CN107382119A - 一种生物砂浆制备方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备砂浆的方法，包括如下步骤：S1：培养液的制备；S2：菌液的制备；S3：生物砂浆营养液配制；S4：生物砂浆制备，依次灌浆5‑9轮，每轮灌浆包括菌液注入和营养液注入两个过程，过程一和过程二重复5‑9次，完成5‑9轮灌浆，灌浆完成后拆除PVC盖子(4)、砂柱(5)和土工布(6)，得到生物砂浆。本发明还公开了一种生物砂浆制备装置，包括储液室，所述储液室通过管道连接有蠕动泵，所述蠕动泵通过管道连接有砂柱，所述砂柱的上下端均设有盖子，所述盖子与所述砂柱之间设有土工布。本制备方法通过改善营养液的成分组成，加入有机碳源，不仅能够提供微生物诱导碳酸钙沉淀需要的碳源，而且能够为生物生长提供能量。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，尤其涉及一种生物砂浆制备方法及其装置。
背景技术
现如今的砂浆制备主要依靠水泥水化反应产生强度，然而水泥水化反应会产生大量的温室气体，不利于环境保护。生物砂浆的制备，具体为利用微生物诱导碳酸钙沉淀，在满足强度要求的同时可以避免二氧化碳温室气体的产生，然而，现有制备生物砂浆的营养液成分主要是尿素和钙源的混合液，营养液成分单一，因此，提出一种新的生物砂浆制备方法显得尤为必要。
发明内容
本发明的制备方法，通过在营养液成分加入有机碳源，改善营养液的成分组成，不仅能够提供微生物诱导碳酸钙沉淀需要的碳源，而且能够为生物生长提供能量，提升砂浆制备效果。
本发明所采用的技术方案：
一种生物砂浆制备方法，包括如下步骤：
S1：培养液的制备：选取20±0.3g/L酵母菌提取物、10±0.2g/L硫酸铵、2±0.03g/L氢氧化钠混合得到培养液，并将培养液的pH值调节为9±0.1，对配好的营养液进行高温灭菌后再进行紫外灭菌；
S2：菌液的制备：将生物菌种通过平板激活后，向步骤S1所得的培养液接入菌种，接菌种完毕后置于水浴恒温振荡箱中振荡，设置温度27-30℃，转速160-180rpm，连续培养16-19个小时后，若出现白色浑浊，则接菌种培养成功；
S3：生物砂浆营养液配制：在去离子水中，加入尿素0.5±0.001mol/L、氯化钙0.5±0.001mol/L、氯化铵10±0.5g/L和营养肉汤3±0.3g/L，以及葡萄糖0.003±0.00001mol/L和碳酸氢铵0.05±0.001mol/L中的一种，得到生物砂浆营养液；
S4：生物砂浆制备：生物砂浆制备过程中，依次灌浆5-9轮，每轮灌浆包括菌液注入和营养液注入两个过程，每轮灌浆第一过程是菌液的注入，每个砂柱每轮灌浆注入50±3ml菌液和5±1ml 0.05mol/L的氯化钙溶液，50ml菌液和5ml 0.05mol/L的氯化钙溶液放在储液室中，通过管道和蠕动泵注入到砂柱空间中，蠕动泵控制注入速度在3±0.5ml/min，注入完毕，静置6-8小时后；
每轮灌浆第二过程是营养液的注入，将步骤S3所得的生物砂浆营养液以每个砂柱每次注入50±3ml的方式注入，具体为50±3ml营养液放在储液室中，通过管道和蠕动泵注入到砂柱空间中，蠕动泵控制注入速度在3±0.5ml/min，注入完毕，静置6-8小时后，重复进行9-12次完成一轮灌浆；
过程一和过程二重复5-9次，完成5-9轮灌浆，灌浆完成后拆除PVC盖子、砂柱和土工布，得到生物砂浆。
还包括步骤S5：生物砂浆测试：步骤S4得到的生物砂浆灌浆静置24±3h后，进行脱膜，脱模后进行物理力学性能测试。
所述步骤S1中，所述高温灭菌，控制温度在121±1℃，灭菌时长20±5min。
所述步骤S2中，将培养液置于锥形瓶进行接入菌种，接入菌种的次数为3-5次，培养液的容量为所述锥形瓶的容量的1/5-1/4。
所述生物菌种为巴氏芽孢八叠球菌。
一种生物砂浆制备装置，包括储液室，所述储液室通过管道连接有蠕动泵，所述蠕动泵通过管道连接有砂柱，所述砂柱的上下端均设有盖子，所述盖子与所述砂柱之间设有土工布。
优选的，所述砂柱为PVC砂柱。
优选的，所述盖子为PVC盖子。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明量化生物砂浆制备中每轮灌浆营养液的次数，以及循环灌浆的次数；优化营养液成分，在氯化钙和尿素的基础上补充葡萄糖、氯化铵、营养肉汤组成复合营养液成分，增强生物固化的效果，提高生物固化效率。
附图说明
图1为本发明一种生物砂浆制备装置的结构示意图；
图2为本发明固化后砂柱的SEM图像；
图3为本发明固化后的砂柱表观图；
图4为本发明固化产生碳酸钙晶体类型图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
如图1所述，一种生物砂浆制备装置制备砂浆的方法，包括如下步骤：
S1：培养液的制备：选取20g/L酵母菌提取物、10g/L硫酸铵、2g/L氢氧化钠混合得到培养液，并将培养液的pH值调节为9，对配好的营养液进行高温灭菌后再进行紫外灭菌；
S2：菌液的制备：将生物菌种通过平板激活后，向步骤S1所得的培养液接入菌种，接菌种完毕后置于水浴恒温振荡箱中振荡，设置温度27℃，转速160rpm，连续培养16个小时后，若出现白色浑浊，则接菌种培养成功；
S3：生物砂浆营养液配制：在去离子水中，加入尿素0.5mol/L、氯化钙0.5mol/L、氯化铵10g/L和营养肉汤3g/L，以及葡萄糖0.003mol/L，得到生物砂浆营养液；
S4：生物砂浆制备：生物砂浆制备过程中，依次灌浆5轮，每轮灌浆包括菌液注入和营养液注入两个过程，每轮灌浆第一过程是菌液的注入，每个砂柱(5)每轮灌浆注入50ml菌液和5ml 0.05mol/L的氯化钙溶液，50ml菌液和5ml0.05mol/L的氯化钙溶液放在储液室(1)中，通过管道(2)和蠕动泵(3)注入到砂柱(5)空间中，蠕动泵(3)控制注入速度在3ml/min，注入完毕，静置6小时后；
每轮灌浆第二过程是营养液的注入，将步骤S3所得的生物砂浆营养液以每个砂柱(5)每次注入50ml的方式注入，具体为50ml营养液放在储液室(1)中，通过管道(2)和蠕动泵(3)注入到砂柱(5)空间中，蠕动泵(3)控制注入速度在3ml/min，注入完毕，静置6小时后，重复进行9次完成一轮灌浆。
过程一和过程二重复5次，完成5轮灌浆，灌浆完成后拆除PVC盖子(4)、砂柱(5)和土工布(6)，得到生物砂浆。
还包括步骤S5：生物砂浆测试：步骤S4得到的生物砂浆灌浆静置24h后，进行脱膜，脱模后进行物理力学性能测试。
需要说明书的是，所述步骤S1中，所述高温灭菌，控制温度在121℃，灭菌时长20min；所述步骤S2中，将培养液置于锥形瓶进行接入菌种，接入菌种的次数为3次，培养液的容量为所述锥形瓶的容量的1/5；所述生物菌种为巴氏芽孢八叠球菌。
如图1所示，一种生物砂浆制备装置，包括储液室(1)，所述储液室(1)通过管道(2)连接有蠕动泵(3)，所述蠕动泵(3)通过管道(2)连接有砂柱(5)，所述砂柱(5)的上下端均设有盖子(4)，所述盖子(4)与所述砂柱(5)之间设有土工布(6)。所述砂柱(5)为PVC砂柱，所述盖子(4)为PVC盖子。本发明的装置在具体使用时，将液体注入储液室(1)，蠕动泵(3)控制液体的流入砂柱(5)。需要说明的是，盖子(4)和砂柱(5)组成一个圆柱体的空间，使松散砂子能够形成圆柱体，为后续灌浆和测试做准备。所述盖子(4)与所述砂柱(5)之间设有土工布(6)，防止砂子中颗粒比较小的砂子在灌浆过程中被冲走。向所述盖子(4)与所述砂柱(5)组成的圆柱空间里分层装入砂样，分层捣实，最终砂子填满砂柱(5)的整个圆柱空间。
实施例二
如图1所述，一种生物砂浆制备装置制备砂浆的方法，包括如下步骤：
S1：培养液的制备：选取20.3g/L酵母菌提取物、10.2g/L硫酸铵、2.03g/L氢氧化钠混合得到培养液，并将培养液的pH值调节为9.1，对配好的营养液进行高温灭菌后再进行紫外灭菌；
S2：菌液的制备：将生物菌种通过平板激活后，向步骤S1所得的培养液接入菌种，接菌种完毕后置于水浴恒温振荡箱中振荡，设置温度30℃，转速160-180rpm，连续培养16-19个小时后，若出现白色浑浊，则接菌种培养成功；
S3：生物砂浆营养液配制：在去离子水中，加入尿素0.501mol/L、氯化钙0.501mol/L、氯化铵10.5g/L和营养肉汤3.3g/L，以及碳酸氢铵0.051mol/L，得到生物砂浆营养液；
S4：生物砂浆制备：生物砂浆制备过程中，依次灌浆9轮，每轮灌浆包括菌液注入和营养液注入两个过程，每轮灌浆第一过程是菌液的注入，每个砂柱(5)每轮灌浆注入53ml菌液和6ml 0.05mol/L的氯化钙溶液，53ml菌液和6ml0.05mol/L的氯化钙溶液放在储液室(1)中，通过管道(2)和蠕动泵(3)注入到砂柱(5)空间中，蠕动泵(3)控制注入速度在3.5ml/min，注入完毕，静置8小时后；
每轮灌浆第二过程是营养液的注入，将步骤S3所得的生物砂浆营养液以每个砂柱(5)每次注入53ml的方式注入，具体为53ml营养液放在储液室(1)中，通过管道(2)和蠕动泵(3)注入到砂柱(5)空间中，蠕动泵(3)控制注入速度在3.5ml/min，注入完毕，静置8小时后，重复进行12次完成一轮灌浆。
过程一和过程二重复9次，完成9轮灌浆，灌浆完成后拆除PVC盖子(4)、砂柱(5)和土工布(6)，得到生物砂浆。
还包括步骤S5：生物砂浆测试：步骤S4得到的生物砂浆灌浆静置24h后，进行脱膜，脱模后进行物理力学性能测试。
需要说明书的是，所述步骤S1中，所述高温灭菌，控制温度在122℃，灭菌时长25min；所述步骤S2中，将培养液置于锥形瓶进行接入菌种，接入菌种的次数为5次，培养液的容量为所述锥形瓶的容量的1/4；所述生物菌种为巴氏芽孢八叠球菌。
实施例三
S1：培养液的制备和S2：菌液的制备：
微生物采用巴氏芽孢八叠球菌(Sporosarcina pasteurii)购于荷兰DSM公司，编号DSM33，该菌呈球状或卵圆形，有少数鞭毛运动，革兰氏阳性，为化能异养菌。
生物菌种购买的是干冻粉，通过平板激活后，再进行扩大培养。扩大培养的培养液成份：20g/L酵母菌提取物，10g/L硫酸铵，2g/L氢氧化钠(调节pH＝9)。配好的营养液放入高温灭菌锅中进行灭菌，控制温度在121℃，灭菌时长20min。灭菌后将锥形瓶置于超净工作台内再进行紫外灭菌，灭菌后用消毒的接种棒平板上进行接种，一个锥形瓶接种的次数大概为3-5次，锥形瓶的内培养液的容量大概为其最大容量的1/5。上述操作均要在酒精灯附近进行，以保证在接种的过程中无杂菌干扰。接种完毕后，将锥形瓶置于水浴恒温振荡箱中振荡，设置温度27-30℃，转速160-180rpm，连续培养16-19个小时，取出锥形瓶，若出现白色浑浊，则培养成功。
S3：生物砂浆营养液配制：生物砂浆营养液配置所用的水是去离子水，避免其他离子对生物砂浆制备的影响。营养液的成份组成：尿素0.5mol/L、氯化钙0.5mol/L、葡萄糖0.003mol/L、氯化铵10g/L、营养肉汤3g/L。
营养液各成分作用如下：
尿素：通过微生物自身代谢的脲酶分解尿素，产生碳酸根离子和铵根离子；
氯化钙：提供钙离子，使钙离子和碳酸根离子结合形成碳酸钙沉淀；
葡萄糖：为微生物提供生长繁殖所需碳元素的营养物质；
氯化铵：调节营养液PH，使营养液偏碱性，利于微生物诱导碳酸钙沉淀的产生。
营养肉汤：为微生物生长提供能量供应
S4：生物砂浆制备：生物砂浆制备中，灌浆5轮，每轮灌浆包括菌液注入和营养液注入两个过程。
结合图1，每轮灌浆第一过程是菌液的注入，每个砂柱每轮灌浆注入50ml菌液和5ml 0.05mol/L的氯化钙溶液，50ml菌液和5ml 0.05mol/L的氯化钙溶液放在储液室(1)中，通过管道(2)和蠕动泵(3)注入到砂柱(5)空间中，蠕动泵(3)控制注入速度在3ml/min，注入完毕，静置6-8小时后；
每轮灌浆第二过程是营养液的注入。根据营养液成分组成，进行营养液注入，营养液每个砂样每次注入50ml，50ml营养液放在储液室(1)中，通过管道(2)和蠕动泵(3)注入到砂柱(5)空间中，蠕动泵(3)控制注入速度在3ml/min，注入完毕，静置6-8小时后，重复进行9次完成一轮灌浆。
过程一和过程二重复5次，完成5轮灌浆，灌浆完成后拆除PVC盖子(4)、砂柱(5)和土工布(6)，为后续测试做准备。
步骤S5：生物砂浆测试：生物砂浆灌浆结束后，静置24h后，进行脱膜。脱模后进行物理力学性能测试。根据上述生物砂浆制备方法，获得的砂柱强度达到2.32MPa，砂柱渗透系数为1.93*10-5m/s，砂柱碳酸钙含量达到12.32％，干密度1.97g/cm3,吸水率14.42％。如图2，固化后的砂柱表观图可以看出，生物固化均匀，生成足量碳酸钙，表面光滑。生成的碳酸钙为方解石，晶体类型相对比较稳定，如图3固化产生碳酸钙晶体所示。碳酸钙沉淀几乎完全填充砂柱中砂子之间的孔隙，如图4固化后砂柱SEM图像所示。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种生物砂浆制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：培养液的制备：选取20±0.3g/L酵母菌提取物、10±0.2g/L硫酸铵、2±0.03g/L氢氧化钠混合得到培养液，并将培养液的pH值调节为9±0.1，对配好的营养液进行高温灭菌后再进行紫外灭菌；
S2：菌液的制备：将生物菌种通过平板激活后，向步骤S1所得的培养液接入菌种，接菌种完毕后置于水浴恒温振荡箱中振荡，设置温度27-30℃，转速160-180rpm，连续培养16-19个小时后，若出现白色浑浊，则接菌种培养成功；
S3：生物砂浆营养液配制：在去离子水中，加入尿素0.5±0.001mol/L、氯化钙0.5±0.001mol/L、氯化铵10±0.5g/L和营养肉汤3±0.3g/L，以及葡萄糖0.003±0.00001mol/L和碳酸氢铵0.05±0.001mol/L中的一种，得到生物砂浆营养液；
S4：生物砂浆制备：生物砂浆制备过程中，依次灌浆5-9轮，每轮灌浆包括菌液注入和营养液注入两个过程，每轮灌浆第一过程是菌液的注入，每个砂柱每轮灌浆注入50±3ml菌液和5±1ml 0.05mol/L的氯化钙溶液，50±3ml菌液和5±1ml 0.05mol/L的氯化钙溶液放在储液室中，通过管道和蠕动泵注入到砂柱空间中，蠕动泵控制注入速度在3±0.5ml/min，注入完毕，静置6-8小时后；
每轮灌浆第二过程是营养液的注入，将步骤S3所得的生物砂浆营养液以每个砂柱每次注入50±3ml的方式注入，具体为50±3ml营养液放在储液室中，通过管道和蠕动泵注入到砂柱空间中，蠕动泵控制注入速度在3±0.5ml/min，注入完毕，静置6-8小时后，重复进行9-12次完成一轮灌浆。
过程一和过程二重复5-9次，完成5-9轮灌浆，灌浆完成后拆除PVC盖子、砂柱和土工布，得到生物砂浆。
2.根据权利要求1所述的一种生物砂浆制备方法，其特征在于：还包括步骤S5：
生物砂浆测试：步骤S4得到的生物砂浆灌浆静置24±3h后，进行脱膜，脱模后进行物理力学性能测试。
3.根据权利要求1所述的一种生物砂浆制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述高温灭菌，控制温度在121±1℃，灭菌时长20±5min。
4.根据权利要求1所述的一种生物砂浆制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，将培养液置于锥形瓶进行接入菌种，接入菌种的次数为3-5次，培养液的容量为所述锥形瓶的容量的1/5-1/4。
5.根据权利要求1所述的一种生物砂浆制备方法，其特征在于：所述生物菌种为巴氏芽孢八叠球菌。
6.一种生物砂浆制备装置，其特征在于：所述制备装置采用所述1-5所述的制备方法，包括储液室，所述储液室通过管道连接有蠕动泵，所述蠕动泵通过管道连接有砂柱，所述砂柱的上下端均设有盖子，所述盖子与所述砂柱之间设有土工布。
7.根据权利要求6所述的一种生物砂浆制备装置，其特征在于：所述砂柱为PVC砂柱。
8.根据权利要求6所述的一种生物砂浆制备装置，其特征在于：所述盖子为PVC盖子。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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