CC BY
32ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
ВЛИЯНИЕ БИОМИНЕРАЛИЗАЦИИ НА ПРОЧНОСТЬ
ГИПСОВОГО ВЯЖУЩЕГО 1 2 Логинова Т. В. , Сивков С. П.
1Логинова Татьяна Витальевна /Loginova Tatyana Vitalievna - студент;
2Сивков Сергей Павлович /Sivkov Sergey Pavlovich - кандидат технических наук, кафедра химической технологии композиционных и вяжущих материалов, факультет технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва
Аннотация: применение штаммов уробактерий, относящихся к роду Bacillus, для улучшения прочностных свойств гипса, является перспективным направлением исследований. В ходе данной работы было установлено, что введение в состав твердеющего гипса добавки микроцеллюлозы с адсорбированными на ней культурами бактерий Bacilius Sphaericus приводит к образованию в поровом пространстве дополнительного карбоната кальция. При этом наблюдается повышение прочностных характеристик гипсового камня, как при изгибе, так и при сжатии. Ключевые слова: гипс, биоминерализация, микроцеллюлоза.
В наши дни гипс все чаще используют для декоративной отделки поверхностей. Благодаря своим вяжущим свойствам, хорошей воздухопроницаемости и звукоизоляции, гипс является одним из самых популярных материалов для изготовления таких изделий, как лепнины, барельефы, камни и панели. Однако, получение гипса, является экологически вредным процессом, приводящим к выбросам больших количеств углекислого газа. Поиск новых методов получения вяжущих материалов, сопровождающихся меньшим вредом для окружающей среды, а также обладающих высокой прочностью и долговечностью, является актуальной проблемой.
Биоминерализация - процесс осаждения минеральных фаз в результате активности микроорганизмов. Наиболее интенсивный процесс осаждения СаСО3 проявляется при использовании уробактерий, относящихся к роду Bacillus. Под действием фермента -уреазы, который выделяется в процессе жизнедеятельности уробактерий, происходит гидролиз мочевины с выделением аммиака и угольной кислоты (реакция 1). При растворении аммиака в воде, возрастает рН среды, что смещает равновесие при диссоциации кислоты в сторону образования карбонат - иона (реакция 2) [1, с. 24]. CO(NH2)2 + 2H2O = H2CO3 + NH3 (1) H2CO3 = 2H+ +CO32- (2) При наличии в водном растворе ионов Са2+, они будут осаждаться на поверхности клетки в виде карбоната кальция (реакция 3).
Ca2+ + CO32- = CaCO3 (3) В некоторый момент поверхность бактерии полностью закупоривается слоем СаСО3, а поскольку данный вид микроорганизмов является анаэробным, клетка переходит в спорообразное состояние. Дальнейшее проявление активных признаков возможно лишь при доступе кислорода, т.е. при образовании трещины в карбонатной оболочке [2, с. 53].
Применение штаммов бактерий для улучшения прочностных свойств гипса, является перспективным направлением исследований. Однако использование культур бактерий, выращенных в питательной среде, в качестве жидкости затворения, представляет определенные трудности. В данной работе был предложен метод адсорбции бактерий на носителе, с последующим введением в состав гипса. В качестве адсорбента была выбрана микроцеллюлоза. Кристаллы целлюлозы, полученные из промышленных побочных продуктов, представляют собой
возобновляемую добавку для улучшения качества строительных материалов. Получение микробиологической добавки осуществлялось следующим способом: в колбу, содержащую 10 мл воды, культивировались бактерии Bacillus Sphaericus. При достижении бактериями максимальной концентрации в раствор добавляли микроцеллюлозу, в количестве 1 г. Раствор выдерживали в течение 24 часов, отфильтровывали и сушили при 30оС в течение 2 часов. Полученную микробиологическую добавку, состоящую из микроцеллюлозы с адсорбированными на нем спорами бактерий, смешивали с гипсом в количестве 0,2 масс. % и затворяли водой при В/Т = 0,56. Для сравнения гипс с аналогичным количеством чистой микроцеллюлозы, также затворяли водой. В ходе работы было подтверждено положительное действие микробиологической добавки на прочностные характеристики твердеющего гипса (рис. 1-2).
о а
гипс+ вода
и гипс+цел+вода
гипс+целВ+вода
1 сут 7 сут 14 сут 28 сут
8
5
2
Рис. 1. Прочность гипса при изгибе
Использование культур бактерий Bacillus Sphaericus, осажденных на микроцеллюлозе к 28 суткам повышает прочность гипса при изгибе на 23%, в то время как добавление чистой микроцеллюлозы практически не влияет на процесс твердения гипса.
Рис. 2. Прочность гипса при сжатии
При исследовании прочности гипса при сжатии уже к 7 суткам наблюдается резкое увеличение прочности. К 28 суткам прирост прочности составил 38% по сравнению с образцами, затворенными чистой микроцеллюлозой.
Таким образом, явление биоминерализации приводит к повышению прочностных характеристик гипса, за счет образования карбоната кальция в поровом пространстве. Полученные результаты хорошо коррелируют с результатами исследования микроструктуры целлюлозы (рис. 3-5).
Рис. 3. Микроструктура целлюлозы
Рис. 4. Микроструктура целлюлозы с осажденными бактериями
Рис. 5. Микроструктура целлюлозы с бактериями в среде гипса
На рисунках 4 - 5 отчетливо видны кристаллические новообразования, которые могут быть идентифицированы как споры бактерий Bacilius Sphaericus.
Таким образом, введение микроцеллюлозы с адсорбированными культурами бактерий Bacilius Sphaericus в состав гипса приводит к значительному повышению его прочности, что связано с образованием в его составе дополнительных количеств СаСО3.
Литература
1. Achal V., Mukherjee A. & Reddy M. S. Biocalcification by Sporosarcina pasteurii using Corn steep liquor as nutrient source // J. Ind. Biotechnol., 2010.
2. Логинова Т. В., Мымрина А. К., Сергеева Н. А., Карамаш А. О., рук. Сивков С. П., Градова Н. Б. «Улучшение свойств затвердевшего гипсового камня методами биотехнологии» Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX, 2015. № 7 С. 53-55.
