Metaller är ett av de mest använda materialen i världen - de används i köksredskap, verktyg, elektriska apparater, elkablar, datorchip, smycken och så vidare. Med den växande efterfrågan på metallprodukter, Det är avgörande att främja hållbara och miljövänliga metoder för återvinning av metallavfall för att minska miljöpåverkan av att använda metaller i ekonomin.

De konventionella metoderna för återvinning av metallavfall är energikrävande och några av dessa metoder genererar också miljöskadliga biprodukter, såsom ammoniak och metan vid aluminiumåtervinning.

För att hantera denna utmaning, ett team av forskare från National University of Singapore (NUS) har visat en ny miljövänlig teknik för att omvandla aluminium- och magnesiumavfall till högt värde, multifunktionella aerogeler. Denna upcyclingmetod kan tillämpas på alla typer av metallavfall i kraftform, såsom metallflis och elektroniskt avfall.

"Vår strategi är billigare, producerar inget farligt avfall, förbrukar mindre energi och är mer miljövänlig än konventionella återvinningsmetoder för metallavfall. De metallbaserade aerogeler som skapats med vår unika tillverkningsteknik har hög termisk och mekanisk stabilitet. Därav, de är lovande kandidater för värme- och ljudisolering i tuffa miljöer med hög temperatur eller hög mekanisk påverkan. Vi utforskar också nya användningsområden för sådana aerogeler, såsom biomedicinska tillämpningar, "förklarade forskargruppsledare docent Duong Hai-Minh, som är från NUS Institutionen för maskinteknik.

Detta senaste teknologiska genombrott som uppnåtts av docent Duong och hans team bygger på deras tidigare framgångar med att utveckla aerogeler med olika typer av avfall som plast, textilier, papper, ananasblad och andra typer av mat och jordbruksavfall.

Enkel, billig tillverkningsprocess

NUS-teamet har utvecklat en enkel tillverkningsprocess för att skapa metallbaserade aerogeler. Metallavfall males först till pulver och blandas med kemiska tvärbindare. Blandningen värms i ugnen, fryst och sedan frystorkat för att skapa aerogelen. Processen kan variera något beroende på vilket metallavfall det handlar om. I genomsnitt, det tar ungefär en till tre dagar att förvandla pulveriserat metallavfall till aerogeler, jämfört med tre till sju dagar med konventionella metoder för framställning av aerogeler.

Den enkla processen innebär också att metallbaserade aerogeler kan produceras till en mycket lägre kostnad. Med hjälp av tekniken som utvecklats av NUS -teamet, en bit metallbaserad aerogel som är 1 kvm stor och 1 cm tjock kostar mindre än 10,50 dollar att tillverka, halva priset på kommersiellt tillgängligt kiseldioxidgel.

Metallbaserade aerogeler som mångsidiga byggmaterial

Aerogels är mycket absorberande, extremt lätt, och de har utmärkta värme- och ljudisoleringsmöjligheter. I deras tidigare arbete, Assoc Prof Duong och hans team hade visat att aerogels egenskaper kan ändras genom att belägga dem med kemikalier - till exempel de kan bli vattenavvisande eller brandbeständiga.

I deras senaste arbete, NUS-teamet har identifierat nya spännande applikationer för metallbaserade aerogeler. En lovande applikation är att användas som lätta byggmaterial.

"Vår aluminiumgelgel är 30 gånger lättare och isolerar värme 21 gånger bättre än konventionell betong. När optiska fibrer tillsätts under blandningssteget, vi kan skapa genomskinliga aluminium aerogeler som, som byggmaterial, kan förbättra naturlig belysning, minska energiförbrukningen för belysning och belysa mörka eller fönsterlösa områden. Genomskinlig betong kan också användas för att konstruera trottoarer och farthinder som lyser upp på natten för att förbättra säkerheten för fotgängare och vägtrafik, "Assoc Prof Duong tillagd.

De genomskinliga aluminium aerogeler som skapats av NUS -teamet är sex gånger lättare, sex gånger bättre i värmeisolering och 120 gånger billigare jämfört med kommersiell genomskinlig betong (LiTraCon).

När den är belagd med en kemikalie som kallas metyltrietoxisilan (MTEOS), aluminium aerogeler kan avvisa vatten och blir ett självrengörande konstruktionsmaterial som gör att smuts eller skräp lätt kan tvättas bort när det kommer i kontakt med vatten.

Metallbaserade aerogeler är också lämpliga som brandhämmande skivor, värmeisoleringsmaterial i byggnader och rörsystem, för absorption av luftburna föroreningar för inomhusmiljöer, och rengöring av oljespill.

Metallbaserade aerogeler för cellodling

NUS -teamet tittar också på att använda aerogeler för biomedicinska applikationer.

"Vi arbetar för närvarande med en kommersiell partner för att testa våra aluminium aerogeler som mikrobärare för cellodling. Mikrobärare är pärlor i mikrostorlek för celler att förankra och växa. Våra första försök utfördes på stamceller, använder en cellinje som vanligtvis används för testning av läkemedel och kosmetika, och resultaten är mycket uppmuntrande, "förklarade Assoc Prof Duong.

För att användas som mikrobärare, aluminium aerogeler males till pulver och tillsätts till blandningen av celler och tillväxtmedier (inklusive näringsämnen, antibiotika och tillväxttillskott). Cellerna odlas vid 37 grader Celsius i en inkubator i 12 dagar. Mikrobärarna avlägsnas sedan och cellerna skördas för olika användningsområden.

"Efter 12 dagars inkubation, våra experiment fick ett utbyte på 70%. Detta är den första framgångsrika demonstrationen av växande celler med aerogeler. Vi måste genomföra fler studier för att optimera odlingsförhållandena och tillgodose kraven på biokompatibilitet. Detta är en spännande utveckling som kan öppna dörrar till en bredare användning av aerogeler för icke-konventionella applikationer som testning av läkemedel och kosmetika, vaccinutveckling och vävnadsteknik, "Assoc Prof Duong förklarade.

NUS -teamet har nyligen publicerat sitt arbete med att skapa aerogeler med aluminiumavfall i Journal of Material Cycles and Waste Management den 22 februari 2021. Docent Duong och hans team diskuterar också med branschpartner för att kommersialisera tekniken för tillverkning av metallbaserade aerogeler.

I nästa fas av deras forskning, NUS-teamet tittar också på att utveckla metallbaserade aerogeler för applikationer som kräver extremt hög temperaturtolerans, till exempel för militära tillämpningar.