Ученые из Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU Singapore) нашли способ создания биоцемента из отходов, что делает альтернативу обычному цементу еще более экологичной и устойчивой.

Биоцемент — это возобновляемая форма цемента, в которой обычно используются бактерии для формирования реакции затвердевания, связывающей почву в твердый блок.

Ученым NTU удалось использовать два распространенных вида отходов, промышленный карбидный шлам и мочевину из мочи млекопитающих, для создания биоцемента.

Они разработали процесс, при котором реакция мочевины с ионами кальция в промышленном карбидном шламе приводит к образованию твердого вещества или осадка. Когда эта реакция происходит в почве, осадок связывает частицы почвы вместе и заполняет промежутки между ними, создавая компактную массу почвы. В результате получается прочный, прочный и менее проницаемый блок биоцемента.

Исследовательская группа под руководством профессора Чу Цзяня, председателя Школы гражданского и экологического проектирования, показала в исследовательской статье, подтверждающей концепцию, опубликованной в феврале 2022 года в Журнале экологической химической инженерии , что их биоцемент потенциально может стать устойчивым и экологически безопасным. рентабельный метод улучшения почвы, такой как укрепление грунта для использования в строительстве или земляных работах, борьба с эрозией пляжей, уменьшение пылевой или ветровой эрозии в пустыне или строительство резервуаров с пресной водой на пляжах или в пустыне.

Его также можно использовать в качестве биозатирки для герметизации трещин в камне для предотвращения просачивания и даже для подкрашивания и ремонта памятников, таких как наскальные рисунки и статуи.

«Биоцемент является устойчивой и возобновляемой альтернативой традиционному цементу и имеет большой потенциал для использования в строительных проектах, требующих обработки земли», — сказал профессор Чу, который также является директором Центра городских решений NTU. «Наше исследование делает биоцемент еще более устойчивым за счет использования в качестве сырья двух типов отходов . В долгосрочной перспективе это не только удешевит производство биоцемента, но и снизит затраты, связанные с утилизацией отходов».

Исследования ученых NTU поддерживают стратегический план NTU 2025, который направлен на решение некоторых серьезных проблем человечества, в том числе на смягчение воздействия человека на окружающую среду путем продвижения исследований и разработок в области устойчивого развития.

Моча, бактерии и кальций: простой рецепт биоцемента

Процесс производства биоцемента требует меньше энергии и генерирует меньше выбросов углерода по сравнению с традиционными методами производства цемента.

Биоцемент команды NTU создается из двух типов отходов: промышленного карбидного шлама — отходов производства газообразного ацетилена, поступающего с сингапурских заводов, — и мочевины, содержащейся в моче.

Во-первых, команда обрабатывает карбидный шлам кислотой для получения растворимого кальция. Затем к растворимому кальцию добавляют мочевину для образования цементирующего раствора. Затем команда добавляет бактериальную культуру в этот цементирующий раствор. Затем бактерии из культуры расщепляют мочевину в растворе с образованием ионов карбоната.

Эти ионы реагируют с растворимыми ионами кальция в процессе, называемом микробно-индуцированным осаждением кальцита (MICP). В результате этой реакции образуется карбонат кальция — твердый твердый материал, который естественным образом содержится в меле, известняке и мраморе.

Когда эта реакция происходит в почве или песке, образующийся в результате карбонат кальция связывает частицы почвы или песка вместе, увеличивая их прочность, и заполняет поры между ними, чтобы уменьшить просачивание воды через материал. Тот же процесс можно использовать и на стыках скал, что позволяет ремонтировать наскальные рисунки и статуи.

Грунт, армированный биоцементом, имеет прочность на неограниченное сжатие до 1,7 МПа, что выше, чем у такого же грунта, обработанного эквивалентным количеством цемента.

Это делает биоцемент команды пригодным для использования в проектах по улучшению почвы, таких как укрепление грунта или уменьшение просачивания воды для использования в строительстве или земляных работах или для борьбы с эрозией пляжей вдоль береговой линии.

Первый автор статьи доктор Ян Ян, бывший доктор философии НТУ. Студент и научный сотрудник Центра городских решений, который в настоящее время является постдокторантом в Университете Чунцина, Китай, сказал: «Осадки карбоната кальция на различных уровнях цементации укрепляют почву или песок, постепенно заполняя поры между частицами. Биоцемент также может использоваться для герметизации трещин в почве или камне, чтобы уменьшить просачивание воды».

Надежная альтернатива цементу

Производство биоцемента более экологично и устойчиво, чем методы, используемые для производства традиционного цемента.

«Одной частью процесса производства цемента является сжигание сырья при очень высоких температурах, превышающих 1000 градусов по Цельсию, с образованием клинкеров — вяжущего вещества для цемента. В ходе этого процесса образуется много углекислого газа», — сказал профессор Чу. «Однако наш биоцемент производится при комнатной температуре без сжигания чего-либо, и, таким образом, это более экологичный, менее энергозатратный и углеродно-нейтральный процесс».

Д-р Ян Ян сказал: «В Сингапуре карбидный шлам рассматривается как отходы. Однако это хорошее сырье для производства биоцемента. Извлекая кальций из карбидного шлама, мы делаем производство более устойчивым, поскольку нам не нужно использовать такие материалы, как известняк, который нужно добывать в горах».

Профессор Чу добавил: «Известняк — это исчерпаемый ресурс — как только он исчезнет, ​​он исчезнет. Добыча известняка также влияет на нашу природную среду и экосистему».

Исследовательская группа говорит, что если бы производство биоцемента можно было масштабировать до уровня традиционного производства цемента, общая стоимость его производства по сравнению со стоимостью обычного цемента была бы ниже, что сделало бы биоцемент более экологичной и более дешевой альтернативой цементу.

Восстановление памятников и укрепление береговой линии

Еще одним преимуществом метода команды NTU при составлении биоцемента является то, что и бактериальная культура, и цементирующий раствор бесцветны. При нанесении на почву, песок или камень сохраняется их первоначальный цвет.

Это делает его полезным для восстановления старых каменных памятников и артефактов. Например, доктор Ян Ян использовал биоцемент для ремонта старых памятников Будды в Китае. Биоцемент можно использовать для герметизации щелей в треснувших памятниках, а также для восстановления отломанных частей, таких как пальцы рук Будды. Поскольку раствор бесцветный, памятники сохраняют свой первоначальный цвет, сохраняя реставрационные работы верными истории.

В сотрудничестве с соответствующими национальными агентствами в Сингапуре команда в настоящее время испытывает свой новый биоцемент в парке Восточного побережья, где он используется для укрепления песка на пляже. При распылении растворов биоцемента поверх песка образуется твердая корка, предотвращающая вымывание песка в море.

Команда также изучает возможности дальнейшего крупномасштабного применения своего биоцемента в Сингапуре, например, для ремонта дорог путем заделки трещин на дорогах, заделки щелей в подземных туннелях для предотвращения просачивания воды или даже для выращивания коралловых рифов, где любят расти личинки каролов. на карбонат кальция.

Статья «Использование карбидного шлама и мочи для устойчивого производства биоцемента» опубликована в Journal of Environmental Chemical Engineering.