Аннотация:
Исследователи из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе разработали новую технологию производства строительных материалов, которая использует живые бактерии для объединения рыхлых зерен песка в прочные строительные компоненты. В отличие от традиционного производства цемента, которое потребляет много энергии и обжигается при высоких температурах, эта технология, называемая биоцементацией, может завершить затвердевание минералов при комнатной температуре и, как ожидается, обеспечит более экологически чистое решение для производства материалов для строительной отрасли.
Цемент является одним из важнейших основных материалов в современной строительной отрасли, но производство традиционного портландцемента требует нагрева сырья до высоких температур, потребления большого количества энергии и образования значительных выбросов углекислого газа. Поэтому поиск альтернативных материалов, способных снизить потребление энергии и выбросы углекислого газа, всегда был важным направлением в области исследований строительных материалов. Основная идея данного исследования заключается не в том, чтобы перепроектировать традиционный процесс обжига цемента, а в том, чтобы использовать метаболическую деятельность самих микроорганизмов для образования природных минералов между зернами песка и объединения первоначально рыхлых частиц в единое целое с определенной прочностью.
Бактерия, которую использовала исследовательская группа, называется Sporosarcina Pasteurii. При правильных условиях эта бактерия может способствовать образованию карбоната кальция. Карбонат кальция широко встречается в природных материалах, таких как известняк, мел и ракушки. Когда он выпадает в осадок и образует крошечные кристаллы между песчинками, он действует как минеральное связующее, соединяя песчинки вместе, образуя твердый материал определенной прочности.
Этот процесс называется микробиологически индуцированным осаждением карбоната кальция или MICP, а также известен как технология биоцементации. Ранее исследователи пытались использовать его в таких областях, как армирование грунта, стабилизация фундамента и ремонт трещин в бетоне. Отличием этого исследования ETH Zurich является то, что оно пытается напрямую перерабатывать песок в независимые строительные материалы, а не просто использовать бактерии для улучшения свойств существующих материалов.
Исследовательская группа под руководством Карен Анторвеза Паес предложила два метода производства. Первый метод сочетает в себе технологию биоцементации с 3D-печатью. Исследователи разработали специальные биочернила, содержащие воду, песок, живые бактерии и сопутствующие химические ингредиенты. Смесь имеет гелеобразную консистенцию, и ей можно придавать заданные формы с помощью оборудования для 3D-печати для создания структурно сложных строительных компонентов.
После печати компоненты необходимо погрузить в раствор, содержащий мочевину и хлорид кальция, примерно на трое суток. Во время этого процесса бактерии способствуют образованию минеральных кристаллов, которые постепенно объединяют песчинки. Впоследствии строительные блоки сушат при комнатной температуре в течение примерно двух дней, бактерии перестают оставаться активными и наконец образуется твердая структура. Весь процесс, от печати до полного отверждения, занимает около пяти дней и не требует использования традиционного оборудования для высокотемпературного обжига.
Исследователи сравнили процесс с выпечкой торта: изначально сформированный материал остается мягким и легко деформируемым, что требует последующей обработки для достижения прочной структуры. Разница в том, что традиционная выпечка требует нагрева для полного отверждения, в то время как эта технология предполагает использование бактерий, которые способствуют выработке минералов и завершают аналогичное преобразование при комнатной температуре.
Второй метод использует технологию роботизированного распыления. Роботизированная рука последовательно распыляет песок, бактерии и материалы, необходимые для минерализации, на целевую поверхность, образуя многослойную структуру путем многократного наложения. По мере накопления карбоната кальция слои песка объединяются, образуя твердую поверхность или строительный компонент. Исследовательская группа обеспечила непрерывную работу системы в течение шести месяцев, продемонстрировав ее потенциал для автоматизации работы и снижения зависимости от постоянного вмешательства человека.
Оба метода имеют свои собственные сценарии применения. 3D-печать больше подходит для изготовления строительных деталей сложной формы и специфической геометрии, а роботизированное напыление больше подходит для нанесения строительных материалов слой за слоем на поверхность. Исследовательская группа использовала эту технологию для создания компонентов фасада здания, которые, как ожидается, в будущем будут использоваться в таких компонентах здания, как затеняющие устройства и перегородки.
Однако до масштабного коммерческого применения этой технологии еще далеко. Одной из важных проблем являются побочные продукты производственного процесса. Минерализованные растворы, используемые в методах 3D-печати, производят вещества на основе аммония, которые при неправильном обращении могут быть вредными для окружающей среды. Исследователям необходимо найти эффективные методы переработки или нейтрализации для дальнейшего расширения производства, иначе экологические преимущества этого материала могут быть ограничены.
Прочность материала также является ключевым вопросом, который необходимо решить. В настоящее время исследовательская группа считает, что этот вид биоцемента ближе к строительному раствору, чем к конструкционному материалу, который может напрямую заменить несущий бетон. Раствор в основном используется для склеивания кирпичей и заполнения швов, а бетон широко используется в несущих конструкциях, таких как перекрытия, колонны и фундаменты. Для использования биоцемента в более широком спектре строительных проектов необходима дальнейшая проверка его механических свойств, долговечности и стабильности в различных условиях окружающей среды.
Кроме того, размер зерен песка и способ их расположения влияют на свойства конечного материала. Исследователи все еще изучают, как добиться более стабильной прочности и структурных свойств путем корректировки сырья и производственных параметров. Это означает, что будущие исследования должны будут не только улучшить процесс бактериальной минерализации, но и установить стандарты проектирования материалов и контроля качества, подходящие для различных строительных целей.
Несмотря на эти ограничения, это исследование демонстрирует новое направление в производстве строительных материалов: преобразование натуральных гранулированных материалов в строительные компоненты с определенной формой и свойствами с помощью микроорганизмов, которые направляют рост минералов между частицами. Если в будущем удастся решить такие вопросы, как обработка побочных продуктов, прочность материала и крупномасштабное производство, ожидается, что технология биоцементации будет применяться к производству некоторых традиционных растворов и строительных компонентов, что снизит зависимость от энергоемких производственных процессов.
По сравнению с непосредственной заменой традиционного бетона, более реалистичная краткосрочная цель этой технологии — сначала войти в такие области применения, как неосновные несущие компоненты и материалы для строительных поверхностей. Результаты исследовательской группы показывают, что бактерии могут не только участвовать в укреплении почвы и ремонте зданий, но также могут стать инструментом для производства новых строительных материалов, открывая еще один технический путь к снижению потребления энергии и выбросов углекислого газа в строительной отрасли.
Комментарии