發(fā)布時間：2020-01-31 17:31

【摘要】：微生物水泥是基于微生物誘導礦化形成無機礦物從而固結松散顆粒的一類新型膠凝材料,在地基加固、揚塵治理等領域具有應用前景。目前,生物碳酸鈣水泥研究較為廣泛,但在膠結過程中有氨排放,對生態(tài)環(huán)境有一定的負面影響。本論文通過篩選、培育出一種適合膠結用的磷酸鹽礦化菌,對特定底物作用并礦化沉積出生物磷酸鹽礦物,從而起膠結作用。同時通過添加可溶性磷酸鹽至生物碳酸鹽水泥中,將膠結過程中產(chǎn)生的氨/銨根轉化為環(huán)境友好物質鳥糞石,與碳酸鹽一起膠結松散粒子。這兩種微生物水泥都是綠色環(huán)保型水泥,具有重要的應用前景。本文圍繞生物磷酸鹽水泥和復合水泥的研制及其膠結機理,研究了磷酸鹽礦化菌水解底物生成磷酸根的類型,明確了不同性質金屬離子生成相應的生物磷酸鹽的特性；在灌漿工藝基礎上,提出采用預沉淀拌合新工藝,研究了生物磷酸鋇、生物磷酸鎂、生物磷酸鐵膠結松散砂粒的力學性能,并以生物磷酸鋇為例研究了漿料靜置時間和摻量對膠砂性能的影響：針對生物碳酸鈣水泥中氨氣排放問題,提出采用磷酸鹽將其轉化為鳥糞石制備復合生物水泥的技術路線；通過Mg/V摩爾比、反應溫度、pH和C032-調控,研究了如何提高固氨率；在灌漿工藝下對比了三種配方復合水泥膠砂性能。最后,對生物磷酸鹽水泥和復合生物水泥的膠結機理開展了研究。取得的主要研究結論和創(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,在磷酸鹽礦化菌菌體和分泌物調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構、形貌、熱性質等方面與化學合成的磷酸鹽的區(qū)別是：1)生物BaHPO4粒子形貌為啞鈴形,而化學BaHPO4為四邊形,同時生物BaHPO4平均粒徑大于化學BaHPO4;生物BaHPO4的熱分解溫度略低于化學BaHPO4,在加熱分解時生物BaHPO4的質量損失高于化學BaHP04。2)生物Mg3(PO4)2·5H2O的形貌為蜂窩狀結構,而化學Mg3(PO4)2·5H2O為不規(guī)則結構,同時生物Mg3(PO4)2·5H2O平均粒徑小于化學Mg3(PO4)2·5H2O;生物Mg3(PO4)2·5H2O的熱分解溫度高于化學Mg3(PO4)2·5H2O,在加熱分解時生物Mg3(PO4)2·5H2O的質量損失高于化學Mg3(PO4)2·5H2O。3)Fe2(PO4)2·8H2O可以通過磷酸鹽礦化菌礦化合成,而不能通過簡單化學反應合成。(2)生物磷酸鋇鹽預沉淀時間和用量對膠結砂柱性能的影響創(chuàng)新性提出了預沉淀法制備生物磷酸鋇水泥,并揭示在采用預沉淀拌合工藝膠結砂柱時,生物BaHPO4漿料的靜置時間對砂柱的抗壓強度有較大影響。生物BaHPO4漿料的摻量在10%-50%時,砂柱的抗壓強度隨摻量的增加而升高,但在60%時砂柱的抗壓強度降低。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化方法及復合水泥的配方微生物誘導碳酸鹽沉積過程中獲得1mol碳酸鈣會排放約lmol氨氣到空氣中。提出并證實在微生物誘導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化為具有膠結作用的鳥糞石,從而獲得復合生物水泥,其配方(摩爾比)為生物碳酸鹽水泥MgCl2:K2HPO4·3H2O=1:2:2,此時溶液中固氨率為62.75%。該配方下在膠結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、反應溫度、pH和添加CO32-,確定了碳酸鈉和最佳pH復合下膠結砂柱過程中固氨率最佳,可達88.52%。(4)復合水泥膠砂工藝與性能在預沉淀拌合工藝基礎上,采用灌漿工藝膠結砂柱進行比較,確定了復合水泥在不同膠結次數(shù)下膠結砂柱的滲透性、孔隙率、抗壓強度和內部微結構。對于砂柱抗壓強度,復合水泥預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致的。接下來,采用三種不同配方的復合水泥(CJ1、CJ1.5和CJ2)膠結砂柱,對比了不同類型砂柱的滲透性、孔隙率、抗壓強度和固氨率,確定了CJ2膠結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合水泥膠結松散砂粒的機理采用FTIR、XPS、DSC-TGA、SEM和TEM測試技術,分析砂柱中生物磷酸鹽水泥和復合水泥產(chǎn)物的熱性質、Si-O鍵、Si(2p)電子結合能、膠結狀態(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的本質,復合水泥產(chǎn)物與松散砂粒間分子內氫鍵作用是膠結的本質。兩種水泥機理的差異是由膠結產(chǎn)物和有機基質造成的。
【圖文】：

速水解揉素產(chǎn)生大量的氨氣和碳酸根，一部分氨氣無法溶解到溶液中并排放到環(huán)境中，另一逡逑部分被用來制造堿性環(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�，微生捂}囁殺揮τ糜詡庸痰鼗�、稳菇{逼�、处理梢r⑿薷村義纖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增試驗概攬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：2575111