本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
注意：這是一篇由羅伯特·法雷斯撰寫的客座文章。有關羅伯特背景的更多資訊，請參見下文。- 大衛
近年來，一次性咖啡膠囊在咖啡愛好者中越來越受歡迎。咖啡膠囊完全封裝了預先分份的咖啡粉和調味劑在一次性膠囊內。這種獨特的設計使休閒咖啡沖泡者可以在家中輕鬆地重現他們最喜歡的咖啡館飲品，只需極少的準備和努力。但是，無處不在的咖啡膠囊的便利性也有缺點。與傳統的滴濾咖啡機相比，基於咖啡膠囊的咖啡機每杯產生的廢物更多，而且它們的廢物比簡單的紙和咖啡渣更麻煩：例如，雀巢的 Nespresso 咖啡膠囊將咖啡包裹在鋁製膠囊中。基於咖啡膠囊的咖啡所需的額外包裝引發了來自環保界的批評。
為了回應環境問題，一些咖啡膠囊製造商已努力回收使用過的膠囊。2009 年，雀巢啟動了其 AluCycle 倡議，旨在建立數千個專門的咖啡膠囊收集點，到 2013 年回收 75% 的使用過的 Nespresso 膠囊。這些收集點的重點是鋁回收，與來自原生來源的鋁相比，鋁回收可以節省大量的能源和溫室氣體。
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雀巢的鋁回收利用留下了大量剩餘的咖啡渣。目前，雀巢將用過的咖啡渣與有機物混合以生產堆肥。西班牙國家碳研究所的研究人員最近發表的工作表明，雀巢可以透過將用過的咖啡渣再利用為碳捕獲和儲存材料，從而有可能進一步提高其回收工作的氣候效益。
碳捕獲和儲存材料是克服氣候變化的重要組成部分。國際能源署估計，到 2050 年，約五分之一的溫室氣體減排量將來自碳捕獲和儲存。一個有吸引力的解決方案是從發電廠的廢氣中捕獲二氧化碳，以便可以對現有設施進行改造，使其達到現代碳排放標準。西班牙研究人員希望他們對用過的咖啡膠囊的研究將有助於開發一種廉價的碳捕獲解決方案，該解決方案對能源行業具有吸引力。
那麼，如何將舊咖啡渣變成二氧化碳洗滌器呢？關鍵是將咖啡渣中豐富的碳轉化為活性炭。活性炭用於多種過濾應用。它透過其巨大的表面積來吸附汙染物；其表面上的微小微孔吸引並鎖定分子。如果工程設計正確，活性炭可以去除燃煤電廠煙囪排出的熱氣體中的大部分二氧化碳。
在他們發表在《應用能源》雜誌上的論文中，來自西班牙國家碳研究所的 Plaza、González、Pevida、Pis 和 Rubiera 開發了兩種方法，將用過的 Nespresso 咖啡膠囊中的咖啡渣轉化為有價值的活性炭。第一種方法僅使用二氧化碳和熱量。用過的咖啡渣在氮氣存在下加熱至 600 度，直到它們類似於木炭。然後，將溫度升高到 700 度，並引入二氧化碳以活化炭化咖啡渣的表面。這樣做會產生對遊離二氧化碳分子具有吸引力的微孔。
Plaza 及其同事開發的第二種方法使用鹼性氫氧化鉀在用過的咖啡渣上建立更復雜的表面。將咖啡渣加熱至 100 度以去除多餘的水分，然後用氫氧化鉀浸泡。在氮氣存在下將混合物逐漸加熱至 400 度，直到氫氧化鉀熔化並與用過的咖啡渣炭化。最後，將整個炭化混合物最後一次加熱至 600 度，然後徹底洗滌並乾燥。這種化學驅動的過程在炭化咖啡渣上建立了一個複雜的孔結構，該結構對二氧化碳具有吸引力。
為了測試其低成本活性炭的有效性，Plaza 及其同事將它們暴露於純二氧化碳氣體和類似於燃煤電廠煙道氣體的混合氣體中。憑藉其複雜的孔結構，用氫氧化鉀活化的咖啡渣在純二氧化碳氣體存在下儲存了更多的二氧化碳。然而，僅用熱量和二氧化碳處理過的咖啡渣更有選擇性地過濾了類似於煤煙排放物的混合氣體。氮氣和其他元素傾向於堵塞氫氧化鉀活化咖啡渣上的可用孔隙。因此，Plaza 及其同事已經表明，僅用熱量和二氧化碳處理過的咖啡渣可以有效地洗滌燃煤電廠排放物中的一些二氧化碳。
西班牙國家碳研究所的 Plaza 等人的工作表明，像基於咖啡膠囊的咖啡產生的用過的咖啡渣這樣形式統一的廢物，將來可能成為阻止氣候變化的一種廉價方法。任何燃煤電廠都大量存在廢熱和二氧化碳。Plaza 及其同事預測，從燃煤電廠捕獲的二氧化碳可以重新用於在現場用用過的咖啡渣生產活性炭。如果在工業規模上開發出這樣的工藝，則可以將三種形式的廢物（熱量、二氧化碳和用過的咖啡）組合並重新利用，以形成碳捕獲和儲存材料，這項技術對於氣候和人類的未來至關重要。
圖片來源：雀巢 Nespresso。
羅伯特·法雷斯是德克薩斯大學奧斯汀分校機械工程系的博士生。作為 Pecan Street Inc. 正在進行的智慧電網示範專案的一部分，羅伯特的研究著眼於如何將儲能模型與大規模資料和最佳化結合使用，以實現電池儲能經濟運營管理。羅伯特希望開發新穎的運營方法和商業模式，以幫助將分散式能源發電和儲能技術與重組的電力市場和零售電價相結合。透過他的研究，他希望證明這些新技術的市場性和技術相容性。