将异质性转化为结构优势：多尺度协同机制，用于将全组分污泥水解物转化为生物聚合物薄膜

《npj Clean Water》：Transforming heterogeneity into a structural advantage: multiscale synergistic mechanisms for converting full-component sludge hydrolysate into biopolymer films

　　

摘要

污泥的复杂成分通常被视为实现高价值资源回收的障碍。我们提出了一种水解-自组装方法，该方法直接将全组分污泥水热上清液（SHS）与甲基纤维素（MC）结合，制备出具有机械增强性能的复合薄膜，将成分复杂性转化为多尺度结构优势。优化后的SHS/MC薄膜的抗拉强度达到了20.21 MPa，断裂伸长率为151.13%。多尺度表征和模拟表明，污泥中的蛋白质和多糖形成了氢键网络，从而平衡了材料的刚性和柔韧性；同时，小分子调控的相分离作用使得纳米结构均匀分布，其间距为32.25–40.57 nm，有助于应力分散。无机矿物颗粒进一步增强了有机-无机界面的性能，促进了应力传递。这些分子、纳米/微观结构以及界面层面的机制共同作用，实现了材料的同步强化和增韧，提升了薄膜的强度-延展性平衡。生命周期评估（LCA）进一步证明了该方法的环境效益。本研究为设计SHS/MC复合生物聚合物薄膜提供了理论框架，并为污泥转化为高价值材料提供了可行的策略。