يتم استهلاك ما يقرب من 400 مليار كوب من القهوة على مستوى العالم كل عام، مما ينتج عنه حوالي 18 مليون طن من القهوة المطحونة، وهو ما يعادل تقريبًا وزن ثلاثة أهرامات الجيزة. الغالبية العظمى من القهوة المطحونة تنتهي في مدافن النفايات. ومع ذلك، فإن هذه النفايات العضوية عالية الرطوبة في حد ذاتها لديها القدرة على تحويلها إلى وقود، ولكن محتواها المائي العالي كان دائمًا عائقًا تقنيًا رئيسيًا في عملية الاستخدام الاقتصادي.

أعلن فريق البحث العلمي التابع للمعهد الكوري للموارد الجيولوجية (KIGAM) مؤخرًا عن تطوير تقنية "التحلل الحراري لبلازما اللهب" (FPP) الأولى في العالم والتي يمكنها تحويل القهوة المطحونة بشكل مباشر وسريع إلى وقود حيوي صلب عالي الجودة عندما تكون في حالة تحتوي على نسبة عالية من الماء. تستغرق العملية برمتها حوالي 90 ثانية فقط على أقرب تقدير. تعمل هذه التقنية على تبخير الماء على الفور عن طريق رش لهب البلازما بدرجة حرارة تتراوح من 800 إلى 900 درجة مئوية، مما يخلق تأثيرًا منتفخًا يشبه الفشار داخل الجزيئات، مما يحول بنية القهوة المطحونة بسرعة إلى فحم حيوي مسامي (فحم حيوي).

وذكر فريق البحث العلمي أن أداء الوقود لهذا الفحم الحيوي الجديد قريب من أداء فحم الأنثراسايت، مع القضاء تمامًا على عملية التجفيف المسبق التي تستغرق وقتًا طويلاً وتستهلك الطاقة في العملية التقليدية. والأهم من ذلك، أن عملية FPP تعتبر الرطوبة عاملاً مناسبًا وتحولها إلى منشط بخاري يعزز التفاعلات ويحسن جودة المنتج، وبالتالي تحقيق معالجة متكاملة للكربنة السريعة والتجفيف مع الحفاظ على محتوى الرطوبة العالي للمواد الخام.

ونشرت الورقة البحثية في مجلة الهندسة الكيميائية. يبلغ محتوى الرطوبة في القهوة المطحونة المستخدمة في التجربة حوالي 55%، وهي لا تزال نفايات نموذجية عالية الرطوبة. خلال هذه العملية، استخدم الباحثون بلازما اللهب المتولدة عن احتراق غاز البترول المسال (LPG) والهواء المضغوط لمعالجة القهوة المطحونة تحت ظروف الضغط العادية. استغرق الأمر 90 ثانية فقط لاستكمال عملية التجفيف والتكربن، مما أدى إلى تقليل جودة المواد الخام بحوالي 83.3%، وتشكيل جزيئات الفحم الحيوي ذات بنية فضفاضة وبنية مسامية.

تظهر نتائج الاختبار أن القيمة الحرارية المنخفضة للفحم الحيوي تبلغ حوالي 29 ميجا جول/كجم، مما يعني أن كل كيلوغرام من الوقود المحروق يمكن أن يطلق 29 ميجا جول من الطاقة الحرارية؛ وبالمقارنة، فإن القيمة الحرارية للخشب العادي عادة ما تكون 15 ~ 20 ميجا جول / كجم. لقد تضاعف محتوى الكربون الثابت في الفحم الحيوي ثلاث مرات تقريبًا، من 15.6% الأصلي إلى 46.2%، مما يعني أن نسبة أكبر من المادة يتم تحويلها إلى هياكل كربونية عالية الطاقة، وهو أمر مفيد لتحسين كفاءة الاحتراق والمتانة.

فيما يتعلق بالأداء البيئي، تعمل عملية FPP على إزالة مركبات الكبريت تمامًا من المواد الخام وتتجنب انبعاث أكاسيد الكبريت التي يمكن أن تسبب بسهولة هطول أمطار حمضية وتلوث الهواء من المصدر. زادت المساحة السطحية المحددة للمادة بشكل ملحوظ من 1.5 متر مربع/جم فقط إلى 115.4 متر مربع/جم، وهو قريب من مستوى الكربون المنشط. وبالإضافة إلى الوقود، فإن له أيضًا تطبيقات محتملة مثل تنقية المياه وتنقية الهواء والامتزاز الصناعي. وفي الوقت نفسه، لا تنتج العملية أي دخان أو قطران تقريبًا، مما يساعد على تقليل انبعاثات الملوثات الثانوية الشائعة في عمليات تحويل الكتلة الحيوية التقليدية بشكل كبير.

السرعة هي ميزة أخرى لهذه التكنولوجيا. عادةً ما تتطلب طرق تحويل الكتلة الحيوية التقليدية، مثل الكربنة الحرارية المائية والحفر، أوقات معالجة تتراوح من 30 دقيقة إلى 6 ساعات. تستغرق عملية FPP الخاصة بـ KIGAM حوالي 90 ثانية فقط لإكمال تحويل مماثل، وتكون الكفاءة أسرع بحوالي 240 مرة من العمليات التقليدية. معدل المعالجة الفائق هذا يجعله أكثر واقعية وجدوى في استخدام موارد النفايات على نطاق واسع.

ومن الجدير بالذكر أن هذا النظام يتجنب أيضًا المشكلة الشائعة المتمثلة في "الاستهلاك العالي للطاقة" في تكنولوجيا معالجة البلازما التقليدية. لم يستخدم فريق البحث معدات البلازما الكهربائية ذات الاستهلاك العالي للطاقة، ولكنه استخدم احتراق غاز البترول المسال والهواء المضغوط لتوليد بلازما اللهب، وبالتالي تقليل استهلاك الطاقة الإجمالي مع الاستمرار في توفير درجات الحرارة العالية للغاية المطلوبة لإكمال التحويل السريع. يعمل هذا التصميم على تحسين اقتصاديات وكفاءة الطاقة في العملية.

وأشار فريق البحث العلمي إلى أن أكبر ميزة لهذه التكنولوجيا هي أنه "يتم تغذية المواد الرطبة مباشرة إلى الفرن"، مما يلغي عملية التجفيف تمامًا ومن المتوقع أن يقلل من استهلاك الطاقة وتكاليف التشغيل للنظام بأكمله. على الرغم من أن موضوع البحث الحالي يركز على القهوة المطحونة، إلا أن نطاق تطبيق تقنية FPP لا يقتصر على هذا. وفي المستقبل، يمكن توسيع نطاقه ليشمل مجموعة متنوعة من النفايات العضوية عالية الرطوبة مثل نفايات الطعام والمخلفات الزراعية وحتى الحمأة، ليصبح حلاً قابلاً للتطبيق على نطاق واسع لتحويل النفايات إلى طاقة.

قال الدكتور بارك تايجون (الترجمة الصوتية)، المؤلف الأول للبحث: "توفر هذه التكنولوجيا نموذجًا جديدًا، بحيث لم يعد يُنظر إلى النفايات على أنها مجرد عبء يجب معالجته، ولكن كمورد قيم للطاقة. ونحن نخطط لتوسيع هذه العملية لتشمل المزيد من فئات النفايات العضوية عالية الرطوبة ونستمر في تحسين العملية لتعزيز تطبيقها التجاري على نطاق صناعي." وشدد فريق البحث أيضًا على أن معدات نظام FPP مدمجة نسبيًا ومن المتوقع نشرها في نظام "تكامل طاقة النفايات" في الموقع عند المصدر لتحقيق المعالجة في الموقع وإمدادات الطاقة في الموقع.

وفقًا للمعلومات الصادرة عن المعهد الكوري للموارد الجيولوجية من خلال منصة EurekAlert، فإن اتجاه التطوير الإضافي لهذه التكنولوجيا سيركز على استقرار العملية وقدرات التشغيل المستمر وتحسين المعلمات لأنواع النفايات المختلفة. والهدف هو بنائه في جهاز طاقة معياري يمكن تعزيزه في سيناريوهات متعددة مثل معالجة النفايات الصلبة الحضرية وإدارة النفايات الزراعية ومحطات معالجة مياه الصرف الصحي على المدى المتوسط ​​والطويل، مما يوفر مسارًا تقنيًا جديدًا لبناء نظام وقود صلب متجدد أنظف وأكثر كفاءة.