CN102718445A - 一种尾砂生物预制品及其制备方法 - Google Patents

一种尾砂生物预制品及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对矿场堆积尾砂进行固结处理的新方法，特别是一种尾砂生物预制品及其制备方法属于微生物学领域和建筑材料领域的交叉科学技术，其特征在于其胶结机理为微生物诱导产生碳酸钙进行固结处理，相对于尾砂的其他利用方法，其为环境无污染绿色环保方法，而且其微生物矿化形成的碳酸钙具有化学制备所不具备的胶结性质。其中原料包括铁矿场尾砂、巴氏芽孢杆菌Sporosarcinapasteurii、酪蛋白、大豆蛋白和无水氯化钙，按照一定的胶结工艺胶结成型，可以进行预制砖胶结，也可以对尾砂矿坝进行加固处理。本发明的最大特点是：环境友好、无污染、废弃尾砂再利用、跨学科的新方法等。

Description

一种尾砂生物预制品及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种处理尾砂变废为宝的方法，具体地说涉及到微生物学在建筑材料领域的应用，用微生物方法利用尾砂做成预制品。
背景技术
尾矿是采矿企业在一定技术经济条件下排出的“废弃物”，但同时又是潜在的二次资源，把尾矿堆存在专门修筑的尾矿库内，这是多数选矿厂目前最广泛采用的尾矿处理方法。随着时间不短积累，其体积不断地增大，尾砂库的稳定性受到很大的影响，需要对尾砂库进行维护，甚至要重建尾砂库来消除安全隐患，这需要很高的成本来进行安全维护，否则一旦发生垮坝事故，其危害十分巨大，一旦流入河流会造成严重的谁污染，会破坏土壤环境，造成环境污染，甚至会危及人们的生命安全，这会引起巨大而又无法弥补的损失。因此，随着富矿随时间的减少，贫矿开采则会产生更多的堆积尾砂，如何充分利用这部分资源，降低其带来的危害是必须解决的问题。根据自然界微生物沉积成岩的原理，利用微生物这种环保绿色的方法可以对堆积尾砂进行处理和利用，解决其带来的问题。
发明内容
技术问题：本发明针对上述存在的问题，提供了一种尾砂生物预制板或预制块及其制备方法。利用微生物诱导生成具有胶结特性的方解石，在其作用下可以将松散尾砂颗粒胶结成为一个整体。
技术方案：一种尾砂生物预制品的制备方法，将尾砂置于预制板或预制块的模具中，然后将嗜碱微生物菌液和胶结混合溶液由下往上分别交替注入模具中，连续注入直至模具中的尾砂在嗜碱微生物的作用下胶结固化，24h后无渗出，拆模即得尾砂生物预制板或预制块；
所述的嗜碱微生物菌液是通过将巴氏芽孢杆菌接种到酪蛋白胨、大豆蛋白胨培养基中培养得到；所述的胶结混合溶液为脲素溶液和氯化钙溶液按照体积比1:1的比例混合，所述的脲素溶液和氯化钙溶液的浓度为1~3 mol·L-1。
所述的培养基中酪蛋白胨12~18g/L、大豆蛋白胨5~10g/L。
所述的嗜碱微生物菌液和胶结混合溶液由下往上分别交替注入模具中时，是先注入嗜碱微生物菌液，流速为4~6ml/min，注满后室温下静置至嗜碱微生物菌液完全渗出后，再注入胶结混合溶液，流速为10~20ml/min，同样，注满后室温下静置至胶结混合溶液完全渗出，为一个循环。
所述的尾砂生物预制板或预制块的制备方法得到的预制板或预制块，为尾砂通过嗜碱微生物胶结而成。
利用微生物诱导形成的方解石进行胶结砂颗粒的机理是：嗜碱性微生物在生长繁殖过程中产生的脲酶，不断分解混合溶液中的尿素形成CO3 2-，并释放到微生物细胞表面，同时混合溶液中存在的Ca2+，吸附到带有负电荷的微生物细胞表面，以微生物细胞表面作为成核位点，从而形成具有胶结性质的碳酸钙。由微生物诱导形成的碳酸钙在松散颗粒之间充当桥梁作用，从而把松散颗粒胶结成为整体。整个反应如式（1）~式（3）所示。
(NH2)2CO+2H2O=CO3 2-+2NH4 +                      (1)
Ca2++Cell=Cell-Ca2+                            (2)
Cell-Ca2++ CO3 2-= Cell-CaCO3                       (3)
有益效果：
1.        本发明充分利用自然界微生物资源，利用生物矿化作用形成的具有胶结性质的碳酸钙，将松散尾砂颗粒胶结成为具有优良力学性能的整体。
2.        该方法使用的固结胶凝材料，环境清洁，成本低廉，属于真正意义上的环境友好型胶凝材料。
3.        同时，由于所得碳酸钙是在微生物有机质调控下生成，比一般化学法制得的碳酸钙具有更优良性能，从而可获得优良性能的微生物基材料，使得预制板或预制块具有良好力学强度，对堆积尾砂可以起到固结作用，也可以做成预制品加以利用。
附图说明
图1为本发明利用嗜碱微生物诱导形成的碳酸钙固结而成的砂柱能谱分析图。
图2为利用嗜碱微生物诱导形成的碳酸钙固结而成的砂柱扫描电镜图像（50μm）。
图3为利用嗜碱微生物诱导形成的碳酸钙固结而成的砂柱扫描电镜图像（10μm）。
图4为利用嗜碱微生物诱导形成的碳酸钙固结而成的砂柱XRD扫描图像。
具体实施方式
本发明所用的巴氏芽孢杆菌Sporosarcina pasteurii来源于German Collection of Microorganisms and Cell Cultures（DSMZ），代码为33。      因为需要进行液体的注入，试模才用了注射器（30ml、50ml、60ml、100ml注射器的一种），或者是φ150×150mm的特制塑料试模均可，也可以使用其他形状的成型模具。
一种利用微生物诱导形成的碳酸钙进行尾砂预制的方法，按照如下方法制备：
（1）制备嗜碱微生物菌液：将菌种巴氏芽孢杆菌Sporosarcina pasteurii接种到牛肉膏、蛋白胨培养基中，每升培养基含有酪蛋白胨12~18g/L、大豆蛋白胨5~10g/L，并控制pH为6~8，于30~37℃下培养16~24h，取出即可得菌液；
（2）配制胶结混合溶液：将浓度为1~3 mol·L-1的尿素溶液和浓度为1~3mol·L-1的CaCl2等体积混合后，得胶结混合溶液；    
（3）直接取用矿场堆积尾砂，进行压实处理，减少其堆积空隙，然后装入预制板或是预制块模具中；
（4）将第一步制备的嗜碱微生物菌液和第二步配制的胶结混合溶液按体积比为1：1的比例通过蠕动泵分别注入第三步配制好的砂中，控制菌液流速为4~6ml/min，混合溶液流速为10~20ml/min，连续注入直至模具中的尾砂在嗜碱微生物的作用下胶结固化，大约需要7~10天，即可成功胶结尾砂颗粒。
上述步骤（4）中所述菌液和混合溶液分别注入砂粒的方法是：首先用蠕动泵连接装有砂颗粒的试模底部，然后以4~6ml/min的速率从下往上注入菌液，注满后在20~30℃下静置1~3h，待菌液完全渗出后，再以10~20ml/min的速率由下往上注入混合溶液，注满后在相同温度下静置1~3h，待混合溶液完全渗出后，再按上述注入菌液的方式注入菌液，交替循环，直至所注入溶液在24h后无渗出，即成功固结尾砂颗粒。
 
实施例1
（1）称取5g大豆蛋白、15g酪蛋白和1000ml蒸馏水配制培养基，调节pH为7.0，灭菌烘干后，将巴氏芽孢杆菌接种至配制好的培养基中，在30℃下进行振荡培养，振荡频率为170r/min，培养24h；
（2）配置尿素溶液浓度为2 mol·L-1， CaCl2溶液浓度为2mol·L-1的混合溶液；
（3）将未经处理的尾砂，分3次装入60ml的一次性注射器中，在每次装入过程中敲打注射器外部，以使装入的砂紧密堆积，通过测试可得砂柱的空隙率约为48.5%；
（4）用蠕动泵连接注射器底部，以5ml/min的速率注入菌液，注满后静置2h，待菌液完全渗出后，再以15ml/min的速率注入混合溶液，注满后静置2h，待混合溶液完全渗出后，再按上述注入菌液的方式注入菌液，交替循环，15天后成功胶结砂。
通过电子抗压测试其强度达到5.5MPa，在扫描电子显微镜下观察利用微生物胶结形成的砂柱表面形貌及能谱分析，结果（见图1、2、3）说明砂柱中除了已知存在的Si、O、Ca、Cl元素外，还新出现了C元素，通过图4的XRD扫描照片可以看出其砂柱沉积的沉淀为方解石型碳酸钙，通过CT照片发现进过一段时间的胶结后，砂柱的孔隙率降低至28.7%。
实施例2
（1）称取7g大豆蛋白、18g酪蛋白和1000ml蒸馏水配制培养基，调节pH为8.0，灭菌烘干后，将巴氏芽孢杆菌接种至配制好的培养基中，在30℃下进行振荡培养，振荡频率为170r/min，培养20h；
（2）配置尿素溶液浓度为2 mol·L-1， CaCl2溶液浓度为1.5mol·L-1的混合溶液；
（3）将未经处理的尾砂，压实装入尺寸为240*115*53mm自制模具中，以使装入的砂紧密堆积，通过测试可得砂柱的空隙率约为48.5%；
（4）用蠕动泵连接注射器底部，以10ml/min的速率注入菌液，注满后静置1h，待菌液完全渗出后，再以15ml/min的速率注入混合溶液，注满后静置3h，待混合溶液完全渗出后，再按上述注入菌液的方式注入菌液，交替循环，7天后成功胶结砂。

Claims (4)

1.一种尾砂生物预制块的制备方法，其特征在于，将尾砂置于预制板或预制块的模具中，然后将嗜碱微生物菌液和胶结混合溶液由下往上分别交替注入模具中，连续注入直至模具中的尾砂在嗜碱微生物的作用下胶结固化，24h后无渗出，拆模即得尾砂生物预制板或预制块；
所述的嗜碱微生物菌液和胶结混合溶液的体积比为1:1；所述的嗜碱微生物菌液是通过将巴氏芽孢杆菌接种到酪蛋白胨、大豆蛋白胨培养基中培养得到；所述的胶结混合溶液为脲素溶液和氯化钙溶液按照体积比1:1的比例混合，所述的脲素溶液和氯化钙溶液的浓度为1~3 mol·L-1。
2.如权利要求1所述的尾砂生物预制板或预制块的制备方法，其特征在于，所述的培养基中酪蛋白胨12~18g/L、大豆蛋白胨5~10g/L。
3.如权利要求1所述的尾砂生物预制板或预制块的制备方法，其特征在于，所述的嗜碱微生物菌液和胶结混合溶液由下往上分别交替注入模具中时，是先注入嗜碱微生物菌液，流速为4~6ml/min，注满后室温下静置至嗜碱微生物菌液完全渗出后，再注入胶结混合溶液，流速为10~20ml/min，同样，注满后室温下静置至胶结混合溶液完全渗出，为一个循环。
4.权利要求1~3任一所述的尾砂生物预制板或预制块的制备方法得到的预制板或预制块，其特征在于，为尾砂通过嗜碱微生物胶结而成。
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