En miljøvenlig teknik til at opgradere metalaffald til multifunktionelle aerogeler

Metaller er et af de mest anvendte materialer i verden - de bruges i køkkengrej, værktøjer, elektriske apparater, elektriske ledninger, computerchips, smykker og så videre. Med den stigende efterspørgsel efter metalprodukter, det er afgørende at fremme bæredygtige og miljøvenlige metoder til genanvendelse af metalaffald for at bidrage til at reducere miljøpåvirkningen af ​​brug af metaller i økonomien.

De konventionelle metoder til genanvendelse af metalaffald er energikrævende, og nogle af disse metoder genererer også miljøskadelige biprodukter, ammoniak og metan under genanvendelse af aluminium.

For at løse denne udfordring, et team af forskere fra National University of Singapore (NUS) har demonstreret en ny miljøvenlig teknik til at omdanne aluminium- og magnesiumaffald til højværdi, multifunktionelle aerogeler. Denne upcycling-metode kan anvendes på alle typer metalaffald i kraftform, såsom metalspåner og elektronisk affald.

"Vores tilgang er billigere, producerer ikke farligt affald, bruger mindre energi og er mere miljøvenlig end konventionelle genbrugsmetoder for metalaffald. De metalbaserede aerogeler skabt ved hjælp af vores unikke fremstillingsteknik har høj termisk og mekanisk stabilitet. Derfor, de er lovende kandidater til varme- og lydisolering i barske miljøer med høj temperatur eller høj mekanisk påvirkning. Vi udforsker også nye anvendelser af sådanne aerogeler, såsom biomedicinske applikationer, " forklarede leder af forskningsteamet lektor Duong Hai-Minh, som er fra NUS Institut for Maskinteknik.

Dette seneste teknologiske gennembrud opnået af lektor Duong og hans team bygger på deres tidligere succeser med at udvikle aerogel ved hjælp af forskellige typer affald såsom plastik, tekstiler, papir, ananasblade og andre typer mad- og landbrugsaffald.

Enkel, lavpris fremstillingsproces

NUS-teamet har udviklet en simpel fremstillingsproces til at skabe metalbaserede aerogeler. Metalaffald formales først til pulver og blandes med kemiske tværbindere. Blandingen opvarmes i ovnen, frosset og derefter frysetørret for at skabe aerogelen. Processen kan variere lidt afhængigt af det involverede metalaffald. Gennemsnitlig, det tager omkring en til tre dage at omdanne pulveriseret metalaffald til aerogeler, sammenlignet med tre til syv dage ved anvendelse af konventionelle metoder til fremstilling af aerogeler.

Den simple proces betyder også, at metalbaserede aerogeler kan fremstilles til meget lavere omkostninger. Ved at bruge teknikken udviklet af NUS-teamet, et stykke metalbaseret aerogel, der er 1 kvm i størrelse og 1 cm tykt, koster mindre end 10,50 S$ at producere, halv pris af kommercielt tilgængelig silica aerogel.

Metalbaserede aerogeler som alsidige byggematerialer

Aerogel er meget absorberende, ekstremt let, og de har fremragende varme- og lydisoleringsevner. I deres tidligere arbejde, Assoc Prof Duong og hans team havde vist, at aerogels egenskaber kan ændres ved at belægge dem med kemikalier - f.eks. de kan blive vandafvisende eller brandsikre.

I deres seneste arbejde, NUS-teamet har identificeret nye spændende applikationer til metalbaserede aerogeler. En lovende anvendelse er at blive brugt som lette byggematerialer.

"Vores aluminium aerogel er 30 gange lettere og isolerer varme 21 gange bedre end konventionel beton. Når optiske fibre tilsættes under blandingsfasen, vi kan skabe gennemskinnelige aerogeler i aluminium, som som byggematerialer, kan forbedre naturlig belysning, reducere energiforbruget til belysning og oplyse mørke eller vinduesløse områder. Gennemskinnelig beton kan også bruges til at bygge fortove og fartbump, der lyser op om natten for at forbedre sikkerheden for fodgængere og vejtrafik, ", tilføjede professor Duong.

De gennemskinnelige aerogeler i aluminium skabt af NUS-teamet er seks gange lettere, seks gange bedre i termisk isolering og 120 gange billigere sammenlignet med kommerciel gennemskinnelig beton (LiTraCon).

Når den er belagt med et kemikalie kaldet methyltriethoxysilane (MTEOS), aluminium aerogeler kan afvise vand og bliver et selvrensende byggemateriale, som gør det nemt at vaske snavs eller snavs væk, når det kommer i kontakt med vand.

Metalbaserede aerogeler er også velegnede som brandhæmmende plader, varmeisoleringsmaterialer i bygninger og rørsystemer, til absorption af luftbårne forurenende stoffer til indendørs miljøer, og rensning af oliespild.

Metalbaserede aerogeler til celledyrkning

NUS-teamet ser også på at bruge aerogeler til biomedicinske applikationer.

"Vi arbejder i øjeblikket med en kommerciel partner for at teste vores aluminium aerogeler som mikrobærere til celledyrkning. Mikrobærere er perler i mikrostørrelse til celler, der skal forankres og vokse. Vores første forsøg blev udført på stamceller, ved at bruge en cellelinje, der almindeligvis anvendes til test af lægemidler såvel som kosmetik, og resultaterne er meget opmuntrende, " forklarede Associate Prof Duong.

Skal bruges som mikrobærere, aerogeler af aluminium formales til pulver og tilsættes blandingen af ​​celler og vækstmedier (inklusive næringsstoffer, antibiotika og væksttilskud). Cellerne dyrkes ved 37 grader Celsius i en inkubator i 12 dage. Mikrobærerne fjernes derefter, og cellerne høstes til forskellige formål.

"Efter 12 dages inkubation, vores forsøg opnåede et udbytte på 70%. Dette er den første vellykkede demonstration af dyrkning af celler ved hjælp af aerogeler. Vi er nødt til at udføre flere undersøgelser for at optimere dyrkningsbetingelserne og adressere biokompatibilitetskrav. Dette er en spændende udvikling, der kan åbne døre til en bredere anvendelse af aerogeler til ikke-konventionelle applikationer såsom test af lægemidler og kosmetik, vaccineudvikling og vævsteknologi, " Forklarede professor Duong.

NUS-teamet har for nylig offentliggjort sit arbejde med at skabe aerogel ved hjælp af aluminiumsaffald i Journal of Material Cycles and Waste Management den 22. februar 2021. Lektor Duong og hans team er også i diskussion med industripartnere om at kommercialisere teknologien til fremstilling af metalbaserede aerogeler.

I den næste fase af deres forskning, NUS-teamet ser også på at udvikle metalbaserede aerogeler til applikationer, der kræver ekstremt høj temperaturtolerance, f.eks. til militære formål.