你可能想象不到，每天全球都會產生數以億計杯咖啡所留下的廢棄咖啡渣。據統(tǒng)計，這類有機廢棄物每年累計超過100億千克，其中大部分被直接丟入垃圾填埋場。與此同時，建筑行業(yè)對混凝土原料的需求持續(xù)增長，特別是用于混凝土制備的天然砂，正在以不可持續(xù)的速度被開采，帶來嚴重的生態(tài)問題。

使用咖啡渣蓋樓的示意圖（圖片來源：作者使用AI生成）

為解決這兩類看似無關的環(huán)境挑戰(zhàn)，澳大利亞皇家墨爾本理工大學的研究團隊提出了一種創(chuàng)新思路，通過低溫熱解技術，將咖啡渣轉化為一種可用于增強混凝土性能的碳質材料。

咖啡渣如何成為混凝土的增強材料

科研人員在研究中首先指出，咖啡渣雖然顆粒細小、來源豐富，但并不能直接摻入混凝土體系。原因在于其內部含有多種有機化合物，如多酚類、脂肪酸和碳水化合物，這些成分在與水泥接觸時會發(fā)生浸出反應，釋放出可溶性有機物（如圖1），顯著干擾水泥的水化過程。水泥在硬化過程中依賴氫氧化鈣、硅酸鈣水化物等晶體結構的形成，而咖啡渣中這些有機組分的存在，會使水化反應速率下降，晶體生成不完全，最終導致混凝土的抗壓強度明顯降低。早期實驗表明，當以未處理的咖啡渣替代砂料20%時，混凝土的強度下降可達40%以上。

圖1 咖啡渣有機物的浸出（圖片來源：參考文獻[1]）

為了改善這一問題，研究團隊采用了熱解技術。該技術是一種在缺氧條件下對有機物加熱分解的過程，研究中分別設定了350攝氏度和500攝氏度兩種溫度條件?？Х仍?50攝氏度下熱解時，其有機分子被分解為氣體與液體副產物，殘留部分轉變?yōu)橐环N多孔、富含碳的固體材料——生物炭（圖2）。與未經處理的咖啡渣不同，這種生物炭在結構上表現(xiàn)出明顯的微孔特征，且不再釋放有機化學物質，從而消除了對水泥水化的不利影響。

進一步地，研究人員在實驗設計中將這種咖啡生物炭分別以5%、10%、15%和20%的體積比例替代混凝土中的天然砂。結果顯示，15%替代比例的混凝土在28天齡期的抗壓強度達到最優(yōu)，比對照組（無生物炭添加？）提高了約29.3%。

圖2 熱解后的咖啡生物炭的掃描電鏡（圖片來源：參考文獻[1]）

這一強度提升主要歸因于三方面機制，一是生物炭表面的孔隙結構增強了水泥漿體的嵌合，使混凝土更致密；二是生物炭能吸附并緩慢釋放水分，起到內部養(yǎng)護作用；三是，熱解生物炭與水泥基體結合緊密，界面致密，顯著提升抗壓強度與耐久性。

從實驗室到可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實意義

咖啡渣轉化為生物炭并用于混凝土增強的研究，不僅是一項材料學的創(chuàng)新，更具重要的環(huán)境與社會意義。全球每年約有100億千克咖啡渣被丟棄，其中大部分最終進入垃圾填埋場。在厭氧條件下分解時，咖啡渣會釋放甲烷，這種氣體的溫室效應是二氧化碳的21倍。通過熱解處理，這些廢棄物不再排放溫室氣體，而是被轉化為穩(wěn)定的碳質固體，從而有效減少碳排放量。

與此同時，建筑行業(yè)正面臨另一項資源危機，天然砂的過度開采。河床和河岸采砂造成水文破壞和生態(tài)退化，已成為全球普遍存在的環(huán)境問題。混凝土生產中，天然砂約占總體積的40%。如果能將部分天然砂替換為來源廣泛的咖啡生物炭，不僅能緩解砂石資源的緊缺，也能降低開采對生態(tài)系統(tǒng)的壓力。

根據研究團隊的計算，僅澳大利亞每年產生的7.5萬噸咖啡廢渣，經350攝氏度熱解后可得到約2.25萬噸生物炭。若將其作為細骨料替代物摻入混凝土，可對應替換約75000立方米砂料。這一規(guī)模足以消化澳大利亞范圍內全部咖啡渣產出，實現(xiàn)廢棄物的完全資源化利用。

除環(huán)境效益外，該技術還具備明顯的經濟潛力。熱解工藝能在低能耗條件下實現(xiàn)連續(xù)生產，生物炭的制備和混凝土摻合可形成新的產業(yè)鏈環(huán)節(jié)，涵蓋廢棄物收集、熱解處理、材料加工與建筑應用等多個環(huán)節(jié)，帶動就業(yè)增長。

總結

咖啡渣被視為生活中再普通不過的廢棄物，但在科研視角下，它展現(xiàn)出意想不到的潛力。通過熱解技術，研究人員讓咖啡渣轉化為一種穩(wěn)定的碳質材料，并成功應用于混凝土增強。實驗結果表明，在合適的溫度和比例下，這種由咖啡渣制成的生物炭不僅能提高混凝土的強度，還能減少天然砂的使用，對環(huán)境和資源都有積極影響。

這項研究的意義在于，它為處理大量有機廢棄物提供了新的思路，也為建筑行業(yè)的低碳轉型提供了切實可行的材料方案。未來，研究團隊還將進一步考察這種咖啡渣混凝土在長期使用條件下的性能，如抗凍融、抗化學腐蝕與耐磨損性。如果結果穩(wěn)定，它有望在建筑、道路鋪設和預制構件生產中推廣使用。

參考文獻：

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[2] Andrade, TatianaSantos, et al. "Biochar obtained by carbonization of spent coffee groundsand its application in the construction of an energy storagedevice." Chemical Engineering Journal Advances 4 (2020):100061.

[3]  Arulrajah, Arul, et al. "Spent coffeegrounds–fly ash geopolymer used as an embankment structural fillmaterial." Journal of materials in civil engineering 28.5(2016): 04015197. 04015197.

策劃制作

作者丨楊  超深圳理工大學科普主管、中國科普作家協(xié)會會員

審核丨孫克衍 中國礦業(yè)大學副教授