Fusy z kawy posiadają bardzo wysoką wartość opałową i zawierają dużą ilość wody, dzięki czemu świetnie nadają się jako dodatek do gliny w procesie produkcji porowatych materiałów ceramicznych o właściwościach termoizolacyjnych. Nad optymalizacją ich produkcji pracuje badaczka z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.
Według danych International Coffee Organization na całym świecie rocznie produkuje się około 10 mln ton kawy ziarnistej. Gdyby cały roczny zbiór zmielić i przyrządzić z niego napój, pozostanie po tym procesie masa fusów. Odpad ten nie jest neutralny dla środowiska, bo podczas składowania na wysypiskach śmieci emituje metan, który jest jednym z gazów uczestniczących w procesie cieplarnianym. W związku z tym pilna potrzebą jest wtórne zagospodarowanie odpadów pozostałych po parzeniu kawy. Po odpowiednim preparowaniu, wykorzystuje się je m.in. jako nawóz, biodegradowalny surowiec do produkcji przemysłowej czy biopaliwo. Dr inż. Ewelina Kłosek-Wawrzyn z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie pracuje natomiast nad wykorzystaniem fusów z kawy jako ekologicznego surowca do produkcji porowatych materiałów ceramicznych o właściwościach termoizolacyjnych, które będzie można wykorzystać do konstruowania bądź docieplania budynków.
Transport ciepła może następować poprzez przewodzenie, konwekcję i promieniowanie. Zazwyczaj mechanizmy te nie występują pojedynczo. W materiałach konstrukcyjnych transport ciepła odbywa się głównie na drodze przewodzenia. Jego przepływ zachodzi w kierunku od temperatury wyższej do niższej. Jeżeli materiał jest porowaty, to ciepło na swojej drodze napotyka przeszkody ograniczające przewodzenie. Żeby pory działały efektywnie, muszą mieć średnicę poniżej 0,5 mm, aby wyeliminować konwekcję jako dodatkowy mechanizm transportu ciepła. Generalnie najlepiej sprawdzają się pory zamknięte, ale nie musi to być regułą. Wszystko zależy od ich średnicy i ukierunkowania – tłumaczy.
Oszczędność energii i wody
Pory w materiałach ceramicznych uzyskuje się w wyniku wypalania gliny wymieszanej z dodatkami. Te ostatnie w procesie produkcji ulegają spaleniu, pozostawiając po sobie mikroprzestrzenie wypełnione gazem, który posiada dużo niższy współczynnik przewodzenia ciepła niż lity materiał. W tradycyjnej ceramice budowlanej jako dodatek poryzujący stosuje się najczęściej pulpę celulozową lub trociny. Zastąpienie ich fusami, oprócz wtórnego zagospodarowania odpadów, pozwoli znacznie zaoszczędzić energię i wodę wykorzystywaną w procesie produkcyjnym.
W tradycyjnej ceramice budowlanej stosujemy dodatki, które wypalają się w trakcie procesu produkcyjnego. Oprócz porowatości, spalając się, wnoszą one dodatkowe ciepło, dzięki czemu spada zużycie gazu w procesie produkcyjnym. Fusy z kawy mają wiele wyższą wartość opałową niż trociny i inne dodatki powszechnie stosowane w ceramice budowlanej, dzięki czemu możemy zminimalizować ilość ciepła używanego w procesie produkcyjnym. Co więcej, fusy z kawy odbierane np. z kawiarni są w stanie mokrym i zawierają od 55 do 60 proc. wody. Zwykle w przemyśle materiałów budowlanych wytwarzanych na bazie gliny musimy dodać do niej wodę, żeby uzyskać jej stan plastyczny. Natomiast tutaj, jeżeli będziemy umieli odpowiednio poprowadzić proces produkcyjny, dodawanie wody nie będzie w ogóle potrzebne – przekonuje badaczka.
Fusy używane w badaniach pochodzą z dwóch sieci kawiarni. Mimo tego – jak zapewnia dr inż. Ewelina Kłosek-Wawrzyn – różnią się jedynie zawartością wody, natomiast cechuje je tożsama ziarnistość oraz zbliżona wartość opałowa.
Termoizolacyjność kontra odporność mechaniczna
Sam pomysł, aby odpady powstałe po parzeniu kawy wykorzystać jako dodatek do gliny przy produkcji porowatych materiałów ceramicznych, nie jest nowy. Wyzwanie dla inżynierów stanowi natomiast taka optymalizacja procesu, aby uzyskać materiał posiadający pożądane parametry termoizolacyjne, który jednocześnie będzie spełniał standardy w zakresie odporności mechanicznej. Materiały wykorzystywane w budownictwie muszą przenosić bardzo duże naprężenia, natomiast dodanie do gliny zbyt dużej ilości materiałów wypalających się osłabia ich odporność.
Dr inż. Kłosek-Wawrzyn swoje badania prowadzi wraz ze współpracownikami z Katedry Technologii Materiałów Budowlanych w warunkach w laboratoryjnych, gdzie preparuje próbki materiałów ceramicznych, dobierając różne proporcje poryzatora w postaci fusów z kawy. Następnie przygotowane próbki poddawane są szczegółowej analizie.
Przede wszystkim badamy efektywny współczynnik przewodzenia ciepła, wykorzystując aparat płytowy w układzie stacjonarnym – relacjonuje. – Testujemy wytrzymałość na ściskanie, ponieważ materiały konstrukcyjne w swoim środowisku pracy są poddawane siłom ściskającym. Analizujemy gęstość i porowatość, ale również stosujemy inne techniki, np. skaningową mikroskopię elektronową, żeby zobaczyć, jak wygląda mikrostruktura badanego tworzywa, to znaczy jaki jest w nim układ porów oraz czy występują spękania. Dzięki temu możemy regulować proces wytwarzania i kształtować kierunki dalszych badań.
Nowatorskie podejście do materiałów
Dr inż. Kłosek-Wawrzyn stosuje innowacyjne podejście do projektowanych materiałów.
Obecnie wytwarzane materiały budowlane mają moim zdaniem zbyt wysokie parametry wytrzymałościowe, co przekłada się na mniejsze właściwości termoizolacyjne. W moim materiale chcę znaleźć optimum pomiędzy właściwościami termoizolacyjnymi a wytrzymałością. Natomiast nie stawiam na konstrukcje wysokie, tylko jedno- i dwukondygnacyjne, gdzie wytrzymałość materiału nie musi być aż tak bardzo duża, przez co może on mieć wyższą porowatość, a co za tym idzie lepsze właściwości termoizolacyjne – tłumaczy.
Pierwsze wyniki badań są bardzo obiecujące. Dzięki temu, że całkowicie zmodyfikowała proces wytwarzania, może wprowadzić znacznie więcej fusów z kawy do materiału niż dotąd opisano w literaturze i uzyskać lepsze parametry termoizolacyjne rzędu 0,15-0,25 wata na metr-kelwin. Jej projekt został sfinansowany z grantu w ramach programu Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza.
źródło: AGH