Tutaj prezentowana jest technologia mikrobiologicznie indukowanego wytrącania kalcytu (MICP) w celu poprawy właściwości gleby przez zanurzenie.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Tutaj prezentowana jest technologia mikrobiologicznie indukowanego wytrącania kalcytu (MICP) w celu poprawy właściwości gleby przez zanurzenie.
Celem tego artykułu jest opracowanie metody immersji w celu poprawy próbek poddanych działaniu mikrobiologicznie indukowanego wytrącania kalcytu (MICP). Zmontowano reaktor wsadowy w celu zanurzenia próbek gleby w pożywkach cementowych. Media cementowe mogą swobodnie dyfundować do próbek gleby w reaktorze wsadowym zamiast wstrzykiwać media cementacyjne. Do przygotowania różnych uchwytów na próbki gleby użyto elastycznej formy w pełni kontaktowej, sztywnej formy pełnokontaktowej i formy z cegły rdzeniowej. Wybrano włókna syntetyczne i włókna naturalne w celu wzmocnienia próbek gleby poddanych działaniu MICP. Zmierzono wytrącony CaCO3 w różnych obszarach próbek poddanych działaniu MICP. Wyniki rozkładu CaCO3 wykazały, że wytrącony CaCO3 był równomiernie rozprowadzany w próbce gleby metodą zanurzeniową.
Mikrobiologicznie indukowane wytrącanie kalcytu (MICP), jako biologiczna technologia wzmacniania podłoża, pozwala na poprawę właściwości inżynieryjnych gleby. Była ona wykorzystywana do zwiększenia wytrzymałości, sztywności i zmiany przepuszczalności gleby. Technika MICP zyskała ogromną uwagę w zakresie poprawy właściwości gruntów na całym świecie1,2,3,4. Wytrącanie węglanów zachodzi naturalnie i może być indukowane przez niepatogenne organizmy rodzime dla środowiska glebowego5. Biogeochemiczna reakcja MICP jest napędzana przez obecność bakterii ureolitycznych, mocznika oraz roztworu bogatego w wapń5,6. Sporosarcina pasteurii posiada bardzo aktywny enzym ureazę, który katalizuje sieć reakcji prowadzących do wytrącania kalcytu7,8. Proces hydrolizy mocznika generuje rozpuszczony amon (NH4+) i nieorganiczny węglan (CO32-). Jony węglanowe reagują z jonami wapnia, wytrącając się w postaci kryształów węglanu wapnia. Reakcje hydrolizy mocznika przedstawiono poniżej:


Wytrącony CaCO3 może wiązać ze sobą ziarna piasku, co poprawia właściwości inżynieryjne gleby poddanej procesowi MICP. Technika MICP znajduje zastosowanie w różnych obszarach, takich jak poprawa wytrzymałości i sztywności gruntu, naprawa betonu oraz remediacja środowiska9,10,11,12,13,14,15.
Zhao i wsp.16 opracowali metodę zanurzeniową do przygotowywania próbek poddanych procesowi MICP. W metodzie tej zastosowano elastyczną formę pełnego kontaktu wykonaną z geowłókniny. Wytrącony CaCO3 rozłożył się równomiernie w ich próbkach poddanych MICP. Bu i wsp.17 opracowali sztywną formę pełnego kontaktu do przygotowywania belek testowych poddanych MICP metodą zanurzeniową. Próbka poddana MICP, przygotowana tą metodą przy użyciu sztywnej formy pełnego kontaktu, może przyjąć odpowiedni kształt belki. Próbkę poddaną MICP podzielono na cztery części i zmierzono zawartość CaCO3. Zawartość CaCO3 wynosiła od 8,4 ± 1,5% do 9,4 ± 1,2% wagowo, co wskazało, że CaCO3 rozłożył się równomiernie w próbkach poddanych MICP metodą zanurzeniową. Próbki te wykazały również lepsze właściwości mechaniczne. Te biologiczne próbki poddane MICP osiągnęły wytrzymałość na zginanie na poziomie 950 kPa, co było zbliżone do wyników próbek stabilizowanych cementem w ilości 20- 25% (600- 1300 kPa). Li i wsp.10 dodali losowo rozproszone włókna dyskretne do piaszczystej gleby i poddali ją obróbce metodą zanurzeniową MICP. Stwierdzili, że wytrzymałość na ścinanie, ciągliwość i odkształcenie krytyczne gleby poddanej MICP uległy wyraźnej poprawie po dodaniu odpowiednich włókien.
Metoda imersyjna w procesie MICP była stale udoskonalana10,16,17. Metoda ta może być stosowana do przygotowania próbek gleby poddanych procesowi MICP oraz prefabrykowanych materiałów budowlanych traktowanych metodą MICP, takich jak cegły i belki. Opracowano formy do przygotowania próbek o różnych wymiarach geometrycznych. W celu poprawy właściwości próbek traktowanych metodą MICP dodano do nich włókna. Niniejszy szczegółowy protokół ma na celu udokumentowanie metod imersyjnych stosowanych w procesie MICP.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
UWAGA: Wszystkie istotne materiały użyte w poniższych procedurach nie są niebezpieczne. Nadal potrzebne są środki ochrony osobistej (okulary ochronne, rękawice, fartuch laboratoryjny, długie spodnie, buty z zakrytymi palcami).
1. Przygotowanie roztworu bakteryjnego
2. Przygotowanie podłoża cementowego
UWAGA: Media cementowe są używane do dostarczania substancji chemicznych do indukowania wytrącania kalcytu podczas obróbki MICP. Stosunek molowy mocznika-Ca2+ wynosi 1:1. Składniki chemiczne mediów cementowych przedstawiono w tabeli 1. Poniższa procedura dotyczy 20 l podłoża cementowego o stężeniu 0,5 M Ca.
3. Przygotowanie form
4. Przygotowanie reaktora wsadowego
UWAGA: Reaktor pokazany w Rysunek 4 składa się z plastikowego pudełka, podłoża cementowego, półki na próbki i pomp powietrza. Próbki gleby mogą całkowicie zanurzyć się w mediach cementowych, podczas gdy media cementowe mogą swobodnie dyfundować do próbek gleby za pomocą tej metody. Pompa powietrza w reaktorze dostarcza tlen bakteriom. Aby określić wpływ różnego dopływu tlenu na leczenie MICP katalizowane przez Sporosarcina pasteurii, Li i in. 201718 przeprowadzili testy kontrastowe w trzech różnych warunkach: stan napowietrzony, stan ograniczenia powietrza i stan na otwartym powietrzu. Odkryli, że stan dobrego natlenienia jest niezbędny do poprawy procesów MICP katalizowanych przez bakterie tlenowe.
5. Przygotowanie próbek gleby
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Rysunek 7 przedstawia rozkład wytrąconego CaCO3 w całej próbce poddanej procesowi MICP. Próbkę poddaną MICP podzielono na trzy różne obszary. Zawartość CaCO3 w każdym obszarze przebadano metodą płukania kwasem. W celu rozpuszczenia wytrąconych węglanów suche próbki poddane MICP przemyto roztworem HCl (0,1 M), a następnie przepłukano, odsączono i suszono w suszarce przez 48 h. Różnica między masami próbek przed i po płukaniu kwasem została uznana za masę węglanów wytrąco...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
W artykule przedstawiono technikę MICP przez zanurzenie. Próbki gleby zanurzono w reaktorze wsadowym, aby w pełni spenetrować je przez media cementowe w procesie MICP. W tej metodzie zastosowano elastyczną formę pełnokontaktową, sztywną formę pełnokontaktową i formę z cegły rdzeniowej w celu przygotowania próbek poddanych działaniu MICP.
Różne formy mogą być zaprojektowane dla różnych wymagań geometrycznych. Włóknista struktura geowłókniny zwiększyła powierzchnię kontaktu piasku z mediami ceme...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Nie mamy nic do ujawnienia.
Ta praca była wspierana przez National Science Foundation Grant No. 1531382 i MarTREC.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Chlorek amonu, >99% | Bio-world | 40100196-3 (705033) | |
| Siarczan amonu | Bio-world | 30635330-3 | |
| Chlorek wapnia dwuwodny, >99% | Bio-world | 40300016-3 (705111) | |
| Bulion odżywczy | Bio-world | 30620056-3 | |
| Wodorowęglan sodu, >99% | Bio-world | 41900068-3 (705727) | |
| Sporosarcina pasteurii | American Type Culture Collection | ATCC 11859 | |
| Włókno syntetyczne | FIBERMESH | Fibermesh 150e3 | |
| Tris-Base, klasa biotechnologiczna, >99.7% | Bio-world | 42020309-2 (730205) | |
| Mocznik, klasa USP, >99% | Bio-world | 42100008-2 (705986) | |
| Ekstrakt z drożdży | Bio-świat | 30620096-3 (760095) |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.