微生物捕碳浅层矿化胶结沙土及其抑尘应用

发布时间：2020-07-10 14:02

【摘要】：扬尘是造成空气污染极其重要的因素之一,国内外科研工作者对其防治技术开展了大量的研究工作,研制了多类无机的、有机的及复合抑尘剂,但普遍存在功能单一、价格昂贵、甚至具有毒性、腐蚀性、难降解以及二次污染等一系列弊端。微生物水泥是基于微生物诱导矿化形成无机矿物从而胶结松散颗粒的一类新型胶凝材料,具有制备过程快速高效、容易控制和环境友好等诸多优势,在扬尘控制、沙漠治理、地基加固、边坡稳定等领域有重要应用前景。目前,尿酶类微生物水泥研究较为广泛,但在胶结过程中有氨释放,对生态环境有一定的负面影响。本文筛选、培育出通过捕获空气中二氧化碳作为碳源并矿化沉积碳酸盐矿物的微生物,研制了生态性更好、适合浅层胶结的新型抑尘微生物水泥。本文首先创新提出了微生物捕碳浅层矿化胶结沙土抑尘的技术路线,围绕微生物水泥的配方优化和应用方法两个关键问题,深入开展了模拟沙土孔溶液中微生物捕碳矿化机理和沙土中微生物浅层矿化的胶结机理研究,优化了抑尘微生物水泥的配方,并系统研究了微生物水泥浅层胶结沙土性能和微观结构的表征方法及影响因素,提炼了微生物水泥的应用方法。针对微生物水泥低温环境胶结效果差的问题,遴选了耐低温微生物,研制了适用于低温环境的微生物水泥。最后,结合三个实际工程施工现场的三类土壤,验证了微生物水泥的扬尘抑制效果和生态相容性。本文主要研究内容和研究结论包括以下四个方面:(1)揭示了模拟沙土孔溶液中微生物捕碳矿化机理从热激、萌发剂、营养物出发,提高微生物芽孢萌发率,获取最适的热激温度为70℃、热激时间为10 min,最佳的萌发剂为丙氨酸、萌发剂浓度为6 mmol/L,而营养物对改善微生物芽孢萌发率无明显促进作用;从微生物生长所需的碳源、氮源、无机盐及生长因子出发,促进微生物营养体生长繁殖,菌液OD_(400)值由0.43增至0.83,提高93.0%左右。采用电泳仪和凝胶成像系统鉴别微生物分泌酶蛋白表达形式,明确了微生物菌液中主要酶蛋白为碳酸酐酶;对比分析了模拟溶液、微生物培养液、分泌液对矿化过程中离子形成速率的影响,探明了酶促反应作用、微生物细菌体作为成核位点及加速反应的作用;通过X射线衍射(XRD)、能谱(EDS)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)分析手段,确定了微生物诱导矿化产物为类球状的方解石。基于微生物生长繁殖特性和矿化产物形成过程,建立了微生物矿化机理模型。(2)阐明了微生物捕碳浅层胶结沙土的机理采用SEM、TEM分析了矿化产物与松散沙土颗粒间的微观结构,阐明了不同方法胶结效果的差异,论证了微生物捕碳浅层胶结沙土的可行性;采用傅立叶红外光谱(FTIR)、热重差热(TG/DSC)、核磁共振(NMR)分析微生物诱导矿化产物与松散沙土颗粒间的作用,揭示了微生物水泥胶结松散沙土颗粒的本质原因是形成了分子间氢键;研究了微生物、钙源对胶结性能的影响,优化了微生物水泥的配方。(3)明确了微生物捕碳浅层胶结沙土的表征方法和影响因素深入研究了胶结工艺、pH值、环境温度、土壤类型对胶结效果的影响,结果表明无压喷洒工艺胶结强度更高、结构更密实、操作便捷;微生物水泥较为适宜pH环境为中性和弱碱性;随着环境温度的升高,胶结效果明显改善,低温环境下胶结效果最差;微生物水泥用量相同时,胶结粘土效果最好,胶结粉土次之,胶结沙土最差。从液限、塑限、塑性指数、渗透系数、压缩固结、直接剪切等方面研究了土壤的工程性能,明确了微生物水泥对土壤的工程性能基本无影响。研究了不同深度胶结体组成、方解石含量、表面硬度及微观形貌,结果表明由表层到深层均发现胶结产物方解石的形成、方解石的含量逐渐降低、断面硬度逐渐下降,且断面微观孔隙和缺陷逐渐增多;采用X射线计算机断层扫描(X-CT)研究胶结体三维立体结构和二维断面孔隙分布,随着微生物水泥用量的增加,胶结体整体孔隙数量和尺寸逐渐降低,胶结效果逐渐增强;在喷洒不同用量微生物水泥的情况下,胶结体表层处断面的孔隙数量和尺寸均最低,均呈现最优的胶结效果。针对低温环境胶结效果差的问题,选育了耐低温微生物,研制了适用于低温的微生物水泥,论证了胶结效果。(4)论证了微生物水泥现场应用的抑尘效果针对不同的土壤类型,分别遴选了相应的工程进行现场应用。现场应用结果表明微生物水泥可将三类土壤胶结形成具有一定力学性能的胶结体,胶结体具有良好的抗风蚀性、抗雨水冲刷性、保湿性、抗老化性、抗冻融性和生态相容性;在处理不同类型土壤时,可适当调整微生物水泥的用量,如胶结沙土可适当增加微生物水泥的用量,而在胶结粘土时可适当减少微生物水泥的用量。与传统的抑尘方法相比,微生物水泥具有更优越的经济性和生态性。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X701;TQ172.7
【图文】：

示意图,碳酸钙,微生物,示意图

构对其防治技术开展了大量研究。当前扬尘的防治方法主要有洒水、机械加盖、防风墙、防尘网和表面固化等，洒水防尘最大缺点是造成大量水资源的浪费，不是经济有效的抑尘方法；机械加盖、防风墙、防尘网成本高，有效负载低，浪费材料，且不能捕捉漂浮在空气中的粉尘，对于不断有新的粉尘产生的作业区，抑尘能力有限；表面固化防尘法是通过物理、化学抑尘剂将扬尘颗粒胶结成团或表面结壳，从而抑制扬尘飞扬[7-16]，该方法抑尘效果显著，受到国内外研究机构的广泛关注。尽管上述表面固化抑尘剂种类繁多、抑尘效果好，但普遍存在功能单一、价格昂贵、甚至具有毒性、腐蚀性、难降解等一系列弊端，难以大规模的推广应用[17-20]。因此，研发降解性好、无二次污染、抑尘效果优良且价格低廉的新材料和新技术在今后很长时间内将是一个重要的研究热点。自然界中广泛存在的某些微生物，能够诱导矿化沉积具有一定胶凝特性的矿物，可将松散颗粒胶结成为一个整体，有效改善土体的工程性质，这一过程被称为微生物诱导沉积，并将其矿化产物作为新一代胶凝材料，即微生物水泥[21]。微生物水泥是根据微生物的酶化作用分解底物矿化形成碳酸根离子，而在矿化形成碳酸根离子的同时，由于微生物的能量交换致使其周围微环境 pH 值升高，此时在外界钙源存在情况下，便矿化形成碳酸钙沉积，在这个过程中细菌体同时为碳酸钙的沉积提供了成核位点（图 1-1）。

潜在应用,微生物,水泥,沙漠治理

基于自然界广泛存在的微生物诱导矿化沉积现象制备的微生物水泥具有环境友好、制备过程快速高效、晶体尺寸和胶结强度可调控等诸多优势，有望应用于扬尘控制、沙漠治理、地基加固、边坡稳定、重金属污染土壤修复、石质文物以及水泥基材料裂缝修复等诸多领域（图1-2）。(a) (b)(c) (d)(e) (f)图 1-2 微生物水泥潜在应用[22-26]（a）扬尘控制（b）沙漠治理（c）地基加固（d）边坡稳定（e）重金属污染土壤修复（f）水泥基材料裂缝修复Fig. 1-2 Potential application of microbe cement[22-26]（a）Fugitive dust suppression（b）Desertsettlement （c）Foundation reinforcement （d）Slope stability （e）Remediation of heavy metalcontaminated soil （f）Repair of cementitious material crack

均匀分布,水泥胶结,微生物

图 1-3 微生物水泥胶结 40 m3沙体[38]Fig. 1-3 40 m3sand body cemented by microbe cement[38]Harkes MP 等[40, 41]认为低浓度盐溶液稀释菌液可以促进微生物在松散颗粒中的传输，于微生物在松散颗粒中的均匀分布；还可以通过多次注入胶结溶液来解决微生物在松散沙中的分布不均现象，同时需要控制好注射速度、注射间隔时间等。Qian CX 等[42]于 2004 年率先在国内开展微生物水泥的研究，采用微生物方法沉积碳酸将菌株接种至装有含尿素底物的培养基上，在30℃下进行振荡培养，并将初始pH值控制在

【参考文献】