Published September 30, 2020 | Version v1
Publication Open

Investigating mechanical properties and biocement application of CaCO3 precipitated by a newly-isolated Lysinibacillus sp. WH using artificial neural networks

Creators

  • 1. Khon Kaen University
  • 2. Suranaree University of Technology

Description

Abstract A newly-isolated Lysinibacillus sp. strain WH could precipitate CaCO 3 using calcium acetate (Ca(C 2 H 3 O 2 ) 2 ), calcium chloride (CaCl 2 ) and calcium nitrate (Ca(NO 3 ) 2 ) via non-ureolytic processes. We developed an algorithm to determine CaCO 3 crystal structures by fitting the simulated XRD spectra to the experimental data using the artificial neural networks (ANNs). The biogenic CaCO 3 crystals when using CaCl 2 and Ca(NO 3 ) 2 are trigonal calcites with space group R3c, while those when using Ca(C 2 H 3 O 2 ) 2 are hexagonal vaterites with space group P6 5 22. Their elastic properties are derived from the Voigt–Reuss–Hill (VRH) approximation. The bulk, Young's, and shear moduli of biogenic calcite are 77.812, 88.197, and 33.645 GPa, respectively, while those of vaterite are 67.082, 68.644, 25.818 GPa, respectively. Their Poisson's ratios are ~ 0.3–0.33, suggesting the ductility behavior of our crystals. These elastic values are comparable to those found in limestone cement, but are significantly larger than those of Portland cement. Based on the biocement experiment, the maximum increase in the compressive strength of Portland cement (27.4%) was found when Ca(NO 3 ) 2 was used. An increased strength of 26.1% was also found when Ca(C 2 H 3 O 2 ) 2 was used, implying the transformation of less-durable vaterite to higher-durable calcite. CaCO 3 produced by strain WH has a potential to strengthen Portland cement-based materials.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الخلاصة يمكن لسلالة Lysinibacillus sp. WH المعزولة حديثًا أن ترسب CaCO 3 باستخدام أسيتات الكالسيوم (Ca(C 2 H 3 O 2 ) 2 ) وكلوريد الكالسيوم (CaCl 2 ) ونترات الكالسيوم (Ca(NO 3 ) 2 ) عبر عمليات غير حالّة للبول. طورنا خوارزمية لتحديد هياكل بلورات CaCO 3 من خلال تركيب أطياف XRD المحاكاة على البيانات التجريبية باستخدام الشبكات العصبية الاصطناعية (ANNs). بلورات CaCO 3 الحيوية عند استخدام CaCl 2 و Ca(NO 3 ) 2 هي كالسيتات مثلثة مع المجموعة الفضائية R3c، في حين أن تلك عند استخدام Ca(C 2 H 3 O 2 ) 2 هي vaterites سداسية مع المجموعة الفضائية P6 5 22. وتستمد خصائصها المرنة من تقريب Voigt - Reuss - Hill (VRH). يبلغ حجم وحدات يونغ والقص من الكالسيت الحيوي 77.812 و 88.197 و 33.645 جيجا باسكال على التوالي، في حين أن وحدات الفاتريت هي 67.082 و 68.644 و 25.818 جيجا باسكال على التوالي. نسب بواسون الخاصة بهم هي ~ 0.3–0.33، مما يشير إلى سلوك ليونة بلوراتنا. هذه القيم المرنة مماثلة لتلك الموجودة في أسمنت الحجر الجيري، ولكنها أكبر بكثير من تلك الموجودة في أسمنت بورتلاند. بناءً على تجربة الأسمنت الحيوي، تم العثور على أقصى زيادة في مقاومة انضغاط أسمنت بورتلاند (27.4 ٪) عند استخدام Ca(NO 3 ) 2. كما تم العثور على قوة متزايدة بنسبة 26.1 ٪ عند استخدام Ca(C 2 H 3 O 2 ) 2، مما يعني تحويل الفاتريت الأقل متانة إلى كالسيت أعلى متانة. CaCO 3 التي تنتجها سلالة WH لديها القدرة على تعزيز المواد القائمة على الأسمنت البورتلاندي.

Translated Description (French)

Résumé Une souche WH de Lysinibacillus sp. nouvellement isolée pourrait précipiter CaCO 3 en utilisant de l'acétate de calcium (Ca(C 2 H 3 O 2 ) 2 ), du chlorure de calcium (CaCl 2 ) et du nitrate de calcium (Ca(NO 3 ) 2 ) via des processus non uréolytiques. Nous avons développé un algorithme pour déterminer les structures cristallines de CaCO 3 en ajustant les spectres DRX simulés aux données expérimentales en utilisant les réseaux neuronaux artificiels (RNA). Les cristaux de CaCO 3 biogènes lors de l'utilisation de CaCl 2 et de Ca(NO 3 ) 2 sont des calcites trigonales avec le groupe d'espace R3c, tandis que ceux lors de l'utilisation de Ca(C 2 H 3 O 2 ) 2 sont des vatérites hexagonales avec le groupe d'espace P6 5 22. Leurs propriétés élastiques sont dérivées de l'approximation de Voigt-Reuss-Hill (VRH). Les modules de masse, de Young et de cisaillement de la calcite biogénique sont de 77,812, 88,197 et 33,645 GPa, respectivement, tandis que ceux de la vatérite sont de 67,082, 68,644 et 25,818 GPa, respectivement. Leurs rapports de Poisson sont d'environ 0,3-0,33, ce qui suggère le comportement de ductilité de nos cristaux. Ces valeurs élastiques sont comparables à celles trouvées dans le ciment calcaire, mais sont significativement plus grandes que celles du ciment Portland. Sur la base de l'expérience sur le bio-ciment, l'augmentation maximale de la résistance à la compression du ciment Portland (27,4 %) a été trouvée lorsque du Ca(NO 3 ) 2 a été utilisé. Une résistance accrue de 26,1 % a également été trouvée lorsque Ca(C 2 H 3 O 2 ) 2 a été utilisé, ce qui implique la transformation de vatérite moins durable en calcite plus durable. Le CaCO 3 produit par la souche WH a le potentiel de renforcer les matériaux à base de ciment Portland.

Translated Description (Spanish)

Resumen Una cepa WH de Lysinibacillus sp. recién aislada podría precipitar CaCO 3 utilizando acetato de calcio (Ca(C 2 H 3 O 2 ) 2 ), cloruro de calcio (CaCl 2 ) y nitrato de calcio (Ca(NO 3 ) 2 ) a través de procesos no ureolíticos. Desarrollamos un algoritmo para determinar las estructuras cristalinas de CaCO 3 ajustando los espectros de XRD simulados a los datos experimentales utilizando las redes neuronales artificiales (RNA). Los cristales biogénicos CaCO 3 cuando se utiliza CaCl 2 y Ca(NO 3 ) 2 son calcitas trigonales con grupo espacial R3c, mientras que cuando se utiliza Ca(C 2 H 3 O 2 ) 2 son vateritas hexagonales con grupo espacial P6 5 22. Sus propiedades elásticas se derivan de la aproximación de Voigt-Reuss-Hill (VRH). Los módulos de volumen, de Young y de cizallamiento de la calcita biogénica son 77,812, 88,197 y 33,645 GPa, respectivamente, mientras que los de vaterita son 67,082, 68,644 y 25,818 GPa, respectivamente. Sus relaciones de Poisson son ~ 0.3-0.33, lo que sugiere el comportamiento de ductilidad de nuestros cristales. Estos valores elásticos son comparables a los encontrados en el cemento de piedra caliza, pero son significativamente mayores que los del cemento Portland. Con base en el experimento de biocemento, el aumento máximo en la resistencia a la compresión del cemento Portland (27.4%) se encontró cuando se utilizó Ca(NO 3 ) 2. También se encontró un aumento de la resistencia del 26,1% cuando se utilizó Ca(C 2 H 3 O 2 ) 2, lo que implica la transformación de vaterita menos duradera en calcita de mayor duración. El CaCO 3 producido por la cepa WH tiene el potencial de fortalecer los materiales a base de cemento Portland.

Files

s41598-020-73217-7.pdf.pdf

Files (2.3 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:a80be52501ec312defb3aa6c964c6971
2.3 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التحقيق في الخواص الميكانيكية وتطبيق الأسمنت الحيوي لـ CaCO3 المترسب بواسطة Lysinibacillus sp المعزولة حديثًا. المستودع باستخدام الشبكات العصبية الاصطناعية
Translated title (French)
Étudier les propriétés mécaniques et l'application de bio-ciment de CaCO3 précipité par un Lysinibacillus sp. nouvellement isolé. WH utilisant des réseaux de neurones artificiels
Translated title (Spanish)
Investigando las propiedades mecánicas y la aplicación de biocemento de CaCO3 precipitado por un Lysinibacillus sp. WH usando redes neuronales artificiales

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3089543430
DOI
10.1038/s41598-020-73217-7

Is supplement to
https://openalex.org/W921874498 (Other)
https://openalex.org/W3167070389 (Other)
https://openalex.org/W2390424553 (Other)
https://openalex.org/W2351625946 (Other)
https://openalex.org/W2324539560 (Other)
https://openalex.org/W2321013482 (Other)
https://openalex.org/W2054428329 (Other)
https://openalex.org/W2048730435 (Other)
https://openalex.org/W1984205430 (Other)
https://openalex.org/W1967202243 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Thailand

References

  • https://openalex.org/W1537550890
  • https://openalex.org/W1601470203
  • https://openalex.org/W1950277103
  • https://openalex.org/W1976607104
  • https://openalex.org/W1979544533
  • https://openalex.org/W1983035066
  • https://openalex.org/W1984003326
  • https://openalex.org/W1986147552
  • https://openalex.org/W1991624112
  • https://openalex.org/W1994908073
  • https://openalex.org/W1997197695
  • https://openalex.org/W2015197254
  • https://openalex.org/W2018567751
  • https://openalex.org/W2019536624
  • https://openalex.org/W2025118646
  • https://openalex.org/W2026518125
  • https://openalex.org/W2040604714
  • https://openalex.org/W2054626281
  • https://openalex.org/W2056320287
  • https://openalex.org/W2058232099
  • https://openalex.org/W2077559281
  • https://openalex.org/W2078844420
  • https://openalex.org/W2080447134
  • https://openalex.org/W2082456920
  • https://openalex.org/W2088386179
  • https://openalex.org/W2093977472
  • https://openalex.org/W2134343912
  • https://openalex.org/W2147699377
  • https://openalex.org/W2152207030
  • https://openalex.org/W2158923238
  • https://openalex.org/W2167152710
  • https://openalex.org/W2265821404
  • https://openalex.org/W2312452063
  • https://openalex.org/W2312513119
  • https://openalex.org/W2577413819
  • https://openalex.org/W2754901798
  • https://openalex.org/W2771240181
  • https://openalex.org/W2903325005
  • https://openalex.org/W2920734570
  • https://openalex.org/W2950877469
  • https://openalex.org/W2952441010
  • https://openalex.org/W2991143364
  • https://openalex.org/W340156208
  • https://openalex.org/W346827628
  • https://openalex.org/W4231645892