咖啡渣的新用處

Steven Depolo@flickr.com
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撰文|王鈺雯

你知道一年有多少咖啡渣(spent coffee or old ground)從各家餐廳及咖啡廳產生嗎?根據食品工業廢棄物管理(Waste Management for the Food Industries) [1]的報導,至2008年,每年全世界產生約600萬噸的咖啡渣。

這麼咖啡渣該怎麼辦?科學家們試圖再利用這些咖啡渣,例如用來餵食動物、作為火力發電的原料[2]等。近幾年,科學家們發現可以使用咖啡渣所做成的泡綿來淨化重金屬污染的廢水![2][3][4]

今年九月,義大利理工學院(Istituto Italiano di Tecnologia)的恰范博士(Asmita A. Chavan)、弗萊葛利博士(Despina Fragouli)及其團隊將他們的研究成果刊登於ACS永續化學與工程(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)[3]。他們成功的使用簡單而低成本的製作程序,用咖啡渣製造出可以移除水中重金屬離子,如鉛(Pb2+)、汞(Hg2+)、銅(Cu2+)、鎂(Mg2+)、鈷(Co2+)跟鋁(Al3+)等的泡綿。

泡綿的製造過程採用糖淋溶法(sugar leaching technique),這是一種用糖顆粒來製造孔洞的方式。科學家先把咖啡渣、聚合物(elastomer彈性體)和介面活性劑(聚乙二醇-b-聚二甲基矽氧烷,PEO-b-PDMS, 重量比10.0:0.1)溶在有機溶劑正己烷裡,然後加入糖,因為糖是有很多氫氧基,是極性物質,所以在非極性的正己烷裡溶解度不好。用水把糖類溶解,則可得到有許多孔洞咖啡渣泡綿。因為細糖的直徑約∼400–500 微米,所以泡綿中的孔洞大約也在450微米左右。

圖1 泡綿製作流程[3]
圖1:泡綿製作流程[3]
由於介面活性劑可以使泡綿的表面帶有電荷,可以帶極性的水分子產生作用力,成為具親水性的泡綿。反之若沒有添加介面活性劑,泡綿就會變成防水的泡綿。

研究團隊發現咖啡渣泡綿對於移除水中金屬離子移除效率的實驗結果令人興奮。每克的泡綿可以吸收13.5毫克的鉛離子(Pb2+),或17.1毫克的汞離子(Hg2+)。為了模擬真實的情況,這個研究團隊用多種金屬陽離子同時存在於20毫升溶液內a,然後量測了0.2克泡綿的吸收效能。研究結果顯示,30小時過後泡綿可以成功的吸收48.04%的鉛,68.15%的汞跟19.54%的銅。神奇的是,即使在多離子溶液裡,個別離子的吸收料率並不會有所降低。可惜的是,咖啡渣泡綿對於鈷離子和鋁離子的移除效率相對並不出色,只有3.55% 和 10.83%。咖啡渣泡綿也可應用於吸附流動溶液中的重金屬離子,但過快的流速會讓吸付效果顯著下降,流速在低於每分鐘5毫升時有最好的吸收率。

此外,因為重金屬陽離子皆帶正電,溶液的pH值也會影響重金屬陽離子吸附結果。最佳的酸鹼度約在pH值5,此時介面活性劑使得泡綿表面帶負電,同時重金屬陽離子還沒開始跟水中的氫氧根形成沈澱或配位化合物。

那咖啡渣在這中間扮演什麼樣的角色呢?科學家使用X射線光電子能譜儀(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)發現金屬離子與咖啡渣裡的碳酸根產生離子鍵而被移除。根據實驗光譜分析,重金屬離子的訊號再被吸付前後出現改變a,且C=O雙鍵的能量鍵低b,C−O單鍵的比例減少而C=O雙鍵的比例增加。顯示重金屬離子與咖啡渣中的帶負電的官能基形成離子鍵,例如碳酸根,然而因為官能基的數量是有限的,所以對於重金屬離子的吸收也從在著對應的極限。此外,咖啡渣的添加增加了泡綿內部孔洞連通性,加強泡綿的重金屬離子吸付能力。咖啡渣跟不同金屬之間的作用力也可能存在差異,導致對各種重金屬離子的吸收效率不同。

圖2:掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscope , SEM)下的泡綿結構[3]。左圖為填加咖啡渣後的泡綿,右圖為未添加咖啡渣前的泡綿
圖2:掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscope , SEM)下的泡綿結構[3]。左圖為填加咖啡渣後的泡綿,右圖為未添加咖啡渣前的泡綿
參考資料:

  1. Arvanitoyannis, I. S. and Varzakas, T. H., (2008). 11 - Vegetable Waste Management: Treatment Methods and Potential Uses of Treated Waste, In Food Science and Technology, Academic Press, Amsterdam, Pages 703-761, Waste Management for the Food Industries, ISBN 9780123736543, http://dx.doi.org/10.1016/B978-012373654-3.50014-6.
  2. Tokimoto, T., Kawasaki, N., Nakamura, T., Akutagawa, J., & Tanada, S. (2005). Removal of lead ions in drinking water by coffee grounds as vegetable biomass.Journal of Colloid and interface Science281(1), 56-61.
  3. Chavan, A. A., Pinto, J., Liakos, I., Bayer, I. S., Lauciello, S., Athanassiou, A., & Fragouli, D. (2016). Spent Coffee Bioelastomeric Composite Foams for the Removal of Pb2+ and Hg2+ from Water. ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
  4. Utomo, H. D., & Hunter, K. A. (2006). Adsorption of divalent copper, zinc, cadmium and lead ions from aqueous solution by waste tea and coffee adsorbents. Environmental technology27(1), 25-32.

Footproint:

  1. 22 ppm鉛離子、30 ppm汞離子、10 ppm銅離子、14 ppm鋁離子、12 ppm鎂離子和10 ppm鈷離子
  2. C=O雙鍵的能量從532.62eV降至531.84eV,而C−O單鍵的鍵結能量維持於534.32eV

 

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