《Biomass and Bioenergy》：Spent coffee grounds valorization via microwave-assisted pyrolysis and densification to produce bio-coke for solid biofuel applications
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咖啡渣通过微波辅助热解与致密化制备生物焦炭，研究不同温度（300-400℃）和时长（30-90min）对固定碳（22.92%-39.97%）、热值（27.10MJ/kg）及力学性能的影响，发现热解提升碳含量但降低密度和强度，致密化可改善运输特性，T-BIC有望作为可持续生物燃料替代煤炭。
Intan Clarissa Sophiana|Chelyn Alicia Liem|Aryo Fandi Raga|Fathin Yulia Safira|Nur Syahirah Kamal Baharin|Soen Steven|Hirofumi Hara|Tamio Ida|Fatimah Azizah Riyadi
印度尼西亚大学工程学院化学工程系，德波克，16424，西爪哇省，印度尼西亚
摘要
咖啡消费量的增加导致了大量咖啡渣（SCG）的产生，而这些咖啡渣作为一种未被充分利用的废弃物。本研究探讨了通过微波辅助热解（MAP）和致密化工艺将咖啡渣转化为热解生物焦（T-BIC）的方法。实验中改变了温度和热解时间，分别为300℃和400℃、30分钟和90分钟。结果表明，提高温度和延长热解时间可使固定碳含量从22.92%增加到39.97%，同时降低挥发性物质含量从75.12%降至56.60%。这些变化还使T-BIC的表观密度下降了19.4%，进而使其压缩强度降低了55.4%。相比之下，T-BIC的热值和燃烧时间分别提高了27.10 MJ/kg和16.54分钟。与煤焦相比，T-BIC显示出作为可持续固体生物燃料的潜在用途，有助于减少对煤炭的依赖。
引言
近年来，印度尼西亚的咖啡消费量持续增长。国内咖啡消费的推动因素包括城市生活方式的变化以及咖啡店和速溶咖啡产品的普及[1]。因此，咖啡消费量的增加不可避免地产生了大量的废弃物，尤其是咖啡渣（SCG）[2]。每生产一吨煮制好的咖啡，就会产生多达650公斤的咖啡渣[3]。据估计，到2022年，每年产生的咖啡渣量将超过6百万吨[4]。尽管咖啡渣的产量巨大，但大部分仍未得到充分利用，通常通过填埋或露天焚烧处理，这对环境造成了负面影响[5]。
咖啡渣是一种由咖啡制作后残留物组成的木质纤维素生物质[6]。它含有大量的纤维素、半纤维素和木质素，以及有助于提高能量产量的残留脂质[7]。由于生物质在燃烧过程中释放的二氧化碳（CO2）远低于化石燃料，因此作为一种可再生和更清洁的能源来源受到了广泛关注[8]。此外，生物质在燃烧过程中还能释放出大量的能量[9]。其热值通常在19–24 MJ/kg之间，与次烟煤相当[10]。因此，咖啡渣丰富的资源及其相对较高的热值使其成为固体生物燃料的理想原料。
将咖啡渣转化为固体生物燃料的一种实际方法是进行热转化。生物质热转化的途径包括烘焙、热解、气化和燃烧[11]。其中，烘焙特别适合将材料转化为固体产品；热解虽然与烘焙类似，但可在更广泛的操作条件下进行，产物可以是固体、生物油或热解气体[12,13]；气化则专注于将材料转化为可燃气体（用于能源）或合成气（用于化工）[14]；燃烧则是将原材料直接转化为灰分的工艺[15]。
在这些方法中，烘焙是生产固体生物燃料的合适方法[15,16]。该过程通常在无氧环境下进行，温度控制在200–400℃之间。经过烘焙后的产物具有多种优良特性，如疏水性、能量密度、可研磨性和储存稳定性[17]。然而，其固有的脆性、低体积密度和较差的机械强度可能会给处理和运输带来困难[10]。为了解决这些问题，烘焙后通常需要进行致密化处理[9]。Eling等人在他们的综述中指出，致密化能够改善热解生物质的机械强度、体积密度和物流性能[18]。
与传统烘焙方法相比，微波辅助热解（MAP）虽然成本较低，但需要较长的加热时间和不均匀的热分布[19,20]。然而，微波辅助热解能够实现快速内部加热，并且据报道在保持产品产率和热值的同时更具能源效率[21,22]。本文提到了几项利用咖啡渣生产生物焦的研究：Saeed等人发现使用离子液体可以提高咖啡渣的热值[23,24]；Primaz等人对咖啡渣进行了热重分析（TGA），但他们的研究重点是确定动力学参数和热氧化分解过程[6]；Matrapazi和Zabaniotou进行了咖啡渣的热解实验并研究了其可行性，但他们使用了旋转窑热解器[25]；Lisowski等人仅通过致密化处理就成功制备出了含水量低于20%、压缩强度大于1.0 MPa的生物燃料颗粒[26]；Lee等人从咖啡渣热解产物中合成了固体生物燃料，获得了高达82.83%的固定碳含量和31.41 MJ/kg的热值[27]；Nepal等人使用水平管式反应器进行了咖啡渣烘焙实验，发现290℃和10分钟的热解条件最为理想[15]。Zhang等人的最新生命周期评估（LCA）研究表明，在温和条件下，微波辅助热解在经济效益和环境效益方面均优于传统烘焙方法[28]。Md Said等人对空果串进行了生物质微波辅助热解研究，发现300℃是最优温度，固定碳含量和热值分别为64.53%和25.19 MJ/kg[29]；还有其他研究针对橡木锯末、紫苏、银杏叶和稻草等不同生物质进行了微波辅助热解实验[30]。
尽管具有这些优势，但关于咖啡渣微波辅助热解转化的实验研究仍然有限，且致密化后的后处理技术也尚未得到广泛研究。基于此，本研究旨在评估咖啡渣作为固体生物燃料的潜力，重点探讨在不同温度和热解时间下利用微波辅助热解生产热解生物焦（T-BIC）的方法。实验内容包括元素分析（终极分析）、近似分析、热重分析（TG/DTA）、表观密度、压缩强度和热值测定。最后还研究了T-BIC的燃烧行为，并将所有结果与煤和标准固体生物燃料进行了比较。
原材料
咖啡渣来自印度尼西亚雅加达的一家当地咖啡店。首先在德国Memmert-U品牌的烤箱中以105℃的温度干燥5小时以降低水分含量，随后将其筛分至0.15–0.60毫米。此外，还使用了来自赣州Luckpr Advanced Materials有限公司的纯度为99%的碳化硅（SiC）作为高效的微波能量吸收剂和导热材料，在使用前将其筛分至1.18–3.00毫米。实验过程中使用了纯度为99.999%的超高纯度氮气（N2）。
咖啡渣的物理化学性质
如表1所示，咖啡渣中的碳含量为48.23%，这一数值与其他木质纤维素生物质（如玉米秸秆44.4%、白松树皮42.7%、螺旋藻41.91%）相当[34,35]。根据干灰基下的氧（O）和氢（H）含量，可以借助Van Krevelen图和NCT值确定咖啡渣作为生物质的位置。咖啡渣的氢碳比（H/C）和氧碳比（O/C）分别为1.78和0.68。
结论与未来展望
本研究成功探讨了在不同烘焙条件下将咖啡渣转化为热解生物焦（T-BIC）的方法。实验结果表明，烘焙过程可以减少挥发性物质并提高固定碳含量。T-BIC的表观密度从1.34 g/cm3（原始咖啡渣）降低到1.08–1.26 g/cm3；压缩强度也从97.44 MPa（原始咖啡渣）提高到17.83–39.98 MPa。T-BIC的颜色越深，其热值越高（最高达到27.10 MJ/kg）。
作者贡献声明
Intan Clarissa Sophiana：撰写 – 审稿与编辑、验证、项目监督、资金获取、数据分析、概念构思。Chelyn Alicia Liem：撰写 – 初稿撰写、实验研究、数据分析。Aryo Fandi Raga：验证、实验研究、数据分析。Fathin Yulia Safira：验证、实验研究、数据分析。Nur Syahirah Kamal Baharin：验证、项目监督、方法设计、概念构思。Soen Steven：撰写 – 审稿
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了印度尼西亚大学研发处的资助，项目编号为Hibah PUTI Q1 2024-2025（授权号：NKB-497/UN2.RST/HKP.05.00/2024）。
