南洋理工大学科学家发明完全用废旧材料制造的水泥

新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）的科学家们发现了一种利用废料生产生物水泥的方法，使这种替代传统水泥的方法更加绿色和可持续。生物水泥是一种可再生的水泥，它利用细菌产生硬化反应，将土壤结合成固体块。科学家们现在已经用两种常见的废料制造出了生物水泥：工业碳化物污泥和尿素（来自哺乳动物的尿液）。

他们设计了一种方法，通过尿素与工业碳化污泥中的钙离子的相互作用，形成一种坚硬的固体，或沉淀物。当这种反应在土壤中发生时，沉淀物将土壤颗粒结合在一起，并填补它们之间的空隙，从而形成一个紧凑的土壤团。这就产生了一种生物水泥块，它坚固、耐用，而且渗透性较低。

由该校土木与环境工程学院院长褚健教授领导的研究小组在2022年2月22日发表在《环境化学工程》杂志上的概念验证研究论文中表明，他们发明的生物水泥有可能成为一种可持续的、具有成本效益的土壤改良方法，如加固地面用于建筑或挖掘，控制海滩侵蚀，减少沙漠中的灰尘或风蚀，或在海滩或沙漠中建造淡水库。它还可以作为生物灌浆封住岩石的裂缝以控制渗漏，甚至可以修饰和修复岩雕和雕像等纪念物。

南洋理工大学土木与环境工程学院城市解决方案中心高级研究员吴世凡博士和南洋理工大学土木与环境工程学院主席褚健教授举着由尿素和碳化污泥制成的生物水泥块。

"生物水泥是一种可持续和可再生的传统水泥替代品，在需要处理地面的建筑项目中具有巨大的潜力，"褚教授说，他也是南洋理工大学城市解决方案中心的主任。"我们的研究通过使用两种类型的废料作为原料，使生物水泥更加具有可持续性。从长远来看，它不仅能使生物水泥的制造成本降低，还能减少废物处理所涉及的成本。"

南大科学家的研究支持南大2025战略计划，该计划旨在解决人类的一些重大挑战，包括通过推进可持续发展的研究和开发，减轻人类对环境的影响。

尿液、细菌和钙。生物水泥的简单配方

与传统的水泥生产方式相比，生物水泥的制造过程需要的能源更少，产生的碳排放也更少。

南洋理工大学团队的生物水泥是由两种类型的废料制成的：工业碳化污泥--来自新加坡工厂生产乙炔气体的废料--和尿液中的尿素。

首先，该团队用一种酸处理电石渣，以产生可溶性钙。然后，尿素被添加到可溶性钙中，形成一种胶结溶液。然后，该团队将一种细菌培养物添加到该固结溶液中。培养物中的细菌会分解溶液中的尿素，形成碳酸盐离子。

这些离子在一个称为微生物诱导方解石沉淀（MICP）的过程中与可溶性钙离子反应。这种反应形成了碳酸钙--一种坚硬的固体材料，在白垩、石灰石和大理石中自然存在。

佛手新材料修复项目的测试标本由中国联合国教科文组织世界文化遗产大足石刻提供。

使用生物水泥的修复工作是在中国重庆大学由杨阳博士完成的。生物水泥溶液是无色的，使修复工作能够保持雕刻的原始颜色。

当这种反应在土壤或沙子中发生时，产生的碳酸钙将土壤或沙子颗粒粘合在一起，以增加它们的强度，并填充它们之间的孔隙，以减少水通过材料的渗漏。同样的过程也可以用在岩石缝隙上，这样就可以修复岩石雕刻和雕像。

用生物水泥加固的土壤具有高达1.7兆帕（MPa）的无约束压缩强度，这比使用等量水泥处理的相同土壤的强度更高。

这使得该团队的生物水泥适合用于土壤改良项目，如加强地面或减少水的渗入，用于建筑或挖掘或控制海岸线的海滩侵蚀。

论文第一作者杨阳博士，曾是南大博士生和城市解决方案中心的研究助理，目前是重庆大学的博士后研究员。