在地質演化過程中，微生物的生長代謝與地表礦物的交互作用廣泛存在，並控制和誘導了地質歷史上大規模碳酸鹽礦物的形成。微生物不僅能誘導產生礦物沉澱，而且能控制其微觀組成、結構和形貌。微生物礦化是一種天然、綠色的高級複合材料製備過程，將這存在數十億年的自然現象發展為建築材料製備技術，是一種大膽有益的嘗試。
圖片來源丨Pixabay
煉鋼過程中產生的鋼渣也可以「變廢為寶」？
鋼渣作為煉鋼過程中的副產物，排放量巨大，且長期以來未得到有效利用。堆積的巨量鋼渣不僅佔用大量有限的土地資源，汙染環境，同時也是一種巨大的資源浪費。一方面，鋼渣中含有部分膠凝礦物，可用於製備建材製品，但鋼渣中的膠凝礦物活性較低，導致鋼渣水化速率較慢，難以高效利用；另一方面，鋼渣中存在含量較高的游離氧化鈣與游離氧化鎂，潛在的安定性問題使其作為建材使用存在嚴重安全問題。由於鋼渣中富含的鈣鎂礦物具有與CO 反應生成穩定的CaCO、MgCO 的潛力，理論上符合 CO 礦化對原料的要求，發展前景樂觀，但是目前碳化養護的鋼渣膠凝材料製品生產工藝要求嚴苛、成本相對較高，體積穩定性問題仍未能完全解決。
東南大學錢春香課題組針對目前鋼渣應用過程中存在的問題，在國內外率先提出利用微生物礦化技術製備鋼渣膠凝材料的方法，加速了鋼渣中鈣鎂礦物的離子溶出速率，並將其礦化為具有膠凝性的生物碳酸鹽，解決了游離氧化鈣、游離氧化鎂引起的鋼渣體積穩定性不良問題，實現了鋼渣中鈣、鎂的穩定高效利用。
微生物礦化是一種廣泛而複雜的固液相間、有機物間和無機物間的物理化學過程。《新型微生物水泥》一書通過交叉微生物學、材料、環境、巖土、土木等多學科知識，闡明了適用於典型建築材料環境的多類微生物的生物學特性，研發了五類新型微生物水泥，並揭示了其膠凝特性和膠結機理，對比分析了不同膠結工藝並測試了其微觀結構。本書作者及團隊立足微生物水泥開展了多項工程應用研究，成功將新型微生物水泥應用於農田、礦區的重金屬鈍化及建築工地揚塵治理，製備了高強度、高性能的微生物礦化鋼渣建材製品，應用於多地城市道路鋪裝。相關工作紮實，理論與實際緊密聯繫。
作者團隊在多項國家自然科學基金重點項目、面上項目，省、市科技計劃、人才計劃、成果轉化項目及相關企業合作攻關和國際合作項目等資助下，持續開展了十餘年的研究。篩選、馴化獲得了多類適用於建築材料環境的微生物，並闡明了其生物學特性、酶動力學過程及生物礦化結晶機理等。基於微生物礦化研發了五類生態性微生物水泥，並開展了性能和應用技術研究。產品成功應用於建築工地揚塵治理、市政鋪裝材料製備、重金屬汙染土壤修復等。
內容概覽
第 1 章：研究三類典型建築材料的理化環境特徵，並對篩選的四類礦化微生物進行適應性馴化，同時揭示其生長規律、產酶特性、酶動力學特徵、生物礦化結晶成核機理。
第 2 章：系統研究菌株種類、陰陽離子對生物碳酸鈣礦物特性的影響，開發適用於深層膠結的生物碳酸鹽水泥，並研究其膠凝特性，成功膠結不同尺度的砂柱。
第 3 章：研究多類生物磷酸鹽礦物特性，基於磷酸鹽礦化菌開發生物磷酸鹽類微生物水泥，對比研究其膠結工藝和產物特徵，並闡明其膠結機理。
第 4 章：研究生物碳酸鹽水泥的氨排放及其固定方法，開發新型複合微生物水泥，對比研究不同膠結工藝及其膠結能力，闡明複合微生物水泥膠結機理。
第 5 章：開展微生物水泥應用於礦山、農田等汙染土壤的重金屬鈍化試驗及植物種植試驗，研究微生物水泥固結砂土的性能和微觀結構，並開展針對砂土、粉土、黏土各類建築工地揚塵抑制及作物生長試驗和應用。
第 6 章：研究鋼渣作為膠凝材料存在的難題，闡明微生物礦化對鋼渣中引發安定性問題的游離氧化鈣、游離氧化鎂的碳化轉化動力學過程，揭示微生物對矽酸鈣礦物碳化反應的影響規律。
第 7 章：開發新型微生物-鋼渣膠凝材料，系統研究其固相組成及漿體微觀結構，探究微生物礦化鋼渣製品的配合比及養護制度，並測試其製品性能、微觀結構及體積穩定性，開展微生物-鋼渣膠凝材料製品的產業化研究及工程應用。
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《新型微生物水泥》
錢春香，張旋 著
責任編輯：李涪汁，曾佳佳
北京：科學出版社，2019.12
ISBN 978-7-03-063493-1
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本書系統介紹了微生物礦化在典型建築材料中的應用基礎、作用機制及新型微生物水泥研發與工程應用。全書共 7 章，主要內容包括：典型建築材料中的理化環境特徵及適用礦化微生物的生物學特性，生物碳酸鹽水泥、生物磷酸鹽水泥、微生物複合水泥、微生物激發鋼渣膠凝材料的研發原理與膠凝特性，以及在重金屬鈍化、揚塵抑制、鋪裝材料製備方面的工程應用。本書將自然、綠色的微生物礦化現象發展為建築材料製備技術，為傳統土木工程材料綠色化製備提供了新途徑。
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