CN103664227B - 利用微生物矿化捕获co2的水泥基材料表面覆膜防护剂及其使用的方法 - Google Patents

利用微生物矿化捕获co2的水泥基材料表面覆膜防护剂及其使用的方法 Download PDF

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本发明公开了一种利用微生物矿化捕获CO2的水泥基材料表面覆膜防护剂及其使用方法，为高浓缩胶质芽孢杆菌菌液与Ca(OH)2溶液按体积比1∶1～10混合，所述高浓缩胶质芽孢杆菌菌液的菌液浓度为109～1011个/mL，所述的Ca(OH)2溶液的质量浓度为0.10%～0.16%。将防护剂通过涂抹工艺，利用其生物催化功能，在短期内捕获空气中CO2与水泥基材料表面的Ca(OH)2矿化形成CaCO3，形成方解石致密防护层，从而阻止二氧化碳和其他有害组分向水泥基材料内部的迁移，以生物矿化的形式固定和消耗空气中的CO2，同时提升水泥基材料的抗侵蚀能力。

Description

利用微生物矿化捕获CO2的水泥基材料表面覆膜防护剂及其使用的方法
技术领域
本发明涉及一种利用微生物矿化捕获CO2在水泥基材料表面覆膜防护的方法，利用微生物的矿化作用极大加速空气中CO2和水泥基材料表面氢氧化钙的矿化反应，形成碳酸钙防护膜层，属于微生物和土木工程材料交叉技术领域。
背景技术
混凝土是当今应用最为广泛的建筑材料，而从混凝土应用于土木工程至今的150年间，大量钢筋混凝土结构由于各种原因提前失效，达不到预定的服役年限，除了结构设计抗力不足的原因外，耐久性失效是导致混凝土结构在正常使用状态下失效的最主要原因之一。对混凝土进行表面防护，可以从源头有效防止有害介质进人混凝土内部，提升混凝土的耐久性能。国内外市场现已有众多的修复与防护材料，但是如何解决这些材料与水泥基材料的相容性，进一步提升其抗老化性能和耐久性能，增强其环境友好性，一直是众多研究者们致力突破的研究方向。
本发明利用建筑物的广泛存在性，将可产碳酸酐酶的微生物涂抹负载于水泥基材料表面，利用微生物的矿化作用极大加速空气中二氧化碳和水泥基材料表面氢氧化钙的矿化反应，在原有水泥基材料表层形成致密的方解石保护膜层，从而阻止有害介质向水泥基材料内部的迁移，提高水泥基材料的抗侵蚀能力，同时以生物矿化的形式固定和消耗空气中的二氧化碳。
发明内容
技术问题：本发明提供一种利用微生物矿化捕获CO2在水泥基材料表面覆膜防护的方法。
技术方案：一种利用微生物矿化捕获CO2的水泥基材料表面覆膜防护剂，为高浓缩胶质芽孢杆菌菌液与Ca(OH)2溶液按体积比1∶1～10混合，所述高浓缩胶质芽孢杆菌菌液的菌液浓度为109～1011个/mL，所述的Ca(OH)2溶液的质量浓度为0.10%～0.16%。
利用微生物矿化捕获CO2的水泥基材料表面覆膜防护剂的使用方法，该方法包括以下步骤：
（1）将胶质芽孢杆菌接种至培养基中培养，制备菌体浓度为107～108个/mL的胶质芽孢杆菌菌液；
（2）将胶质芽孢杆菌菌液离心后，调节菌液浓度为109～1011个/mL的高浓缩菌液；
（3）配制质量浓度为0.10%～0.16%的Ca(OH)2溶液，待冷却至室温后将浓度为109～1011个/mL的高浓缩菌液与Ca(OH)2溶液按体积比1∶1～10混合得到所述的覆膜防护剂，将覆膜防护剂涂刷于水泥基材料表面，室温静置24h后，水泥基材料表面矿化形成方解石防护膜层。
所述的培养基组成按质量体积浓度计为蔗糖8～12g/L、Na2HPO4·12H2O2～3g/L、MgSO40.4～0.6g/L、CaCO30.5～1.5g/L、KCl0.1～0.2g/L、(NH4)2SO40.4～0.6g/L、酵母提取物0.2～0.4g/L。
步骤（1）培养条件为pH为7～8，温度为30～37℃。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
将可分泌碳酸酐酶的胶质芽孢杆菌配制成菌液，通过涂抹工艺，利用其生物催化功能，在短期内捕获空气中CO2与水泥基材料表面的Ca(OH)2矿化形成CaCO3，形成方解石致密防护层，从而阻止二氧化碳和其他有害组分向水泥基材料内部的迁移，以矿化的形式消耗空气中CO2，提供了一种更安全的固碳技术。此外，该技术由于其酶催化反应极为迅速，可将反应速率提高6个数量级，形成的致密方解石膜层，物理和化学性能稳定、不易收缩，有利于提高建筑物对外界环境的抗侵蚀能力。
附图说明
图1为采用此微生物矿化捕获CO2在水泥基材料表面覆膜防护的方法后获得的水泥基材料表面覆膜层的SEM图（实施例1）。
图2为在水泥基材料表面矿化形成的膜层XRD图谱。
图3为水泥基材料覆膜前和采用实施例1、实施例2与实施例3工艺覆膜后的表面毛细吸水系数对比图。
图4为采用此微生物矿化捕获CO2在水泥基材料表面覆膜防护的方法后获得的水泥基材料表面覆膜层的SEM图（实施例2）。
具体实施方式
本发明所用的胶质芽孢杆菌（Bacillusmucilaginous）来源于中国工业微生物菌种保藏中心，编号为22523。
本发明用于快速固化土壤的方法，方法步骤如下：
（1）获取胶质芽孢杆菌（Bacillusmucilaginous）浓缩菌液：将胶质芽孢杆菌（Bacillusmucilaginous）接种于灭菌后的培养基溶液，每升培养基含有蔗糖8～12g、Na2HPO4·12H2O2～3g、MgSO40.4～0.6g、CaCO30.5～1.5g、KCl0.1～0.2g、(NH4)2SO40.4～0.6g、酵母提取物0.2～0.4g，并控制pH为7～8，于30～37℃下振荡培养24h，得到含有胶质芽孢杆菌（Bacillusmucilaginous）的菌液；
（2）将上述培养获得的菌液在4℃下经5000～8000rpm高速离心5～10min后，除去上层培养基营养物质后加去离子水，浓缩菌液中所含菌液浓度为109～1011个/mL；
（3）配制质量浓度为0.10%～0.16%的Ca(OH)2溶液，待冷却至室温后将获得的浓度为109～1011个/mL的高浓缩菌液与Ca(OH)2溶液混合，体积比1∶1～1∶10，涂刷于水泥基材料表面，室温静置24h后，水泥基材料表面矿化形成方解石防护膜层。
实施例1：
（1）称取蔗糖12g、Na2HPO4·12H2O3g、MgSO40.6g、CaCO31.5g、KCl0.2g、(NH4)2SO40.6g、酵母提取物0.4g于1000mL去离子水中溶解，配置成所需培养基溶液，调节pH为7，125℃高温下灭菌25分钟后取出待冷却，将胶质芽孢杆菌接种至冷却培养基溶液中，30℃下振荡培养，振荡频率为170r/min，培养时间24h；
（2）将培养好的菌液高速离心5min，离心机转速为8000rpm，温度为4℃，去除上层培养基营养物质，加去离子水20mL制成浓缩菌液，菌液浓度为1×1010个/mL；
（3）配制质量浓度为0.16%的Ca(OH)2溶液，待冷却至室温后将高浓缩菌液与Ca(OH)2溶液混合，体积比1∶5，涂刷于水泥基材料表面，室温静置24h。
在电子扫描电镜下观察，水泥基材料表面矿化形成一层连续且致密的膜层（图1），厚度约为100μm，经XRD分析，证实其确为方解石（图2），覆膜后水泥基材料表面毛细系数降低为372.6g/(m2·h1/2)，相较覆膜前降低了78%（图3）。
实施例2：
（1）称取蔗糖9.6g、Na2HPO4·12H2O2.4g、MgSO40.48g、CaCO31.2g、KCl0.16g、(NH4)2SO40.48g、酵母提取物0.32g于1000mL去离子水中溶解，配置成所需培养基溶液，调节pH为7，125℃高温下灭菌25分钟后取出待冷却，将胶质芽孢杆菌接种至冷却培养基溶液中，30℃下振荡培养，振荡频率为170r/min，培养时间24h；
（2）将培养好的菌液高速离心10min，离心机转速为5000rpm，温度为4℃，去除上层培养基营养物质，加去离子水100mL制成浓缩菌液，菌液浓度为2×109个/mL；
（3）配制质量浓度为0.10%的Ca(OH)2溶液，待冷却至室温后将高浓缩菌液与Ca(OH)2溶液混合，体积比1∶10，涂刷于水泥基材料表面，室温静置24h。
在电子扫描电镜下观察，水泥基材料表面矿化形成一层非连续的膜层（图4），覆膜后水泥基材料表面毛细系数降低为893.6g/(m2·h1/2)，相较覆膜前降低了47%（图3）。
实施例3：
（1）配制质量浓度为0.16%的Ca(OH)2溶液，涂刷于水泥基材料表面，室温静置24h。
该实施例由于没有可分泌碳酸酐酶的胶质芽孢杆菌的介入，水泥基材料表面未形成矿化膜层，覆膜后水泥基材料表面毛细系数为1672.8g/(m2·h1/2)，相较覆膜前仅降低了1%（图3）。

Claims (2)

1.一种利用微生物矿化捕获CO2的水泥基材料表面覆膜防护剂，其特征在于，为高浓缩胶质芽孢杆菌菌液与Ca(OH)2溶液按体积比1∶1~10混合，所述高浓缩胶质芽孢杆菌菌液的菌液浓度为109~1011个/mL，所述的Ca(OH)2溶液的质量浓度为0.10%~0.16%。
2.权利要求1所述的利用微生物矿化捕获CO2的水泥基材料表面覆膜防护剂的使用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）将胶质芽孢杆菌接种至培养基中培养，制备菌体浓度为107~108个/mL的胶质芽孢杆菌菌液；所述的培养基组成按质量体积浓度计为蔗糖8~12g/L、Na2HPO4·12H2O2~3g/L、MgSO40.4~0.6g/L、CaCO30.5~1.5g/L、KCl0.1~0.2g/L、(NH4)2SO40.4~0.6g/L、酵母提取物0.2~0.4g/L；培养条件为pH为7~8，温度为30~37℃；
（2）将胶质芽孢杆菌菌液离心后，调节菌液浓度为109~1011个/mL的高浓缩菌液；
（3）配制质量浓度为0.10%~0.16%的Ca(OH)2溶液，待冷却至室温后将浓度为109~1011个/mL的高浓缩菌液与Ca(OH)2溶液按体积比1∶1~10混合得到所述的覆膜防护剂，将覆膜防护剂涂刷于水泥基材料表面，室温静置24h后，水泥基材料表面矿化形成方解石防护膜层。
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