Полимер

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 8821 (2022) Цитировать эту статью

6790 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Биоцементация с использованием процесса ферментативно-индуцированного осаждения карбонатов (EICP) стала инновационным методом улучшения почвы. Одним из основных ограничений в расширении масштабов переработки биоцемента являются выбросы газообразного аммиака при гидролизе мочевины, что опасно для окружающей среды. Чтобы устранить этот недостаток, в данной статье представлена ​​серия экспериментов, проведенных для оценки нового подхода к предотвращению образования побочных продуктов аммиака в процессе ЭИКП за счет использования полиакриловой кислоты (ПАА). Регулируя pH до кислого, ПАК не только способствует активности ферментов, но также предотвращает превращение аммиака в газообразный аммиак и его высвобождение, тем самым предотвращая любой вред окружающей среде. Образцы песка были обработаны цементирующим раствором и оценены на улучшение прочности. Измерения содержания карбоната кальция и рентгенофазовый анализ выявили кристаллы кальцита, осаждающиеся в порах почвы. Анализ с помощью сканирующей электронной микроскопии ясно показал, что карбонат кальция осаждался, соединяя частицы почвы, обеспечивая таким образом прочность на одноосное сжатие (UCS) до 1,65 МПа. В целом, ингибирование образования газообразного аммиака показывает большой потенциал ПАК для крупномасштабного продвижения биоцемента.

Цемент — наиболее часто используемый материал для традиционного армирования фундаментов, однако его производство существенно энергозатратно и экологически небезопасно. При традиционном производстве цемента процесс обжига карбоната кальция не только выделяет большое количество CO2, но также требует нагрева до 1450 °C во время производства. Общие выбросы CO2 на тонну произведенного цемента могут достигать 0,95 тонны1. Таким образом, биологический карбонатный цемент, важный типичный биоцемент, с начала 1990-х годов привлек большое внимание как более чистый и устойчивый метод улучшения биоцементного грунта, который может консолидировать рыхлые частицы2,3. Обширные лабораторные и полевые исследования показали, что биоцемент может широко использоваться для армирования фундаментов4, осаждения золы5, ремонта трещин в цементе6, стабилизации откосов7 и т. д.

В процессах обработки осаждением карбонатов, вызванным микробами (MICP) и осаждением карбонатов, вызванным ферментами (EICP), CaCO3 осаждается в порах почвы в результате ряда биологических реакций, приведенных ниже в уравнениях. (1)–(3). MICP основан на уреолитических бактериях, тогда как процесс EICP основан на свободных ферментах уреазы, обычно получаемых из растений. Независимо от источника уреазы, при воздействии мочевины ферменты катализируют гидролиз мочевины и образуют карбонаты и аммоний (уравнение 1). В присутствии ионов кальция карбонат кальция осаждается в порах почвы, обеспечивая цементирующие связи между частицами почвы8. Реакция образования карбоната кальция показана в уравнении. (2).

Однако реакционная среда часто становится относительно щелочной из-за образования ионов аммония (согласно уравнению (1)), что способствует легкому получению определенного количества образующихся ионов аммония (до примерно 50% при pH 9,24). превращается в газообразный аммиак и согласно уравнению (3), который выбрасывается в атмосферу. Эти выбросы были нерешенной проблемой как для MICP, так и для EICP на протяжении десятилетий. Аммиак оказывает негативное воздействие на экологическую среду, например, приводит к образованию высоких уровней токсичных азотсодержащих соединений, увеличению выбросов парниковых газов9 и наносит серьезный вред здоровью. Это ограничивает применение технологии биоцементации крупномасштабными инженерными проектами.

До сих пор было предложено лишь несколько альтернатив для снижения выбросов аммиака в процессе биоцементации и создания более экологически чистых биоцементных материалов. Известные методы производства чистого биоцемента включают использование аспарагиназы для управления MICP, которая вызывает выделение аммиака 40,6 ед/мл, что значительно ниже, чем уреаза (592 ед/мл), и достигает UCS10 980 кПа. Использование биоцементов на основе фосфата магния для затвердевания позволяет снизить выбросы аммиака на 75% и достичь UCS более 1,43 МПа11. Использование костной муки и кислой уреазы для получения кальций-фосфатных биоцементов демонстрирует новый экономичный способ снижения аммиака до 90% с UCS до 1,5 МПа12. Таким образом, поиск более чистого и дешевого способа полной утилизации аммиака, выделяющегося в процессе биоотверждения, по-прежнему остается открытой задачей.