Termoizolacyjne materiały ceramiczne z fusów po kawie - wynalazek polskiej badaczki
21.03.2022
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. Dr inż. Ewelina Kłosek-Wawrzyn z AGH pracuje nad optymalizacją produkcji takich materiałów. Pierwsze wyniki badań są bardzo obiecujące, o czym poinformowała uczelnia.
Jak zaznaczają przedstawiciele uczelni, sam pomysł, aby odpady powstałe po parzeniu kawy wykorzystać jako dodatek do gliny przy produkcji porowatych materiałów ceramicznych, nie jest nowy. Istnieją już publikacje naukowe poświęcone temu zagadnieniu. Jednak nadal wyzwaniem dla inżynierów jest takie zaprojektowanie całego procesu, aby powstające materiały miały pożądane parametry termoizolacyjne, a jednocześnie spełniały standardy w zakresie odporności mechanicznej. Materiały wykorzystywane w budownictwie muszą bowiem przenosić bardzo duże naprężenia, a dodanie do gliny zbyt dużej ilości materiałów wypalających się osłabia ich odporność.
Dr Kłosek-Wawrzyn z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki swoje badania prowadzi we współpracy z naukowcami z Katedry Technologii Materiałów Budowlanych AGH. W tamtejszych laboratoriach preparuje próbki materiałów ceramicznych, dobierając różne proporcje poryzatora, którym w tym przypadku są właśnie kawowe fusy. Następnie przygotowane próbki poddawane są szczegółowej analizie.
Badaczka z AGH wykorzystuje fusy z kawy do stworzenia nowatorskich materiałów ceramicznych o właściwościach termoizolacyjnych. fot. archiwum AGH w Krakowie
„Przede wszystkim badamy efektywny współczynnik przewodzenia ciepła, wykorzystując aparat płytowy w układzie stacjonarnym – tłumaczy dr Kłosek-Wawrzyn. - 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”.
Badaczka wyjaśnia, że pory w materiałach budowlanych mocno wpływają na ich właściwości termoizolacyjne. „Transport ciepła może następować poprzez przewodzenie, konwekcję i promieniowanie - wyjaśnia. - 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”.
A jak uzyskuje się takie pory w materiałach ceramicznych? Dr Kłosek-Wawrzyn wyjaśnia, że powstają one w wyniku wypalania gliny wymieszanej z dodatkami. Dodatki te w procesie produkcji ulegają spaleniu, pozostawiając po sobie mikroprzestrzenie wypełnione gazem, który posiada dużo niższy współczynnik przewodzenia ciepła niż lity materiał.
Badaczka z AGH wykorzystuje fusy z kawy do stworzenia nowatorskich materiałów ceramicznych o właściwościach termoizolacyjnych. fot. archiwum AGH w Krakowie
W tradycyjnej ceramice budowlanej jako dodatek poryzujący stosuje się najczęściej pulpę celulozową lub trociny. Zastąpienie ich fusami, oprócz wtórnego zagospodarowania odpadów, pozwala zaoszczędzić energię i wodę wykorzystywaną w procesie produkcyjnym.
„W tradycyjnej ceramice budowlanej stosujemy dodatki, które wypalają się w trakcie procesu produkcyjnego – mówi autorka projektu. - Oprócz porowatości, spalając się, wnoszą one dodatkowe ciepło, dzięki czemu spada zużycie gazu w procesie produkcyjnym. Fusy z kawy mają o 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” - dodaje.
Fusy używane w prowadzonych na AGH badaniach pochodzą z dwóch sieci kawiarni, ale w czasie produkcji materiałów ceramicznych są ze sobą mieszane. „Mimo iż pochodzą z różnych źródeł, to różnią się jedynie zawartością wody, natomiast cechuje je tożsama ziarnistość oraz zbliżona wartość opałowa” - opowiada dr Kłosek-Wawrzyn.
Według danych International Coffee Organization, na całym świecie rocznie produkuje się około 10 mln ton kawy ziarnistej. Jak mówią przedstawiciele AGH, gdyby cały ten roczny zbiór zmielić i przyrządzić z niego napój, powstałaby taka sama ilość fusów, powiększona dodatkowo o zawartość nieodfiltrowanej wody. 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 na całym świecie od kilku lat naukowcy starają się projektować i wdrażać rozwiązania mające na celu wtórne zagospodarowanie odpadów pozostałych po parzeniu kawy. Po odpowiednim preparowaniu wykorzystuje się je m.in. jako nawóz, biodegradowalny surowiec do produkcji przemysłowej czy biopaliwo. Pomysł badaczki z AGH na wykorzystanie ich jako ekologicznego surowca do produkcji porowatych materiałów ceramicznych wpisuje się w tę potrzebę.
Jednak dr Kłosek-Wawrzyn uważa, że jej rozwiązanie ma wartość nie tylko ekologiczną, ale i użytkową. „Obecnie wytwarzane materiały budowlane mają moim zdaniem zbyt wysokie parametry wytrzymałościowe, co przekłada się na mniejsze właściwości termoizolacyjne – wyjaśnia badaczka. - 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”.
Badaczka z AGH wykorzystuje fusy z kawy do stworzenia nowatorskich materiałów ceramicznych o właściwościach termoizolacyjnych. fot. archiwum AGH w Krakowie
Pierwsze wyniki badań zespołu z AGH są bardzo obiecujące. „Dzięki temu, że całkowicie zmodyfikowałam proces wytwarzania, mogę 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" – podsumowuje dr Kłosek-Wawrzyn.