علماء روس يحولون بقايا القهوة الرطبة إلى وقود عالي الطاقة

طوّر باحثون عملية تحلل حراري بالبلازما Plasma Pyrolysis processing تحوّل بقايا القهوة الرطبة مباشرةً إلى فحم حيوي غني بالطاقة من دون الحاجة إلى مرحلة تجفيف منفصلة، إذ استغرقت العملية 90 ثانية فقط في ظل الظروف المثلى، وأنتجت وقوداً صلباً بقيمة حرارية مماثلة للفحم الحجري.

وتشير نتائج العملية إلى أنها قد توفر وسيلة أسرع لاستعادة الطاقة والمواد الكربونية المفيدة من النفايات العضوية الغنية بالرطوبة، بحسب ما نشرته "بوابة روسيا العلمية".

لماذا يصعب إعادة تدوير بقايا القهوة؟

يُنتج استهلاك القهوة أكثر من 10 ملايين طن من بقايا القهوة المستعملة سنوياً في جميع أنحاء العالم، ويُرسل جزء كبير من هذه المواد إلى مكبات النفايات أو يُحرق، ما يُساهم في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري والتلوث البيئي.
 
تحتوي بقايا القهوة المستعملة على مركبات عضوية غنية بالكربون، وبالتالي فهي تمتلك إمكانات طاقة حقيقية، إلا أنّ محتواها العالي من الرطوبة يجعل معالجتها بكفاءة أمراً صعباً.
 
وتتطلب طرق التحويل التقليدية عادةً تجفيف البقايا أولاً، مما يستهلك طاقة إضافية ويقلل من القيمة الاقتصادية للوقود المُستخلص. وطُوِّرت طريقة جديدة لمعالجة الكتلة الحيوية التي تحتوي على نسبة رطوبة تقارب 55% مباشرةً، متجاوزةً بذلك هذه الخطوة التمهيدية المكلفة.

ما هي عملية التحلل الحراري بالبلازما؟

استخدم الباحثون عملية تُسمى التحلل الحراري بالبلازما Plasma Pyrolysis processing، تتضمن عملية التحلل عادةً تسخين المواد العضوية في درجات حرارة عالية لتفكيك بنيتها الكيميائية وتحويلها إلى منتجات غنية بالكربون، وغازات، وأبخرة.
 
في النظام الجديد، يُولِّد غاز البترول المسال والهواء المضغوط لهباً بلازمياً عند درجة حرارة تتراوح بين 800 و900 درجة مئوية تحت الضغط الجوي، والبلازما هي حالة من حالات المادة ذات طاقة عالية، حيث يسخن الغاز بدرجة كافية لاحتواء جسيمات مشحونة، مما يسمح له بنقل الحرارة بسرعة فائقة.
 
وعلى عكس العديد من عمليات التحلل الحراري التقليدية، يمكن لهذا النظام معالجة بقايا القهوة الرطبة مباشرةً، حيث تعمل الحرارة الشديدة على إزالة الرطوبة وتحويل المادة العضوية المتبقية إلى فحم حيوي في آنٍ واحد.

الرطوبة تُصبح جزءاً من العملية

عادةً ما يُعتبر الماء عائقاً عند تحويل الكتلة الحيوية إلى وقود، نظراً للحاجة إلى طاقة كبيرة لتبخيره، إلا أنّ الرطوبة تُساهم أيضاً في هذه العملية.
 
فعندما يسخن الماء داخل كل حبة قهوة بسرعة، يتحول إلى بخار، مما يزيد الضغط الداخلي، وينتج عن ذلك انفجارات مجهرية وصفها الباحثون بـ تأثير "الفشار".
 
تتمدد الجزيئات وتتكسر، مما يُسرّع عملية التفحيم ويُكوّن بنية مسامية للغاية، كما يعمل البخار المنطلق كعامل مُنشّط، يُسرّع التفاعلات ويُحسّن خصائص المادة الكربونية الناتجة، وبدلاً من إزالة كل الماء قبل المعالجة، تستخدم هذه التقنية جزءاً من تلك الرطوبة للمساعدة في تشكيل المنتج النهائي.

تحويل كامل في 90 ثانية فقط

في ظل أفضل ظروف التشغيل، حقق الباحثون تحويلاً كاملاً في 90 ثانية، حيث فقدت حبوب البن المطحونة 83.3% من كتلتها الأصلية أثناء المعالجة، وبلغت القيمة الحرارية النوعية للفحم الحيوي الناتج 29.0 ميغا جول لكل كيلوغرام، أي أعلى بنسبة 33% تقريبًا من القيمة المقاسة لبقايا القهوة غير المعالجة، والتي بلغت 21.8 ميغا جول لكل كيلوغرام.
 
تقيس القيمة الحرارية كمية الطاقة التي تُطلقها المادة عند احتراقها، وتشير النتيجة الأعلى إلى أنّ المنتج المُعالج بالبلازما يحتوي على طاقة قابلة للاستخدام لكل كيلوغرام أكثر من الكتلة الحيوية الرطبة الأصلية.

كما زادت هذه العملية نسبة الكربون الثابت بمقدار ثلاثة أضعاف تقريباً، من 15.6% إلى 46.2%، والكربون الثابت هو المادة الصلبة القابلة للاحتراق المتبقية بعد إزالة الرطوبة والمواد المتطايرة.

وقود أنظف ذو بنية مسامية عالية

وخلال العملية، أزالت المعالجة مركبات الكبريت تماماً من المادة، مما قد يمنع انبعاث أكسيد الكبريت عند احتراق الفحم الحيوي. تُساهم هذه الغازات في تلوث الهواء وتكوّن الأحماض في الغلاف الجوي. وأفاد الباحثون أيضاً بانخفاض إنتاج الملوثات الثانوية، مثل الدخان والقطران.
 
كما طرأ تغيير كبير آخر على مساحة سطح الفحم الحيوي، إذ زادت من 1.5 إلى 115.4 متراً مربعاً لكل غرام، وتعني مساحة السطح الداخلية الكبيرة احتواء المادة على العديد من المسامات المجهرية التي تسمح للجزيئات بالالتصاق.
 
قد تجعل هذه الخاصية المنتج مفيداً ليس فقط كوقود صلب متجدد، بل أيضاً كمادة أولية للكربون المنشط أو غيره من المواد الماصة المستخدمة في امتصاص الملوثات والمواد الكيميائية غير المرغوب فيها.

أسرع بكثير من عمليات معالجة الكتلة الحيوية الرطبة الأخرى

يمكن استخدام الكربنة الحرارية المائية لمعالجة المواد العضوية الرطبة، ولكنها تستغرق عادةً ما بين ساعة وست ساعات، أما عملية البلازما الجديدة، فقد أنجزت التحويل أسرع بما يتراوح بين 40 و240 مرة، وفقاً لمقارنة الباحثين، كما أنها أسرع بأكثر من 20 مرة من التحميص، وهي عملية معالجة حرارية معتدلة تستغرق عادةً 30 دقيقة على الأقل.
 
يستخدم النظام البلازما المتولدة من خلال الاحتراق بدلاً من الاعتماد على معدات البلازما الكهربائية التي تستهلك طاقةً أكبر، ويهدف هذا التصميم إلى خفض استهلاك الطاقة الإجمالي مع الحفاظ على معدل معالجة عالٍ.
 
قد تكون أهم ميزة اقتصادية لهذه العملية هي القدرة على معالجة المواد الرطبة مباشرةً، إذ يُمكن أن يُساهم الاستغناء عن معدات التجفيف المنفصلة في تقليل وقت المعالجة واستهلاك الطاقة وتكاليف التشغيل.

استخدامات محتملة تتجاوز مخلفات القهوة

قد تكون هذه الطريقة مناسبة أيضاً لأنواع أخرى من النفايات العضوية الغنية بالرطوبة، بما في ذلك مخلفات الطعام، وحمأة الصرف الصحي، والمخلفات الزراعية.
 
نظرًا لصغر حجم النظام وسرعة عمله، يرى الباحثون إمكانية إنشاء محطات لامركزية لتحويل النفايات إلى طاقة بالقرب من مصدرها، فمن الناحية النظرية، ويمكن للمقاهي، ومصانع تجهيز الأغذية، ومراكز النفايات المحلية معالجة المواد في مواقعها بدلاً من دفع تكاليف نقل كميات كبيرة من الكتلة الحيوية الرطبة إلى أماكن أخرى.
 
ويُعدّ هذا الأمر بالغ الأهمية نظراً لثقل النفايات الرطبة وارتفاع تكلفة نقلها، فضلاً عن أنّ النقل لمسافات طويلة قد يستهلك جزءاً من الطاقة والفوائد البيئية المُتحققة من إعادة التدوير، وتُظهر النتائج طريقة تحويل سريعة وواعدة، ويكمن الإنجاز الرئيسي في تحويل الرطوبة - التي كانت سابقاً من أكبر العقبات أمام تحويل تفل القهوة إلى منتجات مفيدة - إلى عنصر فعّال في العملية