Knappa metaller finns i en lång rad vardagsföremål runt omkring oss. En undersökning vid Chalmers tekniska högskola visar nu att det finns potentiella teknikbaserade lösningar som kan ersätta många av metallerna med kolnanomaterial, som grafen. Kredit:Jonas Sandwall
Knappa metaller finns i en lång rad vardagsföremål runt omkring oss. De är komplicerade att utvinna, svåra att återvinna och så sällsynta att flera av dem blivit "konfliktmineraler" som kan främja konflikter och förtryck. En undersökning vid Chalmers tekniska högskola visar nu att det finns potentiella teknikbaserade lösningar som kan ersätta många av metallerna med kolnanomaterial, som grafen.
De kan hittas i din dator, i din mobiltelefon, i nästan all annan elektronisk utrustning och i många av plasterna runt omkring dig. Samhället är starkt beroende av knappa metaller, och detta beroende har många nackdelar.
Få metaller som tenn, silver, volfram och indium är både sällsynta och svåra att extrahera eftersom de bearbetbara koncentrationerna är mycket små. Detta säkerställer att metallerna är mycket eftertraktade - och deras utvinning är en grogrund för konflikter, som i Demokratiska republiken Kongo där de finansierar väpnade konflikter.
Dessutom, de är svåra att återvinna lönsamt eftersom de ofta finns i små mängder i olika komponenter som elektronik.
Rickard Arvidsson och Björn Sandén, forskare i miljösystemanalys vid Chalmers tekniska högskola, har nu undersökt en alternativ lösning:att ersätta de knappa metallerna med kolnanomaterial. Dessa ämnen - det mest kända är grafen - är starka material med god ledningsförmåga, som knappa metaller.
"Nu har teknikutvecklingen gjort det möjligt för oss att i större utsträckning använda det gemensamma grundämnet kol, ", säger Sandén. "Idag finns det många nya kolnanomaterial med liknande egenskaper som metaller. Det är ett välkommet nytt spår, och det är viktigt att investera i både återvinning och substitution av knappa metaller från och med nu."
Chalmersforskarna har studerat de huvudsakliga användningsområdena för 14 olika metaller, och genom att granska patent och vetenskaplig litteratur har undersökt potentialen för att ersätta dem med kolnanomaterial. Resultaten ger en unik överblick över forskning och teknikutveckling inom området.
Enligt Arvidsson och Sandén visar sammanfattningen att en övergång från användningen av knappa metaller till kolnanomaterial redan pågår.
"Det finns potentiella teknikbaserade lösningar för att ersätta 13 av de 14 metallerna med kolnanomaterial i deras vanligaste applikationer. Teknikutvecklingen är i olika skeden för olika metaller och applikationer, men i vissa fall som indium och gallium, resultaten är mycket lovande, säger Arvidsson.
Rickard Arvidsson och Björn Sandén vid Chalmers tekniska högskola har undersökt om kolnanomaterialet grafen, fullerener och kolnanorör har potential att ersätta 14 knappa metaller inom sina huvudsakliga användningsområden. De hittade potentiella teknikbaserade lösningar för att ersätta metallerna med kolnanomaterial för alla applikationer utom guld i smycken. De metaller som vi är närmast att kunna ersätta är indium, gallium, beryllium och silver. Kredit:Rickard Arvidsson och Björn Sandén
"Det här ger hopp, ", säger Sandén. "I debatten om resursbegränsningar, cirkulär ekonomi och samhällets materialhantering, fokus har länge legat på återvinning och återanvändning. Substitution är ett potentiellt alternativ som inte har utforskats i samma utsträckning och i takt med att resursfrågorna blir mer angelägna, vi har nu fler verktyg att arbeta med."
Forskningsresultaten publicerades nyligen i Journal of Cleaner Production . Arvidsson och Sandén betonar att det finns betydande potentiella fördelar med att minska användningen av knappa metaller, och de hoppas kunna stärka argumenten för mer forskning och utveckling inom området.
"Föreställ dig att kunna ersätta knappa metaller med kol, Sandén säger. "Att utvinna kolet från biomassa skulle skapa ett naturligt kretslopp."
"Eftersom kol är ett så vanligt och lättillgängligt material, det skulle också vara möjligt att minska de konflikter och geopolitiska problem som är förknippade med dessa metaller, säger Arvidsson.
Samtidigt påpekar de att det behövs mer forskning inom området för att komma till rätta med eventuella nya problem som kan uppstå om de knappa metallerna byts ut.
"Kolnanomaterial är bara en relativt ny upptäckt, och än så länge är kunskapen begränsad om deras miljöpåverkan ur ett livscykelperspektiv. Men generellt verkar det finnas en potential för en låg miljöpåverkan, säger Arvidsson.
Fakta:
Kolnanomaterial består uteslutande eller huvudsakligen av kol, och är starka material med god ledningsförmåga. Flera knappa metaller har liknande egenskaper. Metallerna finns, till exempel, i kablar, tunna skärmar, flamskyddsmedel, korrosionsskydd och kondensatorer.
Rickard Arvidsson och Björn Sandén vid Chalmers tekniska högskola har undersökt om kolnanomaterialet grafen, fullerener och kolnanorör har potential att ersätta 14 knappa metaller inom sina huvudsakliga användningsområden (se tabell i bifogad bild). De hittade potentiella teknikbaserade lösningar för att ersätta metallerna med kolnanomaterial för alla applikationer utom guld i smycken. De metaller som vi är närmast att kunna ersätta är indium, gallium, beryllium och silver.
