城市污泥胞外聚合物(EPS)的阻燃机制解析及其在火灾安全应用中的潜力

针对传统阻燃剂的环境健康风险，研究人员从城市污泥中提取胞外聚合物(EPS)，系统解析其热稳定性、成炭特性及气相/凝聚相阻燃机制。研究发现EPS通过释放自由基清除化合物和非可燃气体抑制火势蔓延，其高含氮(N)、磷(P)、硫(S)特性显著提升成炭率(31.2%)和热稳定性(活化能372.3 kJ/mol)，为废水污泥资源化和绿色阻燃材料开发提供新思路。

　　

随着全球每年产生约1000万吨干重城市污泥，其处理已成为环境治理难题。传统卤系阻燃剂因毒性被欧盟限制使用，而生物基阻燃剂因其环保特性备受关注。胞外聚合物(EPS)作为微生物分泌的天然高分子混合物，含有蛋白质(PN)、多糖(PS)和类腐殖质(HS)等组分，此前研究多聚焦其污水处理功能，对其阻燃性能的系统研究仍属空白。

新西兰奥克兰Watercare Service的研究团队从二级污泥(SSE)、废弃污泥(WSE)和消化污泥(DSE)中提取EPS，通过热重分析(TGA)、锥形量热仪和热解-气相色谱/质谱联用(Py-GCMS)等技术，首次揭示了EPS的多相阻燃机制。研究发现所有EPS在燃烧时均能释放自由基清除化合物和非可燃气体，其中SSE表现最优：其最高活化能(372.3 kJ/mol)使点燃时间延迟24秒，31.2%的成炭率显著降低热释放速率。

研究采用三级技术路线：首先通过碱酸法提取三种污泥EPS并表征其化学组成；其次采用多加热速率TGA结合FWO/KAS模型计算活化能；最后通过锥形量热仪和原位热解分析揭示阻燃机制。特别关注了N/P/S元素在气相(自由基淬灭)和凝聚相(成炭催化)中的差异化作用。

化学性质分析显示SSE含氮量最高(11.5%)，WSE因含初级污泥有机物而碳含量达76.9%。热学特性表明所有EPS在140-600°C分三阶段降解，SSE在高温下残炭量比WSE高137%。火灾反应特性证实SSE的峰值热释放速率(419.6 kW/m²)仅为WSE的51%，其致密炭层能有效阻隔热质传递。气相分析检测到含氮化合物(如氰化物)和酚类物质，证实其自由基捕获能力；凝聚相分析通过拉曼光谱发现SSE炭层的I_D/I_G比值最低(1.49)，表明更有序的碳微晶结构。

该研究创新性提出EPS的"双相阻燃模型"：低温区(<400°C)依赖PN分解产生氮自由基淬灭火焰，高温区(>400°C)通过P/S催化形成致密炭层。相比工业木质素(活化能104-168 kJ/mol)，SSE展现出更优的热稳定性，且其提取过程可与污泥厌氧消化工艺耦合，实现"阻燃剂生产-沼气发电"的循环经济模式。

论文发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为废水处理厂污泥高值化利用开辟新途径。未来研究需关注EPS-聚合物复合材料的界面相容性，以及热解产物的毒理学评估。这项工作不仅推动环境友好型阻燃剂发展，更为城市污泥管理提供了"以废治灾"的创新思路。