本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
注意：这是一篇由罗伯特·法雷斯撰写的客座文章。有关罗伯特背景的更多信息，请参见下文。- 大卫
近年来，一次性咖啡胶囊在咖啡爱好者中越来越受欢迎。咖啡胶囊完全封装了预先分份的咖啡粉和调味剂在一次性胶囊内。这种独特的设计使休闲咖啡冲泡者可以在家中轻松地重现他们最喜欢的咖啡馆饮品，只需极少的准备和努力。但是，无处不在的咖啡胶囊的便利性也有缺点。与传统的滴滤咖啡机相比，基于咖啡胶囊的咖啡机每杯产生的废物更多，而且它们的废物比简单的纸和咖啡渣更麻烦：例如，雀巢的 Nespresso 咖啡胶囊将咖啡包裹在铝制胶囊中。基于咖啡胶囊的咖啡所需的额外包装引发了来自环保界的批评。
为了回应环境问题，一些咖啡胶囊制造商已努力回收使用过的胶囊。2009 年，雀巢启动了其 AluCycle 倡议，旨在建立数千个专门的咖啡胶囊收集点，到 2013 年回收 75% 的使用过的 Nespresso 胶囊。这些收集点的重点是铝回收，与来自原生来源的铝相比，铝回收可以节省大量的能源和温室气体。
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雀巢的铝回收利用留下了大量剩余的咖啡渣。目前，雀巢将用过的咖啡渣与有机物混合以生产堆肥。西班牙国家碳研究所的研究人员最近发表的工作表明，雀巢可以通过将用过的咖啡渣再利用为碳捕获和储存材料，从而有可能进一步提高其回收工作的气候效益。
碳捕获和储存材料是克服气候变化的重要组成部分。国际能源署估计，到 2050 年，约五分之一的温室气体减排量将来自碳捕获和储存。一个有吸引力的解决方案是从发电厂的废气中捕获二氧化碳，以便可以对现有设施进行改造，使其达到现代碳排放标准。西班牙研究人员希望他们对用过的咖啡胶囊的研究将有助于开发一种廉价的碳捕获解决方案，该解决方案对能源行业具有吸引力。
那么，如何将旧咖啡渣变成二氧化碳洗涤器呢？关键是将咖啡渣中丰富的碳转化为活性炭。活性炭用于多种过滤应用。它通过其巨大的表面积来吸附污染物；其表面上的微小微孔吸引并锁定分子。如果工程设计正确，活性炭可以去除燃煤电厂烟囱排出的热气体中的大部分二氧化碳。
在他们发表在《应用能源》杂志上的论文中，来自西班牙国家碳研究所的 Plaza、González、Pevida、Pis 和 Rubiera 开发了两种方法，将用过的 Nespresso 咖啡胶囊中的咖啡渣转化为有价值的活性炭。第一种方法仅使用二氧化碳和热量。用过的咖啡渣在氮气存在下加热至 600 度，直到它们类似于木炭。然后，将温度升高到 700 度，并引入二氧化碳以活化炭化咖啡渣的表面。这样做会产生对游离二氧化碳分子具有吸引力的微孔。
Plaza 及其同事开发的第二种方法使用碱性氢氧化钾在用过的咖啡渣上创建更复杂的表面。将咖啡渣加热至 100 度以去除多余的水分，然后用氢氧化钾浸泡。在氮气存在下将混合物逐渐加热至 400 度，直到氢氧化钾熔化并与用过的咖啡渣炭化。最后，将整个炭化混合物最后一次加热至 600 度，然后彻底洗涤并干燥。这种化学驱动的过程在炭化咖啡渣上创建了一个复杂的孔结构，该结构对二氧化碳具有吸引力。
为了测试其低成本活性炭的有效性，Plaza 及其同事将它们暴露于纯二氧化碳气体和类似于燃煤电厂烟道气体的混合气体中。凭借其复杂的孔结构，用氢氧化钾活化的咖啡渣在纯二氧化碳气体存在下储存了更多的二氧化碳。然而，仅用热量和二氧化碳处理过的咖啡渣更有选择性地过滤了类似于煤烟排放物的混合气体。氮气和其他元素倾向于堵塞氢氧化钾活化咖啡渣上的可用孔隙。因此，Plaza 及其同事已经表明，仅用热量和二氧化碳处理过的咖啡渣可以有效地洗涤燃煤电厂排放物中的一些二氧化碳。
西班牙国家碳研究所的 Plaza 等人的工作表明，像基于咖啡胶囊的咖啡产生的用过的咖啡渣这样形式统一的废物，将来可能成为阻止气候变化的一种廉价方法。任何燃煤电厂都大量存在废热和二氧化碳。Plaza 及其同事预测，从燃煤电厂捕获的二氧化碳可以重新用于在现场用用过的咖啡渣生产活性炭。如果在工业规模上开发出这样的工艺，则可以将三种形式的废物（热量、二氧化碳和用过的咖啡）组合并重新利用，以形成碳捕获和储存材料，这项技术对于气候和人类的未来至关重要。
图片来源：雀巢 Nespresso。
罗伯特·法雷斯是德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系的博士生。作为 Pecan Street Inc. 正在进行的智能电网示范项目的一部分，罗伯特的研究着眼于如何将储能模型与大规模数据和优化结合使用，以实现电池储能经济运营管理。罗伯特希望开发新颖的运营方法和商业模式，以帮助将分布式能源发电和储能技术与重组的电力市场和零售电价相结合。通过他的研究，他希望证明这些新技术的市场性和技术兼容性。