DOI: https://doi.org/10.1007/s11440-024-02501-x
تاريخ النشر: 2025-01-03
المؤلف: Yongqiang Zhu وآخرون
الموضوع الرئيسي: التطبيقات الميكروبية في مواد البناء
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تعزيز ترسيب كربونات الكالسيوم الناتج عن الميكروبات (MICP) من خلال طريقة حقن من مرحلة واحدة تتضمن حمض متعدد الكربوكسيل. هذا البوليمر، الغني بمجموعات الحمض الكربوكسيلي، ينظم وقت الترسيب الأولي لكربونات الكالسيوم عن طريق التفاعل مع أيونات الكالسيوم، مما يحسن من توزيع كربونات الكالسيوم. تستخدم الدراسة اختبارات متنوعة، بما في ذلك نمو البكتيريا، أنبوب، عمود رمل، وتحليلات مجهرية، لتقييم تأثيرات حمض متعدد الكربوكسيل على MICP. ومن الجدير بالذكر أن إضافة محلول 3% من حمض متعدد الكربوكسيل تؤخر وقت الترسيب الأولي لأكثر من ساعتين، مع تحقيق ترسيب كامل لأيونات الكالسيوم خلال 24 ساعة. تصل قوة الضغط غير المتماسك لعمود الرمل إلى 2.76 ميغاباسكال بعد خمس دورات معالجة، مما يشير إلى إمكانية الطريقة في تعزيز تعزيز الأرض.
تكشف النتائج أن تركيزات حمض متعدد الكربوكسيل بين 1-5% لا تؤثر سلبًا على نمو أو نشاط اليورياز لبكتيريا *Sporosarcina pasteurii*. التأخير في ترسيب كربونات الكالسيوم يُعزى إلى تفاعل أيونات الحمض الكربوكسيلي بدلاً من تنظيم الرقم الهيدروجيني. مع زيادة تركيز حمض متعدد الكربوكسيل، يتم تأخير وقت تشكيل كربونات الكالسيوم بشكل تدريجي، حيث يرتفع معدل تحويل أيونات الكالسيوم في البداية قبل أن ينخفض. تُظهر تحليلات الأشعة السينية (XRD) أن الأنواع البلورية السائدة التي تتكون هي الفاترية والكالسيت، بينما تشير المجهرية الإلكترونية الماسحة (SEM) إلى زيادة في حجم جزيئات كربونات الكالسيوم مع إضافة حمض متعدد الكربوكسيل. بشكل عام، تُظهر الدراسة أن دمج حمض متعدد الكربوكسيل يعزز بشكل كبير من توزيع كربونات الكالسيوم في أعمدة الرمل، مما يشير إلى قابليته في تحسين تقنية MICP لتعزيز الأرض.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التطبيقات الواعدة لترسيب كربونات الكالسيوم الناتج عن الميكروبات (MICP) كتقنية تعزيز منخفضة الكربون لتثبيت الأرض، السيطرة على التآكل، وإصلاح الخرسانة. يتضمن MICP تحلل اليوريا لإنتاج أيونات الأمونيوم وكربونات، والتي تتفاعل بعد ذلك مع أيونات الكالسيوم لتكوين ترسيب كربونات الكالسيوم. تتأثر فعالية MICP بشكل كبير بإنتاج وتوزيع كربونات الكالسيوم بشكل موحد، مما يدفع الباحثين لاستكشاف طرق متنوعة لتعزيز تطبيقه العملي، بما في ذلك تحسين عملية الحقن واستخدام إضافات محددة.
على الرغم من التقدم، لا تزال هناك تحديات في تحقيق توزيع موحد لكربونات الكالسيوم في التطبيقات الصناعية. تستخدم الطرق الحالية بشكل أساسي نهج حقن من مرحلتين، والذي يقدم بالتتابع حلول بكتيرية وأسمنتية إلى التربة. ومع ذلك، تم اقتراح طريقة حقن من مرحلة واحدة لتبسيط العملية عن طريق تأخير ترسيب كربونات الكالسيوم، مما يسمح بانتشار أفضل للذائبات والبكتيريا. لقد أظهر إدخال حمض متعدد الكربوكسيل كإضافة وعدًا في تحسين إنتاج كربونات الكالسيوم مع تثبيط الترسيب المبكر، وبالتالي تعزيز التوزيع. تهدف هذه الورقة إلى دراسة دمج حمض متعدد الكربوكسيل في طريقة حقن من مرحلة واحدة، مما يظهر تحسينات كبيرة في كل من كفاءة العملية وفعالية التعزيز مقارنة بالطرق التقليدية.
طرق
في هذه الدراسة، تم زراعة البكتيريا *S. pasteurii* (CGMCC No. 1.3687) في وسط سائل يتكون من 20 جرام/لتر من مستخلص الخميرة، 10 جرام/لتر من كبريتات الأمونيوم، و15.8 جرام/لتر من قاعدة ثلاثية. استخدمت التجارب رملًا بمعيار ISO، يتميز بكثافة نوعية تبلغ 2.66، ونسبة فراغ قصوى ($e_{max}$) تبلغ 0.767، ونسبة فراغ دنيا ($e_{min}$) تبلغ 0.378. أظهرت منحنى تصنيف الرمل قطرًا فعالًا ($d_{10}$) يبلغ 0.14 مم، وقطرًا متوسطًا ($d_{30}$) يبلغ 0.45 مم، وقطرًا محكومًا ($d_{60}$) يبلغ 0.90 مم، مع معامل انحناء ($C_c$) يبلغ 1.61 ومعامل تجانس ($C_u$) يبلغ 6.43.
بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام عامل تقليل الماء قائم على حمض متعدد الكربوكسيل، تم إنتاجه بواسطة شركة هنان تشونغيان لمواد البناء. تم ملاحظة أن هذا العامل، الذي يتميز بكتلة جزيئية نسبية تبلغ 50,000، فعال من حيث التكلفة مقارنةً بالحمض متعدد الكربوكسيل الآخر. كان محلول الأسمنت المستخدم في الاختبارات مكونًا من تركيزات متساوية من كلوريد الكالسيوم واليوريا، كلاهما بتركيز 1 مول/لتر.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تأثيرات حمض متعدد الكربوكسيل على نمو البكتيريا ونشاط اليورياز لتعزيز ترسيب كربونات الكالسيوم الناتج عن الميكروبات (MICP) لتطبيقات تحسين الأرض. تم إضافة تركيزات مختلفة من حمض متعدد الكربوكسيل (1-5%) إلى وسائط ثقافة البكتيريا، وتم قياس نمو البكتيريا ونشاط اليورياز الناتج. أشارت النتائج إلى أن حمض متعدد الكربوكسيل لم يكن له تأثير كبير على الحد الأقصى لمعدل النمو النوعي، أو الحد الأدنى لوقت التضاعف، أو الحد الأقصى لتركيز النمو للبكتيريا، مما يشير إلى أنه لا يؤثر سلبًا على نمو *S. pasteurii*. علاوة على ذلك، أكدت التحليلات الإحصائية أنه لم يكن هناك ارتباط كبير بين إضافة حمض متعدد الكربوكسيل ومعلمات النمو، كما أنه لم يؤثر على نشاط اليورياز لكل وحدة تركيز.
استكشفت الدراسة أيضًا فعالية التثبيت لـ MICP من خلال اختبارات الأنبوب وعمود الرمل. أظهرت النتائج أن إضافة حمض متعدد الكربوكسيل أخرّت ترسيب كربونات الكالسيوم بسبب التفاعل مع أيونات الكالسيوم، بدلاً من تغيير الرقم الهيدروجيني لنظام التفاعل. وُجد أن التركيز الأمثل لتحقيق أقصى قوة في أعمدة الرمل هو 3%، مما أدى إلى قوة ضغط غير محصورة تبلغ 2.76 ميغاباسكال بعد خمس معالجات. بالإضافة إلى ذلك، تحسن تجانس توزيع كربونات الكالسيوم مع إضافة حمض متعدد الكربوكسيل، خاصة عند التركيزات الأعلى، مما ارتبط بتحسين الخصائص الميكانيكية لأعمدة الرمل. كشفت التحليلات المجهرية أن الأشكال البلورية السائدة لكربونات الكالسيوم كانت الكالسيت والفاترية، مع ملاحظة أحجام جزيئات أكبر عند تركيزات حمض متعدد الكربوكسيل من 1-3%، مما ساهم في القوة العامة لأعمدة الرمل المعززة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11440-024-02501-x
Publication Date: 2025-01-03
Author(s): Yongqiang Zhu et al.
Primary Topic: Microbial Applications in Construction Materials
Overview
The research investigates the enhancement of microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP) through a one-phase injection method incorporating polycarboxylic acid. This polymer, rich in carboxylic acid groups, regulates the initial precipitation time of calcium carbonate by complexing with calcium ions, thereby improving the uniformity of calcium carbonate distribution. The study employs various tests, including bacterial growth, tube, sand column, and microscopic analyses, to assess the effects of polycarboxylic acid on MICP. Notably, the addition of a 3% solution of polycarboxylic acid delays the initial precipitation time by over two hours, with complete calcium ion precipitation achieved within 24 hours. The unconsolidated compressive strength of the sand column reaches 2.76 MPa after five treatment cycles, indicating the method’s potential for enhancing ground reinforcement.
The findings reveal that polycarboxylic acid concentrations between 1-5% do not adversely affect the growth or urease activity of Sporosarcina pasteurii. The delay in calcium carbonate precipitation is attributed to the complexation of carboxylic acid ions rather than pH regulation. As the concentration of polycarboxylic acid increases, the formation time of calcium carbonate is progressively delayed, with the calcium ion conversion rate initially rising before declining. X-ray diffraction (XRD) analysis shows that the predominant crystal types formed are vaterite and calcite, while scanning electron microscopy (SEM) indicates an increase in calcium carbonate particle size with polycarboxylic acid addition. Overall, the study demonstrates that the incorporation of polycarboxylic acid significantly enhances the distribution uniformity of calcium carbonate in sand columns, suggesting its applicability in improving MICP technology for ground reinforcement.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the promising applications of microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP) as a low-carbon reinforcement technology for ground stabilization, erosion control, and concrete repair. MICP involves the hydrolysis of urea to produce ammonium and carbonate ions, which subsequently react with calcium ions to form calcium carbonate precipitate. The effectiveness of MICP is significantly influenced by the production and uniform distribution of calcium carbonate, prompting researchers to explore various methods to enhance its practical application, including refining the grouting process and utilizing specific admixtures.
Despite advancements, challenges remain in achieving uniform calcium carbonate distribution in industrial applications. Current methods predominantly utilize a two-phase injection approach, which sequentially introduces bacterial and cement solutions to the soil. However, a one-phase injection method has been proposed to simplify the process by delaying calcium carbonate precipitation, allowing for better diffusion of solutes and bacteria. The introduction of polycarboxylic acid as an additive has shown promise in improving calcium carbonate yield while inhibiting early precipitation, thus enhancing uniformity. This paper aims to investigate the incorporation of polycarboxylic acid in a one-phase injection method, demonstrating significant improvements in both process efficiency and reinforcement effectiveness compared to traditional methods.
Methods
In this study, the bacterium *S. pasteurii* (CGMCC No. 1.3687) was cultivated in a liquid medium consisting of 20 g/L yeast extract, 10 g/L ammonium sulfate, and 15.8 g/L tris-base. The experiments utilized ISO standard sand, characterized by a specific gravity of 2.66, a maximum void ratio ($e_{max}$) of 0.767, and a minimum void ratio ($e_{min}$) of 0.378. The grading curve of the sand indicated effective diameter ($d_{10}$) of 0.14 mm, mean diameter ($d_{30}$) of 0.45 mm, and controlled diameter ($d_{60}$) of 0.90 mm, with a coefficient of curvature ($C_c$) of 1.61 and a uniformity coefficient ($C_u$) of 6.43.
Additionally, a polycarboxylic acid-based water-reducing agent, produced by Hunan Zhongyan Building Materials Company, was employed in the experiments. This agent, characterized by a relative molecular mass of 50,000, was noted for its cost-effectiveness compared to other polycarboxylic acids. The cement solution used in the tests was composed of equal concentrations of calcium chloride and urea, both at 1 mol/L.
Discussion
In this study, the effects of polycarboxylic acid on bacterial growth and urease activity were investigated to enhance microbial-induced calcium carbonate precipitation (MICP) for ground improvement applications. Various concentrations of polycarboxylic acid (1-5%) were added to bacterial culture media, and the resulting bacterial growth and urease activity were measured. The findings indicated that polycarboxylic acid had no significant impact on the maximum specific growth rate, minimum doubling time, or maximum growth concentration of the bacteria, suggesting that it does not adversely affect the growth of *S. pasteurii*. Furthermore, statistical analyses confirmed that there was no significant correlation between the addition of polycarboxylic acid and the growth parameters, nor did it affect urease activity per unit concentration.
The study also explored the cementation effectiveness of MICP through tube and sand column tests. Results showed that the addition of polycarboxylic acid delayed calcium carbonate precipitation due to complexation with calcium ions, rather than altering the pH of the reaction system. The optimal concentration for achieving maximum strength in the sand columns was found to be 3%, yielding an unconfined compressive strength of 2.76 MPa after five treatments. Additionally, the uniformity of calcium carbonate distribution improved with the addition of polycarboxylic acid, particularly at higher concentrations, which correlated with enhanced mechanical properties of the sand columns. Microscopic analyses revealed that the predominant crystal forms of calcium carbonate were calcite and vaterite, with larger particle sizes observed at 1-3% polycarboxylic acid concentrations, contributing to the overall strength of the reinforced sand columns.