تفل القهوة قد يجعل الخرسانة أقوى.. دراسة أسترالية

• باحثون أستراليون يحولون تفل القهوة إلى فحم حيوي يقوي الخرسانة.
• استبدال 15% من الرمل بالفحم الحيوي رفع قوة الخرسانة 29.3%.
• تُسخن القهوة عند 350 درجة مئوية دون أكسجين لإنتاج الفحم الحيوي.
• أستراليا تنتج 75 مليون كغم من تفل القهوة سنوياً، والعالم 10 مليارات كغم.
• انخفاض انبعاثات الكربون 26% عند استخدام 15% فحم حيوي بدل الرمل.
• يُستخدم 50 مليار طن من الرمل سنوياً في البناء، مما يهدد الموارد الطبيعية.

وجد باحثون في جامعة آر إم آي تي الأسترالية أن تفل القهوة يمكن تحويله إلى فحم حيوي. هذا الفحم الحيوي يقوي الخرسانة ويقلل الحاجة إلى الرمل الطبيعي. نُشر البحث في مجلة الإنتاج الأنظف عام 2023.

سخّن الباحثون تفل القهوة إلى 350 درجة مئوية في عملية خالية من الأكسجين. حوّل ذلك التفل إلى مادة تشبه الفحم تُعرف بالفحم الحيوي. ثم استخدم الفحم الحيوي ليحل محل جزء من الرمل الطبيعي في خلطة الخرسانة.

النتائج الرئيسية: قوة خرسانة أعلى بنسبة 29%

تحققت أقوى نتيجة عندما حل الفحم الحيوي محل 15% من الرمل من حيث الحجم. سجلت الخرسانة الناتجة زيادة بنسبة 29.3% في قوة الضغط مقارنة بالخرسانة التقليدية التي تحتوي على رمل عادي.

لا يمكن ببساطة إضافة تفل القهوة الخام إلى الخرسانة. فهو يحتوي على مركبات عضوية قد تتداخل مع عملية تصلب الإسمنت وتضعف المادة الناتجة. لذلك، لجأ الفريق إلى التسخين بدرجة 350 درجة مئوية دون أكسجين، مما يحوّل المادة إلى فحم بدلاً من حرقها.

حل لمشكلتين بيئيتين في آن واحد

يعالج هذا النهج تحديين بيئيين في وقت واحد: التخلص من النفايات العضوية والطلب المتزايد على الرمل الطبيعي في البناء. تنتج أستراليا ما يقدر بـ 75 مليون كيلوغرام من نفايات القهوة المطحونة كل عام. يُلقى الكثير منها في مكبات النفايات. يقدر الرقم العالمي بحوالي 10 مليارات كيلوغرام.

على الرغم من أن الرمل قد يبدو وفيراً، إلا أن النوع المطلوب للخرسانة يتعرض لضغوط متزايدة. رمال الصحراء ناعمة ومستديرة للغاية، مما يجعلها غير فعالة في الخرسانة. لذلك يعتمد البناء غالباً على الرمل الزاوي المستخرج من الأنهار ومصادر أخرى.

لماذا تهم درجة الحرارة

وجد الباحثون أن درجة الحرارة المستخدمة لإنتاج الفحم الحيوي تؤثر على أدائه. الفحم الحيوي المنتج عند 350 درجة مئوية أدى أداءً أفضل من المادة المنتجة عند 500 درجة مئوية. أظهر التحليل المجهري أن الفحم الحيوي المنتج عند درجة حرارة أعلى كان أكثر مسامية ويعاني من تشققات دقيقة واسعة النطاق. ويرجع الباحثون ذلك إلى التدهور الحراري الأكبر.

خفض انبعاثات الكربون واستخدام الوقود الأحفوري

أظهر تقييم دورة الحياة انخفاضاً في انبعاثات الكربون بنسبة 15% و23% و26% عند استبدال 5% و10% و15% من الرمل بالفحم الحيوي على التوالي. كما انخفض استخدام الوقود الأحفوري أيضاً.

البحث لا يزال في مرحلة مبكرة

النتائج واعدة، لكنها لا تثبت بعد أن خرسانة الفحم الحيوي من القهوة جاهزة للاستخدام الواسع في البناء. أجري البحث على نطاق مخبري. قوة الضغط هي مجرد خاصية واحدة من الخصائص التي يأخذها المهندسون في الاعتبار عند تقييم الخرسانة.

لا تزال متانة الخرسانة على المدى الطويل سؤالاً مهماً. يجب أن تتحمل الخرسانة المستخدمة في الهياكل الحقيقية سنوات من التعرض للظروف البيئية المتغيرة والأحمال المتكررة. يحتاج الباحثون إلى تحديد أداء خرسانة الفحم الحيوي من القهوة على مدى فترات أطول وفي ظروف واقعية.

انتقل الفريق بالفعل إلى ما هو أبعد من الاختبارات المخبرية من خلال تجربة ممر خرساني من القهوة. تشمل الأبحاث المستقبلية فحص المتانة طويلة المدى، وتباين خصائص تفل القهوة، والاتساق أثناء الإنتاج على نطاق واسع، وما إذا كانت الطاقة المطلوبة لإنتاج الفحم الحيوي تظل مجدية بيئياً واقتصادياً على نطاق واسع.

الأسئلة الشائعة

90 ثانية فقط تحوّل بقايا القهوة الرطبة إلى وقود صلب عالي الجودة

كل عام، ينتج الاستهلاك العالمي للقهوة أكثر من 10 ملايين طن من بقايا القهوة المستعملة، ينتهي معظمها في مكبات النفايات أو المحارق، مما يطلق غازات الدفيئة ويلوث البيئة. على الرغم من أن هذه البقايا تحمل إمكانات طاقية حقيقية، إلا أن محتواها العالي من الرطوبة كان يشكل عائقاً طويل الأمد أمام تحويلها إلى وقود أو منتجات كربونية.

الآن، طوّر فريق بحثي من معهد كوريا لعلوم الأرض والموارد المعدنية تقنيةً ثورية تُدعى “التحلل الحراري بالبلازما اللهبية”، والتي تعالج الكتلة الحيوية التي تحتوي على حوالي 55% رطوبة مباشرةً، دون أي حاجة للتجفيف المسبق، وتحولها إلى فحم حيوي عالي الجودة في غضون 90 ثانية فقط.

حل لمشكلة النفايات المتزايدة: بقايا القهوة من نفايات إلى طاقة

تواجه صناعة القهوة العالمية تحدياً بيئياً متزايداً: أكثر من 10 ملايين طن من بقايا القهوة المستعملة تُنتج سنوياً، ومعظمها ينتهي في مكبات النفايات أو المحارق. هذه البقايا ليست مجرد نفايات، بل هي مصدر طاقة مهدر. تحتوي بقايا القهوة على قيمة حرارية تصل إلى 21.8 ميغاجول/كغ، لكن الرطوبة العالية (حوالي 55%) كانت العائق الأكبر أمام استغلالها اقتصادياً.

تقنية التحلل الحراري بالبلازما اللهبية: ثورة في معالجة النفايات الرطبة

يعمل نظام البلازما اللهبية على توليد ألسنة لهب بدرجات حرارة تتراوح بين 800 و900 درجة مئوية، من خلال احتراق غاز البترول المسال والهواء المضغوط. على عكس تقنيات التحلل الحراري التقليدية، تلغي هذه التقنية الحاجة إلى أي معالجة تجفيف مسبقة. أثناء المعالجة، تعمل الطاقة الحرارية الشديدة على تبخير الرطوبة المحتجزة داخل جزيئات الكتلة الحيوية بسرعة. يؤدي تراكم الضغط الناتج إلى حدوث انفجارات مجهرية تُعرف بـ”تأثير الفشار”، والتي تعزز في الوقت نفسه عملية الكربنة وتخلق بنى مسامية عالية. بدلاً من أن تكون الرطوبة عائقاً، تصبح عاملاً مساعداً في التنشيط بالبخار، مما يسرع التفاعلات ويحسن جودة المنتج.

أداء وقود على مستوى الأنثراسيت وتحسينات نوعية كبيرة

تحت ظروف محسّنة، حقق الباحثون تحويلاً كاملاً خلال 90 ثانية، مع خفض في الكتلة بنسبة 83.3%. أظهر الفحم الحيوي الناتج قيمة حرارية بلغت 29.0 ميغاجول/كغ، أي أعلى بحوالي 33% من بقايا القهوة الأصلية (21.8 ميغاجول/كغ)، وهو ما يعادل فحم الأنثراسيت عالي الجودة.

أسرع بأكثر من 40 مرة من التقنيات الحالية

توفر التقنية الجديدة مزايا كبيرة في سرعة المعالجة وكفاءة الطاقة. مقارنة بتقنية الكربنة المائية الحرارية التي تتطلب عادةً من ساعة إلى ست ساعات، فإن تقنية البلازما اللهبية أسرع بـ 40 إلى 240 مرة. كما أنها تقلل وقت المعالجة بأكثر من 20 ضعفاً مقارنة بعملية التحميص التي تستغرق عادةً 30 دقيقة على الأقل. ونظراً لأن النظام يعتمد على البلازما الناتجة عن الاحتراق بدلاً من أجهزة البلازما كثيفة الاستهلاك للكهرباء، فإنه يخفض استهلاك الطاقة الإجمالي مع الحفاظ على أداء معالجة عالٍ.

تطبيقات مستقبلية واسعة: من مخلفات القهوة إلى أنظمة الطاقة اللامركزية

إلى جانب مخلفات القهوة، يمكن تطبيق هذه التقنية على مجموعة واسعة من النفايات العضوية عالية الرطوبة، بما في ذلك مخلفات الطعام، وحمأة الصرف الصحي، والمخلفات الزراعية. تصميمها المضغوط وقدرتها الفائقة على المعالجة يجعلانها جذابة بشكل خاص لمنشآت تحويل النفايات إلى طاقة في الموقع، حيث غالباً ما تحد تكاليف النقل والتجفيف من جهود استعادة الموارد.

الباحثون: “نحن نغير النموذج من النفايات كمشكلة إلى النفايات كمورد طاقي”

قال الدكتور تايجون بارك، المؤلف الرئيسي للدراسة: “تقدم هذه التقنية نموذجاً جديداً لم يعد فيه النفايات يُنظر إليها كقضية تصريف، بل كمورد طاقي قيم”. وأضاف: “نخطط لتوسيع التقنية لتشمل أنواعاً مختلفة من النفايات العضوية عالية الرطوبة، ومواصلة تحسين العملية للتسويق على نطاق صناعي”.

السياق البحثي: نشر في مجلة الهندسة الكيميائية الرائدة

نُشر البحث في مجلة الهندسة الكيميائية (إلزيفير، عامل التأثير 13.2)، وهي إحدى المجلات الدولية الرائدة في مجال الهندسة الكيميائية. ويوضح البحث نهجاً جديداً لتحويل النفايات العضوية الرطبة إلى موارد طاقية قيمة، مع تعزيز استراتيجيات إدارة النفايات المحايدة للكربون. يُذكر أن معهد كوريا لعلوم الأرض والموارد المعدنية هو معهد بحثي ممول حكومياً متخصص في علوم الأرض، وموارد المعادن، وتقنيات الطاقة، وعلوم نظام الأرض.

أسئلة شائعة حول تقنية تحويل بقايا القهوة إلى وقود