表面活性剂稳定的泡沫地聚合物作为海绵城市过滤模块：在吸附、过滤和隔热性能方面的结构-性质关联

《Environmental Research》：Surfactant-stabilized foamed geopolymers as sponge-city filter modules: structure–property links for adsorption, filtration, and insulation

本研究通过H?O?发泡和表面活性剂稳定制备多孔地聚物，揭示孔隙结构对MB吸附动力学、隔热性能及力学特性的影响。发现开放孔隙率>85%的SDS体系导热系数最低（0.10-0.30 W/(m·K)），且密度与导热系数呈强线性关系（R2=0.9409）。泡沫化使抗压强度显著降低（28天强度从60 MPa降至15-30 MPa），但通过调控孔隙连通性可使MB吸附效率提升（达0.906 mg/g）。研究成果为多功能地聚物在雨水管理、建筑保温等领域的工程应用提供理论支撑。

　　

刘一帆|王新鹏|李国强|王健|史大全|Confidence S. Doe|Hélio Caetano Galhardo|Seithati Mapesela|王汉宇|王彦松|李雪颖

哈尔滨工业大学土木工程学院，中国哈尔滨 150090

摘要

本研究量化了基于表面活性剂发泡的多孔偏高岭土地质聚合物的结构-性能关系，将孔隙结构与亚甲蓝（MB）吸附、隔热性能、抗压强度和过滤性能联系起来。亚甲蓝作为一种代表性的阳离子有机探针，用于阐明孔隙连通性与传质/吸附动力学之间的耦合关系。使用H₂O₂（2 wt%）作为发泡剂，并结合十二烷基硫酸钠（SDS，1.6–3.0 wt%）或植物油（3.0–6.0 wt%）作为稳定剂，在常温和60 °C条件下制备了16种配方。含有表面活性剂的样品总孔隙率超过70%；在SDS体系中，开孔率通常占总孔隙率的85%以上。热导率范围为0.125–0.54 W/(m·K)；未发泡基体的热导率分别为0.5311 W/(m·K)（常温）和0.45 W/(m·K)（60 °C），而发泡样品的热导率主要集中在0.10–0.30 W/(m·K)之间。体积密度与热导率之间存在强烈的线性关系。未发泡基体在3天时的抗压强度超过50 MPa，在28天时达到60 MPa；H₂O₂发泡显著降低了材料的抗压强度，这与孔隙率的增加一致。孔隙连通性的增强加速了吸附动力学：未发泡样品需要超过200分钟才能达到平衡，仅含H₂O₂的样品在60分钟内达到平衡，而含有1.6–2.3 wt% SDS的样品则在20分钟内达到平衡。在60 °C下，使用2 wt% H₂O₂ + 2.3 wt% SDS的配方中，亚甲蓝的最大吸附量分别为10 mg/L、20 mg/L和40 mg/L时的0.212 mg/g、0.455 mg/g和0.906 mg/g。虽然亚甲蓝作为模型吸附物，但实际应用中更关注城市雨水中的常见污染物——特别是选定的疏水性有机物——因此优先将其用作入口窖井的预处理介质、透水铺装基层的过滤层以及屋顶径流模块。在这些应用中，低热导率有助于缓解季节性温度波动，而孔隙连通性与通量以及密度与热导率之间的量化关系为具有吸附、过滤和隔热功能的多功能地质聚合物的设计提供了指导。

引言

工业化和城市化进程正在加速。重金属和有机污染物对土壤和水环境产生了广泛而深远的影响（Elboughdiri, 2020; Ge et al., 2015）。大量研究表明，土壤中的重金属会显著改变植物的生理特性，包括植物高度、主根长度和叶面积。重金属还会影响无脊椎动物，蚯蚓和线虫的数量、丰度和种群组成也会发生显著变化。更严重的是，地表土壤中的重金属可以进入人体，通过皮肤接触、摄入和吸入途径进入人体。长期暴露可能导致多种健康问题，影响呼吸系统、神经系统和肾脏（Miyah et al., 2018; Rafatullah et al., 2010）。同时，有机污染物对生态系统和人类健康构成双重威胁，特别是总石油烃（TPH）和多环芳烃（PAHs），因为它们具有疏水性和持久性。

多种污染物的共存导致了复杂的污染问题。从水和土壤中高效且经济地去除有害物质已成为一个重要的研究方向。已经开发了许多方法来去除废水中的污染物（AlJaberi, 2018; Li et al., 2021; Razzak et al., 2022）。在污水处理技术中，吸附方法被广泛应用，因为它简单、环保、成本效益高且无污染（Rasaki et al., 2019; Rashid et al., 2021; Yan et al., 2019a）。除了地质聚合物（一种通过碱活化非晶态铝硅酸盐前体制成的无机铝硅酸盐粘合剂）之外，最近的吸附系统还能同时去除多种污染物，这突显了多功能处理介质的重要性。代表性研究报道了使用UiO-66基复合材料、LDH/ZIF-8复合材料和分级ZIF衍生吸附剂同时捕获共存有机物和金属离子的情况，并量化了其动力学和再生性能（Baladastian et al., 2024; Imanipoor et al., 2023; Naeem et al., 2023; Yang et al., 2024）。这些进展促使我们关注将孔隙结构与多孔地质聚合物的吸附-过滤功能相结合（Wang et al., 2025a; Wang et al., 2025b; Wang et al., 2025c）。近年来，地质聚合物作为一种新兴的无机聚合物材料，由于其高孔隙率、优异的化学稳定性和可调的微观结构而受到越来越多的关注。通过调整原材料组成和合成方法，可以定制地质聚合物的吸附性能，使其在去除废水中的重金属离子、染料和有机污染物方面展现出巨大潜力（Alahmad et al., 2024; Gon?alves et al., 2023; Jin et al., 2025; Papa et al., 2024; Ren et al., 2023; Wang et al., 2023; Wang et al., 2022b）。

与此同时，地质聚合物在建筑保温材料领域的开发和应用也成为近年来的研究热点。热导率（λ）是评估保温性能的关键参数，较低的热导率值表示更好的保温效果（Novais et al., 2016）。通常，地质聚合物的热导率低于0.70 W/(m·K)（Subaer and van Riessen, 2007），大约是波特兰水泥材料的一半（Feng et al., 2015; Fongang et al., 2015），这表明其具有良好的保温性能。为了进一步提高保温效果，研究人员通常引入孔隙结构以降低热导率。常见的发泡方法包括化学发泡（Abdollahnejad et al., 2015; B?ke et al., 2015; Henon et al., 2013; Sanjayan et al., 2015; Wu et al., 2018）和机械发泡（Zhang et al., 2015）。

通过使用H₂O₂进行化学发泡制备了多孔地质聚合物。在碱性条件下，H₂O₂分解成水和氧气；释放的气体形成封闭或相互连接的孔隙，从而提高了保温和吸附性能。在实际处理过程中，介质经常暴露于混合的有机-无机污染物以及变化的温度/水动力条件下（例如城市径流和地下渗透）。在这种情况下，保温和吸附可以协同作用：低热导率可以缓解季节性温度波动，减轻低温对扩散和吸附平衡的影响，稳定吸附-过滤性能，并减少可能损害孔壁完整性和长期渗透性的热冲击。这种多功能耦合支持将发泡地质聚合物用作污染物捕获和被动流动控制的集成介质。

尽管已有大量关于粉煤灰或高岭土基地质聚合物的批量吸附研究，但仍存在两个空白：（i）对连续流动条件下结构化多孔体的评估有限；（ii）缺乏孔隙结构特性（如总孔隙率/开孔率、孔隙可及性/连通性以及壁/骨架特征）与跨性能指标（如吸附能力/动力学、水力通量、隔热性能和抗压强度）之间的定量关联。为了解决这些问题，本研究使用偏高岭土作为Si/Al来源，并结合H₂O₂发泡和表面活性剂稳定（植物油或SDS）来制备具有可调孔隙结构的多孔地质聚合物。亚甲蓝（MB）作为代表性的阳离子探针，用于实现不同配方之间的可控比较，并研究孔隙可及性和传输路径如何影响吸附动力学和吸附量。本研究的新颖之处在于提出了一种以设计为导向的多性能评估框架，将孔隙参数与功能性能联系起来：孔隙指标与热导率、28天抗压强度和MB吸附量相关；通过水通量和不同组成及层厚的床层吸附量来评估连续流动行为；并在重复过滤循环下进一步考察了水相功能稳定性。通过XRD和SEM表征微观结构，使用FT-IR识别官能团。通过将孔隙结构分析与吸附和传质考虑相结合，本研究阐明了孔隙特性与吸附、过滤、隔热和机械性能之间的相关性和耦合趋势，为入口窖井预处理介质、透水铺装基层的过滤层、屋顶径流模块等绿色建筑/海绵城市应用提供了理论和技术指导。

材料与试剂

前体是一种主要为SiO₂和Al₂O₃组成的浅红色偏高岭土粉末；其氧化物组成在补充表1中总结。碱性活化剂由硅酸钠溶液（水玻璃，Na₂O·nSiO₂，n = 2.2）和氢氧化钠颗粒组成，并与去离子水混合；目标活化剂的组成在第2.2节中详细说明。过氧化氢（H₂O₂，30 wt%）用作发泡剂。表面活性剂包括基于甘油三酯的油和SDS。

体积膨胀率和表观密度

图1显示了不同地质聚合物样品的体积膨胀率和表观密度变化趋势。未发泡样品由于结构紧密而具有较高的密度。加入H₂O₂后，在碱性条件下分解产生气体，形成内部孔隙，从而降低材料密度并增加膨胀率。在60 °C下固化的样品表现出更大的膨胀率和更低的密度，因为高温加速了这一过程

结论

本研究阐明了在批量吸附和连续流动过滤条件下，基于表面活性剂发泡的偏高岭土地质聚合物的孔隙结构与性能之间的定量关系。热导率范围为0.125–0.54 W/(m·K)；未发泡基体的热导率分别为0.5311 W/(m·K)（常温）和0.45 W/(m·K)（60 °C），而发泡样品的热导率主要集中在0.10–0.30 W/(m·K)之间。热导率与体积密度之间存在强烈的线性关系（R² = 0.9409），证实了密度/孔隙率作为可靠指标的重要性

CRediT作者贡献声明

史大全：软件开发。王健：软件开发、项目管理。Hélio Caetano Galhardo：概念设计。Confidence S. Doe：数据管理。王汉宇：软件开发。Seithati Mapesela：数据验证。李雪颖：撰写、审稿与编辑、概念设计。王彦松：可视化处理。王新鹏：项目管理。刘一帆：初稿撰写、方法论设计。李国强：资源协调

未引用参考文献

Subaervan Riessen, 2007.

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。