水垢,如何用于森林防火?

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森林火灾属于突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害,严重威胁着生态环境以及人们的生命、健康和家园。使用防火剂对森林可燃物进行阻燃处理,能够预防和延缓森林火灾的发生和发展。目前通用的阻燃剂为聚磷酸铵,其中,阻燃元素P和N的含量高,热稳定性好,易与其他材料复合,阻燃性能持久。

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2013年美国加州的森林火灾。图片来源:Wikipedia [1]


2019年,斯坦福大学Craig S. CriddleEric A. Appel等研究者报道了一种凝胶类阻燃剂 [2],利用纤维素衍生物和胶体二氧化硅来增强聚磷酸盐在植被上的润湿性和粘附性。通过喷洒后使其能够牢固地保留在植被上,大大降低了着火概率。

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阻燃剂处理前(上图)后(下图)草场燃烧实验。图片来源:PNAS [2]


近日,他们在研究污水处理工艺时发现一种更加“绿色”的阻燃剂制备方法。鸟粪石(struvite),又称六水合磷酸铵镁(MgNH4PO4•6H2O),是一种常见水垢,容易沉淀于管道、水泵表面,严重影响污水处理设备的正常运行。污水处理厂往往需要花费大量成本去清除水垢。然而,鸟粪石含有氮、磷等阻燃元素,且溶解度极低,不但可用于肥料,更是理想的阻燃材料。基于鸟粪石的凝胶阻燃剂表现出与商业聚磷酸盐阻燃剂相当的性能,同时磷元素需求量减少60%,有助于全球磷资源的保护,该工作发表于Green Chemistry 杂志上。

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污水处理中产生的鸟粪石水垢应用于阻燃剂。图片来源:Green Chem.


延续2019年工作的思路,研究者将鸟粪石颗粒与纤维素衍生物、二氧化硅颗粒等均匀混合,利用纤维素聚合物在二氧化硅表面的可逆吸附性能,以及聚合物之间的交联作用,形成水凝胶材料。其中鸟粪石的含量为13.5%,由于溶解度很低,水凝胶的流变性能使其均匀悬浮。同时,水凝胶可以通过飞行器喷洒、泵送等方式粘附到目标植被表面。

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鸟粪石基阻燃剂示意图。图片来源:Green Chem.


作者随后测试了鸟粪石水凝胶阻燃剂的表面附着性能。他们用鸟粪石水凝胶涂覆木粉,鸟粪石约占混合物总质量的2%,加热至500 ℃后,木粉质量残留率为~15%;而对比实验中,市售PC-LC95A阻燃剂与木粉混合加热后,木粉仅残留~4%。这表明鸟粪石水凝胶阻燃剂具有比市售聚磷酸盐阻燃剂更优异的表面附着性能。

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热重分析对比。图片来源:Green Chem.


燃烧试验进一步证实了鸟粪石基阻燃剂的有效性。涂有鸟粪石水凝胶的干草点燃后质量仅减少了8%,涂有市售PC-LC95A的干草点燃后质量减少了7%,二者相差无几,阻燃性能相当。其阻燃机理一般认为是高温条件下,化合物分解形成磷酸或多磷酸,并与可燃物中的醇形成磷酸酯。磷酸酯进一步分解并膨胀,使下层可燃物与火焰和氧气隔绝。

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干草燃烧实验。图片来源:Green Chem.


在美国,目前有21个污水处理厂正在开发鸟粪石的回收设施,主要采用Ostara、Multiform Harvest或者MagPrex技术。根据污水处理厂的鸟粪石回收能力,可以满足目前阻燃剂生产的市场需求。从经济效益角度,一方面,鸟粪石回收可以防止污水处理厂的管道和阀门因沉垢而堵塞与腐蚀,降低仪器维修成本。另一方面,回收的鸟粪石目前往往被用作缓释肥料,但并不能使收益最大化。将其用于阻燃剂,可以大大提高经济价值,成为从废水处理装置中获得的仅次于水本身的第二大最有价值的资源。此外鸟粪石基阻燃剂更符合“可持续发展”的理念,有助于减少磷矿资源的开采,使得该方案不但经济可行,而且环境友好。



美国野火风险分布及回收鸟粪石的污水处理厂。图片来源:Green Chem.


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鸟粪石用于肥料或阻燃剂的经济价值对比。图片来源:Green Chem.


“鸟粪石的经济价值讨论尤其有趣,将鸟粪石用作阻燃剂比用作肥料体现出更大的经济价值。”美国威斯康星大学麦迪逊分校的可持续发展专家Andrea Hicks说,“同时,可以激励污水处理厂回收更多的鸟粪石”[3]。据悉,Eric Appel博士已经成立了一家名为Ladera TECH的初创公司,将阻燃剂技术产业化,并于去年被Perimeter Solutions公司收购,而后者一直为美国林业局生产阻燃剂材料 [4]


Green Chem., 202123, 4510-4523, DOI: 10.1039/D1GC00826A

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