这项研究开发了一种新型的生物基阻燃剂，该阻燃剂是通过将废水污泥中提取的碱性聚合物与植酸进行合成组合而得到的

《Journal of Environmental Management》：The research of a novelty bio-based flame retardant derived from the synthetic combination of alkaline-extracted polymer substances from wastewater sludge with phytic acid

从污泥中提取的碱性聚合物物质（AEPS）与肌醇六磷酸（PA）结合作为棉织物阻燃剂，经测试复合涂层使LOI值提升22.6%，总热释放减少33.8%，并形成碳层增强热稳定性，同时缓解PA酸性对织物机械性能的损伤。

　　

李聪聪|程明|陈瑞琴|王若飞|王向阳|赵亮|郝晓迪|史晨|张伟

中荷未来废水处理技术研发中心/北京建筑大学城市雨水系统与水环境重点实验室，中国北京100044

摘要

从废水处理厂产生的 excess sludge（剩余污泥）中回收和利用有价值的资源是一个备受关注的研究领域。在本研究中，我们从 excess sludge 中提取了碱性提取的聚合物物质（AEPS），并使用植酸（PA）对其进行了改性，以测试其作为阻燃剂的潜力。热重分析表明，用这种生物基阻燃剂处理棉织物后，残余碳含量增加了30.3%；扫描电子显微镜观察显示，处理后的织物表面形成了一层碳层，显著提高了其热稳定性。处理后的织物还表现出更高的极限氧指数（LOI），总热释放量减少了33.8%。虽然植酸本身已经是一种优良的阻燃剂，但加入 AEPS 后减轻了植酸强酸性对棉织物机械性能的损害，从而提高了织物的最大抗拉强度。这些结果证明了所开发的生物基阻燃剂的强大潜力以及 AEPS 和植酸之间的协同效应。

引言

人口增长、工业发展和城市化导致了废水处理产生的污泥量不断增加，目前每年产生的干物质污泥量约为5600万吨，预计30年后这一数字几乎会翻倍（Romano等人，2025年）。受到将“废物转化为资源”这一理念的启发（Bahgat等人，2023年；Cheng等人，2023年），人们提出了从 excess sludge 中经济高效地提取聚合物物质的方法（Shi等人，2024b年），这种方法可以在污泥处理的脱水阶段和深度干燥阶段之间方便地应用，从而将部分二氧化碳排放转化为资源循环利用（Cheng等人，2024年；Hao等人，2019年；Kehrein等人，2020年）。许多研究探讨了碱性提取的聚合物物质（AEPS）在防水涂料、水泥保湿剂、重金属吸附剂和种子涂层等领域的应用（Shi等人，2024a年，2024c年；Zeng等人，2023年）。特别是 AEPS 的高耐火性，使其作为阻燃材料的潜力受到了广泛关注（Kim等人，2020年）。

近年来，由于卤化阻燃剂在受热时会释放有害的卤素原子，因此人们越来越关注生物基替代品（Costes等人，2017年；Sharkey等人，2020年；Hobbs，2019年）。其中，多糖类物质——包括纤维素、淀粉、环糊精、海藻酸和壳聚糖及其衍生物——被视为有前景的候选材料（Alongi等人，2014年；W. Zhang等人，2021年）。这些材料含有丰富的羟基，在燃烧过程中会释放水蒸气，从而产生气相稀释和固相屏障效应（Huo等人，2023年）。一个显著的例子是从褐藻中提取的海藻酸。有趣的是，用于提取海藻酸钠的酸沉淀法也被应用于污泥减量化过程，从而产生了 AEPS（Cheng等人，2024年）。鉴于已知的海藻酸凝胶的阻燃和机械性能（Wang等人，2020年），可以合理推测 AEPS 具有类似的特性，这一点已得到多项研究的验证（Lin等人，2018年；Xue等人，2019年）。实际上，AEPS 的阻燃效果已经得到证实，但如先前研究所示，其阻燃效果并不理想，仍需要使用大量的 AEPS，且 AEPS 溶液的浓度高达3%（w/v）（Kim等人，2020年）。然而，研究人员主要致力于开发改进从污泥中提取 AEPS 的方法（Felz等人，2016年），而很少有研究关注提高其具体性能。不过不难推断，通过改性可以进一步提高其效率，就像其他典型的多糖类阻燃剂一样（Huo等人，2023年）。

基于磷的替代品不仅具有优异的阻燃性能，而且可以通过温和的方法进行接枝，具有更环保的特性（Li等人，2017年；Levchik和Weil，2013年）。植酸（PA）就是一个典型的例子，它是一种从植物组织中提取的有效生物基阻燃剂。植酸含有六个负电荷的磷酸基团，具有很高的生物相容性和可再生性（Scharte，2010年）。在无机应用中，接枝了植酸的高岭石与膨胀阻燃体系结合后，被用于乙烯-醋酸乙烯共聚物中以提高阻燃性能（Zhang等人，2021年）。同样，在有机系统中，使用1:3比例的植酸和哌嗪制备的复合材料在聚丙烯中表现出更好的性能，极限氧指数（LOI）达到了25.0%（Gao等人，2019年）。这些发现表明，将植酸接枝到 AEPS 上可能会产生类似的协同效应，从而开发出完全基于生物的、无卤素的阻燃剂替代品。这样的创新将直接解决与合成阻燃剂相关的环境和健康问题，这是纺织、建筑和塑料行业面临的关键监管和市场驱动的优先事项。

在本研究中，我们使用植酸作为磷源来改性来自废水污泥的 AEPS。选择高易燃性的棉织物（CF）作为基底，以满足消防安全标准。将改性后的混合物通过层层浸渍的方式应用于纯棉织物上，并对其形态结构、热稳定性和阻燃性能进行了表征。研究目的是确定 AEPS 和植酸的结合是否能够产生有效的阻燃剂，以及 AEPS 是否能够缓解植酸的强酸性并对棉织物的结构造成损害。

材料

棉织物（CF）由中国晋州市中岩贸易有限公司提供（材料：100%纯棉，编织方式：机织）。植酸（PA）（50%水溶液）由中国上海麦克莱恩生化有限公司提供。其他化学品由中国上海新华制药试剂有限公司采购。实验室使用Arium Comfort II超纯水系统（Sartorius Corp., G?ttingen, Germany）对市政水进行纯化，制备了电阻率大于18.2 M Ω的超纯水。

剩余

结构分析和表面形貌

图1(a)显示了六个样品的FTIR光谱。CF_Blank在3280 cm^?1附近有归属于O–H伸缩振动的谱带，在2890 cm^?1附近有归属于C–H伸缩振动的谱带，这些特征与纤维素相符（Xu等人，2021年；A. N. Zhang等人，2021年）。CF_PA在968 cm^?1处出现一个新的谱带，该谱带归属于磷酸基团的P–O伸缩振动（Nita等人，2021年）。CF_AEPS在2850 cm^?1和1647 cm^?1处出现了新的谱带，分别归属于C–H伸缩振动

结论

本研究通过 AEPS 和植酸的协同作用开发了一种用于棉织物的生物基阻燃剂。所得到的复合涂层（CF_(60+60)表现出优异的阻燃性能，其极限氧指数（LOI）提高了22.6%。锥形量热法测试表明，CF_(60+60)的热释放速率（THR）为0.53 MJ m^?2，比 CF_Blank（0.8 MJ m^?2）降低了33.8%。热重分析显示，CF_(60+60)的残余炭产率增加了30.3%

作者贡献声明

李聪聪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，概念构思。程明：撰写 – 审稿与编辑，方法学。陈瑞琴：方法学。王若飞：方法学。王向阳：撰写 – 审稿与编辑，方法学。赵亮：方法学，数据管理。郝晓迪：撰写 – 审稿与编辑，方法学。史晨：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法学，数据管理。张伟：项目管理，

利益冲突声明

我们声明与任何可能不当影响我们工作的个人或组织没有财务和个人关系，也没有任何形式的专业或其他个人利益涉及本文所评审的产品、服务和/或公司，这些利益可能会影响我们在手稿中的观点。

致谢

特别感谢北京建筑大学的林张女士在文章修订过程中提供的帮助。本研究得到了国家自然科学基金（编号：52200033）和北京市教育委员会的科学研究项目（编号：KM202210016007）的支持。此外，本研究还得到了北京建筑大学先进材料研究所的公开招标选拔最佳候选人项目的资助