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Scientific Reports 12권, 기사 번호: 8821(2022) 이 기사 인용

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효소유도탄산염침전(EICP) 공정을 이용한 바이오시멘테이션은 토양 개선을 위한 혁신적인 방법이 되었습니다. 바이오시멘트 처리 규모 확대의 주요 제한 사항 중 하나는 요소 가수분해 중 환경적으로 유해한 암모니아 가스 배출입니다. 이러한 단점을 제거하기 위해 이 논문에서는 폴리아크릴산(PAA)을 사용하여 EICP 공정에서 암모니아 부산물을 방지하는 새로운 접근 방식을 평가하기 위해 수행된 일련의 실험을 제시합니다. pH를 산성으로 조정함으로써 PAA는 효소 활성을 촉진할 뿐만 아니라 암모늄이 기체 암모니아로 전환되어 방출되는 것을 방지하여 환경에 해를 끼치는 것을 방지합니다. 모래 샘플을 접착 용액으로 처리하고 강도 향상을 평가했습니다. 탄산칼슘 함량 측정과 X선 분말 회절 분석을 통해 토양 공극에 침전된 방해석 결정을 확인했습니다. 주사 전자 현미경 분석에 따르면 탄산칼슘이 토양 입자를 연결하여 침전되어 최대 1.65MPa의 단축 압축 강도(UCS)를 제공하는 것으로 나타났습니다. 전반적으로, 기체 암모니아의 종분화 억제는 바이오시멘트의 대규모 촉진을 위한 PAA의 큰 잠재력을 보여줍니다.

시멘트는 전통적인 기초 강화에 가장 일반적으로 사용되는 재료이지만, 그 생산은 실질적으로 에너지를 소비하고 환경 친화적이지 않습니다. 기존 시멘트 생산에서 탄산칼슘 하소 공정은 다량의 CO2를 배출할 뿐만 아니라 생산 중에 최대 1450°C에 달하는 열을 필요로 합니다. 생산된 시멘트 1톤당 총 CO2 배출량은 0.95톤1에 달할 수 있습니다. 따라서 대표적인 바이오시멘트인 생물학적 탄산염 시멘트는 1990년대 초부터 유리입자를 고결시킬 수 있는 보다 깨끗하고 지속가능한 바이오시멘트 지반개량공법으로 많은 주목을 받아왔다2,3. 광범위한 실험실 및 현장 조사에 따르면 바이오시멘트는 기초 보강4, 재 침하5, 시멘트 균열 수리6, 경사면 안정화7 등에 널리 사용될 수 있는 것으로 나타났습니다.

미생물 유도 탄산염 침전(MICP) 및 효소 유도 탄산염 침전(EICP) 처리 공정에서 CaCO3는 아래 식에 제시된 일련의 생물학적 반응의 결과로 토양 공극에 침전됩니다. (1)~(3). MICP는 요소분해 박테리아에 의존하는 반면, EICP 과정은 일반적으로 식물에서 추출되는 유리 우레아제 효소에 의존합니다. 요소분해효소의 공급원에 관계없이 요소에 노출되는 동안 효소는 요소의 가수분해를 촉매하고 탄산염과 암모늄을 생성합니다(식 1). 칼슘 이온이 있으면 탄산칼슘이 토양 공극에 침전되어 토양 입자 사이의 결합이 가능해집니다8. 탄산칼슘의 형성 반응은 Eq. (2).

그러나 반응 매체는 종종 암모늄 이온의 형성으로 인해 상대적으로 알칼리성이 되어(식(1)에 따라) 생성된 특정 양의 암모늄 이온(pH 9.24에서 최대 약 50%)이 쉽게 생성되는 데 도움이 됩니다. 암모니아 가스로 변환되고 Eq. (3) 대기 중으로 방출됩니다. 이 방출은 수십 년 동안 MICP와 EICP 모두에서 해결되지 않은 문제였습니다. 암모니아는 독성 질소 함유 화합물의 농도를 높이고, 온실가스 발생을 증가시키며, 건강에 심각한 손상을 초래하는 등 생태 환경에 부정적인 영향을 미칩니다. 이는 대규모 엔지니어링 프로젝트에 대한 바이오시멘테이션 기술의 적용을 제한합니다.

지금까지 바이오시멘트 공정 중 암모니아 배출을 줄이고 보다 친환경적인 바이오시멘트 재료를 만들기 위한 대안은 거의 제안되지 않았습니다. 깨끗한 바이오시멘트를 생산하는 주목할 만한 방법에는 아스파라기나제를 사용하여 MICP를 유도하는 것이 포함됩니다. 이는 우레아제(592 U/mL)에 의해 유도된 것보다 훨씬 낮은 40.6 U/mL의 암모니아를 유도하고 980 kPa UCS10을 달성합니다. 응고를 위해 인산마그네슘 바이오시멘트를 사용하면 암모니아 배출을 75%까지 줄일 수 있으며, 1.43MPa 이상의 UCS를 달성할 수 있습니다11. 인산칼슘 바이오시멘트를 얻기 위해 뼛가루와 산성 우레아제를 사용하면 최대 1.5MPa12의 UCS로 암모니아를 최대 90%까지 줄일 수 있는 새로운 경제적인 방법을 보여줍니다. 따라서 생물학적 응고 과정에서 방출되는 암모니아를 완전히 처리할 수 있는 더 깨끗하고 저렴한 방법을 찾는 것은 여전히 ​​열려 있는 요구 사항입니다.