微生物酶促形成方解石膠結(jié)砂粒的試驗(yàn)與模擬.pdf

1、微生物通過其自身的生命活動(dòng),與周圍環(huán)境介質(zhì)之間不斷發(fā)生酶化作用,礦化形成方解石,再經(jīng)過漫長時(shí)間的累積,最終將自然界中的疏松碎屑物膠結(jié)形成堅(jiān)硬的巖石。這類微生物被稱為產(chǎn)脲酶菌,也被稱作為碳酸鹽礦化菌,這一礦化過程被稱為Microbial CarbonatePrecipitation(MCP)。
　　 首先依據(jù)微生物酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理,篩選出高脲酶活性的菌株,并對(duì)其純化進(jìn)一步提高活性。研究底物和Ca2+加入方式的影響,發(fā)現(xiàn)選用底物后加

2、入的方法產(chǎn)生的碳酸鈣膠結(jié)效果更好。研究細(xì)菌活性對(duì)碳酸鈣晶型、形貌的影響,發(fā)現(xiàn)細(xì)菌活性較高時(shí),酶化反應(yīng)充分,碳酸鈣品粒生長較完全:但當(dāng)Ca2+濃度偏低時(shí),溶液中首先生成的是方解石,且不會(huì)轉(zhuǎn)變成球霰石。采用電導(dǎo)率法測定不同底物濃度下的酶活性,就可以計(jì)算出米氏酶動(dòng)力學(xué)方程的米氏常數(shù)Km和最大反應(yīng)速率Vmax。隨后對(duì)不同溫度下的Vmax=和Km進(jìn)行電導(dǎo)率試驗(yàn)測試,發(fā)現(xiàn)提高環(huán)境溫度,有利于反應(yīng)的快速進(jìn)行。對(duì)不同pH下的Vmax和Km進(jìn)行電導(dǎo)率試驗(yàn)

3、測試,發(fā)現(xiàn)pH=10是最佳的反應(yīng)條件。以上這些最佳反應(yīng)條件互相結(jié)合,用于指導(dǎo)膠砂試驗(yàn)。
　　 采用外施壓力和反應(yīng)液自重滲流法、無外施壓力和反應(yīng)液自重滲流及間隔封堵出口法兩種制備工藝膠結(jié)細(xì)砂。先后得到膠結(jié)初始滲流速度、砂的堆積密度、菌液的單位酶活等數(shù)據(jù);膠結(jié)過程中進(jìn)口、出口流速、菌液流經(jīng)砂柱前后的單位酶活、砂柱強(qiáng)度超聲波共振頻率等數(shù)據(jù);膠結(jié)停止后各齡期砂柱抗壓強(qiáng)度、三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。砂柱強(qiáng)度超聲波共振頻率隨著膠結(jié)時(shí)間的增長而增大

4、,說明砂體的密度逐漸增大,表明方解石產(chǎn)量增大,這些方解石粘結(jié)了砂粒之間的接觸面、填塞了孔隙。施壓成型砂柱10天、15天、20天和28天齡期的最大抗壓強(qiáng)度經(jīng)分別是0.56MPa、0.68MPa、1.20MPa和1.40MPa,表明延長膠結(jié)時(shí)間增加了方解石的數(shù)量、提高了砂粒和方解石整體的密實(shí)度,宏觀上增加砂柱的抗壓強(qiáng)度。對(duì)比28天齡期施壓成型砂柱最大抗壓強(qiáng)度1.40MPa,同齡期未施壓成型砂柱最大抗壓強(qiáng)度0.66MPa,前者比后者提高了11

5、2％,說明施壓成型減小了砂粒間孔隙,有利于砂粒-方解石-砂粒之間膠結(jié),提高砂柱整體強(qiáng)度。10天、15天、20天和28天齡期施壓成型砂柱最大抗彎強(qiáng)度依次為0.084MPa,0.133Mpa,0.844MPa和0.960MPa,抗彎強(qiáng)度隨齡期增加提高顯著,說明增加膠結(jié)時(shí)間對(duì)提高砂柱的抗彎強(qiáng)度作用明顯,對(duì)改善砂柱內(nèi)部微裂縫等缺陷有明顯作用,提高了砂柱抗彎曲性能。
　　 微生物膠結(jié)砂柱的微觀結(jié)構(gòu)分析采用掃描電鏡、X射線衍射、熱重分析和透

6、射電鏡等儀器和技術(shù)。對(duì)28天齡期施壓成型砂柱和未施壓成型砂柱采用掃描電鏡觀察形貌,未施壓成型砂柱內(nèi)方解石均勻生長在砂粒外表面,施壓成型砂柱內(nèi)方解石更傾向于在砂粒間的孔隙內(nèi)生長富集。未施壓成型砂柱內(nèi)方解石富集度自進(jìn)口向出口方向不斷增大,施壓成型砂柱內(nèi)方解石富集度先自進(jìn)口向中部方向增大,然后自中部向出口方向減小。對(duì)未施壓成型砂柱掃描電鏡下六面體形貌的物質(zhì)進(jìn)行點(diǎn)能譜分析.表明該六面體物質(zhì)含方解石的Ca、C和O元素。對(duì)試驗(yàn)中得到的純碳酸鈣采用透

7、射電鏡進(jìn)行了形貌觀察和衍射花樣標(biāo)定,判定碳酸鈣晶型為方解石型,衍射花樣的標(biāo)定結(jié)果與ID86-2334方解石型碳酸鈣的晶格常數(shù)最相近。
　　 微生物酶促方解石沉積膠砂的一維數(shù)值模擬有以下發(fā)現(xiàn):當(dāng)尿素濃度初始值2.0M,尿素水解速率初始值0.50mM/min,且此水解速率線性衰減率為0.0009mM/h,0.001.5mM/h和0.002mM/h時(shí)得到的一維數(shù)值模擬計(jì)算曲線與依據(jù)實(shí)驗(yàn)值做出的3條曲線相關(guān)性最好。運(yùn)用GWB軟件開展進(jìn)一

8、步數(shù)值試驗(yàn)分析的結(jié)果:變化初始尿素濃度和初始尿素水解速率,求解對(duì)應(yīng)參數(shù)條件下的尿素水解速率隨時(shí)間變化規(guī)律,方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化規(guī)律;增加砂體長度,變化砂粒的尺寸,采用與砂粒尺寸成正比的孔隙率,求解單根砂柱的方解石質(zhì)量:變化Ca2+濃度,考察其與單根砂柱的方解石質(zhì)量之間的關(guān)系;將尿素和氯化鈣反應(yīng)溶液流經(jīng)砂柱的初始流速由低到高分成4組,考察砂柱內(nèi)不同流速溶液傳輸方解石對(duì)其最終產(chǎn)量的影響。通過該數(shù)值模擬方程組可代入大量不同的菌、底物尿素和

9、氯化鈣等相關(guān)參數(shù)數(shù)值,計(jì)算和預(yù)測出最有利于酶促方解石沉積反應(yīng)的參數(shù)取值;同時(shí)應(yīng)用該法,結(jié)合不同類型的參數(shù)變化,可進(jìn)行廣泛的數(shù)值試驗(yàn),得到大量預(yù)測結(jié)果,為該法的工業(yè)化應(yīng)用提供基礎(chǔ)。
　　 利用微尺度上的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)(Comsol Multiphysics多物理場直接耦合分析軟件)推導(dǎo)出多孔介質(zhì)內(nèi)微生物酶促碳酸鈣沉積過程的云圖和主要因素隨時(shí)間的變化關(guān)系。將模擬報(bào)告中孔隙率變化、碳酸鈣產(chǎn)量變化、滲透面積變化和反應(yīng)液流速變化四個(gè)主要研

10、究因素隨時(shí)間變化關(guān)系圖與宏觀物理性能試驗(yàn)的測試數(shù)據(jù)和圖表進(jìn)行了對(duì)比,二者有較好的一致性。運(yùn)用Comsol軟件進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果證明,當(dāng)盡可能使模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)初始值接近實(shí)際試驗(yàn)時(shí)的情況,運(yùn)用多物理場耦合軟件可替代大量實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),成功預(yù)測微生物酶促方解石沉積膠結(jié)細(xì)砂的過程和結(jié)果。尿素初始濃度不變,提高尿素最大水解速率和進(jìn)口流速。結(jié)果發(fā)現(xiàn)膠結(jié)總時(shí)間減小,方解石總產(chǎn)量基本不變,說明提高酶活加快了尿素分解速率,提高了方解石單位時(shí)間沉積量,縮短了膠結(jié)