CN117965178A - 一种罗伊氏乳杆菌土壤固化剂及其制备方法和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种罗伊氏乳杆菌土壤固化剂及其制备方法和使用方法，涉及特殊土改性领域，包括：使碳酸钙粉末和水进行反应后，获得碳酸氢钙改性剂；制备罗伊氏乳杆菌菌液；使所述罗伊氏乳杆菌菌液和尿素溶液混匀后，得到胶结剂；使所述胶结剂和所述碳酸氢钙改性剂混匀后，收集罗伊氏乳杆菌土壤固化剂。如此，通过生物矿化反应液中的蛋白质提供有机质为固化剂提供一定程度的粘性，从而增加土颗粒间的粘结力；最终生成具有成核位点的碳酸钙团也会填充土颗粒孔隙，胶结、包裹相邻土颗粒，进而增强土体整体性。
Description
技术领域
本申请涉及特殊土改性领域，尤其涉及一种罗伊氏乳杆菌土壤固化剂及其制备方法和使用方法。
背景技术
近些年，我国需要开发大量水利水电工程以减少煤电占比。在水利工程中，分散土是工程极力避免的一种特殊土。其抗冲蚀能力很低，在低含盐量水或纯净水中细颗粒土间的粘聚力大部分甚至全部丧失，土颗粒体自行分散为原级粘土颗粒。因此，若采用分散土作为水利工程如堤坝、渠道等防渗体，则在水的作用下易发生表层降水侵蚀和内部管涌破坏等危害。
目前工程上对于分散土的常规处理方法有物理覆盖法、换土法、化学改性法和生物改性法。但物理隔绝不能根治土体自身不利性质；换填法耗能高且价格昂贵；传统化学改性多采用水泥、石灰、粉煤灰等材料改善土的力学性能、水稳性和抗冻性，均涉及高耗能和温室气体排放，对环境影响较大；生物法由于刚起步，存在一系列问题，如利用芽孢杆菌的MICP(微生物诱导碳酸钙沉积)技术存在反应液渗透性差、生态安全、释放污染物等一系列待解决的问题，导致目前应用于实际工程较少。
因此，寻找一种环境友好型的土壤固化剂，是各国水利及岩土工程师们亟待解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述技术问题，本申请提供了一种罗伊氏乳杆菌土壤固化剂及其制备方法和使用方法，以克服现有技术中的渗透性差、生态安全性低且存在污染物等问题。
为了实现上述目的，本申请实施例的技术方案是：
本申请的第一方面提供一种罗伊氏乳杆菌土壤固化剂的制备方法，包括：
使碳酸钙粉末和水进行反应后，获得碳酸氢钙改性剂；
制备罗伊氏乳杆菌菌液；
使所述罗伊氏乳杆菌菌液和尿素溶液混匀后，得到胶结剂；
使所述胶结剂和所述碳酸氢钙改性剂混匀后，收集罗伊氏乳杆菌土壤固化剂。
结合第一方面优选地，所述使碳酸钙粉末和水进行反应时，所述碳酸钙粉末与所述水的质量比为1：200～400。
结合第一方面优选地，所述制备罗伊氏乳杆菌菌液包括：
使罗伊氏乳杆菌按照1～5％的接种量接种至121℃灭菌后的培养基中，于35～45℃的恒温培养箱中，培养18～24h，得到所述罗伊氏乳杆菌菌液。
结合第一方面优选地，所述使所述罗伊氏乳杆菌菌液和尿素溶液混匀时，所述罗伊氏乳杆菌菌液和尿素溶液的体积比为1：1.75～0.75。
结合第一方面优选地，所述尿素溶液的浓度为0.1～0.7mol/L。
结合第一方面优选地，所述使所述胶结剂和所述碳酸氢钙改性剂混匀时，所述胶结剂与所述碳酸氢钙改性剂的体积比为1：1～5。
本申请的第二方面提供一种第一方面所述方法制备的罗伊氏乳杆菌土壤固化剂。
本申请的第三方面提供一种第二方面所述的罗伊氏乳杆菌土壤固化剂的使用方法，包括：
通过注浆管以10-30L/min的速率将所述碳酸氢钙改性剂注入土体内部，得到改性后的土体；
通过所述注浆管以5～20L/min的速率将所述胶结剂注入所述改性后的土体中，得到固化后的土体；
和/或，通过表面喷洒法将所述胶结剂渗入所述改性后的土体中，得到所述固化后的土体。
与现有技术相比，本申请实施例的有限或有益效果至少包括：
本申请实施例提供的制备方法，一方面，通过饱和碳酸氢钙溶液改性剂中的Ca2+离子提供的离子交换作用，能够将土颗粒吸附的钠离子置换下来，降低土颗粒间的双电层厚度，引力的增加量大于斥力，净势能表现为引力能，引起颗粒凝聚，抑制土体分散；另一方面，采用酸性碳酸氢钙溶液与酸性脲酶的复配，能够实现基于实际土体碱性区间调节反应液的初始pH值，使反应终期达到预期效果，而pH值的降低会引起颗粒带正电荷的边缘与带负电荷的表面相互作用，使颗粒絮凝；第三方面，低pH值也会降低双电层厚度，使土颗粒更趋于聚集；同时，酸性环境下可以基本消除生物矿化副产物氨气的生成，稳定为离子形态；第四方面，通过生物矿化反应液中的蛋白质提供有机质为固化剂提供一定程度的粘性，从而增加土颗粒间的粘结力；第五方面，最终生成具有成核位点的碳酸钙团也会填充土颗粒孔隙，胶结、包裹相邻土颗粒，进而增强土体整体性。
附图说明
图1为实施例2制备的罗伊氏乳杆菌土壤固化剂的pH和碳酸钙产率随时间变化的规律曲线图；
图2为实施例2制备的罗伊氏乳杆菌土壤固化剂生成碳酸钙的电镜扫描图与物质分析图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述，所描述的实施例不应视为对本申请的限制，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它实施例，都属于本申请保护的范围。
在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。除非另有定义，本申请实施例所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本申请实施例所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
在本实施例以下描述中，术语“包括”、“包含”、“具有”和“含有”等均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
需要说明的是，本申请实施例中的所有原料/试剂均可在市场上购买或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备获得；本申请实施例中的术语“和/或”仅用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B表示单独存在A、单独存在B、同时存在A和B的三种情况，其中，A、B可以为单数或复数，字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本实施例以下描述中，术语“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a，b或c中的至少一项(个)”，或，“a，b和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a，b，c，a-b(即a和b)，a-c，b-c，或a-b-c，其中a，b，c分别可以是单个，也可以是多个。
本领域技术人员应当理解，在本申请实施例以下描述中，序号的先后并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本领域技术人员应当理解，在本申请实施例中的数值范围应理解为还具体公开该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值和陈述范围内的中间值以及其他任何陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本申请内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的技术/科学术语具有本申请所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本申请仅描述优选的方法和材料，但在本申请的实施例或测试例中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通常引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本申请书的内容为准。
需要说明的是，本申请实施例中的的所有原料和/或试剂均是在市场上购买或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备获得。
第一方面，本申请实施例提供一种罗伊氏乳杆菌土壤固化剂的制备方法，该制备方法包括：
使碳酸钙粉末和水进行反应后，获得碳酸氢钙改性剂；
制备罗伊氏乳杆菌的培养基；
采用所述培养基制备罗伊氏乳杆菌菌液；
使所述罗伊氏乳杆菌菌液和尿素溶液混匀后，得到胶结剂；
使所述胶结剂和所述碳酸氢钙改性剂混匀后，收集罗伊氏乳杆菌土壤固化剂。
本申请实施例引入的碳酸氢钙改性剂在土壤固化剂中的作用主要是增加土壤的抗压强度和耐水性。碳酸氢钙改性剂可以与土壤中的水分和有机质发生反应，生成碳酸氢钙和氢氧化钙等物质，这些物质可以在土壤颗粒之间形成化学键，从而增强土壤的结合力和耐水性。同时，碳酸钙也可以填充土壤中的孔隙，减少土壤颗粒间的空隙，从而提高土壤的密实度和抗压强度。
本申请实施例提供的制备方法，一方面，通过饱和碳酸氢钙溶液改性剂中的Ca2+离子提供的离子交换作用，能够将土颗粒吸附的钠离子置换下来，降低土颗粒间的双电层厚度，引力的增加量大于斥力，净势能表现为引力能，引起颗粒凝聚，抑制土体分散；另一方面，采用酸性碳酸氢钙溶液与酸性脲酶的复配，能够实现基于实际土体碱性区间调节反应液的初始pH值，使反应终期达到预期效果，而pH值的降低会引起颗粒带正电荷的边缘与带负电荷的表面相互作用，使颗粒絮凝；第三方面，低pH值也会降低双电层厚度，使土颗粒更趋于聚集；同时，酸性环境下可以基本消除生物矿化副产物氨气的生成，稳定为离子形态；第四方面，通过生物矿化反应液中的蛋白质提供有机质为固化剂提供一定程度的粘性，从而增加土颗粒间的粘结力；第五方面，最终生成具有成核位点的碳酸钙团也会填充土颗粒孔隙，胶结、包裹相邻土颗粒，进而增强土体整体性。
具体实施例中，本申请实施例中碳酸钙粉末和水进行反应时，碳酸钙粉末与水的质量比优选为1：200～400。其中，当碳酸钙粉末与水的质量比小于1：200时，碳酸钙溶液会处于不饱和状态，导致在使用碳酸氢钙改性剂时，反应物质的浓度不足，从而影响改性的效果；当碳酸钙粉末与水的质量比大于1：400时，碳酸钙溶液会处于过饱和状态，溶液中包含的碳酸钙浓度超过了其在该条件下的溶解度，可能导致不稳定性。这可能引起碳酸钙的沉淀，使得改性剂在溶液中难以均匀分布。这种沉淀可能会降低改性效果，甚至在一些情况下对工艺和设备产生不良影响。
其中，碳酸氢钙改性剂起到固化土壤的作用。
具体实施例中，本申请实施例中采用培养基制备罗伊氏乳杆菌菌液优选为：使罗伊氏乳杆菌按照1～5％的接种量接种至121℃灭菌后的所述培养基中，于35～45℃的恒温培养箱中，培养18～24h，得到所述罗伊氏乳杆菌菌液。其中，当罗伊氏乳杆菌的接种量小于1％时，菌液中的起始细胞数相对较少，可能导致菌落形成时间延长，生长速度缓慢，或者甚至在一些情况下无法形成明显的菌落。这可能影响到对罗伊氏乳杆菌的产酶活性；当罗伊氏乳杆菌的接种量大于5％时，可能导致培养基中的养分迅速被消耗殆尽，而细菌在过度竞争的情况下可能出现自相残杀，生长受到限制。
其中，罗伊氏乳杆菌菌液在土壤固化剂中起到改善土壤质量、增强土壤抗逆性和稳定性、增加土壤微生物多样性、抑制病原菌生长的作用，能够有助于提高土壤的固化效果。
需要说明的是，本申请实施例对于罗伊氏乳杆菌的培养基不作具体限定。
具体实施例中，本申请实施例中罗伊氏乳杆菌菌液和尿素溶液混匀时，罗伊氏乳杆菌菌液和尿素溶液的体积比优选为1：1.75～0.75。其中，当罗伊氏乳杆菌菌液和尿素溶液的体积比小于1：1.75时，可能会导致反应物质的浓度不足，使得酶的活性受到抑制，从而减少与碳酸氢钙溶液反应的次数，导致碳酸钙沉淀量减少，影响到对胶结剂的效果；当罗伊氏乳杆菌菌液和尿素溶液的体积比大于1：0.75时，罗伊氏乳杆菌会过量，产生不必要的浪费。
具体实施例中，本申请实施例中尿素溶液的浓度为0.1～0.7mol/L。当尿素溶液的浓度小于0.1mol/L时，可能导致碳酸根离子生成量少，进而影响碳酸钙沉淀产量，不利于胶结土体；当尿素溶液的浓度大于0.7mol/L时，可能导致碳酸根离子生成速率过快，反应过于剧烈。这可能使得胶结剂在较短的时间内凝固或结块，不易控制。
具体实施例中，本申请实施例中胶结剂与碳酸氢钙改性剂的体积比优选为1：1～5。其中，当胶结剂与碳酸氢钙改性剂的体积比小于1：1时，碳酸根离子无法完全被消耗，浪费胶结剂；当胶结剂与碳酸氢钙改性剂的体积比大于1：5时，过多的钙离子可能会抑制罗伊氏乳杆菌所产酶的活性，导致碳酸根离子无法正常产出。
第二方面，本申请实施例提供一种第一方面所述方法制备的罗伊氏乳杆菌土壤固化剂。
第三方面，本申请实施例提供一种第二方面所述的罗伊氏乳杆菌土壤固化剂的使用方法，该方法包括：
通过注浆管以10-30L/min的速率将所述碳酸氢钙改性剂注入土体内部，得到改性后的土体；
通过所述注浆管以5～20L/min的速率将所述胶结剂注入所述改性后的土体中，得到固化后的土体；
和/或，通过表面喷洒法将所述胶结剂渗入所述改性后的土体中，得到所述固化后的土体。
下面将结合具体实施例对本申请的技术方法作进一步地阐述。
需要说明的是，本申请实施例中的碳酸钙源为烘干的鸡蛋壳，将烘干的鸡蛋壳采用球磨机粉碎，过100目筛，得到鸡蛋壳粉末，即碳酸钙粉末。
实施例1
本申请实施例1提供一种罗伊氏乳杆菌土壤固化剂的制备方法，具体步骤如下：
(1)使碳酸钙粉末和水进行反应后，获得碳酸氢钙改性剂：
将300g碳酸钙粉末和60L去离子水加入密封反应釜中，通入1MPa CO2气体，以300r/min的转速搅拌30min，制得饱和碳酸氢钙溶液，即碳酸氢钙改性剂。其中，碳酸氢钙改性剂为弱酸性。
(2)制备罗伊氏乳杆菌菌液：
将罗伊氏乳杆菌按5％的接种量接种至121℃灭菌后的培养基中，再将其置于35℃的恒温振荡培养箱内，静置培养18～24h即得到罗伊氏乳杆菌菌液。
(3)使罗伊氏乳杆菌菌液和尿素溶液混匀后，得到胶结剂：
配置浓度为0.1mol/L的尿素溶液，再按1：1体积比将罗伊氏乳杆菌菌液和尿素溶液进行混合，制得胶结剂。
(4)使胶结剂和碳酸氢钙改性剂混匀后，收集罗伊氏乳杆菌土壤固化剂：
将碳酸氢钙改性剂和胶结剂按1：1体积比进行混合，得到罗伊氏乳杆菌土壤固化剂。
实施例2
按实施例1的方法制备，所不同的是尿素浓度为0.5mol/L。
实施例3
按实施例1的方法制备，所不同的是尿素浓度为0.7mol/L。
实施例4
按实施例1的方法制备，所不同的是尿素浓度为0.5mol/L，罗伊氏乳杆菌菌液和尿素溶液的比例为1：1.75。
实施例5
按实施例1的方法制备，所不同的是尿素浓度为0.5mol/L，罗伊氏乳杆菌菌液和尿素溶液的比例为1：0.75。
实施例6
按实施例1的方法制备，所不同的是碳酸氢钙改性剂中碳酸钙粉末掺量为200g，尿素浓度为0.5mol/L，罗伊氏乳杆菌菌液和尿素溶液的比例为1：1.75。
实施例7
按实施例1的方法制备，所不同的是碳酸氢钙改性剂中碳酸钙粉末掺量为150g，尿素浓度为0.5mol/L。
实施例8
按实施例1的方法制备，所不同的是尿素浓度为0.5mol/L，胶结剂和碳酸氢钙改性剂的体积比为1：3。
实施例9
按实施例1的方法制备，所不同的是胶结液中的尿素浓度为0.5mol/L，胶结剂和碳酸氢钙改性剂的体积比为1：5。
图1为实施例2制备的罗伊氏乳杆菌土壤固化剂的pH和碳酸钙产率随时间变化的规律曲线图。图2为实施例2制备的罗伊氏乳杆菌土壤固化剂生成碳酸钙的电镜扫描图与物质分析图。数据结果表明，反应液中的pH持续上升，这说明罗伊氏乳杆菌使得尿素分解。在反应进行到第12天，pH升至8左右，碳酸钙也开始析出。根据电镜扫描和物质分析图可以看出，罗伊氏乳杆菌土壤固化剂生成了具有胶结作用的碳酸钙。
实施例1～9中罗伊氏乳杆菌土壤固化剂溶液性能如表1所示，测试28天内罗伊氏乳杆菌土壤固化剂溶液中pH和钙离子浓度的变化，并测试最终碳酸钙的生成质量和生产率。本申请的性能测试包括但不限于：pH测试和质量法测定碳酸钙生成量。
数据结果表明，反应28天后，反应液的pH保持在7左右。并且，碳酸钙产率在第28天产率达到66.0％～99.4％，说明罗伊氏乳杆菌的加入能有效析出碳酸钙晶体，这也是罗伊氏乳杆菌改性土体的最主要的方式。从图2中可以看出，溶液试验中生成的晶体为碳酸钙，并且结构紧密。
本申请提供一种罗伊氏乳杆菌土壤固化剂的使用方法，具体步骤如下：
需要说明的是，测试土样选自陕西杨凌地区分散土。
试验过程：将实施例1-9制备的碳酸氢钙改性剂用蠕动泵按5mL/min的速率注入土体内部，总注浆量控制在100L/m2。静置30min后，再以5mL/min的速率注入100L/m2的实施例1-9制备的胶结剂。养护28天后，测定土样的无侧限抗压强度，测试结果如表1所示。
对照组固化过程同上，注入溶液换为自来水。
表1不同配比下的反应液28天pH、碳酸钙产率和无侧限抗压强度
试验结果：结果见表1表明，采用自来水进行处理的杨凌黄土(对照组)的无侧限抗压强度为132.54kpa；而采用罗伊氏乳杆菌反应液(改性剂+胶结液)进行处理的杨凌黄土的无侧限抗压强度在273.37～385.02kpa。由此可见，在土体中加入罗伊氏乳杆菌反应液(改性剂+胶结液)，可胶结土颗粒，提高土体的抗压强度。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种罗伊氏乳杆菌土壤固化剂的制备方法，其特征在于，包括：
使碳酸钙粉末和水进行反应后，获得碳酸氢钙改性剂；
制备罗伊氏乳杆菌菌液；
使所述罗伊氏乳杆菌菌液和尿素溶液混匀后，得到胶结剂；
使所述胶结剂和所述碳酸氢钙改性剂混匀后，收集罗伊氏乳杆菌土壤固化剂。
2.根据权利要求1所述的生物土壤固化剂的制备方法，其特征在于，所述使碳酸钙粉末和水进行反应时，所述碳酸钙粉末与所述水的质量比为1：200～400。
3.根据权利要求1所述的罗伊氏乳杆菌土壤固化剂的制备方法，其特征在于，所述制备罗伊氏乳杆菌菌液包括：
使罗伊氏乳杆菌按照1～5％的接种量接种至121℃灭菌后的培养基中，于35～45℃的恒温培养箱中，培养18～24h，得到所述罗伊氏乳杆菌菌液。
4.根据权利要求1所述的罗伊氏乳杆菌土壤固化剂的制备方法，其特征在于，所述使所述罗伊氏乳杆菌菌液和尿素溶液混匀时，所述罗伊氏乳杆菌菌液和尿素溶液的体积比为1：1.75～0.75。
5.根据权利要求1所述的罗伊氏乳杆菌土壤固化剂的制备方法，其特征在于，所述尿素溶液的浓度为0.1～0.7mol/L。
6.根据权利要求1所述的罗伊氏乳杆菌土壤固化剂的制备方法，其特征在于，所述使所述胶结剂和所述碳酸氢钙改性剂混匀时，所述胶结剂与所述碳酸氢钙改性剂的体积比为1：1～5。
7.一种根据权利要求1-6任一所述方法制备的罗伊氏乳杆菌土壤固化剂。
8.一种根据权利要求7所述的罗伊氏乳杆菌土壤固化剂的使用方法，其特征在于，包括：
通过注浆管以10～30L/min的速率将所述碳酸氢钙改性剂注入土体内部，得到改性后的土体；
通过所述注浆管以5～20L/min的速率将所述胶结剂注入所述改性后的土体中，得到固化后的土体；
和/或，通过表面喷洒法将所述胶结剂渗入所述改性后的土体中，得到所述固化后的土体。
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