู้ และดูดซับแก๊สแอมโมเนียได้ 2. สร้างระบบทดสอบประสิทธิภาพของฟิล์ม พร้อมทั้งศึกษาปัจจัยที่มีผลต่อการตรวจวัดแก๊สแอมโมเนียกับการเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้าของฟิล์ม

9. ข้อมูลพื้นฐานในการทำงาน การตอบสนองต่อแก็สพิษของพอลิเมอร์ นำไฟฟ้า มีอยู่ 2 รูปแบบด้วยกัน คือ 1. การตอบสนองต่อ electron acceptor gas (SO 2 , NO, CO) -->> ดึง e จากโซ่ 2. การตอบสนองต่อ electron donor gas (NH 3 , H 2 S) ____________________________________ ตัวอย่างพอลิเมอร์นำไฟฟ้า -->> มีพันธะคู่สลับกับพันธะเดี่ยวทั้งโมเลกุล Polyaniline(PANI) Polypyrrole(Ppy) Polythiophene(PT) 1. สารตัวหลักที่นำมาใช้ทำฟิล์ม คือ Polyaniline 2. สารที่ใช้ในการขึ้นรูปฟิล์ม คือ polyvinyl alcohol 3. กรดที่ใช้ในการ dope polyaniline คือ citric acid Citric acid

10. Structure of the most common conducting polymer

11. Mechanism of PAni-PVA blended film for ammonia sensing

14. Mechanism of PAni-PVA blended film for ammonia sensing

15. 2. การเตรียม polyaniline ด้วยวิธีการของ IUPAC Technical ละลาย Aniline hydrochloride ในน้ำกลั่นให้ได้ปริมาตร 50 ml ละลาย Ammonium peroxydisulfate ในน้ำกลั่นให้ได้ปริมาตร 50 ml ทิ้งสารละลายทั้งสองไว้ประมาณ 1 ชั่วโมง ผสมสารละลายแล้วคนให้เข้ากัน จากนั้นทิ้งให้เกิด polymerization เป็นเวลา 24 ชั่วโมง polyemeraldine salt วิธีการดำเนินการศึกษา ( ต่อ ) >>> วิธีการทดลอง (2)

16. กรองและล้างตะกอนด้วย HCl 0.1M ปริมาตร 600 cm 3 , น้ำกลั่น และสารละลาย NH 4 OH 0.1 M ปริมาตร 750 cm 3 ตามลำดับ ผสม Pani-EB กับ NH 4 OH 0.1 M ปริมาตร 500 cm 3 และคนเป็นเวลา 5 ชั่วโมง ล้างตะกอน Pani-EB อีกครั้งด้วย NH 4 OH 0.1 M ปริมาตร 750 cm3, สารละลาย methanol และน้ำกลั่น จนสารละลายเป็นกลาง อบผง Pani-EB ที่อุณหภูมิ 60 o C เป็นเวลา 12 ชั่วโมง วิธีการดำเนินการศึกษา ( ต่อ ) >>> วิธีการทดลอง (3)

17. 3. การเตรียม PAni-EB ด้วย PAni, PVA และเชื่อมโยงด้วยกรดซิตริก ละลายผง polyvinyl alcohol 3 กรัมในน้ำสะอาด 30 cm 3 จากนั้นคนให้สารละลายเข้ากันเป็นเวลา 1 ชั่งโมง ที่อุณหภูมิ 120 o C เติมผงกรดซิตริก 1.2 กรัม ลงในสารละลาย polyvinyl alcohol จากนั้นคนสารต่อที่อุณหภูมิ 120 o C เป็นเวลา 15 นาที ละลายผง PAni-EB 0.2 กรัมในสารละลาย N-methyl-2-pyrrolidone(NMP) 10 cm 3 สารละลายที่ได้จะมีสีน้ำเงิน จากนั้นคนสารละลายเป็นเวลา 30 นาที วิธีการดำเนินการศึกษา ( ต่อ ) >>> วิธีการทดลอง (4)

18. กรองด้วยกระดาษกรองที่มีขนาดช่องกรองขนาด 0.5 ไมครอน จนสารละลายไม่มีตะกอน ผสมสารละลาย Pani-EB ปริมาตร 1 cm 3 กับสารละลาย polyvinyl alcohol คนสารละลายให้เข้ากันที่อุณหภูมิห้อง สารละลายจะค่อยๆเปลี่ยนเป็นสีเขียวทิ้งสารละลายไว้เป็นเวลาหนึ่งคืน polyemeraldine salt ทิ้งสารละลายไว้เป็นเวลาหนึ่งคืน วิธีการดำเนินการศึกษา ( ต่อ ) >>> วิธีการทดลอง (5)

19. 4. การขึ้นรูปฟิล์ม เทสารละลาย polyemeraldine salt ลงบนบานกระจกเพื่อรีดแผ่นฟิล์มโดยเฉพาะ ใช้ไม้บรรทัดเหล็กขนาดยาวเกลี่ยสารละลายให้มีผิวหน้าที่เสมอกัน ทิ้งไว้เป็นเวลาหนึ่งคืน แล้วนำเข้าเครื่องอบทั้งแผ่นกระจก เป็นเวลา 12 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 100 o C วิธีการดำเนินการศึกษา ( ต่อ ) >>> วิธีการทดลอง (6)

21. สมการการสังเคราะห์ PAni-ES

22. NH 3 N 2 แผนภาพแสดงการทดสอบประสิทธิภาพของฟิล์ม ( ระบบที่ 1) Film Multimeter วัดค่าการนำไฟฟ้าของฟิล์ม

23. Water Bath N 2 NH 4 OH ควบคุมอุณหภูมิของสาร carrier gas Polyaniline Film Sensor ท่อนำแก็สแอมโมเนีย ท่อระบายแก็ส Multimeter บันทึกและเก็บข้อมูลการทดลอง แผนภาพแสดงการทดสอบประสิทธิภาพของฟิล์ม ( ระบบที่ 2)

26. ผลการศึกษา 1. ค่าความต้านทานเริ่มต้นของฟิล์มในพื้นที่ผิวสัมผัสต่างกัน

27. ผลการศึกษา ( ต่อ ) 2. ค่าความต้านทานเริ่มต้นของฟิล์มในความหนาต่างกัน

28. ผลการศึกษา ( ต่อ ) 3. ผลของแก็สไนโตรเจนและแก็สแอมโมเนียต่อความต้านทาน

29. ผลการศึกษา ( ต่อ ) 4. ผลของอุณหภูมิที่มีต่อความต้านทาน

30. ผลการศึกษา ( ต่อ ) 5. การเปลี่ยนแปลงความต้านทานเมื่อได้รับและไม่ได้รับแก็สแอมโมเนีย

31. 6. การไทเทรตเพื่อหาความเข้มข้นของแก็สแอมโมเนียในระบบทดสอบ ผลการศึกษา ( ต่อ ) 2.1 57.9 60 3 2.7 57.3 60 2 2.2 57.8 60 1 ปริมาตร NaOH ที่หายไป (cm 3 ) ปริมาตร NaOH สุดท้าย (cm 3 ) ปริมาตร NaOH เริ่มต้น (cm 3 ) ครั้งที่

33. 1. มีฟิล์มพอลีอะนิลินที่สามารถรับรู้แก็สแอมโมเนียได้ 2. มีระบบทดสอบประสิทธิภาพของฟิล์มพอลีอะนิลินที่มีประสิทธิภาพ ประโยชน์และผลที่ได้รับ ...

35. บรรณานุกรม ... มั่นสิน ตัณฑุลเวศม์ . การจัดการคุณภาพน้ำและการบำบัดน้ำเสียในบ่อเลี้ยงปลาสัตว์น้ำอื่นๆ . พิมพ์ ครั้งที่ 4 . กรุงเทพฯ : จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย , 2544 . ศุภชัย ใช้เทียมวงศ์ . เคมีวิเคราะห์ . พิมพ์ครั้งที่ 2 . กรุงเทพฯ . จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ,2537 . เพ็ญศรี ทองนพเนื้อ . เคมีวิเคราะห์เชิงไฟฟ้า . พิมพ์ครั้งที่ 2 . กรุงเทพฯ . จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย http :// www . fisheries . go . th / cf - chan / visit - water - room / ammonia / ammonia - page . htm http :// www . fisheries . go . th / train - gr / 003 / Am01 / Am002 . doc http :// www . eg . mahidol . ac . th / dept / egche / PDF / phy2 / PHY4%20Electrochemistry . pdf http :// th . wikipedia . org / wiki / แอมโมเนีย

36. กิตติกรรมประกาศ อาจารย์จตุภรณ์ สวัสดิ์รักษา สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ โครงการ JSTP สวทช .

37. อื่นๆที่เกี่ยวข้อง

38. บทคัดย่อ แก๊สแอมโมเนียเป็นแก๊สชนิดหนึ่งที่เป็นพิษและมีอันตรายต่อเนื้อเยื่อต่างๆของสิ่งมีชีวิต มีความเป็นพิษสูงแม้ในระดับความเข้มข้นต่ำๆ ดังนั้นการตรวจวัดแก๊สแอมโมเนียในระดับความเข้มข้นต่ำๆจึงเป็นสิ่งที่จำเป็นและมีประโยชน์อย่างมาก ทำให้มีนักวิทยาศาสตร์หลายกลุ่มสนใจศึกษาวิธีการตรวจวัดแอมโมเนีย ซึ่งในปัจจุบันมีวิธีการตรวจวัดปริมาณแก๊สแอมโมเนียหลายวิธี หนึ่งในนั้นคือการใช้พอลิเมอร์นำไฟฟ้าเป็นวัสดุตรวจวัดแก๊สพิษ โดยในงานนี้ได้ทำการศึกษาพอลิอะนิลีนซึ่งมีข้อดีคือเป็นพอลิเมอร์ที่นำไฟฟ้าได้ดี มีความเสถียรต่อการถูกออกซิไดส์และต่ออุณหภูมิสูง สามารถใช้ได้ที่อุณหภูมิต่ำ และง่ายต่อการสังเคราะห์ นำมาผสมกับพอลิไวนิลแอลกอฮอล์เพื่อช่วยในการขึ้นรูปเป็นฟิล์ม และนำไปปรับปรุงค่าการนำไฟฟ้า โดยการโดปพอลิอะนิลินและเชื่อมโยงพอลิไวนิลแอลกอฮอล์ด้วยกรดซิตริก จากนั้นจึงศึกษาถึงการเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่เกิดขึ้นบนฟิล์มเมื่อได้รับแก๊สแอมโมเนียในระบบที่ได้ออกแบบขึ้นมาโดยเฉพาะ และควบคุมสภาวะรวมทั้งปัจจัยต่างๆที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงความต้านทานของฟิล์ม จากการศึกษาพบว่าค่าความต้านทานของแผ่นฟิล์มเมื่อได้รับแก็สแอมโมเนียเข้มข้น 54 ส่วนในล้านส่วน อยู่ในช่วง 0.01-30 เมกกะโอห์ม ฟิล์มพอลิอะนิลินมีการตอบสนองต่อแก๊สแอมโมเนียเป็นไปตามทฤษฎี ข้อมูล ทั้งหมด ที่ได้นั้นจะสามารถนำไปเป็นข้อมูลพื้นฐานในการสร้างเป็นสมการความสัมพันธ์ เพื่อใช้สร้างอุปกรณ์อิเลคทรอนิกส์สำเร็จรูปสำหรับวัดแก๊สแอมโมเนียต่อไป

39. reduced repeat units oxidized repeat units General structure of polyaniline

40. 1. เมื่อทำการโดปด้วยกรด จะมีค่าการนำไฟฟ้าที่ค่อนข้างสูง 2. ค่าการนำไฟฟ้าขึ้นอยู่กับจำนวนของโปรตรอน และความเข้มข้นของแก๊สแอมโมเนีย 3. มีการรับรู้และเฉพาะเจาะจงกับแอมโมเนียสูง 4. มีความเสถียรสูงต่อการถูกรีดิวซ์ 5. สามารถนำกลับมาใช้ได้ใหม่ (reversible) สมบัติและข้อดีของ polyaniline

41. The different forms of polyaniline

42. Doping mechanisms of polyaniline

43. วิธีการวิเคราะห์หาแอมโมเนียในน้ำในห้องปฏิบัติการ ของหน่วยงานสังกัดสำนักวิจัยและพัฒนาประมงชายฝั่งที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน วิธี phenol hypochlorite หรือ indophenol blue กล่าวคือ การเกิดปฏิกิริยา Berthelot ระหว่าง ฟีนอล แอมโมเนีย ไฮโปคลอไรท์ในสารละลายที่เป็นด่าง โดยมีโซเดียมไนโตรปรัสไซด์เป็นตัวเร่งปฏิริยา ได้เป็นสารประกอบเชิงซ้อน indophenol ซึ่งมีสีฟ้า ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในการวิเคราะห์หาแอมโมเนีย

44. โปรแกรมที่ใช้สำหรับบันทึกความต้านทานที่เปลี่ยนไปของฟิล์ม

45. ภาพรวมทั้งหมดของการทำงาน (Overview) บันทึกและรวบรวมผลการทดลองที่ได้ทั้งหมด วิเคราะห์และแปลผลการทดลอง พร้อมทั้งประเมินคุณค่าผลการทดลอง รายงานฉบับสมบูรณ์ ผลิตฟิล์มโพลีเมอร์นำไฟฟ้า ทดสอบประสิทธิภาพของฟิล์ม ประดิษฐ์ชุดอุปกรณ์ตรวจวัดแก็สแอมโมเนีย โดยใช้โพลีอะนิลินเป็นตัวรับรู้ เตรียม polyaniline ด้วยวิธี IUPAC Technical ผสม polyaniline และ polyvinyl alcohol และเชื่อมโยงด้วยกรด การขึ้นรูปฟิล์ม การเก็บรักษาฟิล์ม ความเข้มข้นแอมโมเนีย อุณหภูมิของสาร แรงดันของแก็สแอมโมเนีย Titration เครื่องมือ