Используя техническую мочевину, команда достигла прочности на сжатие более 50 МПа, что значительно превзошло предыдущие биоминерализованные материалы.
Исследователи из трех институтов Штутгартского университета разрабатывают новый тип строительного материала — биобетон.
Штутгартский университет / ILEK / IMB / ISWA
Ученые в Германии успешно превратили мочу в биобетон в рамках проекта, направленного на революцию в устойчивом строительстве путем создания строительных материалов из отходов.
Исследовательская группа под руководством Лучио Бландини, руководителя Института легких конструкций и концептуального проектирования (ILEK) при Штутгартском университете, использовала микробную биоминерализацию — биотехнологический процесс, при котором бактерии преобразуют мочевину, содержащуюся в моче, в кристаллы карбоната кальция.
Эти крупные круглые кристаллы с радиальными полосами и гладкими поверхностями связывают частицы песка между собой, в результате чего получается прочный и экологически чистый биобетон, химически схожий с натуральным песчаником.
Проект под названием SimBioZe был инициирован после того, как исследователи признали мочу богатым, но недостаточно используемым ресурсом, что побудило их изучить микробную биоминерализацию как устойчивую альтернативу традиционному производству бетона.
При поддержке Министерства науки, исследований и искусств земли Баден-Вюртемберг первоначальное технико-экономическое обоснование успешно продемонстрировало возможность переработки мочи в экологически чистый биобетон.
Экологичный строительный материал
Хотя бетон остается наиболее широко используемым строительным материалом в мире, ежегодно его производят около четырех миллиардов тонн, его высокая экологическая стоимость заставляет строительный сектор искать более экологичные альтернативы.
Производство цемента, его основного ингредиента, требует нагревания известняка до температуры около 2642 градусов по Фаренгейту (1450 градусов по Цельсию), что потребляет огромное количество энергии и приводит к значительным выбросам парниковых газов.
Стремясь решить эту экологическую проблему, исследовательская группа разработала биобетон в качестве перспективной замены с помощью инновационного метода, который интегрируется в цепочку создания стоимости «сточные воды-биобетон-удобрения», одновременно превращая обычные отходы в ценные строительные материалы и удобрения.
Майя Смирнова, магистр наук, научный сотрудник ILEK, объяснила, что биобетон производится путем биоминерализации — процесса, в ходе которого живые организмы производят неорганический материал посредством химических реакций.
«Мы смешиваем порошок, содержащий бактерии, с песком, помещаем смесь в форму, а затем промываем ее обогащенной кальцием мочой в течение трех дней в автоматизированном процессе», — продолжила она. «Расщепление мочевины бактериями в сочетании с добавлением кальция в мочу приводит к росту кристаллов карбоната кальция».
В результате процесса песчаная смесь затвердевает в биобетон, в конечном итоге образуя твердое вещество, химически похожее на натуральный известковый песчаник. «В зависимости от формы элементы могут быть созданы в различных формах и размерах, с текущей максимальной глубиной 15 сантиметров», — добавила она.
Испытания дают выдающиеся результаты
По словам исследователей, при использовании технической мочевины биобетон достиг прочности на сжатие, превышающей 50 мегапаскалей (МПа), что делает его значительно прочнее ранее доступных биоминерализованных материалов.
Между тем, испытания с искусственной мочой показали прочность 20 МПа, в то время как настоящая человеческая моча показала прочность около 5 МПа из-за снижения бактериальной активности во время обработки. Исследователи намерены улучшить это еще больше, нацелившись на прочность от 30 до 40 МПа, достаточную для зданий высотой до трех этажей.
«Процесс производства нашего биобетона потребляет значительно меньше энергии и вызывает меньше выбросов, чем традиционное производство цемента», — заключил Бландини в пресс-релизе. «Но наш подход также является устойчивым, поскольку мы встраиваем продукт в круговую цепочку создания стоимости».
Кредит: Университет Штутгарта / ILEK / IMB / ISWA
В настоящее время команда оценивает устойчивость биобетона в условиях замораживания-оттаивания, определяя его пригодность для использования на открытом воздухе. Вторая фаза проекта, недавно профинансированная еще на три года, будет сосредоточена на оптимизации бактериальной активности и дальнейшем совершенствовании производственного процесса.
Кроме того, для проверки применимости в реальных условиях ученые планируют построить пилотный объект в аэропорту Штутгарта. Этот объект будет перерабатывать мочу, собранную в густонаселенных общественных зонах, превращая ее в биобетон и одновременно извлекая ценные удобрения. Создавая круговую экономику, которая восстанавливает питательные вещества и минимизирует отходы, проект является примером устойчивой городской инфраструктуры.
Исследование опубликовано в журнале npj Materials Sustainability.
Sourse: interestingengineering.com
