פחמן מבוסס מדידת מינרליזציה מזהם שימוש המשולב CO 2 ניתוח שטף ו פחמן רדיואקטיבי
21 באוקטובר 2016
מתואר פרוטוקול שבו CO2 מינרלי ממזהם אורגני (שמקורו בחומרי הזנה של נפט) נלכד, מכומת ומנותח עבור תכולת 14C. פותח מודל לקביעת ההיקף המרחבי של אזור לכידת CO2. מדידות מרחביות וזמניות מאפשרות שילוב שיעורי מינרליזציה של מזהמים לחיזוי היקף וזמן התיקון.
המטרה הכוללת של שיטת מידול פחמן רדיואקטיבי משולבת זו של שטף פחמן דו חמצני ואזור ההשפעה היא לעקוב אחר פירוק מזהמים שמקורם בנפט באתרו באמצעות אות פחמן הרדיו המדולדל בפחמן דו חמצני, תוצר פירוק סופי. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחומי הטיפול הביולוגי וההערכה הסביבתית. כגון, כמה בלימה מתקלקלת באתר?
או באמצעות הנחתה טבעית או בשילוב עם גישות תיקון מהונדסות. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא מסתמכת על מדידת הפחמן הנגזר מעמוד השדרה של הבלימה בפועל, במקום לבצע מדידות עקיפות מרובות כקווי ראיה. השיטה מאפשרת לחשב את קצב הפירוק הביולוגי בפועל באתר.
להחדרת השטח הכינו את משאבות האוויר באופן הבא. ראשית, קדחו חור לתוך בית המשאבה לחתיכה קצרה של צינורות אטומים לגז פלסטיק בקוטר 1/16 אינץ'. הכנס צינור באורך של חמישה עד שישה סנטימטרים לתוך החור.
לאחר מכן, אטום את כל החלקים החיצוניים של המשאבה עם איטום ימי. ואחריו מעיל של איטום סיליקון. לאחר מכן, בדוק לחץ את המשאבות האטומות.
נשפו בעדינות את הצינור תוך חסימת הזרימה. לאחר מכן, הכינו מלכודת פחמן דו חמצני לכל באר איסוף ובקרה. שקלו 25 גרם נתרן הידרוקסיד בבקבוק סרום של 100 מיליליטר.
מכסים את בקבוק הסרום במחיצה ומכווצים אותו בחוזקה. כעת, חבר את כבלי החשמל. בשטח, הזרמת חשמל לכל באר דורשת תורים ארוכים לכל משאבה.
בתוך בארות השדה, כסו את התפוקה שלהם באמצעות מכסים מותאמים עם שני חורים בגודל 1/16 אינץ' לקווי גז. בבאר, קו הגז המונמך מוגדר מעט מעל מפלס מי התהום וקו ההחזרה מוגדר ממש מתחת למכסה. לאחר מכן, אטמו את הצינורות ואת אטם המכסה בשומן ואקום כך שכל המשטחים יספקו אטימה אטומה לגז.
מהבאר, נתב את הצינור התחתון לכניסת המשאבה, ונתב את קו הגז מהמשאבה למלכודת הפחמן הדו חמצני. בעזרת מחט בגודל 16 כדי לנקב את המחיצה. לאחר מכן, בעזרת מחט נוספת, נתב קו חזרה מהמלכודת לקו הגז וממש מתחת למכסה.
כעת, הפעל את ההתקנה כדי ליצור אוסף ראשוני של 30 נפחי בארות. מאוחר יותר, השליכו את המלכודות הראשוניות. שולפים את המחטים מהמחיצה ומכניסים לבקבוק חדש.
לאחר מכן, רשום את שעת ההתחלה של האוסף. כדי לנתח את הגז שנאסף, מדוד את הפחמן הדו חמצני הכלוא בדגימות המים באמצעות קולומטריה. ראשית, העבירו שלוש דגימות תת-מיליליטר אחת לבקבוקוני סרום של 40 מיליליטר מכוסים במחיצה.
לאחר מכן, יש להחמיץ כל תת-דגימה במיליליטר אחד של 50% נפח אחר נפח חומצה זרחתית. הזינו את הקו למלכודת מגנזיום פרכלורט. ובשלב הבא השתמש במלכודת סיליקה ג'ל עם רשת 60 אנגסטרום.
לאחר מכן, בעבעו את זרם הגז לתוך התא הקולומטרי והשתמשו בקולומבים הנמדדים כדי לכמת את רמות הפחמן הדו חמצני. שבועיים עד חודשיים לאחר תחילת האיסוף, אספו את המלכודות. כבה את החשמל למשאבות והסר את המחטים.
במידת הצורך, אטמו את המלכודות לאחסון לטווח הארוך. כדי לנתח את המלכודת, ממיסים את כל הנתרן הידרוקסיד המוצק שנותר שלא הוצא במים. מזלפים את המים בגז הליום קרצוף פחמן דו חמצני כדי להסיר את הפחמן הדו חמצני המומס.
לאחר מכן, שלב את תכולת המלכודת הנוזלית במלואה ומדוד את הנפח הכולל. לאחר מכן, העבירו דגימות משנה של חמישה עד 10 מיליליטר לבקבוקונים של 40 מיליליטר עם מחיצות. לאחר מכן, החמצנו את דגימות המשנה עם 50% נפח אחר נפח חומצה זרחתית.
כעת, זרם ונתח את זרם הגז המתקבל על ידי קולומטריה כפי שתואר קודם לכן. מאוחר יותר, כשתבצע את החישובים שלך לתקופת הדגימה הזו, הקפד לקחת בחשבון את קינטיקה של שיווי המשקל על ידי הפחתה ידנית של שיעור הגבייה הנמוך ביותר משיעור האיסוף שנמדד בבארות האחרות. השתמש ב-MT3DMS בשילוב עם MODFLOW 2005 באמצעות ממשק ModelMuse כדי לדמות דיפוזיה של פחמן דו חמצני בשיווי משקל הקשור למסך הבאר.
הגדר את ModelMuse עם מיקום התוכנית MODFLOW. לשם כך, לחץ על תפריט מודל ולאחר מכן בחר מיקומי תוכנית MODFLOW. לאחר מכן הפנה את התוכנית לספריית החדרת התוכנית MODFLOW 2005.
תחת אותה תיבת דו-שיח, הגדר את ModelMuse עם מיקום התוכנית MT3DMS. לאחר מכן, הגדר חבילות ותוכניות MODFLOW תחת תפריט מודל. תחת זרימת האפשרויות, ודא שהחבילה זרימת מאפייני שכבה נבחרה.
תחת תנאי גבול, בחר ראש שצוין. לאחר מכן בחר CHD Time-Variant Specified Head Package. לאחר מכן, בחר חבילת MT3DMS ו-BTN Basic-Transport.
לאחר מכן, הגדירו את המינים הניידים לפחמן דו-חמצני. כעת, הגדר את אפשרויות MODFLOW. מתפריט המודל, בחר אפשרויות MODFLOW והגדר את יחידות הדגם.
לאחר מכן, הגדר את זמן MODFLOW. מתפריט מודל, בחר זמן MODFLOW. תקופת מאמץ של 360 אורך תפעיל את הסימולציה למשך 15 ימים.
לאחר מכן, הגדר את ערכות הנתונים של MODFLOW. בתפריט נתונים, בחר ערכות נתונים. לאחר מכן, הזן את הנתונים מהאתר המבוקש.
עבור הידרולוגיה, הזן ערכי k בשלושה ממדים. ראש ראשוני של MODFLOW וראש שצוין ב-MODFLOW. עבור MT3DMS, הזן את מקדם הדיפוזיה, הפחמן הדו חמצני, הריכוז ההתחלתי של פחמן דו חמצני ופיזור אורכי.
לבסוף, ערוך את המשתנים הכלליים. מתפריט נתונים, בחר משתנים גלובליים והזן את קצב איסוף הפחמן הדו חמצני המשמש באתר והזן את ריכוז הפחמן הדו חמצני הראשוני. כעת הפעל את הסימולציה.
לחץ על החץ הירוק בשורת הסמלים העליונה כדי להתחיל את הסימולציה. לאחר מכן, שמור את קבצי הקלט כאשר תתבקש, והסימולציה תפעל. לאחר ההפעלה, הידור וייצא את הנתונים על ידי בחירת תפריט הקובץ, לאחר מכן ייצא ולאחר מכן את קבצי הקלט MT3DMS.
כדי לצפות בתוצאות המודל ולהפיק אותן, לחצו על סמל ההדמיה. לאחר מכן בחר את הסימולציה והוציא את ערכי הגבול של אזור ההשפעה בקואורדינטות תלת מימדיות. באתר הבדיקה, זיהום פחמימנים היסטורי עם כלור היה הגבוה ביותר באשכול הבאר המרכזי.
ייצור הפחמן הדו-חמצני שנמדד נע בין אפס ל-34 מיליגרם ליום והיה הנמוך ביותר באשכול בארות מרכזי שבו הזיהום ההיסטורי היה הגבוה ביותר. פרמטרים גיאוכימיים באתר, כגון סידן PH וריכוזי קטיונים אחרים לא הצביעו על התמוססות קרבונט כלשהי, מה שעלול להטות את פרשנות מדידת הפחמן הרדיו. שתי מדידות של שבועיים בעונה היבשה הוערכו בממוצע לחישובים הבאים.
מדדי הנשימה והפחמן הרדיו לא השתנו במידה ניכרת בין תקופות השבועיים. באמצעות דיווחים קודמים על מי התהום ההידראוליים בתכונות המומסים של פחמן דו חמצני, נוצר מודל אזור השפעה. באמצעות הערכות ממודל אזור ההשפעה, חושבה הסרת הפחמימנים הכלוריים ההמונית בכל באר.
בסופו של דבר, הבארות הסמוכות לפריפריה של האתר היו בעלות הפירוק הפחמימני הגבוה ביותר בכלור וייצור פחמן דו חמצני, והמודלים תמכו בתצפית זו. בעת ניסיון הליך זה, חשוב לזכור למזער את הזיהום בפחמן דו חמצני אטמוספרי על ידי מכסה מהיר ומזעור המגע עם האטמוספירה. יש לפזר את כל המדלל בגז אינרטי כדי להסיר CO2 מומס.
בעקבות הליך זה, ניתן לבצע שיטות אחרות, כמו קביעת תנאים ביו-גיאוכימיים באתר על מנת לענות על שאלות נוספות, כמו אילו בקרות בשיעורי הפירוק באתרם?
סקירה כללית
מאמר זה מציג שיטה למעקב אחר פירוק של מזהמים המופקים מנפט על ידי מדידת תכולת הרדיוקרבון בפחמן דו-חמצני הנוצר במהלך ביו-דגרדציה. הגישה משלבת נתונים מרחביים וזמניים כדי למדל את היקף אזורי לכידת ה-CO2 ולנבא את לוחות הזמנים של תהליך הסנפציה.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- מדעי הסביבה
- ביורמדיאציה
- מחזור הפחמן
רקע
- מזהמים נפטוניים מהווים סיכונים סביבתיים משמעותיים.
- הבנת תהליכי כבידה ביולוגית היא חיונית לצורך סנפירה יעילה.
- שיטות מסורתיות מסתמכות לעיתים קרובות על מדידות עקיפות.
- מחקר זה מציג גישה של מדידה ישירה באמצעות ניתוח רדיוקרבון.
מטרת המחקר
- פיתוח פרוטוקול לכימות CO2 הנובע מפירוק מזהמים.
- מידול ההיקף המרחבי של אזורי לכידת CO2.
- שיפור התחזיות לגבי יעילות לוחות הזמנים של תהליכי הסמרה (remediation).
שיטות שבהן נעשה שימוש
- התקנת משאבות אוויר ומלכודות CO2 בשטח.
- איסוף וניתוח דגימות גז באמצעות קולומטריה.
- סימולציה של דיפוזיית CO2 באמצעות MT3DMS ו-MODFLOW.
- אינטגרציית נתונים להערכת קצבי ביודגרדציה.
תוצאות עיקריות
- שיעורי ייצור ה-CO2 שנמדדו השתנו באופן משמעותי בין האתרים.
- השיטה סיפקה ראיות ישירות לביודגרדציה in situ.
- תוצאות המידול הצביעו על ההיקף המרחבי של אזורי לכידת ה-CO2.
- הממצאים תומכים ביעילות השיטה המוצעת עבור הערכות סביבתיות.
מסקנות
- השיטה שפותחה משפרת את ההבנה של פירוק מזהמי נפט.
- היא מציעה גישה מהימנה לניטור מאמצי ביו-רמדיאציה.
- יישומים עתידיים עשויים לשפר את אסטרטגיות ניהול הסביבה.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
שיטה זו מאפשרת כימות ישיר של ביודיגרדציה in situ של מזהמים המופקים מנפט, באמצעות מדידת CO2 דל ברדיוקסן הנובע ממינרליזציה של המזהמים. היא מספקת כלי להפחתת סיכונים מכניסטית לצורך הערכת גורל סביבתי, תומכת בביטחון חיזוי ביעילות הביו-רמדיאציה ומפחיתה את ההסתמכות על ראיות עקיפות. הגישה מספקת מידע להערכות של זמן הטיפול הנדרש ולהחלטות תיק ניהול עבור ניהול אתרים והערכת חבויות סביבתיות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר חקירה של מסלולי פירוק של מזהמים על ידי מעקב אחר מינרליזציה ל-CO2 כמטבוליט סופי.
- ערך תפעולי: משתמש באות איזוטופית אנדוגנית (היעדר 14C) במזהמים ממקור מאובני, ובכך מבטל את הצורך בסמנים חיצוניים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר נתונים כמותיים של שטף CO2 ופחמן רדיואקטיבי לחישוב אחוז הנשימה הנגזרת ממזהמים.
- ערך תפעולי: משלב לכידת גזים וקולומטריה למדידה סטנדרטית וניתנת לשחזור של קצבי ביודגראדציה בנקודות דגימה שונות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תומך במידול מערכות רלוונטיות למחלה על ידי קישור איבוד מסת מזהמים לייצור CO2 באמצעות מידול אזור השפעה (Zone of Influence).
- ערך תפעולי: מאפשר סקלינג מרחבי וזמני של קצבי ביודגרדציה ממסגרת מיקרוקוסמוס להערכות בקנה מידה של שטח.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
השיטה משלבת ניתוח של גורל מזהמים בשלב הגילוי עם מידול חזוי כדי לתמוך בהחלטות של המשכה או הפסקה (go/no-go) בתהליכי עבודה של שיקום סביבתי.
- ביולוגיה של הגילוי: עוקבת אחר מינרליזציה של שלד הפחמימנים ל-CO2, ובכך מספקת ראיה ישירה לפירוק המזהמים.
- סריקה: מספקת שיעורי נשימה כמותיים של CO2 וחלוקה איזוטופית לצורך ניתוח השוואתי של תנאים.
- אנליטיקה: משתמשת בכימות כולומטרי של CO2 ובמדידת פחמן רדיואקטיבי כדי לאפשר הקצאת מקורות באמצעות מודלים של ערבוב שני רכיבי קצה.
- מחקר תרגומי: מקשרת בין מדידות נקודתיות לפירוק בקנה מידה של נפיחה (plume) באמצעות סימולציית אזור השפעה (Zone of Influence) תוך שימוש ב-MT3DMS וב-MODFLOW.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת פרוטוקול סטנדרטי לניטור ארוך טווח ולהערכה השוואתית של אתרים בפרויקטים של סנפיר (remediation).
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מספק ביטחון חיזוי במינרליזציה של מזהמים באמצעות מדידה של נקודת קצה איזוטופית יציבה שאינה תלויה בתהליך.
- ערך תפעולי: מבטיח הדירות באמצעות שלבים סטנדרטיים של לכידת גז, החמצה וגילוי קולומטרי.
- ערך אסטרטגי: מפחית את הסיכון בשלבי שיקום מאוחרים על ידי מתן אפשרות לאישור מוקדם וישיר של היפותזות לגבי ביו-דגרדציה.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בסדרי עדיפויות של אתרים מותאמי סיכון, בהתבסס על קצבי פירוק כמותיים ואזורי השפעה מודלליים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בניתוח פחמן רדיואקטיבי, כרומטוגרפיה גזית ומידול מי תהום.
- תלוי בתשתיות ללכידת CO2 (מלכודות NaOH), קולומטריה וסימולציית MODFLOW/MT3DMS.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית בין קבוצות הדגימה בשטח, הניתוח במעבדה והמידול.
- כולל שיקולי התאמה לסוגי קרקע משתנים, זרימת מי תהום ורמות רקע של פחמן רדיואקטיבי.
- כולל מגבלות מעשיות כגון זיהום פוטנציאלי של CO2 אטמוספרי במהלך הדגימה והצורך בבליעת גז אינרטי (sparging) של ריאגנטים.
שאלות נפוצות בביו-פארמה
Chapters in this video
0:05
Title
0:55
Preparation and Field Installation
3:16
Measure Dissolved Inorganic Carbon (DIC)
4:03
Measure CO2 Production Rate Occurring On-site
5:24
Model a Zone of Influence to Estimate the Soil Volume Sampled for CO2
9:09
Results: Detailed Emission Data from a Site of Known Contamination
10:36
Conclusion
