CN106145732A - 使用弱酸加速微生物矿化碱性废弃物制备建材制品的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用弱酸加速微生物矿化制备碱性废弃物建材制品的方法，其步骤为：将胶质芽孢杆菌接种至相应的培养基中培养，制备菌体浓度为10⁶～10⁷个/mL的浓缩菌液；将碱性固体废弃物倒入搅拌锅中，向搅拌锅内加入浓缩菌液与弱酸溶液，继续搅拌至均匀，将浆体倒入模具中振捣成型。成型后，将试件置于相对湿度(60％±3％)，温度(20±2)℃的环境中养护，1d后脱模，将脱模后试样放入养护装置中，在相对湿度(70％±3％)，CO₂压力下养护4‑6h。使用弱酸后，碱性固体废弃物钙镁等离子溶出速率明显提升，微生物矿效率有明显的提升，制品强度较使用碱性激发剂制备制品有明显提升且成本降低，制品内部致密程度增加。具有成本低、效果显著、环境友好，不会产生二次污染的优点。

Description

使用弱酸加速微生物矿化碱性废弃物制备建材制品的方法

技术领域

本发明属于微生物学领域和材料科学领域的交叉科学技术，涉及一种基于弱酸加速微生物矿化碱性废弃物制备建材制品的微生物方法。

背景技术

近年来，随着国家经济的快速发展，工业生产过程产生的固体废弃物逐年增长，如果不采取合理的方式对这些固体废弃物进行综合利用，必然将会对社会环境造成许多危害，诸如占用土地，污染空气，浪费资源等。固体废弃物资源化利用最广泛、有效途径之一便是用于建筑材料，固体废弃物主要的活性矿物组成为C₂S、C₃S、C₄AF和RO相(Mg、Fe、Mn等的氧化物所形成的固熔体)等，与水泥组分相近，但使用固体废弃物制备建筑材料还存在水化速率慢，安定性较差等问题。

碱性固体废弃物在反应初期的溶解阶段，溶出离子速率决定矿化反应的速率。碱性固体废弃物加水后，开始溶解，形成碱性的溶液。在碱性体系中，碱性固体废弃物溶解相对缓慢，而且随着溶解和反应的进行，溶解度会越来越小。将反应体系中加入适量的酸，中和体系中的部分碱，降低液相的碱度，有利于冶金工业渣的溶解，提供比高碱性体系更多的水化反应物，增加了冶金工业渣的早期水化。

弱酸的加入明显提高废弃物中钙离子的溶出，当弱酸浓度提高后，Ca的最大浸出率也有所提高，这表明废渣物相中碱度较高的游离CaO和MgO在较短时间内浸出中和大量的弱酸，之后废渣物相中钙镁硅酸盐类与弱酸发生浸出反应。这表明可以通过弱酸的加入来提高废渣中钙、镁等离子的浸出率。

微生物矿化诱导技术是模仿了自然界中CO₂的矿物吸收过程，即CO₂与含有碱性或碱土金属氧化物的矿石反应，生成永久的、更为稳定的碳酸盐这样一系列过程。但在自然界中，矿石碳酸化过程是自然发生的，过程非常缓慢。为了加速这一过程，从自然界中提取出某种微生物，提供其充分适宜的生存、繁殖和活化反应条件，加速其的酶化作用，再人为得提高CO₂的浓度，其分泌的碳酸酐酶理论上可以加快水合反应速度约10⁷倍，显著提升CO₂的吸收效率和吸收速率，并且其分泌物也具有一定的胶凝性，从而达到微生物的高效固碳。

该技术一项利用废弃物、节约资源和能源的先进技术，是处理固体废弃物的有效方法，不仅可以解决工业生产产出固体废弃物的污染，也可在一定程度上缓解所引起的温室效应具有处理时间短，并且工艺简单，投资少，不会产生二次污染，具有较高的经济与社会效益。

发明内容

技术问题：本发明提供一种基于弱酸加速微生物矿化碱性废弃物制备建材制品的微生物方法，此方法具有成本低、效果显著、环境友好，不会产生二次污染的优点。

技术方案：本发明基于弱酸加速微生物矿化碱性废弃物制备建材制品的微生物方法，包括以下步骤：

1).将胶质芽孢杆菌接种至相应的培养基中培养，制备菌体浓度为10⁶～10⁷个/mL的浓缩菌液；

2).将固体废弃物倒入搅拌锅中，向搅拌锅内加入所述的浓缩菌液、弱酸溶液与水，继续搅拌至均匀，加入砂后继续搅拌均匀，将搅拌均匀浆体倒入模具中振捣成型；

3).成型后，将试件置于相对湿度为60％±3％，温度为20℃±2℃的环境中养护，1天后脱模，将脱模后试样放入养护装置中，在相对湿度为70％±3％，0.3MPa压力CO₂下养护4-6小时。

所述固体废弃物建材制品中固废、砂、2wt％弱酸溶液、菌液、水按质量比为1∶2～3∶0.2～0.3∶0.2～0.3∶0.1～0.2制备。

所述弱酸溶液为醋酸溶液。

所述胶质芽孢杆菌浓缩菌液与弱酸溶液添加入固体废弃物体系中，醋酸会加速该体系的水化与碳化速率，水化产物中有水化碳铝酸钙的生成，碳酸钙含量也有明显的提高，得到碳化后固体废弃物建材制品的强度与耐久性都有明显的提高。醋酸的加入加速了钢渣中离子的溶出速率，提高微生物矿化反应速率，同时弱酸的加入，降低了反应体系的碱性，提高了矿化微生物的反应活性，进一步提高了微生物矿化反应的速率。

醋酸的加入明显提高废弃物中钙离子的溶出，渣物相中碱度较高的游离CaO和MgO在较短时间内浸出中和大量的弱酸，之后废渣物相中钙镁硅酸盐类与醋酸发生浸出反应。在一定二氧化碳压力养护条件下，胶质芽孢杆菌吸收、转化CO₂为碳酸根，与固废与激发剂体系中的Ca²⁺成CaCO₃，固体废弃物建材制品的强度到明显的提升提高。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、醋酸的加入明显提高废弃物中钙离子的溶出，渣物相中碱度较高的游离CaO和MgO在较短时间内浸出中和大量的醋酸，之后废渣物相中钙镁硅酸盐类与醋酸发生浸出反应。在一定二氧化碳压力养护条件下，胶质芽孢杆菌吸收、转化CO₂为碳酸根，与固废与激发剂体系中的Ca²⁺生成CaCO₃，同时微生物矿化生成的CaCO₃在含有激发剂的体系中，能促进水化硅酸钙与水化碳铝酸钙的形成，固体废弃物建材制品的强度到明显的提升提高。

2、本发明采用的微生物方法，具有高效、简化养护条件，经济环保等特点，形成的矿物性质稳定、耐久性强，过程中产生的二氧化碳可有效捕获利用，减缓温室效应。

附图说明

图1是不同浓度弱酸对钢渣钙离子溶出率影响，

图2是不同浓度弱酸溶液对微生物矿化钢渣胶凝材料强度影响图，

图3是弱酸加速微生物矿化与微生物矿化钢渣胶凝材料TG对比图，

图4是弱酸加速微生物矿化与微生物矿化钢渣胶凝材料孔结构对比图，

图5是掺加2％醋酸微生物矿化微观形貌图，

图6是微生物矿化微观形貌图。

具体实施方式

本发明所采用的胶质芽孢杆菌均来源于中国工业微生物菌种保藏中心(保存号：CICC 23864)。

本发明基于基于弱酸加速微生物矿化碱性废弃物制备建材制品的微生物方法，方法步骤如下：

1).获取胶质芽孢杆菌浓缩菌液：将胶质芽孢杆菌接种于灭菌后的培养基溶液，每升培养基含有蛋白胨3～7g、牛肉浸取物4～6g，NaCl 6～7g、琼脂16～18g、MgSO₄0.3～0.7g，并控制pH为7～8，于32～38℃下振荡培养24h，得到含有胶质芽孢杆菌的菌液，在4℃下经6000～8000rpm高速离心10～15min后，除去上层培养基营养物质后加去离子水，浓缩菌液中所含菌体浓度为10⁶～10⁷个/mL。

2).将一定量固体废弃物倒入搅拌锅中，向搅拌锅内加入一定量的浓缩菌液、醋酸溶液与水，继续搅拌至均匀，加入砂后继续搅拌均匀，将浆体倒入模具中振捣成型；

3).成型后，将试件置于相对湿度(60％±3％)，温度(20±2)℃的环境中养护，1d后脱模，将脱模后试样放入养护装置中，在湿度(70％±3％)，一定CO₂压力下养护4h-6h。

4).所述固体废弃物建材制品中固废、砂、2％醋酸溶液、菌液、水按质量比为1∶2～3∶0.2～0.3∶0.2～0.3∶0.1～0.2制备。

5).对固体废弃物制品的各性能进行分析检测，结果表明，醋酸的加入明显提高废弃物中钙离子的溶出，当醋酸浓度提高后，Ca离子的最大浸出率也有所提高，渣物相中碱度较高的游离CaO和MgO在较短时间内浸出中和大量的弱酸，之后废渣物相中钙镁硅酸盐类与弱酸发生浸出反应。在一定二氧化碳压力养护条件下，胶质芽孢杆菌吸收、转化CO₂为碳酸根，与固废体系中的Ca²⁺形成CaCO₃固体，废弃物建材制品的强度到明显的提升提高。使用改技术制备的固体废弃物制品有较高强度，无泛碱开裂的现象出现，碳化后固体废弃物制品内部的碳酸钙含量增加，水化产物中有水化碳铝酸钙的生产，制品内部致密程度增加。

6).说明书的附图1、2、3、4分别为添加醋酸对微生物矿化胶凝材料钙离子溶出速率及强度的影响，采用醋酸加速微生物矿化诱导技术与未添加弱酸的微生物矿化技术制备钢渣制品形成的水化产物的TG、MIP、SEM图，由试验结果可以看出，采用本技术制备的固体废弃物制品，钙离子溶出速率明显提高，材料强度在一定醋酸浓度范围内有明显的提升，碳酸钙含量明显增加，制品内部的密实程度明显提高，此方法具有成本低、效果显著、环境友好，不会产生二次污染的优点。

实例1：

(1)获取胶质芽孢杆菌浓缩菌液：将胶质芽孢杆菌接种于灭菌后的培养基溶液，每升培养基含有蛋白胨7g、牛肉浸取物6g，NaCl 7g、琼脂18g、MgSO₄0.7g，并控制pH为7～8，于32℃下振荡培养24h，得到含有胶质芽孢杆菌的菌液，在4℃下经6000～8000rpm高速离心15min后，除去上层培养基营养物质后加去离子水，浓缩菌液中所含菌体浓度为10⁶～10⁷个/mL。

(2)将400g钢渣倒入搅拌锅中搅拌均匀后，向搅拌锅内加入100ml浓缩的菌液与50ml水、与100g的2％醋酸溶液，继续搅拌至均匀，加入砂后继续搅拌均匀，将浆体倒入模具中振捣成型。

表1.弱酸加速微生物矿化钢渣胶凝材料配比/g

钢渣	砂	水	2％醋酸	浓缩菌液
					400	1200	50	100	100

(3)成型后，将试件置于相对湿度(60％±3％)，温度(20±2)℃的环境中养护，1d后脱模，将脱模后试样放入养护装置中，在湿度(70％±3％)，CO₂压力为0.3MPa条件下养护4h。

(4)对钢渣砖各性能进行分析检测，结果表明，采用本技术制备的固体废弃物制品，钙离子溶出速率明显提高，材料强度在一定弱酸浓度范围内有明显的提升，碳酸钙含量明显增加，制品内部的密实程度明显提高，此方法具有成本低、效果显著、环境友好，不会产生二次污染的优点。使用微生物矿化诱导技术制备的钢渣砖有较高强度，无泛碱开裂的现象出现，各项性能均符合国家规定。

Claims (3)

1.一种使用弱酸加速微生物矿化碱性废弃物制备建材制品的方法，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相应的培养基中培养，制备菌体浓度为10⁶～10⁷个/mL的浓缩菌液；

2).将固体废弃物倒入搅拌锅中，向搅拌锅内加入所述的浓缩菌液、弱酸溶液与水，继续搅拌至均匀，加入砂后继续搅拌均匀，将搅拌均匀浆体倒入模具中振捣成型；

3).成型后，将试件置于相对湿度为60％±3％，温度为20℃±2℃的环境中养护，1天后脱模，将脱模后试样放入养护装置中，在相对湿度为70％±3％，CO₂压力下养护4-6小时。

2.根据权利要求1所述的基于微生物矿化诱导技术制备固体废弃物建材制品的方法，所述固体废弃物建材制品中固废、砂、2wt％弱酸溶液、菌液、水按质量比为1∶2～3∶0.2～0.3∶0.2～0.3∶0.1～0.2制备。

3.根据权利要求1或2所述的基于微生物矿化诱导技术制备固体废弃物建材制品的方法，所述弱酸溶液为醋酸溶液。