生物增强型地聚物在耐酸下水道基础设施中的降解机理

《Scientific Reports》：Degradation mechanisms of bio-enhanced geopolymers for acid-resistant sewer infrastructure

　　

摘要

污水基础设施在酸性环境中的长期劣化给水务管理机构带来了重大挑战，因为传统水泥基材料在接触生物源酸和工业酸时往往迅速降解。为此，本研究考察了以希瓦氏菌（Shewanella）进行增强的飞灰基地质聚合物混凝土（GPC）在受控硫酸（H?SO?）浸没条件下的耐久性，浸没浓度分别为0%、3%、5%和10%（体积比），持续时间为60天。研究采用了综合实验框架，包括pH监测、质量变化评估、毛细吸水试验、氯离子迁移分析、渗透性测量以及SEM/EDS、XRF、XRD和FTIR光谱表征，以系统分析材料的化学、矿物学和微观结构变化。结果表明，生物改性GPC在轻度至中度酸性环境下表现出持续改善的性能，这与其增强的钙保留能力、降低的传输系数以及部分孔隙细化有关，支持了生物矿化假说，但有待直接验证细菌活性。在5%酸浓度处出现了一个明确的机理阈值，在此浓度下，生物-GPC通过二次矿物沉淀实现了针对凝胶解聚的最大程度稳定化。在10%酸性条件下，两组试样均出现严重劣化，生物改性带来的优势在很大程度上被抵消，两种体系均表现出以石膏生成为主导、凝胶严重溶解以及渗透性显著增加的特征，表明极端酸浓度超出了生物改性基体的稳定化能力。这些实验室尺度的研究结果与微生物生物矿化在污水处理厂典型pH范围（3–5% H?SO?）内增强耐酸性的结论一致，支持进一步研究生物增强地质聚合物作为污水基础设施候选可持续材料的可行性，但仍需在动态现场条件下进行验证。