一种利用大豆脲酶诱导碳酸钙处理黄河泥沙的方法

1.本发明属于地基固化处理及岩土工程固化技术领域，具体涉及一种大豆脲酶诱导碳酸钙处理黄河泥沙的方法。


背景技术：

2.黄河多年平均含沙量为35kg/m3，多年平均输沙量达16亿吨之多，特别是中下游地段，每年约有4亿吨淤积。从黄河泥沙处理与利用方略的演变历程可以看出，21世纪之前对黄河泥沙的处理，大都基于泥沙的灾害属性，认为它是一切灾害的制造者，把泥沙作为一种负担进行处理。进入21世纪，随着经济社会发展需求的增多，以及泥沙资源利用技术的发展，黄河泥沙作为一种资源逐渐被越来越广泛的利用。目前人们对黄河泥沙资源化利用主要有两种形式，一是直接利用、二是转型利用。不可忽略的是，黄河泥沙成分中黏粒量的缺乏导致泥沙颗粒间粘聚力和可塑性低，使得土体的力学性能较低。常规的固化方法成本高、固化黄河泥沙强度低、密度小，并且容易造成较严重的环境污染。因此，研究黄河泥沙新型固化技术和固化材料是国内外诸多学者的一项重大课题。
3.近年来，微生物矿化技术作为一种新兴的土体固化技术在岩土工程中的研究备受关注，微生物固化技术主要是利用自然界广泛存在的微生物的代谢功能产生酶，与环境中其他物质发生一系列生物化学反应，改变土体的物理力学及工程性质，从而实现环境净化、土壤修复、地基处理等目的。而从大豆中提取脲酶，催化尿素分解与钙离子结合生成碳酸钙沉淀固化土体是一种更为高效环保的方法，该技术直接利用小尺寸的游离脲酶，在土体中不易发生生物堵塞，且能够更容易穿透细颗粒的土体；并且游离脲酶是可降解的，避免对环境造成长期影响。从大豆脲酶中提取的脲酶替代了化学制品，具有清洁环保、能耗低、对土体扰动小，处理均匀等优点，十分契合国家可持续发展的战略目标。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种利用大豆脲酶诱导碳酸钙处理黄河泥沙的方法，该方法利用大豆脲酶的催化作用，催化co(nh2)2分解生成碳酸根离子，结合游离的ca
2+
，形成caco3晶体沉淀，填充到黄河泥沙颗粒表面和孔隙中，松散的黄河泥沙颗粒被胶结在一起，提高黄河泥沙的强度。本发明公开的方法效果好、环境友好、清洁、工艺简单。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明提供了一种利用大豆脲酶诱导碳酸钙处理黄河泥沙的方法，它包括以下步骤：
7.(1)大豆脲酶的提取：将大豆粉碎，添加去离子水制备豆粉溶液，从中提取大豆脲酶；
8.(2)胶结液的制备：
①
根据胶结液的浓度采用去离子水与无水氯化钙混匀制备无水氯化钙水溶液；
②
接着称取与无水氯化钙摩尔比为1:1的尿素，与无水氯化钙水溶液混合，利用磁力搅拌器充分搅拌，混合得到摩尔浓度为0.25～2mol/l的胶结液；
9.(3)制备黄河泥沙试样：利用pvc材料制成三瓣模具，三瓣模具的高x直径＝10cm x 5cm，将黄河泥沙分层压实至模具中；
10.(4)将制备好的大豆脲酶溶液和胶结液依次灌入到步骤(3)制备好的黄河泥沙试样中；(5)灌浆操作完成后，用去离子水冲洗试样中残留的大豆脲酶和可溶性盐；
11.(6)将步骤(5)冲洗完成后的试样，拆去模具，置于70℃的烘箱干燥48h，即得固化后的黄河泥沙试样。
12.步骤(1)中大豆脲酶的提取方法如下：
13.①
取1kg的市售大豆，对其进行水洗、室温干燥处理，用粉碎机将大豆粉碎，将粉碎后的豆粉过100目筛；
14.②
称取40g过滤后的豆粉与1000l的去离子水混合，利用磁力搅拌器充分搅拌15min；
15.③
将步骤
②
中的豆粉溶液倒入离心瓶中，控制离心机的温度为20℃、转速为4000r/min的条件下，离心30min；
16.④
将步骤
③
离心完成的豆粉溶液，弃置离心瓶底部沉淀物，过滤离心瓶上层清液即为提取的大豆脲酶溶液。
17.步骤(2)中无水氯化钙和尿素的比例是按其摩尔质量的比，配制不同浓度的胶结液，磁力搅拌器搅拌的时间是30min。
18.黄河泥沙试样制备过程如下：
19.1、取一定重量的黄河泥沙在100℃条件下充分烘干；
20.2、给pvc制成的三瓣模具底部用带有预制孔的盖子封堵并铺设一定厚度的纱布，密封模具接缝处；
21.3、采用分层压实的方法将计算得到的黄河泥沙缓慢装入模具中，全部装入到模具中后在顶部铺设一定厚度的纱布，试样制备完成。
22.步骤(3)pvc制作的三瓣模具利于处理后的黄河泥沙试样的拆模，分层压实至模具中的黄河泥沙，黄河泥沙的质量按相对密实度为30％,40％或50％控制。
23.步骤(4)灌浆操作过程如下：
24.①
利用蠕动泵，以1ml/min的速率将配置的0.05mol/l的cacl2溶液作为固定液滴入到制备好的黄河泥沙试样中，静置12h，溶液充分渗透；
25.②
将提取的大豆脲酶按设计的体积利用蠕动泵以4ml/min的灌注速度灌入到制备好的黄河泥沙试样，室温静置3h；
26.③
接着将配置好的胶结液按设计的体积利用蠕动泵以4ml/min的灌注速度灌入到上述
①
中的黄河泥沙试样，室温养护12h；
27.④
步骤
②
和步骤
③
这两步为一次灌浆操作；
28.⑤
按实验方案所需灌浆次数完成灌浆后，用去离子水冲洗试样中残留的大豆脲酶和可溶性钙盐、铵盐等无机物质。
29.⑥
步骤
⑤
完成后，将试样拆去模具，置于烘箱70℃干燥48h，得到固化成型的黄河泥沙试样。
30.与现有技术相比，本发明具备的有益效果：
31.本发明充分利用农作物大豆和胶结液中的资源，通过大豆脲酶的催化作用，催化
尿素分解得到碳酸根离子，加速碳酸钙沉积固化黄河泥沙，处理后的黄河泥沙试样表面均匀泛白、细腻，松散的黄河泥沙颗粒被胶结在一起，试样的抗压强度显著提高，而且工艺简单，环境清洁，成本低廉，适合推广。
附图说明
32.图1为本发明具体实施方式的试验方案中的黄河泥沙未处理和处理试样的示意图；
33.图2为本发明具体实施方式的试验方案中的大豆脲酶的提取过程示意图；
34.图3为本发明具体实施方式的试验方案中的不同质量浓度的豆粉溶液提取的脲酶和单位质量豆粉溶液的脲酶的活性变化曲线示意图；
35.图4为本发明具体实施方式的试验方案中的不同ph环境下的大豆脲酶的活性变化曲线示意图；
36.图5为本发明具体实施方式的试验方案中的黄河泥沙灌浆过程示意图；
37.图6为本发明具体实施方式的试验方案中的制备的黄河泥沙试样示意图；
38.图7为本发明具体实施方式的试验方案中的固化后的黄河泥沙试样示意图；
39.图8为本发明具体实施方式的试验方案中的固化后的黄河泥沙试样加载破坏示意图；
40.图9为本发明具体实施方式的试验方案中的固化后的黄河泥沙试样的无侧限抗压强度随胶结液浓度的变化情况；
41.图10为本发明具体实施方式的试验方案中的固化后的黄河泥沙试样生成的碳酸钙含量占比随胶结液浓度的变化情况；
42.图11为本发明具体实施方式的试验方案中的固化后的黄河泥沙试样的500倍、1000倍和3000倍的电镜图；
43.图12为本发明具体实施方式的试验方案中的处理和未处理的黄河泥沙试样x射线衍射分析结果示意图。
具体实施方式
44.以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但本发明的保护范围并不局限于此。
45.本发明提供了一种利用大豆脲酶诱导碳酸钙固化黄河泥沙的方法，包括以下步骤：
46.(1)大豆脲酶的提取
47.第一步，取2kg的市售大豆，对其进行清洗、室温干燥处理，用粉碎机将大豆粉碎；
48.第二步，将粉碎后的豆粉过100目筛，按表1中的豆粉溶液配比分别称取豆粉与1000ml的去离子水混合，利用磁力搅拌器充分搅拌15min；
49.表1大豆溶液浓度配比(g/l)
[0050][0051]
第三步，将配制好的豆粉溶液倒入离心瓶中，控制低温超速离心机的温度为20℃、转速为4000r/min，离心30min；
[0052]
第四步，将离心完成的豆粉溶液，弃置离心瓶底部沉淀物，过滤离心瓶上层清液即为提取的大豆脲酶溶液，大豆脲酶的提取过程示意图如图2所示；
[0053]
大豆脲酶的活性测试
[0054]
试验中，由于溶液电导率变化量与尿素水解量成正比，因此可通过测量溶液每分钟电导率变化值来间接衡量大豆脲酶活性。本试验将3ml待测大豆脲酶液与27ml尿素溶液混合，并使用电导率仪监测10min内电导率变化情况，试验过程中温度维持不变。通过计算得到平均每分钟电导率变化值，然后根据whiffin提出的计算方法，1ms/min的电导率变化对应11.11mm urea hydrolysed/min的尿素水解量。将平均每分钟电导率变化值换算成单位时间的尿素水解量，并乘以稀释倍数10，可得到大豆脲酶提取液每分钟尿素水解量(1mm urea hydrolysed/min)，并用该值来表示大豆脲酶活性；
[0055]
第五步，调节溶液不同的ph，测试大豆脲酶的活性；
[0056]
图3为不同浓度的豆粉溶液所提取的豆酶活性变化曲线和单位质量豆酶活性(豆酶活性/豆粉质量)与豆粉溶液浓度的关系曲线。从图3中可以看出随着豆粉浓度的增加，豆酶活性初期增长较慢，后期迅速增长。从图3中还可以看出，随着豆粉浓度的增加，单位质量豆酶活性呈现初期波动，后期逐渐下降的趋势，且曲线存在一个峰值，峰值对应的豆粉浓度为40g/l。单位豆粉质量豆酶活性一定程度上衡量了豆酶的提取效率，该值越大，单位质量豆粉的豆酶提取效率越高。当豆粉浓度大于40g/l时，尽管酶液活性随豆粉浓度的增加而一直增加，但单位质量豆酶活性却随豆粉浓度的增加而逐渐降低，说明豆酶提取效率随豆粉浓度的增加越来越低。由此可知，当豆粉溶液的浓度为40g/l时，单位质量的豆酶提取效率最高。后续试验选用最适宜的浓度为40g/l的豆粉溶液所提取的大豆脲酶进行黄河泥沙固化试验。
[0057]
图4为ph值对大豆酶脲活性的影响规律。由图中曲线可知，随着ph值的增加，大豆脲豆酶的活性呈现先上升，后波动最后逐渐下降的趋势。当ph值在3～11范围时，大豆脲酶的活性变化不大，略有波动，活性相对较高。但溶液过酸或过碱即ph值为2或12时，豆酶与细菌的活性均大幅下降。ph值为2的酸性条件下，大豆脲酶的活性降为0，而当溶液ph为12时，豆酶几乎失去活性。当ph值为8时，大豆脲酶活性达到最大值6.68mm urea hydrolysed/min。
[0058]
(2)配制试验所需浓度(0.25-2mol/l)的胶结液：
[0059]
准备无水氯化钙和尿素，依据表2的试验方案配制胶结液；
[0060]
表2试验所需胶结液的浓度配比
[0061][0062]
将配制的不同浓度的胶结液置于磁力搅拌器上，搅拌30min，保证无水氯化钙和尿素充分溶解和混合；
[0063]
(3)黄河泥沙试样的制备：
[0064]
1、取一定重量的黄河泥沙并在100℃条件下充分烘干；
[0065]
2、给pvc制成的三瓣模具底部用带有预制孔的盖子封堵并铺设一定厚度的纱布，密封模具接缝处；
[0066]
3、采用分层压实的方法将黄河泥沙缓慢装入模具中，黄河泥沙全部装入到模具中后在顶部铺设一定厚度的纱布，试样制备完成如图5所示；
[0067]
黄河泥沙试样灌浆过程，示意图如图6所示；
[0068]
第一步，利用蠕动泵，以1ml/min的速率将配置的0.05mol/l的cacl2溶液作为固定液滴入到制备好的黄河泥沙试样中，静置12个小时，溶液充分渗透；
[0069]
第二步，利用蠕动泵，以4ml/min的速率将40g/l的大豆脲酶溶液灌入到上述试样中，室温静置3个小时；
[0070]
第三步，利用蠕动泵，以4ml/min的速率将提取的制备的不同浓度的胶结液分别灌入到对应的黄河泥沙试样中，室温养护12个小时，此为一次灌浆操作；
[0071]
第四步，按实验方案所需灌浆次数完成灌浆后，用去离子水冲洗试样中残留的大豆脲酶和可溶性钙盐、铵盐等无机物质。
[0072]
第五步，灌浆操作完成后，置于烘箱70℃干燥48小时，拆去模具，得到固化成型的黄河泥沙试样，见图7所示。
[0073]
黄河泥沙试样的固化效果及评价
[0074]
无侧限抗压强度试验
[0075]
对处理后的黄河泥沙试样进行无侧限抗压强度(ucs)测试，即试样无侧向压力条件下，控制1mm/min的加载速率，施加轴向压力至试样破坏，取最大有效轴向应力作为无侧限抗压强度。试验所用仪器为南京泰克奥科技有限公司生产的全自动柔性壁渗透系统(型号：
[0076]
tka-fws-1)。
[0077]
图8为胶结液浓度c＝0.25mol/l,0.5mol/l,0.75mol/l,1mol/时，固化黄河泥沙试样无侧限抗压强度试验的加载破坏图。由图8可以发现，随着胶结液浓度增加，四组试样均未出现下部颗粒松散、剥落现象；且随着胶结液浓度增加，试样出现从下至上贯通的剪切裂缝，从试样底部向上不断延伸；胶结液浓度c＝0.25mol/时，明显看出试样下部产生剪胀现象；胶结液浓度c＝1mol/l时，反应生成的caco3含量较多，试样下部未出现压碎现象。
[0078]
图9为不同灌浆次数下试样的抗压强度随胶结液浓度的变化规律。由图9可以发现，随着胶结液浓度c＝0.25mol/l增加到1.5mol/l，各灌浆次数下的抗压强度均在不断增
大，但增加的幅度差别较大。胶结浓度c＝1.5mol/l继续增加到2mol/l，固化后的黄河泥沙抗压强度并没有继续增大，而是呈现显著下降趋势。表明胶结浓度增加到一定程度后，会抑制大豆脲酶的活性，大豆脲酶活性降低导致黄河泥沙试样中碳酸钙生成减少，抗压强度显著下降。由图9还可以得出，胶结液浓度c＝1.5mol/l时，灌浆次数n＝4,6,8,10的黄河泥沙试样抗压强度分别为1.45mpa,3.82mpa,6.89mpa,9.81mpa。胶结液浓度c＝2mol/l时，大豆脲酶的活性最低，但黄河泥沙试样的抗压强度随着灌浆次数的增加而增大，试样的抗压强度分别为0.54mpa,0.831.14mpa,1.38mpa，可以得出，抑制作用的存在会影响碳酸钙的生成，但随着灌浆次数的变化，新的碳酸钙还在不断生成，试样抗压强度有轻微的增大。综上所述，胶结液浓度超过1.5mol/l后会抑制大豆脲酶的活性，导致黄河泥沙试样中碳酸钙的生成，试样的抗压强度迅速降低。
[0079]
碳酸钙含量测试
[0080]
完成无侧限抗压强度试验后，收集破碎的试样(10g)，采用酸洗法测定碳酸钙含量占比；
[0081]
第一步，用去离子水洗涤破碎试样，烘干箱干燥并称重(m0)；
[0082]
第二步，用浓盐酸(2mol/l)溶解碳酸钙，剩余物质用去离子水洗涤，烘干箱干燥，再次称重(m1)；
[0083]
第三步，碳酸钙含量计算公式为(m
0-m1)/m1。
[0084]
图10为处理后的黄河泥沙试样中生成的碳酸钙含量占比随胶结液浓度的变化情况。由图10可以看出，黄河泥沙试样碳酸钙含量占比均随着灌浆次数的增加而逐渐增大。胶结液浓度c＝0.25mol/l和c＝0.5mol/l时，试样中反应生成的碳酸钙含量较低，最小占比仅为5.62％和7.65％。胶结液浓度c＝1.25mol时和1.5mol/l，随着灌浆次数从n＝4增加到n＝8，碳酸钙含量占比分别为17.35％,29.97％,31.64％,33.78％,20.65％,30.78％,32.64％,34.32％。由图10还可以发现，胶结液浓度超过1.5mol/l后，黄河泥沙试样中的碳酸钙含量占比迅速减小，减小的速率逐渐增大。胶结液浓度c＝1.75mol/l和2mol/l时，对应的碳酸钙含量最小占比分别为10.88％，5.6％。
[0085]
扫描电子显微镜分析(sem)
[0086]
无侧限抗压强度试验结束后，从破坏试样的不同位置收集碎片，制片用于微观结构分析。采用扫描电子显微镜(sem)分析了沉淀物结构的发展和形态。首先将破碎试样用真空冷冻干燥仪进行干燥处理，最终制备成5mm
×
5mm
×
2mm的方形薄片试样，将试样固定在试样拖上后对其进行表面溅射镀膜处理，使其表面具有导电性而实现成像，最后在3kv电压下对将土体薄片开展微观结构图像扫描，成像倍数采用500、1000和3000倍，各放大倍数皆拍摄多张以确保微观结构的准确度和足够信息量。
[0087]
图11显示了固化后的黄河泥沙试样电子扫描微观结构图像。由图11可以看到，生成的caco3晶体不断堆叠尺寸变大。一部分caco3晶体附着于黄河泥沙颗粒表面，一部分caco3晶体填充黄河泥沙颗粒间的孔隙，松散的黄河泥沙颗粒被胶结成一个整体。前期生成的caco3成为核位点，生成caco3结晶层，并在结晶层基础上形成包裹层，随着包裹层上的caco3晶体相互嵌合，逐渐生成层理结构。图11(b和c)显示的是放大之后的方解石晶体形态，在黄河泥沙颗粒之间的接触点处聚集并形成大的晶体簇。
[0088]
xrd晶体成分分析
[0089]
取不同试验组的黄河泥沙试样进行xrd分析，以此探究固化后黄河泥沙样品中胶凝物质的组成成分与强度的关系；将待测样品充分研磨至无明显颗粒感，而后采用(18kv)多晶衍射仪，用cu靶(40kv，200ma)，2θ角以4
°
/分的速度从5
°
扫到80
°
进行衍射分析，将得到的衍射峰与标准晶体衍射数据对比，得出样品各晶体的含量。
[0090]
结果如图12所示，从图谱中可以清晰地观察到各衍射峰的晶面间距、强度。黄河泥沙处理前存在大量的石英(sio2)和钙沸石。处理后的黄河试样，观察到明显的方解石衍射峰，属于六方晶系，这保证了方解石是由胶结液注入引起的孔隙空间内的沉淀物质。随着胶结液浓度的变化，试样的峰的图谱也发生了变化，石英和方解石的衍射峰存在重叠现象。
[0091]
得出以下结论：
[0092]
豆粉溶液的浓度为40g/l时，ph值为8时，大豆脲酶的提取效率和活性最优，活性值达到6.68mm urea hydrolysed/min；
[0093]
不同胶结液浓度条件下，黄河泥沙试样均黏结成型，加载过程中试样下部产生剪胀现象；
[0094]
胶结液浓度c＝1.5mol/l与灌浆次数n＝10时，黄河泥沙试样抗压强度达到最大值9.81mpa；
[0095]
胶结液浓度超过1.5mol/l后会抑制大豆脲酶的活性，导致黄河泥沙试样中碳酸钙的生成量减少，抗压强度迅速降低；
[0096]
反应生成的碳酸钙晶体一部分附着于黄河泥沙颗粒表面，一部分填充黄河泥沙颗粒间的孔隙，松散的黄河泥沙颗粒被胶结成一个整体。
[0097]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。