專利名稱：微生物膠凝材料及利用其膠結(jié)砂粒形成菱鎂礦的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型膠凝材料，具體地說涉及到一種利用微生物誘導形成的菱鎂礦進行膠結(jié)砂顆粒的方法。
背景技術(shù)：
目前，用于膠結(jié)松散顆粒的材料是硅酸鹽水泥、石灰、石膏、水玻璃以及環(huán)氧樹脂等人造化學材料。這些材料除環(huán)氧樹脂外，其余材料都存在著污染環(huán)境、破壞生態(tài)的影響。 其中，硅酸鹽水泥是最常用的膠結(jié)材料，2010年我國水泥產(chǎn)量達到18. 68億噸，占世界水泥產(chǎn)量的一半以上。水泥生產(chǎn)過程的高能耗、高污染以及石灰石資源的限制已成為影響可持續(xù)發(fā)展的重大問題。因此，急需尋找可部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)水泥的新型膠結(jié)材料，緩解硅酸鹽水泥的生產(chǎn)壓力，開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明針對上述存在的問題，提供了一種微生物膠凝材料及利用其膠結(jié)砂粒形成菱鎂礦的方法。利用微生物誘導生成具有膠結(jié)特性的菱鎂礦，在菱鎂礦作用下， 可以將松散砂顆粒膠結(jié)成為一個整體。技術(shù)方案一種微生物膠凝材料，所述的微生物膠凝材料由嗜堿微生物菌液和混合溶液組成，其中嗜堿微生物菌液和混合溶液的體積比為1:1，所述的嗜堿微生物菌液為巴氏芽孢桿菌Sporosarcina pasteurii菌液，所述混合溶液為尿素和MgCl2 · 6H20的水溶液等體積混合后組成的混合溶液，其中尿素溶液濃度為廣3 mol · L—1，MgCl2 · 6H20溶液濃度為1 3 mol · Γ1。所述的嗜堿微生物菌液為將菌株巴氏芽孢桿菌Sporosarcina pasteurii接種到牛肉膏、蛋白胨培養(yǎng)基中，每升培養(yǎng)基含有蛋白胨4 6g、牛肉膏2、g，并控制pH為6、，于 30 37°C下培養(yǎng)16 24h得到含有巴氏芽孢桿菌Sporosarcina pasteurii的菌液。一種利用所述的微生物膠凝材料膠結(jié)砂粒形成菱鎂礦的方法，按富勒最緊密堆積方法配制兩級配為0. 15mm以下和0. 15^0. 30mm的砂7(T90g，然后放入試模中；將微生物膠凝材料中的嗜堿微生物菌液以流速為4飛ml/min，混合溶液流速為l(T20ml/min的速度，通過蠕動泵由下往上分別交替注入試模中，連續(xù)注入1(Γ15天，試模中的砂粒膠結(jié)形成菱鎂礦。富勒級配公式P=(d/D)n中的η值取為1/2，P為小于粒徑d的百分數(shù)，d為篩孔尺寸，D為顆粒最大粒徑。嗜堿菌液是由下往上注入試模，注滿后在2(T30°C下靜置廣3h，待嗜堿菌液完全滲出后，再將混合溶液由下往上注入試模中，，注滿后在2(T30°C下靜置廣3h，待混合溶液完全滲出后，再重新注入嗜堿菌液，循環(huán)交替，直至24h后無滲出。利用微生物誘導形成的菱鎂礦進行膠結(jié)砂顆粒的機理是嗜堿性微生物在生長繁殖過程中產(chǎn)生的脲酶，不斷分解混合溶液中的尿素形成co32_，并釋放到微生物細胞表面，同時混合溶液中存在的Mg2+，吸附到帶有負電荷的微生物細胞表面，以微生物細胞表面作為成核位點，從而形成具有膠結(jié)性質(zhì)的菱鎂礦。由微生物誘導形成的菱鎂礦在松散顆粒之間充當橋梁作用，從而把松散顆粒膠結(jié)成為整體。整個反應(yīng)如式(1) 式(3 )所示。
本發(fā)明充分利用自然界微生物資源，利用生物礦化作用形成的具有膠結(jié)性質(zhì)的菱鎂礦將松散砂顆粒膠結(jié)成為具有優(yōu)良力學性能的整體。該方法使用的膠凝材料，環(huán)境清潔，成本低廉，屬于真正意義上的環(huán)境友好型膠凝材料。同時，由于所得菱鎂礦是在微生物有機質(zhì)調(diào)控下生成，比一般化學法制得的菱鎂礦具有更優(yōu)良性能，從而可獲得優(yōu)良性能的微生物基材料。
圖1為利用微生物誘導形成的菱鎂礦膠結(jié)而成的砂柱荷載與位移關(guān)系。圖2為利用微生物誘導形成的菱鎂礦膠結(jié)而成的砂柱掃描電鏡圖像。圖3為利用微生物誘導形成的菱鎂礦膠結(jié)而成的砂柱能譜分析圖。圖4為利用微生物誘導形成的菱鎂礦膠結(jié)而成的砂柱X射線衍射分析圖。
具體實施例方式BJ^PJj^ ^ ￡ K^ifeff ^ Sporosarcina pasteurii ^iHTGerman Collection of Microorganisms and Cell Cultures (DSMZ)，代碼為 33。試?？梢圆捎?30ml、 50ml,60mlUOOml注射器的一種，或者是Φ 150X 150mm的塑料試模均可。一種利用微生物誘導形成的菱鎂礦進行膠結(jié)砂顆粒的方法，按照如下方法制備
(1)制備微生物菌液將菌種巴氏芽孢桿菌Sporosarcinapasteurii接種到牛肉膏、 蛋白胨培養(yǎng)基中，每升培養(yǎng)基含有蛋白胨4 6g、牛肉膏2、g，并控制pH為6 8，于3(T37°C 下培養(yǎng)16 24h，取出即可得菌液；
(2)配制混合溶液將濃度為廣3mol · L—1的尿素溶液和濃度為廣3mol · L—1的 MgCl2 · 6H20等體積混合后，得混合溶液；
(3)稱取砂按富勒最緊密堆積方法配制兩級配為0.15mm以下和0. 15 0. 30mm的砂 7(T90g，然后裝入特定試模中；
(4)將第一步制備的菌液和第二步配制的混合溶液按體積比為1:1的比例通過蠕動泵分別注入第三步配制好的砂中，控制菌液流速為reml/min，混合溶液流速為l(T20ml/ min，連續(xù)注入1(Γ25天，即可成功膠結(jié)砂顆粒。上述步驟(3)中所述的富勒級配公式中的η值取為1/2。上述步驟(3)中所述的特定試模是指30ml、50ml、60ml、100ml注射器的一種，或者是Φ 150 X 150mm的塑料試模。上述步驟(4)中所述菌液和混合溶液分別注入砂粒的方法是首先用蠕動泵連接裝有砂顆粒的試模底部，然后以reml/min的速率從下往上注入菌液，注滿后在2(T30°C下 (NH2) 2C0+2H20=C0 廣+2NH4 Mg2++Cell=Cell-Mg2+ Cell-Mg2.+ CO32-= Cel l-MgC0: 有益效果靜置廣3h，待菌液完全滲出后，再以l(T20ml/min的速率由下往上注入混合溶液，注滿后在相同溫度下靜置廣3h，待混合溶液完全滲出后，再按上述注入菌液的方式注入菌液，交替循環(huán)，直至所注入溶液在24h后無滲出，即成功膠結(jié)砂顆粒。實施例1
(1)稱取5g蛋白胨、3g牛肉浸膏和IOOOml蒸餾水配制培養(yǎng)基，調(diào)節(jié)pH為7.0，滅菌烘干后，將巴氏芽孢桿菌接種至配制好的培養(yǎng)基中，在30°C下進行振蕩培養(yǎng)，振蕩頻率為170r/ min，培養(yǎng) 24h ；
(2)配置尿素溶液濃度為2mol · L—1，MgCl2 · 6H20溶液濃度為2mol · L—1的混合溶液；
(3)分別稱取粒徑為0.15mm以下的砂56. 56g和0. 15 0. 3mm的砂23. 44g，分3次裝入 60ml的一次性注射器中，在每次裝入過程中敲打注射器外部，以使裝入的砂緊密堆積，緊密空隙率為43. 1% ；
(4)用蠕動泵連接注射器底部，以5ml/min的速率注入菌液，注滿后靜置池，待菌液完全滲出后，再以15ml/min的速率注入混合溶液，注滿后靜置池，待混合溶液完全滲出后，再按上述注入菌液的方式注入菌液，交替循環(huán)，15天后成功膠結(jié)砂。圖1顯示的是砂柱荷載與位移的關(guān)系。在掃描電子顯微鏡下觀察利用微生物膠結(jié)形成的砂柱表面形貌及能譜分析，結(jié)果 (見圖2和3)說明砂柱中除了已知存在的Si、0、Mg、Cl元素外，還新出現(xiàn)了 C元素。對利用微生物膠結(jié)而成的砂柱進行X射線衍射分析，結(jié)果(見圖4)說明所得膠結(jié)物質(zhì)為菱鎂礦。實施例2
(1)稱取4g蛋白胨、4g牛肉浸膏和IOOOml蒸餾水配制培養(yǎng)基，調(diào)節(jié)pH為6.0，滅菌烘干后，將巴氏芽孢桿菌接種至配制好的培養(yǎng)基中，在30°C下進行振蕩培養(yǎng)，振蕩頻率為170r/ min,培養(yǎng) 16h ；
(2)配置尿素溶液濃度為3mol · L—1，MgCl2 · 6H20溶液濃度為Imol · L—1的混合溶液；
(3)分別稱取粒徑為0.15mm以下的砂63. 63g和0. 15^0. 3mm的砂26. 37g，分3次裝入 60ml的一次性注射器中，在每次裝入過程中敲打注射器外部，以使裝入的砂緊密堆積，緊密空隙率為42. 8% ；
(4)用蠕動泵連接注射器底部，以^il/min的速率注入菌液，注滿后靜置lh，待菌液完全滲出后，再以lOml/min的速率注入混合溶液，注滿后靜置lh，待混合溶液完全滲出后，再按上述注入菌液的方式注入菌液，交替循環(huán)，15天后成功膠結(jié)砂。實施例3
(1)稱取6g蛋白胨、4g牛肉浸膏和IOOOml蒸餾水配制培養(yǎng)基，調(diào)節(jié)pH為8.0，滅菌烘干后，將巴氏芽孢桿菌接種至配制好的培養(yǎng)基中，在30°C下進行振蕩培養(yǎng)，振蕩頻率為170r/ min，培養(yǎng) 24h ；
(2)配置尿素溶液濃度為1mol · L—1，MgCl2 · 6H20溶液濃度為3mol · L—1的混合溶液；
(3)分別稱取粒徑為0.15mm以下的砂49. 49g和0. 15^0. 3mm的砂20. 51g，分3次裝入 60ml的一次性注射器中，在每次裝入過程中敲打注射器外部，以使裝入的砂緊密堆積，緊密空隙率為42. 6% ；
(4)用蠕動泵連接注射器底部，以6ml/min的速率注入菌液，注滿后靜置池，待菌液完全滲出后，再以20ml/min的速率注入混合溶液，注滿后靜置池，待混合溶液完全滲出后，再按上述注入菌液的方式注入菌液，交替循環(huán)，15天后成功膠結(jié)砂。
權(quán)利要求
1.一種微生物膠凝材料，其特征在于，所述的微生物膠凝材料由嗜堿微生物菌液和混合溶液組成，其中嗜堿微生物菌液和混合溶液的體積比為1:1，所述的嗜堿微生物菌液為巴氏芽孢桿菌Sporosarcina pasteurii菌液，所述混合溶液為尿素和MgCl2 · 6H20的水溶液等體積混合后組成的混合溶液，其中尿素溶液濃度為廣3 mol · L—1，MgCl2 · 6H20溶液濃度為1 3 mol · Γ1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物膠凝材料，其特征在于，所述的嗜堿微生物菌液為將菌株巴氏芽孢桿菌Sporosarcina pasteurii接種到牛肉膏、蛋白胨培養(yǎng)基中，每升培養(yǎng)基含有蛋白胨4 6g、牛肉膏2、g，并控制pH為6 8，于3(T37°C下培養(yǎng)16 24h得到含有巴氏芽抱桿菌 Sporosarcina pasteurii 的菌液。
3.一種利用權(quán)利要求1或2所述的微生物膠凝材料膠結(jié)砂粒形成菱鎂礦的方法，其特征在于，按富勒最緊密堆積方法配制兩級配為0. 15mm以下和0. 15^0. 30mm的砂7(T90g，然后放入試模中；將微生物膠凝材料中的嗜堿微生物菌液以流速為reml/min，混合溶液流速為l(T20ml/min的速度，通過蠕動泵由下往上分別交替注入試模中，連續(xù)注入1(Γ 5天， 試模中的砂粒膠結(jié)形成菱鎂礦。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用微生物膠凝材料膠結(jié)砂粒形成菱鎂礦的方法，其特征在于，富勒級配公式P=(d/D)n中的η值取為1/2，P為小于粒徑d的百分數(shù)，d為篩孔尺寸，D 為顆粒最大粒徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用微生物膠凝材料膠結(jié)砂粒形成菱鎂礦的方法，其特征在于，嗜堿菌液是由下往上注入試模，注滿后在2(T30°C下靜置廣3h，待嗜堿菌液完全滲出后，再將混合溶液由下往上注入試模中，，注滿后在2(T30°C下靜置廣3h，待混合溶液完全滲出后，再重新注入嗜堿菌液，循環(huán)交替，直至24h后無滲出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微生物膠凝材料及利用其膠結(jié)砂粒形成菱鎂礦的方法。所述的微生物膠凝材料由嗜堿微生物菌液和混合溶液組成，其中嗜堿微生物菌液和混合溶液的體積比為11，所述的嗜堿微生物菌液為巴氏芽孢桿菌Sporosarcinapasteurii菌液，所述混合溶液為尿素和MgCl2·6H2O的水溶液等體積混合后組成的混合溶液。按富勒最緊密堆積方法配制兩級配為0.15mm以下和0.15~0.30mm的砂70~90g，然后放入試模中；將微生物膠凝材料中的嗜堿微生物菌液通過蠕動泵由下往上分別交替注入試模中，連續(xù)注入10~15天，試模中的砂粒膠結(jié)形成菱鎂礦。其抗壓強度高達4.0MPa。
文檔編號C04B28/30GK102531432SQ20121001184
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者李龍治, 榮輝, 錢春香 申請人:東南大學