Auswirkungen von Al2O3, SiO2-Nanopartikeln und g

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 2720 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Bei der Herstellung von Portlandzement werden Umweltfragen angesprochen. Dadurch dient Biozement als zuverlässiger Ersatz für Portlandzement in umweltfreundlichen Bauprojekten. Diese Studie entwickelte eine völlig neue Technik zur Herstellung von hochwertigem Biozement aus landwirtschaftlichen Abfällen. Die Technik basiert auf Nanomaterialien, die den „Microbially Induced Calcite Precipitation (MICP)“-Prozess verbessern und beschleunigen, was die Qualität des hergestellten Biozements verbessert. Die Mischung wurde unter Zusatz von 5 mg/l graphitischen Kohlenstoffnitrid-Nanoblättern (g-C3N4-NSs), Aluminiumoxid-Nanopartikeln (Al2O3-NPs) oder Siliciumdioxid-Nanopartikeln (SiO2-NPs) weiter gemischt. Das Verhältnis von Zement zu Sand betrug 1:3, das Verhältnis von Asche zu Zement betrug 1:9 und das Verhältnis von Wasser zu Zement betrug 1:2. Würfelformen wurden vorbereitet und dann gegossen und verdichtet. Anschließend wurden alle Proben aus der Form genommen und in Nährbrühe-Harnstoff-Medien (NBU) bis zur Prüfung nach 28 Tagen ausgehärtet. Das Medium wurde im Abstand von 7 Tagen erneuert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von 5 mg/l g-C3N4 NSs mit Maiskolbenasche die höchste „Druckfestigkeit“ und die höchste „Biegefestigkeit“ von Biozementmörtelwürfeln von 18 bzw. 7,6 Megapascal (MPa) lieferte; und eine akzeptable „Wasseraufnahme“ (5,42 %) im Vergleich zu allen anderen Behandlungen. Diese Behandlung führte zu einer Verringerung der „Druckfestigkeit“, der „Biegefestigkeit“ und der „Wasseraufnahme“ um das 1,67-, 1,26- und 1,21-fache der Kontrolle (Standard-Portlandzement). Es wurde der Schluss gezogen, dass die Zugabe von 5 mg/l g-C3N4-NSs zur Zementmischung deren Eigenschaften verbessert, sodass der resultierende Biozement ein vielversprechender Ersatz für herkömmlichen Portlandzement ist. Durch die Zugabe von Nanomaterialien zu Zement wird dessen Durchlässigkeit für Ionen verringert, wodurch seine Festigkeit und Haltbarkeit erhöht wird. Der Einsatz dieser Nanomaterialien kann die Leistungsfähigkeit konkreter Infrastrukturen verbessern. Der Einsatz von Nanopartikeln ist eine wirksame Lösung, um die mit der Betonherstellung verbundenen Umweltbelastungen zu reduzieren.

Biozement ist ein neuartiger grüner Baustoff, der aus landwirtschaftlichen Abfällen hergestellt wird. Die Verwendung von Biozement hat ökologische, wirtschaftliche und technische Vorteile gezeigt. Der resultierende Beton wird „grüner Beton“1,2 genannt. Biozement verbessert die Widerstandsfähigkeit des Mörtels gegen Säureangriffe erheblich. Darüber hinaus weist Biozementmörtel eine bessere Wasserdurchlässigkeitsbeständigkeit auf als Portlandzement allein3. De Muynck et al.4 prägten die folgenden Begriffe: Biomineralisation oder Biodeposition von CaCO3, Biomörtel und Biobeton, die aus Biozement hergestellt werden. Die folgenden Bioabfälle können als Rohstoffe für die Biozementproduktion verwendet werden: Reishülsen, Reisstroh, Vetivergras, Maiskolben, Zuckerrohr, Ölpalmenschalen, Weizenstroh, Flachsstängel, Bambusblätter, Klärschlamm, Mikroalgen, Sägemehl und Papierfabrikschlamm3 ,4,5,6,7.

„Nanotechnologie“ kann als die Erforschung, Nutzung und Nutzung von Materialien mit einer Größe zwischen 1 und 100 nm, sogenannten „Nanomaterialien“, definiert werden, wobei 1 nm (nm) 10−9 m entspricht. Die Nanomaterialien können in Form von Nanowürfeln, Nanodrähten, Nanostäben, Nanoröhren und Nanopartikeln (Nanosphären und Nanokapseln) synthetisiert werden. Die wesentlichen Eigenschaften von Nanomaterialien unterscheiden sich grundlegend vom ursprünglichen Material8.

Die Retrogradation von zementären Konstruktionen ist ein weitverbreitetes Problem, da sie eine erhöhte Durchlässigkeit aufweisen, Wasser eindringen lassen und zu Korrosion führen. Der Einsatz von Versiegelungen, z. B. Biozement, ist ein wirksames Mittel zur Erhöhung der Betonhaltbarkeit9. Asche aus landwirtschaftlichen Abfällen kann nur 6–20 % des Portlandzements ersetzen. Die Festigkeit des Biozements nimmt bei der Verwendung von Asche mit einem höheren Anteil an organischen Rückständen ab1. Dies behindert die Ausweitung der Verwendung von Biozement und schränkt auch die Umweltvorteile der Verwendung von Biozement ein.

Es wird vermutet, dass Nanomaterialien die Bindungsfähigkeiten zwischen den verschiedenen Komponenten zementhaltiger Materialien verbessern. Somit ermöglicht die Verwendung von Nanomaterialien die Zugabe von organischer Rückstandsasche, um eine Menge von mehr als 20 % des Portlandzements zu ersetzen und gleichzeitig die Festigkeit des hergestellten Biozements beizubehalten. Dies wirkt sich folglich positiv auf die technischen Eigenschaften, insbesondere die mechanischen Eigenschaften, der aus Biozement hergestellten Mörtel und Betone aus. Darüber hinaus wird angenommen, dass Nanomaterialien die Bakterien biostimulieren und ihre Aktivität erhöhen, was die Biomineralisierung beschleunigt und zu einem Anstieg der Menge und Geschwindigkeit der CaCO3-Ausfällung führt. Dies führt letztendlich zur Abdichtung der Betonrisse. Nanomaterialien wie Nano-Siliziumoxid (Nano-SiO2), Nano-Aluminiumoxid (Nano-Al2O3), Nano-Eisenoxid (Nano-Fe2O3), Nano-Titanoxid (Nano-TiO2), Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Graphen usw Graphenoxid kann mit zementbasierten Materialien gemischt werden10. Mehrere Forscher haben in den letzten Jahren den Einbau von Nanomaterialien in zementbasierte Materialien untersucht. Die Kombination von zementären Verbundwerkstoffen und Nanomaterialien hat das Potenzial, die mechanische Festigkeit der resultierenden Betonstrukturen zu verbessern11,12,13,14,15. Nanosilica ist ein häufiges Nanomaterial, das in zementbasierten Verbundwerkstoffen verwendet wird. Dieses Material beschleunigt die Hydratation des Zements, indem es Calciumsilikathydrat (C–S–H) erzeugt und Tricalciumsilikate (C3S) auflöst16. Darüber hinaus fungiert das Nano-Siliciumdioxid als Keim für die C-S-H-Keimbildung, die die Zementhydratation beschleunigt16. Der Zusatz von Nanosilica zu zementbasierten Materialien kann deren Haltbarkeit, Verarbeitbarkeit und mechanische Eigenschaften verbessern17. Nano-Al2O3-Partikel hingegen können die Druckfestigkeit zementbasierter Materialien erhöhen18,19. Bei einer Dosierung von 0,25 % des Zementgewichts können Al2O3-Nanofasern die Druckfestigkeit zementbasierter Materialien um bis zu 30 % erhöhen16. Nanopartikel verbessern die Festigkeit und Haltbarkeit von Beton, indem sie die Hydratationsreaktion stimulieren und die Mikroporen in der Zementleimstruktur füllen. Dies verringert die Porosität des Betons und verbessert die Festigkeit und mechanischen Eigenschaften des Zementmörtels10.

Diese Studie zielt darauf ab, aus landwirtschaftlichen Abfällen hergestellten Biozement mithilfe von Nanomaterialien zu verstärken. Die spezifischen Ziele lauten wie folgt: Erhöhung der Menge an landwirtschaftlicher Abfallasche, die der Portlandzementmischung zur Herstellung von Biozement zugesetzt werden kann, bei gleichzeitiger Beibehaltung der technischen Eigenschaften des hergestellten Biozements. Verbesserung der Bindungsfähigkeiten zwischen den verschiedenen zementären Materialien durch den Einsatz von Nanomaterialien. Die Biostimulation von Bakterienzellen zur Beschleunigung der Biomineralisierung führt zu einem Anstieg der Menge und Geschwindigkeit der CaCO3-Ausfällung, die Betonrisse versiegelt. Untersuchung der folgenden technischen Eigenschaften des resultierenden Biozements: „Druckfestigkeit“, „Biegefestigkeit“ und „Wasseraufnahme“.

Die Fähigkeit von Bakterien, Harnstoff mithilfe von Urease zu hydrolysieren, wurde auf festen Medien, der Urea-Agar-Basis von Christensen (UAB), getestet. Abbildung 1 zeigt die qualitative Ureaseaktivität auf Schrägproben nach 24-stündiger Inkubation. Eine positive Urease-Aktivität trat in Schrägen auf, wo sie sich von Gelb nach Rosa verfärbte, im Vergleich zum Kontrollnegativ (nicht beimpftes Medium), das sich nicht von Gelb änderte, und es wurde die Freisetzung von Ammoniakgeruch festgestellt. Dieser Anstieg des pH-Werts führt dazu, dass sich der Indikator von Gelb nach Rosa ändert, wie von Prescott20 und Hammad et al.21 beschrieben. Mit der „Anreicherungskulturtechnik“ wurden 28 Isolate gewonnen. Zehn Bakterienstämme stammten aus der Bodenprobe, acht Stämme aus der Nassschlammprobe und sieben aus der Trockenschlammprobe.

Qualitative Urease-Aktivität auf Schrägflächen nach 24-stündiger Inkubation (2 % Harnstoff).

Es wurde ein „Qualitativer Urease-Assay“ durchgeführt, bei dem 28 Stämme entsprechend der Koloniemorphologie ausgewählt und unter Verwendung von Christensen-Agar auf Urease-Aktivität untersucht wurden, wie von Anitha et al.20 beschrieben. Von den 28 Stämmen waren 5 Stämme (Abb. 2: Gruppe A) positiv im Ureasetest und in der Lage, die Christensen-Agarplatte bei 5 % und 10 % der Harnstoffkonzentration innerhalb von 24 Stunden vollständig rosa zu färben. Dieses Isolat wurde mit den Nummern (4, 5, 10, 13, 28) bezeichnet und für die Biozementproduktion verwendet. Die anderen unwirksamen Stämme (Abb. 2: Gruppe B) wurden ausgeschlossen.

Ausgewählte Stämme für die Urease-Aktivität unter Verwendung von Christensen-Agar (Gruppe A: positiv im Urease-Test, Gruppe B: unwirksam bei 5 % und 10 % Harnstoff).

Der „Quantitative Urease Assay“ wurde mit einem Konduktometer durchgeführt und wurde in dieser Untersuchung bevorzugt, da es sich um eine präzise und zuverlässige Methode handelt. Als das Enzym dem Substrat zugesetzt wurde, wurde die Leitfähigkeit bei den Minuten 0, 15, 30, 45 und 75 gemessen, wobei 5 Arten von Bakterien untersucht wurden (Tabelle 1).

Die erhöhten Korrelationskoeffizienten deuteten auf eine starke Abhängigkeit zwischen dem Leitfähigkeitsanstieg und der Harnstoffhydrolyse hin; Dadurch stieg die Enzymaktivität, die als Leitfähigkeitsrate bezeichnet wird23. Die Ergebnisse waren 1,63, 3,4, 4,75, 5,88, 7,13, 8,86, 10,31, 28,7, 32,6 und 34,5 mS/m für Tag 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 14, 21 und 28 . Demnach wurde über den Zeitraum von 28 Tagen ein Anstieg des Wertes der elektrischen Leitfähigkeit beobachtet, der auf das Wachstum und die Aktivität von Bakterien sowie den Abbau von Harnstoff und damit die CaCO3-Ausfällung hinweist.

Für die CaCO3-Fällung24 wurde CPA-Medium eingesetzt. Ein weißer Niederschlag aus CaCO3-Kristallen wurde in Agar ausgefällt. Abbildung 3 zeigt den CaCO3-Niederschlag nach 6 Tagen Inkubation.

CaCO3-Ausfällungszonen durch Mikroskopie (nach 6 Tagen Inkubation), wobei (a) Stamm 28 und (b) Stamm 10.

Nach der Beimpfung von NB-U/Ca wurde im Medium ein weißes Pulver beobachtet, das durch die Inkubation zunahm. Nach 7 Tagen Inkubation wurde der CaCO3-Niederschlag gesammelt und gewogen. Tabelle 2 zeigt die Gewichte des Niederschlags. Die Bildung des CaCO3-Niederschlags war auf die Hydrolyse von Harnstoff zurückzuführen, die zur Bildung von Ammoniak und Carbonat führte. Ammoniak erhöht den pH-Wert des Mediums, was die Ausfällung von CaCO3 begünstigt. Carbonat bindet in Medien verfügbare Calciumionen, was zur Bildung von CaCO3-Kristallen führt, die sich in Agar- und Bouillonmedium ansammeln, wie in der Literatur beschrieben24,25

Aluminiumoxid-Nanopartikel wurden durch Kontrollfällung in einer wässrigen Lösung synthetisiert. Die Größe des hergestellten Nano-Aluminiumoxids, das in Abb. 4a dargestellt ist und die durchschnittliche Partikelgröße zeigt, betrug 3 ± 0,5 nm mit einer Kugelform. Die chemischen Zusammensetzungen der aktuellen Aluminiumoxidprobe nach dem Glühen wurden mittels EDS bestimmt und sind in Abb. 4b dargestellt. Das Vorhandensein von Aluminium- und Sauerstoffelementen mit 38 Gew.-% und 62 Gew.-% ohne Verunreinigungen wird durch eine Spektralstudie nachgewiesen, die die Stöchiometrie der durch die Fällungsmethode synthetisierten Aluminiumoxid-Nanomaterialien bestätigt. Zur Charakterisierung der Pulver der hergestellten Aluminiumoxid-Nanopartikel im Hinblick auf ihren Kristallinitätsgrad und ihre Kristallitgröße wurde XRD eingesetzt. Gemäß den Standarddaten (JCPDS-Karte Nr. 44–1482) stimmten alle Peaks in Abb. 4c gut mit den charakteristischen Beugungspeaks von γ-Al2O3 bei 19,44°, 37,59°, 45,84° und 67,00° überein, entsprechend ( 220), (311), (400) bzw. (440) Ebenen, die gut mit der Böhmitphase (ɣ-Al2O3) übereinstimmen, und die Partikelgröße wurde anhand der Scherrer-Gleichung ermittelt, wobei die durchschnittliche Kristallitpartikelgröße 3 ± betrug 0,5 nm, was mit den TEM-Ergebnissen übereinstimmt. Die spezifische Oberfläche beträgt 164,182 m2 g−1, das Gesamtporenvolumen (0,19 cm³/g) und die durchschnittliche Porengröße (2,315 nm). Abbildung 4d zeigt FT-IR-Spektren von Al2O3-Nanopartikeln und säuremodifizierten Al2O3-Nanopartikeln, wobei der Peak bei 3455,6 cm−1 der Streckschwingungspeak für die Hydroxylgruppe in Al2O3-Nanopartikeln ist. Der Biegeschwingungspeak der Hydroxylgruppe von Al2O3-Nanopartikeln erscheint bei 1632,17 cm−1. Al2O3-Nanopartikel weisen Streckschwingungspeaks von Al-O bei 556,16 cm−1 und 730 cm−126 auf.

Das REM-Bild der vorbereiteten Al2O3-NPs (a), EDS (b) zeigt die Zusammensetzung der Al2O3-NPs, XRD-Muster (c) bzw. FTIR-Spektrum (d).

Das REM-Bild des synthetisierten Nanosilica ist in Abb. 5a dargestellt. Die kugelförmigen Nanopartikel besitzen eine zufriedenstellende Verteilung und die durchschnittliche Partikelgröße beträgt etwa 4,0 ± 2,0 nm bei amorpher Form. Das EDS-Spektrum auf einem REM (Abb. 5b) untersuchte die chemische Struktur von SiO2-NPs. Das Ergebnis zeigt die O- und Si-Peaks (47,9 Gew.-% bzw. 52,1 Gew.-%), was die hohe Reinheit der Probe bestätigt. Die spezifische Oberfläche beträgt 478,56 m2 g−1, das Gesamtporenvolumen (0,458 cm³/g) und die durchschnittliche Porengröße (1,912 nm). Beim Vergleich unseres von der JCPDS-Karte Nr. 850.335 erhaltenen XRD-Spektrums für SiO2 können wir sicherstellen, dass es sich bei dem gebildeten Material um SiO2-Nanopartikel (Quarz) handelt, da die Peaks die Bildung von Partikeln mit Abmessungen im nm-Bereich zeigen (Abb. 5c) und die Reflexion von den Ebenen (100), (110), (102), (111), (200) und (201) bei den 2θ-Werten 20,861°, 36,550°, 39,470°, 40,296°, 42,457° und 45,800° für Die Probe wurde über den Sol-Gel-Weg synthetisiert. Das XRD-Muster zeigt deutlich, dass das gebildete Material eine hexagonale Kristallstruktur aufweist. Darüber hinaus ist die FTIR-Spektroskopie ein nützliches Werkzeug zum Nachweis der Bindungsgruppen in der Nanostruktur (Abb. 5d). Die Peaks um 1033, 722 und 665 cm−1 sind typisch für asymmetrische Si-O-Si-Streckung, symmetrische Streckung bzw. Biegung. Bei diesen Peaks handelt es sich um Basispeaks, die auf die Siliciumdioxidstruktur hinweisen, der Peak bei etwa 1605 cm−1 für H-O-H-Biegeschwingungen und ein breiter Peak bei etwa 3425 cm−1 aufgrund adsorbierter Wassermoleküle, was mit den Ergebnissen von Alandiyjany et al.27 übereinstimmt .

Charakterisierung der hergestellten SiO2-Nanopartikel; SEM-Bild (a), EDS (b), XRD (c) und FTIR (d).

Das unberührte g-C3N4 wurde in Form typischer Schicht- und Stapelstrukturen in der Probe beobachtet, wie im REM-Bild in Abb. 6a gezeigt, das aus Nanoblättern besteht, die wie Strukturen aussehen und flauschiger sind, mit einer spezifischen Oberfläche von 99,011 m2 g−1. Das EDS-Spektrum zeigt, dass nur C-, N- und O-Elemente vorhanden sind (35,27 Gew.-% für C, 52,47 Gew.-% für N und 12,27 Gew.-% für O), wodurch sichergestellt wird, dass keine anderen Verunreinigungen vorhanden sind (Abb. 6b). Das XRD-Muster von reinen g-C3N4-Nanomaterialien zeigte, dass Peaks bei 26,73° und 13,37° der (0 0 2) Zwischenschicht-Strukturpackungskristallebene bzw. (1 0 0) interplanaren Stapelungsbeugungsebenen zugeordnet werden können. Der hohe Peak bei 26,73° zeigt die Stapelreflexion konjugierter aromatischer Strukturen und deckt eine Graphitstruktur mit einem Zwischenschichtabstand von 0,326 nm auf (Abb. 6c). Das FTIR-Spektrum von g-C3N4, die Peaks bei 1145, 1213, 1393, 1587 und 1648 cm−1, die den Streckungsmoden von CN-Heterocyclen zugeschrieben werden, die mit Gerüststreckschwingungen aromatischer Ringe in Zusammenhang stehen, während der Peak bei 810 cm− liegt 1 verknüpft sich mit dem Atmungsmodus der Triazineinheiten von Nanomaterialien (Abb. 6d), was mit den Ergebnissen von Saeed et al.28 übereinstimmt.

SEM-Bild des vorbereiteten g-C3O4 (a), EDS-Spektrums (b), FTIR-Spektrums (c) bzw. XRD-Muster (d).

Die Auswirkungen verschiedener Nanomaterialzusätze aus Aluminiumoxid-Nanopartikeln, Siliziumoxid-Nanopartikeln und graphitischen Kohlenstoffnitrid-Nanoblättern sowie der Aschezusätze aus Reisstroh, Sägemehl und Maiskolben auf die „Druckfestigkeit“ von Biozement-Mörtelwürfeln wurden bewertet. Tabelle 3 zeigt die „Druckfestigkeit“ von Biozement-Mörtelwürfeln nach Zugabe von Nanomaterialien und Asche im Vergleich zur Kontrolle (Standard-Portlandzement), bei der die Zugabe von graphitischen Kohlenstoffnitrid-Nanoblättern sowie die Zugabe von Aluminiumoxid-Nanopartikeln und Maiskolbenasche die höchste „ Druckfestigkeit“ von Biozement-Mörtelwürfeln. Beachten Sie, dass der Zementmörtelwürfel umso besser ist, je höher die „Druckfestigkeit“ ist.

Die Auswirkungen verschiedener Nanomaterialzusätze aus Aluminiumoxid-Nanopartikeln, Siliciumdioxid-Nanopartikeln und graphitischen Kohlenstoffnitrid-Nanoblättern sowie der Aschezusätze aus Reisstroh, Sägemehl und Maiskolben auf die Biegefestigkeit von Biozement-Mörtelwürfeln wurden bewertet. Tabelle 4 zeigt die Biegefestigkeit von Biozement-Mörtelwürfeln nach Zugabe von Nanomaterialien und Asche im Vergleich zur Kontrolle (Standard-Portlandzement), bei der die Zugabe von graphitischen Kohlenstoffnitrid-Nanoblättern und Maiskolbenasche die höchste Biegefestigkeit von Biozement-Mörtelwürfeln lieferte. Beachten Sie, dass der Zementmörtelwürfel umso besser ist, je höher die Biegefestigkeit ist.

Die Auswirkungen verschiedener Nanomaterialzusätze aus Aluminiumoxid-Nanopartikeln, Siliciumdioxid-Nanopartikeln und graphitischen Kohlenstoffnitrid-Nanoblättern sowie der Aschezusätze aus Reisstroh, Sägemehl und Maiskolben auf die „Wasseraufnahme“ von Biozement-Mörtelwürfeln wurden bewertet. Tabelle 5 zeigt die „Wasseraufnahme“ von Biozement-Mörtelwürfeln nach Zugabe von Nanomaterialien und Asche im Vergleich zur Kontrolle (Standard-Portlandzement), bei der der Biozement ohne Zugabe von Nanomaterialien und Maiskolbenasche die geringste Wasseraufnahme lieferte. Darüber hinaus sorgte die Zugabe von graphitischen Kohlenstoffnitrid-Nanoblättern und Maiskolbenasche für eine akzeptable „Wasseraufnahme“ der Biozement-Mörtelwürfel. Beachten Sie, dass der Zementmörtelwürfel umso besser ist, je geringer die „Wasseraufnahme“ ist.

Es wurde beobachtet, dass sich die Risse während der Behandlungsdauer aufgrund des kontinuierlichen Wachstums und der Aktivität der in den Biozementproben vorhandenen Bakterien im Vergleich zur Standardprobe allmählich durch Kalziumkarbonat schlossen. Die Testergebnisse wurden im Verlauf der Behandlung (28 Tage) regelmäßig alle 7 Tage erhoben. Es wurde beobachtet, dass sich die Risse schlossen und sich die Formen der Calciumcarbonat-Ausfällung wie folgt veränderten: (1) Nach 7 Tagen wurde die Bildung einer festen Schicht aus Calciumcarbonat auf der Oberfläche des von den Zementwürfeln überfluteten Mediums beobachtet, aber Während dieses Zeitraums wurden keine Veränderungen an den Rissen im Inneren der Proben beobachtet. (2) Nach 14 Tagen wurde Calciumcarbonat in Form von Kristallen auf der Oberfläche des Würfels und in einigen Rissen mit einem Durchmesser von 1,5 bis 2 ml beobachtet, außerdem verschloss es einige kleine Poren auf der Oberfläche des Würfels. (3) Nach 21 Tagen wurde die Bildung eines weißen Niederschlags (Pulvers) von Kalziumkarbonat auf der Oberfläche der Proben und am Boden des Gefäßes, in das die Würfel getaucht waren, sowie relativ große Risse im Bereich zwischen 1 und 1,5 mm beobachtet und 2 ml wurden verschlossen. Neben der Bildung von Kalziumkarbonatkristallen im Inneren der Risse kommt es zu einer stärkeren Verfestigung, Größe und Härte von Sandkörnern. (4) Nach 28 Tagen wurde beobachtet, dass Calciumcarbonat in Form einer Kette oder langer fester Fäden ausfiel, die aus den Poren auf der Oberfläche der Würfel austraten. Diese Fäden waren etwa 3 mm lang und 0,5–1 mm dick Es bildeten sich viele feste Calciumcarbonatkristalle. Darüber hinaus können Schnitte bis zu einer Größe von 3 mm verschlossen werden. Es wurde beobachtet, dass einige Risse, die in den Würfel eingraviert waren, geschlossen wurden. Es wurde auch beobachtet, dass sich in den tiefen Rissen, die das Kupferstück verursachte, Kalziumkarbonat zu bilden begann. Abbildung 7 zeigt die Ergebnisse des Risssanierungstests nach 28 Tagen. Der weiße Niederschlag ist Calcit als Carbonatmineral, die stabile Form von CaCO3.

Ergebnisse des Risssanierungstests nach 28 Tagen.

Das Gewicht der Mörtelwürfel lag zwischen 760 und 780 g und die Dichte der Mörtelwürfel zwischen 2,21 und 2,27 g/cm3. Tabelle 6 zeigt die Dichten der Mörtelwürfel nach dem Gießen und Entformen. Außerdem zeigt Tabelle 7 die Dichten der Mörtelwürfel nach 28 Tagen Aushärtung.

Bei der Zugabe der Salzsäurelösung reagierte es mit dem Calciumcarbonat-Niederschlag und daher; Es wurde ein Ausbruch beobachtet und Kohlendioxidgas wurde freigesetzt, wie in Abb. 8 gezeigt.

Eruption und CO2-Freisetzung nach Zugabe von 2 M HCl zum Niederschlag, was auf die Bildung von CaCO3 hinweist.

Die Welt produziert jedes Jahr Millionen Tonnen landwirtschaftlicher Abfälle, was eine tiefgreifende Lösung erfordert, um diese Abfälle nicht nur auf umweltfreundliche Weise zu beseitigen, sondern auch in ein hochwertiges Bioprodukt umzuwandeln, was positiv sein wird spiegelt sich in der Bioökonomie wider. Diese Forschung stellt eine der einzigartigen Lösungen für viele Probleme dar, mit denen die Welt heutzutage konfrontiert ist. Bei diesem Ansatz werden landwirtschaftliche Abfälle als Rohstoff für die Biozementproduktion verwendet, wobei Nanomaterialien hinzugefügt werden, um den Mörtel zu verstärken und die Bakterienzellen zu biostimulieren, um die Ausfällung von Kalziumkarbonat zu erhöhen und so häufige Betonrisse abzudichten. Den Ergebnissen dieser Untersuchung zufolge ist die Zugabe von Asche aus landwirtschaftlichen Abfällen zusammen mit Nanomaterialien zur Zementmischung eine einfache und kostengünstige Technik mit positiven Ergebnissen.

Die Produktion von Biozement unter Verwendung landwirtschaftlicher Abfälle ist eine umweltfreundliche Methode und wird die Ausweitung des Prozesses auf einen industriellen Maßstab fördern, um mithilfe einer umweltfreundlichen Technik saubere Zementmaterialien zu erzeugen und auch das Problem der landwirtschaftlichen Abfälle zu lösen. Darüber hinaus ist Biozement eine wertvolle Technik zur Minderung des bei der Zementproduktion freigesetzten CO2. Biozement senkt den Klinker- und Energieverbrauch sowie die CO2-Emissionen, da der Rohstoff für die Biozementproduktion erneuerbare Biomasse ist. In dieser Studie wurde festgestellt, dass der fertige Biozementmörtel eine verbesserte Leistung aufweist, was mit den Aussagen von Hosseini et al.1 übereinstimmt. Außerdem wurde festgestellt, dass Biozementmörtel eine bessere Wasserdurchlässigkeit aufweist als Mörtel aus Portlandzement, was mit Adesanya und Raheem übereinstimmt3.

In dieser Studie wurde Biozement als Mischung aus Biosilica, das in der Asche landwirtschaftlicher Abfälle enthalten ist, und Portlandzement hergestellt, wobei der Ascheproduktionsprozess mit der Energieerzeugung kombiniert wurde, um dank der Anwendung der Pyrolyse gleichzeitig Energie und Asche zu gewinnen stimmt mit Hosseini et al.1 überein, mit der Ausnahme, dass sie wie in der vorliegenden Studie die Verbrennung, aber nicht die Pyrolyse verwendeten. Andererseits wurde in dieser Studie Biozement als eine Mischung aus Bakterienkultur und Biomasse hergestellt, die aus billigen Rohstoffen (landwirtschaftlichen Abfällen) mit anorganischen Chemikalien (Sand, Zuschlagstoffe und Standard-Portlandzement) hergestellt wurde, sofern dies mit dem Produktionsprozess übereinstimmt angewendet von Jian et al.19. Darüber hinaus wurde die Asche landwirtschaftlicher Abfälle als Ersatz für Kalkstein, Sand und Eisenschlacke zur Herstellung von Biozement verwendet, was mit dem Konzept von Yen et al.7 übereinstimmt. Ein wichtiger Kernpunkt besteht darin, dass festgestellt wurde, dass die zur Herstellung des Biozements verwendeten Bakterien Calcit ausfällen, der Risse versiegelt, die normalerweise in gewöhnlichem Beton und Mörtel zu finden sind, was mit Yen et al.7 übereinstimmt. Darüber hinaus verbesserten diese Bakterien, die der Biozementmischung zugesetzt wurden, ihre Druck- und Biegefestigkeit sowie ihre Fähigkeit, Risse zu sanieren, wobei MICP zur Sanierung der Risse eingesetzt wurde, was mit den Aussagen von De Muynck et al.4 übereinstimmt. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass Bakterien selbstheilend wirken und die Betondurchlässigkeit bei Rissbildung verringern. Biozement kann zur Rissheilung in Betonkonstruktionen durch MICP verwendet werden, das mehrere Funktionen bei der Sanierung und Wiederherstellung von Baumaterialien (Beton und Mörtel) hat, was mit Achal et al.30 übereinstimmt.

Ein zentrales Problem ist die Zugabe verschiedener Nanomaterialien, wobei festgestellt wurde, dass die spezifische Oberfläche von Silica-Nanopartikeln etwa das 4,8-fache der spezifischen Oberfläche der graphitischen Kohlenstoffnitrid-Nanoblätter beträgt. Außerdem wurde festgestellt, dass die spezifische Oberfläche von Aluminiumoxid-Nanopartikeln etwa das 1,66-fache der spezifischen Oberfläche der graphitischen Kohlenstoffnitrid-Nanoblätter beträgt. Obwohl die graphitischen Kohlenstoffnitrid-Nanoblätter die geringste spezifische Oberfläche aufweisen, lieferten sie unerwarteterweise die besten Biozement-Mörteleigenschaften in Bezug auf Druckfestigkeit und Biegefestigkeit, die unter allen anderen Nanoadditiven aus Siliciumdioxid- und Aluminiumoxid-Nanopartikeln die höchsten waren. Diese Ergebnisse waren angesichts der spezifischen Oberfläche eigenartig. Andererseits waren die Größen von Siliciumdioxid-Nanopartikeln und Aluminiumoxid-Nanopartikeln bis zu einem gewissen Grad ähnlich (3–4 nm). Allerdings betrug der Zwischenschichtabstand der Struktur der graphitischen Kohlenstoffnitrid-Nanoblätter 0,326 nm, wodurch diese Nanomaterialien die besten Ergebnisse lieferten. Es wurde erwartet, dass die Druck- und Biegefestigkeit umso höher ist, je größer die Oberfläche der Nanomaterialien ist. Dies geschah beim Vergleich der Silica- und Aluminiumoxid-Nanopartikel, wobei die Silica-Nanopartikel im Vergleich zu Aluminiumoxid-Nanopartikeln eine höhere Druck- und Biegefestigkeit aufwiesen, da die Silica-Nanopartikel eine größere Oberfläche als die Aluminiumoxid-Nanopartikel hatten. Dies geschah jedoch nicht, als beide mit den graphitischen Kohlenstoffnitrid-Nanoblättern verglichen wurden, die im Vergleich zu Siliciumdioxid- und Aluminiumoxid-Nanopartikeln die kleinste Oberfläche und unerwarteterweise die höchste Druck- und Biegefestigkeit aufwiesen. Diese unerwarteten Ergebnisse wurden auf den Zwischenschichtabstand der Struktur der graphitischen Kohlenstoffnitrid-Nanoblätter zurückgeführt.

In dieser Studie wurde festgestellt, dass die Biostimulation von Mikroorganismen mithilfe von Nanomaterialien deren Effizienz steigert. Insbesondere die Nanomaterialien biostimulieren die Aktivität und die Bioreaktion der Zellen, was mit den Aussagen von Saeed et al.28 übereinstimmt. Zukünftige Forschung wird sich auf die Biozementproduktion aus landwirtschaftlichen Abfällen unter Verwendung laserphotoaktivierter Nanomaterialien konzentrieren, wobei diese Photoaktivierung die Aktivität von Nanomaterialien erhöht, wie von Attia et al.31 beschrieben.

Im Allgemeinen erhöht die Zugabe von Nanomaterialien und Asche aus landwirtschaftlichen Abfällen zu zementären Mischungen deren Eigenschaften, insbesondere ihre Druckfestigkeit, Biegefestigkeit und Wasseraufnahme. Im Gegensatz zu normalem Portlandzement verbraucht diese Methode weniger Energie und stößt weniger Treibhausgase aus, die für die globale Erwärmung und den damit verbundenen Klimawandel verantwortlich sind. Konkret lässt sich folgendes folgern:

Die Zugabe von 5 mg/l g-C3N4 NSs zur Zementmischung führt zu einer höheren Druckfestigkeit, einer höheren Biegefestigkeit von Biozement-Mörtelwürfeln und einer höheren Wasserabsorptionsreduzierung um das 1,67-, 1,26- bzw. 1,21-fache des Standard-Portlandzements.

Durch die Zugabe von 5 mg/l g-C3N4-NSs zur Zementmischung werden deren Eigenschaften verbessert, sodass der resultierende Biozement ein vielversprechender umweltfreundlicher Ersatz für herkömmlichen Portlandzement ist.

Die Nanomaterialien könnten die Porosität des Zements verringern und so eine dichtere Übergangszone an der Grenzfläche erzeugen. Darüber hinaus kann mit Nanomaterialien verstärkter Zement den Bau hochfester Betonkonstruktionen mit größerer Haltbarkeit ermöglichen, was den Wartungsaufwand oder den frühzeitigen Austausch verringert.

In dieser Studie wurden drei Proben (Boden-, Nassschlamm- und Trockenschlammproben) verwendet, um Stämme zu isolieren, die Urease produzieren können. Es wurden Christensen-Agar-Medien verwendet. Der pH-Wert des Mediums wurde auf 6,8 ± 0,2 geändert. Die Isolate wurden auf Christensen-Schrägagar gespritzt und 48 Stunden lang bei 37 °C inkubiert. Urease-produzierende Isolate wurden durch Variationen der Medienfarbe von gelb bis rosa identifiziert, wie von Anitha et al.22 beschrieben. Anschließend wurden mehrere Tests durchgeführt, um den besten Bakterientyp zu ermitteln, der in der Lage ist, Urease zu produzieren und Calciumcarbonat auszufällen, und der die höchste Harnstoffkonzentration aufweist, die dem Biozement zugesetzt werden kann.

Nach der Isolierung der Bakterien, der Durchführung von Tests und der Auswahl des besten Bakterientyps wird dieser gezüchtet, um dem Biozementmörtel zugesetzt zu werden. Dabei handelt es sich um Staphylococcus arlettae. Die weitere Identifizierung des Isolats erfolgte mittels 16SrRNA-Gensequenzierung. Die DNA wurde isoliert und die Analyse der DNA-Sequenzen wurde mit der Blastx-Software (BLAST) durchgeführt. Um einen potenten Urease-Produzenten auszuwählen, wurden Stämme mit einem hohen Maß an Urease-Aktivität gescreent. Die Bakterienisolate wurden auf ihre Wachstumsfähigkeit untersucht, wie von Anitha et al.22 und Elmanama et al.32 beschrieben. Nachdem die Fähigkeit der Bakterien getestet wurde, die höchste Harnstoffkonzentration zu tolerieren, wurden die Spezies ausgewählt, die die höchste Konzentration tolerieren konnten, und einige andere Experimente wurden durchgeführt, wie der Urease-Aktivitätstest, die CaCO3-Fällung im Agarplattenzustand und die CaCO3-Fällung in Brühe Zustand und pH-Wert. Der isolierte Bakterienstamm wurde wie von Hammad et al.21 beschrieben weiter behandelt.

Die folgenden landwirtschaftlichen Abfälle wurden in dieser Studie als Bio-Silica-Quellen und Rohstoffe für die Biozementproduktion verwendet: Reisstroh, Sägemehl aus Waldabfällen und Maisstroh, insbesondere Maiskolben. Dabei wurden 20 kg Reisstroh, 75 kg Sägemehl und 54 kg Maisstängel gesammelt. Jeder Rückstand wurde separat 5 Stunden lang bei 500–700 Grad in den Pyrolyseofen gegeben. Das Gewicht des Abfalls nach der Pyrolyse war wie folgt: Reisstroh 2,0 kg, Sägemehl 2,65 kg und Maiskolben 2,5 kg. Die anfallende Asche wurde mit einem Sieb mit einem Durchmesser von weniger als 0,5 mm gesiebt, um Verunreinigungen und Sand zu entfernen (Abb. 9).

Sieben (a) und resultierende gesiebte Asche (b) mit einem Durchmesser < 0,5 mm.

Mörtel besteht aus Zement, Sand und feinen Zuschlagstoffen wie Flugasche. Wasser aktiviert den Zement, der die Komponente ist, die dafür verantwortlich ist, die Mischung der Komponenten zu einem harten Gegenstand zusammenzubinden. Im folgenden Aufbereitungsprozess wurden Bio-Kieselsäure enthaltende landwirtschaftliche Abfälle pyrolysiert und als Ersatz für Flugasche verwendet. Um die negativen Umweltauswirkungen der Rückstandsverbrennung zu vermeiden, wurde Pyrolyse eingesetzt.

Dieser Vorbereitungsprozess wurde wie in der Literatur6,30,33 beschrieben durchgeführt, jedoch mit einigen Änderungen. Die Vorbereitungsschritte waren Mischen, Gießen und Aushärten. Der erste Schritt war das Trockenmischen aller Elemente (Zement, Sand und landwirtschaftliche Abfallasche) mit einem Mörtelmischer für 2 Minuten. In der zweiten Stufe werden die behandelten Proben mit Bakterien begossen. Anstelle von Wasser wurden Nährbrühe mit Bakterienkultur (OD600 0,5) mit 2 % Harnstoff (Gew./Vol.) und 25 mM CaCl2-Lösung (Gew./Vol.) verwendet und dann zugegossen die trockene Mischung, wobei die Mischung 2 Minuten lang bei 140 U/min weiter gemischt wurde, um homogen zu werden. Als die Mischung homogen war, wurden die Nanomaterialien langsam hinzugefügt und die Mischung weiter gemischt. Es wurde gewöhnlicher Portlandzement gemäß internationalen Standards verwendet und mit Sand und pyrolysierten landwirtschaftlichen Abfällen vermischt. Das Verhältnis Zement:Sand betrug 1:3, das Verhältnis Asche:Zement betrug 1:9 und das Verhältnis Wasser:Zement betrug 1:2. Anschließend wurden Zement, Sand und Rückstandsasche mit Wasser vermischt und eine Kultur eines Bakterienisolats mit einer OD600 von 0,5 gezüchtet. Asche aus Reisstroh, Sägemehl und Maiskolben wurde einzeln hinzugefügt, und dann wurden Nanomaterialien einzeln zu der Mischung hinzugefügt, die weiter gemischt wurde. Für den „Druckfestigkeitstest“ und den „Wasseraufnahmetest“ wurden Würfelformen mit den Maßen 70 mm × 70 mm × 70 mm aus Holz hergestellt. Für den „Biegefestigkeitstest“ wurden Prismenformen mit den Abmessungen 40 mm × 40 mm × 160 mm vorbereitet. Die frische Mischung wurde sofort in Holzformen überführt (Abb. 10a, b). Nach dem Gießen verblieben alle Proben in den Holzformen und wurden 24 Stunden lang bei einer Raumtemperatur von 27 ± 2 °C gehalten. Im dritten Schritt wurden die Proben aus der Form genommen und in Nährbrühe-Harnstoff-Medium (NBU) bei Raumtemperatur bis zum Testalter (Tage) ausgehärtet, wie von Joshi et al. beschrieben. (2018). Die Medien wurden in regelmäßigen Abständen von 7 Tagen nachgefüllt. Kontrollproben ohne Nanomaterialien, Standard-Portlandzement ohne Bakterien und Asche, wurden auf ähnliche Weise hergestellt. In dieser Untersuchung wurden drei Systeme und zwei Aushärtungsschemata implementiert, wie in Tabelle 8 angegeben.

Würfelförmige Holzformen mit Mörtel (a), Prismen (b); Zement: Sand = 1:3, Asche/Zement = 0,1, Bakterienkultur/Zement = 0,5.

In dieser Studie wurden zwei Gruppen von Nanomaterialien für zwei verschiedene Zwecke verwendet. Die erste Gruppe besteht aus Nanomaterialien zur Biozementverstärkung, bei denen es sich um Siliciumdioxid-Nanopartikel (SiO2-NPs) und Aluminiumoxid-Nanopartikel (Al2O3-NPs) handelt. Die zweite Gruppe besteht aus Nanomaterialien für die Biostimulation von Bakterien, bei denen es sich um graphitische Kohlenstoffnitrid-Nanoblätter (g-C3N4 NSs) handelt.

Diese Herstellungsmethode wurde von Elsayed et al.26 beschrieben. Zur Herstellung von Al2O3-Nanopartikeln wurden zunächst eine (0,066 M) Aluminiumnitratlösung und eine (0,125 M) Ammoniumcarbonatlösung hergestellt, 400 ml entionisiertes Wasser in einen Rundkolben unter ständigem Rühren gegeben und zwei vorherige Lösungen tropfenweise zugegeben, um Al(OH) auszufällen )3, NaOH und HNO3 wurden verwendet, um den pH-Wert auf etwa 8 einzustellen. Der Niederschlag wurde 3 Stunden lang auf 70 °C erhitzt und dann filtriert und erneut in entionisiertem Wasser dispergiert. Schließlich wurde der Niederschlag filtriert und viele Male mit Ethanol und Aceton gespült und dann bei 30 °C getrocknet. Abschließend wurde der Niederschlag 5 Stunden lang bei 550 °C mit einer Heizrate von 2 °C/min kalziniert.

Silica-Nanopartikel wurden wie von Alandiyjany et al.27 beschrieben hergestellt. Siliziumdioxid (Siliziumdioxid; SiO2) wurde nach Battegazzore et al.34 aus Reishülsen extrahiert. Siliziumdioxid (Siliziumdioxid; SiO2) wurde aus Reishülsen extrahiert und mit konzentrierter Salzsäure 4 Stunden lang unter ständigem Rühren bei Raumtemperatur (20–22 °C) unter Rückfluss erhitzt und dann zur Entfernung des Säuregehalts mit destilliertem Wasser gewaschen. Im nächsten Schritt wurde zuvor hergestelltes Siliciumdioxid in Natriumhydroxid gelöst und um einen pH-Wert von 8 zu erreichen, wurde Schwefelsäure zugesetzt. Abgelagerte Kieselsäure (Gelform) wurde mehrmals mit warmem destilliertem Wasser abgespült, um die Alkalität zu beseitigen. Um das gebildete Gel zu trocknen, wurde es 48 Stunden lang bei 55 °C im Ofen getrocknet. Um Silica-Nanopartikel zu erhalten, wurden die Feststoffe in einer Schnellmühle zu Pulver zerkleinert35.

Diese Herstellungsmethode wurde von Saeed et al.28 beschrieben, bei der graphitische Kohlenstoffnitrid-Nanoblätter mithilfe der „thermischen Polymerisation“ hergestellt wurden. Konkret wurden 10 g Harnstoff (> 97 % Sigma-Aldrich) in einem Mörser gemahlen und dann in 15 ml Wasser (Millipore, ultrarein) gelöst. Der pH-Wert der Lösung wurde auf 4–5,5 geändert, danach wurde sie 12 Stunden lang bei 80 °C dehydriert und in einen Aluminiumoxidtiegel mit Deckel überführt. Das erhaltene Material wurde dann in einem Muffelofen bei 5 K min−1 auf 580 °C überhitzt und blieb 3 Stunden lang bei 580 °C.

Die Morphologie der vorbereiteten Nanopartikel wurde mittels SEM, FTIR-Spektroskopie, EDS und XRD bestimmt.

„Druckfestigkeit“ ist der Widerstand eines Materials gegen Rissbildung unter Druck. Dieser Test wurde wie in der Literatur33,36,37 beschrieben durchgeführt, um die „Druckfestigkeit“ von Mörtelwürfeln zu überprüfen. Dieser Test wurde nach 28 Tagen Entformen und Aushärten mit einer automatischen Druckprüfmaschine (UH-500kNIR) durchgeführt. Die Probe wurde in die Maschine gelegt und nach und nach belastet, bis sie riss (Abb. 11). Die Endlast wurde gemessen. Die Werte sind in Megapascal (MPa) angegeben.

Komprimierungsmaschine: (a) vor dem Testen und (b) nach dem Testen.

Die Proben wurden mit einer Diamantsäge in 5 mm dicke Fragmente geschnitten und vollständig getrocknet. Anschließend wurden REM-Bilder erstellt. Die SEM-Analyse wurde mit goldbeschichteten Proben unter einem niedrigen Vakuum mit niedrigem N2-Druck bei einer Beschleunigungsspannung von 10–20 kV vor der Analyse mittels SEM durchgeführt. Die REM-Bilder der Proben wurden verwendet, um die Formen und die Verteilung der CaCO3-Kristalle zu untersuchen. Zur Bestätigung der Ausfällung von Calciumcarbonat im Biomörtel wurde ein IR-Test durchgeführt.

Der „Wasserabsorptionstest“ wurde gemäß ASTM C642-9738,39 durchgeführt, um den Anstieg des Widerstands in Bezug auf das Eindringen von Wasser in den Mörtel zu überprüfen. Die Würfelformen wurden sowohl mit als auch ohne Bakterien, landwirtschaftliche Abfallasche und Nanomaterialien hergestellt. Die Proben wurden 28 Tage lang sowohl in Wasser als auch in einer Harnstoff-CaCl2-Lösung ausgehärtet. Bei der anschließenden Aushärtung wurden die Oberflächen der Proben getrocknet und nach dem Eintauchen ihre gesättigten Massen bestimmt. Anschließend wurden die Proben 24 Stunden lang in einem Ofen bei 110 °C getrocknet und erneut gewogen40. Die „Wasseraufnahme“ der Proben wurde durch die Gleichung bestimmt:

Dabei ist W1 die Masse der Probe nach dem Eintauchen in eine trockene Oberfläche und W2 die Masse der ofengetrockneten Probe an der Luft, alle angegeben in g.

Dieser Risssanierungstest untersucht die Selbstheilungseigenschaften. Die Würfel wurden auf zwei Arten mit einem Zuschnitt versehen. Die erste Methode: Risse wurden in den Balkenproben erzeugt, indem eine dünne Kupferplatte mit einer Dicke von 3 mm bis zu einer Tiefe von 10 mm in den Beton eingebracht wurde. Die Platten wurden vor dem endgültigen Abbinden des Betons so abgelöst, dass ein Riss in den Balkenproben deutlich sichtbar war (Abb. 12a). Die Proben wurden nach 24 Stunden aus den Formen gelöst und 28 Tage lang in Wasser/Medien einschließlich Harnstoff und CaCl2 ausgehärtet. Die zweite Methode: Während der Vorbereitung und dem Gießen der Mörtelwürfel wurden die Würfel beim Gießen in die Formen nicht gut gestampft, damit die Proben einige natürliche Risse aufweisen, die die Risse simulieren, die in Zukunft im Mörtel oder Beton auftreten werden. und die Breite der Risse betrug in diesem Fall bis zu 3 mm (Abb. 12b). Um die Risse sichtbar zu machen, wurden Fotos gemacht. In einem 7-Tage-Intervall wurden die Balkenproben aus dem Wasser gelöst und die Risse auf das Vorhandensein von weißem Niederschlag und auf Rissheilung untersucht. Das Medium wurde nach einem Zeitraum von 7 Tagen wiederhergestellt. Die Ablagerung von CaCO3 wurde regelmäßig visuell beobachtet. Am Ende der Belichtung wurden die Würfel auf Kompression getestet und außerdem mittels REM untersucht. Darüber hinaus wurde die Selbstheilung der Bakterien mit bloßem Auge beobachtet, was zu einem Riss von 0,2–3 mm Größe in den Proben führte. Der Heilungsprozess wurde 28 Tage lang beobachtet, wie von Priya et al.41 beschrieben.

Risse durch eine Stahlplatte (a), natürliche Risse (b).

Die Leitfähigkeitsmethode zur Bestimmung der Ureaseaktivität wurde implementiert. Zur Durchführung des Enzymtests wurden 1,0 ml Bakterienkultur (NB-U) in 9,0 ml 1,11 M Harnstofflösung gegossen, wie von Harkes et al.42 beschrieben. Die endgültige Leitfähigkeit wurde nach 5-minütiger Inkubation bei 20 °C mit einem elektrischen Leitfähigkeitsmessgerät (EC-Meter) gemessen. Die Urease-Aktivität wurde anhand der Leitfähigkeitsanstiegsrate (mS/m) gemessen, wie von Hammad et al.21 beschrieben. Die Urease-Aktivität der Die in Biozementwürfel eingetauchten Medien wurden ebenfalls während des Behandlungszeitraums über 28 Tage berechnet und mit der in Wasser eingetauchten Kontrollprobe verglichen.

Calcit-Fällungsagar (CPA) ist ein festes Medium zum Screening der bakteriellen Ausfällung von Calciumcarbonat durch Ureolyse24. Für das CaCO3-Präzipitat-Screening wurden 20 μl Brühenkultur in die Plattenmitte geimpft und dann 6 Tage lang bei 30 °C inkubiert. Es wurden dreifache Versuche untersucht. Die Platten wurden häufig untersucht, um den CaCO3-Niederschlag zu quantifizieren. Die Niederschlagszone wurde fotografiert und ihr Durchmesser wurde wie von Hammad et al.21 beschrieben bestimmt.

Um das ausgefällte CaCO3 zu messen, wurde die Nährbrühe mit 2 % Harnstoff und CaCl2 (NB-U/Ca) versetzt und verwendet, wobei 30 ml NB-U/Ca mit 2 % beimpft und dann unter Schüttelbedingungen mit 130 U/min inkubiert wurden bei 30 °C für 7 Tage. Es wurden dreifache Versuche untersucht. Der CaCO3-Niederschlag wurde mit Filterpapier (Whatman-Filterpapier) filtriert, 3 Stunden lang in einem Ofen bei 60 °C getrocknet und dann wie von Hammad et al.21 beschrieben gewogen. Das Gewicht des CaCO3-Niederschlags (Wc) wurde nach folgender Formel berechnet:

wobei W2 das Gewicht des Filterpapiers ist, das den Niederschlag enthält; und W1 ist das Gewicht des leeren Filterpapiers.

Der pH-Wert wurde auch als Indikator für eine erhöhte Alkalität aufgrund der Harnstoffzersetzung gemessen, wo es sich um einen direkten Zusammenhang handelt.

Dieser Test wird durchgeführt, um herauszufinden, ob Carbonate in einer Probe vorhanden sind. Da Kalziumkarbonat die Festigkeit und Härte des Zements erhöht und die winzigen Poren von Rissen im Beton füllt, soll es oft als Indikator für den ungefähren Karbonatgehalt verwendet werden, um zu bestätigen, dass es sich bei dem von Bakterien erzeugten Niederschlag um Kalziumkarbonat handelt. Der Calcitgehalt wurde mithilfe der gravimetrischen Analyse angesäuerter Proben auf zwei Arten bestimmt. Zunächst wurden 10 g der Pulverprobe nach 24-stündiger Ofentrocknung bei 105 °C umgesetzt. Später wurden 2 M HCl auf das vorbereitete Pulver gegossen, wobei aufgrund der Reaktion zwischen Calcit und HCl CO2 freigesetzt wurde. Der Rückstand wurde gesammelt und erneut im Ofen getrocknet, und der Gewichtsverlust wurde vor und nach Säurespülungen bestimmt, wie von Mahawish et al.43 beschrieben. Die Ergebnisse wurden zur Bestimmung des prozentualen Calcitgehalts in der Probe verwendet, wie von Umar et al. beschrieben al.44:

Zur Beurteilung der „Biegefestigkeit“ von Mörtelwürfeln wurden prismatische Proben eingesetzt, die mit der elektrohydraulischen Biege- und Druckprüfmaschine gemessen wurden (Abb. 13). Die „Biegefestigkeit“ des Biozementmörtels wurde nach Snoeck und De Belie6 und Stabnikov et al.45 ermittelt, wobei ein Prismentest verwendet wurde, bei dem eine lediglich getragene Prismenprobe durch eine Punktlast in die Prismenmitte eingeführt wurde. Für den Biegefestigkeitstest wurden die Proben in 40 * 40 * 160 mm große Formen gegossen und 24 Stunden lang bei 21 °C in einer feuchten Umgebung aufbewahrt. Später wurden die Formen getrennt und die Proben bis zum Testalter gehärtet. Drei Prismenproben jeder Behandlung wurden nach dem Ende der 28-tägigen Aushärtung untersucht. Die Werte werden in Megapascal (MPa) ausgedrückt. Der Bruchmodul (R) des Mörtels wurde nach folgender Formel46,47 bestimmt:

wobei: „Biegefestigkeit in Pa; P = Belastung in N; l = Spannweite zwischen den Stützen in m; b = Breite des Balkens an der Bruchstelle in m; und h = Höhe des Balkens an der Bruchstelle in m“.

Die gebrauchte elektrohydraulische Biege- und Druckprüfmaschine.

Die Dichten von Mörtelwürfeln wurden aus ihren Gewichten und Abmessungen berechnet, wie von Medvecky et al.37 beschrieben.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Open-Access-Finanzierung durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB). Die Autoren danken der Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB) für die Unterstützung der Veröffentlichung dieses Papiers.

Abteilung für Laseranwendungen in der Metrologie, Photochemie und Landwirtschaft (LAMPA), National Institute of Laser Enhanced Sciences (NILES), Universität Kairo, Gizeh, Ägypten

Essam M. Abdelsalam und Yasser A. Attia

Abteilung für Agrartechnik, Fakultät für Landwirtschaft, Universität Kairo, Gizeh, Ägypten

Mohamed Samer, Amira Seifelnasr & Maryam Faried

Abteilung für Mikrobiologie, Fakultät für Landwirtschaft, Universität Kairo, Gizeh, Ägypten

Mohamed A. Moselhy

Abteilung für Bauingenieurwesen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Kairo, Gizeh, Ägypten

Hatem HA Ibrahim

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EMA beteiligte sich an der experimentellen Gestaltung und Einrichtung, den Ressourcen, dem Schreiben, der Überprüfung und der Bearbeitung. MS-Konzeptualisierung, Ressourcen, experimentelles Design und Aufbau, Verfassen des Originalentwurfs, Überprüfung und Bearbeitung. AS, MAM und MF beteiligten sich an der Isolierung, Kultivierung und dem Wachstum von Bakterien, der experimentellen Gestaltung und dem Schreiben, AS und HHAI führten Tests und Analysen durch und interpretierten die Ergebnisse, beteiligten sich an der experimentellen Gestaltung und dem Aufbau, den Ressourcen und dem Schreiben. YAA beteiligte sich an der experimentellen Gestaltung, dem Schreiben und der Herstellung von Nanopartikeln. Alle Autoren haben das Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Essam M. Abdelsalam, Mohamed Samer oder Yasser A. Attia.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Abdelsalam, EM, Samer, M., Seifelnasr, A. et al. Auswirkungen von Al2O3-, SiO2-Nanopartikeln und g-c3n4-Nanoblättern auf die Biozementproduktion aus landwirtschaftlichen Abfällen. Sci Rep 13, 2720 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29180-0

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Eingegangen: 09. November 2022

Angenommen: 31. Januar 2023

Veröffentlicht: 15. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29180-0

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