03.03.2022

Badaczka z AGH wykorzystuje fusy z kawy do stworzenia nowatorskich materiałów ceramicznych o właściwościach termoizolacyjnych


Na zdjęciu widoczna jest młoda kobieta w okularach i białym fartuchu, która stoi przed srebrnym mikroskopem wysokotemperaturowym

Dr inż. Ewelina Kłosek-Wawrzyn, Fot. Marianna Cielecka

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 Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki w ramach grantu uczelnianego pracuje nad optymalizacją produkcji takich materiałów. Pierwsze wyniki badań są bardzo obiecujące.

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 tożsama masa 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. Na całym świecie wdrażane są w związku z tym projekty, które mają 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. Dr inż. Ewelina Kłosek-Wawrzyn z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki 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.

Badaczka wyjaśnia, dlaczego pory w materiale 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.

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 – mówi dr inż. Kłosek-Wawrzyn. – 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.

Fusy używane w badaniach pochodzą z dwóch sieci kawiarni, które są mieszane ze sobą. Mimo iż pochodzą z różnych źródeł, to – jak wyjaśnia badaczka z AGH – różnią się jedynie zawartości 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 i dyskutowany jest w literaturze naukowej. Wyzwaniem dla inżynierów jest 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 WIMiC w warunkach w laboratoryjnych, gdzie preparuje próbki materiałów ceramicznych, dobierając różne proporcje poryzatora w postaci fusów z kawy. Następnie przygotowane próbki poddaje szczegółowej analizie.

Na zdjęciu widoczny jest srebrny mikroskop wysokotemperaturowy. W centrum zdjęcia widoczna jest badana próbka, która oświetlona jest żółtym światłem, które odbija się również na mikroskopie

Mikroskop wysokotemperaturowy do badań zachowania się materiału podczas wypalania, Fot. Marianna Cielecka

– Przede wszystkim badamy efektywny współczynnik przewodzenia ciepła, wykorzystując aparat płytowy w układzie stacjonarnym – relacjonuje naukowczyni z AGH. 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 – wyjaśnia pracowniczka AGH. – 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.

Zdjęcie przedstawia trzy brązowe krążki ułożone w jednym rzędzie na białym na tyle. Krążki różnią się od siebie ilością porów oraz są kolejno oznaczone liczbami: 112, 202, 422.

Próbki do badań efektywnego współczynnika przewodzenia ciepła λ w aparacie płytowym, Fot. Marianna Cielecka

Patrząc od lewej, na zdjęciu znajduje się kremowy aparat, na którego froncie znajduje się zielony wyświetlacz oraz zielony pulpit z zaznaczonymi cyframi. Na prawo od aparatu znajduje się czarny laptop, na którego ekranie widoczne są różne okna prezentujące dane w postaci liczb i wykresu.

Aparat do badania współczynnika przewodzenia ciepła materiałów TA FOX50, Fot. dr hab. inż. Waldemar Pichór, prof. AGH

Pierwsze wyniki badań, które prowadzi naukowczyni 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 – deklaruje dr inż. Kłosek-Wawrzyn.

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.