微生物矿化反应原理、沉积与破坏机制及理论:研究进展与挑战

微生物矿化作为地质演变及碳氮循环不可或缺的一环,给岩土、水利及环境等领域带来了新的机遇和挑战,其衍生而来的以MICP为代表的微生物岩土技术已成为环境岩土工程最具革新性的技术领域之一。近20年来,微生物岩土技术从概念验证阶段到相关领域技术示范已取得了重要进展。为推进对该领域更加深入的基础认识与研究,本文系统回顾了MICP技术并针对以下3部分进行了重点阐述:脲酶菌成矿作用的生物化学原理、微生物加固土的沉积模式及加固体破坏机理、涉及生物-化学-水力-力学等多物理场耦合作用下的微生物矿化反应理论。此外,还总结了微生物岩土技术目前亟待解决的问题与挑战,对潜在的研究热点与应用前景进行了探讨和展望。

微生物加固研究可视化试验系统的开发与应用

微生物加固是近十几年来兴起的绿色低碳建筑技术,在地基处理、边坡治理、混凝土裂缝修复等方面具有较好的应用前景。微生物加固涉及复杂的生物-物理-化学动态过程,需要开发实时可视化系统对其反应机理和加固机制进行研究。分析微生物加固可视化系统研发的必要性,提出微生物加固可视化试验系统由溶液输送系统、微反应器、观测系统、环境控制及监测系统组成的主要构造思路,其中溶液输送系统用于进样和控制流场边界条件,微反应器作为反应模具,观测系统用于反应过程的实时观测,环境控制及监测系统用于控制温度、光照等外部环境条件并获取流体压力等反馈数据。研究以图像处理为主,辅以环境监测的试验数据获取方法,提出相应的试验结果分析方法。结果表明:微生物加固可视化系统既能直接获取加固过程图像和渗透压力变化数据,亦能与扫描电镜等微观试验手段相结合进行材料表征和微观力学特性分析;开发的试验系统能用于微生物加固的微观实时研究,为微生物加固微观机制研究提供了新的手段,有利于揭示微生物加固机理。

以天然物质为原料的干燥剂的研究进展

干燥剂是在食品药品包装中常用的延长保质期的制品,然而以往所使用的干燥剂,如硅胶干燥剂、氯化钙干燥剂等,虽然被广泛使用,在性能方面却存在着不足,针对这些不足,很多新型干燥剂应运而生。本文综述了这些以天然材料为原料的新型干燥剂的优缺点和作用机理,分以天然无机材料为原料的干燥剂和以天然有机材料为原料的干燥剂两大部分加以说明。

基于UMARC的大展弦比机翼空气动力建模方法

将旋翼气动建模思想引入大展弦比固定翼,对旋翼飞行器UMARC理论中直升机旋翼空气动力建模方法进行适当改进,建立适应机翼较大变形情况下的空气动力学模型。将大展弦比机翼描述为Bernoulii-Euler梁形式,利用机翼大变形前后坐标系转换关系,推导得到变形后坐标系下机翼任意截面瞬时空气速度并最终建立空气动力载荷模型。利用模型计算机翼气动弹性静平衡位置,经与已有文献结果对比,表明此模型建立方法准确、有效;将UMARC理论移植到大展弦比机翼思想可行;并具较高工程应用前景。

IEEE1451.2网络化智能传感器校正引擎的研究

针对传统传感器无法同时适应不同传输总线以及传统传感器采集数据的非线性、零点漂移等问题,提出将最小二乘法应用于基于IEEE1451.2标准智能传感器的校正引擎中。通过Matlab软件对传统传感器与智能传感器的采集数据分别进行仿真,验证了经过最小二乘法校正后的传感器采集数据相比于传统传感器采集数据的正确性得到了提高。

Cyanex923-H_2SO_4体系萃取第3相的形成和应用

考察了Cyanex 92 3 H2 SO4体系中稀释剂、萃取剂浓度、温度等对形成萃取第 3相的影响以及三相体系中的相行为 ,发现直链烷烃稀释剂的碳链越长体系越易出现第 3相 ,而稀释剂越易极化 ,体系越难形成第3相 ;萃取剂浓度和体系温度升高不利于出现第 3相 ,且萃取剂富集在第 3相中 ;利用形成的三相体系对萃取剂Cyanex 92 3进行了纯化。

水肥药精准管理技术研究现状与发展趋势

水肥药精准管理技术可以确保农产品总量,调整农业结构,改善农产品品质和质量,减少环境污染,是我国由传统农业向现代化农业发展的有效方式。对比国内外水肥药精准管理技术研究现状,提出我国水肥药精准管理技术发展趋势,即在借鉴国外先进技术和自主研发的基础上发展特色水肥药精准管理技术。

微生物加固钙质砂的宏微观力学机理

微生物岩土技术是一种利用微生物诱导调控无机矿物生长以胶结砂土颗粒、填充土体孔隙来达到固化土体、降低砂土体渗透系数等目的的新型岩土加固技术,以尿素水解为反应方式的微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术的研究最为广泛[1]。采用两相法加固钙质砂样(图1),通过无侧限抗压试验、劈裂抗拉试验、等向压缩试验、三轴固结不排水试验、三轴固结排水试验,研究了MICP加固钙质砂的变形特性[2]。结果表明,MICP加固可有效降低钙质砂的压缩性,其变形模量随着加固因子的提高呈指数增长;钙质砂经MICP加固后的应力应变特性是由应变硬化逐步向应变软化过渡,其剪胀性随加固程度的增加而增加。

微生物矿化动力学理论与模拟

微生物矿化技术作为一个新兴研究课题,近些年来得到了广泛关注,然而因其反应机制复杂,很难从时间和空间尺度对矿化反应过程进行定量表示。在微生物诱导碳酸盐沉淀原理的基础上,考虑细菌的吸附和筛滤效应,以及尿素水解动力学和沉淀动力学模型,对微生物矿化反应动力学理论进行了探究,并结合孔隙尺度下的微生物矿化反应试验,采用有限元软件进行多物理场耦合模拟。结果表明,细菌吸附和筛滤行为引起了细菌分布的差异性,而这种差异性进而影响了碳酸钙的沉积分布;溶液汇合初始段碳酸钙生成量横向分布不均匀,纵向分布呈增长趋势;经历40h的反应时间,渗透率可降低80%左右;当钙离子含量丰富时,碳酸钙沉淀速率受限于尿素水解速率;附着细菌量和沉淀速率的叠加效应表现为细菌被沉淀包裹的衰亡速率。本模型验证了微生物矿化沉积反应过程,丰富了微生物矿化反应理论,并有望为现场工程应用的效果预测提供参考。

基于物联网的微型植物工厂智能监控系统设计

随着生活水平的提高,人们对于安全、卫生、绿色的蔬菜需求越来越大,因此适用于家庭使用的微型植物工厂越来越受到关注。针对这一需求,开发了一种基于物联网的微型植物工厂智能监控系统。该系统可以实现用户通过Web浏览器或手机APP远程查看微型植物工厂运行状态、修改控制系统设置参数和即时干预控制设置;用户也可以将微型植物工厂托管给专家或服务器。试验结果表明:该系统性能稳定,环境参数的采集设定、用户及时干预、历史数据的查看,以及在线付费完成服务器托管等功能均能达到实际应用需求。

基于STM32F407微型植物工厂智能控制系统研制

为了给微型植物工厂内部作物提供良好的生长环境,设计了一种基于STM32F407的微型植物工厂智能控制系统,包括微控制器模块、人机交互模块、数据采集模块、网络模块和执行机构驱动模块等。同时,制定了环境因子控制策略,构建了微型植物工厂智能控制系统软硬件,并进行了作物种植试验。结果表明:该系统稳定可靠,能够为作物生长提供适宜的光照、温湿度和水肥条件。

微生物加固土多尺度研究进展

主要介绍近年来重庆大学在微生物加固土方面的研究进展,包括:利用微流控技术从微细观尺度探究微生物加固土的加固机制;采用微粒固载法、温控法等工艺改进加固效果;从单元尺度对微生物加固法抑制颗粒破碎、纤维改性微生物土及钙质砂的静力、动力特性进行研究;在宏观及现场尺度方面,开展微生物注浆改性桩基础模型试验及现场地基处理试验,研究成果可为进一步推进微生物加固土技术的应用推广提供借鉴.

基于改进的SRK方程计算碱金属的热力学性质

基于SRK方程,通过对Na、K、Rb、Cs的PVT数据非线性拟合,提出了α函数改进形式,得到了k1、k2参数,与对应元素偏心因子关联获得碱金属的α函数,改进后的α函数值与PVT数据拟合得到的α函数值平均相对偏差为0. 52%。通过改进的SRK方程求解了碱金属气体在不同温度压力下的摩尔体积,以及600～3 000 K温度范围内不同压力(1～1 000k Pa)下的压缩因子,与文献报道的压缩因子比较,平均绝对偏差小于4. 4%。此外,还计算了碱金属气体在600～3 000 K温度范围的第二维里系数,与文献值吻合较好。改进后的SRK方程可以计算碱金属气体的热力学性质,并能为其他金属气体热力学性质计算提供方法指导。

阶梯形直杆弯曲位移计算的一个简化方法

题目 对于图1所示阶梯形直杆AD,求其在均布载荷作用下D点的竖向位移. 解题思路 按传统思路求解时可于D点施加一向下单位力,从而变成了一个典型的分段计算问题,将AD杆分为AB杆、BC杆和CD杆,分别进行图乘计算.此种解法图乘时面积的计算并不是标准图形,

基于微流控芯片技术的微生物加固可视化研究

微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)能够加固散粒土体,是岩土工程中新兴绿色加固技术之一。然而,关于微生物加固机理以及矿化形成过程的研究尚不多见。基于微流控芯片技术开发了微生物加固可视化系统,利用该系统开展了微生物诱导碳酸钙矿化机理的原位微细观研究,通过对微生物加固过程中碳酸钙晶体的沉积进行了观测,并对其时空分布、沉积模式、生长速率进行了量化。结果表明溶质分子的对流和扩散作用对碳酸钙晶体分布影响较大,碳酸钙的分布存在时间不均匀和空间不均匀现象,时间不均匀随反应进行呈现弱化现象而空间不均匀在整个反应过程(0~2200 min)中一直存在。研究发现微尺寸管道中碳酸钙存在孔隙中和颗粒间两种沉积模式,孔隙中的碳酸钙均匀长大,而颗粒间碳酸钙存在不同速率的生长轴。研究结果将加深对微生物加固机理的认识,为微生物加固技术的优化和推广应用提供参考。

微生物矿化沉积时空演化的微流控芯片试验研究

微生物矿化沉积是近年来的热门研究课题,然而人们对其时空演化过程的认识目前稍显不足。设计了具有大小孔隙的概念化微流控芯片,并利用微生物加固可视化系统对微生物矿化沉积的时空演化过程进行研究。提出了一种图像处理方法,该方法能够对沉积过程中的碳酸钙进行识别和计算,从而对微生物矿化沉积的时空演化过程进行量化研究。结果表明孔隙空间结构对碳酸钙晶体具有一定的调控作用,管道大孔隙中碳酸钙以单晶的形式存在,而砂颗粒间小孔隙中碳酸钙以聚合体的方式渐进生长并表现出3个不同的生长过程。无论单晶还是聚合体碳酸钙,它们的生长速率均随反应时间先增加后逐渐降低,碳酸钙晶体面积的等效半径增长速率最大为4.22μm/min。研究结果有望验证孔隙尺度微生物矿化沉积模拟,为现场工程应用提供参考。

隧道内衬钢管运调一体机的优化设计

为解决隧道内衬钢管运输和拼装施工工艺难度大、效率低、对接拼装精度差和预铺设轨道等问题,同时为适应快速发展中长距离输水管线铺设问题,结合现有内衬钢管运输方法、拼装施工工艺和河西支线工程特点,设计出内衬钢管运调一体机。设计的内衬钢管运调一体机可以免除铺设轨道,具有拆装方便、施工效率高、完全自动化和拼装施工工艺简单等优点。设计中对内衬钢管运调一体机的整体结构进行有限元分析,对关键部件和走行机构的动力系统进行系统分析,优化其内部结构和设计方案,确保内衬钢管运调一体机整体结构合理,运行安全稳定,将内衬钢管运调一体机应用到河西支线工程中,钢管运输平稳可靠,对接精度高,大大提高了施工效率和质量,为内衬钢管运调一体机的生产过程安全控制、质量控制、方案可行性、成本控制和运转控制稳定提供一种新方案。

岩坡沥青混凝土整平胶结层面板修复施工技术探讨

沥青是一种良好的防渗材料,在抽水蓄能电站防渗面板工程中得到越来越多的应用。本文针对某抽水蓄能电站岩坡区整平胶结层在暴雨后出现的毁坏情况,进行了详细的原因分析并制定了相应的处理措施,并最终满足相关设计要求,为后续类似项目施工提供了一定的参考意义。

浅谈水利工程中的灌浆技术

水利工程建设中防渗与加固非常重要，灌浆技术作为水工建筑物地基处理常用和重要的工程措施在大型坝基与水库建设中得到了广范的应用。选择适合的灌浆技术进行施工可以得到较好的加固与防渗效果。本文就以水利建设中常用的灌浆技术作简要介绍，仅供参考。