一种EICP-酪蛋白协同固化尾矿砂的方法

一种eicp-酪蛋白协同固化尾矿砂的方法
技术领域
1.本发明属于生物岩土工程领域，具体涉及一种eicp-酪蛋白协同固化尾矿砂的方法。


背景技术：

2.尾矿库已成为矿山生产过程中的重大危险源，其安全运行与灾害防治工作受到国家、社会和行业的极大关注和重视。在我国的尾矿库中，有 95%以上使用的是上游法筑坝，其库内尾矿砂长期处于欠固结状态，密实度较低，坝体内部的浸润线较高，在长期暴晒和雨水冲刷作用下极易发生失稳破坏。此外，我国许多投入使用较早的尾矿坝已进入中后期阶段，这些尾矿坝急需加固，以提高其稳定性。传统的坝体加固技术常采用水泥和水玻璃等化学材料，不仅成本高、能耗大，而且会造成长期的环境污染和二氧化碳排放。在此背景下，寻找合适的增强尾矿砂力学性能的方法成为一个迫切需要解决的课题。
3.eicp 是一种仿生物技术，因为没有生物体直接参与该过程，为尾矿砂的加固提供了新的思路和科学依据。eicp固化土体的机理是基于从豆类植物中提取的脲酶与尿素-钙源的混合溶液混合均匀，尿素在酶的催化作用下水解生成nh+ 4和co2
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3，nh+ 4在溶液中提供碱性环境，co2
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3和ca
2+
结合生成caco3沉淀，以此来加固土体。随着研究的不断深入，有研究人员发现单纯使用eicp加固土体的效果并不理想。这主要归因于eicp生成的碳酸钙量较少，且脲酶不能在土颗粒表面提供caco3沉淀的成核位点，进而使得土体内部的接触点减少。因此，在固化土体时，研究人员通常会使用添加剂来提高eicp的效果。
4.脲酶是一种水解酶，酶是由活细胞产生的，对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质或rna，酶的化学本质是蛋白质或rna。大豆脲酶是大豆中的一种特异性蛋白质，在大豆中蛋白质是被膜包着的，因此要把大豆脲酶提取出来，就需破坏组织。豆粉的粒径会影响大豆脲酶的活性，控制其他因素（脲酶液温度、ph值、尿素浓度）不变的情况下，当豆粉粒径越细，大豆脲酶活性越高。鉴于较高的活性和提取脲酶的效率，故本发明所用的豆粉过60目钢筛，即所得的豆粉粒径《0.25mm。
5.酪蛋白是一种乳清蛋白，是乳制品中最主要的蛋白质之一。它是由一系列不同的蛋白质组成的混合物，其中最主要的成分是αs1-酪蛋白、αs2-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白。在酸性条件下，酪蛋白会与磷酸钙结合形成胶粒，并形成酪蛋白酸钙-磷酸钙复合体。这些胶粒呈球状胶束状态，直径通常在30到300纳米之间。由于酪蛋白在水中的溶解度较低，因此它具有较好的乳化性和胶凝性，可以用于制作奶酪、酸奶、乳蛋白饮料等乳制品。此外，酪蛋白还具有一定的营养价值，是高质量的蛋白质来源之一。酪蛋白中含有大量的必需氨基酸，尤其是支链氨基酸，这些氨基酸对于促进肌肉生长和修复非常重要。因此，酪蛋白常被用作运动员和健身人士的膳食补充剂之一。
6.酪蛋白在碱性水环境中是可溶的，eicp的反应过程则可以提供这样的条件。随着eicp反应的不断进行，溶液的ph值不断升高，酪蛋白会在碱性条件下溶解于孔隙水中，并同时进行尿素水解。这会增加孔隙水的粘度，阻碍其迁移，并将酪蛋白保留在孔隙空间中，使
得生成的晶体会集中沉淀在砂颗粒接触处。未溶解的酪蛋白粉末会通过螯合作用吸引钙离子，从而产生更大的晶体，并提高沉淀效率。此外，溶解的酪蛋白的沉淀也可以与α-caco3晶体基团结合，从而有助于提高处理样品的抗压强度。有学者将脱脂奶粉作为稳定酶的稳定剂添加到eicp溶液中，可以为碳酸盐沉淀提供成核位点和降低速率来促进沉淀，并且发现牛奶中的酪蛋白可以作为螯合剂，降低沉淀速度。也有研究表明，酪蛋白本身具有强化土体的能力。在干酪状酪蛋白中加入氢氧化钠，两者反应生成酪蛋白酸钠盐，为水溶性胶。产生的水分使酪蛋白酸钠以糊状的形式存在，与酪蛋白干酪状的结构相比，它更适合制成均匀的混合物，因此，酪蛋白酸钠处理后的砂柱试样具有更大的抗压强度值。


技术实现要素：

7.本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种eicp-酪蛋白协同固化尾矿砂的方法。该方法通过添加酪蛋白使其溶解于孔隙水中，增加孔隙粘稠度，进而生成的晶体集中沉淀在颗粒接触处；未溶解的酪蛋白通过螯合作用吸引钙离子，生成更大的晶体；再凭借酪蛋白本身具有的土体强化能力，以达到提高土体的抗压强度。该方法工艺流程简单，成本低廉，加固效果好，得到的土体抗压强度超过单纯eicp加固效果，便于推广应用。
8.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种eicp-酪蛋白协同固化尾矿砂的方法，包括以下步骤，1）脲酶提取、测定并调节脲酶活性；2）胶结液制备；3）制备尾矿砂-酪蛋白混合物；4) 将脲酶、胶结液与尾矿砂-酪蛋白混合，混合物装入模具制备试样；5)试样养护；6)试样干燥；7)对试样进行无侧限抗压强度试验。
9.进一步地，步骤1)脲酶提取的具体过程为：量取一定量去离子水浸泡豆粉，形成豆粉混悬液，用搅拌器搅拌均匀；加入caso4⋅
2h2o盐除豆粉混悬液中多余的蛋白质；放入离心机中，以4000rpm，离心10分钟；将得到的上清液过120目的滤布，即可得到脲酶。
10.进一步地，步骤1)中测定并调节脲酶活性的具体过程为：将1.11mol/l的尿素溶液54ml和6ml脲酶溶液混合，使用电导率仪每隔1分钟测定混合溶液在23℃时的电导率变化值，测定10分钟，并取均值；根据测定得到的电导率变化均值，乘以11.11再乘以稀释倍数10，计算脲酶每分钟水解尿素量，脲酶每分钟水解尿素量这个指标用于表征脲酶的活性，单位为mmol/l
·
min或 mm urea/min；根据需要用去离子水将脲酶稀释调节到实验所需要的活性。
11.进一步地，步骤2）胶结液制备的具体过程为：配置1mol/l的尿素-cacl2溶液，作为胶结液使用。
12.进一步地，步骤3) 制备尾矿砂-酪蛋白混合物的具体过程为：先将尾矿砂过2mm筛，然后将尾矿砂在105oc ~110 o
c的烘箱中烘干，烘干时长应根据土工试验方法标准 （gbt 50123-2019）；酪蛋白掺量根据式（1）确定：
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（1）接着按一定比例称取过筛后尾矿砂和酪蛋白，配置为尾矿砂-酪蛋白混合物，并搅拌均匀。
13.进一步地，步骤4)中的模具为两瓣半圆筒状的亚克力管由两个卡箍固定成圆筒状结构，模具内径为39.1mm；模具内壁涂抹薄层凡士林，将自封袋制成薄膜贴于模具内壁，便于从模具中取出试样；模具下部自下而上依次设置有橡胶塞、土工布和透水石。
14.进一步地，步骤4)中，脲酶和胶结液的用量根据尾矿砂的最优含水率确定，混合物分四次装入亚克力管模具中，每层压实到2.5cm后再装入下一层，且每层试样的质量应相等，确保装样的均匀性，控制试样总高度为10cm。
15.进一步地，步骤5) 的具体过程为：在试样制备完成后，将试样置于23oc环境中根据实验需要养护一段时间，而后置于40℃环境中养护72h。
16.进一步地，步骤6)的具体过程为：试样完成养护后，置于105
oc±5o
c的干燥箱中烘干，试样质量变化值为0.01g~0.02g时，即可认为试样已经烘干。
17.进一步地，步骤7)中，烘干后的试样进行无侧限抗压强度试验，控制0.6mm/min的加载速率，测得试样的轴心抗压强度。
18.采用上述技术方案，与单纯的eicp加固尾矿砂相比，本发明的有益效果是：本发明采用酪蛋白作为eicp加固尾矿砂的添加剂，酪蛋白属于蛋白质生物聚合，生物聚合物分为：核酸和核苷酸、蛋白质和氨基酸、碳水化合物（如多糖）。酪蛋白（casein）是指在20℃时用酸将脱脂乳ph值调节至4.6时，沉淀的一类蛋白质。酪蛋白可在碱性水环境中溶解，增加尾矿砂中孔隙水的粘稠度，阻碍其迁移，将酪蛋白保留在孔隙中，使得生成的晶体集中沉淀于尾矿砂孔隙中。未溶解的酪蛋白粉末凭借其螯合作用吸引钙离子，从而产生更大的晶体，并提高沉淀效率。eicp联合酪蛋白加固尾矿砂具有良好的加固效果，峰值抗压强度高。该发明不会造成成本的显著提高，适合推广实施工业化生产。
附图说明
19.图1为本发明的工艺流程图；图2为酪蛋白掺量为5%、7%的尾矿砂试样无侧限抗压强度示意图；图3为酪蛋白掺量为10%、15%的尾矿砂试样无侧限抗压强度示意图；图4为酪蛋白掺量为20%的尾矿砂试样无侧限抗压强度示意图；图5为脱模后的尾矿砂固化试样图；图6为尾矿砂试样无侧限抗压强度试验破坏后图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明中的附图并配以文字说明，对本发明实施例中的方法、流程及效果进行清楚、完整的阐述。
21.如图1所示，本发明的一种eicp-酪蛋白协同固化尾矿砂的方法，具体实施步骤如下:
称量100g的大豆，将大豆放入磨粉机研磨成豆粉。过60目钢筛，以除去豆粉中大于0.25mm的颗粒，取筛下豆粉称量40g进行大豆脲酶提取；将40g豆粉与500ml的去离子水混合，放在磁力搅拌器搅拌30分钟，使豆粉与去离子水混合均匀，豆粉混悬液浓度为80g/l。按1g caso4⋅
2h2o/10g豆粉的比例，称取4gcaso4⋅
2h2o加入豆粉混悬液中，以盐除其中多余的蛋白质。并用磁力搅拌器搅拌10分钟，使caso4⋅
2h2o充分溶解于豆粉混悬液中；将豆粉混悬液分装离心管，在室温下以4000rpm离心15分钟，而后得到的离心管中含上清液以及下沉淀。弃置下沉淀，收集上清液，将上清液过120目的滤布，以去除其中不溶性的物质。上清液即为大豆脲酶；配置1.11mol/l的尿素溶液，将6ml的脲酶与54ml的尿素溶液混合，用于测定大豆脲酶10分钟内的电导率变化值，计算电导率变化均值，将电导率变化均值乘以稀释倍数10再乘以11.11换算为脲酶活性，单位为（mm urea/min）。可以使用去离子水将脲酶活性稀释到实验所需的活性，本实施例中所使用的脲酶活性为：8.6
±
0.1mm urea/cm。完成稀释及活性测定的脲酶可分装离心管，储存于4oc的冰箱中备用；配置1mol/l的尿素-cacl2溶液，作为胶结液使用，配置方法为根据两种化学药品的相对分子质量，称量所需的尿素和cacl2，向两种化学药品中加入去离子水、混合、定容至所需的溶液量。可将尿素-cacl2溶液分装离心管，储存于4oc的冰箱中备用；组装模具，使用两个卡箍将两瓣半圆筒状的亚克力管固定成圆筒状结构，先在模具内壁涂抹薄层凡士林，将自封袋制成薄膜贴于模具内壁，便于从模具中取出试样。然后在模具下部依次安装橡胶塞、土工布和透水石；将尾矿砂过2mm钢筛，取筛下尾矿砂放入烘干箱中，以105oc~110oc烘干，烘干时长不少于6小时。按酪蛋白掺量称量酪蛋白和烘干后的尾矿砂，配置质量为180.36g的尾矿砂-酪蛋白混合物，本实施例的酪蛋白掺量设定为5%、7%、10%、15%、20%。完成称量的酪蛋白和尾矿砂应混合均匀，按照尾矿砂的最优含水率16%加入脲酶和胶结液，拌合均匀。将试样分四层装入模具中，每层应称取试样的质量为52g，并通过压实棍压实到2.5cm，控制试样总高度为10cm，如图5所示。完成制备的试样先放入23oc的恒温环境中养护，养护时长设定为12h、24h、48h、72h，之后放入40oc的恒温环境中养护72h。完成养护后，将试样放入105
oc±5o
c的干燥箱中烘干，试样质量变化值为0.01g~0.02g时，即可认为试样已经烘干；将烘干后的试样进行无侧限抗压强度试验，控制控制0.6mm/min的加载速率。经试验，eicp联合酪蛋白加固尾矿砂具有良好的加固效果，试样的峰值抗压强度受养护时间和酪蛋白掺量的影响，最低的峰值抗压强度为1.337mpa，最高的峰值抗压强度为3.597 mpa，如图2-4和6所示。单纯的eicp加固尾矿砂由于胶结不足，试样无法成型。
22.以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种eicp-酪蛋白协同固化尾矿砂的方法，其特征在于：包括以下步骤，1）脲酶提取、测定并调节脲酶活性；2）胶结液制备；3）制备尾矿砂-酪蛋白混合物；4) 将脲酶、胶结液与尾矿砂-酪蛋白混合，混合物装入模具制备试样；5)试样养护；6)试样干燥；7)对试样进行无侧限抗压强度试验。2.根据权利要求1所述的利用eicp联合酪蛋白加固尾矿砂，其特征在于：步骤1)脲酶提取的具体过程为：量取一定量去离子水浸泡豆粉，形成豆粉混悬液，用搅拌器搅拌均匀；加入caso4⋅
2h2o盐除豆粉混悬液中多余的蛋白质；放入离心机中，以4000rpm，离心10分钟；将得到的上清液过120目的滤布，即可得到脲酶。3.根据权利要求2所述的利用eicp联合酪蛋白加固尾矿砂，其特征在于：步骤1)中测定并调节脲酶活性的具体过程为：将1.11mol/l的尿素溶液54ml和6ml脲酶溶液混合，使用电导率仪每隔1分钟测定混合溶液在23℃时的电导率变化值，测定10分钟，并取均值；根据测定得到的电导率变化均值，乘以11.11再乘以稀释倍数10，计算脲酶每分钟水解尿素量，脲酶每分钟水解尿素量这个指标用于表征脲酶的活性，单位为mmol/l
·
min或mm urea/min；根据需要用去离子水将脲酶稀释调节到实验所需要的活性。4.根据权利要求1所述的利用eicp联合酪蛋白加固尾矿砂，其特征在于：步骤2）胶结液制备的具体过程为：配置1mol/l的尿素-cacl2溶液，作为胶结液使用。5.根据权利要求1所述的利用eicp联合酪蛋白加固尾矿砂，其特征在于：步骤3) 制备尾矿砂-酪蛋白混合物的具体过程为：先将尾矿砂过2mm筛，然后将尾矿砂在105
o
c ~110 o
c的烘箱中烘干，烘干时长应根据土工试验方法标准 （gbt 50123-2019）；酪蛋白掺量根据式（1）确定：
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（1）接着按一定比例称取过筛后尾矿砂和酪蛋白，配置为尾矿砂-酪蛋白混合物，并搅拌均匀。6.根据权利要求1所述的利用eicp联合酪蛋白加固尾矿砂，其特征在于：步骤4)中的模具为两瓣半圆筒状的亚克力管由两个卡箍固定成圆筒状结构，模具内径为39.1mm；模具内壁涂抹薄层凡士林，将自封袋制成薄膜贴于模具内壁，便于从模具中取出试样；模具下部自下而上依次设置有橡胶塞、土工布和透水石。7.根据权利要求6所述的利用eicp联合酪蛋白加固尾矿砂，其特征在于：步骤4)中，脲酶和胶结液的用量根据尾矿砂的最优含水率确定，混合物分四次装入亚克力管模具中，每层压实到2.5cm后再装入下一层，且每层试样的质量应相等，确保装样的均匀性，控制试样总高度为10cm。8.根据权利要求1所述的利用eicp联合酪蛋白加固尾矿砂，其特征在于：步骤5) 的具体过程为：在试样制备完成后，将试样置于23
o
c环境中根据实验需要养护一段时间，而后置
于40℃环境中养护72h。9.根据权利要求1所述的利用eicp联合酪蛋白加固尾矿砂，其特征在于：步骤6)的具体过程为：试样完成养护后，置于105
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c
±5o
c的干燥箱中烘干，试样质量变化值为0.01g~0.02g时，即可认为试样已经烘干。10.根据权利要求1所述的利用eicp联合酪蛋白加固尾矿砂，其特征在于：步骤7)中，烘干后的试样进行无侧限抗压强度试验，控制0.6mm/min的加载速率，测得试样的轴心抗压强度。

技术总结
本发明公开了一种EICP-酪蛋白协同固化尾矿砂的方法，包括以下步骤：1）脲酶提取、测定并调节脲酶活性；2）胶结液制备；3）制备尾矿砂-酪蛋白混合物；4)将脲酶、胶结液与尾矿砂-酪蛋白混合，混合物装入模具制备试样；5)试样养护；6)试样干燥；7)对试样进行无侧限抗压强度试验。相较于单纯的EICP加固方法，本方法操作过程简便，且试样强度有明显的提高。本发明原理科学，易于实施，EICP联合酪蛋白加固尾矿砂具有良好的加固效果，峰值抗压强度高。该发明不会造成成本的显著提高，适合推广实施工业化生产。适合推广实施工业化生产。适合推广实施工业化生产。


技术研发人员：巩林贤 胡咤咤 朱书岳 刘林 郝廷臣 郭旭 万兆旭 曹瑞浩 李加星 李朝阳
受保护的技术使用者：河南理工大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/14