咖啡渣不渣？化學故事(二)：化身SCG永續磚

2026 年 08 月 06 日2026 年 08 月 05 日 CASE PRESS 咖啡渣, 永續, 環保, 綠色化學

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我們每天早晨丟掉的咖啡渣，居然能變成能支撐幾百年的磚塊？這聽起來就像是「濕餅乾可以拿來蓋牆」般的神奇。可是科學的樂趣就在這裡，當直覺說「不可能」，我們就要問「為什麼？」水泥靠水合反應硬化，咖啡渣裡的糖和油脂卻會打斷這場分子的友好握手。結果，磚塊一掰就碎。那麼，如果把咖啡渣丟進350 ℃火焰裡呢？它竟然變成多孔的生物炭，反而幫助水泥更緊密。再加上鹼活化技術，咖啡磚只需110 ℃就能固化，不僅省下了八成能源，還能有效隔熱。所以，咖啡渣到底「渣不渣」？

撰文｜A. H.

第一次看到澳洲這個新聞：「從廢料到牆體：你的早晨咖啡如何幫助永續建築」。科學直覺告訴我們：等等，我們要用咖啡渣做磚？咖啡渣是會腐爛的碳機物，而建牆的磚塊卻需要能保存幾百年，這說不通！但……這正是這個問題有趣的地方。咖啡渣 (spent coffee grounds, SCGs) 變成磚，是一場結合水合反應 (hydration reaction)、熱化學 (thermochemistry) 和鹼活化 (alkali activation) 的化學故事。

抑制水合反應：咖啡渣與水泥不合拍

在《咖啡渣不渣？化學故事(一)：前傳》中我們已經知道，SCGs的「玩具箱」裡藏著不少建築材料的可能性，像是混凝土與複合材料，主要源自固體殘留物的再利用。那麼，把咖啡渣丟進水裡會怎麼樣呢？水會立刻染成棕色。這並不只是顏色的改變，而是化學物質的釋放，因為SCGs富含醣類、酸類與酚類等有機分子。

然而，如果直接把濕咖啡渣倒進水泥攪拌機，那就麻煩了。大自然有自己獨特的硬化方式，在水泥裡，這個過程叫做「水合或水化」(hydration)。就像是無數細小的水泥顆粒伸出手，緊緊抓住水分子，形成晶體般的「握手」，把所有物質牢牢黏合在一起。混凝土之所以能硬化，正是因為水與水泥接觸時發生的化學反應：「水合反應」。而這些反應對環境條件極為敏感。

問題在於SCGs裡充滿了糖、酸、油脂等有機雜質。當它們混入水泥時，就像鐘錶齒輪裡灑進了沙子，阻礙了水合反應，讓「握手」無法完成。結果呢？做出來的磚塊強度就像一塊濕餅乾一樣脆弱。

圖二：Roychand等人 (2023) 將含有不同濃度SCGs水泥漿樣品，加入5% SCG時，氫氧化鈣的含量顯著下降。隨著SCG濃度進一步增加，氫氧化鈣含量急劇減少，接近可忽略不計的水平。隨後，鈣礬石 (ettringite)、方解石 (calcite)、矽酸三鈣 (alite) 和矽灰石 (larnite) 相的含量增加，表明添加SCGs顯著阻礙了水合反應｜來源：作者與AI協力繪製

澳洲皇家墨爾本理工大學 (RMIT) Roychand等人 (2023) 的研究顯示，這些滲出的有機物會吸附鈣離子、延緩水合反應，甚至破壞晶體的形成。最終的結果只有一個：混凝土抗壓強度效果顯著下降。換句話說，未預先處理的SCGs與水泥天生就是不合拍的組合。

熱化學來救援：SCGs不再干擾混凝土的化學反應

熱化學在此扮演關鍵角色，宛如披著斗篷的神祕英雄。其核心概念是：熱能對物質的改變具有強大影響力。根據Saxena等人 (2025) 的綜述研究，將原始SCGs透過熱化學轉化為固體、氣體與液體燃料，是常見且有效的處理方式之一。

Roychand等人的實驗亦指出，將SCGs於350 ℃熱解 (thermal decomposition) 後，取代混凝土中15 vol%的砂，可使其強度提升約30%。當咖啡渣加熱至350 – 500 ℃時，其與水泥基體之間會形成更穩固的黏結界面。換言之，經熱解過程，咖啡渣中的糖分與油脂被分解，物質會收縮並碳化，最終轉化為一種多孔、富含碳的固體「生物炭」(Biochar)，或稱「咖啡生物炭」(Coffee Biochar, CBC)，成為嶄新的化學反應產物。Roychand團隊的研究顯示，熱解後的咖啡渣不僅停止釋放有害物質，抑制水分的化合物減少、碳濃縮、增加孔隙度與表面積，材料性質趨於穩定。此時，SCGs不再干擾水泥的水合反應，反而開始發揮正面效益。

圖三：熱解後「咖啡生物炭」示意圖｜來源：參考Roychand等人 (2023) Fig 8&11與AI協力繪製

這場由熱化學主導的「逆轉救援」，讓咖啡渣搖身一變成為混凝土強度的助力。當熱解後的SCGs被添加至混凝土中，水合反應不僅未受抑制，反而更為活躍。其原因在於：生物炭能將水分鎖在微孔中（如同微型海綿），為水合產物提供成長空間，改善水泥基質的內部堆積結構。水合晶體不再漫無目的地遊走，而是精準地在所需位置成核，促進結構強化。

化學妙招：鹼活化免燒咖啡磚

圖四：鹼活性免燒咖啡磚示意圖｜來源：參考Chung等人 (2021) 圖形摘要與AI協力繪製

傳統磚材燒製需在900 – 1100 ℃高溫下進行，不僅耗費大量能源，還會排放顆粒物與氣態污染物，加劇空氣污染並造成能源浪費。澳洲斯威本科技大學的研究團隊找到了一條捷徑：他們採用所謂的「鹼活化技術」，無需高溫熔化物質即可製磚。根據前言的新聞報導，這項創新成果預計於2025年在市場上正式推出咖啡渣磚產品，有望降低澳洲的碳足跡，並為建築業帶來全新的永續轉型契機。

1957年，來自烏克蘭基輔（當時屬於蘇聯）的科學家維克多．格盧霍夫斯基 (Victor Glukhovsky) 提出了一個假設，成為開發和實現一種全新水泥類材料的基礎。該材料最初以「鹼性水泥 (alkaline cements)」的名稱出現，如今也被統稱為「鹼活化水泥 (alkali-activated cements)」。這些理念的有效性必須到近70年的演進發展，以及在各種大規模應用所收集的大量實踐經驗中才能獲得實證。

近期，斯威本科技大學研究團隊使用前驅物，如黏土殘渣或粉煤灰，並使用了「化學觸發劑」（通常是氫氧化鈉和矽酸鈉的混合物）進行處理。這種觸發劑會引發一系列化學反應，使材料在更低的溫度下黏合在一起。這些固體咖啡生物炭磚的固化溫度僅為110 ℃左右，不需要大型窯爐來「烘焙」出一塊咖啡磚。這相當於能夠節能80%，同時也符合美國材料與試驗協會 (ASTM) 制定的《建築磚標準規範》——以黏土或頁岩燒製的建築磚，在結構與非結構用途上的性能要求（主要涵蓋強度、吸水率、尺寸、外觀與耐久性等指標）。

為什麼SCG磚是永續的？

圖五：化身SCG永續磚的咖啡生命週期示意圖｜參考La Scalia等人(2021) Fig.1與AI協力繪製

現在，讓我們從更宏觀的角度來看這個問題。垃圾掩埋場中的咖啡渣被分解會產生甲烷 (CH4) 這種溫室氣體，以一噸的甲烷來預估，在100年期間的暖化潛勢是二氧化碳的28倍。但如果用熱化學方法穩定這些碳，並將其封存在磚塊或混凝土中，它就能保持數十年不變。

在義大利學者La Scalia等人 (2021) 的生命週期研究中，透過將不同量的SCGs作為建築骨料來取代傳統砂，獲得新型砂漿的性能質。結果表明，使用SCGs的建築材料不僅能減少環境影響、提升水分吸收，還能因為咖啡渣中的微孔，降低導熱係數，使隔熱性能更好，並取代原生建築骨材。即使添加5%的SCGs，也能顯著降低導熱係數，從而提高砂漿和磚塊的隔熱和絕緣性能。這些建築材料利用SCGs和工業副產品（如造紙業的粉煤灰或黏土殘渣），減少了對沙子等不可再生資源的依賴，還能促進循環經濟 (circular economy , CE)。

換句話說，熱化學（熱解）與替代化學鍵結（鹼活化）之間的協同作用，對於成功再利用廢棄咖啡渣至關重要。透過將有機廢棄物轉化為穩定的生物炭，或將其應用於鹼活化體系，建築業可以生產出環保永續的磚塊。這些磚塊不僅強度可與傳統材料媲美，而且還具備更優異的隔熱性能和顯著降低能耗的優點。

所以，咖啡渣到底「渣不渣」？SCG永續磚的故事告訴我們：價值並非天生，而是透過轉化來顯現。從「濕垃圾」到「永續磚」，端看我們怎麼處理。直接丟進水泥裡，它就是麻煩鬼；經過熱解和鹼活化，SCG就成了永續綠建築的英雄。文末，我們提供ChEBI知識本體中所描述的氫氧化鈣、氫氧化鈉、方解石與矽酸鈉的簡要知識樹（圖六）。（待續）