本發(fā)明涉及一種具有固碳能力的新型膠凝材料的制備與使用方法，利用多孔石膏或者多孔碳酸鈣吸附微生物制備微生物菌粉，混入適量氫氧化鈣后，可制備出一種具有固碳能力的新型膠凝材料。該膠凝材料遇水反應后可以吸收二氧化碳，并具有膠凝特性，屬于建筑材料技術領域。

技術背景

傳統(tǒng)硅酸鹽水泥是目前使用最為廣泛的膠凝材料，但其生產過程具有高能耗和高污染的特點，不僅消耗大量的化石資源，還排放出大量的二氧化碳。近年來，碳排放受到各國政府的高度重視。尤其，我國是世界上煤炭和水泥生產和消費大國，大量高能耗的電廠、煉廠、水泥廠云集，且現(xiàn)階段產業(yè)發(fā)展基本還是依靠傳統(tǒng)化石能源，能源利用中的70％為煤炭，仍處于煤炭時代，這種能源結構即使到2050年也難以完全改變，我國必將面臨CO₂減排的巨大壓力。

然而不可否認的是，CO₂也是地球上最豐富的碳源，因此在考慮如何減排CO₂的前提下，還可以將其固化再生為資源，還碳于地球。本發(fā)明就擬利用微生物的酶特性，制備出一種具有固碳能力的新型膠凝材料，其遇水反應后可以吸收二氧化碳，并具有膠凝特性。

技術實現(xiàn)要素：

技術問題：本發(fā)明提供一種具有固碳能力的新型膠凝材料的制備配方及其使用方法。

技術方案：一種具有固碳能力的新型膠凝材料，組成以質量份計為：1-50份硅酸鹽細菌菌粉、100份氫氧化鈣；所述的硅酸鹽細菌菌粉是以多孔石膏或者多孔碳酸鈣作為壁材，硅酸鹽細菌作為芯材，噴霧干燥得到，硅酸鹽細菌負載量在1.0×10⁹–2.0×10¹⁰細胞/克。

一種制備所述的具有固碳能力的新型膠凝材料的方法，步驟為：

(1)培養(yǎng)硅酸鹽細菌，獲取其菌液：將硅酸鹽細菌接種于滅菌后的培養(yǎng)基溶液培養(yǎng)得到含有硅酸鹽細菌的菌液；

(2)制備硅酸鹽細菌菌粉：以多孔石膏或者多孔碳酸鈣作為壁材，硅酸鹽細菌作為芯材，進行噴霧干燥，制備成硅酸鹽細菌菌粉；

(3)制備膠凝材料：將硅酸鹽細菌菌粉與氫氧化鈣混合均勻得到所述的膠凝材料。

所述的培養(yǎng)基溶液含有蛋白胨2.0-10.0g/L，牛肉浸取物1.0-8.0g/L，NaCl為2.0-10.0g/L，MnSO₄·H₂O為2.0-10.0mg/L。

所述的硅酸鹽細菌菌液菌體濃度為10⁷～10⁸細胞/mL。

所述的培養(yǎng)條件是控制pH為6～8，于25～40℃下振蕩培養(yǎng)24-48h。

所述的噴霧干燥時，進風溫度控制在120～180℃；出風溫度控制在70～80℃。

一種所述的具有固碳能力的新型膠凝材料的使用方法，組成以質量計，將15-40份該膠凝材料與10份水混合，靜置24-48小時后，放入二氧化碳壓力釜中，溫度15-35℃，相對濕度30％-70％，保持0.2MPa-0.6MPa壓力，CO₂氣體濃度20％-100％，保持通氣60-300分鐘，膠凝材料完成固結。

有益效果：

(1)通過硅酸鹽細菌的酶化作用可以吸收二氧化碳與膠凝材料中的石膏和氫氧化鈣發(fā)生水化反應，促進石膏和石灰的結晶，形成強度，并生成具有膠凝性的碳酸鈣和不可溶性有機物EPS，進一步增強強度。

(2)相比于傳統(tǒng)硅酸鹽水泥，該種膠凝材料的制備是在常溫常壓下完成的，低能耗，無污染，且可以吸收二氧化碳，具有顯著的節(jié)能減排意義。

(3)相比于傳統(tǒng)硅酸鹽水泥，該種膠凝材料水化進程快，可在3天內完成強度的增長。

附圖說明

圖1為電子掃描電鏡下觀察到的加了硅酸鹽細菌的(a)實施例1和不加硅酸鹽細菌的(b)實施例3的膠凝水化產物微觀結構，能明顯看出實施例1微觀結構致密性得到顯著增強。

圖2電子掃描電鏡下觀察到的實施例3中的水化產物，包括了還沒有碳化的氫氧化鈣、具有膠凝性的碳酸鈣、殘留的硅酸鹽細菌菌體以及具有膠凝性的不可溶有機物EPS。

圖3為實施例1水化產物的XRD分析圖譜，經分析其主要水化產物是方解石。

圖4為加了硅酸鹽細菌的(a)實施例1和不加硅酸鹽細菌的實施例3的膠凝水化產物熱重分析，分析結果中能明顯看出，實施例1中只發(fā)現(xiàn)了碳酸鈣的分解，而(b)實施例3中包括了碳酸鈣和氫氧化鈣兩次熱分解的過程。

具體實施方式

本發(fā)明所用的硅酸鹽細菌來源于中國工業(yè)微生物菌種保藏中心，編號為23640。

本發(fā)明用于制備具有固碳能力的新型膠凝材料的方法：

(1)培養(yǎng)硅酸鹽細菌，獲取其菌液：將硅酸鹽細菌接種于滅菌后的培養(yǎng)基溶液，每升培養(yǎng)基含有蛋白胨2.0-10.0g，牛肉浸取物1.0-8.0g，NaCl為2.0-10.0g，MnSO₄·H₂O為2.0-10.0mg，并控制pH為6～8，于25～40℃下振蕩培養(yǎng)24-48h，得到含有硅酸鹽細菌的菌液；

(2)以多孔石膏或者多孔碳酸鈣作為壁材，硅酸鹽細菌作為芯材，進行噴霧干燥，進風溫度控制在120～180℃；出風溫度控制在70～80℃，最終負載量控制在1.0×10⁹–2.0×10¹⁰細胞/克，制備成硅酸鹽細菌菌粉；

(3)將1-50份硅酸鹽細菌菌粉與100份氫氧化鈣混合制備得到本發(fā)明的膠凝材料；

(4)將15-40份該膠凝材料與10份水混合成型，靜置24-48小時后，放入二氧化碳壓力釜中，溫度15-35℃，相對濕度30％-70％，保持0.2MPa-0.6MPa壓力，CO₂氣體濃度20％-100％，保持通氣60-300分鐘，該膠凝材料完成固結。

實施例1

(1)稱取蛋白胨5g，牛肉浸取物3g，NaCl為5g，MnSO₄·H₂O為5mg，于1000mL去離子水中溶解，配置成所需培養(yǎng)基溶液，調節(jié)pH為7，125℃高溫下滅菌25分鐘后取出待冷卻，將膠質芽孢桿菌接種至冷卻培養(yǎng)基溶液中，37℃下振蕩培養(yǎng)，振蕩頻率為170r/min，培養(yǎng)時間24h；

(2)以多孔石膏作為壁材，硅酸鹽細菌作為芯材，進行噴霧干燥，進風溫度控制在150℃；出風溫度控制在80℃，最終負載量為5.0×10⁹細胞/克，制備成硅酸鹽細菌菌粉；

(3)將20份硅酸鹽細菌菌粉與100份氫氧化鈣混合制備得到本發(fā)明的膠凝材料；

(4)將25份該膠凝材料與10份水混合成型，靜置48小時后，放入二氧化碳壓力釜中，溫度20℃，相對濕度60％，保持0.3MPa壓力，CO₂氣體濃度99％，保持通氣180分鐘，該膠凝材料完成固結，其抗壓強度為9.80MPa，列于表1。

實施例2

(1)稱取蛋白胨5g，牛肉浸取物3g，NaCl為5g，MnSO₄·H₂O為5mg，于1000mL去離子水中溶解，配置成所需培養(yǎng)基溶液，調節(jié)pH為7，125℃高溫下滅菌25分鐘后取出待冷卻，將膠質芽孢桿菌接種至冷卻培養(yǎng)基溶液中，37℃下振蕩培養(yǎng)，振蕩頻率為170r/min，培養(yǎng)時間24h；

(2)以多孔石膏作為壁材，硅酸鹽細菌作為芯材，進行噴霧干燥，進風溫度控制在150℃；出風溫度控制在80℃，最終負載量為5.0×10⁹細胞/克，制備成硅酸鹽細菌菌粉；

(3)將20份硅酸鹽細菌菌粉與100份氫氧化鈣混合制備得到本發(fā)明的膠凝材料；

(4)將25份該膠凝材料與10份水混合成型，相較實施例1，前面步驟方法完全一致，所不同的是靜置48小時后，未放置于二氧化碳壓力釜中，而是繼續(xù)靜置180分鐘，然后測速其強度，其抗壓強度僅為0.56MPa，列于表1。

實施例3

(1)將20份石膏與100份氫氧化鈣混合制備膠凝材料，相較于實施例1未負載微生物；

(2)將25份該膠凝材料與10份水混合成型，靜置48小時后，放入二氧化碳壓力釜中，溫度20℃，相對濕度60％，保持0.3MPa壓力，CO₂氣體濃度99％，保持通氣180分鐘，該膠凝材料亦完成固結，其抗壓強度為3.91MPa，列于表1。

實施例1、實施例2、實施例3結果分析：

實施例2相較于實施例1，所有制備方法基本完全一致，區(qū)別在于實施例2樣品靜置48小時后，未放入二氧化碳壓力釜中進一步養(yǎng)護3小時，其強度僅有0.56MPa；而實施例1經二氧化碳壓力養(yǎng)護3小時后，強度增長為9.80MPa，兩者比較可證實二氧化碳不僅可以促進石膏和氫氧化鈣結晶形成強度，而且可以礦化形成具有膠凝性的碳酸鈣，密實結構，促進強度的增長。

實施例3相較于實施例1，二氧化碳養(yǎng)護方法完全一致，區(qū)別在于實施例3樣品中未負載硅酸鹽細菌，經過二氧化碳壓力養(yǎng)護3小時后，其抗壓強度增長為3.91MPa；而實施例1中負載了微生物，其抗壓強度進一步增長到9.80MPa，證實了微生物對于其強度發(fā)展的增強作用，其微觀結構如圖1所示，實施例1微觀結構致密性得到顯著增強。原因分析包括：(1)微生物促進了碳化反應，加速了水化進程；(2)微生物分泌的不可溶性有機質EPS具有膠凝作用；(3)微生物細胞在其中起到了纖維增強的作用，如圖2所示。圖4為加了硅酸鹽細菌的實施例1和不加硅酸鹽細菌的實施例3的膠凝水化產物熱重分析，分析結果中能明顯看出，實施例1中只發(fā)現(xiàn)了碳酸鈣的分解，而實施例3中包括了碳酸鈣和氫氧化鈣兩次熱分解的過程。

實施例4

(1)稱取蛋白胨10g，牛肉浸取物8g，NaCl為10g，MnSO₄·H₂O為10mg，于1000mL去離子水中溶解，配置成所需培養(yǎng)基溶液，調節(jié)pH為7.5，125℃高溫下滅菌25分鐘后取出待冷卻，將膠質芽孢桿菌接種至冷卻培養(yǎng)基溶液中，30℃下振蕩培養(yǎng)，振蕩頻率為170r/min，培養(yǎng)時間48h；

(2)以多孔石膏作為壁材，硅酸鹽細菌作為芯材，進行噴霧干燥，進風溫度控制在130℃；出風溫度控制在70℃，最終負載量為2.0×10¹⁰細胞/克，制備成硅酸鹽細菌菌粉；

(3)將20份硅酸鹽細菌菌粉與100份氫氧化鈣混合制備得到本發(fā)明的膠凝材料；

(4)將25份該膠凝材料與10份水混合成型，靜置48小時后，放入二氧化碳壓力釜中，溫度20℃，相對濕度50％，保持0.4MPa壓力，CO₂氣體濃度80％，保持通氣120分鐘，該膠凝材料完成固結，其抗壓強度為11.22MPa。

相較于實施例1，本實施例增加了微生物負載量，由5×10⁹細胞/克增至2.0×10¹⁰細胞/克，其抗壓強度得到進一步提升，硅酸鹽細菌對于膠凝材料強度增強的作用得到進一步提現(xiàn)。

實施例5

(1)稱取蛋白胨10g，牛肉浸取物8g，NaCl為10g，MnSO₄·H₂O為10mg，于1000mL去離子水中溶解，配置成所需培養(yǎng)基溶液，調節(jié)pH為7.5，125℃高溫下滅菌25分鐘后取出待冷卻，將膠質芽孢桿菌接種至冷卻培養(yǎng)基溶液中，30℃下振蕩培養(yǎng)，振蕩頻率為170r/min，培養(yǎng)時間48h；

(2)以多孔石膏作為壁材，硅酸鹽細菌作為芯材，進行噴霧干燥，進風溫度控制在130℃；出風溫度控制在70℃，最終負載量為2.0×10¹⁰細胞/克，制備成硅酸鹽細菌菌粉；

(3)將10份硅酸鹽細菌菌粉與100份氫氧化鈣混合制備得到本發(fā)明的膠凝材料；

(4)將25份該膠凝材料與10份水混合成型，靜置48小時后，放入二氧化碳壓力釜中，溫度20℃，相對濕度50％，保持0.4MPa壓力，CO₂氣體濃度80％，保持通氣120分鐘，該膠凝材料完成固結，其抗壓強度為6.91MPa。

相較于實施例4，本實施例調整了硅酸鹽細菌菌粉與氫氧化鈣的比例，降低了硅酸鹽細菌菌粉的用量，其抗壓強度僅為6.91MPa，相較于實施例4降低了38％，無論菌粉和多孔石膏載體對于本膠凝材料的水化都有重要的促進作用。

實施例6

(1)稱取蛋白胨10g，牛肉浸取物8g，NaCl為10g，MnSO₄·H₂O為10mg，于1000mL去離子水中溶解，配置成所需培養(yǎng)基溶液，調節(jié)pH為7.5，125℃高溫下滅菌25分鐘后取出待冷卻，將膠質芽孢桿菌接種至冷卻培養(yǎng)基溶液中，30℃下振蕩培養(yǎng)，振蕩頻率為170r/min，培養(yǎng)時間48h；

(2)以多孔碳酸鈣作為壁材，硅酸鹽細菌作為芯材，進行噴霧干燥，進風溫度控制在130℃；出風溫度控制在70℃，最終負載量為2.0×10¹⁰細胞/克，制備成硅酸鹽細菌菌粉；

(3)將20份硅酸鹽細菌菌粉與100份氫氧化鈣混合制備得到本發(fā)明的膠凝材料；

(4)(4)將25份該膠凝材料與10份水混合成型，靜置48小時后，放入二氧化碳壓力釜中，溫度20℃，相對濕度50％，保持0.4MPa壓力，CO₂氣體濃度80％，保持通氣120分鐘，該膠凝材料完成固結，其抗壓強度為7.19MPa。

相較于實施例4，本實施例采用多孔碳酸鈣代替多孔石膏作為壁材負載硅酸鹽細菌，其抗壓強度為7.19MPa，降低了36％，主要是載體碳酸鈣為惰性載體，不參與水化反應，而石膏本身亦具有膠凝性。

表1各實施例試件的抗壓強度對比