[发明专利]一种基于低价钙离子制备生物水泥的生产方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及到一种基于低价钙离子制备生物水泥的生产方法和应用，即在传统微生物诱导方解石沉淀技术基础上，利用农业、矿业废物作为原料生产生物水泥基材料，具体属于生物建筑材料技术领域。

背景技术

近年来，一种环境友好型绿色建筑材料－生物水泥已经在土木工程上得到较广泛的应用。生物水泥是一种由钙盐、尿素、微生物（如脲酶菌）按一定比例混合产生的建筑材料，其机制称为微生物诱导方解石沉淀。生物水泥与常规水泥的作用相似即降低水力传导性、增加地面强度，灌浆方式也与传统水泥大致相同。目前已经有大量关于用生物水泥代替常规水泥的研究，如固体废物填埋场的建设、堤坝的稳固、地下水生物塘的建设等。此外生物水泥与传统的波兰特水泥相比有以下优点：（1）生产过程能耗少；（2）粘度低，易于注入地下；（3）颗粒尺寸小，能修复更狭小的空隙和裂缝等。

然而，生物水泥在实际推广应用中却存在较大挑战。常用的微生物诱导方解石沉淀工艺通常需要大量的工业级氯化钙作为钙源，但氯化钙的价格昂贵且大量使用氯化钙会对环境造成污染。因此研究者们一直致力于寻找可代替的钙源。例如，Park等报道了植物诱导方解石沉淀过程，利用羊刀豆的活性脲酶与氢氧化钙或硝酸钙混合反应生成的反应物用于砂胶结，但羊刀豆的活性脲酶的含量低，需大量种植，占用农用田地，且其提取加工成本高。Zhang等使用硝酸钙和乙酸钙作为钙源代替氯化钙。Choi等使用蛋壳和醋制成钙源，蛋壳钙含量虽丰富，但推广需要收集大量的蛋壳，蛋壳在收集的过程存在许多障碍，如蛋壳来源主要于厨余垃圾，需要耗费大量人力和时间来收集。因此上述方法在大规模推广应用上均存在一定限制条件。

东南大学钱春香申请了专利《利用微生物沉积制备碳酸钙的方法》（CN200510094744.5）提出将巴氏芽孢杆菌接种在含尿素底物的培养基上后与CaCl₂混合在一定条件下反应生成碳酸钙沉淀的制备方法。该专利提出利用工业级的氯化钙作为钙源，据调查工业级氯化钙成本价每吨大约950元，而传统水泥每吨成本大约400元，因此使用氯化钙为原料使生物水泥在大量推广使用存在成本昂贵的缺陷。贾强等在2015年申请了专利《一种提高碳酸钙早期沉积量的微生物灌浆方法》（CN201510113200.2）公开提出通过控制不同的反应因素来优化生物水泥的制备方法，其中提到可以用乙酸钙作钙源来进行传统生物水泥制作，为本发明提供一种从制备原料方面上改进的思路。

我国作为一个农业大国，农业废弃物产生量极其巨大。我国农业废弃物主要来自于种植业和养殖业。据估算，我国农作物秸秆总产量为6.5×10⁸t/a左右，且我国的农作物秸秆多采用燃烧等一次性利用方式。且燃烧过程中会产生大量氮氧化物、二氧化硫、碳氢化合物及烟尘，直接污染大气，经过太阳光照作用产生的有害物质又进一步造成二次污染。本发明在传统生物水泥的技术上利用农业秸秆废物进行快速热解生物质油的副产物乙酸作原料，一方面农业废物来源广，数量大，容易获取，成本低廉；另一方面可以利用该发明进行废物资源回收利用，降低农业废物用于燃烧处理量及减少燃烧时对环境造成的污染，达到资源循环利用，可持续环保发展的目的。

综上所述，目前使用的微生物诱导方解石沉淀技术生产生物水泥的原料在大规模应用的情况下不仅成本高昂，且大量使用会对环境造成污染。因此亟需寻找一种新的低成本、可持续的钙源代替工业级的氯化钙，从而实现大规模推广应用。本发明在传统微生物诱导方解石沉淀技术基础上，使用采石场废料和农业废物快速热解生产生物原油的副产物乙酸反应生产可溶性钙盐代替工业级CaCl₂，生产一种新型环境友好的生物水泥，实现了资源循环利用的可持续发展，大大促进了基于微生物诱导的方解石沉淀技术在实际工程中的应用与推广。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种新型基于低价钙离子制备生物水泥的生产方法。利用采石场的废料与农业废物快速热解生产生物质油的副产物乙酸反应生成的可溶性钙盐代替传统的氯化钙作钙源，然后与尿素、脲酶芽孢杆菌混合，从而利用基于尿素分解的微生物诱导方解石沉淀技术生产生物水泥。

本发明提供一种基于低价钙离子制备生物水泥的生产方法和应用，所述的生产方法如下：

步骤(1) ：脲酶芽孢杆菌菌液的培养

按照1∶0.1~1∶1000的体积比，将脲酶芽孢杆菌菌株接种于培养液中，在15~35℃下振荡培养24~72h，得到脲酶芽孢杆菌菌液；通过光密度法测定其细胞浓度。