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微生物也能变身建筑材料?“新型微生物水泥”时间:2020-05-15 09:34 浏览次数:

在地质演化过程中,微生物的生长代谢与地表矿物的交互作用广泛存在,并控制和诱导了地质历史上大规模碳酸盐矿物的形成。微生物不仅能诱导产生矿物沉淀,而且能控制其微观组成、结构和形貌。微生物矿化是一种天然、绿色的高级复合材料制备过程,将这存在数十亿年的自然现象发展为建筑材料制备技术,是一种大胆有益的尝试。

钢渣作为炼钢过程中的副产物,排放量巨大,且长期以来未得到有效利用。堆积的巨量钢渣不仅占用大量有限的土地资源,污染环境,同时也是一种巨大的资源浪费。一方面,钢渣中含有部分胶凝矿物,可用于制备建材制品,但钢渣中的胶凝矿物活性较低,导致钢渣水化速率较慢,难以高效利用;另一方面,钢渣中存在含量较高的游离氧化钙与游离氧化镁,潜在的安定性问题使其作为建材使用存在严重安全问题。由于钢渣中富含的钙镁矿物具有与CO 反应生成稳定的CaCO、MgCO 的潜力,理论上符合 CO 矿化对原料的要求,发展前景乐观,但是目前碳化养护的钢渣胶凝材料制品生产工艺要求严苛、成本相对较高,体积稳定性问题仍未能完全解决。

东南大学钱春香课题组针对目前钢渣应用过程中存在的问题,在国内外率先提出利用微生物矿化技术制备钢渣胶凝材料的方法,加速了钢渣中钙镁矿物的离子溶出速率,并将其矿化为具有胶凝性的生物碳酸盐,解决了游离氧化钙、游离氧化镁引起的钢渣体积稳定性不良问题,实现了钢渣中钙、镁的稳定高效利用。

微生物矿化是一种广泛而复杂的固液相间、有机物间和无机物间的物理化学过程。《新型微生物水泥》一书通过交叉微生物学、材料、环境、岩土、土木等多学科知识,阐明了适用于典型建筑材料环境的多类微生物的生物学特性,研发了五类新型微生物水泥,并揭示了其胶凝特性和胶结机理,对比分析了不同胶结工艺并测试了其微观结构。本书作者及团队立足微生物水泥开展了多项工程应用研究,成功将新型微生物水泥应用于农田、矿区的重金属钝化及建筑工地扬尘治理,制备了高强度、高性能的微生物矿化钢渣建材制品,应用于多地城市道路铺装。相关工作扎实,理论与实际紧密联系。

作者团队在多项国家自然科学基金重点项目、面上项目,省、市科技计划、人才计划、成果转化项目及相关企业合作攻关和国际合作项目等资助下,持续开展了十余年的研究。筛选、驯化获得了多类适用于建筑材料环境的微生物,并阐明了其生物学特性、酶动力学过程及生物矿化结晶机理等。基于微生物矿化研发了五类生态性微生物水泥,并开展了性能和应用技术研究。产品成功应用于建筑工地扬尘治理、市政铺装材料制备、重金属污染土壤修复等。

第 1 章:研究三类典型建筑材料的理化环境特征,并对筛选的四类矿化微生物进行适应性驯化,同时揭示其生长规律、产酶特性、酶动力学特征、生物矿化结晶成核机理。

第 2 章:系统研究菌株种类、阴阳离子对生物碳酸钙矿物特性的影响,开发适用于深层胶结的生物碳酸盐水泥,并研究其胶凝特性,成功胶结不同尺度的砂柱。

第 3 章:研究多类生物磷酸盐矿物特性,基于磷酸盐矿化菌开发生物磷酸盐类微生物水泥,对比研究其胶结工艺和产物特征,并阐明其胶结机理。

第 4 章:研究生物碳酸盐水泥的氨排放及其固定方法,开发新型复合微生物水泥,对比研究不同胶结工艺及其胶结能力,阐明复合微生物水泥胶结机理。

第 5 章:开展微生物水泥应用于矿山、农田等污染土壤的重金属钝化试验及植物种植试验,研究微生物水泥固结砂土的性能和微观结构,并开展针对砂土、粉土、黏土各类建筑工地扬尘抑制及作物生长试验和应用。

第 6 章:研究钢渣作为胶凝材料存在的难题,阐明微生物矿化对钢渣中引发安定性问题的游离氧化钙、游离氧化镁的碳化转化动力学过程,揭示微生物对硅酸钙矿物碳化反应的影响规律。

第 7 章:开发新型微生物-钢渣胶凝材料,系统研究其固相组成及浆体微观结构,探究微生物矿化钢渣制品的配合比及养护制度,并测试其制品性能、微观结构及体积稳定性,开展微生物-钢渣胶凝材料制品的产业化研究及工程应用。

本书系统介绍了微生物矿化在典型建筑材料中的应用基础、作用机制及新型微生物水泥研发与工程应用。全书共 7 章,主要内容包括:典型建筑材料中的理化环境特征及适用矿化微生物的生物学特性,生物碳酸盐水泥、生物磷酸盐水泥、微生物复合水泥、微生物激发钢渣胶凝材料的研发原理与胶凝特性,以及在重金属钝化、扬尘抑制、铺装材料制备方面的工程应用。本书将自然、绿色的微生物矿化现象发展为建筑材料制备技术,为传统土木工程材料绿色化制备提供了新途径。