CN111847915A - 一种使用微生物激发钢渣活性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用微生物激发钢渣活性的方法，包括以下步骤：1）将微生物接种至相应的培养基中培养，制备菌体浓度为108~109cells/ml的浓缩菌液；2）将钢渣粉倒入搅拌锅中，并加入所述的浓缩菌液与水搅拌均匀，再加入砂搅拌至均匀后倒入模具中振捣成型或压制成型；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，之后在相对湿度95%以上，温度为20℃±2℃的环境中养护2d后，再将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。该方法可以显著提高钢渣的反应活性，促进钢渣碳化过程中矿物相离子溶出和稳定的碳酸盐矿物生成，提高钢渣胶凝材料制品强度和稳定性，具有高效、工艺简单、经济环保等特点。
Description
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，涉及一种使用微生物激发钢渣活性的方法。
背景技术
钢渣是钢铁生产过程中由造渣材料、冶炼反应物、侵蚀脱落的炉体和补炉材料、金属炉料带入的杂质所组成的固体渣体，是生产钢铁过程的副产品。在生产中，每生产1 t钢铁，就有15％~20％的钢渣产生。中国作为世界钢铁生产大国，钢渣排放量大却利用率低。全国炼钢厂堆积的钢渣总量超过3亿吨，占地1万多亩，而且每年仍以3000多万吨的数量增长。这些钢渣目前未能得到很好利用，占用了越来越多土地，污染环境，造成资源浪费。因此，钢铁企业废渣的处理和资源化利用问题也越来越受到重视。一直以来，建筑材料是资源化利用固体废弃物的最广泛、有效途径之一。
钢渣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，但存在水化速率慢，安定性较差等问题。钢渣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。钢渣加水溶解后，会形成碱性的溶液。在碱性体系中，钢渣物相溶解相对缓慢，且随着溶解和反应的进行，溶解度会越来越小。通过微生物激发作用可以促进钢渣物相离子溶出，降低液相的碱度，有利于钢渣中硅酸盐相和游离氧化物的溶解，提供比高碱性体系更多的水化反应物， 增加了钢渣的早期水化。
通常情况下钢渣的碳酸化反应程度较低，而且条件苛刻、过程较缓慢。为了加速这一过程，从自然界中提取特殊微生物，提供其充分适宜的生存、繁殖和活化反应条件，通过其酶化和底物分解作用，提高钢渣物相碳酸化反应过程的离子溶出速率，促进与碳酸根离子结合形成更多的稳定碳酸盐和活性物质。一种激发钢渣活性的微生物技术是一项利用废弃物、节约资源和能源的先进技术，是激发钢渣活性制备胶凝材料的有效方法，不仅可以解决钢铁冶炼产生的大量钢渣消纳问题，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，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：一种使用微生物激发钢渣活性的方法，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：本发明基于一种使用微生物激发钢渣活性的方法，包括以下步骤：
1）将微生物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）将钢渣粉倒入搅拌锅中，并加入所述的浓缩菌液与水搅拌均匀，再加入砂搅拌至均匀后倒入模具中振捣成型或压制成型；
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，之后在相对湿度95%以上，温度为20℃±2℃的环境中养护2d后，再将试样放入养护装置中，在相对湿度为70%±3%，0.1-0.5MPa CO2压力下养护4-6小时。
所述钢渣胶凝材料制品中钢渣粉、菌液、水、砂按质量比为1：0.05~0.25：0.1~0.4：1~3 制备。
所述浓缩菌液由包括芽孢杆菌、酵母菌、产酸菌等至少一种培养制备而成。
所述菌液加入钢渣中，会加速该体系的水化与矿化速率，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，得到碳化后钢渣胶凝材料建材制品的强度与耐久性都有明显的提高。该方法利用微生物加速了钢渣中物相离子的溶出速率，提高碳化和矿化反应速率，降低了反应体系的碱性，充分发挥微生物活性激发作用，进一步提高了微生物矿化反应的速率。从而提高钢渣中物相的钙离子溶出，并使钢渣中碱度较高的游离 CaO、MgO 相能在较短时间内浸出。在一定二氧化碳压力养护条件下，可提高CO2转化为CO3 2-的效率，与微生物-钢渣胶凝材料体系中的溶出的Ca2+生成CaCO3，使强度得到明显提升。
本发明的有益效果为：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、微生物加入明显提高钢渣中钙离子的溶出，使物相中碱度较高的游离 CaO和MgO 相能在较短时间内浸出，提高钢渣中钙镁硅酸盐类物相发生浸出反应。在一定二氧化碳压力养护条件下，微生物可促进CO2转化为碳酸根，与体系中浸出的Ca2+生成CaCO3，钢渣胶凝材料建材制品的强度得到明显提升。
本发明采用的微生物技术方法，具有高效、养护方法简单和经济环保等特点，形成的矿物相稳定、制备的钢渣胶凝材料制品耐久性强，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是不同掺量微生物对钢渣钙离子溶出率影响。
图2是不同掺量微生物对钢渣胶凝材料强度影响图。
图3钢渣和微生物激发钢渣胶凝材料碳化养护后TG图。
图4胶凝材料试样SEM图: (a) 钢渣试样；（b）微生物激发钢渣试样。
图5利用该方法制备的微生物激发钢渣砖制品外观图。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本发明的实施例做详细的说明。
本发明所采用的芽孢杆菌均来源于中国工业微生物菌种保藏中心。
本发明一种激发钢渣活性的微生物技术，方法步骤如下：
1）获取芽孢杆菌浓缩菌液：将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、MgSO4 0.3~0.7g，并控制pH为7~8，于32~38℃下振荡培养24h，得到含有芽孢杆菌的菌液，在4℃下经6000~8000 rpm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108~109cells/mL。
2）将钢渣粉倒入搅拌锅中，加入所述的浓缩菌液与水搅拌均匀，再加入砂搅拌至均匀后，倒入模具中振捣成型或压制成型；
3）成型后，将试件置于相对湿度(60%±3%)，温度为20℃±2℃的环境中养护1天后脱模，之后在相对湿度95%以上，温度为20℃±2℃的环境中养护2d后，再将试样放入养护装置中，在湿度(70%±3%)，0.1-0.5MPa CO2压力下养护4h~6h。
4）所述钢渣胶凝材料制品中钢渣粉、菌液、水、砂按质量比为1：0.05~0.25：0.1~0.4：1~3制备。
5）对钢渣胶凝材料制品的各性能进行分析检测，结果表明，微生物加入明显提高钢渣中物相的钙离子溶出，当微生物掺量提高后，Ca2+的最大浸出率也有所提高，使钢渣物相中碱度较高的游离 CaO和 MgO 相能在较短时间内浸出，促进钢渣中钙镁硅酸盐类物相发生浸出反应。在一定二氧化碳压力养护条件下，微生物可促进CO2转化为碳酸根，与体系中浸出的Ca2+生成CaCO3，钢渣胶凝材料建材制品的强度得到明显提升。此外，使用该技术制备的固体废弃物制品有较高强度，体积稳定和无泛碱现象，微生物激发促进了钙离子转化，使碳化后碳酸钙含量增加，胶凝材料制品内部致密度提高。
6）说明书的附图1、2、3和4分别为添加微生物对钢渣胶凝材料钙离子溶出率及强度的影响，以及钢渣、微生物激发钢渣胶凝材料产物的SEM图和利用该方法制备的微生物激发钢渣材料砖制品。由试验结果可以看出，采用微生物激发的钢渣，其离子溶出率增加，物相转化率明显提高，钢渣胶凝材料强度在一定微生物浓度范围内有明显的提升，产物中碳酸钙含量明显增加，制品内部密实明显改善，钢渣胶凝材料强度在一定微生物浓度范围内有明显的提升。且利用该方法制备的钢渣胶凝材料制品性能优良，应用效果好。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：
选取其中的一个配合比，制备钢渣砂浆制品，其步骤和产品效果如下：
（1）获取芽孢杆菌浓缩菌液：将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、MgSO4 0.7g，并控制pH为7~8，于32℃下振荡培养24h，得到含有芽孢杆菌的菌液，在4℃下经6000~8000 rpm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108~109cells/mL。
（2）钢渣胶凝材料制品按钢渣粉、菌液、水、砂按质量比为1: 0.10: 0.3: 3制备。即将450g钢渣粉倒入搅拌锅中加入浓缩的菌液45g与水135g搅拌均匀，再加入1350g砂搅拌至均匀后，倒入模具中振捣成型或压制成型；
表1.微生物激发钢渣胶凝材料配比/g
| 钢渣 | 浓缩菌液 | 水 | 砂 |
| 450 | 45 | 135 | 1350 |
（3）成型后，将试件置于相对湿度(60%±3%)，温度为20℃±2℃的环境中养护1天后脱模，之后在相对湿度95%以上，温度为20℃±2℃的环境中养护2d后，将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）对钢渣各性能进行分析检测，用本技术制备的钢渣胶凝材料制品强度可达45.0MPa，相比于未掺微生物的钢渣强度提高了50%，且钙离子溶出速率明显提高，碳酸钙含量明显更高，胶凝材料制品内部的密实程度也更高。本方法成本低、效果显著、环境友好，不会产生二次污染的优点。
此外，采用该方法制备的微生物激发钢渣砖制品制品，如图5所示，在实际道路铺装工程应用中无泛碱开裂的现象，各项性能均符合国家规定。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征等同替换所组成的技术方案。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。
Claims (4)
1.一种使用微生物激发钢渣活性的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1）将微生物接种至相应的培养基中培养，制备菌体浓度为108~109cells/mL的浓缩菌液；
2）将钢渣粉倒入搅拌锅中，并加入所述的浓缩菌液与水搅拌均匀，再加入砂搅拌至均匀后倒入模具中振捣成型或压制成型；
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，之后在相对湿度95%以上，温度为20℃±2℃的环境中养护2d后，再将试样放入养护装置中，在相对湿度为70%±3%，0.1-0.5MPa CO2压力下养护4-6小时。
2.根据权利要求1所述的使用微生物激发钢渣活性的方法，其特征在于，所述钢渣粉、菌液、水、砂按质量比为1：0.05~0.25：0.1~0.4：1~3。
3.根据权利要求1所述的使用微生物激发钢渣活性的方法，其特征在于，在所述的步骤2）中，搅拌均匀的浆体成型方式可根据制品要求选择振捣成型或压制成型并调节相应加水量，压制成型压力范围为2~15MPa。
4.根据权利要求3所述的使用微生物激发钢渣活性的方法，其特征在于，所述浓缩菌液由包括芽孢杆菌、酵母菌、产酸菌等至少一种培养制备而成。
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2020
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