آسیانیوز ایران؛ سرویس علم و تکنولوژی:
پوریا زرشناس - دکترای اقتصاد انرژی های تجدیدپذیر
یک فنجان قهوه داغ، نوشیدنی محبوب و انرژیبخشی است که میلیونها نفر روز خود را با آن آغاز میکنند. اما پس از نوشیدن این نوشیدنی دلچسب، چه بر سر تفالههای باقیمانده میآید؟ اغلب، این تفالهها به سادگی راهی سطل زباله میشوند و به حجم انبوه پسماندهای خانگی و صنعتی اضافه میکنند. اما پژوهشگران دانشگاه لافبورو انگلستان، چشماندازی کاملاً جدید و ارزشمند برای این پسماند به ظاهر بیمصرف ترسیم کردهاند. یافتههای آنها نشان میدهد که این تفالههای دورریختنی، در واقع گنجی پنهان برای مقابله با یکی از جدیترین معضلات محیطزیستی یعنی آلودگی آبها به فلزات سنگین هستند. فلزات سنگینی مانند سرب، مس و روی، که از طریق فاضلابهای صنعتی و شهری وارد منابع آبی میشوند، تهدیدی جدی برای سلامت انسان و اکوسیستمها محسوب میشوند. حذف این آلایندهها از آب، اغلب فرآیندی پیچیده و پرهزینه است که نیاز به مواد شیمیایی یا فیلترهای گرانقیمت دارد.
اما راهحل پیشنهادی این محققان، شگفتانگیز ساده، ارزان و در دسترس است: استفاده از تفاله قهوه مصرفشده به عنوان یک جاذب طبیعی و مؤثر. این ایده، نمونهای درخشان از "اقتصاد چرخهای" است، جایی که پسماند یک فرآیند، به ماده اولیهای ارزشمند برای فرآیندی دیگر تبدیل میشود. مصرف گسترده قهوه در سطح جهان، حجم عظیمی از این پسماند بالقوه مفید را تولید میکند. تنها در یک سال اخیر، مصرف جهانی از ۱۷۶ میلیون کیسه ۶۰ کیلوگرمی فراتر رفته است. تصور کنید اگر بتوان حتی بخشی از تفالههای حاصل از این میزان مصرف را به جای دفن در خاک، به خدمت پاکسازی محیط زیست درآورد. تفاله قهوه به دلیل ساختار متخلخل و سرشار از ترکیبات آلی، ظرفیت شگرفی برای جذب و به دام انداختن ذرات فلزات سنگین دارد. این ویژگی آن را به رقیبی طبیعی و ارزانقیمت برای جاذبهای صنعتی سنتی تبدیل میکند.
پژوهشهای جدید دو رویکرد را اثبات کردهاند:
- یکی تبدیل تفالهها به مادهای پیشرفتهتر به نام "بیوچار" از طریق فرآیند حرارتدهی که قادر به حذف تقریباً کامل سرب است
- دیگری استفاده مستقیم از تفاله خام قهوه برای جذب فلزاتی مانند مس و روی. این انعطاف، کاربرد آن را سادهتر میکند.
این کشف میتواند تحولی در مدیریت پسماند و تصفیه آب، بهویژه در جوامع با منابع محدود ایجاد کند. با دنبال کردن این مطلب، جزئیات فنی این فرآیند، نتایج چشمگیر آزمایشها و آینده این فناوری سبز را بررسی خواهیم کرد.
تشریح مکانیسم جذب توسط تفاله قهوه
تفاله قهوه یک ماده زیستی-آلی پیچیده است که پس از دمآوری، هنوز ساختار سلولزی و ترکیباتی مانند لیگنین و گروههای عاملی اکسیژندار را حفظ میکند. این ترکیبات، مکانهای فعالی را روی سطح وسیع و متخلخل تفاله ایجاد میکنند که میتوانند یونهای فلزات سنگین را از طریق فرآیندهایی مانند تبادل یونی، کمپلکسسازی و جذب فیزیکی به دام بیندازند. تخلخل بالا سطح تماس فوقالعادهای با آب آلوده فراهم میآورد و به مولکولهای فلزی اجازه میدهد به درون ساختار نفوذ و در آن رسوب کنند. این مکانیسم ذاتی، پایه علمی توانایی پاککنندگی تفاله قهوه را تشکیل میدهد و آن را از یک پسماند ساده به یک جاذب کارآمد تبدیل میکند.
بهینهسازی با تبدیل به بیوچار و نتایج چشمگیر
وقتی تفاله قهوه تحت عملیات حرارتی در شرایط کماکسیژن (پیرولیز) قرار میگیرد، به مادهای غنی از کربن به نام بیوچار تبدیل میشود. این فرآیند، ساختار را حتی متخلخلتر میکند، سطح موثر را افزایش میدهد و گروههای عاملی جدیدی ایجاد مینماید که برای جذب فلزات مناسبتر هستند. پژوهش دانشگاه لافبورو نشان داد که با بهینهسازی دقیق دما و زمان این فرآیند، میتوان به بیوچاری دست یافت که هر گرم از آن قادر به جذب ۴.۹ میلیگرم سرب است و راندمان حذف را به رقم خیرهکننده ۹۸ درصد میرساند. این بهینهسازی، یک گام فراتر از استفاده ساده است و کارایی ماده را به سطحی صنعتی و قابل اتکا ارتقا میدهد.
مزیت نسبی در مقایسه با جاذبهای مرسوم و طبیعی دیگر
پیش از این مواد مختلفی مانند رزینهای مصنوعی، خاکرس، پوسته برنج و پوست موز به عنوان جاذب آزمایش شدهاند. رزینها معمولاً گرانقیمت و وابسته به مواد شیمیایی هستند. در میان جاذبهای طبیعی، تفاله قهوه دارای چند مزیت کلیدی است:
- اولاً به دلیل حجم بالای تولید روزانه در کافهها، رستورانها و خانهها، در دسترس و بسیار ارزان است.
- ثانیاً نیاز به پیشپردازش پیچیدهای ندارد و حتی به صورت خام نیز کارایی قابل قبولی نشان میدهد.
- ثالثاً، امکان ترکیب آن با مواد دیگری مانند پوسته برنج برای ایجاد جاذبهای ترکیبی با عملکرد برتر وجود دارد که انعطاف طراحی را افزایش میدهد.
تأثیر بر مدیریت پایدار پسماند و اقتصاد چرخهای
این فناوری، نمادی عینی از تفکر اقتصاد چرخهای است. به جای دفن یا سوزاندن تفاله قهوه که میتواند مشکلات زیستمحیطی خود را ایجاد کند، آن را به یک محصول باارزش تبدیل مینماید. این امر نه تنها بار دفن زباله و انتشار گازهای گلخانهای مرتبط با آن را کاهش میدهد، بلکه زنجیره ارزش جدیدی ایجاد میکند. کافهها و کارخانههای تولید قهوه میتوانند پسماند خود را نه به عنوان هزینه دفع، بلکه به عنوان ماده اولیه برای بخش تصفیه آب بفروشند. این چرخه بسته، بهرهوری منابع را به حداکثر میرساند و از هدررفت مواد مفید جلوگیری میکند.
چالشهای پیش رو و مسیر توسعه آینده
با وجود نتایج امیدوارکننده، مسیر تجاریسازی و کاربرد گسترده این فناوری با چالشهایی روبروست. از جمله این چالشها میتوان به استانداردسازی کیفیت تفاله قهوه با منشأ مختلف، بهینهسازی سیستمهای تماس جاذب با آب در مقیاس بزرگ، مدیریت خود جاذب اشباعشده با فلزات و اطمینان از بازیافت ایمن یا دفع نهایی آن اشاره کرد. پژوهشهای آینده باید بر طراحی راکتورهای عملی، بررسی امکان احیای و استفاده مجدد از جاذب اشباعشده و آزمایش عملکرد در برابر انواع دیگر آلایندهها متمرکز شوند. همچنین، توسعه پروتکلهای اقتصادی برای جمعآوری و توزیع تفاله قهوه در سطح شهرها یک ضرورت مدیریتی است.
نکته جالب توجه پروژه
این پژوهش کاربردی و امیدبخش، با هدایت دانشمند جوان ایرانی، دکتر پوریا زرشناس و با همکاری دانشگاه قطر به نتیجه رسید. مقاله این پروژه با عنوان "بررسی پتانسیل تفاله قهوه مصرفشده به عنوان یک جاذب پایدار برای حذف فلزات سنگین از آبهای خاکستری در ساختمانهای مسکونی: مطالعه امکانسنجی برای یک مجتمع آپارتمانی ده واحدی"* در دوازدهمین کنفرانس بینالمللی علوم، مهندسی، فناوری و کسبوکارهای نوآورانه در دانشگاه آتن یونان ارائه شد. این طرح از میان ۲۳۰ طرح ارائهشده، به عنوان طرح برگزیده انتخاب و موفق به دریافت جایزه برتر گردید. فاز دوم این مطالعات نیز با حمایت دانشگاه قطر و در قالب یک طرح پژوهشی پسادکتری، در حال انجام است که تمرکز آن بر بررسی قابلیتهای تفاله چای میباشد.
Potential of Spent Coffee Grounds as a Sustainable Adsorbent for Heavy Metal Removal from Greywater in Residential Buildings *
A Feasibility Study for a 10-Unit Apartment Complex