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        咖啡渣的“逆襲”

        2023-06-09 22:31:04朱繼銀
        知識就是力量 2023年6期
        關(guān)鍵詞:逆襲氫氧化鉀焦油

        “咖啡渣千萬不要扔”,在網(wǎng)上隨處可見咖啡渣的回收、利用攻略,例如養(yǎng)植物、除異味等。但是,你知道嗎,咖啡渣居然還能做成水杯、衣架以及生物燃料!

        將最終產(chǎn)物與導(dǎo)電劑、黏合劑以一定比例混合,均勻地涂覆在銅箔上,干燥后就得到了電極。電極與隔膜(將電解槽內(nèi)的陰極和陽極分開的可滲透的多孔膜)、電解液,可以在惰性氣體(氬氣)中組裝成電池??Х仍瓿闪怂淖兩碇?,成為紐扣電池的一部分啦。

        烘烤、磨碎咖啡豆后,進行加熱或蒸汽處理,提取后剩余的殘渣就是咖啡渣。咖啡渣富含多糖,特別是含有大約50%的纖維素和半纖維素。其他相對豐富的化合物是木質(zhì)素和蛋白質(zhì),約占20%。同時,咖啡渣也含有大量的油以及少量化合物,例如灰分、酚類化合物、礦物質(zhì)、咖啡因等。

        若將咖啡渣直接丟棄或者作為肥料會污染環(huán)境。這是因為,咖啡渣中殘留的復(fù)雜有機物,例如咖啡因、單寧(一種多元酚類化合物)等對土壤有害。

        還有些行業(yè)嘗試將咖啡渣加工后用于燃燒和發(fā)電。但是,與木屑相比,咖啡渣燃燒時會產(chǎn)生顆粒物和有害氣體,因此它無法作為固體燃料直接使用。

        濃硝酸使碳層之間發(fā)生擴展(供圖 / 朱繼銀? 制圖/ 周游)

        要如何解決這些問題,實現(xiàn)咖啡渣變廢為寶呢?

        咖啡渣變身紐扣電池原料!

        其實,咖啡渣的潛在應(yīng)用非常廣泛,可以提取糖和油來產(chǎn)生生物燃料;分離酚類和抗氧化劑用作添加劑;還可以與其他成分物質(zhì)結(jié)合,開發(fā)新的功能材料(在電、磁、聲、光、熱等方面具有特殊性能,或者在其作用下表現(xiàn)出特殊性能的材料,如磁性材料、電子材料及催化材料等)。例如,以咖啡渣作為原料制備多孔碳材料,可以作為碳負極材料用于鋰離子電池,從而提高材料的電化學(xué)性能(化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)化)。具體過程如右上圖所示。

        咖啡渣“工廠”里的一系列操作步驟,包含哪些化學(xué)原理呢?

        在碳化過程中,咖啡渣通過裂解反應(yīng)(較大分子有機物在高溫或催化條件下,分子鏈斷裂成較小分子物質(zhì)的過程)會產(chǎn)生焦油及揮發(fā)性物質(zhì)。這些產(chǎn)物脫離原材料后,剩余的碳原子會結(jié)構(gòu)重排,形成石墨的片層結(jié)構(gòu)。

        這種結(jié)構(gòu)有較多孔隙,但焦油或雜原子(相對于產(chǎn)物非必需的原子)等堵塞了大部分孔隙,因此并沒有形成豐富的孔道結(jié)構(gòu)。用氫氧化鉀溶液處理碳化產(chǎn)物時,氫氧化鉀溶液就像洗滌劑,可以溶解一些被吸附的焦油。

        除此之外,氫氧化鉀溶液會與一些碳原子發(fā)生反應(yīng),使碳材料產(chǎn)生新的孔隙結(jié)構(gòu)、或者原有的孔隙結(jié)構(gòu)會被開發(fā),再使用除去陰、陽離子雜質(zhì)的純凈水洗滌,洗凈氫氧化鉀等其他可溶性有機物后,就可以得到具有豐富孔道結(jié)構(gòu)、較大比表面積(單位質(zhì)量多孔固體的總表面積,包括內(nèi)表面積和外表面積)的多孔碳材料了。

        另外,用濃硝酸對樣品進行處理可以使碳層之間發(fā)生擴展,從而在碳壁上形成微孔結(jié)構(gòu)。這些孔隙為鋰離子提供了大量的存儲位置,便于離子的嵌入或脫出,這樣就縮短了電子傳導(dǎo)和離子擴散的距離。

        石墨結(jié)構(gòu)示意圖

        同時,大量孔隙的存在增大了碳材料的比表面積,這就使其表面活性位點增多,從而提高了材料的導(dǎo)電率。

        除了用來制取碳材料,咖啡渣還可以用于制造生物柴油以及環(huán)保材料。同時,咖啡渣也走進了我們的日常生活中,有許多售賣咖啡飲品的商店可以免費領(lǐng)取咖啡渣,由大家對咖啡渣進行創(chuàng)造性利用。你有什么好點子讓咖啡渣“活”起來嗎?

        (責(zé)任編輯 / 高琳? 美術(shù)編輯 / 周游)

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