Metalen zijn een van de meest gebruikte materialen ter wereld - ze worden gebruikt in kookgerei, gereedschap, elektrische apparaten, electrische bedrading, computer chips, sieraden enzovoort. Met de groeiende vraag naar metalen producten, het is van cruciaal belang om duurzame en milieuvriendelijke methoden voor het recyclen van metaalafval te bevorderen om de milieu-impact van het gebruik van metalen in de economie te helpen verminderen.

De conventionele benaderingen voor het recyclen van metaalafval zijn energie-intensief en sommige van deze methoden genereren ook milieubelastende bijproducten, zoals ammoniak en methaan bij aluminiumrecycling.

Om deze uitdaging aan te gaan, een team van onderzoekers van de National University of Singapore (NUS) heeft een nieuwe milieuvriendelijke techniek gedemonstreerd om aluminium- en magnesiumafval om te zetten in hoogwaardige, multifunctionele aerogels. Deze upcyclingmethode kan worden toegepast op alle soorten metaalafval in energievorm, zoals metaalchips en elektronisch afval.

"Onze aanpak is goedkoper, produceert geen gevaarlijk afval, verbruikt minder energie en is milieuvriendelijker dan conventionele recyclingmethoden voor metaalafval. De op metaal gebaseerde aerogels die zijn gemaakt met behulp van onze unieke fabricagetechniek, hebben een hoge thermische en mechanische stabiliteit. Vandaar, ze zijn veelbelovende kandidaten voor warmte- en geluidsisolatie in ruwe omgevingen met hoge temperaturen of hoge mechanische impact. We onderzoeken ook nieuwe toepassingen voor dergelijke aerogels, zoals biomedische toepassingen, " verklaarde onderzoeksteamleider universitair hoofddocent Duong Hai-Minh, die van de NUS-afdeling Werktuigbouwkunde is.

Deze nieuwste technologische doorbraak bereikt door universitair hoofddocent Duong en zijn team bouwt voort op hun eerdere successen bij het ontwikkelen van aerogels met verschillende soorten afval, zoals plastic, textiel, papier, ananasbladeren en andere soorten voedsel en landbouwafval.

Eenvoudig, goedkoop fabricageproces

Het NUS-team heeft een eenvoudig fabricageproces ontwikkeld om op metaal gebaseerde aerogels te maken. Metaalafval wordt eerst vermalen tot poeder en gemengd met chemische crosslinkers. Het mengsel wordt verwarmd in de oven, bevroren en vervolgens gevriesdroogd om de aerogel te maken. Het proces kan enigszins variëren, afhankelijk van het betrokken metaalafval. Gemiddeld, het duurt ongeveer één tot drie dagen om metaalafval in poedervorm om te zetten in aerogels, vergeleken met drie tot zeven dagen met conventionele methoden voor het produceren van aerogels.

Het eenvoudige proces betekent ook dat op metaal gebaseerde aerogels tegen veel lagere kosten kunnen worden geproduceerd. Met behulp van de techniek die is ontwikkeld door het NUS-team, een stuk op metaal gebaseerde aerogel van 1 m² groot en 1 cm dik kost minder dan S $ 10,50 om te produceren, de helft van de prijs van in de handel verkrijgbare silica-aerogel.

Op metaal gebaseerde aerogels als veelzijdige bouwmaterialen

Aerogels zijn zeer absorberend, extreem licht, en ze hebben uitstekende thermische en geluidsisolerende eigenschappen. In hun eerdere werk Assoc Prof Duong en zijn team hadden aangetoond dat de eigenschappen van aerogels kunnen worden veranderd door ze te coaten met chemicaliën, bijvoorbeeld, ze kunnen waterafstotend of brandwerend worden.

In hun laatste werk, het NUS-team heeft nieuwe opwindende toepassingen voor op metaal gebaseerde aerogels geïdentificeerd. Een veelbelovende toepassing is het gebruik als lichtgewicht constructiemateriaal.

"Onze aluminium aerogel is 30 keer lichter en isoleert de warmte 21 keer beter dan conventioneel beton. Wanneer tijdens het mengen optische vezels worden toegevoegd, we kunnen doorschijnende aluminium aerogels maken die, als bouwmaterialen, natuurlijke verlichting kan verbeteren, het energieverbruik voor verlichting verminderen en donkere of raamloze gebieden verlichten. Doorschijnend beton kan ook worden gebruikt om trottoirs en verkeersdrempels aan te leggen die 's nachts oplichten om de veiligheid voor voetgangers en wegverkeer te verbeteren, "Asoc Prof Duong toegevoegd.

De doorschijnende aluminium aerogels gemaakt door het NUS-team zijn zes keer lichter, zes keer beter in thermische isolatie en 120 keer goedkoper in vergelijking met commercieel doorschijnend beton (LiTraCon).

Wanneer gecoat met een chemische stof genaamd methyltriethoxysilaan (MTEOS), aluminium aerogels kunnen water afstoten en worden een zelfreinigend constructiemateriaal waardoor vuil of puin gemakkelijk kan worden weggespoeld wanneer het in contact komt met water.

Op metaal gebaseerde aerogels zijn ook geschikt als brandvertragende platen, thermische isolatiematerialen in gebouwen en leidingsystemen, voor absorptie van luchtverontreinigingen voor binnenomgevingen, en reiniging van olievlekken.

Op metaal gebaseerde aerogels voor celkweek

Het NUS-team bekijkt ook het gebruik van aerogels voor biomedische toepassingen.

"We werken momenteel samen met een commerciële partner om onze aluminium aerogels te testen als microdragers voor celkweek. Microdragers zijn bolletjes van microformaat voor cellen om te verankeren en te groeien. Onze eerste proeven werden uitgevoerd op stamcellen, met behulp van een cellijn die vaak wordt gebruikt voor het testen van medicijnen en cosmetica, en de resultaten zijn zeer bemoedigend, " legde Assoc Prof Duong uit.

Te gebruiken als microdragers, aluminium aerogels worden vermalen tot poeder en toegevoegd aan het mengsel van cellen en groeimedia (inclusief voedingsstoffen, antibiotica en groeisupplementen). De cellen worden gedurende 12 dagen bij 37 graden Celsius in een incubator gekweekt. De microdragers worden vervolgens verwijderd en de cellen worden geoogst voor verschillende toepassingen.

"Na 12 dagen incubatie, onze experimenten behaalden een opbrengst van 70%. Dit is de eerste succesvolle demonstratie van groeiende cellen met aerogels. We moeten meer onderzoeken uitvoeren om de kweekomstandigheden te optimaliseren en aan de eisen van biocompatibiliteit te voldoen. Dit is een opwindende ontwikkeling die deuren zou kunnen openen voor een breder gebruik van aerogels voor niet-conventionele toepassingen zoals het testen van medicijnen en cosmetica, vaccinontwikkeling en tissue engineering, "Asoc Prof Duong legde uit.

Het NUS-team heeft onlangs zijn werk gepubliceerd over het maken van aerogels met aluminiumafval in de Tijdschrift voor materiaalcycli en afvalbeheer op 22 februari 2021. Universitair hoofddocent Duong en zijn team zijn ook in gesprek met industriële partners om de technologie voor het vervaardigen van op metaal gebaseerde aerogels te commercialiseren.

In de volgende fase van hun onderzoek, het NUS-team kijkt ook naar de ontwikkeling van op metaal gebaseerde aerogels voor toepassingen die extreem hoge temperatuurtolerantie vereisen, zoals voor militaire toepassingen.