阅读说明：本技术 一种在高温条件下经济高效地生成碳酸钙的方法 (Method for economically and efficiently generating calcium carbonate under high-temperature condition ) 是由 郭薪 孙潇昊 王恒星 吴林玉 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明属于外源脲酶固化,特别涉及一种在高温条件下经济高效地生成碳酸钙的方法,包括以下步骤：步骤1,配置大豆溶液和胶凝液,低温静置；步骤2,取步骤1中静置的大豆溶液,搅拌均匀后离心,取上清液低温冷藏备用；步骤3,将步骤2中获得的上清液与胶凝液等体积混合,在高温条件下养护一段时间后,对混合液离心过滤,将过滤后产物置于烘箱中烘干；步骤4,对烘干产物进行酸洗,酸洗后烘干,得到反应产生碳酸钙的含量。本发明使用大豆溶液中的脲酶促进碳酸钙的生成,选择尿素与氯化钙作为胶凝液,将大豆溶液与胶凝液混合,在高温条件下培养后,对混合液离心、烘干、酸洗、再烘干,得出生成碳酸钙的质量,从而得出不同温度下的最佳大豆溶液浓度,确定适宜反应温度。该方法操作容易,碳酸钙产率高且经济高效。(The invention belongs to curing of exogenous urease, and particularly relates to a method for economically and efficiently generating calcium carbonate under a high-temperature condition, which comprises the following steps: step 1, preparing a soybean solution and a gelling liquid, and standing at a low temperature; step 2, taking the soybean solution which is kept stand in the step 1, uniformly stirring and centrifuging, and taking supernatant liquid for low-temperature refrigeration for later use; step 3, mixing the supernatant obtained in the step 2 with the gelling liquid in equal volume, maintaining for a period of time under a high temperature condition, carrying out centrifugal filtration on the mixed liquid, and drying the filtered product in an oven; and 4, carrying out acid washing on the dried product, and drying after acid washing to obtain the content of the calcium carbonate generated by the reaction. The invention uses urease in soybean solution to promote the generation of calcium carbonate, selects urea and calcium chloride as gelling liquid, mixes the soybean solution and the gelling liquid, cultures the mixture under high temperature, centrifuges, dries, acid washes and dries the mixture to obtain the quality of the generated calcium carbonate, thereby obtaining the optimal concentration of the soybean solution under different temperatures and determining the proper reaction temperature. The method has the advantages of easy operation, high calcium carbonate yield, economy and high efficiency.)

一种在高温条件下经济高效地生成碳酸钙的方法

技术领域

本发明属于外源脲酶固化，特别涉及一种在高温条件下经济高效地产生碳酸钙的方法。

背景技术

生物矿化作用是一种很普遍的自然现象，几乎每一种生物都能合成矿物。其中近三分之二是钙矿，并且相当一部分具有胶结功能。它们通过其自身的生命活动，与周围环境介质之间不断发生着酶化作用，逐渐形成碳酸钙。微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)也成为加固土体的新研究方向，但MICP对环境产生了不可忽视的负面影响。近些年来，使用酶诱导产生碳酸钙沉淀(EICP)矿化成为许多学者关注的热点，对比MICP，EICP具有反应迅速，环境友好，适用范围广等优势。

实际工况中，需要加固土体所处的环境错综复杂，例如在石油与天然气的开采过程中就会经常遇到高温环境，在高温环境下如何应用EICP是亟待解决的问题。脲酶是EICP反应最核心的物质，脲酶活性决定酶促反应的速率，最终反映在碳酸钙的生成量及其生成速率上。酶作为一种蛋白质，高温会影响其活性甚至使其失活，影响EICP在高温环境下的应用。

国外学者Whiffinvs在文章《Microbial CaCO3 Precipitation for TheProduction of Biocement》中指出温度对脲酶活性的影响。文献指出，脲酶活性在15-25℃保持稳定，在 25-60℃之间随温度增加线性增长，在75℃时达到峰值，在温度达到75℃后失活，温度越高失活速率越快。为确保高温试验的合理性，本文依据该文献给出的数据进行试验流程设计。

发明内容

本发明考虑大豆溶液浓度与温度对脲酶活性的影响，提供一种在高温条件下经济高效地生成碳酸钙的方法。

为实现上述目标，本发明的技术方案如下：

一种在高温条件下经济高效地生成碳酸钙的方法，包括以下步骤：

步骤1，配置大豆溶液和胶凝液，低温静置；所述大豆溶液浓度范围为20-100g/L，浓度梯度为20g/L，所述胶凝液内容物为尿素与氯化钙，尿素浓度为1mol/L,氯化钙浓度为0.67mol/L；

步骤2，取步骤1中静置的大豆溶液，搅拌均匀后离心，离心后取上清液低温冷藏备用；

步骤3，将步骤2中获得的上清液与胶凝液各等体积混合，在高温条件下养护一段时间后，对混合液离心，离心后过滤，将过滤后产物置于烘箱中烘干；

步骤4，称量烘干的离心管与滤纸m₁，对离心管与滤纸进行酸洗操作，酸洗后置于烘箱中烘干，称量酸洗后离心管与滤纸的质量m₂，二者之差m₂-m₁即为反应产生碳酸钙的含量。

优选地，步骤1所述大豆溶液所使用的豆粉为精磨豆粉，粒径为5-20μm，大豆溶液与胶凝液的保存方法为：使用保鲜膜密封保存于4℃冰箱内。

优选地，步骤1所述配置溶液的具体方法为：

a)使用电子天平称取大豆豆粉10-50g，误差要求在±0.0.1g范围内。量取500ml蒸馏水置于干净无水的烧杯中，将豆粉溶于蒸馏水中，使用搅拌器搅拌3min中，确保豆粉充分溶解；

b)使用电子天平称取尿素60g，称取醋酸钙105.8g，误差要求在±0.0.1g范围内。量取1000ml蒸馏水置于干净无水的烧杯中，将尿素与氯化钙溶于蒸馏水中，使用搅拌器搅拌 3min中，确保尿素与氯化钙充分溶解。

c)使用微量移液器取搅拌均匀后的胶凝液15ml置于离心管中，以备后用；

优选地，步骤2离心的具体操作方法为：

a)将低温静置的大豆溶液搅拌均匀倒入离心管中，每个离心管倒入45ml，共计使用12 只离心管；

b)使用试管离心机进行离心，分两组进行，每组离心6只离心管。离心时间为10分钟，离心速度为3000转/分钟；

c)离心后将上清液倒入干净的烧杯中，过程中注意不要将豆渣倒入，将12只离心管中清液全部倒入烧杯后，使用保鲜膜密封于4℃低温静置；

优选地，步骤3中上清液与胶凝液体积取15ml，养护温度为65/75/85℃，养护时间为 3h，离心时间为5min。过滤后的滤纸与离心管均需要进行烘干操作，以确保结果的准确性。

优选地，步骤3与步骤4中烘干温度均为75℃，烘干时间均为24h。

优选地，步骤4中酸洗的具体步骤如下：

a)在离心管中加入稀盐酸20ml，静置2分钟，使用振捣棒捣碎离心管中的沉淀物，使其与盐酸充分反应，反应时间为2分钟；

b)再次加入稀盐酸20ml，在过程中将挂壁的反应产物冲洗到底部，震荡离心管使其充分反应；

c)观察静置的离心管底部是否有沉淀，若有则重复步骤b)2-3次，直至离心管中无明显沉淀物，且无其气泡产生，将离心管中的溶液过滤；

d)观察离心管中是否还有残留泡沫挂壁，若有则使用稀盐酸清晰，将混合液倒入漏斗过滤；待过滤完毕，将离心管与滤纸一同放入烘箱中烘干，酸洗操作完成。注意在酸洗过程中做好标记，确保离心管与滤纸一一对应

针对目前应用状况，本发明的优点如下，

本发明在高温条件下经济高效地产生碳酸钙沉淀，选择大豆作为脲酶来源，选择尿素与氯化钙作为胶凝液，将大豆溶液与胶凝液混合，在高温条件下培养后，对混合液离心、烘干、酸洗、再烘干，得出生成碳酸钙的质量，从而得出不同温度下的最佳大豆溶液浓度，确定适宜反应温度。该方法操作容易，碳酸钙产率高且经济高效。

附图说明

图1为高温下生成及测量碳酸钙的工艺流程

具体实施方式

实施例1：

一种在高温条件下经济高效地生成碳酸钙的方法，该方法的主要步骤：

1)称量粒径在5-20μm的精磨豆粉，称量量如表1所示。取干燥洁净烧杯量取蒸馏水500ml，将豆粉溶于蒸馏水中，大豆溶液浓度如表1所示。并使用磁力搅拌器搅拌5分钟。称量尿素60g，氯化钙105.8g，取干燥洁净烧杯量取蒸馏水1000ml，将尿素与氯化钙溶于蒸馏水中，使用磁力搅拌器搅拌5分钟，将大豆溶液与胶凝液密封放入4℃的冰箱中保存。

2)将静置的大豆溶液取出，搅拌均匀后倒入12只离心管中，每只离心管中溶液体积为 45mL。使用离心机离心大豆溶液，离心时间为10分钟，离心转速为3000转/分钟，离心分两组进行，每组六只。取离心后的上清液密封于4℃的冰箱中保存，此清液即为脲酶溶液。

3)取出胶凝液，使用微量移液枪取15ml置于离心管中，取出静置的脲酶溶液，取15ml 与胶凝液等体积混合，后将离心管置于65℃的恒温水浴箱中反应3小时。

4)反应结束后，对反应所用离心管进行离心操作，离心时间为5分钟，离心转速为3000 转/分钟。离心后过滤产物，取滤纸与离心管置于75℃烘箱中烘干24小时。

5)取出滤纸与离心管，称量其质量。后进行酸洗操作，待离心管中不再存在沉淀物，且液面不再产生气泡为止，将滤纸与离心管置于75℃烘箱中烘干24小时。

6)取出滤纸与离心管，称量其质量，可得出碳酸钙生成量，计算后可得碳酸钙产率。

7)试验设置两组平行样，取测试结果的均值作为最终结果。使用碳酸产率/大豆溶液浓度来反应该温度下特定浓度大豆溶液的经济效益，所得碳酸钙质量、产率及经济效益见表2。

表1大豆用量及大豆溶液浓度(500mL)

表2碳酸钙质量、产率及经济效益

实施例2：

采用同实施例1的方法配置大豆溶液与胶凝液，制备如表1所示的大豆溶液，最终得到脲酶溶液。将等体积15mL的脲酶溶液与胶凝液混合，置于75℃的恒温水浴箱中反应3小时，对产物离心过滤，烘干后进行酸洗操作，烘干酸洗后的产物，称量可得碳酸钙生成量，计算可得碳酸钙产率及对应的经济效益，见表3.

表3碳酸钙质量、产率及经济效益

实施例3：

采用同实施例1的方法配置大豆溶液与胶凝液，制备如表1所示的大豆溶液，最终得到脲酶溶液。将等体积15mL的脲酶溶液与胶凝液混合，置于85℃的恒温水浴箱中反应3小时，对产物离心过滤，烘干后进行酸洗操作，烘干酸洗后的产物，称量可得碳酸钙生成量，计算可得碳酸钙产率及对应的经济效益，见表4。

表4碳酸钙质量、产率及经济效益

需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。