Корейские ученые научились превращать влажную кофейную гущу в высококачественный углеродный материал всего за 90 с без энергоемкой предварительной сушки. Технологию разработали специалисты Корейского института геонаук и минеральных ресурсов (KIGAM). Получаемый биочар по своим энергетическим характеристикам сопоставим с антрацитом.
Ежегодно мировая кофейная индустрия производит более 10 млн т отработанной гущи. Большая часть этих отходов отправляется на полигоны или сжигается, что сопровождается выбросами парниковых газов. При этом сырье сохраняет энергетический потенциал, однако высокая влажность — около 55% — делает переработку дорогой. Традиционные технологии требуют длительной сушки, связанной с дополнительными затратами энергии и времени.
В основе новой разработки лежит плазменный пиролиз пламенем. Реактор формирует плазменный факел температурой 800−900 °C за счет сжигания сжиженного нефтяного газа в потоке сжатого воздуха. Попадая в такую среду, влага внутри частиц мгновенно превращается в пар, создавая избыточное давление. В результате возникают микровзрывы, разрыхляющие структуру материала изнутри. Исследователи сравнивают этот процесс с эффектом попкорна: вода не препятствует карбонизации, а, наоборот, способствует формированию развитой системы пор. Благодаря этому процесс идет быстрее и равномернее по всему объему материала и удается проводить карбонизацию влажного сырья практически без потери времени на подготовительные операции.
Всего за 90 с. масса исходного материала уменьшается на 83,3%. Теплотворная способность биочара достигает 29,0 МДж/кг — примерно на 33% выше, чем у исходной гущи (21,8 МДж/кг), и находится на уровне антрацита. Содержание связанного углерода возрастает почти втрое — с 15,6 до 46,2%. Серосодержащие соединения полностью удаляются, что исключает образование оксидов серы при последующем сжигании. Удельная площадь поверхности увеличивается с 1,5 до 115,4 м²/г, превращая материал в перспективный сорбент и сырье для производства активированного угля.
По производительности новая методика заметно превосходит существующие подходы. Гидротермальная карбонизация занимает от 1 до 6 ч., торрефакция — не менее 30 мин. Плазменный пиролиз выполняет ту же задачу за полторы минуты, работая в 40−240 раз быстрее гидротермальных процессов.
Помимо энергетического применения, полученный биочар может использоваться в системах фильтрации воды и воздуха, промышленных адсорбентах, катализаторах и технологиях улавливания загрязняющих веществ. Высокая пористость также делает его перспективным компонентом для улучшения почв и долговременного связывания углерода.
Мировой рынок биочара в 2024 году оценивался примерно в 877 млн долларов и растет со среднегодовым темпом около 13,5%. По прогнозам аналитиков, к 2034 году его объем достигнет 3,1 млрд долларов. Рост во многом стимулируют углеродные рынки, ведь биочар рассматривается как один из наиболее эффективных инструментов декарбонизации.
Авторы подчеркивают, что технология легко масштабируется за пределы кофейной отрасли. Аналогичным способом можно перерабатывать пищевые отходы, осадок сточных вод и сельскохозяйственные остатки. Дополнительным преимуществом является компактность оборудования, позволяющая размещать установки непосредственно возле источников образования отходов и сокращать расходы на транспортировку влажного сырья. Следующий этап проекта — испытания на других типах биомассы и переход к промышленным демонстрационным установкам.
Ранее мы писали о том, как ученые сварили «эспрессо будущего» с помощью ультразвука.