新加坡南洋理工大學（NTU Singapore）的科學家們發現了一種利用廢料生產生物水泥的方法，使這種替代傳統水泥的方法更加綠色和可持續。生物水泥是一種可再生的水泥，它利用細菌產生硬化反應，將土壤結合成固體塊。科學家們現在已經用兩種常見的廢料製造出了生物水泥：工業碳化物污泥和尿素（來自哺乳動物的尿液）。

他們設計了一種方法，通過尿素與工業碳化污泥中的鈣離子的相互作用，形成一種堅硬的固體，或沉澱物。當這種反應在土壤中發生時，沉澱物將土壤顆粒結合在一起，並填補它們之間的空隙，從而形成一個緊湊的土壤團。這就產生了一種生物水泥塊，它堅固、耐用，而且滲透性較低。

由該校土木與環境工程學院院長褚健教授領導的研究小組在2022年2月22日發表在《環境化學工程》雜誌上的概念驗證研究論文中表明，他們發明的生物水泥有可能成為一種可持續的、具有成本效益的土壤改良方法，如加固地面用於建築或挖掘，控制海灘侵蝕，減少沙漠中的灰塵或風蝕，或在海灘或沙漠中建造淡水庫。它還可以作為生物灌漿封住岩石的裂縫以控制滲漏，甚至可以修飾和修復岩雕和雕像等紀念物。

南洋理工大學土木與環境工程學院城市解決方案中心高級研究員吳世凡博士和南洋理工大學土木與環境工程學院主席褚健教授舉著由尿素和碳化污泥製成的生物水泥塊。

“生物水泥是一種可持續和可再生的傳統水泥替代品，在需要處理地面的建築項目中具有巨大的潛力，”褚教授說，他也是南洋理工大學城市解決方案中心的主任。”我們的研究通過使用兩種類型的廢料作為原料，使生物水泥更加具有可持續性。從長遠來看，它不僅能使生物水泥的製造成本降低，還能減少廢物處理所涉及的成本。”

南大科學家的研究支持南大2025戰略計劃，該計劃旨在解決人類的一些重大挑戰，包括通過推進可持續發展的研究和開發，減輕人類對環境的影響。

尿液、細菌和鈣。生物水泥的簡單配方

與傳統的水泥生產方式相比，生物水泥的製造過程需要的能源更少，產生的碳排放也更少。

南洋理工大學團隊的生物水泥是由兩種類型的廢料製成的：工業碳化污泥–來自新加坡工廠生產乙炔氣體的廢料–和尿液中的尿素。

首先，該團隊用一種酸處理電石渣，以產生可溶性鈣。然後，尿素被添加到可溶性鈣中，形成一種膠結溶液。然後，該團隊將一種細菌培養物添加到該固結溶液中。培養物中的細菌會分解溶液中的尿素，形成碳酸鹽離子。

這些離子在一個稱為微生物誘導方解石沉澱（MICP）的過程中與可溶性鈣離子反應。這種反應形成了碳酸鈣–一種堅硬的固體材料，在白堊、石灰石和大理石中自然存在。

佛手新材料修復項目的測試標本由中國聯合國教科文組織世界文化遺產大足石刻提供。

使用生物水泥的修復工作是在中國重慶大學由楊陽博士完成的。生物水泥溶液是無色的，使修復工作能夠保持雕刻的原始顏色。

當這種反應在土壤或沙子中發生時，產生的碳酸鈣將土壤或沙子顆粒粘合在一起，以增加它們的強度，並填充它們之間的孔隙，以減少水通過材料的滲漏。同樣的過程也可以用在岩石縫隙上，這樣就可以修復岩石雕刻和雕像。

用生物水泥加固的土壤具有高達1.7兆帕（MPa）的無約束壓縮強度，這比使用等量水泥處理的相同土壤的強度更高。

這使得該團隊的生物水泥適合用於土壤改良項目，如加強地面或減少水的滲入，用於建築或挖掘或控制海岸線的海灘侵蝕。

論文第一作者楊陽博士，曾是南大博士生和城市解決方案中心的研究助理，目前是重慶大學的博士後研究員。