發(fā)布時(shí)間：2020-01-31 17:31

【摘要】：微生物水泥是基于微生物誘導(dǎo)礦化形成無(wú)機(jī)礦物從而固結(jié)松散顆粒的一類新型膠凝材料,在地基加固、揚(yáng)塵治理等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。目前,生物碳酸鈣水泥研究較為廣泛,但在膠結(jié)過程中有氨排放,對(duì)生態(tài)環(huán)境有一定的負(fù)面影響。本論文通過篩選、培育出一種適合膠結(jié)用的磷酸鹽礦化菌,對(duì)特定底物作用并礦化沉積出生物磷酸鹽礦物,從而起膠結(jié)作用。同時(shí)通過添加可溶性磷酸鹽至生物碳酸鹽水泥中,將膠結(jié)過程中產(chǎn)生的氨/銨根轉(zhuǎn)化為環(huán)境友好物質(zhì)鳥糞石,與碳酸鹽一起膠結(jié)松散粒子。這兩種微生物水泥都是綠色環(huán)保型水泥,具有重要的應(yīng)用前景。本文圍繞生物磷酸鹽水泥和復(fù)合水泥的研制及其膠結(jié)機(jī)理,研究了磷酸鹽礦化菌水解底物生成磷酸根的類型,明確了不同性質(zhì)金屬離子生成相應(yīng)的生物磷酸鹽的特性；在灌漿工藝基礎(chǔ)上,提出采用預(yù)沉淀拌合新工藝,研究了生物磷酸鋇、生物磷酸鎂、生物磷酸鐵膠結(jié)松散砂粒的力學(xué)性能,并以生物磷酸鋇為例研究了漿料靜置時(shí)間和摻量對(duì)膠砂性能的影響：針對(duì)生物碳酸鈣水泥中氨氣排放問題,提出采用磷酸鹽將其轉(zhuǎn)化為鳥糞石制備復(fù)合生物水泥的技術(shù)路線；通過Mg/V摩爾比、反應(yīng)溫度、pH和C032-調(diào)控,研究了如何提高固氨率；在灌漿工藝下對(duì)比了三種配方復(fù)合水泥膠砂性能。最后,對(duì)生物磷酸鹽水泥和復(fù)合生物水泥的膠結(jié)機(jī)理開展了研究。取得的主要研究結(jié)論和創(chuàng)新成果包括以下五方面：(1)生物磷酸鹽的制備與特性磷酸鹽礦化菌礦化合成磷酸鋇鹽、磷酸鎂鹽和磷酸鐵鹽過程中,首先是磷酸鹽礦化菌分泌的堿性磷酸酶將底物水解,生成PO43=離子,PO43-離子再與周圍環(huán)境中不同類型的金屬離子反應(yīng),在磷酸鹽礦化菌菌體和分泌物調(diào)控下生成微米和納米尺度的MHPO4,MPO4或M3(P04)2。通過紅外(FTIR)、X-射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和熱重-差熱分析(DSC-TGA)等測(cè)試分析表明,生物磷酸鋇鹽、生物磷酸鎂鹽和生物磷酸鐵鹽的結(jié)構(gòu)、形貌、熱性質(zhì)等方面與化學(xué)合成的磷酸鹽的區(qū)別是：1)生物BaHPO4粒子形貌為啞鈴形,而化學(xué)BaHPO4為四邊形,同時(shí)生物BaHPO4平均粒徑大于化學(xué)BaHPO4;生物BaHPO4的熱分解溫度略低于化學(xué)BaHPO4,在加熱分解時(shí)生物BaHPO4的質(zhì)量損失高于化學(xué)BaHP04。2)生物Mg3(PO4)2·5H2O的形貌為蜂窩狀結(jié)構(gòu),而化學(xué)Mg3(PO4)2·5H2O為不規(guī)則結(jié)構(gòu),同時(shí)生物Mg3(PO4)2·5H2O平均粒徑小于化學(xué)Mg3(PO4)2·5H2O;生物Mg3(PO4)2·5H2O的熱分解溫度高于化學(xué)Mg3(PO4)2·5H2O,在加熱分解時(shí)生物Mg3(PO4)2·5H2O的質(zhì)量損失高于化學(xué)Mg3(PO4)2·5H2O。3)Fe2(PO4)2·8H2O可以通過磷酸鹽礦化菌礦化合成,而不能通過簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)合成。(2)生物磷酸鋇鹽預(yù)沉淀時(shí)間和用量對(duì)膠結(jié)砂柱性能的影響創(chuàng)新性提出了預(yù)沉淀法制備生物磷酸鋇水泥,并揭示在采用預(yù)沉淀拌合工藝膠結(jié)砂柱時(shí),生物BaHPO4漿料的靜置時(shí)間對(duì)砂柱的抗壓強(qiáng)度有較大影響。生物BaHPO4漿料的摻量在10%-50%時(shí),砂柱的抗壓強(qiáng)度隨摻量的增加而升高,但在60%時(shí)砂柱的抗壓強(qiáng)度降低。砂柱的孔隙率隨摻量的增加而降低但減小幅度不同。SEM分析表明,隨生物BaHPO4漿料摻量的增加,松散砂粒之間填充物增多。(3)生物碳酸鹽水泥中氨的轉(zhuǎn)化方法及復(fù)合水泥的配方微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉積過程中獲得1mol碳酸鈣會(huì)排放約lmol氨氣到空氣中。提出并證實(shí)在微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉積過程中加入K2HPO4·3H2O可以有效將氨／銨根離子在鎂離子存在下轉(zhuǎn)化為具有膠結(jié)作用的鳥糞石,從而獲得復(fù)合生物水泥,其配方(摩爾比)為生物碳酸鹽水泥MgCl2:K2HPO4·3H2O=1:2:2,此時(shí)溶液中固氨率為62.75%。該配方下在膠結(jié)砂柱過程中固氨率為75.12%。此配方下,通過優(yōu)化Mg；P摩爾比、反應(yīng)溫度、pH和添加CO32-,確定了碳酸鈉和最佳pH復(fù)合下膠結(jié)砂柱過程中固氨率最佳,可達(dá)88.52%。(4)復(fù)合水泥膠砂工藝與性能在預(yù)沉淀拌合工藝基礎(chǔ)上,采用灌漿工藝膠結(jié)砂柱進(jìn)行比較,確定了復(fù)合水泥在不同膠結(jié)次數(shù)下膠結(jié)砂柱的滲透性、孔隙率、抗壓強(qiáng)度和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)。對(duì)于砂柱抗壓強(qiáng)度,復(fù)合水泥預(yù)沉淀拌合工藝不及灌漿工藝的原因是由粒子尺寸和形貌導(dǎo)致的。接下來(lái),采用三種不同配方的復(fù)合水泥(CJ1、CJ1.5和CJ2)膠結(jié)砂柱,對(duì)比了不同類型砂柱的滲透性、孔隙率、抗壓強(qiáng)度和固氨率,確定了CJ2膠結(jié)砂體的綜合性能最佳。CJ2配方中K2HPO4·3H2O與尿素的摩爾比為2：1。(5)生物磷酸鹽水泥和復(fù)合水泥膠結(jié)松散砂粒的機(jī)理采用FTIR、XPS、DSC-TGA、SEM和TEM測(cè)試技術(shù),分析砂柱中生物磷酸鹽水泥和復(fù)合水泥產(chǎn)物的熱性質(zhì)、Si-O鍵、Si(2p)電子結(jié)合能、膠結(jié)狀態(tài)等參數(shù)表明,生物磷酸鋇鹽與松散砂粒間的范德華鍵作用是膠結(jié)的本質(zhì),復(fù)合水泥產(chǎn)物與松散砂粒間分子內(nèi)氫鍵作用是膠結(jié)的本質(zhì)。兩種水泥機(jī)理的差異是由膠結(jié)產(chǎn)物和有機(jī)基質(zhì)造成的。
【圖文】：

速水解揉素產(chǎn)生大量的氨氣和碳酸根，一部分氨氣無(wú)法溶解到溶液中并排放到環(huán)境中，另一逡逑部分被用來(lái)制造堿性環(huán)境（高ｐＨ和X椉尤芙馕藁跡�，为碳酸丫暽喉炨供条件Ｐｓ’Ｗ。微生辶x銜鎪囁桑自謁繕⒖帕？障噸�，将丝槩颗粒胶结硠h哂幸歡ρ閱艿惱�。哇E保畢允荊義銜⑸鎪嘌芯康某叨戎饕性諼⒚綴兔字�，而諒T┦匝槌叨榷源蠊婺Ｓτ檬侵涼刂匾義系幕誒┰鍪匝楦爬浚⑸鎪囁殺揮τ糜詡庸痰鼗�、稳菇{逼�、处理梢r�、修复辶x纖嗷牧狹遜斕裙こ塘煊潁繽跡保菜盡ｅ義閑南邇義锨呤㈠五懾危恚礤危幔鑠義希停隋�？Ｎ邋Ｍ０欏ＷＫＭ｝x懾危停戾澹灣義希鵡蒞ａ逡逑柋搤峻．ｍ逡逑ｄｍ邐（ｕ邐ｋｍ逡逑圖微生物水泥擴(kuò)增試驗(yàn)概攬ｉｗ逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｏｖｅｒｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅ打ｔ；ａｌ邋Ｕｐｓｃａｌｉｎｇ邋ｏｆ邋ｂｉｏｃｅｍｅ打ｔ［３。逡逑v崆棋義希ǎ幔╁危ǎ猓╁義希插義，

本文編號(hào)：2575111