CN113884351A - 一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤的制备方法，将带磁土颗粒倒入巴氏芽孢杆菌培养液中，控制颗粒含量，细菌浓度，培养液温度，pH值，尿素浓度，CaCI2浓度，反应时间，搅拌时间等因素保证颗粒表面的CaCO3沉积物均匀分布。最后将固化完成的颗粒低温烘烤至脱水。前期研究的磁敏性模拟月壤虽然能还原月球1/6g重力场，但仍受制于磁场中磁颗粒吸引作用，影响了模拟月壤的力学性质。本发明提供的制备方法弱化了磁敏性模拟月壤在磁场中的互相吸引现象。该制备方法环保、成本低、效果好，可批量生产磁敏性模拟月壤用于科学和工程研究。
Description
技术领域
本发明涉及模拟月壤制备技术领域，具体涉及一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤的制备方法。
背景技术
月球作为距地最近的天然卫星，由于其丰富的能源和稀有金属等资源被公认为人类太空探测的第一站。根据嫦娥四号发回的资料显示，其着陆地区月壤层厚度达40米。在我国接下来月球探测和开发过程中，必然会遇到各种载荷与月壤相互作用的问题：飞行器软着陆，月球车轮壤相互作用、钻探取样、月球基地建设、月球采矿开挖等。目前人类对低重力环境中土体力学规律了解仍较少，关键原因就在于地球上针对土体进行低重力环境模拟难度极大。团队前期研制的磁敏性模拟月壤及磁重力试验系统虽然较好的还原了月球1/6g重力场条件，但仍受制于磁场中带磁颗粒表面磁力相互作用现象，一定程度上影响了模拟月壤的力学性质。因此如何均匀消除颗粒间的磁力成为能否在地球上精确还原月壤真实受力状态的关键。
团队经过近十年的研究，首先研制了磁重力试验系统，在此基础上进一步研制了CUMT系列模拟月壤。为使模拟月壤能够带有均匀磁性，使用了磁粉与火山灰粉末均匀混合后压实-烧结-破碎-筛分的研制工艺。按此方法研制的模拟月壤表面带有均匀密度的磁性物质，能够在磁场中直接接触，进而产生较大的磁力使颗粒相互吸引。这一部分磁场力在真实月壤所处的受力环境中是不存在的，为尽量减小磁力的影响。采用了生物固化技术对颗粒表面进行均匀碳酸钙沉淀。
磁力是一种受距离影响敏感的作用力，颗粒间的磁力大小与其距离的四次方成反比。为降低颗粒间的磁相互作用力，采用巴氏芽孢杆菌分解尿素产生碳酸钙对颗粒表面进行均匀镀层，通过对带磁颗粒均匀包裹不导磁材料的方式，增加磁性物质彼此接触距离，从而达到弱化颗粒间的磁相互作用力的效果。
目前还未见针对不规则散体材料的均匀镀层工艺。这主要受制于散体材料数量庞大，且三维表面复杂，无法实现统一均匀旋转。基于此背景，利用生物固化速率缓慢的优势，配合定时的机械搅拌，进而使得颗粒表面获取指定均匀厚度镀层的制样工艺成为改良磁敏性模拟月壤的优选方案。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤的制备方法，该方法制备的月壤中磁致粒间引力小、可用于模拟不同重力场环境中磁敏性模拟月壤力学特性，所得的模拟月壤可用于真实月球表面重力环境中土体特性研究。
为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：
一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，选取火山灰，磁粉，碳酸氢铵作原料，采用高温烧结和动力破碎方式获得带磁性的土颗粒；
步骤2，将步骤1制备的带磁性的土颗粒置于碱性溶液中浸泡，清洗至pH值为中性后，低温烘干备用；
步骤3，配制固化反应粘结液，溶质包括NH4CI，NaHCO3，尿素，CaCl2∙2H2O，酵母浸粉, 硫酸铵和氢氧化钠，溶剂为去离子水，尽量避免水中自带离子对粘结液中各离子浓度产生影响；
步骤4，将细菌溶液和粘结液混合，倒入生物固化设备中，并将步骤2中清洗后的带磁性的土颗粒倒入混合溶液中；
步骤5，启动生物固化设备的机械搅拌器控制单元，设置搅拌时间和间隔时间，循环该过程至生物固化过程结束；
步骤6，将步骤5固化好的模拟月壤过筛后，放置于不锈钢板上，转入烘箱中烘干至脱水，即得磁敏性模拟月壤。
优选的，步骤2中所述碱性溶液的浓度为0.1-0.2mol/L，浸泡时间6-12小时，清洗颗粒所用溶剂为去离子水。
优选的，步骤3中所述粘结液中各组分的浓度分别为：NH4CI浓度8g/L-10g/L，NaHCO3浓度2g/L-2.5g/L，尿素浓度12g/L-18g/L，CaCl2∙2H2O浓度30g/L-40g/L，酵母浸粉20g/L，硫酸铵10g/L，氢氧化钠2g/L。
优选的，步骤4中所述细菌溶液的浓度为OD600=0.5（OD600定义为紫外可见分光光度计在600nm波长时的吸光度，是微生物浓度检测常用的方法之一），细菌溶液和粘结液的体积比为1：10，反应器中混合溶液为10L，土颗粒的质量为1000g。
优选的，步骤5中所述机械搅拌器的搅拌规律为每隔15分钟搅拌30秒，反应温度控制在20-30℃，不能过高或过低。
优选的，步骤6中所述烘箱温度为不超过100℃。
进一步优选的是，步骤6中所述烘箱温度为80℃。
有益效果：
与现有技术相比，本发明一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤的制备方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供了一种磁致粒间引力小、可用于模拟不同重力场环境、能量产的磁敏性模拟月壤制备工艺。研制出的模拟月壤颗粒带有均匀磁性，且在磁场中颗粒间磁力干扰极小，能够较为真实的还原月壤真实受力状态；
(2)通过改变生物固化反应时间、细菌浓度和粘结液浓度，能够量化控制颗粒表面镀层厚度；
(3)针对不同粒径的磁性颗粒，设定不同的生物固化时间，即可保证所有粒径的颗粒混合后在任意饱和梯度磁场中所受重力状态完全一致；
(4)本发明的制备方法配合前期研制的磁重力试验系统，能够模拟0-10g任意重力场下颗粒材料受力状态，有利于全面研究非常规重力场中星壤颗粒力学性质，为接下来的外太空探索提供理论指导。
附图说明
图1为本发明所用的生物固化设备的结构示意图，其中，1-塑料箱，2-机械搅拌器，3-氧气泵，4-带磁性的土颗粒；
图2为本发明实施例1、2、3制备的磁敏性模拟月壤的比饱和磁化强度曲线；
图3为本发明实施例1、2、3所制备的磁敏性模拟月壤与生物固化反应前的磁拟重力相似常数对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
以下实施例中所用的细菌溶液为巴士芽孢杆菌ATCC11859，购于北京生物保藏中心，为常规的市售菌株。
本发明所用的生物固化设备的结构如下，选取敞口塑料箱，并在塑料箱内的底部安装机械搅拌器，所述机械搅拌器由控制单元控制机械搅拌器按照预定程序工作，所述敞口塑料箱外连氧气泵。该生物固化设备的连接方式为机械设备领域最常规的连接，无需特别交代。
本发明实施例1-3中提到的未经过生物固化作用的模拟月壤为步骤1所获得的磁敏性模拟月壤。
实施例1
一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤的制备方法，包括如下步骤：
(1) 根据团队前期研究成果一种磁敏性模拟月壤的制备方法(具体操作可参照专利号CN 109696347 A，公开日2019.04.30)，获取颗粒粒径均匀在1-1.2mm的带磁性的土颗粒；
(2) 将步骤（1）制备的带磁性的土颗粒放置于0.1mol/L的NaOH溶液中浸泡10小时，并清洗至pH值接近中性后烘干备用；
(3) 配制固化反应粘结液，使用去离子水作为粘结液的溶剂，尽量避免水中自带离子对粘结液中各离子浓度产生影响。粘结液中NH4CI浓度9g/L，NaHCO3浓度2.5g/L，尿素浓度16g/L，CaCl2∙2H2O浓度38g/L，酵母浸粉20g/L,硫酸铵10g/L，氢氧化钠2g/L；
(4) 将细菌溶液和粘结液混合，倒入生物固化设备（图1）中，并将步骤（2）中清洗后的带磁性的土颗粒倒入混合溶液中，其中细菌溶液的浓度为OD600=0.5（OD600定义为紫外可见分光光度计在600nm波长时的吸光度，是微生物浓度检测常用的方法之一），且细菌溶液和粘结液按照体积比1：10混合。反应器中混合溶液10L，土颗粒的质量1000g，所述生物固化设备中氧气泵工作时，泵入氧气的速率为0.1L/min，提高细菌活性；
(5) 启动生物固化设备底部的机械搅拌器控制单元，设置搅拌时间30秒，和间隔时间15分钟，循环该过程30小时后结束搅拌，停止固化反应；
(6) 将步骤（5）固化好的模拟月壤过筛后放置于不锈钢板上，并在烘箱中保持80℃低温烘干至脱水。
通过比重瓶法测得实施例1研制的磁敏性模拟月壤的比重为3.210，稍大于真实月壤比重推荐值3.1。
通过磁重力试验系统测试磁敏性模拟月壤的磁化曲线，结果如图2所示，得到实施例1研制的磁敏性模拟月壤的比饱和磁化强度为30.375emu•g-1，其磁性满足磁力模型试验要求。
通过磁重力试验系统对颗粒材料进行磁化特性规律研究，结果如图3所示。可以看出，相较于未经过生物固化作用的模拟月壤，其磁拟重力相似常数变小，但仍满足实验要求。
实施例2
一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤研制工艺，包括如下步骤：
(1) 根据团队前期研究成果一种磁敏性模拟月壤的制备方法(具体方法参照专利号CN 109696347 A，公开日2019.04.30)，获取颗粒粒径均匀在0.5-0.6mm的带磁性的土颗粒；
(2) 将步骤（1）制备的磁性颗粒物质放置于0.1mol/L的NaOH溶液中浸泡10小时，并清洗至pH值接近中性后烘干备用；
(3) 配制固化反应粘结液，使用去离子水作为粘结液的溶剂，尽量避免水中自带离子对粘结液中各离子浓度产生影响。粘结液中NH4CI浓度9g/L，NaHCO3浓度2.5g/L，尿素浓度16g/L，CaCl2∙2H2O浓度38g/L，酵母浸粉20g/L,硫酸铵10g/L，氢氧化钠2g/L；
(4) 将细菌溶液和粘结液混合，倒入生物固化设备（图1）中，并将步骤（2）中清洗后的带磁性的土颗粒倒入混合溶液中，其中细菌溶液的浓度为OD600=0.5（OD600定义为紫外可见分光光度计在600nm波长时的吸光度，是微生物浓度检测常用的方法之一），且细菌溶液和粘结液按照体积比1：10混合，反应器中混合溶液10L，土颗粒的质量1000g，所述生物固化设备中氧气泵工作时，泵入氧气的速率为0.1L/min，提高细菌活性；
(5) 启动生物固化设备底部的机械搅拌器控制单元，设置搅拌时间30秒，和间隔时间15分钟，循环该过程40小时后结束搅拌，停止固化反应；
(6) 将步骤（5）固化好的模拟月壤过筛后放置于不锈钢板上，并在烘箱中保持80℃低温烘干至脱水。
通过比重瓶法测得实施例1研制的磁敏性模拟月壤的比重为3.281，稍大于真实月壤比重推荐值3.1。
通过磁重力试验系统测试磁敏性模拟月壤的磁化曲线，结果如图2所示，得到实施例1研制的磁敏性模拟月壤的比饱和磁化强度为30.621emu•g-1，其磁性满足磁力模型试验要求。
通过磁重力试验系统对颗粒材料进行磁化特性规律研究，结果如图3所示。可以看出，相较于未经过生物固化作用的模拟月壤，其磁拟重力相似常数变小，但仍满足实验要求。
实施例3
一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤研制工艺，包括如下步骤：
(1) 根据团队前期研究成果一种磁敏性模拟月壤的制备方法(具体步骤参照专利号CN 109696347 A，公开日2019.04.30)，获取颗粒粒径均匀在1.8-2.0mm带磁性的土颗粒；
(2) 将步骤（1）制备的磁性颗粒物质放置于0.1mol/L的NaOH溶液中浸泡10小时，并清洗至pH值接近中性后烘干备用；
(3) 配制固化反应粘结液，使用去离子水作为粘结液的溶剂，尽量避免水中自带离子对粘结液中各离子浓度产生影响。粘结液中NH4CI浓度9g/L，NaHCO3浓度2.5g/L，尿素浓度16g/L，CaCl2∙2H2O浓度38g/L，酵母浸粉20g/L,硫酸铵10g/L，氢氧化钠2g/L；
(4) 将细菌溶液和粘结液混合，倒入生物固化设备（图1）中，并将步骤（2）制备的磁性颗粒物质倒入混合溶液中，其中细菌溶液的浓度为OD600=0.5（OD600定义为紫外可见分光光度计在600nm波长时的吸光度，是微生物浓度检测常用的方法之一），且细菌溶液和粘结液按照体积比1：10混合。反应器中混合溶液10L，土颗粒的质量1000g，所述生物固化设备中氧气泵工作时，泵入氧气的速率为0.1L/min，提高细菌活性；
(5) 启动生物固化设备底部的机械搅拌器控制单元，设置搅拌时间30秒，和间隔时间15分钟，循环该过程50小时后结束搅拌，停止固化反应；
(6) 将步骤（5）固化好的模拟月壤过筛后放置于不锈钢板上，并在烘箱中保持80℃低温烘干至脱水。
通过比重瓶法测得实施例1研制的磁敏性模拟月壤的比重为3.312，稍大于真实月壤比重推荐值3.1。
通过磁重力试验系统测试磁敏性模拟月壤的磁化曲线，结果如图2所示，得到实施例1研制的磁敏性模拟月壤的比饱和磁化强度为30.316emu•g-1，其磁性满足磁力模型试验要求。
通过磁重力试验系统对颗粒材料进行磁化特性规律研究，结果如图3所示。可以看出，相较于未经过生物固化作用的模拟月壤，其磁拟重力相似常数变小，但仍满足实验要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，步骤1，选取火山灰，磁粉，碳酸氢铵作初始原料，采用高温烧结和动力破碎方式获得带磁性的土颗粒；步骤2，将步骤1制备的带磁性的土颗粒置于碱性溶液中浸泡，清洗至pH值为中性后，100℃下低温烘干备用；步骤3，配制固化反应粘结液，溶质包括NH4CI，NaHCO3，尿素，CaCl2∙2H2O，酵母浸粉, 硫酸铵和氢氧化钠，溶剂为去离子水；步骤4，将细菌溶液和粘结液混合，倒入生物固化设备中，并将步骤2中清洗后的带磁性的土颗粒倒入混合溶液中；步骤5，启动生物固化设备的机械搅拌器的控制单元，设置搅拌时间和间隔时间，循环搅拌过程至生物固化作用结束；步骤6，将步骤5固化好的模拟月壤过筛后，放置于不锈钢板上，转入烘箱中烘干至脱水，即得磁敏性模拟月壤。
2.根据权利要求1所述的一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤的制备方法，其特征在于，步骤2中所述碱性溶液的浓度为0.1-0.2mol/L，浸泡时间6-12小时，清洗颗粒所用溶剂为去离子水。
3.根据权利要求1所述的一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤的制备方法，其特征在于，步骤3中所述粘结液中各组分的浓度分别为：NH4CI浓度8g/L-10g/L，NaHCO3浓度2g/L-2.5g/L，尿素浓度12g/L-18g/L，CaCl2∙2H2O浓度30g/L-40g/L，酵母浸粉20g/L，硫酸铵10g/L，氢氧化钠2g/L。
4.根据权利要求1所述的一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤的制备方法，其特征在于，步骤4中所述细菌溶液的浓度为OD600=0.5，细菌溶液和粘结液的体积比为1：10，反应器中混合溶液为10L，土颗粒的质量为1000g。
5.根据权利要求1所述的一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤的制备方法，其特征在于，步骤5中所述机械搅拌器的搅拌规律为每隔15分钟搅拌30秒，反应温度控制在20-30℃。
6.根据权利要求1所述的一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤的制备方法，其特征在于，步骤6中所述烘箱温度为不超过100℃。
7.根据权利要求6所述的一种基于生物固化技术的磁敏性模拟月壤的制备方法，其特征在于，步骤6中所述烘箱温度为80℃。
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