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科學家創造出完全由廢料制成的可再生生物水泥
2022年06月05日    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com    |  投稿

新加坡南洋理工大學(NTU Singapore)的科學家發現了一種利用廢物制造生物水泥的方法,使常規水泥的替代品更加綠色和可持續。

生物水泥是一種可再生的水泥形式,通常使用細菌形成硬化反應,將土壤粘合成固體塊。

南洋理工大學的科學家現在已經成功地使用了兩種常見的廢料,工業電石污泥和尿素鈥攆哺乳動物的尿液鈥攖o創建生物水泥。

他們開發了一種工藝,在該工藝中,尿素與工業電石污泥中的鈣離子反應形成硬固體或沉淀物。當這種反應在土壤中發生時,沉淀物將土壤顆粒結合在一起,并填充它們之間的空隙,形成一個緊密的土壤塊。這就形成了一個堅固、不易滲透的生物水泥塊。

由土木與環境工程學院院長朱健教授領導的研究團隊在2022年2月《環境化學工程雜志》上發表的一篇概念驗證研究論文中表明,他們的生物水泥可能成為一種可持續且經濟高效的土壤改良方法,例如,加固用于施工或開挖的地面,控制海灘侵蝕,減少沙漠中的灰塵或風蝕,或在海灘或沙漠中建造淡水水庫。

它還可以用作密封巖石裂縫的生物屏障,用于防滲,甚至可以修補和修復石雕和雕像等紀念碑。

南洋理工大學城市解決方案中心主任朱棣文教授表示:“生物水泥是傳統水泥的可持續可再生替代品,在需要處理地面的建筑項目中具有巨大潛力?!??!拔覀兊难芯客ㄟ^使用兩種廢料作為其原材料,使生物水泥更加可持續。從長遠來看,這不僅會使生物水泥的制造成本更低,而且還會降低廢物處理的成本?!?/p>

南洋理工大學科學家的研究支持南洋理工大學2025年戰略計劃,該計劃旨在解決人類面臨的一些重大挑戰,包括通過推進可持續性研究和開發來減輕人類對環境的影響。

尿液、細菌和鈣:生物水泥的簡單配方

與傳統的水泥生產方法相比,生物水泥生產過程需要更少的能源,產生更少的碳排放。

南洋理工大學團隊的生物水泥由兩種廢料制成:工業碳化物污泥鈥攖乙炔氣生產產生的廢料,來自新加坡工廠鈥攁尿中發現nd尿素。

首先,該團隊用酸處理電石污泥以產生可溶性鈣。然后將尿素添加到可溶性鈣中,形成膠結溶液。然后,研究小組在這種膠結溶液中加入細菌培養物。然后,來自培養物的細菌分解溶液中的尿素,形成碳酸鹽離子。

這些離子和可溶性鈣離子發生反應,這一過程稱為微生物誘導方解石沉淀(MICP)。該反應形成碳酸鈣鈥攁 天然存在于白堊、石灰石和大理石中的堅硬固體材料。

當這種反應在土壤或沙子中發生時,生成的碳酸鈣將土壤或沙子顆粒粘合在一起,以增加其強度,并填充它們之間的孔隙,以減少水通過材料的滲透。同樣的工藝也可用于巖石節理,從而修復石雕和雕像。

使用生物水泥加固的土壤的無側限抗壓強度高達1.7兆帕(MPa),高于使用等量水泥處理的相同土壤的無側限抗壓強度。

這使得該團隊的生物水泥適用于土壤改良項目,如加固地面或減少用于施工或開挖的滲水,或控制海岸線的海灘侵蝕。

論文第一作者楊洋博士,前南洋理工大學博士生,城市解決方案中心副研究員,現任中國重慶大學博士后,他說:“不同膠結程度的碳酸鈣沉淀通過逐漸填充顆粒之間的孔隙來強化土壤或沙子。生物水泥還可以用來密封土壤或巖石的裂縫,以減少滲水?!?/p>

水泥的可持續替代品

與生產傳統水泥的方法相比,生物水泥生產更環保、更可持續。

“水泥制造過程的一部分是在1000攝氏度以上的高溫下燃燒原材料,形成熟料鈥攖水泥粘合劑。這一過程會產生大量二氧化碳,”朱教授說然而,我們的生物水泥是在室溫下生產的,不會燃燒任何東西,因此它是一種更環保、能耗更低、碳中性的工藝?!啊?/p>

楊洋博士說:“在新加坡,電石泥被視為廢料。然而,它是生產生物水泥的良好原料。通過從電石泥中提取鈣,我們使生產更加可持續,因為我們不需要使用石灰石等必須從山上開采的材料?!?/p>

朱教授補充道:“石灰石是一種有限的資源鈥攐因為它不見了,它不見了。石灰石的開采也影響了我們的自然環境和生態系統?!啊?/p>

該研究團隊表示,如果生物水泥的生產可以擴大到傳統水泥生產的水平,那么與傳統水泥相比,其生產的總成本將更低,這將使生物水泥成為一種更綠色、更廉價的水泥替代品。

修復紀念碑和加固海岸線

南洋理工大學團隊配制生物水泥的另一個優點是,細菌培養液和膠結液都是無色的。當涂在土壤、沙子或巖石上時,它們的原始顏色得以保留。

這對于恢復古老的巖石紀念碑和文物非常有用。例如,楊洋博士使用生物水泥修復了中國的舊佛像。這種生物水泥可以用來密封破裂紀念碑的縫隙,也可以用來修復斷開的碎片,比如佛手的手指。由于溶液是無色的,紀念碑保留了原來的顏色,使修復工作與歷史保持一致。

該團隊目前正與新加坡相關國家機構合作,在東海岸公園試用他們的新生物水泥,用于強化海灘上的沙子。通過將生物水泥溶液噴灑在沙子的頂部,形成一層硬殼,防止沙子被沖入海中。

該團隊還在探索生物水泥在新加坡的進一步大規模應用,例如通過密封道路裂縫進行道路修復,密封地下隧道的縫隙以防止滲水,甚至作為珊瑚礁的養殖場,因為珊瑚幼蟲喜歡在碳酸鈣上生長。

“利用電石污泥和尿液進行可持續生物水泥生產”這篇論文發表在《環境化學工程雜志》上。

標簽:建材應用,技術中心,建筑基材,建筑材料,石材石料,水泥防水
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