CN107176798A - 一种基于低价钙离子制备生物水泥的生产方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低价钙离子制备生物水泥的生产方法和应用，即利用矿业废弃物中的石灰石粉末与农业废弃物快速热解生产生物质油的副产物乙酸进行反应，生成可溶性钙离子作为制备生物水泥关键原料‑钙源，以代替传统方法中高成本的工业级CaCl₂，然后与能分泌脲酶分解尿素的芽孢杆菌、尿素溶液混合反应制成生物水泥。本发明制备的生物水泥强度高、成本低、原料来源广，实现了可持续、环保发展理念，有利于促进微生物诱导的方解石沉淀技术在实际工程中的应用与推广。

Description

一种基于低价钙离子制备生物水泥的生产方法和应用

技术领域

本发明涉及到一种基于低价钙离子制备生物水泥的生产方法和应用，即在传统微生物诱导方解石沉淀技术基础上，利用农业、矿业废物作为原料生产生物水泥基材料，具体属于生物建筑材料技术领域。

背景技术

近年来，一种环境友好型绿色建筑材料－生物水泥已经在土木工程上得到较广泛的应用。生物水泥是一种由钙盐、尿素、微生物（如脲酶菌）按一定比例混合产生的建筑材料，其机制称为微生物诱导方解石沉淀。生物水泥与常规水泥的作用相似即降低水力传导性、增加地面强度，灌浆方式也与传统水泥大致相同。目前已经有大量关于用生物水泥代替常规水泥的研究，如固体废物填埋场的建设、堤坝的稳固、地下水生物塘的建设等。此外生物水泥与传统的波兰特水泥相比有以下优点：（1）生产过程能耗少；（2）粘度低，易于注入地下；（3）颗粒尺寸小，能修复更狭小的空隙和裂缝等。

然而，生物水泥在实际推广应用中却存在较大挑战。常用的微生物诱导方解石沉淀工艺通常需要大量的工业级氯化钙作为钙源，但氯化钙的价格昂贵且大量使用氯化钙会对环境造成污染。因此研究者们一直致力于寻找可代替的钙源。例如，Park等报道了植物诱导方解石沉淀过程，利用羊刀豆的活性脲酶与氢氧化钙或硝酸钙混合反应生成的反应物用于砂胶结，但羊刀豆的活性脲酶的含量低，需大量种植，占用农用田地，且其提取加工成本高。Zhang等使用硝酸钙和乙酸钙作为钙源代替氯化钙。Choi等使用蛋壳和醋制成钙源，蛋壳钙含量虽丰富，但推广需要收集大量的蛋壳，蛋壳在收集的过程存在许多障碍，如蛋壳来源主要于厨余垃圾，需要耗费大量人力和时间来收集。因此上述方法在大规模推广应用上均存在一定限制条件。

东南大学钱春香申请了专利《利用微生物沉积制备碳酸钙的方法》（CN200510094744.5）提出将巴氏芽孢杆菌接种在含尿素底物的培养基上后与CaCl₂混合在一定条件下反应生成碳酸钙沉淀的制备方法。该专利提出利用工业级的氯化钙作为钙源，据调查工业级氯化钙成本价每吨大约950元，而传统水泥每吨成本大约400元，因此使用氯化钙为原料使生物水泥在大量推广使用存在成本昂贵的缺陷。贾强等在2015年申请了专利《一种提高碳酸钙早期沉积量的微生物灌浆方法》（CN201510113200.2）公开提出通过控制不同的反应因素来优化生物水泥的制备方法，其中提到可以用乙酸钙作钙源来进行传统生物水泥制作，为本发明提供一种从制备原料方面上改进的思路。

我国作为一个农业大国，农业废弃物产生量极其巨大。我国农业废弃物主要来自于种植业和养殖业。据估算，我国农作物秸秆总产量为6.5×10⁸t/a左右，且我国的农作物秸秆多采用燃烧等一次性利用方式。且燃烧过程中会产生大量氮氧化物、二氧化硫、碳氢化合物及烟尘，直接污染大气，经过太阳光照作用产生的有害物质又进一步造成二次污染。本发明在传统生物水泥的技术上利用农业秸秆废物进行快速热解生物质油的副产物乙酸作原料，一方面农业废物来源广，数量大，容易获取，成本低廉；另一方面可以利用该发明进行废物资源回收利用，降低农业废物用于燃烧处理量及减少燃烧时对环境造成的污染，达到资源循环利用，可持续环保发展的目的。

综上所述，目前使用的微生物诱导方解石沉淀技术生产生物水泥的原料在大规模应用的情况下不仅成本高昂，且大量使用会对环境造成污染。因此亟需寻找一种新的低成本、可持续的钙源代替工业级的氯化钙，从而实现大规模推广应用。本发明在传统微生物诱导方解石沉淀技术基础上，使用采石场废料和农业废物快速热解生产生物原油的副产物乙酸反应生产可溶性钙盐代替工业级CaCl₂，生产一种新型环境友好的生物水泥，实现了资源循环利用的可持续发展，大大促进了基于微生物诱导的方解石沉淀技术在实际工程中的应用与推广。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种新型基于低价钙离子制备生物水泥的生产方法。利用采石场的废料与农业废物快速热解生产生物质油的副产物乙酸反应生成的可溶性钙盐代替传统的氯化钙作钙源，然后与尿素、脲酶芽孢杆菌混合，从而利用基于尿素分解的微生物诱导方解石沉淀技术生产生物水泥。

本发明提供一种基于低价钙离子制备生物水泥的生产方法和应用，所述的生产方法如下：

步骤(1) ：脲酶芽孢杆菌菌液的培养

按照1∶0.1~1∶1000的体积比，将脲酶芽孢杆菌菌株接种于培养液中，在15~35℃下振荡培养24~72h，得到脲酶芽孢杆菌菌液；通过光密度法测定其细胞浓度。

所述的培养液配方为：酵母提取物20g/L、硫酸铵10g/L、Tris缓冲液0.13g/L，培养液pH= 9.0。

所述的光密度法是指以纯培养液为参比，菌液在600nm波长下测定的吸光度，细胞浓度OD₆₀₀值范围为0.1～3.0；

步骤(2)：农业废物的热解

在氮气氛围条件下，农业废物经粉碎后在200～900℃热解1～60min，得到富含乙酸的液相产物。

步骤(3)：钙溶液的制备

石灰石粉末与步骤（2）富含乙酸的液相产物按质量比1∶2~1∶12混合，在4～40℃，反应36～120h，pH控制在0.1～10，离心得到质量浓度为0.1%-99%的乙酸钙溶液。

步骤(4)：胶结液的制备

将步骤(3)的乙酸钙溶液与尿素溶液以相同的摩尔浓度0.1～1mol/L等体积混合，并调节pH得到胶结液。

步骤(5)：游离溶液中生物水泥的制备

将步骤（1）的脲酶芽孢杆菌菌液与步骤的胶结液按1∶1~1∶100的体积比混合，再在室温下反应12h～72h后，所得的沉淀物即为生物水泥。

所述的应用如下：

将步骤的脲酶芽孢杆菌菌液在20~25℃的室温下循环通入一个砂柱装置1～10h，又加入脲酶芽孢杆菌菌液和质量浓度为0.1～10 mol/L尿素溶液与等质量浓度的钙溶液混合制成的胶结液混合通入砂柱装置，再循环3～12h；每天重复以上操作1~2次，持续7~28天后用蒸馏水洗涤胶结砂柱，并除去砂柱装置的圆筒外层，即可得到成型胶结生物水泥。

所述的砂柱装置为直径为1～100cm，高1～300cm的PVC材质的圆筒，其中的砂粒为制备成型胶结生物水泥的原料，且粒径范围为100~275μm。

所述的石灰石粉末为石灰石或白云石采石场的废料中的一种以上，粉末粒径在0.1～1000μm。

所述的农业废物包括玉米秸秆、玉米芯、麦秆、水稻秸秆、稻壳、蔗渣、棉秆、木屑和果壳中的至少一种。

所述的脲酶芽孢杆菌包括巴氏芽孢杆菌、芽孢八叠球菌。

本发明是利用脲酶芽孢杆菌在一定条件下利用尿素进行新陈代谢或分解生成碳酸根，与农业废物副产物乙酸溶解矿业废物反应生成大量乙酸钙溶液中的可溶性钙离子反应，生成一种粘合剂即生物水泥基材料。

本发明的有益效果：与传统生物水泥制备方法相比，其优势在于：（1）本发明解决了传统方法上原料成本高的问题，并充分利用农业废物与矿业废物生产所需的钙源，符合废物资源化利用和可持续发展的理念，提供一种新型可持续生产低廉生物水泥的制备方法；（2）充分利用农业废物，减少资源浪费以及降低农业废物因燃烧对环境造成的污染，实现资源回收利用，环境友好型发展的目的。

附图说明

图1：本发明游离溶液制备生物水泥工艺流程图；

图2：生物水泥的XRD图；

图3：纯试剂碳酸钙的XRD图；

图4：砂柱装置原理图；

图5：成型的胶结生物水泥示意图；

图6：成型的胶结生物水泥的无侧限抗压强度与轴向应变的关系图；

图7：成型的胶结生物水泥的劈裂抗压强度与轴向应变的关系图；

图8：MICP处理砂后的SEM图像；

图9：砂粒之间的空隙被CaCO₃桥连SEM图像；

图10：覆盖在砂粒表面CaCO3晶体的尺寸大小SEM图像。

具体实施方式

下面结合实例对本发明进行详细说明.

实施例1

在游离溶液制备一种基于低价钙离子制备的生物水泥

（1）NH₄-YE培养液配制：称取15.75gTris盐，用去离子水稀释至1L，用1+9HCl调节pH至9，加入酵母提取物20g，硫酸铵10g，搅拌均匀，可得NH₄-YE培养液；

（2）脲酶芽孢杆菌菌液的制备：将脲酶芽孢杆菌ATCC 11859（SporosarcinaPasteurii）种菌活化后，取适量接种于100ml步骤（1）所制备的培养液中，并将其置于振荡箱（130rpm）30℃培养48h（使其细菌细胞浓度为OD₆₀₀=0.8~1.2），得细菌液；

（3）乙酸的制备：在氮气氛围条件下经粉粹后的农业废物如玉米秸秆在470℃。温度条件下热解20min，所得液相产物中富含乙酸；

（4）钙溶液的制备：将800ml步骤（2）所获得的乙酸与100g矿业废物混合反应5天，加蒸馏水，使其混合物钙离子浓度调至为0.3mol/L，并用1mol/L的NaOH进一步调节混合物pH 至7.0~7.5。然后将溶液以4000rpm离心20分钟，得到上清液即为制备生物水泥所需的钙源；

（5）将18.02g尿素溶解加水至1L，搅拌至充分混匀，配制成0.3mol/L；

（6）在游离溶液中制备生物水泥基材料：将步骤（2）所得的脲酶芽孢杆菌菌液与步骤4所得的尿素各取30ml按1：1混合，并将混合物的pH用NaOH调至7.0~7.5，在烧杯保存一天，然后加入步骤3所制备钙溶液30ml（具体操作流程见图1）。

（7）将所的沉淀用FG/C滤纸过滤，并在115℃下干燥1天，然后使用X射线衍射（XRD）分析被干燥后的沉淀。该沉淀的XRD图（见图2）与纯试剂级的碳酸钙的XRD 图（图3）完全匹配，结果证实沉淀物为碳酸钙。

实施例2

在砂柱装置中制备一种基于低价钙离子制备的生物水泥

砂柱装置如图4所示，直径为5cm，长10cm的PVC圆柱筒，将密度为1.20g/cm砂置于筒内，圆筒上下两端各置一片百洁布作过滤器，然后将PVC圆筒放置在填充有砾石的漏斗上，并用烧杯收集渗过砂柱的溶液，然后将其通过泵循环到柱的顶端；

（2）胶结液的制备：尿素溶液（0.3mol/L）与实例1步骤（3）制备的钙溶液（0.3mol/L）等体积混合制成的胶结液；

（3）取实例1步骤（2）的脲酶芽孢杆菌菌液80ml置于烧杯再通过泵循环至砂柱顶部，循环3h。然后换新鲜的30ml的菌液与300ml步骤2制备的胶结液混合通过砂柱装置循环9h。上述循环步骤每天重复两次，持续7天，碳酸钙开始在柱中沉淀，再循环上述步骤3天。总共处理10天。用蒸馏水洗涤胶结后的砂柱，并除去圆筒外层，得到成型的胶结生物水泥砂柱如图5所示；

（4）将步骤（3）所得的成型的胶结生物水泥砂柱进行无侧限抗压强度（USC）和劈裂抗压强力（TS）测验，成型的胶结生物水泥的USC和TS强度随碳酸钙含量增加而增加（如图6与图7。已知USC/US强度比来表示生物水泥砂柱的脆性，其比值越高，材料越脆。步骤（3）制备出的生物水泥砂柱的强度比随碳酸钙含量增加而增加。

（5）通过SEM扫描电镜观察成型的胶结生物水泥的微观结构图像，可以看出砂粒表明覆盖着CaCO₃（图8），且砂粒之间的空隙被CaCO₃桥连如图9所示。且覆盖在砂粒表面CaCO₃晶体的尺寸约为5~20um（图10），与之前报道用CaCl₂作碳源诱导生成的方解石晶体尺寸大小相差无几。

Claims (4)

1.一种基于低价钙离子制备生物水泥的生产方法和应用，其特征在于：所述的生产方法如下：

步骤(1) ：脲酶芽孢杆菌菌液的培养

按照1∶0.1~1∶1000的体积比，将脲酶芽孢杆菌菌株接种于培养液中，在15~35℃下振荡培养24~72h，得到脲酶芽孢杆菌菌液；通过光密度法测定其细胞浓度；

所述的培养液配方为：酵母提取物20g/L、硫酸铵10g/L、Tris缓冲液0.13g/L，培养液pH= 9.0；

所述的光密度法是指以纯培养液为参比，菌液在600nm波长下测定的吸光度，细胞浓度OD₆₀₀值范围为0.1～3.0；

步骤(2) ：农业废物的热解

在氮气氛围条件下，农业废物经粉碎后在200～900℃热解1～60min，得到富含乙酸的液相产物；

步骤 (3)： 钙溶液的制备

石灰石粉末与步骤（2）富含乙酸的液相产物按质量百分比1∶2~1∶12混合，在4～40℃，反应36～120h，pH控制在0.1～10，离心得到质量浓度为0.1%-99%的乙酸钙溶液；

步骤(4)：胶结液的制备

将步骤(3)的乙酸钙溶液与尿素溶液以相同的摩尔浓度0.1～1mol/L等体积混合，并调节pH得到胶结液；

步骤(5)： 游离溶液中生物水泥的制备

将步骤（1）的脲酶芽孢杆菌菌液与步骤的胶结液按1∶1~1∶100的体积比混合，再在室温下反应12h～72h后，所得的沉淀物即为生物水泥；

所述的应用如下：

将步骤(1)的脲酶芽孢杆菌菌液在20~25℃的室温下循环通入一个砂柱装置1～10h，又加入脲酶芽孢杆菌菌液和质量浓度为0.1～10 mol/L尿素溶液与等质量浓度的钙溶液混合制成的胶结液混合通入砂柱装置，再循环3～12h；每天重复以上操作1~2次，持续7~28天后用蒸馏水洗涤胶结砂柱，并除去砂柱装置的圆筒外层，即可得到成型胶结生物水泥；

所述的砂柱装置为直径为1～100cm，高1～300cm的PVC材质的圆筒，其中的砂粒为制备成型胶结生物水泥的原料，且粒径范围为100~275μm。

2.根据权利要求1所述的一种基于低价钙离子制备生物水泥的生产方法和应用，其特征在于：所述的石灰石粉末为石灰石或白云石采石场的废料中的一种以上，粉末粒径在0.1～1000μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于低价钙离子制备生物水泥的生产方法和应用，其特征在于：所述的农业废物包括玉米秸秆、玉米芯、麦秆、水稻秸秆、稻壳、蔗渣、棉秆、木屑和果壳中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于低价钙离子制备生物水泥的生产方法和应用，其特征在于：所述的脲酶芽孢杆菌包括巴氏芽孢杆菌、芽孢八叠球菌。