一种微生物金属复合载体、其制备方法和应用

摘要

本发明提供一种微生物金属复合载体、其制备方法和应用，本发明的复合载体制备包括以下步骤：将微生物菌粉、偏铝酸钠粉、乳酸亚铁粉加入糖衣机中喷洒无水乙醇溶液制备球形颗粒作载体内核，再加入水泥，喷洒去离子水，在载体内核表层包覆一层水泥作为外壳，置于标准条件下养护，最后将养护后的载体置于环氧树脂中，载体表面包覆一层环氧树脂膜层，本发明制备的载体取代部分沙子用于水泥基材料裂缝修复，本发明制备的载体降低了水泥基材料裂缝的pH值，提高了微生物矿化修复水泥基材料的能力。

权利要求

1.一种微生物金属复合载体的制备方法，包括以下步骤：

1)将微生物菌粉、偏铝酸钠粉、乳酸亚铁粉加入糖衣机中，均匀喷洒无水乙醇溶液制备球形颗粒，作为载体的内核；

2)向糖衣机中加入水泥，均匀喷洒去离子水，在载体内核表层包覆一层水泥，作为载体的外壳，置于标准条件下养护；

3)将养护后的载体置于环氧树脂中，浸渍，在载体表面包覆一层环氧树脂膜层；

所述微生物菌粉配制方法如下：

微生物菌：蔗糖：硫酸镁：氯化钾按质量比为1:0.5:0.05:0.05混合均匀；

步骤1)中所述的微生物菌粉、偏铝酸钠粉、乳酸亚铁粉按质量比为1:5‑10:15‑30。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中所述的微生物菌为胶质芽孢杆菌、赖氨酸芽孢杆菌、节杆菌、光合细菌的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中所述的载体内核粒径为1‑3mm。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤1)中所述载体内核粒径为2‑3mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)中所述水泥包覆厚度1‑2mm。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤2)中所述水泥包覆厚度1.5‑2mm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)中所述环氧树脂包覆厚度0.1‑

0.5mm。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤3)中所述环氧树脂包覆厚度0.3‑

0.5mm。

9.一种微生物金属复合载体，其特征在于：它是由按照权利要求1‑8任一项所述制备方法制备的。

10.如权利要求9所述微生物金属复合载体的用途，其特征在于：载体取代质量百分比为1‑10％的沙子配制水泥基材料。

说明书

一种微生物金属复合载体、其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于微生物学、材料学和土木工程多领域交叉的科学技术，具体涉及一种水泥基裂缝修复的微生物金属复合载体、其制备方法及应用。

背景技术

[0002] 水泥基材料是土木工程领域大量使用的主体建筑材料之一，但抗拉强度低，极易产生开裂。针对水泥基材料裂缝修复，国内外科研工作者开展了大量研究工作。传统的修复方式主要是人工修补，耗时耗力，若微裂缝肉眼不可见或处于难以触及的位置，人工修补难以实现。微生物修复是一种新型修复技术，具有良好的生物相容性，能够提高混凝土结构耐久性和工程服役寿命，是最有希望的修复技术，应用前景广阔。微生物修复的机理是裂缝产生后，由于微生物新陈代谢作用产生的以碳酸钙为代表的不溶性矿物，这些矿物大量堆积，使裂缝得以修复。

[0003] 然而，水泥水化产物主要是水化硅酸钙、氢氧化钙、钙矾石等，凝固后水泥基材料内部是一个相对密闭的高碱环境，pH高达13‑14。因此，微生物原位修复水泥基材料裂缝的有效性在很大程度上取决于微生物的生存能力，为微生物提供适宜的生存空间、隔离高碱性环境至关重要。为解决微生物生存问题，各类载体应运而生，目前研究较多的载体主要有微胶囊、膨胀珍珠岩、硅藻土、陶粒、水凝胶和石墨纳米片等，通过载体负载微生物，提高微生物在水泥基材料中的长期有效性。但是，通过载体负载微生物只能解决裂缝开裂前的高碱隔绝问题，裂缝开裂后，裂缝区的微环境依然是高碱环境，载体无法解决此时微生物生长阶段的高碱抑制问题。本发明针对裂缝开裂前和开裂后微生物所处的高碱环境，开裂前通过载体外壳结构隔绝高碱环境，开裂后通过内核吸附固定氢氧根离子，降低裂缝区微环境的碱性，为微生物的萌发、生长、繁殖阶段提供适宜的条件，并为提高微生物矿化修复裂缝速度和深度创造前提。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种微生物金属复合载体。

[0005] 本发明的载体制备方法如下：

[0006] (1)将微生物菌粉、偏铝酸钠粉、乳酸亚铁粉加入糖衣机中，均匀喷洒无水乙醇溶液制备球形颗粒，作为载体的内核；

[0007] (2)向糖衣机中加入水泥，均匀喷洒去离子水，在载体内核表层包覆一层水泥，作为载体的外壳，置于标准条件下养护；

[0008] (3)将养护后的载体置于环氧树脂中，浸渍，在载体表面包覆一层环氧树脂膜层。

[0009] 进一步的，步骤(1)中所述的微生物菌为胶质芽孢杆菌、赖氨酸芽孢杆菌、节杆菌、光合细菌的一种或多种；

[0010] 所述微生物菌粉配制方法如下：

[0011] 微生物菌：蔗糖：硫酸镁：氯化钾按质量比为1:0.5:0.05:0.05混合均匀；

[0012] 进一步的，步骤(1)中所述的微生物菌粉、偏铝酸钠、乳酸亚铁按质量比为1:(5‑10):(15‑30)；

[0013] 进一步的，步骤(1)中所述糖衣机转速为20‑50r/min，喷液量为5‑30 ml/min；

[0014] 进一步的，步骤(1)中所述载体内核的粒径为1.0‑3.0mm，优选粒径为 2.0‑3.0mm；

[0015] 进一步的，步骤(2)中所述糖衣机转速为20‑50r/min，喷液量为10‑20 ml/min；

[0016] 进一步的，步骤(2)中所述的水泥包覆厚度为1.0‑2.0mm，优选包覆厚度 1.5‑2mm；

[0017] 进一步的，步骤(2)中所述的养护条件为湿度90％‑95％，温度20‑23℃，时间3‑14天；

[0018] 进一步的，步骤(3)中所述的环氧树脂包覆厚度为0.1‑0.5mm，优选包覆厚度0.3‑0.5mm；

[0019] 一般说来，本发明的微生物适宜的生长pH值为7‑9，过高过低影响微生物的繁殖生长。

[0020] 本发明的另一目的是提供一种微生物金属复合载体的用途，将本发明制备的微生物金属复合载体应用于水泥基材料裂缝修复，用载体取代部分细骨料沙子配制水泥基材料，取代量约为1‑10％(质量百分比)，用载体部分取代沙子大大降低了混凝土环境pH值，pH值降为7‑9，给微生物提供了适宜的繁殖环境，微生物活性增强，满足了微生物繁殖、生长的需要，提高了微生物矿化修复水泥基材料的能力。

[0021] 为了测试本发明的技术效果，模拟水泥基材裂缝区微环境，配置强碱性的水溶液，将载体压碎后放入上述溶液中，在恒温振荡培养箱中培养，监测溶液pH值变化和微生物生长情况，根据溶液的pH值变化判断本发明达到的技术效果。

[0022] 所述的强碱水溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙水溶液，pH值为13‑14；

[0023] 所述的压碎载体与模拟溶液的质量比为1:5‑1:10；

[0024] 所述的恒温振荡培养温度为20‑30℃。

[0025] 根据本发明的实施例结果，pH值由测试前的13‑14降低到7‑9，为微生物繁殖、生长提供了最优条件，大大促进微生物繁殖、生长，提高了微生物矿化修复裂缝的能力。

[0026] 有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

[0027] (1)本发明的载体开裂前通过载体外壳结构隔绝强碱环境，开裂后通过内核吸附固定氢氧根离子，降低裂缝区微环境的碱性，为微生物的萌发、生长、繁殖提供适宜的条件，提高了微生物矿化修复裂缝速度和深度，该方法成本低、效果好、绿色环保。

[0028] (2)采用水泥、环氧树脂作为载体的外壳，水泥材料为载体提供了强度，保证载体在材料搅拌成型时不破坏；环氧树脂为载体提供保护膜层，隔绝外界介质进入载体内部，避免内核中的物质在载体开裂前发生反应变化；

[0029] (3)本发明的载体开裂前保持无水，因此内核中的偏铝酸钠与乳酸亚铁不会与水反应；载体开裂后偏铝酸钠、乳酸亚铁与水反应，形成多层间结构的无机矿物，不仅能吸附固定裂缝区微环境中的氢氧根离子，降低微环境的pH 值，为微生物的生长繁殖创造有利条件，还能吸附结晶水，通过体积膨胀填充裂缝，强化裂缝修复效果；

[0030] (4)添加了微生物金属复合载体后，金属矿物沉积降低了裂缝区微环境 pH值，有利于提升微生物生长代谢，图1可以看出生成金属矿物，吸附氢氧根离子，提供微生物适宜的生长环境；同时，金属矿物吸附大量结晶体，体积膨胀进一步强化裂缝修复。

附图说明

[0031] 图1金属矿物的扫描电镜SEM图像。

[0032] 图2模拟强碱溶液中添加微生物金属复合载体后溶液pH值的变化情况。

[0033] 图3模拟强碱溶液中添加微生物金属复合载体后微生物吸光度值OD的变化。

具体实施方式

[0034] 下面对本发明的具体实施方式作详细描述，需要说明的是，本发明的保护范围不受以下具体实施方式限制。

[0035] 载体制备方法

[0036] 实施例1

[0037] (1)将胶质芽孢杆菌微生物菌粉、偏铝酸钠粉、乳酸亚铁粉按照质量比 1:5:15的比例加入糖衣机中，在旋转过程中均匀喷洒乙醇溶液制备球形颗粒，糖衣机转速为30r/min、喷液量为10ml/min，以此作为载体的内核，载体内核的粒径为2.0mm；

[0038] (2)向糖衣机中加入水泥，在旋转过程中均匀喷洒去离子水，糖衣机转速为30r/min、喷液量为10ml/min，在载体内核表层包覆一层水泥，水泥包覆厚度为2.0mm，以此作为载体的外壳，置于标准条件下养护，养护条件为湿度 90％、温度20℃、时间14天；

[0039] (3)将养护后的载体置于环氧树脂中，在载体表面包覆一层环氧树脂膜层，包覆厚度为0.5mm；

[0040] 实施例2

[0041] (1)将胶质芽孢杆菌微生物菌粉、偏铝酸钠粉、乳酸亚铁粉按照1:8:20 的比列加入糖衣机中，在旋转过程中均匀喷洒乙醇溶液制备球形颗粒，糖衣机转速为20r/min、喷液量为25ml/min，以此作为载体的内核，载体内核的粒径为3.0mm；

[0042] (2)向糖衣机中加入水泥，在旋转过程中均匀喷洒去离子水，糖衣机转速为20r/min、喷液量为15ml/min，在载体内核表层包覆一层水泥，水泥包覆厚度为1.0mm，以此作为载体的外壳，置于标准条件下养护，养护条件为湿度 90％、温度20℃、时间14天；

[0043] (3)将养护后的载体置于环氧树脂中，在载体表面包覆一层环氧树脂膜层，包覆厚度为0.3mm；

[0044] 实施例3

[0045] (1)将胶质芽孢杆菌微生物菌粉、偏铝酸钠、乳酸亚铁按照1:5:15的比列加入糖衣机中，在旋转过程中均匀喷洒乙醇溶液制备球形颗粒，糖衣机转速为35r/min、喷液量为15ml/min，以此作为载体的内核，载体内核的粒径为 1.0mm；

[0046] (2)向糖衣机中加入水泥，在旋转过程中均匀喷洒去离子水，糖衣机转速为30r/min、喷液量为10ml/min，在载体内核表层包覆一层水泥，水泥包覆厚度为1.5mm，以此作为载体的外壳，置于标准条件下养护，养护条件为湿度 90％、温度20℃、时间14天；

[0047] (3)将养护后的载体置于环氧树脂中，在载体表面包覆一层环氧树脂膜层，包覆厚度为0.1mm；

[0048] 测试例：

[0049] 模拟水泥基材料裂缝区微环境，采用氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙配置强碱性的水溶液，pH值为14；将载体压碎后放入上述溶液中，压碎载体与模拟溶液的质量比为1:6，在恒温振荡培养箱中培养，恒温振荡培养温度为20℃，监测溶液pH值变化和微生物生长情况，测试结果表明，强碱溶液加入微生物金属复合载体后，其pH值从初始14不断下降至pH值基本稳定在8左右，具体从图2pH值变化曲线可以看出。

[0050] 相应的微生物吸光度在60小时后OD值不断大幅度增长，直至达相对稳定值，表明微生物菌体量不断增长，有利于提升微生物矿化修复水泥基材料裂缝效果。

[0051] 图1为金属矿物的SEM图像，表明微生物金属复合载体接触了模拟裂缝区强碱溶液后，形成了金属矿物，既可吸附固定氢氧根离子，降低pH值、促进微生物生长，提升微生物矿化修复效果，同时金属矿物吸附结晶水、体积膨胀，进一步强化裂缝修复效果。

[0052] 图2为模拟强碱溶液中添加微生物金属复合载体后pH值的变化，其pH 值从初始值14大幅度降低到8左右，给微生物繁殖、生长提供了良好的条件。

[0053] 图3为模拟强碱溶液中添加微生物金属复合载体后，模拟强碱溶液中微生物生长情况的变化，对比表明，随着时间的延长，模拟强碱溶液中pH值逐渐降低，微生物生长效率显著提升。