CN111139084A

CN111139084A - 一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法

Info

Publication number: CN111139084A
Application number: CN202010138543.5A
Authority: CN
Inventors: 詹其伟
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2020-03-03
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2040-03-03
Also published as: CN111139084B

Abstract

本发明公开了一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法，其步骤为：将海藻酸钠、磁性粒子、响应离子加入去离子水中，搅拌均匀缓慢滴加到氯化钙溶液中，喷雾干燥获得磁性多孔海藻酸钠凝胶；向巴氏芽孢杆菌培养液中加入芽孢高效转化剂，获得芽孢培养液；将巴氏芽孢杆菌芽孢培养液由下而上打入装填磁性多孔凝胶的玻璃管，并不断循环，待循环的芽孢培养液浓度稳定后即停止，通过冷冻干燥获得包裹芽孢的磁性多孔生物凝胶；将磁性多孔生物凝胶、尿素、钙源混匀固化滩涂淤泥，分析胶结强度。结果表明，该方法可用于海工环境软基强化，与传统方法相比，本发明公开的方法成本低、效果好、工艺便捷，且无二次污染。

Description

一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法

技术领域

本发明属于材料学、微生物学领域交叉的科学技术，涉及一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法。

背景技术

随着我国经济的长期快速发展，对土地资源的需求持续增长，特别是经济发达、人口密度大的东部沿海城市，土地资源稀缺已成为制约城市经济发展的瓶颈。我国海岸线长18000 km、沿海滩涂面积3.5×106 hm²，向大海要地、填海造陆再生土地是缓解沿海城市土地资源紧缺的有效手段，也是岛礁建设的重要措施，更是坚持陆海统筹、加快建设海洋强国的重要举措。将海底或港口附近海砂淤泥吹填到围垦区域的造陆成本远低于陆上动迁之法，是目前国内外最常用的填海造陆模式。但是，吹填的砂质淤泥存在高含水率、大孔隙比、低抗剪强度、高压缩性等问题，软基容易引发路基沉降和建筑物失稳等工程问题，难以直接利用，需要加固处理以满足基本的工程施工需求。

针对海工环境软基加固，国内外科研工作者开展了大量研究工作。目前，常用的软基加固方法有换填法、强夯法、排水固结法、电渗法、化学加固法等。换填法是将性质差的软基全部清除，采用碎石、灰土、干渣等性质较好的材料回填，通过机械碾压或重锤夯实，所形成地基的整体性好，造地和地基处理一次完成，减少地基的沉降量，但清淤压力大、成本高、环境影响大。强夯法夯击能量大、加固深度较深，是软弱地基加固的一种快速有效的方法，最适用于孔隙大而疏松的碎石土、砂土及建筑垃圾，但滩涂软基含水率高，强夯所施加的能量会被孔隙水吸收而减弱加固作用，效果较差。排水固结法是滩涂软基在附加荷载的作用下，逐渐排出孔隙水，使孔隙比减小，地基有效应力、抗剪强度等物理力学指标增加，工程性能改善，但同时存在真空传递效率低、排水板易淤堵、深层土体排水固结困难等诸多问题。电渗法是通过插入滩涂软基中的电极施加直流电使土体加速排水、固结，从而增强土体强度的一种地基处理方法，但存在电极材料易腐蚀、成本高等问题。化学加固法是在软弱地基中添加水泥、石灰、粉煤灰、水玻璃、硅粉、沥青、高分子化合物等化学固化剂，经过系列物理化学反应生产胶凝产物，固结松散介质颗粒、形成具有一定力学性能的整体，改善土体的工程性能，同时化学固化剂存在二次污染的环境问题，难以满足生态治理的需求。尽管上述方法可以加固软弱地基达到一定的工程设计要求，但存在诸多问题，难以大规模的推广应用。因此，亟需研发加固效果优越、工艺便捷、无二次污染且价格低廉的新材料和新技术。

发明内容

技术问题：本发明提供一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法，该方法成本低、效果好、工艺便捷，且无二次污染。

技术方案：本发明提供一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法，包括以下步骤：

（1）将海藻酸钠、磁性粒子、响应离子加入去离子水中，海藻酸钠与去离子水质量比为1:100~10:100，磁性粒子四氧化三铁与去离子水质量比为1:100~3:100，响应离子氯化钡与去离子水质量比为1:100~10:100，充分搅拌均匀制备含磁性粒子的海藻酸钠溶液；将含磁性粒子的海藻酸钠溶液缓慢滴加到氯化钙溶液中，氯化钙溶液溶度为1~5mol/L，反应温度为15~50℃，持续反应2~4小时，喷雾干燥获得磁性多孔海藻酸钠凝胶，喷雾干燥温度为100~150℃、速度为5~20mL/min、喷嘴直径1~5cm；

（2）将巴氏芽孢杆菌接种至培养基中，培养基为1000mL去离子水、蛋白胨5~10g、酵母1~3g、牛肉浸取物1~5g，NaCl 5~6g、MgSO₄ 0.4~0.5g，恒温振荡培养24~48小时，向培养液中加入芽孢高效转化剂氯化锰、添加量为1~5g/L，获得浓度为10⁷~10⁸个/mL芽孢培养液；

（3）将磁性多孔凝胶装填在塑料管中，塑料管的尺寸为φ5×20cm，两端采用橡皮塞封堵，通过蠕动泵将巴氏芽孢杆菌芽孢培养液由下而上打入装填磁性多孔凝胶的玻璃管，并不断循环，待循环的芽孢培养液浓度稳定后即停止，在温度为-10~-40℃冷冻干燥获得包裹芽孢的磁性多孔生物凝胶；

（4）磁性多孔生物凝胶与尿素质量比为1:1~1:5，钙源为浓度1~5mol/L氯化钙，将磁性多孔生物凝胶、尿素、钙源混匀，连续加压由上而下注入装填滩涂淤泥的圆柱形塑料管中，塑料管的尺寸为φ5×40cm，蠕动泵速度为1~10mL/min，在15~50℃温度下静置72~120小时，拆模烘干，分析胶结强度。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、与传统方法相比，通过海藻酸钠凝胶包裹微生物制备离子响应磁性载体，磁性粒子富集游离态钙离子、响应离子加速微生物释放，微生物诱导沉积具有胶结作用的矿化产物，实现软弱地基加固；

2、采用磁性多孔凝胶加固软基时，以磁性粒子为中心富集游离态钙离子，显著提高了矿物沉积效率，改善了胶结效果。

3、磁性多孔生物凝胶的多孔结构为微生物的包裹提供了空间，滩涂淤泥中硫酸根离子竞争沉积响应离子，破坏了磁性多孔生物凝胶，为微生物快速释放提供了通道，提升了加固效率。

附图说明

图1为胶结淤泥不同位置的强度示意图；

图2为胶结淤泥不同位置的矿物含量示意图。

具体实施方式

本发明提供一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法，方法步骤如下：

实例一：

（1）将海藻酸钠、磁性粒子、响应离子加入去离子水中，海藻酸钠与去离子水质量比为5:100，磁性粒子四氧化三铁与去离子水质量比为3:100，响应离子氯化钡与去离子水质量比为5:100，充分搅拌均匀制备含磁性粒子的海藻酸钠溶液；将含磁性粒子的海藻酸钠溶液缓慢滴加到氯化钙溶液中，氯化钙溶液溶度为2mol/L，反应温度为30℃，持续反应4小时，喷雾干燥获得磁性多孔海藻酸钠凝胶，喷雾干燥温度为120℃、速度为5mL/min、喷嘴直径1cm；

（2）将巴氏芽孢杆菌接种至培养基中，培养基为1000mL去离子水、蛋白胨5g、酵母1g、牛肉浸取物2g，NaCl 5g、MgSO₄ 0.4，恒温振荡培养48小时，向培养液中加入芽孢高效转化剂氯化锰、添加量为2g/L，获得浓度为1.0×10⁸个/mL芽孢培养液；

（3）将磁性多孔凝胶装填在塑料管中，塑料管的尺寸为φ5×20cm，两端采用橡皮塞封堵，通过蠕动泵将巴氏芽孢杆菌芽孢培养液由下而上打入装填磁性多孔凝胶的玻璃管，并不断循环，待循环的芽孢培养液浓度稳定后即停止，在温度为-40℃冷冻干燥获得包裹芽孢的磁性多孔生物凝胶；

（4）磁性多孔生物凝胶与尿素质量比为1:2，钙源为浓度5mol/L氯化钙，将磁性多孔生物凝胶、尿素、钙源混匀，连续加压由上而下注入装填滩涂淤泥的圆柱形塑料管中，塑料管的尺寸为φ5×40cm，蠕动泵速度为2mL/min，在30℃温度下静置120小时，拆模烘干，并由下到上均分四段，分别记为H-1、H-2、H-3、H-4，分析各段胶结强度。

实施例二：

与实施例一的区别在于步骤（1）中海藻酸钠与去离子水质量比为1:100，磁性粒子四氧化三铁与去离子水质量比为3:100，响应离子氯化钡与去离子水质量比为1:100，喷雾干燥温度为100℃；步骤（3）中冷冻干燥温度-10℃；步骤（4）中生物凝胶与尿素质量比为1：1。

实施例三：

与实施例一的区别在于步骤（1）海藻酸钠与去离子水质量比为10:100，磁性粒子四氧化三铁与去离子水质量比为1:100，响应离子氯化钡与去离子水质量比为10:100，喷雾干燥温度为150℃；步骤（3）中冷冻干燥温度-25℃；步骤（4）中生物凝胶与尿素质量比为1：5。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将海藻酸钠、磁性粒子、响应离子加入去离子水中，充分搅拌均匀制备含磁性粒子的海藻酸钠溶液；将含磁性粒子的海藻酸钠溶液缓慢加入到氯化钙溶液中，持续反应后，喷雾干燥获得磁性多孔海藻酸钠凝胶；

（2）将巴氏芽孢杆菌接种至培养基中，恒温振荡培养，向培养液中加入芽孢高效转化剂，获得芽孢培养液；

（3）将磁性多孔凝胶装填在密闭容器内，通过蠕动泵将巴氏芽孢杆菌芽孢培养液打入装填磁性多孔凝胶的容器内，并不断循环，待循环的芽孢培养液浓度稳定后即停止，通过冷冻干燥获得包裹芽孢的磁性多孔生物凝胶；

（4）将磁性多孔生物凝胶、尿素、钙源均匀混合。

2.根据权利要求1所述的一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法，其特征在于，所述海藻酸钠与去离子水质量比为1:100~10:100；所述磁性粒子为四氧化三铁，磁性粒子与去离子水质量比为1:100~3:100；所述响应离子为氯化钡，响应离子与去离子水质量比为1:100~10:100。

3.根据权利要求1所述的一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法，其特征在于，所述氯化钙溶液溶度为1~5mol/L。

4.根据权利要求1所述的一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法，其特征在于，所述海藻酸钠、氯化钙反应温度为15~50℃。

5.根据权利要求1所述的一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法，其特征在于，所述喷雾干燥温度为100~150℃。

6.根据权利要求1所述的一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法，其特征在于，所述巴氏芽孢杆菌培养基为1000mL去离子水、蛋白胨5~10g、酵母1~3g、牛肉浸取物1~5g，NaCl 5~6g、MgSO₄ 0.4~0.5g。

7.根据权利要求1所述的一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法，其特征在于，所述芽孢高效转化剂为氯化锰、添加量为1~5g/。

8.根据权利要求1所述的一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法，其特征在于，所述冷冻干燥温度为-10~-40℃。

9.根据权利要求1所述的一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法，其特征在于，所述磁性多孔生物凝胶与尿素质量比为1:1~1:5。

10.一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法，其特征在于，由上述权利要求1-9任一项所述的方法制备而成。