Forskere finder potentiel anvendelse for genbrugsplast i beton

Millioner af tons plastik kasseres hver dag, og for meget af det er der få muligheder for konventionel genbrug. Men det materiale kan snart finde en ny og gavnlig anvendelse takket være mikrober, der bliver udnyttet af videnskabsmænd fra Montana State University.

I en nylig undersøgelse, forskere ved MSU's Norm Asbjornson College of Engineering fandt ud af, at plast behandlet med visse bakterier kunne tilsættes beton i betydelige mængder uden at gå på kompromis med strukturmaterialets styrke. Undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Materialer .

"Det er virkelig spændende, " sagde studie medforfatter Cecily Ryan, adjunkt i Institut for Mekanik og Industri. "Disse indledende resultater er meget opmuntrende, da vi overvejer potentielle anvendelser."

Typisk, tilføjelse af plast eller andet fyldmateriale forstyrrer blandingen af ​​sand, tilslag og cement, der giver beton – verdens mest udbredte byggemateriale – dets evne til at binde sammen og bære tunge belastninger. Men MSU -teamet fandt ud af, at ved hjælp af bakterier til at belægge plasten med et tyndt minerallag, kunne det binde bedre med cementen. Betonprøver indeholdende op til 5 % af den bakteriebehandlede plastik havde stort set samme styrke som traditionel beton, ifølge undersøgelsen.

"De 5% er virkelig en stor stigning i forhold til, hvad der hidtil har været tilladt, " sagde Chelsea Heveran, adjunkt i maskin- og industriteknik. "Vi var overraskede over, hvor stor en effekt der var."

Fordi beton bruges så vidt og i så store mængder, udskiftning af selv 5 % af det kan resultere i massiv genbrug af plastik, Heveran bemærkede. Og fordi beton er så energikrævende at lave, plastfyldstoffet kunne reducere kuldioxidemissionerne betydeligt, hun sagde. Ifølge U.S. Environmental Protection Agency, betonproduktion er en af ​​landets største industrielle kilder til den klimaændrende gas.

I MSU's Center for Biofilm Engineering, forskerne nedsænkede plastikken i en vandbaseret opløsning indeholdende de harmløse bakterier Sporosarcina pasteurii, som vokser på overflader for at danne det, der kaldes biofilm. Mikroberne, efterlades i opløsningen i 24-48 timer, indtaget tilsat calcium og urinstof - et nitrogenbaseret stof, der er meget brugt i gødning - for at give plasten en tynd, hvid belægning af calcit, det hårde mineral, der udgør kalksten. Plasten blev derefter blandet i små betoncylindre, der blev knust med specialudstyr for at måle deres styrke.

Selvom forskerne startede med skåret plastik nr. 1, der almindeligvis findes i engangsvandflasker, efter indledende succes opnåede de et lignende resultat med en blanding af nr. 3-7 plastik, som bruges i en række forskellige beholdere, men som ikke accepteres på de fleste genbrugsanlæg.

"Det er virkelig spændende, at vi fik dette resultat med en blanding af plast, der typisk ikke kan genbruges, " sagde Adrienne Phillips, lektor ved Institut for Byggeri og Anlæg, som har brugt de samme mineraldannende bakterier til at forsegle små, svært tilgængelige sprækker dybt under jorden i utætte olie- og gasbrønde.

Det næste trin er at studere materialets langsigtede holdbarhed samt hvordan processen kan skaleres op, så materialet kunne fremstilles i brugbare mængder, sagde Phillips. Forskerne har samarbejdet med Frank Kerins, lektor i Jake Jabs College of Business and Entrepreneurship, at begynde at udforske kommercielle applikationer.

Undersøgelsen kom frem fra forskning i løbet af sommeren 2019, hvor to gymnasielærere, Kendra Lunday fra Capital High School i Helena og Hakan Armagan fra Omaha, Nebraska, besøgte MSU gennem National Science Foundations Research Experience for Teachers-program. Duoen testede en række forskellige betonfyldmaterialer, herunder halm og anden landbrugsbiomasse.

Armagan og Lunday var store bidragydere til undersøgelsen, som også var "stærkt drevet af talentfulde bachelorer, "Sagde Heveran. Ud over de to gymnasielærere, medforfattere til papiret inkluderer McNair Scholar Michael Espinal, en senior hovedfag i maskinteknik; ingeniør doktorand Seth Kane; og Abby Thane, laboratorieleder i Center for Biofilm Engineering.

"Hvad er så fedt ved dette projekt, " sagde Heveran, "er, at vi bruger mikroorganismer til kun at foretage en lille ændring af et fælles materiale, men det kunne have en stor samfundsmæssig gevinst«.