V dnešní době čelíme mimo jiné rostoucímu problému znečištění vodních systémů organickými kontaminanty – látkami, které jen těžko mizí z odpadních vod a mohou zasahovat do životního prostředí i lidského zdraví. Mezi nejčastější kontaminanty vod patří barviva, léčiva, antibiotika nebo tzv. xenoestrogeny (látky narušující hormonální rovnováhu). Tyto látky končí v řekách, jezerech i podzemních vodách a tradiční čistírny na ně často nestačí.
Pro odstraňování kontaminantů vod se dlouhodobě používá aktivní uhlí (AC) – velmi porézní materiál s velkým povrchem, který dokáže „chytit“ tyto kontaminanty jako magnet. Většina aktivního uhlí se vyrábí z fosilních surovin a jeho produkce tak není příliš udržitelná.
To přivádí vědce k hledání alternativních materiálů – biocharu, tedy uhlíkového materiálu vyrobeného z biomasy. A co je ideální? Biomasa, kterou získáme vlastně „zadarmo“ – třeba zbytky kávových sedlin, které denně vyhodíme po šálku kávy.
Co je biochar a proč právě z kávy?
Biochar je materiál vzniklý karbonizací rostlinné biomasy, tedy zahříváním za velmi nízkého nebo žádného přístupu kyslíku. Tento proces odstraní velkou část vody a těkavých látek z původní organické hmoty a zanechá uhlíkově bohatou pevnou hmotu s velkým povrchovým prostorem a pórovitou strukturou. Zbytky kávy – tzv. spent coffee grounds (SCG) – jsou ideální surovinou pro výrobu biocharu. Obsahují hodně uhlíku, jsou snadno dostupné a jejich využití pomáhá řešit problém s velkým množstvím kávového odpadu, který každý den vzniká v domácnostech i kavárnách. Cílem vědců je vylepšit takový biochar tak, aby se stal extrémně účinným adsorbentem kontaminantů z vody – srovnatelným nebo i lepším než běžné aktivní uhlí.
Jak se biochar ze zbytků kávy vyrábí
Proces výroby začíná pyrolýzou – tedy tepelnou úpravou kávových sedlin při vysoké teplotě bez kyslíku. Nicméně tím to nekončí. Vědci zkoumali i způsoby, jak strukturu výsledného biocharu upgradovat. A odpovědí je aktivace lógru pomocí MgCO₃. Při aktivaci se během pyrolytického procesu vytvářejí mikro- a mezo-póry, které zvětšují povrch materiálu – tím se zvyšuje jeho adsorpční kapacita. Výsledný materiál může mít povrchovou plochu až 600 m²/g, což je přibližně plocha 3–4 běžných bytů. Takže si představ, že držíš na špičce lžičky kávový logr a uvnitř něho je schovaná plocha několika bytů dohromady. Taková plocha aktivního povrchu materiálu se výrazně blíží nebo překonává vlastnosti některých konvenčně vyráběných aktivních uhlí.
Jak biochar „chytá“ kontaminanty
Biochar funguje na principu adsorpce – tedy látky z kapaliny se „přilepí“ na povrch materiálu. Čím větší povrch a více pórovitá struktura, tím více látek je materiál schopen zachytit.
V testech bylo biocharu vystaveno několik typů organických kontaminantů. Methylenová modř a methylenová oranž – běžná barviva, která se používají jako modelové látky v laboratorních testech. Představují nebezpečí v zemích nebo regionech s textilním nebo barvicím průmyslem.
Diklofenak a tetracyklin – léky, které se často nacházejí ve vodách po použití léčiv.
Bisfenol A (BPA) – změkčovadlo a známý xenoestrogen, který může narušovat hormonální systém organismů. Všechny zmíněné látky biochar dokázal odstranit z vodných roztoků téměř ze 100 %.
Role pH a dalších faktorů v adsorpci
Účinnost adsorpce u biocharu není absolutní bez ohledu na podmínky. Klíčovým faktorem je pH vodného roztoku – tedy kyselost či zásaditost média.
Biochar z kávové sedliny vykazuje vyšší adsorpční účinnost při určitých hodnotách pH, nejčastěji v mírně kyselém prostředí v hodnotách pH 5–6. To je způsobeno změnami elektrostatického náboje povrchu biocharu, který se při tomto pH nabíjí negativně, a iontů kontaminantů, což ovlivňuje jejich přitažlivost. Dalšími faktory, které ovlivňují adsorpci, jsou koncentrace kontaminantu, doba kontaktu mezi biocharem a vodou a teplota a iontová síla roztoku. Všechny tyto parametry rozhodují, jak rychle a kolik kontaminantů se naváže na povrch biocharu.
Porovnání s konvenčními technologiemi
Biochar vyrobený ze zbytků kávy má několik zásadních výhod oproti tradičnímu aktivnímu uhlí.
Biochar je vyráběn z odpadu, který vzniká každodenně při pití kávy. Aktivní uhlí se často vyrábí z fosilních materiálů nebo dřeva, což znamená vyšší náklady a větší ekologickou stopu. Biochar tedy představuje cestu k udržitelnosti. Kávové sedliny jsou prakticky zadarmo, což může dramaticky snížit náklady na výrobu adsorbentu. Biochar je látka s vysokou účinností.
Při správné aktivaci může biochar dosahovat podobných nebo i lepších adsorpčních kapacit než komerční aktivní uhlí.
Využití biocharu ze zbytků kávy je elegantní příklad „cirkulární ekonomiky“ – odpad se mění v hodnotný produkt, který pomáhá řešit další environmentální problém.
Potenciální aplikace v praxi
Biochar ze zbytků kávy může nalézt uplatnění v různých oblastech našeho života. Lze ho přidat do filtrů nebo kolonových reaktorů na čističkách odpadních vod, aby lépe zachytával organické kontaminanty. V některých konfiguracích by bylo možné biochar integrovat i do systémů na úpravu pitné vody, zejména tam, kde jsou přítomné rezidua léčiv nebo chemikálií. Menší zařízení nebo filtrační patrony by mohly obsahovat biochar pro dodatečné čištění vody z kohoutku přímo v našich domácnostech. Biochar může také pomoci stabilizovat znečištěnou vodu používanou pro zavlažování v zemědělství nebo pomoci adsorbovat kontaminanty v půdě.
Výzvy a budoucí směry výzkumu
Přestože výsledky jsou velmi slibné, existuje několik otevřených otázek. Například – jak vůbec standardizovat výrobu takového materiálu? Výsledky se mohou lišit podle způsobu výroby, použité aktivace, teploty pyrolytického procesu a dalších faktorů.
Nadále je důležité zjistit, jak biochar recyklovat nebo regenerovat po tom, co adsorbuje kontaminanty, aby se jeho životnost prodloužila. Je potřeba zvážit také ekonomiku produkce. I přesto, že je surovina levná, je třeba prověřit, zda je výroba biocharu na větším měřítku stále ekonomicky efektivní. V neposlední řadě nesmíme opominout bezpečnost. Je nutné zajistit, aby biochar neobsahoval škodlivé látky, které by se mohly uvolňovat do vody, a aby jeho použití bylo bezpečné pro životní prostředí i lidské zdraví.
Závěrem
Ukazuje se, že biochar vyrobený ze zbytků kávy je velmi perspektivní materiál pro ekologickou filtraci vody. Pokud je správně aktivován (například s MgCO₃), má vysokou pórovitost i adsorpční kapacitu a dokáže zachytit řadu organických kontaminantů.
Tato technologie tak spojuje dvě zásadní témata – udržitelný přístup k odpadu z kávy a inovativní řešení pro čistší vodu, což přesně zapadá do filozofie projektu Káva spojuje – kde káva není jen nápoj, ale materiál s vyšší hodnotou a nástroj, který nám alespoň částečně napomůže tlumit následky našich zásahů do ekosystému.
Autorem úvodní fotografie je Isra Yosoy.
