CN111922074A - 氧化石墨烯在微生物诱导碳酸钙沉淀中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了氧化石墨烯在微生物诱导碳酸钙沉淀中的应用、组合物及其使用方法，涉及微生物诱导碳酸钙土壤改良技术领域。本发明所述氧化石墨烯能够使得微生物诱导碳酸钙中碳酸钙晶体的快速生长、增加碳酸钙的产量、改变碳酸钙晶体的大小，有利于土壤的固结，从而提高土壤的抗压强度。

Description

氧化石墨烯在微生物诱导碳酸钙沉淀中的应用

技术领域

本发明涉及氧化石墨烯在微生物诱导碳酸钙沉淀中的应用。

背景技术

微生物诱导碳酸钙固结土壤是土壤改良领域的主要发展趋势，其优点在于微生物诱导碳酸钙沉淀固结土壤作用机理是：微生物分解的脲酶可以水解溶液中的尿素产生碳酸根离子，碳酸根离子和溶液中的钙离子反应产生碳酸钙，碳酸钙以细菌作为核点将土壤固结在一起，提高了土壤的强度，对环境无危害，是一种绿色环保的新型材料，是土壤改良领域的主要发展趋势。

但是，现有的微生物诱导碳酸钙沉淀固结土壤在使用中，由于尿素不能充分水解导致钙离子无法完全消耗，造成了资源的浪费。由于钙离子的不充分反应导致了碳酸钙产量的降低。由于土壤的抗压强度和碳酸钙的产量成正比例关系，因此土壤无法达到期望的强度。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供了如下技术方案：

本发明提供了氧化石墨烯在提高土壤固结强度中的应用。

本发明还提供了一种用于提高土壤固结强度的组合物，包括以下原料：

产脲酶微生物溶液、氧化石墨烯溶液和胶结液；所述产脲酶微生物溶液中产脲酶微生物的有效活菌数为1×10⁷～9×10⁷cfu/mL；所述氧化石墨烯溶液的浓度为5～20mg/L；所述胶结液的浓度为0.3～0.5mol/L；所述产脲酶微生物溶液、氧化石墨烯溶液和胶结液的体积比为(55～65):(2～8):(220～260)。

优选的，所述产脲酶微生物包括巴氏芽孢杆菌。

优选的，所述胶结液由尿素溶液和钙盐溶液混合得到。

优选的，所述尿素溶液和钙盐溶液的摩尔浓度独立的为0.3～0.5mol/L。

优选的，所述尿素溶液和钙盐溶液的体积比为(100～140):(100～140)。

优选的，所述钙盐溶液中的钙盐包括氯化钙、醋酸钙、硝酸钙和乳酸钙中的一种或几种。

本发明还提供了上述技术方案所述组合物的使用方法，包括：将所述产脲酶微生物溶液、氧化石墨烯溶液、胶结液与砂混合后进行土壤固结反应，实现提高土壤团结强度。

优选的，所述砂的质量与产脲酶微生物溶液的体积比为(250～350)mg:(50～70)mL。

优选的，所述砂的质量与产脲酶微生物溶液的体积比为300mg:60mL。

本发明提供了氧化石墨烯在提高土壤固结强度中的应用、用于提高土壤固结强度的组合物及其使用方法。在本发明微生物诱导碳酸钙中加入氧化石墨烯，氧化石墨烯中的羧基可以吸附钙离子，导致氧化石墨烯被钙离子包裹，然后带正电的钙离子吸附产脲酶微生物，使得产脲酶微生物可以被固定；加入的氧化石墨烯提高钙离子的反应速率，增加碳酸钙的产量；加入的氧化石墨烯在不改变碳酸钙形态的前提下，可以改变碳酸钙晶体的大小，有利于土壤的固结，从而提高土壤的抗压强度。

附图说明

图1为CaCO₃晶体生长过程的扫描电镜图像和能谱图，其中，(a)为在氧化石墨烯存在时CaCO₃晶体生长过程的扫描电镜图像；(b)为氧化石墨烯对碳酸钙晶体生长影响的能谱图；其中，(b)记录了(a)标记区域A和B的C、O和Ca原子比；图2为氧化石墨烯对Ca²⁺浓度和CaCO₃沉淀的总质量影响结果图，其中，(A)为不同氧化石墨烯浓度下的Ca²⁺浓度；(B)为不同细菌浓度(OD₆₀₀)下，氧化石墨烯(10mg/L)存在时和氧化石墨烯不存在时的Ca²⁺浓度；(C)为不同氧化石墨烯浓度下CaCO₃沉淀的总质量；(D)为不同细菌浓度(OD₆₀₀)下，氧化石墨烯(10mg/L)存在和氧化石墨烯不存在时的CaCO₃总质量沉淀；

图3为CaCO₃晶体XRD衍射图谱，其中，(a)为不添加氧化石墨烯CaCO₃晶体XRD衍射图谱(OD₆₀₀＝0.25)，(b)为添加氧化石墨烯(10mg/L)CaCO₃晶体XRD衍射图谱(OD₆₀₀＝0.25)；

图4为不同细菌浓度下不加氧化石墨烯，D₆₀₀＝0.25(a)，D₆₀₀＝0.50(b)，D₆₀₀＝0.75(c)，D₆₀₀＝1.0(d)和加氧化石墨烯D₆₀₀＝0.25(a1)，D₆₀0＝0.50(b1)，D₆₀₀＝0.75(c1)，D₆₀₀＝1.0(d1)时CaCO₃晶体的扫描电镜图像；

图5为细菌(OD₆₀₀＝1.0)在5mg/L(a)、10mg/L(b)、15mg/L(c)和20mg/L(d)氧化石墨烯浓度下催化的CaCO₃晶体的扫描电镜图像；

图6为不同氧化石墨烯浓度下固结砂样品图；

图7为不同氧化石墨烯浓度下固结砂的无侧限抗压强度结果图。

具体实施方式

本发明提供了氧化石墨烯在提高土壤固结强度中的应用。本发明对所述氧化石墨烯的来源没有特殊限定，采用常规市售产品即可。在本发明中，在微生物诱导碳酸钙中加入氧化石墨烯，氧化石墨烯中的羧基可以吸附钙离子，导致氧化石墨烯被钙离子包裹，然后带正电的钙离子吸附产脲酶微生物，使得产脲酶微生物可以被固定；加入的氧化石墨烯提高钙离子的反应速率，增加碳酸钙的产量；加入的氧化石墨烯在不改变碳酸钙形态的前提下，可以改变碳酸钙晶体的大小，有利于土壤的固结，从而提高土壤的抗压强度。本发明对所述土壤的种类没有特殊限定，优选砂卵石地层土壤。

本发明提供了一种用于提高土壤固结强度的组合物，包括以下原料：

产脲酶微生物溶液、氧化石墨烯溶液和胶结液；所述产脲酶微生物溶液中产脲酶微生物的有效活菌数为1×10⁷～9×10⁷cfu/mL；所述氧化石墨烯溶液的浓度为5～20mg/L；所述胶结液的浓度为0.3～0.5mol/L；所述产脲酶微生物溶液、氧化石墨烯溶液和胶结液的体积比为(55～65):(2～8):(220～260)。

本发明对所述产脲酶微生物的种类没有特殊限定，优选巴氏芽孢杆菌，更优选巴氏芽孢杆菌ATCC11859，所述巴氏芽孢杆菌ATCC11859采用常规市售产品即可。在本发明中，所述产脲酶微生物溶液中产脲酶微生物的有效活菌数为1×10⁷～9×10⁷cfu/ml，优选为3.34×10⁷～5.804×10⁷cfu/ml。在本发明中，产脲酶微生物分解的脲酶可以水解胶结液中的尿素产生碳酸根离子，碳酸根离子和胶结液中的钙离子反应产生碳酸钙，碳酸钙以细菌作为核点将土壤固结在一起。

在本发明中，所述氧化石墨烯溶液的浓度为5～20mg/L，优选10～15mg/L。在本发明中，所述氧化石墨烯中的羧基可以吸附钙离子，导致氧化石墨烯被钙离子包裹，然后带正电的钙离子吸附产脲酶微生物，使得产脲酶微生物被固定，提高钙离子的反应速率，增加碳酸钙的产量，导致了碳酸钙晶体的快速生长和较大尺寸，显著提高土壤的抗压强度。

在本发明中，所述胶结液优选由尿素溶液和钙盐溶液混合得到，所述钙盐的种类优选包括氯化钙、醋酸钙、硝酸钙和乳酸钙中的一种或几种。在本发明中，所述胶结液为产脲酶微生物诱导碳酸钙固结土壤提供了碳酸根和钙离子。

在本发明中，所述尿素溶液和钙盐溶液的摩尔浓度独立的优选为0.3～0.5mol/L。所述尿素溶液和钙盐溶液的体积比优选为(100～140):(100～140)。本发明对所述尿素和钙盐的来源没有特殊限定，采用常规市售产品即可。

本发明还提供了上述技术方案所述组合物的使用方法，包括：将所述产脲酶微生物溶液、氧化石墨烯溶液、胶结液，与砂混合后进行土壤固结反应，实现提高土壤团结强度。

在本发明中，所述砂的质量与产脲酶微生物溶液的体积比优选为(250～350)mg:(50～70)mL，更优选为300mg:60mL。

在本发明中，所述土壤固结的模具优选全接触柔性模具，所述模具的直径优选为50mm，高度优选为100mm。在本发明中，优选使用气体扩散系统进行土壤固结反应。在本发明中，所述全接触柔性模具优选采用土工布通过无侧限压缩试验样品制成。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

巴氏芽孢杆菌(ATCC11859)菌悬液的制备：将巴氏芽孢杆菌(ATCC11859)在30℃的培养基中以120转/分的转速有氧培养48小时，培养物在4℃的5434g离心8分钟，得到细菌菌团；将上述细菌菌团用去离子水稀释制备不同浓度的细菌悬浮液(OD₆₀₀＝0.25、0.5、0.75和1.0)。

其中，上述培养基是将酪蛋白蛋白胨(15g/L)、大豆蛋白胨(5g/L)、氯化钠(5g/L)和尿素(20g/L)混合到1000mL去离子水中，培养基的最终pH值约为7.3，培养基在121℃灭菌30分钟制备得到。

上述不同浓度的细菌悬浮液是将细菌稀释至600nm时0.25(1.299×10⁷cfu/ml)、0.5(3.34×10⁷cfu/ml)、0.75(5.804×10⁷cfu/ml)和1.0(8.59×10⁷cfu/ml)的光密度。

实施例2

碳酸钙沉淀：0.3mol/L的胶结液为由0.6mol/L氯化钙水溶液和0.6mol/L尿素溶液混合制备得到。实施例1制备的不同浓度(OD₆₀₀＝0.25、0.5、0.75和1.0)的细菌悬浮液。在含有60毫升细菌悬浮液和240毫升胶结液(胶结液由120mL氯化钙和120mL尿素溶液组成)的烧杯中，在25℃下进行碳酸钙沉淀。当胶结液浓度为0.3mol/L时，分别在不同细菌浓度(OD₆₀₀＝0.25、0.5、0.75和1.0)下，不添加氧化石墨烯和添加10mg/L氧化石墨烯2毫升进行沉淀。当细菌浓度等于OD₆₀₀1.0时，在不同浓度的氧化石墨烯(5、10、15和20mg/L)与胶结液(0.3mol/L)下进行相同的碳酸钙沉淀。

土壤固结：将实施例1制备的细菌悬浮液，实施例2中的氧化石墨烯、胶结液与300g砂混合后进行固结反应，实现提高土壤团结强度。

氧化石墨烯的加入对微生物诱导碳酸钙沉淀的结果数据如下：

碳酸钙沉淀的碳酸钙晶体生长的机理和氧化石墨烯的影响结果：在氧化石墨烯存在下碳酸钙晶体生长的过程，当使用尿素和氯化钙时，碳酸钙晶体开始在氧化石墨烯表面生长(图1(a))。用EDS进一步表征了氧化石墨烯对碳酸钙晶体生长的影响，EDS表明，A区和B区(图1(a))的C、O和Ca原子比分别为68:32和53:45:2(图1(b))。结果表明，在微生物诱导碳酸钙过程中，氧化石墨烯可以吸附Ca²⁺离子，Ca²⁺离子可以吸附细菌，CaCO₃晶体生长受氧化石墨烯的影响。说明细菌可以被固定。

氧化石墨烯对Ca²⁺浓度和CaCO₃沉淀的总质量影响结果图：不同氧化石墨烯浓度下Ca²⁺浓度的变化，如图2(A)所示，氧化石墨烯存在时，Ca²⁺的浓度比氧化石墨烯不存在时下降得更快。当氧化石墨烯浓度为10、15和20mg/L时，Ca²⁺浓度的变化基本相同。在不同的细菌浓度下，氧化石墨烯的作用变得更加明显(图2(B))。随着细菌浓度的增加，Ca²⁺的反应速率增大。当细菌浓度为OD₆₀₀0.25时，前24小时Ca²⁺浓度的变化与没有氧化石墨烯时基本相同，但24小时后，氧化石墨烯存在时Ca²⁺浓度的下降速度快于没有氧化石墨烯时。一开始，当细菌浓度为OD₆₀₀0.5、0.75和1.0时，氧化石墨烯的存在使Ca²⁺浓度下降的更快。上述结果表明，氧化石墨烯有利于Ca²⁺反应。虽然在没有氧化石墨烯的情况下，Ca²⁺没有完全沉积，但在氧化石墨烯的情况下，在36小时后，Ca²⁺完全沉积。图2(C)所示为存在氧化石墨烯时，CaCO₃沉淀物的总质量增加了至少53％。图2(D)显示了细菌尿素酶在不同细菌浓度伴随氧化石墨烯(10mg/L)和没有氧化石墨烯条件下催化碳酸钙沉淀的总质量。CaCO₃沉淀随细菌浓度的增加而增加。当细菌浓度为OD₆₀₀0.25、0.5、0.75和1.0时，与不加氧化石墨烯相比，在氧化石墨烯(10mg/L)存在下，CaCO₃沉淀分别增加了至少171％、73％、33％和26％。在细菌浓度为0.5时，由于Ca²⁺完全沉积，CaCO₃沉淀的总质量达到最大值。

CaCO₃晶体XRD衍射图谱：利用XRD分析了细菌尿素酶催化下碳酸钙晶体的多晶型(图3)。当细菌浓度为0.25，不论是否添加氧化石墨烯都有方解石存在。在不添加Go的情况下，得到少量的球霰石。在有氧化石墨烯存在的情况下获得更稳定的晶体。

利用扫描电镜(图4(a、b、c和d))观察了不同细菌浓度下制备的CaCO₃晶体的形貌。如图4a、b、c和d所示，CaCO₃晶体的尺寸分别在7～22微米、18～48微米、17～38微米和24～113微米的范围内。在较低的细菌浓度下，获得了规则的菱形晶体。当细菌浓度为OD₆₀₀0.25时，产生球霰石(图4(a))。当细菌浓度为OD₆₀₀1.0时，碳酸钙晶体发生团聚现象。这种现象的一个重要特征是，随着细菌浓度的增加，晶体的尺寸增大，这是因为反应中含有足够的Ca²⁺。

用扫描电镜(图4(a1、b1、c1和d1))观察了以10mg/L氧化石墨烯不同细菌浓度制备的CaCO₃晶体的形貌。如图4a1、b1、c1和d1所示，CaCO₃晶体的尺寸分别在24～53微米、17～67微米、38～72微米和28～113微米范围内。在不同的细菌浓度和氧化石墨烯(10mg/l)存在的情况下，CaCO₃晶体比不存在的情况下获得的晶体更大。这是因为细菌是通过吸附氧化石墨烯边缘的Ca²⁺聚集在一起的。菱形晶体是最有利于砂体固结的晶体形态，其形态基本不变。另一个重要现象是，在10mg/L氧化石墨烯存在下，随着细菌浓度的增加，晶体的尺寸减小。这是因为氧化石墨烯可以充当成核位置，由于存在足够的Ca²⁺，CaCO₃晶体可以连续生长，从而产生较大的CaCO₃晶体。然而，在较高的成核浓度下，没有足够的Ca²⁺，因此，在没有单个晶体生长的情况下，生成了大量的小CaCO₃晶体。上述结果表明，在微生物诱导碳酸钙沉淀过程中使用氧化石墨烯导致碳酸钙晶体的尺寸较大，从而使得固结后土壤的无侧限抗压强度显著提高。

不同氧化石墨烯浓度下CaCO₃晶体的形态如图5所示。随着氧化石墨烯浓度的增加，碳酸钙晶体的尺寸减小。一个重要的原因是成核点的数量增加了。在低氧化石墨烯浓度下，菱形晶体是主要的晶体形貌。当氧化石墨烯浓度为20mg/L时，得到球状晶体。

不同氧化石墨烯浓度下，细菌悬浮液、胶结液与砂反应6天后的固结砂样品如图6所示。用氧化石墨烯比不使用氧化石墨烯观察到更好的完整性和紧密性。无侧限抗压强度试验如图7所示。其中重要的一点是，在15mg/L氧化石墨烯的存在下，固结砂的无侧限抗压强度最大可提高100％。当氧化石墨烯浓度为20mg/L时，固结砂样的无侧限抗压强度降低。这是因为出现了球形晶体(图6(d))。

Claims (10)

1.利用微生物诱导碳酸钙沉淀的方法，该方法的反应体系中，除了含产脲酶微生物和胶结物，还含有氧化石墨烯。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述产脲酶微生物、胶结物和氧化石墨烯的配比，等同于如下原料中的配比：该原料由三种水溶液混合而成，分别为产脲酶微生物溶液、氧化石墨烯溶液和胶结液；所述产脲酶微生物溶液中产脲酶微生物的有效活菌数为1×10⁷～9×10⁷cfu/mL；所述氧化石墨烯溶液的浓度为5～20mg/L；所述胶结液的浓度为0.3～0.5mol/L；所述产脲酶微生物溶液、氧化石墨烯溶液和胶结液的体积比为(55～65):(2～8)：(220～260)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征是，所述有效活菌数为1.299×10⁷～8.59×10⁷，如为1.299×10⁷～3.34×10⁷、3.34×10⁷～5.804×10⁷或5.804×10⁷～8.59×10⁷。

4.如任一在先权利要求所述的方法，其特征是，所述原料的氧化石墨烯溶液的浓度为5-15mg/L，优选10～15mg/L。

5.如任一在先权利要求所述的方法，其特征是，所述原料的产脲酶微生物溶液、氧化石墨烯溶液和胶结液的体积比为60：2：260。

6.如任一在先权利要求所述的方法，其特征是，所述产脲酶微生物为产脲酶菌,如巴氏芽孢杆菌(如保藏号为ATCC11859)；独立可选地，所述胶结物含有水溶性钙和尿素。

7.如任一在先权利要求所述的方法，其特征是，所述原料的水溶性钙和尿素的浓度分别为0.3～0.5mol/L；独立可选地，所述原料的水溶性钙和尿素的体积比为(100～140):(100～140)，优选体积相同；独立可选地，所述水溶性钙和尿素的摩尔量相同；独立可选地，所述水溶性钙为氯化钙、醋酸钙、硝酸钙和乳酸钙中的一种或几种。

8.任一在先权利要求所述方法制得的组合物。

9.如任一在先权利要求所述的方法或组合物，在砂粒固结或提高土壤固结强度中的应用。

10.氧化石墨烯在提高砂粒固结强度中的应用。

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