CN115552024A - 一种用于生产富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液的方法和系统 - Google Patents

一种用于生产富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液的方法和系统 Download PDF

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Abstract

提出了一种用于从富含尿素的溶液中生产富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液的方法。该方法包括以下步骤：提供第一贮液槽，所述第一贮液槽中包括第一混合物，所述第一混合物包括尿素和包括酶催化剂和/或微生物的催化剂；进行经所述催化剂催化的酶反应以使尿素分解，从而得到包括含氮物质和含碳酸盐物质的第二混合物；将至少一些所述含氮物质转化为气态含氮物质，得到包括所述气态含氮物质和所述含碳酸盐物质的第三混合物；通过气体可渗透过滤器过滤所述第三混合物，从而将至少一些所述气态含氮物质与所述含碳酸盐物质分离，同时使所述催化剂远离所述气体可渗透过滤器；以及收集得到的富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液。

Description

一种用于生产富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液的方法 和系统
技术领域
本发明一般属于无机化学领域。更具体地，本发明涉及一种用于从富含尿素的溶液中生产富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液的方法和系统，以及用于地基生物加固过程的应用。
背景技术
在过去的50年中，已发展了地基或土壤加固溶液来改善土壤、地基的性能并确保在诸如地震、侵蚀和水位上升等自然灾害下民用基础设施的结构完整性。目前的溶液仅限于使用水泥、石灰、石油基化学品(如聚氨酯)和微硅酸盐。然而，由于这些溶液会导致高碱性环境，pH值常常超过12，所以它们的环境成本很高。它们的应用较复杂，在某些情况下这些溶液常常需要超过200巴(20MPa)的高压。最后，石油基化学品会导致在地下水中产生微塑料污染。
在过去的十年中，报道了上述溶液的替代溶液，其调动土壤微生物产生碳酸钙矿物质。该应用利用了接受尿素作为摄入并产生碳酸氢根离子和氨阳离子的溶尿微生物菌株。含水氨类物质，即
Figure BDA0003938414420000011
或气态
Figure BDA0003938414420000012
会对地下水土壤和水质产生威胁。根据世界卫生组织，这些物质可接受的限值不超过0.2mg/L。作为基于脲解的碳酸盐矿化的一部分，文献中报道的氨值达到10’000mg/L。通过将淡水冲洗通过土壤介质并泵出受污染的富含氨的水来回收氨的系统(EP2804988A2)并不是最佳方法。这将需要大量的淡水将氨从10’000mg/L的浓度稀释到仅为0.2mg/L，这将意味着土壤被水饱和，以使受控流场能够最终将水引向提取井。
上述方法产生的另一个问题是，氨，作为一种带高电荷的物质，往往会吸附在带负电荷的土壤颗粒(例如沙子、淤泥、粘土)表面上，因此不可能通过冲洗将其去除。已经报道了通过使用沸石过滤器进行的努力，如Keykha等人,2018,“Ammonium-Free Carbonate-Producing Bacteria as an Ecofriendly Soil Biostabilizer”,Geotechnical TestingJournal,42(1),pp.19-29所建议。然而，这些溶液需要对矿物过滤器进行复杂的维护，无法确保以快速、经济的方式进行大量处理。其他工作提出了由聚氨酯海绵制成的下流悬挂海绵(DHS)生物反应器系统，如Aoki等人,2018,“A low-tech bioreactor system for theenrichment and production of ureolytic microbes”,Polish journal ofmicrobiology,67(1),pp.59-65，或Omoregie et al.,2020,“A feasible scale-upproduction of Sporosarcinapasteurii using custom-built stirred tank reactorfor in-situ soil biocementation”,Biocatalysis and Agricultural Biotechnology,p.101544所建议。然而，后一种系统最初是为生物膜式污水处理技术开发的，生物膜代表高度胶态物质，它可能会堵塞系统过滤液体溶液的能力。
发明内容
为了解决和克服前述现有技术方案中的缺点，本发明提出了一种反应系统以及特征和能力得到改善的相关方法。更具体地，根据一方面，本发明的目的是解决至少一些上述问题，并且这些问题与在岩土工程应用中使用生物水泥以产生土壤中没有残留化学物质的加固地基有关。
具体地，本发明的第一个目的是提供一种简单而高效的方法来开发富含尿素的溶液，以生产适用于地基加固目的的富含碳酸盐的产物。
本发明的另一目的是提供一种用于将富含碳酸盐的元件与含氮元件高效分离且在分离过程中使用富含碳酸盐的元件和含氮的元件的系统和方法。
本发明的又一目的是提供一种用于获得适用于地基加固目的的产物、不需要进行额外地基处理的一体式方法。
如本文和所附权利要求书所述，本发明实现了上述所有目的。
鉴于现有技术的上述缺点，根据本发明提供了一种根据权利要求1所述的用于生产富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液的方法和系统。
所提出的方法的优点在于它允许含氮化合物、元件或物质与含碳酸盐物质(或碳酸根离子)高效分离。然后，可以将获得的富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液用于例如地基或土壤加固。因此，所提出的方法可用于地基的碳酸盐生物矿化，同时去除氨的有害存在。因此，不必要进行额外的处理来通过清洗地基去除氮物质(在这种情况下，其是地基中的污染物)。通过遵循本发明的教导，可以确保污染物不会进入地基中，并且它们可以在先前的步骤中回收和提取，以在其他工业系统中进一步增值。例如，捕获的含氮物质可以用作肥料或用于生产肥料(硫酸铵)，或者它们可以用于冷氨工艺中以从空气或燃料电池中捕获CO2。
本发明的另一方面涉及一种根据权利要求15所述的用于实现本发明方法的系统。
在所附权利要求中定义了本发明的其他特征或变型。
附图说明
根据以下参考附图的非限制性示例实施方案的描述，本发明的其他特征和优点将从变得显而易见，其中：
图1示出了示意性说明根据本发明的示例性反应系统的简化框图；以及
图2示出了说明根据本发明的示例性地基加固过程的流程图。
具体实施方式
现将参考附图描述本发明的实施方案。不同附图中出现的相同或相应的功能和结构元件表示相同的附图标号。应注意的是，使用词语“第一”、“第二”和“第三”等并不意味着任何特殊的顺序或层次，除非在上下文中有明确或隐含地说明。下面详细解释的实施方案涉及一种用于引发地基或土壤加固的新系统和方法。所提出的方案克服了一方面使用尿素而另一方面使用细菌(即微生物)和/或酶作为活性物质以产生钙化或加固的土壤时在地基中残留有含氮物质的问题。
应注意的是，在本说明书和权利要求书中，无含氮物质或无氮物质的流体或溶液是指与待过滤流体中所含的含氮物质的初始数量相比基本上无含氮物质的流体。此类物质为例如氨、铵、氯化铵、硝酸盐、亚硝酸盐。因此，基本上无含氮物质的流体被认为是一种含氮物质的含量比过滤前的含氮物质数量少98％至100％的流体。更优选地，无含氮物质的流体含氮物质的含量比过滤前氮的量少99％至99.9％。换言之，无含氮物质的流体被理解为含有0.0001g/L和0.0005g/L的含氮物质。因此，只要遵守对含氮物质的上述限制，“无含氮物质的溶液”或“无氮物质的溶液”这一表达可以理解为是指含氮物质贫乏溶液。
应注意的是，在本说明书和权利要求书中，富含含碳酸盐物质或富含碳酸盐物质的流体或溶液是指一种基本上富含含诸如碳酸氢盐、碳酸或碳酸盐等碳酸盐物质的流体。更优选地，富含含碳酸盐物质含有0.01至18mol/L的含碳酸盐物质，更优选0.5至6mol/L的含碳酸盐物质。这些物质是在负责加速分解的酶催化剂的存在下分解碳酰胺(尿素)后产生的。富含尿素的溶液应理解为是一种含有浓度为0.01mol/L至18mol/L、更优选0.5mol/L至6mol/L的溶解尿素的流体或溶液。
图1的框图示意性地说明了根据本发明的示例性实施方案的反应系统1。系统1包括第一隔室3，在本实施例中，第一隔室是第一腔室、容器或贮液槽，更具体地是反应腔室，其中进行生物反应，如稍后更详细地解释。如图1所示，第一腔室3通过位于第一腔室的出口处的泵或泵系统7与第二腔室5连接。在本实施例中，第二隔室是管道或管子，更具体地是纵向管道，并且任选地由金属制成，具有与管道长度轴(不一定是直轴)(在5mm至200mm的范围内，更具体地在10mm至50mm的范围内)垂直的横截面。第二隔室5与第三隔室9连接，所述第二隔室5包括第一过滤元件或单元(或简单地为第一过滤器)，在本实施例中，第一过滤元件或单元是包括多个纤维的膜过滤器。因此，第二隔室5可以理解为是将第一隔室3和膜过滤器9可操作地连接的连接元件。在第三隔室9至第二隔室5之间设置有反馈连接元件11，其结构与第二隔室5基本相同，以选择性地将过滤的混合物或溶液送回至第二隔室，以使得其再次被膜过滤器9过滤。应注意的是，该系统可以包括一个以上的泵，特别是两个或三个泵。例如，可以在第二隔室5中设置一个泵，在反馈连接元件11中设置另一个泵。在本实施例中为第二腔室、容器或贮液槽的第四隔室13也可以通过管道连接与第三隔室9连接。第二腔室被布置成接收和储存诸如氨、硫酸铵等含氮过滤副产物，这些副产物是由在膜过滤器中或通过膜过滤器进行的过滤过程中产生的。在本实施例中为第三腔室、容器或贮液槽的第五隔室15也可以通过管道连接与第三隔室9连接。第三腔室15被布置成接收和储存富含含碳酸盐的溶液，该溶液是可用于加固、固结、稳定、强化、钙化、改性和/或改善地基的所需最终溶液。在典型应用中，所有腔室3、13、15的体积都为0.5m3至20m3。
第一腔室3用于将诸如脲酶和/或尿素分解微生物等催化剂与也称为尿素的碳酰胺在起始或第一混合物中混合以分解尿素。因此，本示例使用脲酶(它是一种催化尿素水解的酶)来例如形成氨和碳酸氢盐。更具体地，第一腔室3允许尿素与酶混合，以将尿素分解成氮(N)和碳酸盐
Figure BDA0003938414420000051
物质，从而获得第二混合物。因此，第一腔室作为生物反应器运行。第一腔室可以被配置成为尿素分解提供最佳条件。为此，在本实施例中，第一腔室包括第一操作条件调节装置或系统，该第一操作条件调节装置或系统在本实施例中包括分别控制第一腔室3内的温度、pH和压力的第一温度控制器16、第一pH控制器或稳定器17和第一压力控制器18。应注意的是，第一调节装置相反仅包括一个或两个上述控制器。例如，可以在第一腔室中省略压力控制器18。在本实施例中，第一腔室的温度以及因此第一腔室3内的液体或溶液的温度被选择为在23℃至35℃，或者更具体地在28℃至32℃。pH稳定器17用于稳定第一腔室3中的液体的pH。在本实施例中，pH保持在值8和10之间，或者更具体地在9和9.5之间。此外，在压力控制器恰好存在于第一腔室中的情况下，第一压力控制器18用于控制第一腔室内的液体的压力。在本实施例中，选择液体的压力为0.01巴(1kPa)至3巴(300kPa)，或者更具体地为0.1巴(10kPa)至0.5巴(50kPa)。
在本实施例中，第一腔室3进一步包括诸如机械混合器等搅拌装置19或混合器，以将第一腔室中液体的混合均匀，该液体是含水溶液，包括水、尿素和酶化合物。如图1所示的第一腔室进一步包括向第一腔室3供应空气以加速尿素分解的空气供应器21。在第一腔室内还可以设置分离装置以将有机物23与液体分离。分离装置可以是第二过滤器(图中未示出)，其例如可以安置在泵7附近。由于分离装置，可以将为离子液体并且无或基本上无任何有机物的第二混合物通过泵7送至第二隔室5中。此外或可替代地，分离装置可以包括混合器19。更具体地，混合器的搅拌操作可以停止给定的持续时间，以使有机物沉积在第一腔室3的底部表面。此外或可替代地，分离装置可以是离心机和/或化合物团聚装置。由于分离装置，只有基本上无任何有机物的离子液体能进入第二隔室5中。换言之，第一隔室3能够将酶保留在第一腔室中并且仅将富含氮和富含碳酸盐的液体转移至第二隔室5中。当第一腔室3在泵送后排空时，通过入口(图中未示出)将其充满水和碳酰胺，将残余的酶混合并再次搅拌以继续进行反应。
第二隔室5包括第二操作条件调节装置或系统，该第二操作条件调节装置或系统在本实施例中包括分别控制第二隔室内的温度、pH和压力的第二温度控制器25、第二pH控制器或稳定器27和第二压力控制器29。应注意的是，第二调节装置可以相反地仅包括上述控制器中的一个或两个。在本实施例中，上述控制器25、27、29被配置为操作，以使得第二隔室5中的操作条件有利地与第一腔室3基本相同。换言之，相同的参数值也适用于第二操作条件调整装置，如上文关于第一操作条件调整装置所述。控制上述参数中的一个或多个以能够高效地将离子液体中的含氮物质转变或转化为气态含氮物质，从而获得第三混合物。
然后将获得的第三混合物或溶液布置为通过膜过滤器9进行冲洗，其中气态含氮物质(即氨气，
Figure BDA0003938414420000071
)和碳酸盐液相彼此分离。在本实施例中，膜过滤器9由聚丙烯制成，而不是由用于过滤气体/液体溶液的聚氨酯制成，并且膜具有至少100m2或更具体地至少400m2的接触表面(即与待过滤溶液接触的总表面)。在本实施例中，膜过滤器是一种聚合物疏水纤维系统，其具有较大的接触表面以允许液体-气体交换。因此，膜过滤器是只允许气体通过的疏水膜。膜具有孔，在这种情况下为层状孔，最大横截面尺寸为几微米或更小，通常为0.3μm(微米)至10μm，或更具体地为0.4μm至1μm，以允许气体流过。通常，诸如在第一腔室3中使用的酶是直径达到2μm、长度超过5μm的较大微生物细胞的一部分。因此，层状孔的尺寸比单个细菌细胞的预期尺寸小大约五倍，该单个细菌细胞包括负责将尿素分解为碳酸盐和氨的脲酶。此外，这种微生物细胞代表会附着在纤维或其他阻碍-液交换的基底上的胶体物质。典型的过滤机制将允许微生物附着在海绵或膜网络上，以产生用于修复应用的生物膜(Aoki等人,2018,“A low-tech bioreactor system for the enrichment andproduction of ureolytic microbes”,Polish journal of microbiology,67(1),pp.59-65)。在本发明中，这种附着是不需要的，因为它会阻碍反应器系统1的正常运行。反应系统1，独立于在第一室3中发生的催化反应，允许分离氮副产物而不中断在第一腔室中产生此类产物的催化化学反应。
一旦膜过滤器9从含氮气体中分离出富含含碳酸盐物质的液体，那么含氮物质进入第二腔室13。然后，提取的含氮物质可以以气体、液体或固体形式进行增值。有利的是，第二腔室13是富含溶解的硫酸盐的酸性隔室。这导致硫酸铵沉淀在用于提取和/或收集的固体颗粒中。将富含含碳酸盐物质的液体收集在第三腔室15中以用于储存或直接注入地基中。
通过将诸如微生物(含有酶)和/或纯酶等催化剂保持在第一腔室3中，可以产生连续系统，该连续系统首先降解尿素，然后通过泵7将分解的尿素溶液供应到第二隔室5以用于过滤阶段。更广泛地说，使催化剂远离膜过滤器。换言之，催化剂不允许与膜过滤器接触。通过将酶或催化剂保留在第一腔室中，该过程不间断地继续，以高效快速地生产氮-碳酸盐液体。因此，本发明着重于一种反应器系统，该反应器系统可大大增强液体溶液的无中断制备及其适当过滤，以提供无氮的地基生物加固。氮副产物的提取和回收的优点在于为资源的可持续利用提供了循环模式。重点是过滤氮物质，但不因酶或催化剂或微生物从第一腔室3迁移而降低膜9的过滤能力。如果酶能够从第一腔室中逃出，则尿素分解以及因此进行的氮和含碳物质的生产将不受控制，并且由此进行的提取和回收的水平也无法控制。因此，本发明在第一腔室3中产生已知量的氮，然后在第二隔室中提取已知量(例如初始量的至少98％或99.9％)的氮。换言之，在这种情况下，在第二隔室5中存在的所有氮物质中有98％至99.9％被滤膜9过滤掉。如果催化剂或有机物到达过滤膜9，则其过滤能力会降低，这将意味着将不回收未知量的氮，过滤的液体无法引入至地基中以用于加固目的，因为它将含有大量的氮气，这些氮气不能被堵塞的膜过滤器过滤。
将催化剂保持在第一腔室3中允许尿素的连续再供应，以增加氮和碳物质的产生。如果系统1使催化剂迁移到隔室的其余部分，那么很少的催化剂会留在第一腔室中来执行尿素分解。因此，本发明提出了一种单一的设置，该设置可以以无中断的方式操作，以将所有反应性物质保持在其期望的阶段，从而以这种方式避免物质在隔室间迁移。通过提取用于再利用的氮物质和用于注入地基中的碳物质，可以执行存储这些分离产物的系统。其优点在于制备所需数量和质量的液体并将它们储存以供最终使用或运输到所需的增值地点。
图2的流程图展示了一种说明图1系统是如何用于地基生物加固和/用于存储过滤产物的示例性方法。在步骤101中，在第一腔室3中调节操作条件。该步骤可以包括调节温度和/或pH，以及任选地向第一腔室提供正确量的空气。该步骤还可以包括将所需的混合产物，即第一混合物，提供到第一腔室中。在步骤103中，在第一腔室中混合尿素和催化剂(在这种情况下为酶)。在步骤105中，允许在第一腔室中进行生物化学反应以获得第二混合物。该过程产生一种离子液体溶液，该离子液体溶液包括溶解的碳酸盐物质
Figure BDA0003938414420000091
以及溶解的氮物质
Figure BDA0003938414420000093
以及任选的气态氮化合物
Figure BDA0003938414420000092
第一腔室条件允许。应注意的是，可能需要数小时甚至数天才能使该生物反应完全反应。在步骤107中，通过使用上述任何一种分离装置将催化剂和任何其他有机物质与离子液体分离。在步骤109中，使用泵7将离子液体或至少部分离子液体(但基本上没有催化剂和有机物)送入第二隔室5。理想情况下，现在所有尿素都已分解，第一腔室3基本排空。在步骤111中，将更多的混合产物，例如尿素和水，以及任选地更多的催化剂，引入第一腔室3中，以便随后可以通过使用留在第一腔室中的残余酶以及任选的新酶继续混合过程。因此，该过程现在继续到步骤101或103，这取决于第一腔室中的混合条件是否需要被读取调整。与步骤111平行，在步骤113中，在第二隔室5中调节条件，以使得环境变得适于产生气态氮物质。作为该操作的结果，在第二隔室中产生气态氮物质。然而，应注意的是，代替或除了在第二隔室中产生气态氮物质之外，它们还可以在第一腔室3中产生。
在步骤115中，再次通过使用泵7将第二隔室中的离子液体溶液送至或泵送至第三隔室9中，以使得其可以被滤膜过滤。在步骤117中，确定过滤的离子液体溶液中诸如含水
Figure BDA0003938414420000094
和气态
Figure BDA0003938414420000095
等氮物质的浓度是否高于给定的阈值T。更具体地，在本实施例中，确定过滤的溶液具有的组合
Figure BDA0003938414420000096
和
Figure BDA0003938414420000097
浓度是否高于给定的阈值，该阈值可以例如是膜过滤之前初始浓度的0.1％至5％，或者更具体地是0.3％至2％(如0.5％，(即99.5％的去除率))，或者是给定的重量/体积阈值，如100mg/L至2000mg/L的任何这样的值，或者更具体地是200mg/L至1000mg/L，如至少400mg/L。如果氮物质的浓度高于阈值，则在步骤119中，将包括残余氮物质的过滤的碳离子液体通过反馈连接元件11反馈回第二隔室5中，以使得其被再次过滤。然后重复该循环，直到氮浓度降至可接受的值以下。另一方面，如果氮物质的浓度不高于阈值，则在步骤121中，将氮副产物收集在第二腔室13中，将碳液体溶液或富含含碳酸盐物质、不含氮物质的溶液收集在第三腔室15中。在步骤123中，将富含含碳酸盐物质、不含氮物质的溶液任选地直接引入至地基中以通过CaCO3沉淀来加固地基。该步骤还可以包括将钙源提供到地基中并通过将钙源与富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液混合但未释放氨或铵，从而在地基中形成水泥基产物。在直接使用富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液的情况下，最终产物是地基中的碳酸钙矿物质产物以用于加固和强化地基。或者，在步骤123中，可以存储来自第二腔室13和第三腔室15的溶液中的一种或两种以供将来使用。
参考图2的流程图所述的上述工艺可认为由两个主要操作步骤组成：第一步，通过生物发酵和酶催化产生富含碳酸盐和氮的溶液；第二步，将该溶液纯化以最大化产物的分离和增值。更准确地说，第一腔室3利用微生物并将它们与富含碳酸盐和氮的溶液分离，以获得不含有机物的溶液。随后，调节无有机物的溶液的温度和/或pH和/或压力，并通过膜过滤器过滤，以将液体与气相分离。如果在该步骤中存在有机物，那么它会附着在膜上并堵塞纳米孔，从而阻碍气相和液相的分离。第三隔室9使用膜分离技术从富含碳酸盐的溶液中选择性地去除和回收气态氮物质。溶液以闭环方式通过膜，只允许气态物质通过。该系统的应用能够制备液体溶液，该溶液可以进入地基中并通过生产胶水泥基方解石矿物质对其加固，同时提供回收氮气以进行进一步增值的可能性。
第一、第二、第三、第四和第五隔室3、7、9、13、15分别用作反应单元，并共同用作分离产物和直接回收、储存或使用产物的系统。如上所述，第一腔室3可用于成功地将尿素分解为氮和碳物质。然而，产生的溶液尚未准备好引入至地基中，并且必须进行处理以去除不需要的或有害的副产物。因此，系统1通过过滤分离氮物质。然而，如果直接使用包括酶和相关有机物(酶)的第一隔室3的整个溶液进行过滤，则由于堵塞问题、胶体物质在过滤器表面上的积聚以及气体/液体交换能力的逐渐丧失，整个过滤机制将面临风险。因此，由于孔隙堵塞和生物膜形成，该系统无法维持其目的。因此，由于孔堵塞和生物膜形成，该系统无法维持其目的。因此，所提出的反应和过滤过程的系统具有独特的价值，因为它将酶和其他有机物质保留在了第一隔室3中并且使已经分解的尿素液体流过滤膜。这避免了第一隔室外部的连续和不受控制的尿素分解，并确保将氮物质减少到最终地基加固液体所需的水平。
提出的系统1的制造过程需要组装图1所示的部件，包括通过泵送离子液体实现提取的装置或工具，以及调整温度和pH的装置。与现有工具相比，一些调节需要将酶保留在第一隔室3中，如机械过滤或保留几分钟以通过例如经离心将酶沉积在隔室的底部表面。因此，所提出的系统易于组装以用于工业应用，并确保连续监控反应/提取和收集过程。
因为除了产生离子溶液(该离子溶液在之后被加固的地基外部)以外，提出的系统1具有多种用途，它还可以实现以下一个或多个目的：(i)提取不应作为残余物保留在地基或地下水中的氮物质；(ii)回收至少一部分不需要的副产物，并将其用于其他工业目的；(iii)通过将酶保留在第一隔室中来确保不间断分解尿素；(iv)控制将注入地基中的液体的质量、条件和化学组成；和(v)将产生的离子物质储存在罐中以备将来使用。例如，氮副产物可以从系统1中除去，然后以气体、液体或固体形式再生以用于未来的应用。由于没有有机物质或酶或胶体进入膜过滤阶段，因此所提出的系统还将维护时间和成本降至最低。
为了总结上述教导，本发明在上述实施方案中提出了一种用于生物-化学-地质用途的隔室系统，其中该系统在单个设置中将所产生的生物钙化液的制备、分离、提取和质量控制组合在了一起。与现有技术的方案相反，本发明不将未反应的尿素引入地基中，并避免了已知和充分证明的残余氮对土壤和地下水的质量的有害影响。尿素在第一腔室3中完全或基本完全反应，因此只有碳酸盐被引入地基中。此外，该系统还可作为提取副产物的平台，通过在其他工业应用中的回收实现高效再生。此外并且任选地，为了实现高效回收，如前所解释，在膜过滤器9之前施加最佳的温度和pH，该膜过滤器9使富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液(即所需的残余液体溶液)处于引发土壤加固的最佳条件。如果温度高于25℃，pH高于9但低于9.5，则这些条件都是最佳条件。
尽管本发明在附图和前述描述中已被详细说明和描述，但此类说明和描述应被视为是说明性的或示例性的，而非限制性的，本发明不限于所公开的实施方案。基于对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实施所要求保护的发明时可以理解并实现其他实施方案和变型。通过组合上述任何特征的教导可以获得进一步的变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一个(a)”或“一个(an)”不排除复数。在相互不同的从属权利要求中列举了不同特征这一事实并不表明不能有利地使用这些特征的组合。权利要求中的任何参考符号不应被解释为限制本发明的范围。

Claims (21)

1.一种用于从富含尿素的溶液中生产富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液的方法，所述方法包括以下步骤：
提供(101)第一贮液槽(3)，所述第一贮液槽中包括第一混合物，所述第一混合物包括尿素和包括酶催化剂和/或微生物的催化剂；
进行(103，105)经所述催化剂催化的酶反应以使尿素分解，从而得到包括含氮物质和含碳酸盐物质的第二混合物；
将至少一些所述含氮物质转化(113)为气态含氮物质，得到含所述气态含氮物质和所述含碳酸盐物质的第三混合物；
通过气体可渗透过滤器(9)过滤(115)所述第三混合物，从而将至少一些所述气态含氮物质与所述含碳酸盐物质分离，同时使所述催化剂远离所述气体可渗透过滤器(9)；以及
收集(121)得到的富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述微生物包括产脲酶微生物。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中所述酶催化剂括脲酶。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述第一混合物、所述第二混合物和所述第三混合物中的至少一者保持在20℃以上的温度，优选25℃以上，并且其中将所述第一混合物、所述第二混合物和所述第三混合物中的至少一者保持在9至10的pH值下。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一混合物、所述第二混合物和所述第三混合物为含水混合物。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括将所述催化剂与所述第二混合物分离(107)，以使所述催化剂远离所述气体可渗透过滤器(9)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中在所述第一贮液槽(3)中进行所述分离。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中通过以下方式中的至少一种进行所述分离：过滤装置、离心机、聚集和重力。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括调节(113)所述第二混合物的温度、pH和压力中的任一者以将至少一些所述含氮物质转化为所述气态含氮物质。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在将所述第一贮液槽(3)与所述气体可渗透过滤器(9)可操作地连接的连接元件(5)中进行所述转化。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括将至少一些所述过滤的第三混合物重新引入至所述气体可渗透过滤器(9)中以进行进一步过滤。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述方法进一步包括确定(117)所述过滤的第三混合物中的所述含氮物质的浓度是否在给定的阈值以上，以及如果所述过滤的第三混合物中的所述含氮物质的浓度在所述给定的阈值以上，则将所述过滤的第三混合物重新引入(119)至所述气体可渗透膜(9)中以进行进一步过滤。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括将分离的气态含氮物质收集(121)在第二贮液槽(13)中，将得到的富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液收集在第三贮液槽(15)中。
14.一种用于地基加固的方法，包括以下步骤：
进行根据前述权利要求中任一项所述的方法，从而生产富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液；
将所述富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液冲洗到地基中；
向地基中提供钙源；以及
通过将所述钙源与所述富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液混合，从而在地基中形成水泥基产物。
15.一种用于从富含尿素的溶液中生产富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液的系统(1)，所述系统(1)包括：
第一贮液槽(3)，其用于第一混合物，所述第一混合物包括尿素和包括酶催化剂和/或微生物的催化剂以进行经所述催化剂催化的酶反应以使尿素分解，从而得到包括含氮物质和含碳酸盐物质的第二混合物；
可操作条件调节系统(16、17、18、25、27、29)，其用于调节所述第二混合物的可操作条件以使至少一些所述含氮物质转化为气态含氮物质，得到包括所述气态含氮物质和所述含碳酸盐物质的第三混合物；
气体可渗透过滤器(9)，其与所述第一贮液槽(3)可操作地连接，并被配置为将至少一些所述气态含氮物质与所述含碳酸盐物质分离，得到富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液，同时使所述催化剂远离所述气体可渗透过滤器(9)；
第二贮液槽(13)，其被配置为收集所述分离的气态含氮物质，并且其与所述气体可渗透过滤器(9)可操作地连接；和
第三贮液槽(15)，其被配置为收集所述富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液，并且其与所述气体可渗透过滤器(9)可操作地连接。
16.根据权利要求15所述的系统(1)，其中所述第三贮液槽(15)被配置为将所述富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液冲洗至地基中。
17.根据权利要求15或16所述的系统(1)，其中所述可操作条件调节系统(16、17、18、25、27、29)包括温度控制系统(16、25)、pH控制系统(17、27)和压力控制系统(18、29)，被配置为分别控制所述第一贮液槽(3)内和/或将所述第一贮液槽(3)与所述气体可渗透过滤器(9)可操作连接的连接元件(5)内的温度、pH和压力。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的系统(1)，其中所述气体可渗透过滤器(9)具有至少100m2的接触表面。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的系统(1)，其中所述气体可渗透过滤器(9)为液体不可渗透过滤器。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的系统(1)，其中所述气体可渗透过滤器(9)为聚丙烯纤维膜。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的系统(1)，其中所述气体可渗透过滤器(9)为孔截面为0.3μm至10μm或更具体地为0.4μm至1μm的多孔元件。
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