本發(fā)明涉及到一種基于低價(jià)鈣離子制備生物水泥的生產(chǎn)方法和應(yīng)用，即在傳統(tǒng)微生物誘導(dǎo)方解石沉淀技術(shù)基礎(chǔ)上，利用農(nóng)業(yè)、礦業(yè)廢物作為原料生產(chǎn)生物水泥基材料，具體屬于生物建筑材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，一種環(huán)境友好型綠色建筑材料－生物水泥已經(jīng)在土木工程上得到較廣泛的應(yīng)用。生物水泥是一種由鈣鹽、尿素、微生物（如脲酶菌）按一定比例混合產(chǎn)生的建筑材料，其機(jī)制稱為微生物誘導(dǎo)方解石沉淀。生物水泥與常規(guī)水泥的作用相似即降低水力傳導(dǎo)性、增加地面強(qiáng)度，灌漿方式也與傳統(tǒng)水泥大致相同。目前已經(jīng)有大量關(guān)于用生物水泥代替常規(guī)水泥的研究，如固體廢物填埋場的建設(shè)、堤壩的穩(wěn)固、地下水生物塘的建設(shè)等。此外生物水泥與傳統(tǒng)的波蘭特水泥相比有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）生產(chǎn)過程能耗少；（2）粘度低，易于注入地下；（3）顆粒尺寸小，能修復(fù)更狹小的空隙和裂縫等。

然而，生物水泥在實(shí)際推廣應(yīng)用中卻存在較大挑戰(zhàn)。常用的微生物誘導(dǎo)方解石沉淀工藝通常需要大量的工業(yè)級(jí)氯化鈣作為鈣源，但氯化鈣的價(jià)格昂貴且大量使用氯化鈣會(huì)對環(huán)境造成污染。因此研究者們一直致力于尋找可代替的鈣源。例如，park等報(bào)道了植物誘導(dǎo)方解石沉淀過程，利用羊刀豆的活性脲酶與氫氧化鈣或硝酸鈣混合反應(yīng)生成的反應(yīng)物用于砂膠結(jié)，但羊刀豆的活性脲酶的含量低，需大量種植，占用農(nóng)用田地，且其提取加工成本高。zhang等使用硝酸鈣和乙酸鈣作為鈣源代替氯化鈣。choi等使用蛋殼和醋制成鈣源，蛋殼鈣含量雖豐富，但推廣需要收集大量的蛋殼，蛋殼在收集的過程存在許多障礙，如蛋殼來源主要于廚余垃圾，需要耗費(fèi)大量人力和時(shí)間來收集。因此上述方法在大規(guī)模推廣應(yīng)用上均存在一定限制條件。

東南大學(xué)錢春香申請了專利《利用微生物沉積制備碳酸鈣的方法》（cn200510094744.5）提出將巴氏芽孢桿菌接種在含尿素底物的培養(yǎng)基上后與cacl2混合在一定條件下反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀的制備方法。該專利提出利用工業(yè)級(jí)的氯化鈣作為鈣源，據(jù)調(diào)查工業(yè)級(jí)氯化鈣成本價(jià)每噸大約950元，而傳統(tǒng)水泥每噸成本大約400元，因此使用氯化鈣為原料使生物水泥在大量推廣使用存在成本昂貴的缺陷。賈強(qiáng)等在2015年申請了專利《一種提高碳酸鈣早期沉積量的微生物灌漿方法》（cn201510113200.2）公開提出通過控制不同的反應(yīng)因素來優(yōu)化生物水泥的制備方法，其中提到可以用乙酸鈣作鈣源來進(jìn)行傳統(tǒng)生物水泥制作，為本發(fā)明提供一種從制備原料方面上改進(jìn)的思路。

我國作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)生量極其巨大。我國農(nóng)業(yè)廢棄物主要來自于種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)。據(jù)估算，我國農(nóng)作物秸稈總產(chǎn)量為6.5×10⁸t/a左右，且我國的農(nóng)作物秸稈多采用燃燒等一次性利用方式。且燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量氮氧化物、二氧化硫、碳?xì)浠衔锛盁焿m，直接污染大氣，經(jīng)過太陽光照作用產(chǎn)生的有害物質(zhì)又進(jìn)一步造成二次污染。本發(fā)明在傳統(tǒng)生物水泥的技術(shù)上利用農(nóng)業(yè)秸稈廢物進(jìn)行快速熱解生物質(zhì)油的副產(chǎn)物乙酸作原料，一方面農(nóng)業(yè)廢物來源廣，數(shù)量大，容易獲取，成本低廉；另一方面可以利用該發(fā)明進(jìn)行廢物資源回收利用，降低農(nóng)業(yè)廢物用于燃燒處理量及減少燃燒時(shí)對環(huán)境造成的污染，達(dá)到資源循環(huán)利用，可持續(xù)環(huán)保發(fā)展的目的。

綜上所述，目前使用的微生物誘導(dǎo)方解石沉淀技術(shù)生產(chǎn)生物水泥的原料在大規(guī)模應(yīng)用的情況下不僅成本高昂，且大量使用會(huì)對環(huán)境造成污染。因此亟需尋找一種新的低成本、可持續(xù)的鈣源代替工業(yè)級(jí)的氯化鈣，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用。本發(fā)明在傳統(tǒng)微生物誘導(dǎo)方解石沉淀技術(shù)基礎(chǔ)上，使用采石場廢料和農(nóng)業(yè)廢物快速熱解生產(chǎn)生物原油的副產(chǎn)物乙酸反應(yīng)生產(chǎn)可溶性鈣鹽代替工業(yè)級(jí)cacl2，生產(chǎn)一種新型環(huán)境友好的生物水泥，實(shí)現(xiàn)了資源循環(huán)利用的可持續(xù)發(fā)展，大大促進(jìn)了基于微生物誘導(dǎo)的方解石沉淀技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用與推廣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種新型基于低價(jià)鈣離子制備生物水泥的生產(chǎn)方法。利用采石場的廢料與農(nóng)業(yè)廢物快速熱解生產(chǎn)生物質(zhì)油的副產(chǎn)物乙酸反應(yīng)生成的可溶性鈣鹽代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氯化鈣作鈣源，然后與尿素、脲酶芽孢桿菌混合，從而利用基于尿素分解的微生物誘導(dǎo)方解石沉淀技術(shù)生產(chǎn)生物水泥。

本發(fā)明提供一種基于低價(jià)鈣離子制備生物水泥的生產(chǎn)方法和應(yīng)用，所述的生產(chǎn)方法如下：

步驟(1)：脲酶芽孢桿菌菌液的培養(yǎng)

按照1∶0.1~1∶1000的體積比，將脲酶芽孢桿菌菌株接種于培養(yǎng)液中，在15~35℃下振蕩培養(yǎng)24~72h，得到脲酶芽孢桿菌菌液；通過光密度法測定其細(xì)胞濃度。

所述的培養(yǎng)液配方為：酵母提取物20g/l、硫酸銨10g/l、tris緩沖液0.13g/l，培養(yǎng)液ph=9.0。

所述的光密度法是指以純培養(yǎng)液為參比，菌液在600nm波長下測定的吸光度，細(xì)胞濃度od600值范圍為0.1～3.0；

步驟(2)：農(nóng)業(yè)廢物的熱解

在氮?dú)夥諊鷹l件下，農(nóng)業(yè)廢物經(jīng)粉碎后在200～900℃熱解1～60min，得到富含乙酸的液相產(chǎn)物。

步驟(3)：鈣溶液的制備

石灰石粉末與步驟（2）富含乙酸的液相產(chǎn)物按質(zhì)量比1∶2~1∶12混合，在4～40℃，反應(yīng)36～120h，ph控制在0.1～10，離心得到質(zhì)量濃度為0.1%-99%的乙酸鈣溶液。

步驟(4)：膠結(jié)液的制備

將步驟(3)的乙酸鈣溶液與尿素溶液以相同的摩爾濃度0.1～1mol/l等體積混合，并調(diào)節(jié)ph得到膠結(jié)液。

步驟(5)：游離溶液中生物水泥的制備

將步驟（1）的脲酶芽孢桿菌菌液與步驟的膠結(jié)液按1∶1~1∶100的體積比混合，再在室溫下反應(yīng)12h～72h后，所得的沉淀物即為生物水泥。

所述的應(yīng)用如下：

將步驟的脲酶芽孢桿菌菌液在20~25℃的室溫下循環(huán)通入一個(gè)砂柱裝置1～10h，又加入脲酶芽孢桿菌菌液和質(zhì)量濃度為0.1～10mol/l尿素溶液與等質(zhì)量濃度的鈣溶液混合制成的膠結(jié)液混合通入砂柱裝置，再循環(huán)3～12h；每天重復(fù)以上操作1~2次，持續(xù)7~28天后用蒸餾水洗滌膠結(jié)砂柱，并除去砂柱裝置的圓筒外層，即可得到成型膠結(jié)生物水泥。

所述的砂柱裝置為直徑為1～100cm，高1～300cm的pvc材質(zhì)的圓筒，其中的砂粒為制備成型膠結(jié)生物水泥的原料，且粒徑范圍為100~275μm。

所述的石灰石粉末為石灰石或白云石采石場的廢料中的一種以上，粉末粒徑在0.1～1000μm。

所述的農(nóng)業(yè)廢物包括玉米秸稈、玉米芯、麥稈、水稻秸稈、稻殼、蔗渣、棉稈、木屑和果殼中的至少一種。

所述的脲酶芽孢桿菌包括巴氏芽孢桿菌、芽孢八疊球菌。

本發(fā)明是利用脲酶芽孢桿菌在一定條件下利用尿素進(jìn)行新陳代謝或分解生成碳酸根，與農(nóng)業(yè)廢物副產(chǎn)物乙酸溶解礦業(yè)廢物反應(yīng)生成大量乙酸鈣溶液中的可溶性鈣離子反應(yīng)，生成一種粘合劑即生物水泥基材料。

本發(fā)明的有益效果：與傳統(tǒng)生物水泥制備方法相比，其優(yōu)勢在于：（1）本發(fā)明解決了傳統(tǒng)方法上原料成本高的問題，并充分利用農(nóng)業(yè)廢物與礦業(yè)廢物生產(chǎn)所需的鈣源，符合廢物資源化利用和可持續(xù)發(fā)展的理念，提供一種新型可持續(xù)生產(chǎn)低廉生物水泥的制備方法；（2）充分利用農(nóng)業(yè)廢物，減少資源浪費(fèi)以及降低農(nóng)業(yè)廢物因燃燒對環(huán)境造成的污染，實(shí)現(xiàn)資源回收利用，環(huán)境友好型發(fā)展的目的。

附圖說明

圖1：本發(fā)明游離溶液制備生物水泥工藝流程圖；

圖2：生物水泥的xrd圖；

圖3：純試劑碳酸鈣的xrd圖；

圖4：砂柱裝置原理圖；

圖5：成型的膠結(jié)生物水泥示意圖；

圖6：成型的膠結(jié)生物水泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與軸向應(yīng)變的關(guān)系圖；

圖7：成型的膠結(jié)生物水泥的劈裂抗壓強(qiáng)度與軸向應(yīng)變的關(guān)系圖；

圖8：micp處理砂后的sem圖像；

圖9：砂粒之間的空隙被caco3橋連sem圖像；

圖10：覆蓋在砂粒表面caco3晶體的尺寸大小sem圖像。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明.

實(shí)施例1

在游離溶液制備一種基于低價(jià)鈣離子制備的生物水泥

（1）nh4-ye培養(yǎng)液配制：稱取15.75gtris鹽，用去離子水稀釋至1l，用1+9hcl調(diào)節(jié)ph至9，加入酵母提取物20g，硫酸銨10g，攪拌均勻，可得nh4-ye培養(yǎng)液；

（2）脲酶芽孢桿菌菌液的制備：將脲酶芽孢桿菌atcc11859（sporosarcinapasteurii）種菌活化后，取適量接種于100ml步驟（1）所制備的培養(yǎng)液中，并將其置于振蕩箱（130rpm）30℃培養(yǎng)48h（使其細(xì)菌細(xì)胞濃度為od600=0.8~1.2），得細(xì)菌液；

（3）乙酸的制備：在氮?dú)夥諊鷹l件下經(jīng)粉粹后的農(nóng)業(yè)廢物如玉米秸稈在470℃。溫度條件下熱解20min，所得液相產(chǎn)物中富含乙酸；

（4）鈣溶液的制備：將800ml步驟（2）所獲得的乙酸與100g礦業(yè)廢物混合反應(yīng)5天，加蒸餾水，使其混合物鈣離子濃度調(diào)至為0.3mol/l，并用1mol/l的naoh進(jìn)一步調(diào)節(jié)混合物ph至7.0~7.5。然后將溶液以4000rpm離心20分鐘，得到上清液即為制備生物水泥所需的鈣源；

（5）將18.02g尿素溶解加水至1l，攪拌至充分混勻，配制成0.3mol/l；

（6）在游離溶液中制備生物水泥基材料：將步驟（2）所得的脲酶芽孢桿菌菌液與步驟4所得的尿素各取30ml按1：1混合，并將混合物的ph用naoh調(diào)至7.0~7.5，在燒杯保存一天，然后加入步驟3所制備鈣溶液30ml（具體操作流程見圖1）。

（7）將所的沉淀用fg/c濾紙過濾，并在115℃下干燥1天，然后使用x射線衍射（xrd）分析被干燥后的沉淀。該沉淀的xrd圖（見圖2）與純試劑級(jí)的碳酸鈣的xrd圖（圖3）完全匹配，結(jié)果證實(shí)沉淀物為碳酸鈣。

實(shí)施例2

在砂柱裝置中制備一種基于低價(jià)鈣離子制備的生物水泥

砂柱裝置如圖4所示，直徑為5cm，長10cm的pvc圓柱筒，將密度為1.20g/cm砂置于筒內(nèi)，圓筒上下兩端各置一片百潔布作過濾器，然后將pvc圓筒放置在填充有礫石的漏斗上，并用燒杯收集滲過砂柱的溶液，然后將其通過泵循環(huán)到柱的頂端；

（2）膠結(jié)液的制備：尿素溶液（0.3mol/l）與實(shí)例1步驟（3）制備的鈣溶液（0.3mol/l）等體積混合制成的膠結(jié)液；

（3）取實(shí)例1步驟（2）的脲酶芽孢桿菌菌液80ml置于燒杯再通過泵循環(huán)至砂柱頂部，循環(huán)3h。然后換新鮮的30ml的菌液與300ml步驟2制備的膠結(jié)液混合通過砂柱裝置循環(huán)9h。上述循環(huán)步驟每天重復(fù)兩次，持續(xù)7天，碳酸鈣開始在柱中沉淀，再循環(huán)上述步驟3天?？偣蔡幚?0天。用蒸餾水洗滌膠結(jié)后的砂柱，并除去圓筒外層，得到成型的膠結(jié)生物水泥砂柱如圖5所示；

（4）將步驟（3）所得的成型的膠結(jié)生物水泥砂柱進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（usc）和劈裂抗壓強(qiáng)力（ts）測驗(yàn)，成型的膠結(jié)生物水泥的usc和ts強(qiáng)度隨碳酸鈣含量增加而增加（如圖6與圖7。已知usc/us強(qiáng)度比來表示生物水泥砂柱的脆性，其比值越高，材料越脆。步驟（3）制備出的生物水泥砂柱的強(qiáng)度比隨碳酸鈣含量增加而增加。

（5）通過sem掃描電鏡觀察成型的膠結(jié)生物水泥的微觀結(jié)構(gòu)圖像，可以看出砂粒表明覆蓋著caco3（圖8），且砂粒之間的空隙被caco3橋連如圖9所示。且覆蓋在砂粒表面caco3晶體的尺寸約為5~20um（圖10），與之前報(bào)道用cacl2作碳源誘導(dǎo)生成的方解石晶體尺寸大小相差無幾。