電気化学における循環型経済: コーヒーのパッケージをリサイクルして電気分析センサー用の 3D プリントフィラメントを作成する

はじめに: 地球温暖化に関連する問題が次々と浮上する中、世界中の人々は環境問題の解決策を常に模索しています。注目すべき方向性の一つは、深刻化する廃棄物問題をどう解決するかだ。世界銀行は、世界の廃棄物は2050年までに34億トンに増加すると予測している。環境問題の深刻さを考慮すると、リサイクル、特に循環型経済の概念は徐々に人々に受け入れられるようになりました。
2023年5月30日、アンタークティックベアは、英国のサンカルロス連邦大学（USFCar）、カンピーナス州立大学（UNICAMP）、マンチェスターメトロポリタン大学（MMU）の研究者チームが、循環型経済を促進するためにリサイクルコーヒーバッグを3Dプリントするプロジェクトを開発していることを知りました。具体的には、チームは廃棄されたコーヒーパックを原料として使用し、3Dプリントに適したフィラメントを作成することに成功しました。

この研究は、ACS Sustainable Chem. Eng 誌に「Journal Logo Circular Economy Electrochemistry: Creating Additive Manufacturing Feedstocks for Caffeine Detection from Post-Industrial Coffee Pod Waste」と題する論文として掲載され、Evelyn Sigley、Cristiane Kalinke らによって執筆されました。

関連論文リンク: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.2c06514?fig=abs1&ref=pdf
実は、これはコーヒーポッドに特化した最初のプロジェクトではありません。こうした使い捨てパッケージは近年、激しい批判の的となっている。ストレーツ・リサーチによれば、コーヒーの世界市場は2030年までに約500億ドルに成長すると予想されており、特に米国とヨーロッパでは毎日のカフェイン補給にコーヒーが頼りになるだろう。しかし、外装のリサイクルは難しく、リサイクルしない人も多いため、実際にどの程度「持続可能」なのかという議論が巻き起こっている。実際、大手サプライヤーのひとつであるネスプレッソは、現在リサイクルされる包装は約30％に過ぎず、そのほとんどが最終的に埋め立て地に廃棄されていると述べている。その結果、この最新のプロジェクトの試みを含め、ますます多くの人々が問題を解決する方法を模索しています。
△このプロジェクトでは、コーヒーバッグ（写真参照）をリサイクルし、3D プリント用フィラメントに作り変えます（画像提供：ネスプレッソ）
リサイクルされたコーヒーバッグから 3D プリント用フィラメントを作る<br /> 前述のように、再利用可能な包装は利用可能であり、一部のメーカーはアルミニウム包装のリサイクルを推進していますが、ほとんどのプラスチック包装は単に廃棄されることがよくあります。これは悲惨なことです。工科大学（IPT）が実施した調査によると、コーヒージェルの包装を使用すると、フィルターペーパーを使用する場合よりも環境に14倍も有害であることがわかりました。しかし、これに対処するために何ができるでしょうか?
実際、経済活動によって生み出される廃棄物を環境問題としてではなく、新たな取り組みを推進できる貴重な資源として捉えるよう、考え方を変えることもできるでしょう。これこそがまさに「循環型経済」という考え方を推進するものであり、このプロジェクトはその明確な例です。ゴミのように捨てられるのではなく、パッケージは第二の人生を与えられます。この場合、研究者らは、これらのパッケージのポリマーベースを使用して高付加価値デバイスを作成できることを発見しました。つまり、この廃棄物から、革新的で高品質な製品の製造に大きな可能性を秘めた材料が得られるのです。
△この画像は、研究者が3Dプリント用フィラメントを製造しようとしているプロセスを示しています。研究者は、これらの廃棄物に対する新しい解決策を見つけるために、非導電性PLA（ポリ乳酸）フィラメントを使用した電気化学セルと、カーボンブラックを添加した導電性フィラメントを使用した電気化学センサーを開発しました。カーボンブラックは炭化水素の不完全燃焼から得られる準結晶炭素です。アララスのUFSCarのセンサー、ナノ医療、ナノ構造材料研究所（LSNano）のコーディネーターであり、この論文の共著者でもあるブルーノ・カンポス・ジャネギッツ氏は、緑茶やアラビカコーヒーに含まれるカフェインの割合を測定するために電気化学センサーが使用されていると説明しています。
△図（A）カスタマイズされた導電性および非導電性フィラメントの製造に使用される方法の概略図。 (B) PLA電池のメルトフローインデックスとサイクル数。 (C) カスタム導電性フィラメントの熱重量分析と、リサイクル PLA および市販の導電性 PLA フィラメントとの比較。 (D) 活性化された 8.78% PES 電極の XPS C 1s データ。活性化後のグラファイト炭素ピークの出現が強調されています。 (E) 活性化8.78% PES電極のSEM表面画像。
ブルーノ氏は次のように説明しています。「PLA 包装廃棄物を洗浄して乾燥させ、熱間押し出し加工して非導電性材料を得るだけです。導電性材料を得るには、リサイクル材料にカーボンブラックを加えてから加熱して押し出します。押し出した材料はその後冷却し、目的のフィラメントに巻き取ります。」
コーヒーのパッケージから作られたこの新しいフィラメントは、考え方に大きな変化をもたらします。廃棄物はもはや環境に有害なものとしてではなく、むしろ有用で有益なものに変えることができる貴重な資源として見られるようになりました。さらに、この方法は、埋め立て地に送られる廃棄物の量を減らすだけでなく、既存の資源を最大限に活用し、新しい材料の使用を避けることで、環境への影響を軽減します。

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