Une nouvelle étude a montré que le marc de café usagé, l’un des déchets quotidiens les plus courants au monde, peut être transformé en un matériau d’isolation thermique performant et biodégradable, avec des applications potentielles dans les bâtiments, l’emballage, le transport et les systèmes solaires.
Les chercheurs Sung Jin Kim et Seong Yun Kim ont développé un composite entièrement vert composé de biochar de marc de café usagé et d’éthylcellulose, un polymère d’origine naturelle. Le matériau obtenu a atteint une conductivité thermique de 0,04 W m⁻¹ K⁻¹, comparable au polystyrène expansé commercial, communément appelé EPS. Contrairement aux isolants conventionnels à base de pétrole, le nouveau composite est conçu à partir de composants renouvelables et respectueux de l’environnement et a montré une biodégradabilité sous traitement enzymatique.
« Les déchets de café sont générés partout, mais la plupart sont encore traités comme un problème d’élimination, » a déclaré le professeur Seong Yun Kim, auteur correspondant. « Notre étude montre que le marc de café usagé peut être transformé en un matériau d’isolation thermique à valeur ajoutée qui favorise à la fois l’efficacité énergétique et la réduction des déchets. »
Les matériaux d’isolation thermique sont essentiels pour réduire les pertes de chaleur, diminuer la demande énergétique et améliorer le contrôle de la température dans les bâtiments, les transports et les emballages alimentaires. Cependant, de nombreux produits d’isolation largement utilisés, notamment le EPS et les mousses de polyuréthane, sont à base de pétrole et suscitent des préoccupations liées à l’utilisation de ressources fossiles, à l’élimination et à l’impact environnemental à long terme. Cela a créé une demande croissante d’alternatives plus écologiques capables de combiner une forte performance isolante avec la durabilité.
Le marc de café usagé est produit en quantités énormes après l’infusion. Bien qu’il contienne une biomasse riche en carbone, il est souvent mis en décharge ou incinéré. Dans cette étude, les chercheurs ont converti le marc de café usagé en biochar par un simple processus de carbonisation. En optimisant la température et l’atmosphère, ils ont découvert que le biochar préparé à 700 °C en atmosphère ambiante présentait le meilleur équilibre entre une porosité élevée et une structure graphitique modérée. Cette structure était essentielle pour l’isolation car les pores emprisonnent l’air, ce qui ralentit le transfert de chaleur.
Un défi clé était de maintenir les pores du biochar ouverts lors de la fabrication du composite. Si la matrice polymère remplit les pores, l’avantage isolant est réduit. Pour résoudre ce problème, l’équipe a utilisé une stratégie de restauration des pores respectueuse de l’environnement. Ils ont prémélangé le biochar avec du propylène glycol avant de le combiner avec l’éthylcellulose. Cela a empêché le polymère de remplir les pores et a permis à la structure poreuse de rester à l’intérieur du composite final.
Le matériau optimisé, désigné EC/SB700/PG-25 dans l’étude, a montré une conductivité thermique d’environ un sixième de celle de l’éthylcellulose pure et comparable au EPS. Des simulations par éléments finis ont en outre confirmé que la performance isolante du matériau provenait des effets combinés de la structure poreuse, de la résistance thermique interfaciale et du développement graphitique contrôlé dans le biochar.
Les chercheurs ont également testé la biodégradabilité en utilisant des enzymes cellulase. Le composite de biochar s’est dégradé plus rapidement que l’éthylcellulose pure, probablement parce que l’interface entre le biochar et le polymère permettait une pénétration plus facile de l’eau et des enzymes. Ce résultat suggère que le matériau pourrait aider à résoudre le problème de fin de vie associé aux isolants non biodégradables conventionnels.
Pour démontrer le potentiel réel, l’équipe a évalué le matériau dans un système photovoltaïque intégré au bâtiment à échelle réduite. Placé derrière une cellule photovoltaïque, le composite de biochar de marc de café a réduit le transfert de chaleur de manière similaire au EPS, aidant à contrôler la température interne de la chambre.
« Notre matériau combine le recyclage des déchets, l’isolation thermique et la biodégradabilité en une seule plateforme, » a affirmé Sung Jin Kim. « Cette approche pourrait aider à remplacer les isolants à base de pétrole dans des applications où la performance et la responsabilité environnementale comptent. »
L’étude met en évidence une voie prometteuse pour transformer les déchets de café quotidiens en matériaux d’isolation durables de nouvelle génération. En reliant les principes de l’économie circulaire aux technologies d’économie d’énergie, les composites de biochar de marc de café pourraient offrir une voie pratique vers des bâtiments plus écologiques et des charges environnementales réduites.
Article : Highly porous biochar from spent coffee ground for fully green thermal insulating composites with thermal conductivity of 0.04 W m−1 K−1 – Journal : Biochar – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Shenyang Agri. U.
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