новый способ получения углеродных сорбентов разработали в Пермском Политехе
Ежегодно в мире образуется около 20 миллионов тонн кофейной гущи, большая часть которой не перерабатывается и оказывается на свалках. В России вместе с ростом потребления кофе объемы этих отходов также увеличиваются. Традиционные методы утилизации, такие как их использование в качестве удобрения, охватывают лишь 10–15%, что делает актуальным поиск новых решений. Ученые Пермского Политеха предложили новый метод переработки кофейной гущи в углеродные сорбенты. Полученные образцы обладают свойствами, сопоставимыми с промышленными аналогами, такими как марки активированного угля, и могут использоваться для очистки воды от тяжелых металлов и нефтепродуктов.
Статья опубликована в сборнике конференции «Химия. Экология. Урбанистика» за 2025 год. Исследование проведено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
В настоящее время в России и в мире идет процесс трансформации системы управления отходами. Его цель – внедрить современные методы утилизации и при этом минимизировать объем, подвергаемый захоронению, и повысить углеродную эффективность технологий. Все это требует принятия научно обоснованных решений по выбору способов и технологий их переработки.
Учитывая большое население России и растущую популярность кофе в крупных городах страны, можно ожидать увеличения объемов образования подобных пищевых отходов. Это подчеркивает доступность сырья и необходимость работы над инновационными решениями в сфере переработки кофейной гущи.
– Кофейные отходы обладают рядом положительных свойств. Их химический состав схож с минеральными азотными удобрениями, что способствует формированию корней, стебля, листвы и ускоряет рост растений. Несмотря на возможность применения кофейной гущи в качестве органоминерального удобрения и в других областях, на сегодняшний день в целом ее вторичное использование составляет не более 10–15%. Перспективное направление утилизации углеродсодержащих растительных отходов – получение на их основе сорбентов, предназначенных для решения экологических проблем, – комментирует Валерия Швалева, магистрант кафедры «Охрана окружающей среды» ПНИПУ.
Суть действия любых углеродных сорбентов в том, что благодаря своей пористой структуре они поглощают вредные вещества из воздуха или жидкостей. Классические примеры – разновидности активированного угля: биологически активный и католитически активный уголь (БАУ и КАУ). Они используются для очистки стоков, питьевой воды, воздуха от токсичных газов, промышленных выбросов, а также для фильтрации систем вентиляции.
Обычно в промышленном масштабе углеродные высокопористые сорбенты получают из растительного сырья в две стадии. Сначала сырье предварительно обрабатывают методом карбонизации при температуре 500–600 °С – то есть нагревают без доступа кислорода, чтобы образовался уголь. Далее, чтобы уголь стал пористым и смог впитать загрязнения, он проходит вторую стадию – активацию карбонизатов водяным паром или химическими реагентами при температуре 800–900 °С. Так изготавливают стандартные сорбенты из растительных отходов.
В качестве сырья для таких «очистителей» могут использовать древесные материалы, сельскохозяйственные отходы (скорлупа орехов, косточки фруктов) и даже кофейную гущу.
– Кофейные отходы, прошедшие предварительную обработку, обладают высокой сорбционной способностью и обеспечивают эффективность очистки от железа, меди и нефтепродуктов. Однако традиционный, двухстадийный способ изготовления сорбентов требует энергетических, временных и серьезный денежных затрат, поскольку во время карбонизации приходится нагревать сырье и использовать дополнительное оборудование. В нашей работе мы экспериментировали с отходами кофейной гущи, которые не подвергались предварительной обработке, чтобы проверить, можно ли создать из них эффективный сорбент при помощи менее затратной технологии, – рассказывает Анна Ардуанова, старший преподаватель кафедры «Охрана окружающей среды» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Ученые Пермского Политеха провели исследования по получению углеродных сорбентов из кофейной гущи, использовав метод термохимического пиролиза (разложение органики при высокой температуре без доступа кислорода, но с добавлением химических реагентов-катализаторов). Итоговые образцы по свойствам сравнивали с промышленными БАУ и КАУ, которые традиционно используются для очистки сточных вод от загрязнений, чтобы определить эффективность разработанной технологии.
– Для создания сорбента мы предварительно смешали отходы с реагентом-активатором. В данном случае это гидроксид калия, который нужен для ускорения разложения сырья и улучшения качества продукта. Затем образцы подвергали пиролизу при температуре 800 °С и определяли, какое количество реагента наилучшим образом влияет на формирование пористой структуры и адсорбционных свойств кофейной гущи. Выявлено, что при массовом отношении отход: активатор = 10:1 получается углеродный сорбент, близкий по свойствам к известным маркам сорбентов, часто применяемых для очистки окружающей среды – БАУ и КАУ. Это говорит о том, что он соответствует общим стандартам и есть высокий потенциал использования кофейных отходов в качестве сорбента в промышленности, – объясняет Ирина Глушанкова, профессор кафедры «Охрана окружающей среды» ПНИПУ.
Исследование доказывает, что предложенный способ позволяет создавать из кофейной гущи сорбент для фильтрации воздуха и сточных вод. При добавлении определенного количества химического реагента гидроксида калия при изготовлении образца, сорбент с кофейными отходами становится схож по структуре и свойствам с биологически активным и католитически активным углем. Они были взяты в качестве стандартов для проверки эффективности.
Технология, которую разработали ученые Пермского Политеха, предлагает полезный для экологии способ утилизации кофейной гущи, а также создает основу для производства дешевых и эффективных сорбентов. Метод не требует серьезных энергетических и денежных затрат, но при этом помогает снижать антропогенную нагрузку на окружающую среду и демонстрирует новые возможности для коммерческого использования отходов.
Информация предоставлена пресс-службой ПНИПУ
Источник фото: ru.123rf.com