新加坡南洋理工大学 (NTU Singapore) 的科学家们找到了一种利用废物制造生物水泥的方法，使普通水泥的替代品更加环保和可持续。
生物水泥是一种可再生形式的水泥，通常使用细菌形成硬化反应，将土壤粘合成固体块。
南洋理工大学的科学家们现在已经设法使用两种常见的废料，工业碳化物污泥和尿素——来自哺乳动物的尿液——来制造生物水泥。
他们开发了一种工艺，其中尿素与工业碳化物污泥中的钙离子反应形成坚硬的固体或沉淀物。当这种反应发生在土壤中时，沉淀物将土壤颗粒粘合在一起并填充它们之间的间隙，形成致密的土壤块。这会产生坚固、坚固且渗透性较低的生物水泥块。
由土木与环境工程学院院长褚健教授领导的研究团队在 2022 年 2 月发表在《环境化学工程杂志》上的概念验证研究论文中表明，他们的生物水泥有可能成为一种可持续且具有成本效益的土壤改良方法，例如加固用于建筑或挖掘的地面，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水库。
它还可以用作生物灌浆剂来密封岩石裂缝以防渗漏，甚至可以修补和修复石刻和雕像等纪念碑。
“生物水泥是传统水泥的可持续和可再生替代品，在需要对地面进行处理的建筑项目中具有巨大潜力，”同时也是南大城市解决方案中心主任的朱教授说。，使生物水泥更具可持续性。从长远来看，它不仅可以降低制造生物水泥的成本，还可以降低废物处理的成本。”
NTU 科学家的研究支持 NTU 2025，该计划旨在解决人类面临的一些重大挑战，包括通过推进可持续性研究和开发来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法相比，生物水泥制造过程需要的能源更少，产生的碳排放更少。
NTU 团队的生物水泥由两种废料制成：工业碳化物污泥——来自新加坡工厂的乙炔气生产废料——以及尿液中的尿素。
首先，该团队用酸处理碳化物污泥以产生可溶性钙。然后将尿素添加到可溶性钙中以形成胶结溶液。然后，该团队将细菌培养物添加到这种胶结溶液中。然后培养物中的细菌分解溶液中的尿素，形成碳酸根离子。
这些离子在称为微生物诱导方解石沉淀 (MICP) 的过程中与可溶性这种反应形成碳酸钙——一种坚硬的固体材料，天然存在于白垩、石灰石和大理石中。
当这种反应发生在土壤或沙子中时，生成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通过材料的水渗漏。同样的工艺也可以用于岩石节理，从而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) 的无侧限抗压强度，高于使用等量水泥处理的相同土壤的抗压强度。
这使得该团队的生物水泥适用于土壤改良项目，例如加固地面或减少用于建筑或挖掘的渗水或控制沿海岸线的海滩侵蚀。
论文第一作者 杨洋博士，前南大博士。中国重庆大学博士后城市解决方案中心的学生和研究员说：“不同胶结水平的碳酸钙沉淀通过逐渐填充颗粒之间的孔隙来强化土壤或沙子。生物水泥也可用于密封土壤或岩石中的裂缝，以减少渗水。”
水泥的可持续替代品
与用于生产传统水泥的方法相比，生物水泥生产更环保、更可持续。
“水泥制造过程的一部分是在超过 1000 摄氏度的高温下燃烧原材料以形成熟料——水泥的粘合剂。这个过程会产生大量的二氧化碳，”朱教授说。“然而，我们的生物水泥是在室温下生产的，不会燃烧任何东西，因此它是一种更环保、能耗更低且碳中和的工艺。”
Yang Yang 博士说：“在新加坡，电石污泥被视为废料。然而，它是生产生物水泥的良好原料。通过从电石污泥中提取钙，我们使生产更具可持续性，因为我们不需要使用必须从山上开采的石灰石等材料。”
朱教授补充说：“石灰石是一种有限的资源——一旦消失，它就消失了。石灰石的开采也会影响我们的自然环境和生态系统。”
研究小组表示，如果生物水泥的生产可以扩大到传统水泥的生产水平，其生产的总成本将低于传统水泥，这将使生物水泥成为一种更环保、更便宜的水泥替代品。
修复古迹和加强海岸线
NTU 团队在配制生物水泥的方法的另一个优点是细菌培养和胶结溶液都是无色的。当应用于土壤、沙子或岩石时，它们的原始颜色得以保留。
这使得它可用于修复旧的岩石纪念碑和文物。例如，杨洋博士曾使用生物水泥修复中国的老佛像。生物水泥可用于密封破裂纪念碑的缝隙，并已用于修复破碎的碎片，例如佛陀的手指。由于溶液是无色的，因此纪念碑保留了原有的颜色，使修复工作与历史保持一致。
该团队与新加坡的相关国家机构合作，目前正在东海岸公园试用他们的新生物水泥，用于加固海滩上的沙子。通过将生物水泥溶液喷洒在沙子上，形成坚硬的外壳，防止沙子被冲到海里。
该团队还在探索他们的生物水泥在新加坡的进一步大规模应用，例如通过密封道路裂缝来修复道路，密封地下隧道中的缝隙以防止渗水，甚至作为珊瑚礁的培育地，因为卡罗尔幼虫喜欢生长关于碳酸钙。
论文“利用碳化物污泥和尿液进行可持续的生物水泥生产”发表在《环境化学工程杂志》上。
