碳酸酐酶强化活性氧化镁碳化固化土的力学性能提升机制研究

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Enhancement of mechanical properties in reactive magnesia-based carbonated-solidified soil using carbonic anhydrase

本研究针对活性氧化镁(MgO)碳化技术中CO2吸收与水解动力学缓慢的瓶颈，创新性地引入可加速CO2水合反应的微生物酶——碳酸酐酶(CA)，系统探究了其对砂土和粉土碳化固化效果的增强作用。结果表明，CA的添加使MgO固化砂土的无侧限抗压强度提升63.6%-424%，并显著促进碳化产物（三水菱镁矿、水菱镁矿等）的结晶与孔隙填充，为低碳高效的土体加固与碳封存技术提供了新途径。

　　

随着全球对碳中和目标的迫切追求，如何将大量的二氧化碳（CO₂）安全、高效地封存并转化为有价值的材料，成为环境与岩土工程领域的热点问题。传统的波特兰水泥（PC）在生产过程中会释放大量CO₂，而利用活性氧化镁（MgO）进行土体碳化固化，被认为是一种具有低碳潜力的替代技术。该技术通过将活性MgO与土体混合，再注入CO₂，促使MgO发生碳化反应生成具有胶结能力的碳酸盐矿物，从而提升土体强度。然而，这一过程的效率长期受限于CO₂在水中溶解和水合反应的缓慢动力学。以往的研究试图通过提高MgO掺量、增加CO₂压力或添加化学催化剂来强化效果，但这些方法往往成本高昂、改善有限，且存在CO₂泄漏的风险。

自然界中，微生物参与碳循环的过程高效而精巧。其中，碳酸酐酶（Carbonic Anhydrase, CA）作为一种金属酶，能够将CO₂的水合反应速率提高高达10⁷倍。受此启发，研究人员开始探索将这种生物催化能力引入工程领域，以突破化学碳化的速率限制。本研究即聚焦于此，尝试将富含碳酸酐酶的细菌——胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus）与活性MgO联合使用，对砂土和粉土进行碳化固化，系统评估其对土体力学性能、物理化学特性及微观结构的增强效果，相关成果发表在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》上。

为开展研究，作者主要采用了以下关键技术方法：首先，制备并量化了胶质芽孢杆菌粉末的碳酸酐酶活性；其次，设计了针对砂土和粉土的不同配比（变量包括细菌粉末含量、MgO掺量和初始含水率）的碳化固化实验方案；然后，通过无侧限抗压强度（UCS）测试、质量变化分析、pH值测定、碳化度评估来表征宏观性能；最后，利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和压汞法（MIP）等微观测试手段深入分析了碳化产物的矿物组成、形貌和孔隙结构演化。研究所用粉土样本采集自中国盐城东台条子泥垦区。

3.1 力学性能

3.1.1 UCS

研究结果显示，引入胶质芽孢杆菌粉末显著提升了碳化土体的无侧限抗压强度。相较于未添加细菌的对照组，MgO固化砂土的UCS提升了63.6%至424%，粉土提升了27.8%至233%。强度提升随细菌含量增加而增大，但在粉土高MgO掺量（20%）情况下，3%细菌含量时强度达到峰值，过量添加（5%）反而导致强度略有下降，推测与过快碳化阻碍内部CO₂扩散有关。

3.1.2 应力-应变关系

应力-应变曲线表明，添加细菌粉末提高了碳化土体的峰值应力和变形模量，并使破坏形态更趋脆性，说明酶催化碳化不仅增强了强度，也改善了土体刚度。

3.2 物理化学性质

3.2.1 物理性质

碳化后试样质量增长显著，增长率随细菌含量增加而升高，最高超过30%（10% MgO掺量下），表明CO₂吸收和固化效果增强。体积变化轻微（变化比在0.95-1.05之间），结合质量增加，意味着试样密度显著提高。

3.2.2 化学性质

土体pH值随细菌粉末含量增加而降低，在3%-5%含量时达到最低，印证了碳化反应消耗OH^-，反应效率提高。碳化度分析进一步证实，细菌添加使MgO碳化度最高提升了25.6%（砂土）和21.8%（粉土）。

3.3 机理分析

3.3.1 化学组成

XRD分析显示，添加细菌的样品中，三水菱镁矿（Nesquehonite, MgCO₃·3H₂O）和水菱镁矿（Hydromagnesite, Mg₅(CO₃)₄(OH)₂·5H₂O）的衍射峰增强，而Mg(OH)₂和残余MgO的峰减弱，说明碳化反应更充分。

3.3.2 微观结构分析

SEM观察发现，未加细菌的样品中碳化产物形态多样（棱柱状、花状、片状）；而添加细菌后，样品中大量生成相互交织的棱柱状三水菱镁矿晶体，形成了坚固的骨架结构，其他碳酸盐矿物则有效填充孔隙，增强了颗粒间胶结。

3.3.3 孔隙特征

MIP结果表明，细菌添加使砂土和粉土的总孔隙体积分别从0.063 mL/g降至0.032 mL/g和从0.10 mL/g降至0.068 mL/g。孔径分布简化，中小孔隙体积显著减少，孔隙结构更加致密。

4. 讨论

研究表明，胶质芽孢杆菌通过其分泌的碳酸酐酶，极大地加速了CO₂水合生成HCO₃^-这一限速步骤（CO₂+ H₂O ? HCO₃^-+ H⁺）。在碱性环境中，HCO₃^-迅速与OH^-反应生成CO₃^2-。细菌细胞表面吸附Mg²⁺，与CO₃^2-结合促使碳酸盐矿物（如三水菱镁矿、水菱镁矿）沉淀。持续水解的Mg(OH)₂提供OH^-，维持反应进行。这种生物催化作用突破了化学碳化的动力学限制，提高了碳化效率和产物生成量，从而通过优化孔隙结构和增强胶结作用，宏观上表现为土体力学性能的显著提升。

5. 结论

本研究表明，利用胶质芽孢杆菌产生的碳酸酐酶生物催化，可有效增强活性MgO的碳化效率，大幅提升砂土和粉土的力学强度。微观机制在于酶促反应促进了具有良好胶结性能的碳酸盐矿物（尤其是三水菱镁矿）的结晶，优化了土体的孔隙结构。这种MgO与碳酸酐酶协同固化的技术，为实现高效、低碳、环境友好的土体加固和CO₂封存提供了新的解决方案，在岩土工程固碳和地基处理领域具有广阔的应用前景。未来研究可关注该技术在不同土类中的适用性、长期耐久性以及与其他添加剂的协同效应。