CN116283007A - 一种基于微生物修复增强的珊瑚骨料及其制备方法、装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微生物修复增强的珊瑚骨料及其制备方法、装置，对多孔珊瑚骨料进行预处理；将预处理后的珊瑚骨料放入细菌培养筒中，多次反复喷淋微生物营养液与胶凝液，通过微生物营养液中的微生物诱导矿化菌种与胶凝液中碳源的反应作用生成的碳酸钙来填充珊瑚骨料内部以及表面的孔隙，得到基于微生物修复增强的珊瑚骨料，其中所述微生物诱导矿化菌种为巴氏芽孢杆菌ATCC11859定向筛选得到。通过定向筛选高效修复菌种，并与碳源反应生成碳酸钙实现骨料修复增强。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于微生物修复增强的珊瑚骨料及其制备方法、装置，属于建筑材料与生物工程应用技术领域。
背景技术
深远海地区的工程建设建筑材料需求量急剧增加。混凝土作为最大宗的建筑材料之一，砂石骨料占据了其体积的70％～80％，然而岛礁以及深远海地区远离陆地，天然砂石资源匮乏，常常需要从内陆运输砂石、淡水等原材料，使得工程成本剧增，并且工期难以保证。
热带区域的岛礁多为珊瑚岛礁，具有丰富的珊瑚资源，珊瑚主要成分为CaCO3，是一种较优质的建筑材料。因此，就地采用珊瑚作为骨料制备珊瑚混凝土，并应用于岛礁工程建设，可有效缓解对天然砂石资源的依赖。
此外，热带岛礁环境对混凝土结构的耐久性提出更高要求，而珊瑚骨料具有疏松多孔以及“高温、高湿、高盐、多风”的岛礁环境特点，使得现有的珊瑚混凝土结构耐久性远未达到海洋工程结构要求。
综上，对于提升热带岛礁工程结构耐久性具有重要价值。
全珊瑚海水混凝土(Coral aggregate seawater concrete,CASC)主要由破碎珊瑚、珊瑚砂、水泥、化学外加剂、矿物掺合料等原材料经由海水拌合养护后制成。作为原材料的主体部分，珊瑚是珊瑚虫死后的产物，其化学成分主要为CaCO3(含量高达96％以上)，Cl-含量约为0.074％(质量百分比)，堆积密度为900～1060kg/m3，表观密度为1800～2560kg/m3，筒压强度约为3.8MPa，空隙率为50～59％。此外，珊瑚骨料表面粗糙多孔，质轻较脆，具有较强吸水特性。因此，拌制CASC时，常对珊瑚骨料进行预吸水处理。同时，由于珊瑚粗糙的表面特征，增大了珊瑚骨料的表面积。因此，配制相同强度等级的混凝土时，CASC较普通混凝土需要更多水泥浆，使得采用常规手段制备的CASC流动性能、力学性能、抗渗性能均较差。课题组前期研究发现，CASC的表面自由氯离子含量比相同配合比下普通混凝土高3.5～5倍，且增长速率远远高于普通混凝土。
针对珊瑚骨料表面粗糙多孔、强度低等缺陷，目前对其进行改性方法主要包括：水泥浆包裹法、酸洗浸泡法、机械摩擦法、镀膜改性处理法以及纳米填充法等。其中：水泥浆包裹法的浆体难以充分渗入珊瑚骨料孔隙，使得效果较差；而酸洗浸泡法是指使用磷酸或盐酸的稀释液对珊瑚骨料进行酸洗，以消除表面多棱角的结构缺陷，但是酸洗过后珊瑚骨料中仍残留存在Cl-，从而加速CASC内部钢筋锈蚀，降低钢筋混凝土的耐久性。此外，其它几种改性方法目前也存在可操作性差或者影响骨料与水泥基材料粘结性等问题。
发明内容
目的：鉴于目前珊瑚骨料改性技术仍具有孔隙修复不充分、操作性差及影响与水泥基材料粘结性等缺陷，为克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于微生物修复增强的珊瑚骨料及其制备方法、装置，利用微生物诱导矿化技术，对珊瑚骨料孔隙进行修复，能有效减少珊瑚骨料孔隙率，增强骨料强度，极大提高CASC的力学性能和耐久性，提升其应用可行性。同时该方法还具有生态性优势。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
第一方面，提供一种基于微生物修复增强的珊瑚骨料的制备方法，包括：
步骤(1)：对多孔珊瑚骨料进行预处理；
步骤(2)：将预处理后的珊瑚骨料放入细菌培养筒中，多次反复喷淋微生物营养液与胶凝液，通过微生物营养液中的微生物诱导矿化菌种与胶凝液中碳源的反应作用生成的碳酸钙来填充珊瑚骨料内部以及表面的孔隙，得到基于微生物修复增强的珊瑚骨料，
其中所述微生物诱导矿化菌种为巴氏芽孢杆菌ATCC11859定向筛选得到。
在一些实施例中，所述微生物诱导矿化菌种的制备方法包括：
将从上海保藏生物中心购买的巴氏芽孢杆菌ATCC11859放入筛选皿进行定向筛选，筛选皿置于模拟“高温、高湿、高盐、多风”严酷热带环境中，观察菌种生长状况，培养后，将筛选皿内存活的变异巴氏菌取出，并放入温箱中进行扩大增殖培养，得到微生物诱导矿化菌种；
其中所述高温、高湿、高盐、多风”严酷热带环境是指：温度设置为25～40℃，相对湿度为80％左右，微生物营养液中Cl-浓度为20～40g/L、SO4 2-浓度为2～4g/L，风速为5.2～10.3m/s。
在一些实施例中，所述微生物营养液中微生物诱导矿化菌种的浓度为107～109cell/ml，制备方法为：将微生物诱导矿化菌种接种至含有玉米浆、大豆粉、酵母膏的营养液。
在一些实施例中，所述胶凝液为尿素(CON2H4)溶液和氯化钙(CaCl2)溶液混合配置而成。
进一步地，其中尿素溶液与氯化钙溶液按照摩尔比1:1进行配制，胶凝液中尿素、氯化钙的浓度为1～3mol/L。
在一些实施例中，对多孔珊瑚骨料进行预处理，包括：
对多孔珊瑚骨料进行破碎处理，筛选粒径为5～20mm且级配连续的珊瑚骨料，烘干后，利用超声波震荡器或真空泵排除骨料孔隙气体。
在一些实施例中，多次反复喷淋微生物营养液与胶凝液包括：每次加入一定体积的微生物营养液与胶凝液，混合比例为1:0.5～1:3。
第二方面，提供一种基于微生物修复增强的珊瑚骨料，通过上述的制备方法制备得到。
第三方面，提供一种用于制备上述的基于微生物修复增强的珊瑚骨料的制备装置，所述制备装置包括细菌培养筒、微生物营养液储存罐和胶凝液储存罐；
所述细菌培养筒中设置有珊瑚骨料托盘，用于放置待修复增强的珊瑚骨料；
所述细菌培养筒上部设置有与喷淋装置相连通的微生物营养液进口和胶凝液进口，微生物营养液进口与微生物营养液储存罐通过管道和阀门相连通，胶凝液进口与胶凝液储存罐通过管道和阀门相连通；
所述细菌培养筒底部设置有过滤筛网，用于过滤多余的微生物营养液、胶凝液。
在一些实施例中，所述的基于微生物修复增强的珊瑚骨料的制备装置，还包括微生物营养液回收槽和胶凝液回收槽，分别用于收集经过滤筛网下来的微生物营养液、胶凝液。
有益效果：本发明提供的一种基于微生物修复增强的珊瑚骨料及其制备方法、装置，具有以下优点：
(1)珊瑚所处环境严苛，主要分布于严酷热带岛礁环境，且珊瑚自身含有大量Cl-和SO4 2-等，使得其盐度较高，但Cl-和SO4 2-等是引起混凝土结构钢筋锈蚀的主要原因，因此将微生物培养皿置于大型步入式环境试验箱中，温度设置为25～40℃，相对湿度为80％左右，微生物营养液的Cl-浓度为20～40g/L、SO4 2-浓度为2～4g/L，风速为5.2～10.3m/s，以便更真实的模拟热带岛礁环境。利用微生物诱导矿化技术，对珊瑚骨料孔隙进行修复，解决了目前珊瑚骨料改性技术中骨料孔隙修复不充分、操作性差及影响与水泥基材料粘结性等缺点，有效修复骨料孔隙并增强了骨料强度，极大提高珊瑚骨料增强的应用性；
(2)本发明建造的大型不锈钢细菌培养筒，操作简便，可实现自动地、定时地对珊瑚骨料喷淋矿化，同时可回收未被吸收的多余微生物营养液与胶凝液，进行循环利用，提高微生物营养液利用率，有利于工厂化施工；
(3)本发明主要基于微生物诱导矿化反应技术，与目前常用的酸洗浸泡法相比，原材料以及修复的珊瑚骨料皆为无毒无公害的环保材料。此外，本发明的原材料可反复多次使用，直至反应流程全部完成，故本发明兼具环保性与经济性；
(4)本发明与现有再生骨料微生物自修复技术相比：再生骨料大多来自建筑废弃骨料，与珊瑚混凝土骨料同样具有孔隙率大、强度较低等特点，但再生骨料表面附着大量砂浆，而珊瑚所处的热带岛礁环境使其内部Cl-和SO4 2-含量较高。因此，再生骨料与珊瑚骨料有着显著不同，故目前再生骨料修复技术不能满足珊瑚骨料的修复。而本发明在模拟“高温、高湿、高盐、多风”热带岛礁环境的基础上，通过定向筛选高效修复菌种，并与碳源反应生成碳酸钙实现骨料修复增强。
综上所述，本发明具有高效性、经济性、环保性、实用性等特点，契合岛礁珊瑚骨料的修复需求。
附图说明
图1为本发明实施例中一种基于微生物修复增强的珊瑚骨料制备装置示意图；
图2为本发明实施例中过滤筛网细部结构图；
图3位本发明实施例中珊瑚骨料修复喷淋技术路线图。
图中：1-微生物营养液储存罐；2-微生物营养液回收槽；3-微生物营养液输送阀门；4-微生物营养液输送管；5-微生物营养液回流管；6-微生物营养液回流阀门；7-喷淋装置；8-过滤筛网；9-胶凝液储存罐；10-胶凝液回收槽；11-胶凝液输送阀门；12-胶凝液输送管道；13-胶凝液回流管道；14-胶凝液回流阀门；15-珊瑚骨料托盘，16-待修复增强的珊瑚骨料。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1所示，一种基于微生物修复增强的珊瑚骨料制备装置，所述制备装置包括细菌培养筒、微生物营养液储存罐和胶凝液储存罐；
所述细菌培养筒中设置有珊瑚骨料托盘15，用于放置待修复增强的珊瑚骨料16；
所述细菌培养筒上部设置有与喷淋装置7相连通的微生物营养液进口和胶凝液进口，微生物营养液进口与微生物营养液储存罐1通过微生物营养液输送管道4和微生物营养液输送阀门3相连通，胶凝液进口与胶凝液储存罐9通过胶凝液输送管道12和胶凝液输送阀门11相连通；
所述细菌培养筒底部设置有过滤筛网8，用于过滤多余的微生物营养液、胶凝液。
在一些实施例中，所述的基于微生物修复增强的珊瑚骨料的制备装置，还包括微生物营养液回收槽2和胶凝液回收槽10，分别用于收集经过滤筛网8下来的微生物营养液、胶凝液。
在不锈钢细菌培养筒内设置喷淋装置7与过滤筛网8，保证筛网孔径小于5mm，同时不锈钢细菌培养筒底部设置微生物营养液回收槽2和胶凝液回收槽10，有效提高微生物营养液利用率。
一种基于微生物修复增强的珊瑚骨料的制备方法，包括：
步骤(1)：对多孔珊瑚骨料进行预处理；
步骤(2)：将预处理后的珊瑚骨料放入细菌培养筒中，多次反复喷淋微生物营养液与胶凝液，通过微生物营养液中的微生物诱导矿化菌种与胶凝液中碳源的反应作用生成的碳酸钙来填充珊瑚骨料内部以及表面的孔隙，得到基于微生物修复增强的珊瑚骨料，
其中所述微生物诱导矿化菌种为巴氏芽孢杆菌ATCC11859定向筛选得到。
在一些实施例中，所述微生物诱导矿化菌种的制备方法包括：
将从上海保藏生物中心购买的巴氏芽孢杆菌ATCC11859放入筛选皿进行定向筛选，筛选皿置于模拟“高温、高湿、高盐、多风”严酷热带环境中，观察菌种生长状况，培养后，将筛选皿内存活的变异巴氏菌取出，并放入温箱中进行扩大增殖培养，得到微生物诱导矿化菌种；
其中所述高温、高湿、高盐、多风”严酷热带环境是指：温度设置为25～40℃，相对湿度为80％左右，微生物营养液中Cl-浓度为20～40g/L、SO4 2-浓度为2～4g/L，风速为5.2～10.3m/s。
在一些实施例中，所述微生物营养液中微生物诱导矿化菌种的浓度为107～109cell/ml，制备方法为：将微生物诱导矿化菌种接种至含有玉米浆、大豆粉、酵母膏的营养液。
在一些实施例中，所述胶凝液为尿素(CON2H4)溶液和氯化钙(CaCl2)溶液混合配置而成。
进一步地，其中尿素溶液与氯化钙溶液按照摩尔比1:1进行配制，胶凝液中尿素、氯化钙的浓度为1～3mol/L。
在一些实施例中，对多孔珊瑚骨料进行预处理，包括：
对多孔珊瑚骨料进行破碎处理，筛选粒径为5～20mm且级配连续的珊瑚骨料，烘干后，利用超声波震荡器或真空泵排除骨料孔隙气体。
在一些实施例中，多次反复喷淋微生物营养液与胶凝液包括：每次加入一定体积的微生物营养液与胶凝液，混合比例为1:0.5～1:3。
在一些具体实施例中，包括以下步骤：
步骤1，优选菌种：将从上海保藏生物中心购入巴氏芽孢杆菌ATCC11859放置于模拟严酷热带“高温、高湿、高盐、多风”环境下，进行定向筛选，培养12h后，将筛选皿内存活变异巴氏菌取出，并放入温箱中进行扩大增殖培养，得到多种适应性强的微生物诱导矿化菌种。
步骤2，配制微生物营养液：配制含有玉米浆、大豆粉、酵母膏等物质的微生物营养液，为巴氏菌等优选的微生物菌种增殖提供营养成分。对步骤1筛选菌种进行培养并配制该菌种微生物营养液。
步骤3，培养菌种：利用接种环将细菌接种至微生物营养液中(微生物营养液浓度为107cell/ml)，之后将装有菌种群落的培养皿置于环境试验箱以模拟热带岛礁气候，并定时观察其生长情况。
步骤4，制备碳源：配制尿素(CON2H4)溶液和氯化钙(CaCl2)溶液混合胶凝液，为微生物诱导生成CaCO3提供碳源。
步骤5，珊瑚骨料预处理：对多孔珊瑚骨料进行破碎处理，优选粒径为5～20mm且级配连续的珊瑚骨料，高温烘干24h。为充分发挥珊瑚骨料“预吸水”效应，将珊瑚骨料烘干后，再利用超声波震荡器或真空泵排除骨料孔隙气体，以便后续喷灌的微生物营养液能菌种充分分布于孔隙内。
步骤6，修复珊瑚骨料：将破碎和筛分的珊瑚骨料放入不锈钢筒中，喷淋微生物营养液：将托盘(包含烘干骨料)放置于不锈钢培养筒中，然后打开微生物营养液输送阀门3，并通过喷淋装置7进行喷射，使得微生物营养液充分与骨料表面接触，并能充满骨料孔隙。第一次喷射进行5分钟，然后将骨料静置15分钟，同时打开微生物营养液回流阀门6，使微生物营养液回收槽2中剩余的微生物溶液回流。之后进行重复操作，总计进行3轮；
喷淋胶凝液：打开胶凝液输送阀门11，将促进微生物矿化沉积碳酸钙的胶凝液排入箱体内，通过喷淋装置7使之充分喷淋于骨料之上，每次喷淋时间持续30min，喷淋完成后静置10～12h，使其充分反应，然后将胶凝液回收槽10中多余液体回流，并重复上述操作，总计进行14轮；
其中所包含的化学反应式如下：
上述技术方案，步骤1中应选取适应弱碱性环境的菌种(pH值约为8)。
进一步地，热带岛礁环境(特指我国南海岛礁环境)海水中Cl-浓度高达21.6g/L，SO4 2-含量可达2.5g/L，步骤1为模拟“高温、高湿、高盐、多风”的热带岛礁环境，培养期间，设置环境实验箱模拟温度为25～40℃，相对湿度约为80％，风速约为5.2～10.3m/s(相当于3～4级风)，通过以上定向筛选得到适应性强的微生物诱导矿化菌种，微生物营养液Cl-浓度为20～40g/L、SO4 2-浓度为2～4g/L,
进一步地，步骤2中，配制微生物营养液前培养皿应进行100℃以上高温灭菌，灭菌时间在30min以上。配制微生物营养液浓度为107～109cell/ml。
进一步地，步骤6中，为增加胶凝液和微生物营养液在珊瑚骨料之间的流动，不锈钢细菌培养筒直径应为50～300mm，高度大于直径，下部设置过滤网筛，网筛孔径为5mm以下，同时底部配备微生物营养液和胶凝液回收槽。
每次喷灌前，应将微生物营养液回收槽及胶凝液回收槽中剩余液体充分回流，提高营养液及胶凝液利用率。
进一步地，步骤6中，单次微生物营养液喷灌完成后需等待一段时间，待轻轻抖动不锈钢培养筒后，微生物营养液回收槽中不再有液体滴入时，关闭微生物营养液输送阀门，进行胶凝液喷灌。
进一步地，步骤6中，一个喷灌流程控制在2h内，12h后再进行下一个喷灌流程，整个微生物营养液与胶凝液的喷灌时间保持在7d内。
一种基于微生物修复增强的珊瑚骨料，通过上述的制备方法制备得到，检测修复前后珊瑚骨料的强度，修复前珊瑚骨料强度大致为3.8～5.2MPa，经过实验室初步试验，修复完成后，珊瑚骨料强度可达4.8～6.5MPa，提高约25％。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于微生物修复增强的珊瑚骨料的制备方法，其特征在于，包括：
步骤(1)：对多孔珊瑚骨料进行预处理；
步骤(2)：将预处理后的珊瑚骨料放入细菌培养筒中，多次反复喷淋微生物营养液与胶凝液，通过微生物营养液中的微生物诱导矿化菌种与胶凝液中碳源的反应作用生成的碳酸钙来填充珊瑚骨料内部以及表面的孔隙，得到基于微生物修复增强的珊瑚骨料，
其中所述微生物诱导矿化菌种为巴氏芽孢杆菌ATCC11859定向筛选得到。
2.根据权利要求1所述的基于微生物修复增强的珊瑚骨料的制备方法，其特征在于，所述微生物诱导矿化菌种的制备方法包括：
将从上海保藏生物中心购买的巴氏芽孢杆菌ATCC11859放入筛选皿进行定向筛选，筛选皿置于模拟“高温、高湿、高盐、多风”严酷热带环境中，观察菌种生长状况，培养后，将筛选皿内存活的变异巴氏菌取出，并放入温箱中进行扩大增殖培养，得到微生物诱导矿化菌种；
其中所述高温、高湿、高盐、多风”严酷热带环境是指：温度设置为25～40℃，相对湿度为80％左右，微生物营养液中Cl-浓度为20～40g/L、SO4 2-浓度为2～4g/L，风速为5.2～10.3m/s。
3.根据权利要求1所述的基于微生物修复增强的珊瑚骨料的制备方法，其特征在于，所述微生物营养液中微生物诱导矿化菌种的浓度为107～109cell/ml，制备方法为：将微生物诱导矿化菌种接种至含有玉米浆、大豆粉、酵母膏的营养液。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述胶凝液为尿素溶液和氯化钙溶液混合配置而成。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，其中尿素溶液与氯化钙溶液按照摩尔比1:1进行配制，胶凝液中尿素、氯化钙的浓度为1～3mol/L。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，对多孔珊瑚骨料进行预处理，包括：
对多孔珊瑚骨料进行破碎处理，筛选粒径为5～20mm且级配连续的珊瑚骨料，烘干后，利用超声波震荡器或真空泵排除骨料孔隙气体。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，多次反复喷淋微生物营养液与胶凝液包括：每次加入一定体积的微生物营养液与胶凝液，混合比例为1:0.5～1:3。
8.一种基于微生物修复增强的珊瑚骨料，通过权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到。
9.一种用于制备权利要求8所述的基于微生物修复增强的珊瑚骨料的制备装置，其特征在于，所述制备装置包括细菌培养筒、微生物营养液储存罐和胶凝液储存罐；
所述细菌培养筒中设置有珊瑚骨料托盘，用于放置待修复增强的珊瑚骨料；
所述细菌培养筒上部设置有与喷淋装置相连通的微生物营养液进口和胶凝液进口，微生物营养液进口与微生物营养液储存罐通过管道和阀门相连通，胶凝液进口与胶凝液储存罐通过管道和阀门相连通；
所述细菌培养筒底部设置有过滤筛网，用于过滤多余的微生物营养液、胶凝液。
10.根据权利要求9所述的基于微生物修复增强的珊瑚骨料的制备装置，其特征在于，还包括微生物营养液回收槽和胶凝液回收槽，分别用于收集经过滤筛网下来的微生物营养液、胶凝液。
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| CN202310195504.2A CN116283007A (zh) | 2023-03-03 | 2023-03-03 | 一种基于微生物修复增强的珊瑚骨料及其制备方法、装置 |
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2023
- 2023-03-03 CN CN202310195504.2A patent/CN116283007A/zh active Pending
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