腦洞大！荷蘭污水廠可生產(chǎn)防火人造皮革？

在5月份，《水星漫談》曾介紹過歐盟研究項(xiàng)目“Water Mining”的最新進(jìn)展。這個(gè)項(xiàng)目的重點(diǎn)之一是提取污水中的一種生物聚合物——類藻酸鹽物質(zhì)(Alginate-like exopolysaccharides，簡(jiǎn)稱ALE)。最近幾年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)(TU Delft)的Mark van Loosdrecht的課題組有很大一部分的研究都是圍繞ALE展開的。荷蘭多個(gè)污水處理廠也已開始生產(chǎn)這種物質(zhì)。

在本期專欄里，小編想淺談一下這種物質(zhì)有何特別之處，以及其最新的應(yīng)用進(jìn)展。

污水細(xì)菌神奇的粘稠物

在談?wù)揂LE前，得先談?wù)凱HA。

小編在荷蘭讀書的時(shí)候，就聽說可從污水中提取聚羥基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates，簡(jiǎn)稱PHA)。它可以作為可降解的生物塑料原料，而且污水廠所有的細(xì)菌都能合成PHA。大概在十年前，國(guó)外的污水研究就忙著探究污水提取PHA能否產(chǎn)業(yè)化，但至今都沒有看到真正的工程案例。

為什么會(huì)這樣呢？

小編在此前的專欄里就曾淺談過個(gè)中緣由——《污泥變塑料 | 曾被放棄的技術(shù)，荷蘭人把它救活了？》。荷蘭的水委會(huì)在7年前就成立相關(guān)中試項(xiàng)目，得到的結(jié)論卻是“這款產(chǎn)品還不足以上市”。雖然荷蘭人沒有放棄，并在2020年底組建了新項(xiàng)目(PHA2USE)，繼續(xù)探究PHA的可行性，但作為旁觀者，我們也能看到，目前污水提取PHA還有諸多問題尚未解決，例如下游產(chǎn)能、工藝穩(wěn)定性等，而市場(chǎng)價(jià)格也沒有競(jìng)爭(zhēng)力，畢竟它不是唯一的可降解生物塑料。污水回收PHA的前景短期無法被看好。

話說活性污泥中有兩種聚合物受到業(yè)界關(guān)注，一種就是上述的PHA這類胞內(nèi)聚合物，而另一種則是胞外聚合物(EPS)。后者被稱為微生物學(xué)的暗物質(zhì)，因?yàn)閷W(xué)界對(duì)它們還沒有統(tǒng)一的提取和分析方法。在小編看來，它簡(jiǎn)直就是天使和惡魔的合體，一方面，EPS是凈化污水的生物膜的重要組成，但另一方面，MBR等工藝的膜污染問題也是由于EPS產(chǎn)生的。但隨時(shí)間推進(jìn)，大家發(fā)現(xiàn)EPS似乎有比PHA更光明的商業(yè)前景。

意外的發(fā)現(xiàn)

好氧顆粒污泥技術(shù)(AGS)是業(yè)界的時(shí)下熱點(diǎn)，大部分工程師關(guān)注的也許是其沉降性能等優(yōu)點(diǎn)，但在TU Delft的科學(xué)家們看來，我們對(duì)好氧顆粒污泥的認(rèn)識(shí)還只是冰山一角。

為什么小編不直接說是Mark van Loosdrecht教授的團(tuán)隊(duì)呢？因?yàn)樵谶@個(gè)故事里，除了Mark教授，還有很多其他人的貢獻(xiàn)，例如與Mark同組的LIN Yuemei副教授，以及化學(xué)工程系的Stephen Picken教授。根據(jù)Kaumera的官方資料介紹，林教授發(fā)現(xiàn)好氧顆粒污泥中的聚合物主要為ALE，而Picken教授則在此基礎(chǔ)上，不斷探究各種復(fù)合材料的應(yīng)用潛力。

如下圖所示，可以看出左邊的是絮狀污泥，右邊的是好氧顆粒污泥；前者的ALE提取率只有5-15%，后者的則高達(dá)25%(平均值)。

2016年荷蘭人算過一筆賬：每克好氧顆粒污泥可提取0.2-0.3克的ALE，每千克ALE的生產(chǎn)成本約0.5-1.5歐元，而當(dāng)時(shí)的藻酸鹽市價(jià)約為1.0-3.5歐/千克。采用了好氧顆粒污泥的烏特勒支污水廠，處理規(guī)模為48萬PE，估計(jì)每年可提取2000噸的ALE。全球的藻酸鹽生產(chǎn)主要來自褐藻(Phaeophyceae)，數(shù)據(jù)顯示藻酸鹽的全球年產(chǎn)量約為36000噸。這意味著僅一個(gè)荷蘭中型污水廠的ALE產(chǎn)能足可頂替5%的藻酸鹽全球產(chǎn)量。2016年全球好氧顆粒污泥污水廠數(shù)量約20個(gè)，這些污水廠合計(jì)的ALE年產(chǎn)能就已超過40000噸，這意味著理論上全球的藻酸鹽原料生產(chǎn)可由好氧顆粒污泥污水廠替代。當(dāng)然這么算有“畫大餅”嫌疑，但在荷蘭水委會(huì)看來，即使退一步說ALE的產(chǎn)能沒這么高，采用好氧顆粒污泥工藝，起碼能減少污泥產(chǎn)量，并且能提高甲烷產(chǎn)量，這個(gè)下限是污水廠樂意接受的，這也許才是ALE研究能在荷蘭更進(jìn)一步的原因。這就有了后來Zutphen的ALE回收工廠的落地。

無所 不能的變色龍

經(jīng)過這么多年的研究，代爾夫特的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這些從好氧顆粒污泥里提取出來的藻酸鹽，在和不同原材料結(jié)合之后，可展示截然不同的屬性，它可做成親水或者疏水性材料，它可以放大和延伸原有材料的特定屬性。

由大自然完成高分子聚合反應(yīng)，避免了化學(xué)生產(chǎn)高純度單體的必要性。聚合物的后續(xù)純化和改性很容易以非常低的成本產(chǎn)生適用于廣泛應(yīng)用的材料。此外，通過結(jié)合一些無機(jī)納米填料，例如天然粘土、石墨烯和有近似的高縱橫比的納米顆粒，就可以進(jìn)一步優(yōu)化聚合物性能，繼而得到各種神奇的材料。

例如，代爾夫特的科學(xué)家已經(jīng)基于ALE-EPS得到像天然珍珠母(Nacre)那樣的物質(zhì)。小編學(xué)識(shí)淺陋，沒寫這篇文章之前，真不知道珍珠母英文叫Nacre，而且是查了維基百科才知道：珍珠母(又名Mother of Pearl) “由軟體動(dòng)物所產(chǎn)生的有機(jī)及無機(jī)混合物，做為該動(dòng)物貝殼的內(nèi)層物質(zhì)；它也是構(gòu)成珍珠表層亮麗的材料，材質(zhì)非常堅(jiān)固，但有彈性，且具有多種鮮艷色彩”。

如果你追問這種材料有什么用，別指望從小編這里得到免費(fèi)答案，畢竟小編只會(huì)搬磚。但小編查到的資料顯示，如果通過微生物就能獲得這種兼具硬度和延展性的復(fù)合材料，會(huì)大大降低生產(chǎn)成本和難度，這會(huì)讓那些搞材料的專家看到各種創(chuàng)新的可能性。

除了合成類珍珠母材料，科學(xué)家還從將ALE和粘土(clay)結(jié)合，生成一種防火材料，而且這種材料看似非常厲害。在VICE的紀(jì)錄片里，Mark教授帶主持人去到代爾夫特的實(shí)驗(yàn)室，讓后者親自燒一片加了ALE的片狀物，結(jié)果怎么燒都燒不起來。

他們還發(fā)過相關(guān)的paper，說這種材料的防火性能甚至能夠通過美國(guó)聯(lián)邦航空條例(FAR)飛機(jī)內(nèi)部阻燃材料阻燃要求。其實(shí)用普通的活性污泥提取的ALE也有一定的阻燃效果，但他們的試驗(yàn)顯示還是遠(yuǎn)不及好氧顆粒污泥提取的ALE。

有趣的是，林教授發(fā)現(xiàn)ALE還可以和納米纖維素(nanocellulose)結(jié)合制作耳環(huán)，這還成了林教授的新愛好，下邊的耳環(huán)都是她的得意之作。小編認(rèn)為，幸虧代爾夫特有林教授這樣的女性擔(dān)當(dāng)，讓ALE的應(yīng)用和浪漫和藝術(shù)玩起了跨界，這有助于吸引新聞媒體的關(guān)注，反過來讓更多人了解污水創(chuàng)新的魅力。

水皮膚

隨著時(shí)間的推移，代爾夫特的團(tuán)隊(duì)對(duì)基于ALE的復(fù)合材料的認(rèn)知也逐漸加深。在上邊成果的基礎(chǔ)上，他們開始研究ALE在皮革制品中的應(yīng)用可能性。

要知道，很多皮革生產(chǎn)商都飽受環(huán)保團(tuán)體的批評(píng)和質(zhì)疑，因?yàn)楹玫钠じ镄枰脛?dòng)物皮制成，而且生產(chǎn)過程會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。代爾夫特有三個(gè)學(xué)生創(chuàng)建了一個(gè)名為水皮膚(WaterSkins)的團(tuán)隊(duì)，并提出用污水處理的副產(chǎn)物來生產(chǎn)人造皮革，以此作為一種非常環(huán)保的替代方案。

去年10月，這個(gè)團(tuán)隊(duì)獲得了一個(gè)小成就——在歐洲生物基生產(chǎn)聯(lián)盟(Biobased Industries Consortium)舉辦的生物基創(chuàng)新學(xué)生挑戰(zhàn)賽中，他們?nèi)雵藲W洲賽區(qū)(BISC-E)的決賽。

他們做出的水皮膚結(jié)合了上邊幾種復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)——既有高強(qiáng)度韌性，又有靈活的延展性，還防火阻燃。

WaterSkins人造皮革的性能展示 | 圖源：WaterSkins

當(dāng)然大家看到的產(chǎn)品只是一個(gè)雛形，WaterSkins的團(tuán)隊(duì)表示還有很多可改良的地方。盡管如此，他們表示這些產(chǎn)品能提高污水處理的盈利潛能，又能減少皮革行業(yè)的污染負(fù)擔(dān)，他們希望他們的小小努力能為全球的清潔水供應(yīng)做出一點(diǎn)貢獻(xiàn)。

小結(jié)

荷蘭團(tuán)隊(duì)之前給這種類藻酸鹽材料取名NEO-Alginaat，意為一種新型的藻酸鹽物質(zhì)，但后來改名為Kaumera?！癒aumera”一詞源自新西蘭毛利語，意為“變色龍”?？赐赀@篇文章，大家應(yīng)該能否理解為啥取這名字了吧？是不是沒想到污水處理如今可以和材料化學(xué)有這樣的跨界合作？更令人興奮的是，這很可能只是污水廠實(shí)現(xiàn)真正意義的資源工廠的開始。