完全用废料制造可再生生物城
水泥是一种粘合剂，是一种用于建筑的物质，可硬化，凝固并粘附在其他材料上以将它们粘合在一起。当沙子和砾石与水泥结合时，会产生混凝土。水泥分为液压或非液压，当存在水时非液压水泥不会凝固，而液压水泥需要干燥材料和水之间的化学反应。
水泥是地球上使用最广泛的材料之一。据估计，到2021年，美国的水泥消费量为1.09亿吨。
水泥制造在工艺的各个层面都对环境产生影响。一些例子包括在采石场运行设备和爆破时以灰尘，烟雾，噪音和振动形式存在的空气污染物，以及采石造成的景观损坏。
新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）的科学家发现了一种从废物中生产生物水泥的方法，使传统水泥的替代品更环保，更可持续。
生物水泥是一种可再生水泥，它利用细菌产生硬化反应，将土壤结合成固体块。
NTU的科学家们现在已经用两种常见的废物材料创造了生物水泥：工业碳化物污泥和尿素（来自哺乳动物尿液）。
他们设计了一种从工业碳化物污泥中尿素与钙离子的相互作用中形成坚硬固体或沉淀物的方法。当这种反应在土壤中发生时，沉淀物将土壤颗粒结合在一起并填充它们之间的间隙，从而产生致密的土壤质量。这会产生一种坚固，耐用且渗透性较差的生物水泥块。
由土木与环境工程学院院长Chu Jian教授领导的研究小组于2022年2月22日发表在《环境化学工程学报》上的一篇概念验证研究论文中表明，他们的生物封存可能成为一种可持续且具有成本效益的土壤改良方法，例如加强用于建筑或挖掘的地面， 控制海滩侵蚀，减少沙漠中的灰尘或风蚀，或在海滩或沙漠中建造淡水水库。
它还可以用作生物灌浆，以密封岩石中的裂缝以控制渗漏，甚至可以修饰和修复岩石雕刻和雕像等纪念碑。
“生物水泥是传统水泥的可持续和可再生替代品，具有巨大的潜力，可用于需要处理地面的建筑项目，”朱教授说，他也是南洋理工大学城市解决方案中心的主任。“我们的研究通过使用两种类型的废物材料作为其原料，使生物封建更具可持续性。从长远来看，它不仅会使制造生物水泥更便宜，而且还会降低废物处理所涉及的成本。
NTU科学家的研究支持NTU 2025战略计划，该计划旨在解决人类的一些重大挑战，包括通过推进可持续发展的研究和发展来减轻人类对环境的影响。
尿液、细菌和钙：生物储存的简单配方
与传统的水泥生产方法相比，生物水泥制造过程需要更少的能源，产生的碳排放量更少。
NTU团队的生物水泥由两种类型的废料制成：工业硬质合金污泥 - 来自新加坡工厂的乙炔气体生产产生的废料 - 以及尿液中发现的尿素。
首先，该团队用酸处理碳化物污泥以产生可溶性钙。然后将尿素加入到可溶性钙中以形成胶结溶液。然后，研究小组将细菌培养物添加到该胶结溶液中。然后，来自培养物的细菌分解溶液中的尿素以形成碳酸盐离子。
这些离子与可溶性钙离子反应的过程称为微生物诱导方解石沉淀（MICP）。这种反应形成碳酸钙 - 一种坚硬，固体的材料，天然存在于白垩，石灰石和大理石中。
佛手的试样由中国联合国教科文组织世界遗产大足石刻提供。使用生物水泥的修复工作由杨洋博士在中国重庆大学完成。生物水泥溶液是无色的，允许修复工作保持雕刻的原始颜色。学分：新加坡南洋理工大学
当这种反应发生在土壤或沙子中时，产生的碳酸钙产生的碳酸盐钙将土壤或沙粒粘合在一起以增加其强度并填充它们之间的孔隙以减少水渗过材料。同样的过程也可以用于岩石节理，这允许修复岩石雕刻和雕像。
用生物水泥加固的土壤具有高达1.7兆帕斯卡（MPa）的无侧限压缩强度，高于使用等量水泥处理的相同土壤的压缩强度。
这使得该团队的生物水泥适用于土壤改良项目，例如加强地面或减少渗水，用于建筑或挖掘或控制海岸线上的海滩侵蚀。
论文第一作者杨洋博士是前南洋理工大学博士生，也是城市解决方案中心的研究助理，目前是中国重庆大学的博士后研究员，他说：“不同胶结水平的碳酸钙沉淀通过逐渐填充颗粒之间的孔隙来加强土壤或沙子。生物水泥还可用于密封土壤或岩石中的裂缝，以减少渗水。
水泥的可持续替代品
生物水泥生产比用于生产传统水泥的方法更环保，更可持续。
“水泥制造过程的一部分是在超过1000摄氏度的极高温度下燃烧原材料以形成熟料 - 水泥的粘合剂。这个过程会产生大量的二氧化碳，“朱教授说。“然而，我们的生物封存器是在室温下生产的，不会燃烧任何东西，因此它是一种更环保，对能源要求更低的过程，并且碳中和。
杨洋博士说：“在新加坡，硬质合金污泥被视为废物。但是，它是生产生物水泥的良好原料。通过从碳化物污泥中提取钙，我们使生产更具可持续性，因为我们不需要使用必须从山上开采的石灰石等材料。
朱教授补充说：「石灰石是一种有限的资源，一旦消失，它就消失了。石灰石的开采也会影响我们的自然环境和生态系统。
研究小组表示，如果生物水泥生产可以扩大到传统水泥制造水平，那么与传统水泥相比，其生产的总体成本将更低，这将使生物封存更环保，更便宜地替代水泥。
修复古迹和加强海岸线
NTU团队配制生物水泥方法的另一个优点是细菌培养物和胶结溶液都是无色的。当应用于土壤，沙子或岩石时，它们的原始颜色得以保留。
这使得它可用于恢复古老的岩石纪念碑和文物。例如，杨洋博士曾使用生物隔离来修复中国的旧佛像纪念碑。生物封建可用于密封破裂纪念碑中的间隙，并已用于恢复破碎的碎片，例如佛陀手的手指。由于解决方案是无色的，因此纪念碑保留了其原始颜色，使修复工作保持了历史的真实性。
该团队与新加坡的相关国家机构合作，目前正在东海岸公园试验他们的新生物封套，该生物封套正用于加固海滩上的沙子。通过将生物水泥溶液喷洒在沙子顶部，形成坚硬的外壳，防止沙子被冲入大海。
该团队还在探索其生物封存在新加坡的进一步大规模应用，例如通过密封道路上的裂缝进行道路修复，密封地下隧道中的间隙以防止渗水，甚至作为珊瑚礁的耕作场，因为颂歌幼虫喜欢在碳酸钙上生长。