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科学家创造出完全由废料制成的可再生生物水泥
2022年06月05日    阅读量:17330    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)的科学家发现了一种利用废物制造生物水泥的方法,使常规水泥的替代品更加绿色和可持续。

生物水泥是一种可再生的水泥形式,通常使用细菌形成硬化反应,将土壤粘合成固体块。

南洋理工大学的科学家现在已经成功地使用了两种常见的废料,工业电石污泥和尿素鈥攆哺乳动物的尿液鈥攖o创建生物水泥。

他们开发了一种工艺,在该工艺中,尿素与工业电石污泥中的钙离子反应形成硬固体或沉淀物。当这种反应在土壤中发生时,沉淀物将土壤颗粒结合在一起,并填充它们之间的空隙,形成一个紧密的土壤块。这就形成了一个坚固、不易渗透的生物水泥块。

由土木与环境工程学院院长朱健教授领导的研究团队在2022年2月《环境化学工程杂志》上发表的一篇概念验证研究论文中表明,他们的生物水泥可能成为一种可持续且经济高效的土壤改良方法,例如,加固用于施工或开挖的地面,控制海滩侵蚀,减少沙漠中的灰尘或风蚀,或在海滩或沙漠中建造淡水水库。

它还可以用作密封岩石裂缝的生物屏障,用于防渗,甚至可以修补和修复石雕和雕像等纪念碑。

南洋理工大学城市解决方案中心主任朱棣文教授表示:“生物水泥是传统水泥的可持续可再生替代品,在需要处理地面的建筑项目中具有巨大潜力。”。“我们的研究通过使用两种废料作为其原材料,使生物水泥更加可持续。从长远来看,这不仅会使生物水泥的制造成本更低,而且还会降低废物处理的成本。”

南洋理工大学科学家的研究支持南洋理工大学2025年战略计划,该计划旨在解决人类面临的一些重大挑战,包括通过推进可持续性研究和开发来减轻人类对环境的影响。

尿液、细菌和钙:生物水泥的简单配方

与传统的水泥生产方法相比,生物水泥生产过程需要更少的能源,产生更少的碳排放。

南洋理工大学团队的生物水泥由两种废料制成:工业碳化物污泥鈥攖乙炔气生产产生的废料,来自新加坡工厂鈥攁尿中发现nd尿素。

首先,该团队用酸处理电石污泥以产生可溶性钙。然后将尿素添加到可溶性钙中,形成胶结溶液。然后,研究小组在这种胶结溶液中加入细菌培养物。然后,来自培养物的细菌分解溶液中的尿素,形成碳酸盐离子。

这些离子和可溶性钙离子发生反应,这一过程称为微生物诱导方解石沉淀(MICP)。该反应形成碳酸钙鈥攁 天然存在于白垩、石灰石和大理石中的坚硬固体材料。

当这种反应在土壤或沙子中发生时,生成的碳酸钙将土壤或沙子颗粒粘合在一起,以增加其强度,并填充它们之间的孔隙,以减少水通过材料的渗透。同样的工艺也可用于岩石节理,从而修复石雕和雕像。

使用生物水泥加固的土壤的无侧限抗压强度高达1.7兆帕(MPa),高于使用等量水泥处理的相同土壤的无侧限抗压强度。

这使得该团队的生物水泥适用于土壤改良项目,如加固地面或减少用于施工或开挖的渗水,或控制海岸线的海滩侵蚀。

论文第一作者杨洋博士,前南洋理工大学博士生,城市解决方案中心副研究员,现任中国重庆大学博士后,他说:“不同胶结程度的碳酸钙沉淀通过逐渐填充颗粒之间的孔隙来强化土壤或沙子。生物水泥还可以用来密封土壤或岩石的裂缝,以减少渗水。”

水泥的可持续替代品

与生产传统水泥的方法相比,生物水泥生产更环保、更可持续。

“水泥制造过程的一部分是在1000摄氏度以上的高温下燃烧原材料,形成熟料鈥攖水泥粘合剂。这一过程会产生大量二氧化碳,”朱教授说然而,我们的生物水泥是在室温下生产的,不会燃烧任何东西,因此它是一种更环保、能耗更低、碳中性的工艺。“”

杨洋博士说:“在新加坡,电石泥被视为废料。然而,它是生产生物水泥的良好原料。通过从电石泥中提取钙,我们使生产更加可持续,因为我们不需要使用石灰石等必须从山上开采的材料。”

朱教授补充道:“石灰石是一种有限的资源鈥攐因为它不见了,它不见了。石灰石的开采也影响了我们的自然环境和生态系统。“”

该研究团队表示,如果生物水泥的生产可以扩大到传统水泥生产的水平,那么与传统水泥相比,其生产的总成本将更低,这将使生物水泥成为一种更绿色、更廉价的水泥替代品。

修复纪念碑和加固海岸线

南洋理工大学团队配制生物水泥的另一个优点是,细菌培养液和胶结液都是无色的。当涂在土壤、沙子或岩石上时,它们的原始颜色得以保留。

这对于恢复古老的岩石纪念碑和文物非常有用。例如,杨洋博士使用生物水泥修复了中国的旧佛像。这种生物水泥可以用来密封破裂纪念碑的缝隙,也可以用来修复断开的碎片,比如佛手的手指。由于溶液是无色的,纪念碑保留了原来的颜色,使修复工作与历史保持一致。

该团队目前正与新加坡相关国家机构合作,在东海岸公园试用他们的新生物水泥,用于强化海滩上的沙子。通过将生物水泥溶液喷洒在沙子的顶部,形成一层硬壳,防止沙子被冲入海中。

该团队还在探索生物水泥在新加坡的进一步大规模应用,例如通过密封道路裂缝进行道路修复,密封地下隧道的缝隙以防止渗水,甚至作为珊瑚礁的养殖场,因为珊瑚幼虫喜欢在碳酸钙上生长。

“利用电石污泥和尿液进行可持续生物水泥生产”这篇论文发表在《环境化学工程杂志》上。

标签:建材应用技术中心建筑基材建筑材料石材石料水泥防水
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