Измерение углерода на основе Загрязняющие Минерализация Использование Совмещенный CO 2 Flux и Радиоуглеродный анализ
21 октября 2016 г.
Описан протокол, в котором биоразложение CO2, минерализованного из органического загрязнителя (полученного из нефтяного сырья), улавливается, количественно оценивается и анализируется на содержание 14C. Разработана модель для определения пространственной протяженности зоны захвата CO2. Пространственные и временные измерения позволяют интегрировать скорости минерализации загрязняющих веществ для прогнозирования масштабов и времени восстановления.
Общая цель этого комбинированного метода моделирования радиоуглеродного потока углекислого газа и зоны влияния состоит в том, чтобы отслеживать разложение загрязняющих веществ, полученных из нефти, in situ с использованием обедненного радиоуглеродного сигнала в углекислом газе, который является конечным продуктом разложения. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области биоремедиации и экологической оценки. Например, насколько ухудшается защитная оболочка на площадке?
Либо за счет естественного затухания, либо в сочетании с инженерными подходами к восстановлению. Основное преимущество этого метода заключается в том, что он основан на измерении углерода, получаемого из фактической защитной цепи, а не на проведении множественных косвенных измерений в качестве доказательств. Метод позволяет рассчитать фактическую скорость биодеградации in situ.
Для полевого закапывания подготавливают воздушные насосы следующим образом. Сначала просверлите отверстие в корпусе насоса для короткого куска пластиковой газонепроницаемой трубки диаметром 1/16 дюйма. Вставьте в отверстие трубку длиной пять-шесть дюймов.
Затем герметизируйте все внешние части насоса морским герметиком. Затем наносится слой силиконового герметика. Затем проверьте герметичные насосы под давлением.
Осторожно подуйте в трубку, блокируя отток. Далее подготовьте ловушку углекислого газа для каждой сборной лунки и контрольную. Отвесьте 25 грамм гидроксида натрия в 100-миллилитровом флаконе с сывороткой.
Закройте флакон с сывороткой септумом и плотно сожмите его. Теперь подсоедините электрические провода. В полевых условиях для подачи электроэнергии к каждой скважине требуются длинные линии к каждому насосу.
Внутри промысловых скважин укупорьте их выход с помощью модифицированных крышек с двумя отверстиями 1/16 дюйма для газопроводов. В скважине опускаемая газовая линия устанавливается немного выше уровня грунтовых вод, а обратная линия устанавливается чуть ниже крышки. Затем загерметизируйте шланги и прокладку крышки вакуумной смазкой, чтобы все поверхности обеспечивали газонепроницаемое уплотнение.
От скважины проложите нижнюю трубку к входу насоса и проложите газопровод от насоса к ловушке углекислого газа. С помощью иглы 16 калибра прокалывают перегородку. Затем с помощью другой иглы проложите обратный трубопровод от конденсатоотводчика к газопроводу и внутрь чуть ниже крышки.
Теперь используйте установку, чтобы сделать первоначальный сбор из 30 объемов скважин. Позже выбросьте первоначальные ловушки. Вытащите иголки из перегородки и положите их в новую бутылку.
Затем зарегистрируйте время начала сборки. Чтобы проанализировать собранный газ, измерьте содержание углекислого газа в пробах воды с помощью кулонометрии. Сначала перенесите в три раза один миллилитр субобразцов в 40-миллилитровые флаконы сыворотки, закрытые перегородками.
Затем подкислите каждый подобразец одним миллилитром 50% объемной фосфорной кислоты. Подайте леску в ловушку с перхлоратом магния. А далее используйте ловушку из силикагеля с сеткой 60 ангстрем.
Затем нагнетайтепоток газа в кулонометрическую ячейку и используйте измеренные кулоны для количественной оценки уровня углекислого газа. Через две-два месяца после начала сбора соберите ловушки. Отключите питание насосов и снимите иглы.
При необходимости запечатайте ловушки для длительного хранения. Чтобы проанализировать ловушку, растворите оставшийся неизрасходованный твердый гидроксид натрия водой. Сбрызгивайте воду углекислым газом, очищенным гелием, чтобы удалить растворенный углекислый газ.
Затем объединяют полностью разжиженное содержимое ловушки и измеряют общий объем. Далее переложите подобразцы объемом от 5 до 10 миллилитров во флаконы объемом 40 миллилитров с перегородками. Затем подкислите подобразцы 50% объемной фосфорной кислоты.
Теперь проанализируйте полученный газовый поток с помощью кулонометрии, как описано ранее. Позже, когда вы будете делать расчеты для этого периода отбора проб, обязательно учитывайте кинетику равновесия, вручную вычитая наименьшую скорость сбора из скорости сбора, измеренной на других скважинах. Используйте MT3DMS в сочетании с MODFLOW 2005 через интерфейс ModelMuse для моделирования диффузии углекислого газа в равновесии, связанном с ситом скважины.
Настройте ModelMuse с помощью расположения программы MODFLOW. Для этого нажмите на меню «Модель», затем выберите «Местоположения программы MODFLOW». Затем укажите программу в директории внедрения программы MODFLOW 2005.
В том же диалоговом окне настройте ModelMuse с помощью местоположения программы MT3DMS. Затем настройте пакеты и программы MODFLOW в меню Модель. В разделе «Поток параметров» убедитесь, что выбран пакет «Поток свойств слоя».
В разделе Граничные условия выберите Указанный напор. Затем выберите пакет CHD Time-Variant Specified Head. Далее выберите MT3DMS и пакет BTN Basic-Transport.
Затем установите Mobile Species на углекислый газ. Теперь настройте параметры MODFLOW. В меню «Модель» выберите «Параметры MODFLOW» и задайте единицы измерения модели.
Далее настройте время MODFLOW. В меню «Модель» выберите «Время MODFLOW». Период напряжения 360 длины будет запускать моделирование в течение 15 дней.
Далее настройте наборы данных MODFLOW. В меню Данные выберите Наборы данных. Затем введите данные с интересующего сайта.
Для параметра Гидрология введите k значений в трех измерениях. MODFLOW — начальная головка и MODFLOW — указанная головка. Для MT3DMS введите коэффициент диффузии, углекислый газ, начальную концентрацию углекислого газа и продольную дисперсию.
Наконец, отредактируйте глобальные переменные. В меню Данные выберите Глобальные переменные и введите скорость сбора углекислого газа, используемую на объекте, и введите начальную концентрацию углекислого газа. Теперь запустите симуляцию.
Нажмите на зеленую стрелку на верхней панели значков, чтобы начать симуляцию. Затем сохраните входные файлы при появлении запроса, и моделирование будет запущено. После запуска скомпилируйте и экспортируйте данные, выбрав меню «Файл», затем экспортируйте, а затем входные файлы MT3DMS.
Чтобы просмотреть и вывести результаты модели, щелкните значок визуализации. Затем выберите моделирование и выведите граничные значения зоны влияния в 3D-координатах. На испытательном полигоне историческое загрязнение хлорированными углеводородами было самым высоким в центральном кусте скважин.
Измеренное производство углекислого газа варьировалось от нуля до 34 миллиграммов в день и было самым низким в центральном кусте скважин, где историческое загрязнение было самым высоким. Геохимические параметры участка, такие как PH, кальций и другие концентрации катионов, не указывают на растворение карбонатов, что может повлиять на интерпретацию радиоуглеродных измерений. Два двухнедельных измерения засушливого сезона были усреднены для последующих расчетов.
Измерения дыхания и радиоуглерода существенно не различались между двухнедельными периодами. На основе предыдущих отчетов по гидравлике подземных вод по свойствам растворенного вещества углекислого газа была построена модель зоны влияния. С использованием оценок модели «Зона влияния» был рассчитан массовый отбор хлорированных углеводородов на каждой скважине.
В конечном счете, скважины вблизи периферии участка имели самые высокие уровни разложения хлорированных углеводородов и производства углекислого газа, и модели подтвердили это наблюдение. При попытке выполнить эту процедуру важно помнить о минимизации загрязнения атмосферным углекислым газом, быстро закрывая крышку и сводя к минимуму контакт с атмосферой. Все разбавители должны быть пропитаны инертным газом для удаления растворенного CO2.
Следуя этой процедуре, можно использовать другие методы, такие как определение биогеохимических условий на участке, чтобы ответить на дополнительные вопросы, например, что контролирует скорость деградации in situ.
Обзор
В данной статье представлен метод отслеживания деградации загрязняющих веществ нефтяного происхождения путем измерения содержания радиоуглерода в диоксиде углерода, образующемся в процессе биодеградации. Данный подход объединяет пространственные и временные данные для моделирования размеров зон захвата CO2 и прогнозирования сроков рекультивации.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Экология
- Биоремедиация
- Цикл углерода
Теоретические основы
- Нефтепродукты представляют значительный экологический риск.
- Понимание процессов биодеградации имеет решающее значение для эффективного восстановления среды.
- Традиционные методы часто опираются на косвенные измерения.
- В данном исследовании представлен метод прямого измерения с использованием радиоуглеродного анализа.
Цель исследования
- Разработать протокол для количественного определения CO2, образующегося при разложении загрязняющих веществ.
- Смоделировать пространственную протяженность зон улавливания CO2.
- Улучшить прогнозы эффективности и сроков проведения рекультивации.
Используемые методы
- Полевая установка воздушных насосов и ловушек для CO2.
- Сбор и анализ проб газа методом кулонометрии.
- Моделирование диффузии CO2 с использованием MT3DMS и MODFLOW.
- Интеграция данных для оценки скоростей биодеградации.
Основные результаты
- Измеренные скорости продукции CO2 значительно различались в зависимости от участка.
- Данный метод предоставил прямые доказательства биодеградации in situ.
- Результаты моделирования указали на пространственную протяженность зон улавливания CO2.
- Полученные данные подтверждают эффективность предлагаемого метода для проведения экологических оценок.
Выводы
- Разработанный метод углубляет понимание процессов деградации нефтяных загрязнений.
- Он предлагает надежный подход для мониторинга эффективности биоремедиации.
- Дальнейшее применение метода может улучшить стратегии управления окружающей средой.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Данный метод позволяет проводить прямую количественную оценку биодеградации загрязнений нефтехимического происхождения in situ путем измерения содержания CO2, обедненного радиоуглеродом, который образуется при минерализации загрязняющих веществ. Он представляет собой инструмент механического снижения рисков при оценке поведения веществ в окружающей среде, что повышает прогностическую уверенность в эффективности биоремедиации и снижает зависимость от косвенных доказательств. Этот подход позволяет уточнить расчетные сроки ремедиации и принимать обоснованные решения по управлению объектами и оценке экологических обязательств.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет исследовать пути деградации загрязнителей путем отслеживания минерализации до CO2 как конечного метаболита.
- Практическая ценность: использует эндогенный изотопный сигнал (отсутствие 14C) в загрязнителях ископаемого происхождения, что исключает необходимость использования экзогенных трейсеров.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Позволяет получать количественные данные о потоке CO2 и радиоуглеродном анализе для расчета процента дыхания, обусловленного разложением загрязняющих веществ.
- Практическая ценность: Объединяет методы улавливания газа и кулонометрии для стандартизированного и воспроизводимого измерения скоростей биодеградации в различных точках отбора проб.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Оказывает поддержку моделированию систем, имеющих значение для изучения заболеваний, путем установления связи между потерей массы загрязняющего вещества и выработкой CO2 с помощью моделирования зоны влияния.
- Практическая ценность: Позволяет осуществлять пространственное и временное масштабирование скоростей биодеградации от микрокосмов до оценок в полевых условиях.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод объединяет анализ судьбы загрязняющих веществ на этапе обнаружения с прогностическим моделированием для принятия решений о целесообразности дальнейшего проведения работ в рамках процессов рекультивации окружающей среды.
- Биология открытий: Отслеживание минерализации углеводородного скелета до CO2, что дает прямое доказательство деградации загрязняющего вещества.
- Скрининг: Получение количественных показателей скорости дыхания CO2 и изотопного распределения для сравнительного анализа условий.
- Аналитика: Использование кулонометрического количественного определения CO2 и измерения радиоуглерода для распределения источников с помощью двухкомпонентных моделей смешивания.
- Трансляционные исследования: Связь точечных измерений с деградацией в масштабе шлейфа с помощью моделирования зоны влияния с использованием MT3DMS и MODFLOW.
- Корпоративное повторное использование: Создание стандартизированного протокола для долгосрочного мониторинга и сравнительной оценки участков в рамках проектов по рекультивации.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: обеспечивает достоверность прогнозов минерализации загрязнителей путем измерения стабильного, независимого от процесса конечного изотопного значения.
- Операционная ценность: гарантирует воспроизводимость за счет стандартизированных этапов улавливания газа, подкисления и кулонометрического детектирования.
- Стратегическая ценность: снижает риски на поздних этапах рекультивации, позволяя проводить раннюю прямую проверку гипотез о биодеградации.
- Влияние на портфель: способствует приоритизации участков с учетом рисков на основе количественно определенных скоростей деградации и смоделированных зон влияния.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области радиоуглеродного анализа, газовой хроматографии и моделирования подземных вод.
- Зависит от наличия инфраструктуры для улавливания CO2 (ловушки с NaOH), оборудования для кулонометрии и программного обеспечения для моделирования MODFLOW/MT3DMS.
- Необходимо согласование стандартов работы между группами полевого отбора проб, лабораторного анализа и моделирования.
- Требуется учет особенностей адаптации к различным типам почв, потокам подземных вод и фоновым уровням радиоуглерода.
- Включает практические ограничения, такие как риск загрязнения атмосферным CO2 во время отбора проб и необходимость продувки реагентов инертным газом.
Часто задаваемые вопросы о биофармацевтике
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
