水泥基材料负载微生物矿化捕获二氧化碳机理与应用技术基础研究

China's carbon dioxide emission has been ranking first in the world. Confronting the post-Copenhagen era, how will China cope with it? Inspired by the technique of carbon dioxide curing of concrete, cementitious materials is regarded as an excellent media for fixation and consumption of carbon dioxide. However, this technique demands highly for the reaction rate and could only be applied to the curing of precast concrete. Carbonic anhydrase existed in some microbe in nature, which is a kind of biocatalyst with the fastest catalytic reaction rate of all so far as known, could significantly accelerate the hydration reaction rate of carbon dioxide. It is well known that buildings is almost everywhere. So in this study, the microbe with concentration gradient, which could produce carbonic anhydrase, is loaded on the surface of cementitous materials. This will accelerate the mineralization reaction of carbon dioxide in air and calcium hydroxide in cement hydration products and then form the progressively dense protective layer of calcium carbonate from inside to outside. This method not only prevents carbon dioxide and other harmful composites from migrating into the structure of concrete, but also consumes carbon dioxide in air by biomineralization. This study aims to reveal the catalytic mechanism of carbonic anhydrase, master the control technique of enzyme active, research the influence of enzyme active, loaded concentration, gradient and depth on the ability of capturing CO2, study on the microstructure evolution of cementitous materials during biomineraliaztion and influence of loaded microbe and mineralization products on the properties of cementitous materials.

二氧化碳排放量位居全球首位，面对"后哥本哈根"时代，中国将如何应对？受二氧化碳养护混凝土技术启发，水泥基材料是一种很好的固定和消耗CO2的媒介，但其对反应速率要求高，仅能用于预制混凝土养护。自然界中某些微生物体内含有碳酸酐酶，其是已知催化反应速率最快的生物催化剂，可显著加速CO2水合反应。本项目拟利用建筑物的广泛存在性，将可产碳酸酐酶的微生物负载于水泥基材料钢筋保护层的上表层部位，加速空气中CO2和水泥水化产物中Ca(OH)2的矿化反应，由内向外形成逐级致密的碳酸钙保护层，从而阻止CO2和其它有害组分向混凝土内部的迁移，以生物矿化的形式消耗空气中的CO2。本项目将揭示碳酸酐酶的酶催化机制，掌握其酶活调控技术，探明微生物酶活性、负载浓度、负载梯度分布、负载深度对水泥基材料矿化捕获CO2能力的影响规律，研究矿化过程中水泥基材料表层内部结构的演化规律，以及负载微生物与矿化产物对其本体性能的影响。

本项目利用建筑物的广泛存在性，将具有固碳能力的微生物负载于水泥基材料钢筋保护层的上表层部位，加速空气中二氧化碳和水泥水化产物中氢氧化钙的矿化反应，由内向外形成逐级致密的碳酸钙保护层，从而阻止二氧化碳和其它有害组分向混凝土内部的迁移，以生物矿化的形式消耗空气中的二氧化碳。本项目首先以小球藻为研究对象，综合考虑了各种外部条件对小球藻生长和固碳能力的影响，确定适宜小球藻生长和固碳的初始接种量和环境条件。研究结果表明小球藻不能适应碱性环境，鉴于此，本项目又从自然界分离获取得到两株具有固碳效能的微生物，经鉴定为胶质芽孢杆菌，其可分泌碳酸酐酶（CA酶）催化二氧化碳的水合反应，可在常温常压下极大加速二氧化碳的吸收。研究了环境对于该类微生物生长情况和CA酶活性的影响，绘制了其生长曲线，发现有氮培养基和微碱性环境可以提升其活性，并分别探究了基于碳酸钙溶蚀机理和碳酸钙矿化对微生物固碳机制，揭示了碳酸酐酶的酶催化机制，掌握了其酶活调控技术，探明了微生物酶活性、负载浓度、负载深度对水泥基材料矿化捕获二氧化碳能力的影响规律，研究了矿化过程中水泥基材料表层内部结构的演化规律，以及负载微生物与矿化产物对其本体性能的影响。同时，本项目针对水泥基材料负载微生物矿化捕获二氧化碳过程中不同二氧化碳介入方式进行研究，探究在微生物的酶催化机制下，二氧化碳的介入方式对水泥基材料表面矿化覆膜防护效果的影响。研究表明，高浓度二氧化碳有助于在水泥基材料表面迅速矿化形成致密、连续、平整的方解石膜层，颗粒粒径小于100nm，覆膜后试件表面毛细吸水系数降低80%以上。此外，本项目还拓展将钢渣和二氧化碳进行了综合资源化利用，通过可产碳酸酐酶的微生物酶催化机制，以钢渣固定吸收二氧化碳，提升固碳效率和固碳速率，并使固碳矿物具有胶凝特性，3d强度达到17MPa以上，替代传统水泥，探究了一种具有固碳能力的新型低碳胶凝材料的制备原理。