Ежегодно в мире при потреблении кофе образуется более 10 миллионов тонн кофейной гущи, большая часть которой попадает на свалки или сжигается, выделяя парниковые газы и загрязняя окружающую среду. Кофейная гуща обладает реальным энергетическим потенциалом, но высокое содержание в ней влаги долгое время было препятствием для его реализации. Преобразование гущи в топливо или углеродные продукты обычно требует энергоемкой предварительной сушки, что делает экономически нецелесообразным крупномасштабное извлечение ресурсов.
Чтобы решить эту проблему, команда KIGAM разработала технологию плазменного пиролиза (ТПП) — процесс прямой обработки биомассы, содержащей около 55% влаги, в условиях плазмы при атмосферном давлении.
Система генерирует плазменное пламя при температуре около 800–900 °C за счет сжигания сжиженного нефтяного газа и сжатого воздуха. В отличие от традиционных технологий пиролиза, этот процесс не требует предварительной сушки.
Во время обработки высокая температура быстро испаряет влагу, содержащуюся в частицах биомассы. В результате повышения давления происходят микроскопические взрывы, известные как «эффект попкорна», которые одновременно усиливают карбонизацию и создают высокопористые структуры. Вместо того чтобы служить барьером, влага сама становится активатором пара, который ускоряет реакции и улучшает качество продукта.
При оптимальных условиях исследователи добились полной конверсии за 90 секунд с уменьшением массы на 83,3 %. Полученный биоуголь имел удельную теплоту сгорания 29,0 МДж/кг, что примерно на 33 % выше, чем у исходной кофейной гущи (21,8 МДж/кг), и сопоставимо с показателем антрацитового угля.
Дополнительные улучшения характеристик включали:
• Трехкратное увеличение фиксированного содержания углерода (с 15,6% до 46,2%)
• Полное удаление соединений серы, предотвращающее выбросы оксида серы (SOx) при сжигании
• Удельная поверхность увеличилась с 1,5 до 115,4 м2/г, что указывает на потенциальное использование в качестве предшественника активированного угля или адсорбционного материала
• Минимальное образование вторичных загрязняющих веществ, таких как дым и смола
Эти характеристики делают биоуголь пригодным не только в качестве возобновляемого твердого топлива, но и в качестве высокоэффективного углеродного материала для экологического и промышленного применения. Новый процесс обладает существенными преимуществами как в скорости обработки, так и в энергоэффективности.
По сравнению с гидротермальной карбонизацией, которая обычно занимает от 1 до 6 часов, процесс ТПП в 40–240 раз быстрее. Он также сокращает время обработки более чем в 20 раз по сравнению с торрефикацией, которая обычно занимает не менее 30 минут.
Поскольку система использует плазму, образующуюся в результате горения, а не энергоемкие плазменные устройства, она снижает общее энергопотребление, сохраняя при этом высокую производительность обработки. Исследователи подчеркивают, что возможность непосредственной обработки влажного сырья без предварительной сушки является одним из наиболее значимых экономических и экологических преимуществ этой технологии.
Помимо кофейных отходов, эта технология потенциально применима к широкому спектру органических отходов с высоким содержанием влаги, включая пищевые отходы, осадок сточных вод и сельскохозяйственные остатки.
Компактная технологическая схема и сверхбыстрая обработка делают новый метод особенно привлекательным для децентрализованных установок по переработке отходов в энергию на месте, где затраты на транспортировку и сушку часто ограничивают возможности по извлечению ресурсов.
Исследование было опубликовано в журнале Chemical Engineering Journal.
