Upcycling von Ananasblättern in Öko-Aerogele
Niedrige Kosten, hoher Wert
Ananas ist reich an Vitaminen, Enzymen und Antioxidantien, und sie gilt als eine der wichtigsten Früchte der Welt. Bei der Ernte dieser köstlichen und gesunden Frucht fallen jedoch Tonnen von Ananasblättern an, die normalerweise verrotten oder verbrannt werden. Dadurch könnten wiederum schädliche Chemikalien und Treibhausgase freigesetzt werden, die ernsthafte Umweltprobleme verursachen können.
Assoc Prof. Duong Hai-Minh (Mitte) und sein Team von NUS Mechanical Engineering entwickelten eine Technik, mit der Ananasblattfasern in ultraleichte, biologisch abbaubare Aerogele umgewandelt werden können.
National University of Singapore
Um sich dieser Herausforderung zu stellen, haben Forscher von NUS eine einfache und kostengünstige Methode entwickelt, bei der Ananasblattfasern verwendet werden, um ultraleichte, biologisch abbaubare Aerogele herzustellen. Wenn diese biologisch abbaubaren Aerogelen mit spezifischen Chemikalien beschichtet werden, können sie unter anderem dazu verwendet werden, Obst und Gemüse länger haltbar zu machen und giftige Metalle aus Abwässern zu entfernen.
Diese Öko-Aerogelen können wiederverwendet werden, wodurch der Abfall weiter reduziert und die Nachhaltigkeit verbessert wird. Sie können auch sicher in die Umwelt entsorgt werden, ohne die Umwelt zu verschmutzen.
Das Forschungsteam der NUS Maschinenbau hat nach Möglichkeiten gesucht, Abfall zu reduzieren und damit die ökologische Nachhaltigkeit zu fördern, indem verschiedene Abfallarten - wie Papier, Textilien, Plastik und Gummi - zu multifunktionalen Aerogels aufbereitet werden. Ihre jüngste Arbeit an Öko-Aerogelen begann im August 2016 und dauerte drei Jahre, um vielversprechende Ergebnisse zu erzielen.
"Diese Öko-Aerogelen aus Ananasblattfasern sind sehr vielseitig. Sie sind wirksam als Ölabsorptionsmittel und zur Wärme- und Schalldämmung. Wir haben auch ihre potenziellen Anwendungen in der Lebensmittelkonservierung und Abwasserbehandlung demonstriert. Dies ist ein großer Schritt hin zu einer nachhaltigen Landwirtschaft und Abfallwirtschaft und stellt eine zusätzliche Einkommensquelle für die Landwirte dar", sagte Professor Duong Hai-Minh, der das Forschungsteam leitet.
Das NUS-Team hatte auch Öko-Aerogele aus anderen landwirtschaftlichen und Lebensmittelabfällen wie Zuckerrohrbagasse, Kaffeesatz und Okara hergestellt.
Niedrige Kosten, hoher Wert
Öko-Aerogelgele sind leicht herzustellen, was sich in niedrigen Produktionskosten niederschlägt - eine Aerogelplatte von einem Quadratmeter Fläche und einem Zentimeter Dicke kostet weniger als 10 S$. Wenn es auf den Markt kommt, kann eine Aerogelplatte der gleichen Größe zu Preisen zwischen S$30 und S$50 verkauft werden.
Der Herstellungsprozess variiert je nach Art des verwendeten Rohmaterials. Die wichtigsten Schritte sind: Zerkleinern/Mischen, Mischen mit Wasser und einer kleinen Menge ungiftiger Chemikalien, Rühren, Altern, Einfrieren und Gefriertrocknen. Im Durchschnitt dauert die Herstellung von Aerogelen aus den Rohstoffen bis zu 12 Stunden - das ist etwa 18 Mal schneller als die herkömmliche "Sol-Gel"-Methode, die zur Herstellung kommerzieller Aerogelen verwendet wird.
Konservierung von Lebensmitteln
Um die Funktion der Lebensmittelkonservierung zu erfüllen, werden Öko-Aerogelen mit Aktivkohlepulver so modifiziert, dass sie Ethylengas, das auch als "Fruchtreifungshormon" bezeichnet wird und den Reifeprozess von Obst und Gemüse auslöst, effektiv aufnehmen können. Dies gilt insbesondere für klimakterische Früchte und Gemüse - wie Banane, Mango, Papaya, Kartoffel und Tomate -, die auch nach der Ernte noch erheblich reifen.
Professor Nhan Phan-Thien, ein leitendes Mitglied des Forschungsteams, erklärte: "Riesige Mengen frischer landwirtschaftlicher Erzeugnisse werden aufgrund unzureichender Lagerungs- und Verarbeitungseinrichtungen nach der Ernte sowie ineffizienter oder gestörter Transportsysteme weggeworfen. Daher kann die Verringerung des Verderbs einen großen Beitrag zur Abfallvermeidung leisten.
"In unseren Laborexperimenten können mit Aktivkohle modifizierte Öko-Aerogelen den Rotteprozess um mindestens 14 Tage verzögern. Das modifizierte Öko-Aerogel kann sechsmal mehr Ethylen absorbieren als kommerzielle Kaliumpermanganat-Ethylen-Absorptionsmittel. Dies ist auch eine sicherere Methode im Vergleich zur herkömmlichen Verwendung von starken Oxidationsmitteln und effizienter als ungiftige chemische Sprays zur Lebensmittelkonservierung", sagte Prof. Phan-Thien.
Behandlung von Abwasser
Aus Ananasblattfasern hergestellte Öko-Aerogele haben stärkere mechanische Eigenschaften und eignen sich für den Einsatz in der Abwasserbehandlung. Wenn sie mit einer Chemikalie namens Diethylentriamin (DETA) beschichtet werden, können Öko-Aerogelen im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, bei denen natürlich vorkommender Ton und synthetisch dotiertes Graphen verwendet werden, viermal mehr Nickel-Ionen aus Industrieabwässern entfernen. Es können verschiedene chemische Beschichtungen verwendet werden, damit die Öko-Aerogelen verschiedene Arten von Schwermetallen aus wässrigen Lösungen extrahieren können.
Assoc Prof. Duong sagte: "Aufgrund ihrer hohen Porosität sind Öko-Aerogelen sehr effizient bei der Entfernung von Metallionen, selbst in verdünnten Lösungen, wo die Menge an Metallionen gering ist. Der Behandlungsprozess ist einfach, billiger und erzeugt keinen sekundären Abfall. Öko-Aerogelen können die Metallionen auch leicht desorbieren und mehrmals wiederverwendet werden, was die Kosten weiter senkt".
Zukünftige Arbeit
Das neunköpfige Team von NUS hat ein Patent für die Herstellung von Öko-Aerogelen aus Ananasblattfasern zur Lebensmittelkonservierung und Abwasserbehandlung angemeldet. Es ist geplant, mit einem Industriepartner zusammenzuarbeiten, um diese Technologie zu vergrössern und zu kommerzialisieren.
Aufbauend auf ihren vielversprechenden Ergebnissen wollen diese Forscher nun ihre Forschung in mehreren Schlüsselbereichen ausweiten.
Zunächst werden verschiedene chemische Beschichtungen zur Herstellung von Öko-Aerogelen mit hoher und selektiver Adsorption verschiedener Schwermetallionen identifiziert. Zweitens suchen die Forscher nach Möglichkeiten, neben der Wiederverwendung der Öko-Aerogelen auch Schwermetalle nach der Abwasserbehandlung effizient aus den Öko-Aerogelen zurückzugewinnen.
Schließlich führt das Team Studien zur Entwicklung fortschrittlicher, kostengünstiger Vliesstofftechniken zur kontinuierlichen Herstellung von Öko-Aerogelen als Rolle mit unbegrenzter Länge durch. Vliesstofftechniken benötigen keine Lösungsmittel und könnten Öko-Aerogele schneller, mit weniger Energie und billigerer Ausrüstung herstellen. Dies wird die Produktionskosten von Öko-Aerogelen erheblich senken.
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