Polska badaczka tworzy materiał termoizolacyjny z fusów z kawy

Polska badaczka tworzy materiał termoizolacyjny z fusów z kawy

Wykorzystywane jako nawóz w ogrodzie, naturalny środek czyszczący i składnik domowych peelingów. Zimą używane zamiast soli do oblodzonych chodników. To przykłady, w jaki sposób nadajemy fusom z kawy drugie życie. Badaczka z AGH poszła krok dalej. Wykorzystuje kawowe odpady do tworzenia nowatorskich materiałów ceramicznych o właściwościach termoizolacyjnych.

To tylko… mała czarna

Produkcja i konsumpcja kawy na świecie od lat utrzymuje się na wysokim poziomie. Z danych International Coffee Organization wynika, że rocznie produkujemy ok. 10 mln ton kawy ziarnistej. Statystyczny mieszkaniec Europy pije 4 kawy każdego dnia, co w skali roku daje 160 litrów napoju na osobę. Po każdej filiżance zostaje ślad. I wcale nie chodzi o odcisk naczynia na stole, a o nasiąknięte wodą fusy. Niestety wrzucenie fusów do pojemnika na bioodpady nie rozwiązuje problemu. Składowane na wysypiskach śmieci emitują metan, drugi po dwutlenku węgla gaz cieplarniany, który najbardziej wpływa na zmiany klimatu. Powoduje zanieczyszczenie powietrza i niszczy warstwę ozonową. Dlatego też podejmowane są różnorodne działania, które mają na celu powtórne wykorzystanie kawowych fusów. Jednym z nich jest praca polskiej badaczki z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki. Dr inż. Ewelina Kłosek-Wawrzyn chce wykorzystać fusy z kawy jako ekologiczny surowiec do produkcji porowatych materiałów ceramicznych o właściwościach termoizolacyjnych. Materiał znajdzie zastosowanie przy konstrukcji lub docieplaniu budynków. Badaczka używa fusów z dwóch sieci krakowskich kawiarni, które są ze sobą mieszane. Pierwsze wyniki badań prowadzonych w ramach grantu uczelnianego są bardzo obiecujące.

Lepsza termoizolacja, lepsza efektywność energetyczna budynków

Kwestia zmniejszenia liczby kawowych odpadów jest ważna, ale dr inż. Kłosek-Wawrzyn zwraca uwagę również na innych aspekt, mianowicie termoizolację materiałów budowlanych.

– 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 mówi pracowniczka AGH. 

To ważne w obliczu faktu, że spośród 5 milionów domów jednorodzinnych w Polsce aż 70% nie spełnia standardów dotyczących efektywności energetycznej. A nieefektywność energetyczna, w tym brak odpowiedniej izolacji prowadzą do bezpowrotnej utraty energii i zwiększonej degradacji środowiska. 

Termoizolacja z fusów – jak to możliwe?

Fusy z kawy posiadają bardzo wysoką wartość opałową, co wykorzystali niedawno również polscy naukowcy, tworząc z kawowych odpadów brykiet. Zawierają też dużą ilość wody. I właśnie połączenie tych dwóch właściwości sprawia, że świetnie nadają się jako dodatek do gliny w procesie produkcji materiałów ceramicznych o właściwościach termoizolacyjnych. Kluczowa jest też struktura materiału, nad którym pracuje dr inż. Ewelina Kłosek-Wawrzyn. Jest porowaty, a pory wpływają na jego właściwości termoizolacyjne.

– 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 – wyjaśnia.

Dodatkowa korzyść – oszczędność energii i wody

Fusy z kawy już same w sobie są ekologicznym surowcem, a do tego ich wykorzystanie w procesie produkcji ceramiki pozwala zaoszczędzić energię i wodę. Jak to możliwe? Zwykle przy tworzeniu ceramiki mieszamy glinę z dodatkami (np. trociny czy pulpa celulozowa), które nadają porowatość. W procesie produkcji dodatki spalają się pozostawiając mikroprzestrzenie wypełnione gazem.

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 produkcyjnymmówi dr inż. Kłosek-Wawrzyn.

Ważnym składnikiem do tworzenia materiałów budowlanych na bazie gliny jest też woda. To ona sprawia, że materiał staje się plastyczny. Dzięki temu, że fusy są już w stanie mokrym (zawierają od 55 do 60% wody), w procesie produkcji nie musimy już jej dodawać.

Wyzwanie – odporność mechaniczna

Sam pomysł, wykorzystania fusów jako dodatku do gliny przy produkcji porowatych materiałów ceramicznych, nie jest nowy. Wyzwaniem dla naukowców jest jednak wyprodukowanie materiału posiadającego pożądane parametry termoizolacyjne i zadowalający poziom odporności mechanicznej. Materiały wykorzystywane w budownictwie muszą przenosić bardzo duże naprężenia. Użycie zbyt dużej ilości składników wypalających się, czyli w tym przypadku fusów, może osłabić odporność.

Dr inż. Kłosek-Wawrzyn wraz ze współpracownikami z Katedry Technologii Materiałów Budowlanych WIMiC w warunkach w laboratoryjnych preparuje próbki materiałów ceramicznych, dobierając różne proporcje poryzatora w postaci fusów z kawy, a następnie je analizuje.

Badaczka z AGH wykorzystuje fusy z kawy do stworzenia nowatorskich materialow ceramicznych o wlasciwosciach termoizolacyjnych 3
Mikroskop wysokotemperaturowy do badań zachowania się materiału podczas wypalania, fot. archiwum AGH w Krakowie

Przede wszystkim badamy efektywny współczynnik przewodzenia ciepła, wykorzystując aparat płytowy w układzie stacjonarnym. 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 badańwyjaśnia naukowczyni z AGH. 

Badaczka z AGH wykorzystuje fusy z kawy do stworzenia nowatorskich materialow ceramicznych o wlasciwosciach termoizolacyjnych 1
Próbki do badań efektywnego współczynnika przewodzenia ciepła, fot. archiwum AGH w Krakowie

Projekt pt. Fusy z kawy jako ekologiczny surowiec do produkcji porowatych materiałów ceramicznych o właściwościach termoizolacyjnych sfinansowany został z grantu uczelnianego (Minigranty dla młodych naukowców i doktorantów – edycja II – Działanie 4), w ramach programu Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza, AGH 2020–2022, POB-2.

Źródło: www.ico.org, agh.edu.pl, ec.europa.eu, fot. archiwum AGH w Krakowie

Artykuł stanowi utwór w rozumieniu Ustawy 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych. Wszelkie prawa autorskie przysługują swiatoze.pl. Dalsze rozpowszechnianie utworu możliwe tylko za zgodą redakcji.