Bežný odpad z kuchyne pomáha, kde to nečakáš: Výskumníci našli nečakané riešenie ekologického problému

Milióny ľudí začínajú deň kávou, no len málokto rieši, čo sa deje s použitou kávovou usadeninou. Vo veľkom končí v odpade a často aj na skládkach.

Výskumníci z Loughborough University však v dvoch nedávnych štúdiách ukázali, že tento každodenný „kuchynský zvyšok“ môže mať prekvapivo praktické využitie.

Ťažké kovy ako olovo, meď či zinok patria medzi bežné priemyselné znečisťujúce látky a v prostredí sa správajú problematicky. Neodburávajú sa ľahko a pri dlhodobom vystavení predstavujú riziko pre ekosystémy aj zdravie ľudí.

Práve preto sa hľadajú lacné a dostupné materiály, ktoré dokážu tieto látky z vody „vytiahnuť“ bez náročných technológií. Jedným z nich sú aj kávové usadeniny, ktoré pomáhajú čistiť vodu od týchto ťažkých kovov.

Obrovský zdroj, ktorý dnes vyhadzujeme

Káva je jedným z najkonzumovanejších nápojov na svete. V sezóne 2021–2022 globálna spotreba presiahla 176 miliónov vriec (približne 60 kg na jedno vrece), čo predstavovalo nárast oproti približne 167 miliónom vriec v predchádzajúcom období. S rastúcou spotrebou však rastie aj množstvo odpadu – a medzi najväčšie položky patria práve použité kávové usadeniny.

Z pohľadu materiálových vlastností ide o lignocelulózový zvyšok bohatý na organické látky, ktorý je prirodzene pórovitý. Táto „štruktúra s množstvom mikrodierok“ je dôležitá, pretože práve póry a povrchové funkčné skupiny rozhodujú o tom, či sa nežiaduce látky dokážu na materiál naviazať.

Výskumný tím z Loughborough University, v spolupráci s partnermi z Banaras Hindu University v Indii, sa zameral na dve cesty využitia: buď kávový odpad upraviť na biochar, alebo ho použiť priamo bez úprav, píše portál Knowridge.

Biochar z kávy

V jednej zo štúdií publikovanej v Science Daily vedci použité usadeniny tepelne spracovali na biochar – uhlíkom bohatý materiál vznikajúci pri termochemickej premene biomasy v prostredí s obmedzeným prístupom kyslíka. Cieľ bol jasný: nastaviť proces tak, aby vznikol čo najpórovitejší adsorbent s čo najlepšou schopnosťou viazať olovo (Pb²⁺).

Na optimalizáciu použili štatistický postup (Box–Behnken dizajn v rámci metodiky odozvy povrchu). Výsledkom boli konkrétne parametre pyrolýzy: približne 469,3 °C, rýchlosť ohrevu 15,9 °C za minútu a čas ohrevu 1,28 hodiny.

Takto pripravený biochar dosiahol v testoch 97,5 %-né odstránenie Pb²⁺ z kontaminovanej vody a adsorpčnú kapacitu 4,85 mg olova na gram materiálu, čo sa veľmi blížilo modelovým predikciám (98,3 % a 4,91 mg/g).

Autori zároveň doplnili „mechanické“ vysvetlenie, prečo materiál funguje. Proces adsorpcie zodpovedal kinetickým modelom pseudo-prvého aj pseudo-druhého rádu (R² približne 0,99) a na nelineárnu Langmuirovu izotermu (R² = 0,98), čo naznačuje chemisorpciu v monovrstve. Materiálové analýzy (BET, SEM-EDS, FTIR, XRD) poukázali na zvýšenú pórovitosť, viac kyslíkových väzieb na povrchu a tvorbu komplexov olova na optimalizovanom biochare.

Dôležitý je aj krok smerom k praxi: tím testoval správanie materiálu v kontinuálnom prietokovom režime cez systém so striekačkovým čerpadlom, aby sa priblížil reálnym podmienkam mimo laboratórnej „stojatej“ nádoby. V tejto časti sa ukázalo, že systém dosahuje rovnováhu v horizonte približne piatich hodín.

Netreba vždy spracovanie: surová usadenina funguje pri nižšom znečistení

Druhá línia výskumu bola pragmatická: je vôbec nutné usadeninu spracovávať, ak chceme znížiť náklady a energiu? Výsledky ukázali, že nie vždy.

Neupravené kávové usadeniny dokázali z vody odstraňovať meď a zinok, najmä keď boli ich koncentrácie relatívne nízke. Takýto prístup je lacnejší a jednoduchší, pretože sa vyhne dodatočným energetickým alebo chemickým krokom.

Vedci testovali aj zmesi kávového odpadu s ďalšími prírodnými materiálmi, napríklad s ryžovými šupkami. Ukázalo sa, že pri vyššej úrovni znečistenia môžu byť zmesi mierne účinnejšie než samotná surová usadenina. V mnohých prípadoch sa podarilo odstrániť viac než 96 % kovov z vody, čo naznačuje, že „recept“ sa dá prispôsobiť podľa toho, s akou kontamináciou systém pracuje.

Vieš, čo piješ? Slovák napísal knihu, ktorá odhaľuje tajomstvá, o ktorých kaviarenský svet nehovorí nahlas

Prečo je to zaujímavé

Výskum má dve roviny. Prvá je environmentálna: zníženie záťaže vôd ťažkými kovmi pomocou materiálu, ktorý už existuje ako odpad. Druhá je ekonomická a logistická: kávová usadenina je rozšírená prakticky všade, kde sa pije káva, čiže vstupná surovina je lacná a dostupná.

Autori v odbornom texte pripomínajú aj cenové porovnanie s komerčným granulovaným aktívnym uhlím (GAC): zatiaľ čo GAC býva výrazne drahší (uvádzajú sa stovky až viac ako tisíc dolárov za kilogram), biochar z kávového odpadu sa odhaduje v jednotkách dolárov za kilogram. V prepočte „výkon za cenu“ to vychádza v prospech kávového biocharu ako výrazne ekonomicky výhodnej možnosti.

Aby sa z nápadu stal bežný nástroj čistenia vody, bude rozhodovať niekoľko praktických detailov: dostupnosť zberu usadenín, stabilita materiálu v prevádzke, spôsob regenerácie a bezpečné nakladanie s „nabitým“ adsorbentom, ktorý v sebe po čistení nesie zachytené kovy, píše ďalej Techxplore.

Z hľadiska výskumného smerovania však výsledky ukazujú, že kávový odpad nie je len zvyšok zo šálky, ale potenciálne použiteľná surovina pre nízkonákladové čistenie vody – od jednoduchých scenárov so surovou usadeninou až po výkonnejší biochar pripravený cielene optimalizovaným procesom.

Čítaj viac z kategórie: Zaujímavosti