一种用于生产富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液的方法和系统技术方案

提出了一种用于从富含尿素的溶液中生产富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液的方法。该方法包括以下步骤：提供第一贮液槽，所述第一贮液槽中包括第一混合物，所述第一混合物包括尿素和包括酶催化剂和/或微生物的催化剂；进行经所述催化剂催化的酶反应以使尿素分解，从而得到包括含氮物质和含碳酸盐物质的第二混合物；将至少一些所述含氮物质转化为气态含氮物质，得到包括所述气态含氮物质和所述含碳酸盐物质的第三混合物；通过气体可渗透过滤器过滤所述第三混合物，从而将至少一些所述气态含氮物质与所述含碳酸盐物质分离，同时使所述催化剂远离所述气体可渗透过滤器；以及收集得到的富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液。无含氮物质的溶液。无含氮物质的溶液。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种用于生产富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液的方法和系统


[0001]本专利技术一般属于无机化学领域。更具体地，本专利技术涉及一种用于从富含尿素的溶液中生产富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液的方法和系统，以及用于地基生物加固过程的应用。

技术介绍

[0002]在过去的50年中，已发展了地基或土壤加固溶液来改善土壤、地基的性能并确保在诸如地震、侵蚀和水位上升等自然灾害下民用基础设施的结构完整性。目前的溶液仅限于使用水泥、石灰、石油基化学品(如聚氨酯)和微硅酸盐。然而，由于这些溶液会导致高碱性环境，pH值常常超过12，所以它们的环境成本很高。它们的应用较复杂，在某些情况下这些溶液常常需要超过200巴(20MPa)的高压。最后，石油基化学品会导致在地下水中产生微塑料污染。
[0003]在过去的十年中，报道了上述溶液的替代溶液，其调动土壤微生物产生碳酸钙矿物质。该应用利用了接受尿素作为摄入并产生碳酸氢根离子和氨阳离子的溶尿微生物菌株。含水氨类物质，即或气态会对地下水土壤和水质产生威胁。根据世界卫生组织，这些物质可接受的限值不超过0.2mg/L。作为基于脲解的碳酸盐矿化的一部分，文献中报道的氨值达到10
’
000mg/L。通过将淡水冲洗通过土壤介质并泵出受污染的富含氨的水来回收氨的系统(EP2804988A2)并不是最佳方法。这将需要大量的淡水将氨从10
’
000mg/L的浓度稀释到仅为0.2mg/L，这将意味着土壤被水饱和，以使受控流场能够最终将水引向提取井。
[0004]上述方法产生的另一个问题是，氨，作为一种带高电荷的物质，往往会吸附在带负电荷的土壤颗粒(例如沙子、淤泥、粘土)表面上，因此不可能通过冲洗将其去除。已经报道了通过使用沸石过滤器进行的努力，如Keykha等人,2018,“Ammonium
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Free Carbonate
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Producing Bacteria as an Ecofriendly Soil Biostabilizer”,Geotechnical Testing Journal,42(1),pp.19
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29所建议。然而，这些溶液需要对矿物过滤器进行复杂的维护，无法确保以快速、经济的方式进行大量处理。其他工作提出了由聚氨酯海绵制成的下流悬挂海绵(DHS)生物反应器系统，如Aoki等人,2018,“A low
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tech bioreactor system for the enrichment and production of ureolytic microbes”,Polish journal of microbiology,67(1),pp.59
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65，或Omoregie et al.,2020,“A feasible scale
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up production of Sporosarcinapasteurii using custom
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built stirred tank reactor for in
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situ soil biocementation”,Biocatalysis and Agricultural Biotechnology,p.101544所建议。然而，后一种系统最初是为生物膜式污水处理技术开发的，生物膜代表高度胶态物质，它可能会堵塞系统过滤液体溶液的能力。

技术实现思路

[0005]为了解决和克服前述现有技术方案中的缺点，本专利技术提出了一种反应系统以及特征和能力得到改善的相关方法。更具体地，根据一方面，本专利技术的目的是解决至少一些上述问题，并且这些问题与在岩土工程应用中使用生物水泥以产生土壤中没有残留化学物质的加固地基有关。
[0006]具体地，本专利技术的第一个目的是提供一种简单而高效的方法来开发富含尿素的溶液，以生产适用于地基加固目的的富含碳酸盐的产物。
[0007]本专利技术的另一目的是提供一种用于将富含碳酸盐的元件与含氮元件高效分离且在分离过程中使用富含碳酸盐的元件和含氮的元件的系统和方法。
[0008]本专利技术的又一目的是提供一种用于获得适用于地基加固目的的产物、不需要进行额外地基处理的一体式方法。
[0009]如本文和所附权利要求书所述，本专利技术实现了上述所有目的。
[0010]鉴于现有技术的上述缺点，根据本专利技术提供了一种根据权利要求1所述的用于生产富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液的方法和系统。
[0011]所提出的方法的优点在于它允许含氮化合物、元件或物质与含碳酸盐物质(或碳酸根离子)高效分离。然后，可以将获得的富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液用于例如地基或土壤加固。因此，所提出的方法可用于地基的碳酸盐生物矿化，同时去除氨的有害存在。因此，不必要进行额外的处理来通过清洗地基去除氮物质(在这种情况下，其是地基中的污染物)。通过遵循本专利技术的教导，可以确保污染物不会进入地基中，并且它们可以在先前的步骤中回收和提取，以在其他工业系统中进一步增值。例如，捕获的含氮物质可以用作肥料或用于生产肥料(硫酸铵)，或者它们可以用于冷氨工艺中以从空气或燃料电池中捕获CO2。
[0012]本专利技术的另一方面涉及一种根据权利要求15所述的用于实现本专利技术方法的系统。
[0013]在所附权利要求中定义了本专利技术的其他特征或变型。
附图说明
[0014]根据以下参考附图的非限制性示例实施方案的描述，本专利技术的其他特征和优点将从变得显而易见，其中：
[0015]图1示出了示意性说明根据本专利技术的示例性反应系统的简化框图；以及
[0016]图2示出了说明根据本专利技术的示例性地基加固过程的流程图。
具体实施方式
[0017]现将参考附图描述本专利技术的实施方案。不同附图中出现的相同或相应的功能和结构元件表示相同的附图标号。应注意的是，使用词语“第一”、“第二”和“第三”等并不意味着任何特殊的顺序或层次，除非在上下文中有明确或隐含地说明。下面详细解释的实施方案涉及一种用于引发地基或土壤加固的新系统和方法。所提出的方案克服了一方面使用尿素而另一方面使用细菌(即微生物)和/或酶作为活性物质以产生钙化或加固的土壤时在地基中残留有含氮物质的问题。
[0018]应注意的是，在本说明书和权利要求书中，无含氮物质或无氮物质的流体或溶液
是指与待过滤流体中所含的含氮物质的初始数量相比基本上无含氮物质的流体。此类物质为例如氨、铵、氯化铵、硝酸盐、亚硝酸盐。因此，基本上无含氮物质的流体被认为是一种含氮物质的含量比过滤前的含氮物质数量少98％至100％的流体。更优选地，无含氮物质的流体含氮物质的含量比过滤前氮的量少99％至99.9％。换言之，无含氮物质的流体被理解为含有0.0001g/L和0.0005g/L的含氮物质。因此，只要遵守对含氮物质的上述限制，“无含氮物质的溶液”或“无氮物质的溶液”这一表达可以理解为是指含氮物质贫乏溶液。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于从富含尿素的溶液中生产富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液的方法，所述方法包括以下步骤：提供(101)第一贮液槽(3)，所述第一贮液槽中包括第一混合物，所述第一混合物包括尿素和包括酶催化剂和/或微生物的催化剂；进行(103，105)经所述催化剂催化的酶反应以使尿素分解，从而得到包括含氮物质和含碳酸盐物质的第二混合物；将至少一些所述含氮物质转化(113)为气态含氮物质，得到含所述气态含氮物质和所述含碳酸盐物质的第三混合物；通过气体可渗透过滤器(9)过滤(115)所述第三混合物，从而将至少一些所述气态含氮物质与所述含碳酸盐物质分离，同时使所述催化剂远离所述气体可渗透过滤器(9)；以及收集(121)得到的富含含碳酸盐物质、无含氮物质的溶液。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述微生物包括产脲酶微生物。3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中所述酶催化剂括脲酶。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述第一混合物、所述第二混合物和所述第三混合物中的至少一者保持在20℃以上的温度，优选25℃以上，并且其中将所述第一混合物、所述第二混合物和所述第三混合物中的至少一者保持在9至10的pH值下。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一混合物、所述第二混合物和所述第三混合物为含水混合物。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括将所述催化剂与所述第二混合物分离(107)，以使所述催化剂远离所述气体可渗透过滤器(9)。7.根据权利要求6所述的方法，其中在所述第一贮液槽(3)中进行所述分离。8.根据权利要求6或7所述的方法，其中通过以下方式中的至少一种进行所述分离：过滤装置、离心机、聚集和重力。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括调节(113)所述第二混合物的温度、pH和压力中的任一者以将至少一些所述含氮物质转化为所述气态含氮物质。10.根据权利要求9所述的方法，其中在将所述第一贮液槽(3)与所述气体可渗透过滤器(9)可操作地连接的连接元件(5)中进行所述转化。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括将至少一些所述过滤的第三混合物重新引入至所述气体可渗透过滤器(9)中以进行进一步过滤。12.根据权利要求11所述的方法，其中所述方法进一步包括确定(117)所述过滤的第三混合物中的所述含氮物质的浓度是否在给定的阈值以上，以及如果所述过滤的第三混合物中的所述含氮物质的浓度在所述给定的阈值以上，则将所述过滤的第三混合物重新引入(119)至所述气体可渗透膜(9)中以进行进一步过滤。13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括将分离的气态含氮物质收集(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：迪米特里奥斯，
申请(专利权)人：洛桑联邦理工学院，
类型：发明
国别省市：