【摘要】：揚塵是造成空氣污染極其重要的因素之一,國內外科研工作者對其防治技術開展了大量的研究工作,研制了多類無機的、有機的及復合抑塵劑,但普遍存在功能單一、價格昂貴、甚至具有毒性、腐蝕性、難降解以及二次污染等一系列弊端。微生物水泥是基于微生物誘導礦化形成無機礦物從而膠結松散顆粒的一類新型膠凝材料,具有制備過程快速高效、容易控制和環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢,在揚塵控制、沙漠治理、地基加固、邊坡穩(wěn)定等領域有重要應用前景。目前,尿酶類微生物水泥研究較為廣泛,但在膠結過程中有氨釋放,對生態(tài)環(huán)境有一定的負面影響。本文篩選、培育出通過捕獲空氣中二氧化碳作為碳源并礦化沉積碳酸鹽礦物的微生物,研制了生態(tài)性更好、適合淺層膠結的新型抑塵微生物水泥。本文首先創(chuàng)新提出了微生物捕碳淺層礦化膠結沙土抑塵的技術路線,圍繞微生物水泥的配方優(yōu)化和應用方法兩個關鍵問題,深入開展了模擬沙土孔溶液中微生物捕碳礦化機理和沙土中微生物淺層礦化的膠結機理研究,優(yōu)化了抑塵微生物水泥的配方,并系統(tǒng)研究了微生物水泥淺層膠結沙土性能和微觀結構的表征方法及影響因素,提煉了微生物水泥的應用方法。針對微生物水泥低溫環(huán)境膠結效果差的問題,遴選了耐低溫微生物,研制了適用于低溫環(huán)境的微生物水泥。最后,結合三個實際工程施工現場的三類土壤,驗證了微生物水泥的揚塵抑制效果和生態(tài)相容性。本文主要研究內容和研究結論包括以下四個方面:(1)揭示了模擬沙土孔溶液中微生物捕碳礦化機理從熱激、萌發(fā)劑、營養(yǎng)物出發(fā),提高微生物芽孢萌發(fā)率,獲取最適的熱激溫度為70℃、熱激時間為10 min,最佳的萌發(fā)劑為丙氨酸、萌發(fā)劑濃度為6 mmol/L,而營養(yǎng)物對改善微生物芽孢萌發(fā)率無明顯促進作用;從微生物生長所需的碳源、氮源、無機鹽及生長因子出發(fā),促進微生物營養(yǎng)體生長繁殖,菌液OD_(400)值由0.43增至0.83,提高93.0%左右。采用電泳儀和凝膠成像系統(tǒng)鑒別微生物分泌酶蛋白表達形式,明確了微生物菌液中主要酶蛋白為碳酸酐酶;對比分析了模擬溶液、微生物培養(yǎng)液、分泌液對礦化過程中離子形成速率的影響,探明了酶促反應作用、微生物細菌體作為成核位點及加速反應的作用;通過X射線衍射(XRD)、能譜(EDS)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)分析手段,確定了微生物誘導礦化產物為類球狀的方解石�；谖⑸锷L繁殖特性和礦化產物形成過程,建立了微生物礦化機理模型。(2)闡明了微生物捕碳淺層膠結沙土的機理采用SEM、TEM分析了礦化產物與松散沙土顆粒間的微觀結構,闡明了不同方法膠結效果的差異,論證了微生物捕碳淺層膠結沙土的可行性;采用傅立葉紅外光譜(FTIR)、熱重差熱(TG/DSC)、核磁共振(NMR)分析微生物誘導礦化產物與松散沙土顆粒間的作用,揭示了微生物水泥膠結松散沙土顆粒的本質原因是形成了分子間氫鍵;研究了微生物、鈣源對膠結性能的影響,優(yōu)化了微生物水泥的配方。(3)明確了微生物捕碳淺層膠結沙土的表征方法和影響因素深入研究了膠結工藝、pH值、環(huán)境溫度、土壤類型對膠結效果的影響,結果表明無壓噴灑工藝膠結強度更高、結構更密實、操作便捷;微生物水泥較為適宜pH環(huán)境為中性和弱堿性;隨著環(huán)境溫度的升高,膠結效果明顯改善,低溫環(huán)境下膠結效果最差;微生物水泥用量相同時,膠結粘土效果最好,膠結粉土次之,膠結沙土最差。從液限、塑限、塑性指數、滲透系數、壓縮固結、直接剪切等方面研究了土壤的工程性能,明確了微生物水泥對土壤的工程性能基本無影響。研究了不同深度膠結體組成、方解石含量、表面硬度及微觀形貌,結果表明由表層到深層均發(fā)現膠結產物方解石的形成、方解石的含量逐漸降低、斷面硬度逐漸下降,且斷面微觀孔隙和缺陷逐漸增多;采用X射線計算機斷層掃描(X-CT)研究膠結體三維立體結構和二維斷面孔隙分布,隨著微生物水泥用量的增加,膠結體整體孔隙數量和尺寸逐漸降低,膠結效果逐漸增強;在噴灑不同用量微生物水泥的情況下,膠結體表層處斷面的孔隙數量和尺寸均最低,均呈現最優(yōu)的膠結效果。針對低溫環(huán)境膠結效果差的問題,選育了耐低溫微生物,研制了適用于低溫的微生物水泥,論證了膠結效果。(4)論證了微生物水泥現場應用的抑塵效果針對不同的土壤類型,分別遴選了相應的工程進行現場應用�，F場應用結果表明微生物水泥可將三類土壤膠結形成具有一定力學性能的膠結體,膠結體具有良好的抗風蝕性、抗雨水沖刷性、保濕性、抗老化性、抗凍融性和生態(tài)相容性;在處理不同類型土壤時,可適當調整微生物水泥的用量,如膠結沙土可適當增加微生物水泥的用量,而在膠結粘土時可適當減少微生物水泥的用量。與傳統(tǒng)的抑塵方法相比,微生物水泥具有更優(yōu)越的經濟性和生態(tài)性。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：X701;TQ172.7
【圖文】：

構對其防治技術開展了大量研究。當前揚塵的防治方法主要有灑水、機械加蓋、防風墻、防塵網和表面固化等，灑水防塵最大缺點是造成大量水資源的浪費，不是經濟有效的抑塵方法；機械加蓋、防風墻、防塵網成本高，有效負載低，浪費材料，且不能捕捉漂浮在空氣中的粉塵，對于不斷有新的粉塵產生的作業(yè)區(qū)，抑塵能力有限；表面固化防塵法是通過物理、化學抑塵劑將揚塵顆粒膠結成團或表面結殼，從而抑制揚塵飛揚[7-16]，該方法抑塵效果顯著，受到國內外研究機構的廣泛關注。盡管上述表面固化抑塵劑種類繁多、抑塵效果好，但普遍存在功能單一、價格昂貴、甚至具有毒性、腐蝕性、難降解等一系列弊端，難以大規(guī)模的推廣應用[17-20]。因此，研發(fā)降解性好、無二次污染、抑塵效果優(yōu)良且價格低廉的新材料和新技術在今后很長時間內將是一個重要的研究熱點。自然界中廣泛存在的某些微生物，能夠誘導礦化沉積具有一定膠凝特性的礦物，可將松散顆粒膠結成為一個整體，有效改善土體的工程性質，這一過程被稱為微生物誘導沉積，并將其礦化產物作為新一代膠凝材料，即微生物水泥[21]。微生物水泥是根據微生物的酶化作用分解底物礦化形成碳酸根離子，而在礦化形成碳酸根離子的同時，由于微生物的能量交換致使其周圍微環(huán)境 pH 值升高，此時在外界鈣源存在情況下，便礦化形成碳酸鈣沉積，在這個過程中細菌體同時為碳酸鈣的沉積提供了成核位點（圖 1-1）。

基于自然界廣泛存在的微生物誘導礦化沉積現象制備的微生物水泥具有環(huán)境友好、制備過程快速高效、晶體尺寸和膠結強度可調控等諸多優(yōu)勢，有望應用于揚塵控制、沙漠治理、地基加固、邊坡穩(wěn)定、重金屬污染土壤修復、石質文物以及水泥基材料裂縫修復等諸多領域（圖1-2）。(a) (b)(c) (d)(e) (f)圖 1-2 微生物水泥潛在應用[22-26]（a）揚塵控制 （b）沙漠治理 （c）地基加固 （d）邊坡穩(wěn)定（e）重金屬污染土壤修復 （f）水泥基材料裂縫修復Fig. 1-2 Potential application of microbe cement[22-26]（a）Fugitive dust suppression（b）Desertsettlement （c）Foundation reinforcement （d）Slope stability （e）Remediation of heavy metalcontaminated soil （f）Repair of cementitious material crack

圖 1-3 微生物水泥膠結 40 m3沙體[38]Fig. 1-3 40 m3sand body cemented by microbe cement[38]Harkes MP 等[40, 41]認為低濃度鹽溶液稀釋菌液可以促進微生物在松散顆粒中的傳輸，于微生物在松散顆粒中的均勻分布；還可以通過多次注入膠結溶液來解決微生物在松散沙中的分布不均現象，同時需要控制好注射速度、注射間隔時間等。Qian CX 等[42]于 2004 年率先在國內開展微生物水泥的研究，采用微生物方法沉積碳酸將菌株接種至裝有含尿素底物的培養(yǎng)基上，在30℃下進行振蕩培養(yǎng)，并將初始pH值控制在

【參考文獻】

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本文編號：2749016