本發(fā)明屬于固廢資源化利用和混凝土材料學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種生物炭/雙凝膠復(fù)合微生物修復(fù)劑顆粒及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、在全球環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展背景下，低碳減排成為建筑和材料科學(xué)的關(guān)鍵課題?；炷磷鳛楝F(xiàn)代建筑中最廣泛使用的材料之一，其生產(chǎn)和使用過(guò)程中產(chǎn)生大量碳排放，對(duì)環(huán)境造成巨大壓力。提升混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命是建筑行業(yè)節(jié)能減排的有效途徑，但混凝土一旦開(kāi)裂便難以及時(shí)修復(fù)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)加速劣化。此外，傳統(tǒng)修復(fù)材料在耐久性、生物相容性和環(huán)境友好性等方面存在不足。因此，創(chuàng)新的復(fù)合修復(fù)材料的開(kāi)發(fā)成為一項(xiàng)重要任務(wù)。

2、硅酸鎂鋰無(wú)機(jī)凝膠和海藻酸鈉水凝膠因其良好的吸附潛力、表面帶電特性和生物相容性，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域。生物炭作為一種高孔隙率、高比表面積的材料，因其良好的吸附性能和生物相容性，被認(rèn)為是一種理想的微生物載體。通過(guò)炭化處理將農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為高附加值的生物炭材料，不僅實(shí)現(xiàn)了廢物利用，還減少了溫室氣體排放。

3、因此，開(kāi)發(fā)一種基于生物炭/雙凝膠復(fù)合體系的具有自修復(fù)功能的低碳環(huán)保建筑材料，對(duì)于提高混凝土耐久性和使用壽命、降低碳足跡具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中微生物修復(fù)劑在生物相容性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面的不足。為此，本發(fā)明提供了一種生物炭/雙凝膠復(fù)合微生物修復(fù)劑顆粒及其制備方法與應(yīng)用。該修復(fù)劑顆粒具有優(yōu)良的生物相容性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并且能夠有效修復(fù)混凝土裂縫，展現(xiàn)出良好的自修復(fù)效果。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、生物炭/雙凝膠復(fù)合微生物修復(fù)劑顆粒，以生物炭粉末、嗜堿性微生物、硅酸鎂鋰無(wú)機(jī)凝膠、海藻酸鈉水凝膠和鈣鹽為原料制成。

4、生物炭粉末由植物纖維炭化而得，植物纖維為麻類(lèi)纖維、木材廢料、果皮廢料；嗜堿性微生物為巴氏芽孢桿菌、科氏芽孢桿菌、假堅(jiān)強(qiáng)芽孢桿菌、嗜堿芽孢桿菌；鈣鹽為氯化鈣、醋酸鈣、硝酸鈣、乳酸鈣。

5、上述微生物修復(fù)劑顆粒的制備方法，通過(guò)將生物炭粉末與嗜堿性微生物芽孢培養(yǎng)液相混合，并與硅酸鎂鋰無(wú)機(jī)凝膠和海藻酸鈉水凝膠進(jìn)行復(fù)合，隨后與鈣鹽溶液交聯(lián)，即得微球狀的微生物修復(fù)劑顆粒。

6、上述制備方法，包括以下步驟：

7、(1)將粉碎后的植物纖維置于烘箱中進(jìn)行干燥，冷卻至室溫，再放入炭化爐內(nèi)，在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行炭化處理，隨爐冷卻后研磨成粉，得到生物炭粉末；

8、(2)將嗜堿性微生物菌株接種至堿性培養(yǎng)基中，向堿性培養(yǎng)基中加入促芽孢轉(zhuǎn)化劑，經(jīng)振蕩培養(yǎng)后獲得微生物芽孢培養(yǎng)液；

9、(3)在恒溫水浴條件下分別制備海藻酸鈉水凝膠和硅酸鎂鋰無(wú)機(jī)凝膠，并且在海藻酸鈉水凝膠中加入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；

10、(4)將步驟(2)的微生物芽孢培養(yǎng)液與步驟(1)的生物炭粉末充分混勻，獲得載菌懸浮液，然后用硝酸溶液調(diào)節(jié)載菌懸浮液的ph值；

11、(5)將步驟(4)的載菌懸浮液與步驟(3)的硅酸鎂鋰無(wú)機(jī)凝膠混合均勻，靜置待其重新水化，獲得凝膠懸浮液；將凝膠懸浮液與步驟(3)的海藻酸鈉水凝膠混合均勻，獲得復(fù)合凝膠懸浮液；

12、(6)使用微型注射泵或蠕動(dòng)泵將步驟(5)的復(fù)合凝膠懸浮液逐滴滴入鈣鹽溶液里，充分交聯(lián)后濾出修復(fù)劑顆粒，將修復(fù)劑顆粒置于超凈工作臺(tái)中風(fēng)干，然后置于烘箱中烘干，即得。

13、步驟(1)中：干燥溫度為100℃～110℃，炭化溫度為400℃～700℃、炭化時(shí)間為0.5h～2h、升溫速率為2℃/min～10℃/min；生物炭粉末的粒徑范圍為0.5μm～300μm。

14、步驟(2)中：嗜堿性微生物菌株的接種量為堿性培養(yǎng)基體積的1％，堿性培養(yǎng)基ph值為9～10，促芽孢轉(zhuǎn)化劑主要組成為無(wú)水硫酸錳、其添加量為0.16g/l～0.2g/l，恒溫振蕩培養(yǎng)48h～96h、溫度為25℃～37℃、振蕩速率為160r/min～180r/min。

15、步驟(3)中：水浴溫度為32℃～42℃，海藻酸鈉水凝膠質(zhì)量體積濃度為1％～2％，硅酸鎂鋰無(wú)機(jī)凝膠質(zhì)量體積濃度為2％～2.5％，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為酪蛋白胨、豆粕蛋白胨、酵母浸粉、牛肉浸粉、蛋白胨、尿素、蔗糖、肌苷之一或其組合，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與海藻酸鈉水凝膠的質(zhì)量體積比為1g:20ml～30ml。

16、步驟(4)中，生物炭粉末與微生物芽孢培養(yǎng)液的質(zhì)量體積比為1g:2ml～3ml，硝酸溶液濃度為0.8mol/l～1mol/l，載菌懸浮液的ph值調(diào)節(jié)為7～8。

17、步驟(5)中，載菌懸浮液與硅酸鎂鋰無(wú)機(jī)凝膠體積比為1:0.5～2，凝膠懸浮液與海藻酸鈉水凝膠體積比為1:0.5～2。

18、步驟(6)中：鈣鹽溶液的質(zhì)量濃度為1.8～2.5％。

19、上述微生物修復(fù)劑顆?；蛑苽浞椒ㄋ梦⑸镄迯?fù)劑顆粒在混凝土修復(fù)中的應(yīng)用。

20、針對(duì)目前混凝土修復(fù)材料存在的問(wèn)題，發(fā)明人研制了一種生物炭/雙凝膠復(fù)合微生物修復(fù)劑顆粒，以生物炭粉末、嗜堿性微生物、硅酸鎂鋰無(wú)機(jī)凝膠、海藻酸鈉水凝膠和鈣鹽為原料制成。據(jù)此，還建立了相應(yīng)制備方法，即通過(guò)將生物炭粉末與嗜堿性微生物芽孢培養(yǎng)液相混合，并與硅酸鎂鋰無(wú)機(jī)凝膠和海藻酸鈉水凝膠進(jìn)行復(fù)合，隨后與鈣鹽溶液交聯(lián)，即得微球狀的微生物修復(fù)劑顆粒。該法不僅操作簡(jiǎn)便、成本效益高，而且具有環(huán)境友好性，適宜于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。所得修復(fù)劑顆粒球形度好、顆粒強(qiáng)度偏差小，同時(shí)具備良好的生物相容性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性，對(duì)混凝土裂縫具有良好的自修復(fù)效果。

21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：

22、(1)本發(fā)明采用生物炭作為微生物的載體，利用其多孔結(jié)構(gòu)為微生物營(yíng)造適宜的生長(zhǎng)條件，有利于提高微生物的存活率，進(jìn)而增強(qiáng)混凝土的自修復(fù)能力。此外，生物炭的高孔隙率特性使其具備出色的吸附能力，能夠有效捕捉環(huán)境中的氯離子、硫酸根離子和二氧化碳等有害介質(zhì)，防止這些介質(zhì)滲透至混凝土內(nèi)部，顯著提升了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，延長(zhǎng)了其使用壽命。

23、(2)本發(fā)明可在制備過(guò)程中靈活添加多種功能性輔料，可有效改善修復(fù)劑的物理化學(xué)性能，極大地增強(qiáng)了修復(fù)劑對(duì)多樣化應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)能力及整體性能。

24、(3)本發(fā)明的制備方法具有操作簡(jiǎn)便、工藝條件易控等特點(diǎn)，這確保了所制備修復(fù)劑顆粒的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定可靠。該方法還具有適用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)效率高，能夠有效降低制造成本，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

技術(shù)特征：

1.一種生物炭/雙凝膠復(fù)合微生物修復(fù)劑顆粒，其特征在于以生物炭粉末、嗜堿性微生物、硅酸鎂鋰無(wú)機(jī)凝膠、海藻酸鈉水凝膠和鈣鹽為原料制成。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物修復(fù)劑顆粒，其特征在于：所述生物炭粉末由植物纖維炭化而得，植物纖維為麻類(lèi)纖維、木材廢料、果皮廢料；所述嗜堿性微生物為巴氏芽孢桿菌、科氏芽孢桿菌、假堅(jiān)強(qiáng)芽孢桿菌、嗜堿芽孢桿菌；所述鈣鹽為氯化鈣、醋酸鈣、硝酸鈣、乳酸鈣。

3.權(quán)利要求1所述微生物修復(fù)劑顆粒的制備方法，其特征在于：通過(guò)將生物炭粉末與嗜堿性微生物芽孢培養(yǎng)液相混合，并與硅酸鎂鋰無(wú)機(jī)凝膠和海藻酸鈉水凝膠進(jìn)行復(fù)合，隨后與鈣鹽溶液交聯(lián)，即得微球狀的微生物修復(fù)劑顆粒。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述制備方法，其特征在于包括以下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述制備方法，其特征在于步驟(1)中：所述干燥溫度為100℃～110℃，

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述制備方法，其特征在于步驟(2)中：所述嗜堿性微生物菌株的接種量為堿性培養(yǎng)基體積的1％，堿性培養(yǎng)基ph值為9～10，促芽孢轉(zhuǎn)化劑主要組成為無(wú)水硫酸錳、其添加量為0.16g/l～0.2g/l，恒溫振蕩培養(yǎng)48h～96h、溫度為25℃～37℃、振蕩速率為160r/min～180r/min。

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述制備方法，其特征在于步驟(3)中：所述水浴溫度為32℃～42℃，海藻酸鈉水凝膠質(zhì)量體積濃度為1％～2％，硅酸鎂鋰無(wú)機(jī)凝膠質(zhì)量體積濃度為2％～2.5％，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為酪蛋白胨、豆粕蛋白胨、酵母浸粉、牛肉浸粉、蛋白胨、尿素、蔗糖、肌苷之一或其組合，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與海藻酸鈉水凝膠的質(zhì)量體積比為1g:20ml～30ml。

8.根據(jù)權(quán)利要求3所述制備方法，其特征在于：步驟(4)中，所述生物炭粉末與微生物芽孢培養(yǎng)液的質(zhì)量體積比為1g:2ml～3ml，硝酸溶液濃度為0.8mol/l～1mol/l，載菌懸浮液的ph值調(diào)節(jié)為7～8；步驟(5)中，所述載菌懸浮液與硅酸鎂鋰無(wú)機(jī)凝膠體積比為1:0.5～2，凝膠懸浮液與海藻酸鈉水凝膠體積比為1:0.5～2。

9.根據(jù)權(quán)利要求3所述制備方法，其特征在于步驟(6)中：所述鈣鹽溶液的質(zhì)量濃度為1.8～2.5％。

10.權(quán)利要求1所述微生物修復(fù)劑顆?；驒?quán)利要求2～9任一制備方法所得微生物修復(fù)劑顆粒在混凝土修復(fù)中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種生物炭/雙凝膠復(fù)合微生物修復(fù)劑顆粒，以生物炭粉末、嗜堿性微生物、硅酸鎂鋰無(wú)機(jī)凝膠、海藻酸鈉水凝膠和鈣鹽為原料制成。據(jù)此，還建立了相應(yīng)制備方法，即通過(guò)將生物炭粉末與嗜堿性微生物芽孢培養(yǎng)液相混合，并與硅酸鎂鋰無(wú)機(jī)凝膠和海藻酸鈉水凝膠進(jìn)行復(fù)合，隨后與鈣鹽溶液交聯(lián)，即得微球狀的微生物修復(fù)劑顆粒。該法不僅操作簡(jiǎn)便、成本效益高，而且具有環(huán)境友好性，適宜于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。所得修復(fù)劑顆粒球形度好、顆粒強(qiáng)度偏差小，同時(shí)具備良好的生物相容性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性，對(duì)混凝土裂縫具有良好的自修復(fù)效果。

技術(shù)研發(fā)人員：何波,孫叢濤,盧朝霞,盤(pán)子涵,柳琳琳,陳惠欣,韋雙妮
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣西大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15