电压对微生物诱导生成碳酸钙沉淀的影响

微生物诱导碳酸钙沉淀(microbial induced calcium carbonate precipitation,MICP)是一种新型环保固化方法,但碳酸钙的生成量直接影响MICP技术的固化效果,为了在一定界限内提高碳酸钙的生成量,利用MICP技术,研究了不同电压梯度下,脲酶活性的变化规律,在此基础上进一步研究了不同电压梯度、不同通电时间、不同通电方式条件下微生物诱导生成碳酸钙的沉积规律。试验所用微生物为巴氏芽孢杆菌,营养液为三种钙源(氯化钙、硝酸钙、醋酸钙)与尿素1∶1等体积混合,菌液与营养液体积比为1∶15,溶液环境的pH为7.3。结果表明:最佳通电电压为1.2 V;最适通电时间为20 min;最佳的通电方式为全程通电;氯化钙为最佳钙源。故电压对巴氏芽孢杆菌的生物活性起促进作用,提高了其脲酶活性,最终提高了碳酸钙的产量。

微生物诱导碳酸钙沉淀技术的工程应用进展与评述

基于微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbially Induced Calcium carbonate Precipitation,MICP)技术的土体胶结固化技术是21世纪以来岩土工程、地质工程领域研究的热点之一。本文系统阐述了MICP技术的加固机理,从MICP加固效果和应用实践的角度出发,对MICP技术工程应用的研究现状进行评述。结果表明:MICP固化后的场地强度呈现出不均匀性明显、碳酸钙含量分布随深度递减的趋势;沙漠环境中,原位提取的菌种诱导生成的碳酸钙覆膜较传统的巴氏芽孢杆菌,具有更好的强度表现和稳定性;新型MICP技术应用(如微生物水泥、微生物砖)在强度、耐久性上表现出良好的应用前景,有望为实现我国双碳目标注入新的活力。基于MICP技术碳酸钙沉淀特质的影响因素,现场尺度下如何提高碳酸钙分布的均匀性以及在季节性变化下的碳酸钙骨架的耐久性、不同环境下的固化效率改进方案应该成为日后研究的重中之重。

微生物诱导碳酸钙沉淀固沙对典型沙生植物叶片性状和生理特性的影响

微生物诱导碳酸钙沉淀(microorganism induced carbonate precipitation,MICP)能够填充土壤孔隙,减少水分蒸发和增强风沙土的抗风蚀性,其防风固沙效果已得到证实,但其对沙生植物叶片性状和生长生理过程的影响尚不明确,为揭示微生物诱导碳酸钙沉淀固沙对沙生植物叶性状和光合生理特征的影响,以沙蓬(Agriophyllum squarrosum)、斜茎黄芪(Astragalus laxmannii)、柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)、蒙古羊柴(Corethrodendron fruticosum)4种沙生植物为研究对象,开展室内盆栽试验,对比分析不同菌剂施用量(高、中、低)和固结层位置(下、中、上)处理下沙生植物的叶性状和生理特性。结果表明,①微生物诱导碳酸钙分布在风沙土颗粒间,且呈立方体形、菱形、球形和不定形等多种晶态,能够胶结风沙土颗粒。②菌剂处理显著提高了4种沙生植物土壤的有机质和碳酸钙含量;施加高水平菌剂时,固结层下处理组沙蓬和斜茎黄芪土壤的有机质和碳酸钙含量显著高于其他处理组;其中斜茎黄芪土壤有机质含量的增幅最大,为90.19%,柠条锦鸡儿土壤碳酸钙含量增幅最大,为41.47%。③高水平菌剂处理组沙蓬的比叶面积显著高于其他处理组,平均提高0.98%;低水平菌剂处理组沙蓬和斜茎黄芪的叶干物质含量显著高于其他处理组,分别平均提高34.11%和24.18%。固结层中处理组沙蓬、斜茎黄芪和柠条锦鸡儿的比叶面积显著低于其他处理组。④高水平菌剂处理组沙蓬、斜茎黄芪和柠条锦鸡儿的叶绿素含量显著高于其他处理组,分别平均提高9.01%、12.97%和31.77%;中水平菌剂处理组沙蓬、高水平菌剂处理组斜茎黄芪和柠条锦鸡儿的最大净光合速率显著高于其他处理组,分别平均提高55.70%、48.39%和13.24%。综上,施加菌剂能够提高土壤有机质和碳酸钙含量,为植物生长提供充足的养分,因此沙蓬、斜茎黄芪和柠条锦鸡儿的光合生理特性显著高于对照组,但植物叶性状对土壤有机质和碳酸钙含量响应不显著。微生物诱导碳酸钙沉淀固沙对中水平菌剂处理沙蓬、高水平菌剂处理斜茎黄芪和柠条锦鸡儿的叶性状和光合生理特性有促进作用,但是对蒙古羊柴的叶性状和光合生理特性有抑制作用。以上研究结果为丰富完善微生物诱导碳酸钙沉淀固沙技术提供理论依据和科学支撑。

微生物诱导碳酸钙沉淀技术对花岗岩残积土渗透性的影响规律研究

用花岗岩残积土填筑的路基具有水稳性差、渗透系数大、易受降雨冲刷等特点。为探讨微生物诱导碳酸钙沉淀(microbial induced calcite precipitation,MICP)技术对花岗岩残积土渗透系数的影响规律及作用机理,测定MICP固化前后重塑花岗岩残积土试样的渗透系数,并对固化前后的试样进行碳酸钙质量分数测定、核磁共振扫描、电镜扫描以及X射线衍射分析。结果表明:1) MICP技术能使花岗岩残积土试样的渗透系数降低两个数量级,且在试验范围内,将各因素按照对渗透系数的影响程度从大到小排列,依次为:胶结液浓度、固化次数、灌注液量。同时,最佳固化条件为灌注液量40 mL、胶结液浓度1.0 mol/L、固化16次。2)固化产生的沉淀填充在花岗岩残积土孔隙中,致使孔隙间的连通性变差,孔隙率下降。总体上,越靠近注入端碳酸钙的质量分数越大,固化效果越好。3)簇状的方解石碳酸钙有效胶结了原本松散的土颗粒,堵塞了土颗粒孔隙间的渗流通道,降低了试样的渗透系数。

微生物诱导碳酸钙沉淀改良黄土的崩解性试验研究

黄土特殊的结构和矿物组成导致其遇水易崩解,并引起边坡失稳、湿陷性沉降等一系列岩土工程问题。微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术是一种新型微生物矿化技术,本文通过自制崩解仪探究了养护龄期和胶结液浓度对MICP改良黄土崩解时间和崩解率的影响,根据非饱和土的单值有效应力公式,从孔隙水压力和孔隙气压力的角度建立了非饱和土崩解的力学模型,利用推导出的崩解率-时间公式拟合黄土试样的崩解曲线。结果表明:MICP改良试样的崩解率均低于未改良的试样;随着养护龄期增加,0.6 mol/L胶结液改良黄土的崩解时间由12 min增加到28 min;养护14 d时,MICP改良黄土的崩解率达到最低值0.02%,崩解率-时间公式对崩解率曲线的调整拟合优度均在0.90以上。

微生物诱导碳酸钙沉淀在土体改良中的应用

微生物诱导碳酸钙沉淀是一种新型改良土体的技术,该技术在较好保护环境的同时,可以改善不良土体自身的性质。本文系统总结了各类土体自身的特点以及利用微生物矿化机理固化各类土体后的无侧限抗压强度和渗透性大小,对加固效果的影响因素进行了讨论分析,以期为固化更多不良土体的技术和应用研究提供参考。研究结果表明,颗粒粒径和孔隙大小在一定范围内,才能具有较好的固化效果;初始渗透系数较大的土体矿化后渗透系数显著降低;土体自身的矿物成分和物理性质也会影响加固效果。可见影响微生物加固效果的因素有很多,需要选取最优方案以期达到较好的固化效果。

加速微生物诱导碳酸盐沉淀过程的调控因子筛选及机理初步研究

微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术被广泛应用于土壤重金属污染控制中,然而,土壤的成分会降低碳酸钙成核速率,为解决其矿化过程成核慢、矿化产物晶型不稳定等问题,选取六种调控因子:柠檬酸钠(C_(6)H_(5)Na_(3)O_(7))、氧化镁(MgO)、氯化镁(MgCl_(2))、壳聚糖((C6H11NO4)n)、乙醇(C_(2)H_(5)OH)和二氧化硅(SiO_(2)),利用偏振光显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)及傅里叶红外光谱(FTIR)等测试手段和方法,筛选出能够加速结晶且生成沉淀量最多,对铅的去除率达到90%的调控因子柠檬酸钠(TKa)。结果表明,柠檬酸钠能稳定球霰石,加快矿化过程和增加矿化沉淀,提高重金属去除率。因此,柠檬酸钠具有提高MICP生物修复的速度,对提高MICP技术应用的效率具有重要意义。

微生物诱导碳酸钙沉淀填充裂隙岩体渗流规律试验研究

利用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)填充裂隙岩体,采用自主研发的三轴压缩渗流试验装置,进行了不同裂隙宽度、充填率、围压条件下MICP充填裂隙岩体渗流试验,同时测量岩体横波波速。研究结果表明:MICP充填裂隙岩体试样渗透系数受裂隙宽度的影响,也受填充率影响。不同宽度的MICP充填裂隙岩体渗透系数随围压升高呈下降趋势,最高可下降58.03%;当围压较小时,渗透系数下降较快,随着围压增大,渗透系数下降速度逐渐减慢;同一岩性MICP充填裂隙岩体渗透系数随波速增加而减小。MICP充填裂隙岩体渗透系数计算公式可拟合为自然对数横波波速与负指数围压之和形式。研究结果对于MICP充填技术在裂隙岩体注浆应用具有重要意义。

基于微生物诱导碳酸钙沉淀的天然海水加固钙质砂效果评价

使用天然海水进行微生物培养并诱导碳酸钙沉淀(MICP)加固钙质砂试验,首先通过微生物的生长繁殖情况和脲酶活性的变化研究海水对微生物的影响。然后,根据MICP加固前后钙质砂渗透性和无侧限抗压强度(UCS)的变化评价海水对MICP加固效果的影响。最后,利用SEM和XRD测试分析海水影响MICP加固钙质砂效果的机制。结果表明:(1)天然海水使微生物的生长出现滞后期,但稳定期的微生物数量和脲酶活性与淡水环境下相差不大;(2)使用海水MICP加固钙质砂的效果与淡水条件下相比差别较小,钙质砂的渗透系数可降低一个数量级,UCS值可达1.7 MPa;(3)海水条件下MICP过程受到海水成分、微生物、钙离子浓度、尿素浓度和p H值等因素的调控,主要沉积的碳酸钙晶型为方解石,方解石填充了粒间孔隙,使砂颗粒胶结为整体,这是钙质砂力学性能提高的主要原因。

微生物诱导碳酸钙沉淀改性膨胀土试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀(microbial induced calcite precipitation,简称MICP)技术可能是有助于解决膨胀土胀缩行为的一种潜在方法。用细菌浓度和脲酶活性作为控制指标,研究了在不同培养条件下的巴氏芽孢杆菌的生长特性,确定了最有利于细菌生长的温度、pH和摇床震荡速率。用MICP技术对两种不同的膨胀土进行处治,通过比较处治前后土样的自由膨胀率、无荷膨胀率、黏聚力、内摩擦角以及抗剪强度等物理力学指标,验证处治效果,从微观角度解释了改性膨胀土的作用机制。结果表明:培养温度为30℃、pH为7、摇床震荡速率为200 r/min时,最适宜细菌生长。MICP处治后的膨胀土自由膨胀率和无荷膨胀率均有明显下降,黏聚力、内摩擦角以及抗剪强度均有明显增强,MICP过程中生成的碳酸钙起到了孔隙填充和土颗粒胶结作用,同时钙离子对低价阳离子的置换和碳酸钙对土颗粒的包裹效应,共同作用改善了膨胀土特性。研究可为微生物处治膨胀土技术和工程应用提供参考。

微生物诱导碳酸钙沉淀技术改良黄土湿陷性研究

为有效降低黄土地区遇水产生的湿陷性,以兰州黄土为研究对象,利用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术对黄土湿陷性进行研究。首先对MICP处理前后黄土的无侧限抗压强度及湿陷系数进行评价,然后利用CT扫描技术分析MICP改良后的黄土微观特征,进一步探究MICP改良机理。试验结果表明:经MICP处理后的黄土试样无侧限抗压强度显著提高,最高可达150 kPa,黄土湿陷性有效降低;随着胶结液浓度不断增加,碳酸钙生成量持续增加,但在胶结液浓度大于1.25 mol/L时,碳酸钙生成量呈下降趋势;改良后黄土试样的孔隙率、孔隙等效直径等指标均降低。

微生物诱导碳酸钙沉淀固结黄河泥沙试验研究

采用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术,以具有较高脲酶活性的巴氏芽孢杆菌制备微生物菌液,并辅以尿素和钙盐的水溶液对黄河泥沙样品进行灌浆固结试验,研究固结条件、颗粒类型对固结效果的影响,结果表明:MICP可以把泥沙颗粒黏结成型;泥沙的无侧限抗压强度为0.23~2.30 MPa,中沙的无侧限抗压强度为0.38~3.01 MPa;相同固结条件泥沙的无侧限抗压强度为中沙强度的76%,泥沙抗剪强度为中沙强度的48%;泥沙软化系数为32%;固结后仍存在强度分布不均匀和水稳定度不足等问题。

微生物诱导碳酸钙沉淀胶结加固泥岩试验研究

在水环境作用下,泥岩容易发生软化、崩解等现象。应用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术处理重塑泥岩试样,研究了试样颗粒粒径、制备方式及MICP处理方式对碳酸钙沉淀物的影响,探讨了MICP方法治理泥岩稳定性的可行性。基于X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)、直接剪切等试验测试胶结试样,分析了胶结试样微观结构及力学性能的变化。结果表明,选用直径为0.25~1 mm的20 g重塑泥岩制备环刀样,在相同浓度营养盐条件下采用一次浸泡菌液的方式可以在试样中形成方解石型碳酸钙晶体;碳酸钙晶体沉积在颗粒接触处或填充在孔隙中形成“胶结桥”,产生胶结效果而增强试样的力学性能;不同垂直压力下胶结试样强度逐渐增加而趋于稳定值,表现为应变硬化的特征,黏聚力与内摩擦角分别提高288%、8.66%,说明微生物胶结泥岩具有较好的应用价值。

微生物诱导碳酸盐岩沉淀过程及作用机理

微生物诱导碳酸钙沉淀(microbially induced calcium carbonate precipitation,MICP)是一种在自然界中广泛存在的生物矿化过程。由于MICP具有反应速度快、环境条件要求低、应用范围广、温室气体减排效应显著等特点,在地质、土木、水利、环境多个领域中广泛推广应用。文章在分析国内外相关研究成果的基础上,归纳整理出反硝化过程、硫酸盐还原作用、尿素分解作用等多种微生物诱导下碳酸钙矿化途径和作用机制。以尿素分解菌为代表,重点讨论微生物诱导碳酸盐沉淀过程中pH、温度、离子浓度等环境因素对生成矿物晶型晶貌等方面的影响,总结了MICP的环境应用机制,即环境中的重金属元素通过替换作用替换矿化矿物中的Ca^(2+)或CO^(2-)_(3)从而被固定。MICP作为一种简单高效的地质环境过程,在生态环境修复领域具有广阔的应用前景。

基于微生物诱导碳酸盐沉淀的微生物抑尘剂

为研制出绿色环保的新型扬尘抑制剂,利用微生物诱导碳酸钙沉淀技术,研发出抗冻耐温、抗风能力强、抑尘效率高的巴氏芽孢杆菌抑尘剂,其成分最优配比为细菌菌液浓度OD_(600)=1.5、尿素和氯化钙皆为0.8 mol·L^(-1)。还对比了纯水、高分子吸水树脂抑尘剂、氯化钙抑尘剂与微生物抑尘剂的性能,实验显示:微生物抑尘剂的渗透速度为3.13mm·min^(-1)、抗风指数27.4、抑尘效率79.1%,均优于纯水、高分子吸水树脂抑尘剂、氯化钙抑尘剂。

基于响应面法的PP-PAM复合改良微生物固化膨胀土优化研究

【目的】采用微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)加固膨胀土,可有效提高膨胀土的强度,降低胀缩性,但存在土体破坏时脆性明显,以及养护初期崩解量高等问题,为了进一步改善微生物固化膨胀土的脆性破坏和养护初期崩解量高的问题,【方法】在微生物固化膨胀土的基础上,研究掺入聚丙烯纤维(PP)和聚丙烯酰胺(PAM)对微生物固化膨胀土破坏模式和水稳性的影响。以纤维长度、纤维掺量和聚丙烯酰胺掺量为影响因素,以无侧限抗压强度和崩解量为响应值,采用Box-Behnken响应面法进行条件优化试验,建立了响应面回归模型,获得聚丙烯纤维长度、聚丙烯纤维和聚丙烯酰胺用量及其交互作用对微生物固化膨胀土强度和崩解性综合指标的影响。【结果】结果表明:聚丙烯纤维的掺入降低了微生物固化膨胀土破坏时的脆性、提高了土体强度、降低了膨胀土的崩解性,但随着纤维长度的增加,崩解量逐渐增加;聚丙烯酰胺的掺入降低了膨胀土的崩解量,但会降低土体强度。【结论】在影响因素试验范围内,以无侧限抗压强度最高和崩解量最低为原则,通过Box-Behnken响应面法获得最佳配比为:聚丙烯纤维长度为9 mm,掺量为0.5%,聚丙烯酰胺掺量为0.12%。在此配比下,复合固化土的无侧限抗压强度为1.24 MPa,相比优化前提高了29.57%,崩解量仅为0.34%,相比优化前降低了99.07%。

微生物加固钙质砂地基电阻率特性试验研究

微生物加固砂土地基存在加固不均匀的问题,采用自主研发的多通道电阻率测量技术对微生物加固钙质砂地基的电阻率分布规律开展了试验研究,研究了菌液和反应液在注入土体后对电阻率幅值及变化规律的影响,最后根据电阻率分布情况,探讨了微生物加固钙质砂地基空间上加固程度的差异性,以及利用电阻率法监测微生物加固过程和加固效果的可行性。试验结果表明:微生物加固钙质砂地基的电阻率受土体密度,菌液与反应液影响较大,其中,反应液对电阻率的影响程度最高。整体上电阻率随着加固次数的增加呈现先增大后减小的规律,深部土体电阻率显著低于上部土体,第七至第八次加固后,土体电阻率开始增加,这一现象的原因可能为土体中的孔隙在多次加固后逐渐被生成的碳酸钙填充,土体中的离子交换通道减少导致电阻率增加,此时碳酸钙填充孔隙对电阻率的影响占主导地位。

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。

沸石增强砂土微生物固化效果研究

为提高砂土的微生物固化效果,考虑沸石作为吸附材料具有多孔的特性,通过宏观物理力学试验和微细观检测,系统分析了沸石对微生物固化砂土的增强效果。研究结果表明:沸石能够显著提高砂土微生物加固过程中的固菌率。与常规微生物固化相比,掺入沸石后,固菌率提升约5.5倍,抗压强度提升39.35%,渗透系数减小71.94%。掺入沸石,一方面能够增加碳酸钙沉淀生成量,并改善其分布均匀性;另一方面,沸石周围的碳酸钙沉淀对两侧砂颗粒起到良好的桥接作用,能够增强砂颗粒之间的结构性及试样的整体性。研究成果为进一步优化微生物诱导碳酸钙沉积技术提供参考。

浓缩海水作为钙源在微生物诱导碳酸钙加固砂土中的应用

为了将海水作为原料利用于微生物诱导碳酸钙(MICP)加固岛礁地基,进行了海水浓缩试验以及将浓缩海水作为钙源溶液的MICP砂土加固试验,研究细菌固定方式、细菌注入批次、胶结液中尿素浓度以及胶结液注入流速对加固效果的影响。研究表明,在不析出钙离子的条件下,将海水进行浓缩的最高倍数为3倍,此时钙离子含量约为0.033mol/L;尿素添加量宜为浓缩海水中钙离子含量的3倍,可有效利用胶结液中钙离子产生沉淀;使用2 mL/min的胶结液注入流速对5 cm砂柱进行加固可以得到最佳加固效果;加固后砂柱无侧限抗压强度达653 kPa,耗时4.5 d;增加细菌注入批次无法对砂柱加固效果进行有效改善。