你可能想象不到，每天全球都會(huì)產(chǎn)生數(shù)以?xún)|計(jì)杯咖啡所留下的廢棄咖啡渣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這類(lèi)有機(jī)廢棄物每年累計(jì)超過(guò)100億千克，其中大部分被直接丟入垃圾填埋場(chǎng)。與此同時(shí)，建筑行業(yè)對(duì)混凝土原料的需求持續(xù)增長(zhǎng)，特別是用于混凝土制備的天然砂，正在以不可持續(xù)的速度被開(kāi)采，帶來(lái)嚴(yán)重的生態(tài)問(wèn)題。

使用咖啡渣蓋樓的示意圖（圖片來(lái)源：作者使用AI生成）

為解決這兩類(lèi)看似無(wú)關(guān)的環(huán)境挑戰(zhàn)，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新思路，通過(guò)低溫?zé)峤饧夹g(shù)，將咖啡渣轉(zhuǎn)化為一種可用于增強(qiáng)混凝土性能的碳質(zhì)材料。

咖啡渣如何成為混凝土的增強(qiáng)材料

科研人員在研究中首先指出，咖啡渣雖然顆粒細(xì)小、來(lái)源豐富，但并不能直接摻入混凝土體系。原因在于其內(nèi)部含有多種有機(jī)化合物，如多酚類(lèi)、脂肪酸和碳水化合物，這些成分在與水泥接觸時(shí)會(huì)發(fā)生浸出反應(yīng)，釋放出可溶性有機(jī)物（如圖1），顯著干擾水泥的水化過(guò)程。水泥在硬化過(guò)程中依賴(lài)氫氧化鈣、硅酸鈣水化物等晶體結(jié)構(gòu)的形成，而咖啡渣中這些有機(jī)組分的存在，會(huì)使水化反應(yīng)速率下降，晶體生成不完全，最終導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯降低。早期實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)以未處理的咖啡渣替代砂料20%時(shí)，混凝土的強(qiáng)度下降可達(dá)40%以上。

圖1 咖啡渣有機(jī)物的浸出（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

為了改善這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)采用了熱解技術(shù)。該技術(shù)是一種在缺氧條件下對(duì)有機(jī)物加熱分解的過(guò)程，研究中分別設(shè)定了350攝氏度和500攝氏度兩種溫度條件?？Х仍?50攝氏度下熱解時(shí)，其有機(jī)分子被分解為氣體與液體副產(chǎn)物，殘留部分轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N多孔、富含碳的固體材料——生物炭（圖2）。與未經(jīng)處理的咖啡渣不同，這種生物炭在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出明顯的微孔特征，且不再釋放有機(jī)化學(xué)物質(zhì)，從而消除了對(duì)水泥水化的不利影響。

進(jìn)一步地，研究人員在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中將這種咖啡生物炭分別以5%、10%、15%和20%的體積比例替代混凝土中的天然砂。結(jié)果顯示，15%替代比例的混凝土在28天齡期的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)，比對(duì)照組（無(wú)生物炭添加？）提高了約29.3%。

圖2 熱解后的咖啡生物炭的掃描電鏡（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

這一強(qiáng)度提升主要?dú)w因于三方面機(jī)制，一是生物炭表面的孔隙結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了水泥漿體的嵌合，使混凝土更致密；二是生物炭能吸附并緩慢釋放水分，起到內(nèi)部養(yǎng)護(hù)作用；三是，熱解生物炭與水泥基體結(jié)合緊密，界面致密，顯著提升抗壓強(qiáng)度與耐久性。

從實(shí)驗(yàn)室到可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)意義

咖啡渣轉(zhuǎn)化為生物炭并用于混凝土增強(qiáng)的研究，不僅是一項(xiàng)材料學(xué)的創(chuàng)新，更具重要的環(huán)境與社會(huì)意義。全球每年約有100億千克咖啡渣被丟棄，其中大部分最終進(jìn)入垃圾填埋場(chǎng)。在厭氧條件下分解時(shí)，咖啡渣會(huì)釋放甲烷，這種氣體的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍。通過(guò)熱解處理，這些廢棄物不再排放溫室氣體，而是被轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的碳質(zhì)固體，從而有效減少碳排放量。

與此同時(shí)，建筑行業(yè)正面臨另一項(xiàng)資源危機(jī)，天然砂的過(guò)度開(kāi)采。河床和河岸采砂造成水文破壞和生態(tài)退化，已成為全球普遍存在的環(huán)境問(wèn)題。混凝土生產(chǎn)中，天然砂約占總體積的40%。如果能將部分天然砂替換為來(lái)源廣泛的咖啡生物炭，不僅能緩解砂石資源的緊缺，也能降低開(kāi)采對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的壓力。

根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)的計(jì)算，僅澳大利亞每年產(chǎn)生的7.5萬(wàn)噸咖啡廢渣，經(jīng)350攝氏度熱解后可得到約2.25萬(wàn)噸生物炭。若將其作為細(xì)骨料替代物摻入混凝土，可對(duì)應(yīng)替換約75000立方米砂料。這一規(guī)模足以消化澳大利亞范圍內(nèi)全部咖啡渣產(chǎn)出，實(shí)現(xiàn)廢棄物的完全資源化利用。

除環(huán)境效益外，該技術(shù)還具備明顯的經(jīng)濟(jì)潛力。熱解工藝能在低能耗條件下實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，生物炭的制備和混凝土摻合可形成新的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，涵蓋廢棄物收集、熱解處理、材料加工與建筑應(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié)，帶動(dòng)就業(yè)增長(zhǎng)。

總結(jié)

咖啡渣被視為生活中再普通不過(guò)的廢棄物，但在科研視角下，它展現(xiàn)出意想不到的潛力。通過(guò)熱解技術(shù)，研究人員讓咖啡渣轉(zhuǎn)化為一種穩(wěn)定的碳質(zhì)材料，并成功應(yīng)用于混凝土增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在合適的溫度和比例下，這種由咖啡渣制成的生物炭不僅能提高混凝土的強(qiáng)度，還能減少天然砂的使用，對(duì)環(huán)境和資源都有積極影響。

這項(xiàng)研究的意義在于，它為處理大量有機(jī)廢棄物提供了新的思路，也為建筑行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型提供了切實(shí)可行的材料方案。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)還將進(jìn)一步考察這種咖啡渣混凝土在長(zhǎng)期使用條件下的性能，如抗凍融、抗化學(xué)腐蝕與耐磨損性。如果結(jié)果穩(wěn)定，它有望在建筑、道路鋪設(shè)和預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

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[2] Andrade, TatianaSantos, et al. "Biochar obtained by carbonization of spent coffee groundsand its application in the construction of an energy storagedevice." Chemical Engineering Journal Advances 4 (2020):100061.

[3]  Arulrajah, Arul, et al. "Spent coffeegrounds–fly ash geopolymer used as an embankment structural fillmaterial." Journal of materials in civil engineering 28.5(2016): 04015197. 04015197.

策劃制作

作者丨楊  超深圳理工大學(xué)科普主管、中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員

審核丨孫克衍 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)副教授