一种用于微生物矿化的胶结液及其制备方法
阅读说明：本技术 一种用于微生物矿化的胶结液及其制备方法 (Cementing liquid for microbial mineralization and preparation method thereof ) 是由 胡俊 熊明 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于微生物矿化的胶结液及其制备方法,该胶结液含有氯化钙、尿素、氯化钠、大豆蛋白胨、生蚝壳粉、菠萝蜜籽粉、龙眼叶粉、葡萄糖基甜菊糖、椰子油酰胺丙基甜菜碱和水。采用本发明胶结液应用于黏性土胶结,能够抑制菌液胶结液混合时发生即时生化反应而生产絮凝作用,为MICP的有效胶结提供可控的窗口期,使混合液均匀分布于土体一定深度范围内,而且提高24h时CaCO-(3)化学转化率,显著提升胶结效果,提高胶结后土样贯入端应力,显著提升胶结土体表层的饱和结构强度,提高胶结的均匀程度,改善坡面抗侵蚀能力。(The invention provides a cementing liquid for microbial mineralization and a preparation method thereof. The cementing liquid is applied to cementing of cohesive soil, can inhibit the instant biochemical reaction generated during the mixing of the bacterial liquid cementing liquid to produce flocculation, provides a controllable window period for the effective cementing of MICP, ensures that the mixed liquid is uniformly distributed in a certain depth range of the soil body, and improves CaCO at 24h 3 The chemical conversion rate obviously improves the cementing effect, improves the stress of the soil sample injection end after cementing, obviously improves the saturated structural strength of the surface layer of the cemented soil body, improves the cementing uniformity and improves the erosion resistance of the slope.)
技术领域
本发明涉及胶结液领域，特别涉及一种用于微生物矿化的胶结液及其制备方法。
背景技术
MICP(微生物诱导碳酸钙沉积)技术具有施工简单、对环境友好等特点。由于黏性土渗透性较差，微生物的细胞不能在尺寸过小的孔隙内迁移。在MICP技术实施菌液中加入胶结液主要是为细菌生成CaCO3晶体提供尿素和钙源(CaCl2)。传统单相胶结工艺菌液与胶结液接触后容易出现快速絮凝、阻塞孔隙等问题，使菌液与胶结液的混合液难以均匀分布于土体一定深度范围内，胶结效果欠佳，不利于MICP技术在黏性土上的应用。
发明内容
鉴于此，本发明提出一种用于微生物矿化的胶结液及其制备方法，解决上述技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于微生物矿化的胶结液，每升含有氯化钙55-111g、尿素30-60g、氯化钠0.4-0.5g、大豆蛋白胨1.2-1.8g、生蚝壳粉0.5-0.8g、菠萝蜜籽粉0.8-1.2g、龙眼叶粉1.3-1.5g、葡萄糖基甜菊糖0.8-1g、椰子油酰胺丙基甜菜碱0.5-1.0g和余量的水。
进一步的，每升含有氯化钙111g、尿素60g、氯化钠0.45g、大豆蛋白胨1.5、生蚝壳粉0.7g、菠萝蜜籽粉1.0g、龙眼叶粉1.4g、葡萄糖基甜菊糖0.9g、椰子油酰胺丙基甜菜碱0.8g和余量的水。
进一步的，所述生蚝壳粉的目数为30-50目。
进一步的，所述菠萝蜜籽粉的目数为80-120目。
进一步的，所述龙眼叶粉的目数为60-80目。
上述胶结液的制备方法，先将氯化钙加入水中，加入生蚝壳粉、菠萝蜜籽粉、龙眼叶粉，先于1800～2000rpm搅拌0.6～0.8h；再加入氯化钠、大豆蛋白胨和葡萄糖基甜菊糖，于1200～1300rpm搅拌1.2～1.5h；最后加入尿素和椰子油酰胺丙基甜菜碱，调整pH值为4.5-5.5，制得目标胶结液。
进一步的，所述菠萝蜜籽粉由菠萝蜜籽经预冻、干燥、粉碎过筛制得。更进一步的，所述预冻的条件为将菠萝蜜籽置于-15～-20℃预冻2～3小时。
进一步的，搅拌过程温度控制为5～10℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用氯化钙、尿素、氯化钠、大豆蛋白胨结合生蚝壳粉、菠萝蜜籽粉、龙眼叶粉，并添加葡萄糖基甜菊糖、椰子油酰胺丙基甜菜碱，优选一定配比，制得胶结液，应用于黏性土胶结，能够抑制菌液胶结液混合时发生即时生化反应而生产絮凝作用，延时絮凝出现时间，解决传统单相胶结工艺菌液与胶结液接触后快速絮凝、阻塞孔隙等问题，为MICP的有效胶结提供可控的窗口期，使混合液均匀分布于土体一定深度范围内，而且提高24h时CaCO3化学转化率，显著提升胶结效果，提高胶结后土样贯入端应力，显著提升胶结土体表层的饱和结构强度，提高胶结的均匀程度，改善坡面抗侵蚀能力。
具体实施方式
为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，对本发明做进一步的说明。
本发明实施例所用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
本发明实施例所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
一种用于微生物矿化的胶结液，每升含有氯化钙111g、尿素60g、氯化钠0.45g、大豆蛋白胨1.5g、生蚝壳粉0.7g、菠萝蜜籽粉1.0g、龙眼叶粉1.4g、葡萄糖基甜菊糖0.9g、椰子油酰胺丙基甜菜碱0.8g和余量的水。
上述胶结液的制备方法，包括以下步骤：
(1)原料处理
取生蚝壳，研磨，过30目筛，即得生蚝壳粉。
取龙眼叶，粉碎，过60目筛，即得龙眼叶粉。
取菠萝蜜籽，置于-15℃预冻2小时，干燥，粉碎后过80目筛，即得菠萝蜜籽粉。
(2)胶结液的制备
按照上述重量分别取原料，先将氯化钙加入水中，加入生蚝壳粉、菠萝蜜籽粉、龙眼叶粉，先于2000rpm转速条件下机械搅拌0.6h；再加入氯化钠、大豆蛋白胨和葡萄糖基甜菊糖，于1300rpm转速条件下机械搅拌1.2h；最后加入尿素和椰子油酰胺丙基甜菜碱，调整pH值为4.5，搅拌过程温度控制为5～10℃，制得目标胶结液。
实施例2
一种用于微生物矿化的胶结液，每升含有氯化钙55g、尿素30g、氯化钠0.4g、大豆蛋白胨1.2g、生蚝壳粉0.5g、菠萝蜜籽粉1.2g、龙眼叶粉1.5g、葡萄糖基甜菊糖1g、椰子油酰胺丙基甜菜碱0.5g和余量的水。制备步骤与实施例1一致。
实施例3
一种用于微生物矿化的胶结液，每升含有氯化钙111g、尿素60g、氯化钠0.5g、大豆蛋白胨1.8g、生蚝壳粉0.8g、菠萝蜜籽粉1.2g、龙眼叶粉1.3g、葡萄糖基甜菊糖0.8g、椰子油酰胺丙基甜菜碱1.0g和余量的水。制备步骤与实施例1一致。
实施例4
一种用于微生物矿化的胶结液，每升含有氯化钙111g、尿素60g、氯化钠0.45g、大豆蛋白胨1.5g、生蚝壳粉0.7g、菠萝蜜籽粉1.0g、龙眼叶粉1.4g、葡萄糖基甜菊糖0.9g、椰子油酰胺丙基甜菜碱0.8g和余量的水。
上述胶结液的制备方法，包括以下步骤：
(1)原料处理
取生蚝壳，研磨，过50目筛，即得生蚝壳粉。
取龙眼叶，粉碎，过80目筛，即得龙眼叶粉。
取菠萝蜜籽，置于-20℃预冻3小时，干燥，粉碎后过120目筛，即得菠萝蜜籽粉。
(2)胶结液的制备
按照上述重量分别取原料，先将氯化钙加入水中，加入生蚝壳粉、菠萝蜜籽粉、龙眼叶粉，先于1800rpm转速条件下机械搅拌0.8h；再加入氯化钠、大豆蛋白胨和葡萄糖基甜菊糖，于1200rpm转速条件下机械搅拌1.5h；最后加入尿素和椰子油酰胺丙基甜菜碱，调整pH值为5.5，搅拌过程温度控制为5～10℃，制得目标胶结液。
对比例1
取氯化钙111g、尿素60g、氯化钠0.45g、大豆蛋白胨1.5g混合，加水定容至1L，即得胶结液。
对比例2
胶结液配方：每升含有氯化钙111g、尿素60g、氯化钠0.45g、大豆蛋白胨1.5g、生蚝壳粉0.1g、菠萝蜜籽粉0.5g、龙眼叶粉0.5g、葡萄糖基甜菊糖0.5g、椰子油酰胺丙基甜菜碱0.1g和余量的水。制备步骤与实施例1一致。
对比例3
胶结液配方：每升含有氯化钙111g、尿素60g、氯化钠0.45g、大豆蛋白胨1.5g、生蚝壳粉1.0g、菠萝蜜籽粉1.5g、龙眼叶粉2.0g、葡萄糖基甜菊糖1.5g、椰子油酰胺丙基甜菜碱1.5g和余量的水。制备步骤与实施例1一致。
对比例4
与实施例1主要不同在于，选用菠萝蜜籽未经预冻处理。取菠萝蜜籽，直接粉碎后过80目筛，即得菠萝蜜籽粉。
对比例5
与实施例1主要不同在于，搅拌过程温度没有控制温度为5～10℃，搅拌过程温度为25～30℃。
试验例
(1)黏性土选择
本试验采用海南红黏土作为改性对象。
(2)菌种选择
本试验选用巴氏芽孢八叠球菌。菌种利用平板涂布保存在4℃冰箱内，定期活化保持其活性。本试验所用培养基(250mL)配方为Tris碱3.9g，酵母提取物5.0g，(NH4)2SO42.5g。取多轮活化后的菌液(OD600约为1.2)，用移液枪接种到250mL培养基中，接种量为10mL。利用恒温摇床培养箱在30℃和150rpm条件下对细菌培养24h，然后利用分光光度计测得菌液的OD600(单位OD600值对应每毫升约8.6×107个细菌)值约为1.2。本试验中所用菌液的脲酶活性约为3.1mM urea·min－1。
(3)胶结液对窗口期以及CaCO3化学转化率影响
探究实施例以及对比例不同胶结液对细菌产生CaCO3晶体效率的影响，利用胶结液与菌液(巴氏芽孢八叠球菌)混合(混合体积比例为30ml：30ml)，在液体环境中研究胶结液对MICP反应过程化学转化率的影响。
试验中分别利用实施例以及对比例的胶结液与pH＝5.0的菌液混合，静置24h后离心、过滤，将沉淀物洗涤、烘干。静置过程观察絮凝出现情况。并通过生成CaCO3晶体的质量换算化学转化率。
CaCO3化学转化率是指转化为CaCO3沉淀的Ca2+的量与反应前溶液中原有Ca2+的量之比。
(4)土样制备
首先将原状下红黏土风干碾碎，过2mm筛，称取750.0g的风干土(初始含水率为3.7％)，分层填入圆柱形模具(内径10.0cm，高8.0cm)中，土样最终高度为6cm，干密度为1.5g·cm－3。模具底部打孔用于排水，同时垫双层纱布以防土颗粒流出。加水饱和试样，然后使其自然风干，重复5轮，模拟自然界干湿循环，目的是使土样的初始结构状态接近于自然表土。室内制备的重塑土样经历3～5次干湿循环后其变形及力学特性基本能够达到相对稳定的状态。根据上述操作，可重复制备试样。
(5)胶结土样制备
采用单相胶结工艺，利用1.0M的HCl溶液将菌液(巴氏芽孢八叠球菌)的pH降至5.0后再与胶结液混合，溶液混合后迅速喷洒至试样表面，任其自然下渗，并静置一周，在室温条件下自然风干，得到胶结后土样。
备注：每个试样喷洒处理时间为10～15min，试样处理前均为非饱和状态，喷洒处理过程中试样表面始终不形成积液。
(6)胶结后土样结构强度测试
采用超微型贯入仪SMP-1对实施例以及对比例不同胶结液处理后土样进行贯入试验，由探针在贯入土体过程的端头阻力反映土体结构强度。在贯入之前，利用模具底部开孔使水由下而上渗透，将试样饱和。每个试样选取不同的点(间隔2cm以上)进行3轮贯入试验，每次贯入深度为20mm，然后对结果取平均值。
结果显示，本发明实施例1-4胶结液能够抑制菌液胶结液混合时发生即时生化反应而生产絮凝作用，延时絮凝出现时间，为MICP的有效胶结提供可控的窗口期，而且提高24h时CaCO3化学转化率，提高胶结后土样贯入端应力，显著提升胶结土体表层的饱和结构强度，提高胶结的均匀程度。
对比例1未采用本发明胶结液配方组分，对比例2-3未采用本发明胶结液配方配比，其效果明显下降，出现絮凝时间快，CaCO3化学转化率下降，而且24h后土样贯入端应力平均值下降，胶结不均匀。
对比例4选用菠萝蜜籽未经预冻处理，对比例5搅拌过程温度没有控制温度为5～10℃，搅拌过程温度为25～30℃，其CaCO3化学转化率有所下降，24h后土样贯入端应力平均值也有所下降。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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