《Results in Surfaces and Interfaces》：Tannery liming sludge as extender in architectural paints: a novel approach
编辑推荐：
摘要
在皮革加工过程中，毛发/羊毛、表皮、非结构蛋白、脂肪和天然油脂必须通过化学处理和机械操作去除。在浸灰过程中使用助剂（NaSH、Na?S）和石灰（CaO）会产生浸灰废水，进而产生大量污泥，影响废水处理厂（ETP）。本研究开发了一种创新方法，将浸灰污泥用作
摘要
在皮革加工过程中，毛发/羊毛、表皮、非结构蛋白、脂肪和天然油脂必须通过化学处理和机械操作去除。在浸灰过程中使用助剂（NaSH、Na?S）和石灰（CaO）会产生浸灰废水，进而产生大量污泥，影响废水处理厂（ETP）。本研究开发了一种创新方法，将浸灰污泥用作建筑涂料配方中的增量剂，以4%、8%和12%（w/w）的制革石灰污泥（TLS）替代碳酸钙和高岭土。X射线荧光（XRF）光谱仪分析表明，浸灰污泥的化学组成与传统增量剂相似，因此可 readily 用作涂料制造增量剂。研究人员将所制建筑涂料的物理和感官性能与传统建筑涂料（不含浸灰污泥）进行了比较。评估结果显示，与标准涂料配方相比，TLS8（%）组合表现出更好的粘度（129.0 KU）、比重（1.356 g/mL）、固体含量（62.07%）、不透明度（98.87）、外观（膏状）、气味、亮度（72.38）、白度（117.13）、光泽度（60°下1.8 GU和85°下0.7 GU）、表面干燥时间（16分钟）、表面质感（较粗糙）、甲醛含量（154.9 mg/kg）以及附着力拉拔测试（1132 psi），满足建筑涂料的要求。SEM表明TLS8（%）组合与传统涂料具有相似的表面性质，而EDS则显示出稳定且均匀的涂料配方。因此，在涂料配方中使用TLS作为增量剂将有利于涂料工业，同时减少制革工业的污染。
论文解读：制革石灰污泥作为建筑涂料增量剂的研究
一、研究背景与问题
当前线性经济模式（“取-用-弃”）导致自然资源快速消耗和大量废物产生，不当的废物管理对生态环境和野生动物造成严重危害。作为替代方案，废物转化产品（waste-to-product）理念强调通过回收和再利用废物制造新产品，以实现可持续发展和环境保护。皮革制造业是资源密集型和污染严重的行业之一，每加工1000 kg生皮或毛皮，通常会产生150–250 kg污泥和30–35 m3废水。在皮革加工的浸灰（liming）和脱毛（unhairing）阶段，使用石灰（CaO）和硫化钠（Na?S）等助剂去除毛发、表皮、非纤维蛋白和脂肪，产生大量高污染负荷的浸灰废水。该步骤产生的污染物占制革厂总污染负荷（TPL）的60%–70%，废水含有高浓度硫化物、氯化物、化学需氧量（COD）、悬浮固体和生化需氧量（BOD）。据Hashem等（2021）报道，孟加拉国每年产生约5100至8925吨制革石灰污泥（TLS），这些有害污泥往往被不负责任地随意处置。已有污泥稳定化技术（如厌氧消化、地聚物、真空预压、焚烧和热解）存在成本高、可能释放有毒气体或生物降解性差等问题。虽然已有研究将制革污泥再利用为有机肥料、屋顶瓦片、建筑砖和生物炭，但在长期环境安全性和工业规模性能方面仍存在关键空白。在此背景下，研究人员探索将石灰污泥用作建筑涂料中的增量剂（extender），旨在实现废物增值和循环经济，同时减少制革工业的污染负荷。
二、研究目的与主要方法
本研究旨在表征来自浸灰废水的TLS，并将其以不同比例（4%、8%、12% w/w）掺入建筑涂料配方中，部分替代碳酸钙和高岭土等传统增量剂，评估所得涂料的物理、感官、力学和环境性能。研究使用的主要技术方法包括：X射线荧光光谱（XRF）分析TLS的化学组成；按照ASTM和ISO标准测试涂料的粘度（Krebs粘度计）、比重、固体含量、不透明度（对比率）、白度、光泽度、表面干燥时间、附着力（拉拔测试）和甲醛含量（HPLC）；扫描电子显微镜（SEM）观察涂膜表面形貌；能量色散X射线光谱（EDS）分析元素分布；按BS EN 16105进行累积浸出试验，用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定重金属浸出浓度；并用独立t检验进行统计验证。样本来源为孟加拉国库尔纳（Khulna）当地制革厂的浸灰废水，经硫酸铝混凝、沉淀、晒干、烘干（103±2°C，48小时）和研磨至0.2 mm粒径后使用。
三、主要研究结果
3.1 浸灰废水特征
浸灰废水原水呈强碱性（pH 11.67），氯化物（12313.67 mg/L）和电导率（53.53 mS/cm）很高。经硫酸铝混凝处理后，TSS、TDS、TS、COD和BOD?的去除率分别为40.67%、31.46%、35.77%、54.80%和81.58%，表明混凝可有效去除大量污染物。
3.2 原材料化学特性
XRF分析显示，TLS中主要含有SiO?（30.91%）、Al?O?（10.81%）、CaO（10.31%）、MgO（4.10%）、SO?（6.07%）和TiO?（0.211%），其化学组成与传统增量剂（高岭土和碳酸钙）相近，具备作为涂料增量剂的可行性。
3.3 粒径分布
TLS的粒径分布中，小于75 μm的颗粒占35.17%，75–300 μm占63.33%，而300–600 μm仅占1.50%。适当的粒径分布有助于形成均匀涂膜和提供遮盖力。
3.4 涂料流变与美学性能
随着TLS含量增加，涂料粘度从CP0的104.6 KU升至TLS12的139.6 KU；比重先上升后略降（TLS4为1.399 g/mL，TLS8为1.356 g/mL）；固体含量从59.19%增至62.99%。TLS8的对比率（不透明度）为98.87，略高于CP0（98.55），但亮度和白度随TLS增加而下降，光泽度从60°的2.3 GU降至1.7 GU，85°的2.5 GU降至0.4 GU，呈现哑光/平光效果。表面干燥时间从20.33分钟缩短至14.67分钟。所有配方pH在8.37–8.50之间，符合水性建筑涂料要求。
3.5 附着力（拉拔测试）
CP0的附着力为1690 psi，TLS4、TLS8、TLS12分别为1450 psi、1132 psi和947 psi。虽然附着力随TLS含量增加而下降，但TLS8的1132 psi仍高于ASTM D4541规定的最小值1000 psi。
3.6 甲醛测试
甲醛含量随TLS增加而降低：CP0为179.7 mg/kg，TLS4为159.3 mg/kg，TLS8为154.9 mg/kg，TLS12为143.7 mg/kg。这归因于TLS中的蛋白质水解产物（含游离氨基和巯基）可与甲醛发生亲核加成反应，形成稳定的加合物；同时残余Ca(OH)?维持碱性，促进胺-甲醛缩合反应。
3.7 SEM和EDS分析
SEM显示，TLS4和TLS8涂膜呈现多孔结构，但与CP0相比具有连续相和内聚结构，TLS颗粒可填充涂料间隙，增强膜强度。EDS分析表明，TLS8配方中Si、Ca、Al分布均匀，涂料配方稳定且均质，未出现明显相分离。
3.8 浸出分析
TLS8涂料的累积浸出试验显示，Cu、Mn、Ni、Pb浓度均低于WHO标准限值，且Pb浓度从CP0的15.95 μg/L降至TLS8的4.22 μg/L，表明TLS对Pb有固定作用，未增加重金属浸出风险。
3.9 统计验证
独立t检验显示，除比重（CP0 vs TLS12）和对比率（CP0 vs TLS12）外，TLS的加入对粘度、固体含量、亮度、白度、光泽度、表面干燥时间等均有显著影响（p<0.05），说明观察到的变化确实由TLS引起。
四、讨论与结论总结
讨论部分指出，TLS作为增量剂并非简单替代传统填料，而是通过颗粒与丙烯酸基料之间的协同作用影响涂料流变、微观结构和界面行为。TLS的低比重会增加颜料体积浓度（PVC），减少成膜聚合物体积分数，但适量（8%）TLS仍能保持合格的涂膜性能。环境方面，TLS的使用未增加涂料化学危害，反而降低甲醛含量，重金属浸出符合安全标准。但研究人员提醒，在涂料制造过程中处理干燥TLS粉末时，工人可能接触矿物粉尘和碱性残留物，应采取个人防护装备（PPE）和充分通风措施。
研究结论表明，本研究展示了一种将皮革制造固体废物用作水性涂料增量剂的有效途径。优化后的8% TLS涂料在粘度、比重、不透明度、固体含量、光泽度和成膜性方面符合ASTM标准，其附着力、表面质感和耐久性与传统涂料相当。这不仅为废物资源再利用提供了可行方法，还有助于减轻制革厂废水处理负荷，创造环境友好的可持续材料，同时为涂料工业提供替代性原材料。未来可进一步通过加速老化、耐久性测试、职业与消费者暴露情景、实际环境浸出、生态毒性测试和生命周期评价（LCA）来全面评估TLS涂料的环境可持续性。
