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Environment

측정 탄소 기반의 오염 물질 무기화 결합 된 CO를 사용하여 doi: 10.3791/53233 Published: October 21, 2016

Abstract

방법은 자주 환경 오염 석유 원료로부터 제조 산업 화학 연료의 방사성 탄소의 부재를 사용하는 설명한다. 오히려 또는 신호의 부재 - -이 방사성 탄소 신호는 균등 (추가 추적 달리) 오염 물질 소스 풀에 걸쳐 분산되어 생물학적, 화학적 또는 물리적 과정 (예, 14 C 방사성 붕괴 속도는 불변)에 의해 영향을받지 않습니다. 화석 유래 오염 물질은 CO 2가 더 방사성 탄소를 포함하지 않는 것, 2, 무해한 최종 제품을 공동 완벽하게 저하 된 경우. 자연 유기 물질 (NOM) 저하에서 파생 된 CO 2 (보통 <30,000년 세)을 NOM의 방사성 탄소 함량을 반영합니다. NOM (a 사이트 배경)에 대한 공지의 방사성 탄소 함량을 주어 두 단부 부재 믹싱 모델은 주어진 토양 가스 또는 지하수 샘플 화석 자원에서 유래하는 CO 2를 결정하기 위해 사용될 수있다. 상기 p- 커플 링이산화탄소 호흡률과 오염물로부터 유도 ercent CO 2 단위 시간당 저하 오염물의 총량에 대한 추정치를 제공한다. 마지막으로, 사이트 CO 2는 단위 부피 당 오염물 열화 판정 허용 수집되는 부피를 나타내는 영향 영역 (ZOI)를 결정하는 단계를 포함한다. 전체 오염 물질에 대한 추정과 함께, 궁극적으로 의사 결정 사이트 관리자에 의해 사용 달리 간 교정 시간 또는 계산하기 위해 사용될 수있다.

Introduction

환경 정화 비용은 수많은 오염 된 사이트는 미국 및 해외에, 엄청난 수 있습니다. 이것은 경제적으로 (예는, 더 이상의 조치가 필요하지 않습니다) 응답 완료 (RC) 상태에 도달에 필수적인 혁신적인 치료 및 모니터링 전략을합니다. 전통적으로 수렴 증거 라인은 현장 생물학적, 비 생물학적 오염 물질 변환, 또는 자연 감쇠의 다른 형태로 입증했다. 증거 라인 절대적 열화를 확인하거나 현장 조건 1 하에서 오염물 분해 속도 정보를 수집하기 위해 사용될 수 없다. 절대적으로 교정을 확인하기 위해 비용 효율적으로 이러한 데이터를 자주 권장 된 치료 시간 척도 (들)을 예측하는 데이터의 광범위한 수집,하지만 연결은 2 ~ 4 문제가되고있다. 가능한 한 적은 비용으로 가장 현실적이고 완전한 사이트 개념 모델 데이터를 얻는 것은 궁극적 사이트 관리 목표입니다. 또한, 레귤레이터 및 stakeholDER 요구에 가장 적절한 유용한 비용 효과적인 정보를 획득하기위한 추가적인 드라이버를 나타낸다. 오염 물질 이직률에 대한 강력한 증거를 제공 할 수있는 상대적으로 저렴한 방법을 정리 목표를 달성하기위한 최고의 가치를 제공합니다.

뚜렷한 동위 서명 탄소 계 오염 물질을 사용할 수 있기 때문에, 탄소의 동위 원소는 최근 필드 위치 5-13에 오염물 감쇠 처리를 이해하는데 적용되었다. 소스가 레일리 증류 속도론 (후기 CF 5,6)에 기초하여 감쇠되는 경우 탄소 안정 동위 원소를 결정하기 위해 사용될 수있다. 또는 (초기 안정적인 탄소 동위 원소 비율이 도출 될 수있는)은 동위 원소 고유의 "시작"유출을 대표하지 않습니다 - 오염 물질이 혼합 된 소스의 경우이 방법이 편리하면서 제한 될 수 있습니다. 자연 풍부한 방사성 탄소 분석은 대안을 나타냅니다 (아마도 상보) 동위 원소 일탄소 계 오염 물질의 분해를 측정하기위한 rategy 2, CO합니다. 연료 및 석유 원료에서 파생 된 산업 화학 물질은 대기의 우주 방사선의 반응에 의해 생성 된 14 C가 들어 현대 (적극적으로 순환) 탄소 14 C 상대의 완전히없는 것입니다. 안정적인 탄소 동위 원소 분석, 그리고 14 C 붕괴는 크게 물리적, 화학적 또는 생물학적 과정에 의해 영향을하지 않는 한 방사성 탄소 분석 분류 적용되지 않습니다. 또한, 14 C 신호 - 또는 그 부족 - 석유 유래 물질의 균일 그것은 완전히 혼합 추적하고 오염 물질 풀 전체에 배포됩니다. 여기에 설명 된 기술은 CO 2가 14 C.의 쉽게-측정 가능한 금액을 포함 NOM을 분해 미생물에서 생성하는 동안 화석 유래 오염 물질에서 생성 된 CO 2가 14 C없는 것입니다 관찰에 의존 자질14 CO 2는 하나 직접 무해한 최종 제품에 전체 오염 물질의 분해 (즉, 광물)을 연결할 수 있습니다.

14 CO 2 분석은 화석 연료 유래의 오염물 분해 생성물 7-13을 수행하는 데 사용되었다. 이는 대략 천 (‰) 당 1,100 부이다 끝 회원 (화석과 현대) 사이의 분석 해상도입니다. 일반적으로, 가속기 질량 분석 (AMS)은 자연 풍부한 방사성 탄소를 해결하는 데 사용됩니다. 대기 CO 2 (~ + 200 ‰) 생활 바이오 매스 (~ + 150 ‰)와 토양 유기물에서 파생 된 CO 2 (~ -200- + 100 ‰)의 화석에서 파생 된 CO 2 (-1,000 ‰)에서 모든 분석적으로 구분된다. 이것은 대략 6천년의 반감기 14 개 C의 완전한 붕괴에 기인한다. 활성 탄소 순환에서 제거 수백만 년이다 석유 원료에서 파생 연료 및 산업용 화학 물질, 별개의 방사성 탄소 서명 (- AMS에는 탐지를 의미하지 -1,000 ‰ ≈ 0 % 현대)가 있습니다. 측정은 간단하고 시료의 오염의 관점에서, 대부분의 잠재적 편향 (현대 CO 2 시료 오염) 보수적 향해있다. 예를 들어, 대기 CO 2는 방사성 동위 원소 서명을 증가함으로써 열화 속도를 과소 야기 샘플 들어가고.

CO 2는 방사성 탄소가없는 것입니다 화석 연료 기반의 오염 물질 분해에서 진화. 아니 오염와 배경 사이트, 자연 유기 물질 (NOM)에서 CO 2 호흡에 NOM에 나이 적합 할 것입니다. 깃털 내에서 또는 변두리에서 오염 물질 유래 CO 2 0 % 현대 탄소있을 것이다. 화석 소스에서 파생 된 NOM 소스와 CO 2에서 CO 2 모델 11 혼합이 최종 멤버로 구분 될 수있다. 에스티마하는 것이 가능하다오염 물질에 기인 전체 CO 2 풀 (호흡 탄소)의 비율을 테. 필드 사이트에서 단독으로이 비율, 화석 탄화수소 또는 산업용 화학 물질의 산화를 사용은 7-13 확인되었다. CO 2 유래 오염 물질이 비율이어서 총 CO 2 광물 속도와 결합 될 수있다 (단위 부피 당 수집 된 모든 CO 2) 극한 오염물 광물 비율을 결정한다. 이 감쇠율을 가정 한 후 위치 고정에 필요한 시간을 추정 할 수있는, 소정의 위치 조건에서 계속된다.

기술은 방법이 개방 갖는 또는 폐쇄 시스템 (14) 디자인과 토양 지평선 CO 2 플럭스를 결정 사용할 수 있습니다. 닫힌 시스템 플럭스 챔버 및 가스 유량 모델은 오염 된 토양 12,13,15-17 순 호흡을 결정하는데 사용되어왔다. 이러한 연구에서, 공간적 직접 측정 오염물 플룸와 backgrou에와 연관된차 분야는 유기 오염 물질의 생분해를 강화 보였다. 다양한 모델링 방법은 사이트 체적 수직 광속 측정을 조절하는 데 사용되었다. 이 연구의 목적은 오염 물질의 호흡을 결정하기 위해 수집 속도를 사용하는 동안 대기 CO2 오염 (밀봉 웰)로부터 영향을받지 않고 AMS 분석 (~ 1 mg)을위한 충분한 CO 2를 수집하기위한 방법을 개발 하였다. 마지막으로, 영향의 영역 (ZOI)를 모델링하는 것은 궁극적으로 3 차원 (볼륨)는 허용 단위 당 볼륨 및 단위 기준 당 염소화 탄화수소 (CH) 변환을 결정하는 측정을 확장합니다. ZOI 하나는 호흡과 방사성 탄소 측정에서 가져옵니다 얼마나 많은 볼륨을 확인할 수 있습니다. 상기 방법은 오라이 오염시키기 위해 수집 된 CO 2 배분하는 두 단부 부재 모델을 이용하여, 수집 된 CO 2의 방사성 탄소 함량을 측정하는 NaOH를 트랩을 통해 잘 헤드 스페이스 가스를 재순환하여 CO 2 진화 트래핑 이루어져진 후 부위 특이 지하수 모델에 의해 계산 된 부피로 측정을 스케일링. 단지 평형 처리하는 인접 ZOI에서 CO 2 "풀"되도록 웰 헤드 스페이스 가스가 재순환된다.

Protocol

1. 준비 및 현장 설치

  1. 필요한 필드 장비 조달; 펌프 전력 (배터리, 태양 전지, 트랜스 등), 튜빙 아니라 뚜껑 피팅 샘플 바이알 병, 프로브 (PH, 어 등), 저압 펌프.
  2. 배터리 구동 공기 펌프를 밀봉합니다. 펌프 하우징 (사이즈 53) 및 (예를 PFA 용) 플라스틱 가스 불 투과성 튜브 "1/16의 경로 짧은 조각 (3-5)"에 구멍을 뚫습니다.
    1. 실리콘 실란트의 코트 뒤에 해양 실란트와 (하부 고무 하우징 정도) 펌프의 모든 외관 부분을 밀봉합니다.
    2. 압력 유출을 차단하면서 부드럽게 주택 튜브에 불어 펌프를 테스트합니다. 시각적으로 누수가 있는지 확인합니다.
      참고 : 공기 누출 (. 그림 1)이 존재하지 않는 경우는 가벼운 압력을 유지해야한다.
  3. 필요한 경우 모니터링 우물을 설치 (기존 우물을 사용 하였다 본 연구에서 - VADOSE에 걸쳐 상영 : 지하수 인터페이스) (18) 참고 : 한 우물 배경 잘 오염 된 사이트의 위치를 ​​나타내는해야합니다 -하지만 알려진 석유 기반의 오염.
  4. 18 설명 된대로 그들은 (등 수리 전도도, 대수층 다공성, 토양 밀도, 특정 수율, 유압 그라데이션 등)이 존재하지 않는 경우 예비 지하수 모델링 데이터를 얻습니다. 영향의 영역 (ZOI) 모델 (이산화탄소 포집 영역의 추정)를 개발하기 위해이 데이터를 사용합니다. 상기 추가 재료 (18)의 설명에 따라 ZOI 모델을 준비한다.
  5. 100 ml의 혈청 병 ~ 25g의 수산화 나트륨 및 전송을 계량하여 CO 2 트랩을 준비합니다. 격막과 혈청 병 캡 단단히 압착. 각 컬렉션도 (그림. 2), 플러스 필드를 비워 위해 트랩을 준비합니다.
  6. 초기의 pH, 용존 무기 탄소 (DIC) 농도 및 양이온 농도 10,18을 얻기 위해 필요에 따라 초기 지하수 샘플링을 실시한다. 40 ml의 휘발성을 채우거나ganic 분석 (VOA) 유리 병은, 지하수 (뱃 바닥에 괸 물을 퍼내는 통해 샘플, 연동 펌프, 진공 라인)와 볼록 메 니스 커스에 바닥에서, 포화 CuSO 4 용액 (19)의 5 방울을 가하여, 적은과 (격막 캡을 사용해야합니다) 단단히 모자 가능한 천정 공간.
    1. 다른 분석을위한 추가 바이알 (예를 들어 오염 물질의 농도를) 가져 가라. 미터는 현장에서 사용할 수없는 경우 pH 측정에 대한 unpreserved 유리 병을 사용합니다. 실험실에 냉장 및 전송.
  7. 경로를 각 웰에 접지 또는 다른 편리한 수단을 따라 (~ 1A를 수행 할 수) 전원 선. 수정 된 펌프를 부착 (1.2 참조) 펌프가 (이 작업들을 할 수 있어야한다) 작동해야합니다.
    참고 : 펌프 (. 그림 3)를 12 V를 수용하지만 전원을 절약하기 위해 낮은 전압을 사용할 수 있습니다.
  8. 수정 기밀 아니라 모자와 모자 우물.
    1. 1/1 단단히 맞추기 위해 캡을 통해 모자, 드릴 두 개의 구멍 (드릴 크기 53)를 준비하려면6 "가스 라인. 캡을 통해 노선이 가스 라인.
    2. 이 지하수 테이블 (그림. 4)에 근접에 달려있다 있도록 한 줄을 당깁니다. 순서 라인을 아래로 무게에 끝에 무거운 스테인리스 너트를 부착합니다.
    3. 다른 라인 바로 캡 아래 경로 (이 가스 회수 라인 될 것입니다). 코트 충분한 진공 그리스로 밀봉 표면 스레드는 공기 교환을 억제한다. 잘 캡에 조입니다.
    4. 루트 펌프 흡입구에 낮은 튜브. 경로 격막을 통해 # 16 게이지 바늘을 사용하여 CO 2 트랩 (수산화 나트륨)에 펌프에서 가스 라인. 국도 바로 뚜껑 아래에 종료 가스 라인 (두 번째 # 16 바늘을 사용) 트랩에서 복귀 라인.
    5. 이 잘 헤드 공간의 양에 따라 달라집니다 (전원을 공급하여 펌프를 시작하고 적어도 30도 볼륨을 수집합니다. 그것은 즉, 지하수 테이블에 잘 반경 (R) 및 예상 거리 (L)로 계산 될 수있다, πr 2리터). 초기 트랩을 폐기 (헤드 스페이스를 취소합니다).
    6. 제거하고 각 병의 격막에서 바늘을 꺼내 새로운 병의 격막에서 그들을 넣어 실험 CO 2를 수집하기 전에 신선한 트랩으로 교체합니다. 펌프 턴 - 온 시간과 날짜를합니다.

2. 초기 샘플 분석

  1. coulometry (20)에 의해 DIC를 측정하려면 :
    1. 전송 세중 격막으로 캡핑 40 ㎖의 혈청 유리 병 1 ML의 부 표본. 1 ml의 80 % H 3 PO 4 부 표본을 산성화. 공동 2 - 무료 공기 흐름에 살포.
    2. 순차적 인 마그네슘 (C10의 4 개) 2 실리카겔 (230 내지 400 메쉬, 60 Å) 트랩에 맞춰 진화 된 CO 2 가스 흐름과 스크럽을 건조. 버블 비색 분석이 CO 2를 정량화하는 데 사용되는 전기량 셀에 가스 스트림. 측정 (21) 교정 인증 표준 물질을 사용합니다.
  2. 법안표준 교정 pH 미터를 사용하여 pH를. 사이트 또는 보존 샘플에서의 pH를 측정한다.
  3. 이온 크로마토 그래피에 의해 용해 된 양이온을 측정한다 :
    1. 피펫 5ml를 unpreserved 지하수 샘플 튜브를 자동 시료 주입기합니다. 이온 크로마토 그래피에 결합 된 오토 샘플러 총액 튜브 및 장소.
    2. 분석 10,18의 양이온 특정 열을 사용합니다. 용리액 및 크로마토 그래피 흐름으로 설정 ~ 0.7 ml의 분 -1로 20 mM의 메탄 설 폰산을 사용합니다.
    3. 정제 된 물을 사용하여 1 : 4.5 : 1 : 3, 2 : 3, 3 : 2, 4-6, 양이온 (최소한 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 및 K를 함유하는) 표준 0.5 원액을 희석. 분석의 시작 부분에 각 25 미지 시료 후 이러한 표준을 실행합니다. 각 샘플 (세중에서) 세 번을 실행합니다. 피크 면적 대 양이온 농도를 플로팅 및 선형 회귀를 생성하여 표준 곡선을 작성합니다. 필드 샘플 따라 10,18을 분석합니다.

3. 측정 CO 2 생산D 무기화 속도 현장

  1. 후 약 2 개월 (현장 미생물의 신진 대사 속도에 기반 사이트로 사이트에서 가장 가능성이 달라질 수)에 2 주, 그것들을 분리하여 펌프의 전원을 차단.
    1. 재순환 가스 트랩의 경우, 바늘을 제거하고 "신선한"CO 2 트랩으로 교체합니다. (CF.도 3)를 밀봉하는 경우 트랩 장기 저장에 안정하다.
  2. 하면 분석 준비가 소비되지 않은 남아있는 (고체)의 NaOH를 용해 및 희석 량을 구하는 부피 장치 전체 액체 내용물을 옮긴다. 격막 40 ml의 유리 병 및 전송 부 표본 (5 ~ 10 ㎖) (완전 남은 수산화 나트륨을 용해 예를 들어 200 ml)에 전체 볼륨을 결정합니다.
    1. 살포 50 % (v / v) 인산을 주입함으로써 산성화하고 coulometry 의해 얻어진 가스 스트림을 (2.1 참조)를 분석한다.
    2. 수동 전체 있습니다 volum에 표본을 스케일링함으로써 이산화탄소 회수율을 계산전자 및 수집의 시간 (즉, X 하루 g의 CO 2). 필드 빈 CO 2의 컨텐츠를 뺍니다. 완전 용해 된 NaOH 200㎖의 경우, 예를 들면, 총 2 CO 농도를 반영 20 10 ML의 표본을 곱한다.
      참고 :이 샘플 수집 후 14 일을 표시하는 경우, 회수율 14 일로 나눈 확장 CO 2 농도 것이다. DIC 초기 농도에 대하여 CO 2 포집 률을 플롯. 상관 관계가 없다면, 회수율은 평형 반응 속도의 유일한 기능이 아니다.
    3. 수동 평형 반응 속도를 고려 샘플링 기간 동안 다른 모든 웰의 회수율에서 낮은 회수율을 감산하기 위해.
      참고 : 예를 들어, 낮은 회수율 0.0001 밀리그램 D -1 인 경우, 이는 단독으로 평형 컬렉션을 나타내는 보수적 설정하고 다른 모든 포집 율이 일을 구하도록이 값을 감산분해에 의한 전자 CO 2 생산율. 스케일링 비율 (일부 오염 물질 광물을 포함 할 수있는 가장 낮은 비율로 보수적 인) 유기 탄소 광물의 속도입니다.
  3. 방사성 탄소 함량 (22)을 결정하기 위해 가속기 질량 분석 (AMS)에 의해 나머지 CO 2를 분석 할 수 있습니다. 이 분석을 위해 약 1 mg의 탄소를 사용합니다. 충분한 CO 2를 수집하는 수집 시간 (들)을 확장 할 수 있습니다. 물질 수지 (빈 필드에 CO 2 량 확장 방사성 탄소 측정)에 의해 빈 분야에서 방사성 탄소 함량을 뺍니다.
    참고 : 기술 테스트 사이트의 경우, 이주 컬렉션은 1 mg의 탄소를 얻기 위해 적절한 이상이었다.

CO 2 샘플링 된 토양의 양을 추정 4. 모델에 미치는 영향의 영역

  1. CO 2 확산과 평형을 시뮬레이션 할 ModelMuse 인터페이스 (25)를 통해 MODFLOW-2005 (24)와 결합 MT3DMS (23)를 사용하여우물 스크린 (비디오 1)와 연관된. 모델의 해상도는 약 웰의 단면과 동일하고 ZOI 추정을 위해 적절한 것으로 간주이다 0.09 m 0.09 m이다.
    1. 다운로드 및 설치 MODFLOW-2005 (http://water.usgs.gov/ogw/modflow/MODFLOW.html#downloads), MT3DMS (http://hydro.geo.ua.edu/mt3d/), 및 ModelMuse (HTTP : //water.usgs.gov/nrp/gwsoftware/ModelMuse/ModelMuse.html).
    2. MODFLOW 프로그램 위치에 ModelMuse를 구성합니다. /bin/mf2005.exe : 이렇게 "모델"메뉴를 클릭 한 다음 다음 MODFLOW-2005 프로그램 설치 디렉토리에 프로그램을 가리켜 "MOFLOW 프로그램 위치를 ..."을 선택합니다. 이 같은 대화 상자에서 MT3DMS 프로그램 위치 (: /bin/mt3dms5b.exe 설치 디렉토리)로 ModelMuse을 구성합니다.
    3. MODFLOW 패키지 및합니다 (ModelMuse 이내) 프로그램을 구성합니다. 이렇게하려면 "모델"메뉴를 선택한 다음 "MODFLOW 패키지 및 프로그램 ...을.". 에서 "흐름"LPF를 선택 :4, 계층 부동산의 흐름 패키지 ".
    4. . BTN "선택"MT3DMS를 "선택"지정 - 헤드 패키지를 시간 변형을 :..에서 "경계 조건,"선택 "지정 머리를,"다음 CHD를 선택 기본 전송 패키지 "2 CO하는 모바일 종을 설정합니다.
    5. ModelMuse 내 MODFLOW 옵션을 구성합니다. 이렇게하려면 다음 "모델"메뉴, MODFLOW 옵션을 선택합니다. "옵션"탭에서 모델 단위 (미터, 시간, g (그램))을 설정합니다.
    6. "모델"메뉴에서 다음을 선택하여 MODFLOW 시간 구성 "MODFLOW 시간을." 360 길이 스트레스 기간을 사용하면 15 일 동안 시뮬레이션을 실행해야합니다.
    7. 구성 MODFLOW 데이터 선택 "데이터"메뉴를 선택하여 설정합니다 "데이터 설정합니다." 관심의 사이트에서 데이터를 입력 : 문학 (3 차원으로 K 값을 초기 머리를 MODFLOW, MODFLOW는 머리를 지정); MT3DMS : (확산 계수 CO 2, 초기 농도의 CO 2 종 분산 능).
    8. 이자형DIT 전역 변수. 선택, '데이터'메뉴를 선택 "전역 변수를." (사이트)를 CO 2 포집 률 초기 CO 2 농도를 입력합니다.
    9. 실행 시뮬레이션. 시뮬레이션을 시작 상단 아이콘 표시 줄에있는 녹색 화살표를 누릅니다. 메시지가 표시되면 입력 파일을 저장합니다. 시뮬레이션이 실행됩니다. 실행 후, 수출은 입력 파일을 MT3DMS : "파일"메뉴에서 다음 "내보내기"를 선택한 다음 입력 파일이 MT3DMS을 선택합니다. 시뮬레이션 컴파일 및 내보내기 데이터 것입니다.
    10. 관찰 및 출력 모델 결과. 아이콘 표시 줄의 시각화 아이콘을 클릭합니다. 시뮬레이션을 선택합니다. X, Y 및 Z 축에서 출력 ZOI 경계 값
      참고 :이 모델은 CO 2 수집에 대한 영향의 영역 (전체 모델 개발이 지원 자료에서 사용 가능한 보고서 양식에 설명되어 있습니다) 18을 나타냅니다. 유압 구배에 대해 대칭이 95 % 이하의 이산화탄소 농도를 표시하고있다 대수층의 체적으로 정의된다 ZOI,이는 건기 동안 작은 유압 그라데이션 이류 과정의 상대적으로 작은 영향을 제안합니다. 또한 분석은 CO 2 고갈과 대수층의 볼륨 (즉, <99 %)이 훨씬 더 downgradient 익스텐트을 나타냅니다.

볼륨 5. 커플 방사성 탄소 CO 2 생산 속도와 내용 및 규모 (ZOI 포함)

  1. 표준 공식 (22)를 사용하여 밀 표기 당에 (필요한 경우) 방사성 탄소 나이를 변환합니다. 식에 알려진 (Δ 14 C의 NOM)과 배경 잘 방사성 탄소 값을 사용합니다 (1). Δ (14) C 석유는 알고 (-1000)입니다. Δ (14)에 대한 개별 잘 값 CO 2를 사용합니다. 분수 석유에 대한 해결.
    (1) Δ 14 CO 2 = (Δ (14) C 석유 X 분수 석유) + [Δ (14) C NOM × (1 - 분수석유)]
  2. 오염 물질 광물 속도를 결정하기 위해 CO 2 광물 속도 (3.1)에 의해 분수 석유를 곱하면 (즉, 50 % X 1.0 mg의 D -1 = 0.5 mg의 오염 물질 탄소 D-1).
  3. 계산 된 부피의 ZOI 오염물 광물 레이트 나누기하면 (4) 단위 량 (예를 들어, 0.05 mg을 C의 m -3 D-1)에 따라 단위 시간당의 오염물 질량 광물을 결정한다.

Representative Results

테스트 사이트에서 역사적 CH 오염은 중앙 잘 클러스터 (MW-25-MW-30) 내에서 셔먼 도로 (그림. 5) 근처에서 가장 높은있다. 1983 년 오염의 많은 부분은 매립지 (시험 장소의 북쪽)에서 제거하고 추가 발굴 특히 전 피트 (셔먼 도로) 근처 소스 제거 후 감소하고 2001 년 CH 농도에서 발생하지만, 지속적인 깃털은 계속 중앙 웰 클러스터 영역에 존재한다. 계절 비는 일시적으로 토양 27 CH 농도 및 잔류 오염 탈착이 증가하는 것으로 알려져있다. 지역의 토양은 주로 전 준설 모래입니다. 고대 탄산염 바위가있는 경우 설명 된 방법으로 가능한 간섭이 존재할 수, 지하수의 pH가 매우 낮은 (<~ 5). 이 탄산 용해 및 생성 된 CO 2의 고대 신호가 발생할 수 있습니다. 유의 CaCO3를가 알려져 있지 않다영역에, 그럼에도 불구하고, 양이온 및 pH를 측정하고, 회귀 및 주성분 분석 (PCA)을 실시. 주요 관심사는 낮은 pH는 탄산 칼슘 바이어스 방사성 탄소 분석 (산성 물에 의해 용해 된 경우 고대 탄산 바위 고대의 CO 2를 제공 할 수있다) 수 (CaCO3를) 용해를 촉진 할 수 있다고했다. NA + 콘텐츠 사이트 (바다에 가까운)의 남쪽 측 가장자리 높았지만 값은 크게 해수 침입을 나타내는 범위 없었다. 칼슘 이온 농도는 8.0 mg을 58 L였다 -1. 산도 (R (2) <0.3)에 칼슘 이온 농도를 관련시 탄산염 용해 표시되지 않았다. PCA의 이중 플롯은 변수로 강한 하중을 표시하지 않았다. 사이 웰 차이는 탄산 용해 (그림. 6)을 표시하지 않았다. 새로운 사이트에 대한 방법론을 채택 할 때 구조적 분석은 중요한 고려되어야한다 - particul중요한 탄산 바위를 나타내는 지역 지질학있는 사람을 아 흘리.

이산화탄소 생성 속도는 0 내지 34 mg의 CO 2 차원 -1였다. CO 2 생산은 과거 오염이 가장 높았으며, 지역의 중앙 아니라 클러스터 (그림. 5)에서 가장 낮았다. 잘 MW-01 CO 2 생산 (배경 잘 - 도시하지 않은,하지만 ~ 500m의 주요 잘 클러스터의 노스 웨스트는) 31 mg을 CO에서 매우 높았다 2-1). 호흡이 0.03 내지 6 % CO 2 범위의 표준 오차를 가지고 있었고, 1 % (0.98)의 평균 복제 분석. 두, 2 주 기간 건기 측정은 다음 계산을 위해 평균되었다. 호흡 측정은 각각 2 주간의 기간 사이에 크게 변화하지 않았다. 기간 호흡 사이에 표준 오차는 <1 51 %였다하지만 13 % (표 1) 평균. Respirati평균화에 1 개월간 동안 제거 단일 CH 볼륨을 산출시켰다. 배경도 (MW-01) 본 (YBP) 또는 85 % 현대 (PMC) 전에 1,280년의 방사성 탄소 연령이 있었다 - 세 토양 유기물 (26)에 대한 공통의 범위 내에서. 이 웰의 값은 동위 원소 혼합 모델에 대한 배경으로 사용 하였다. 일반적으로 가장 정체 조건 외삽 추정에 대한 따라서 보수적 인 생각 - 샘플링 한 달 총에 한정 되었기 때문에 다시, 같은 시즌 동안 두 백 - 투 - 백 기간은 건기」의 표시 "로 사용되었다. DIC 생산율과 같이, 방사성 측정 개별 2 주 기간과 유사 하였다. 주기 사이의 표준 오차는 0.25에서 18 %였다 6 % 평균. CO 2 방사성 탄소 연령 ~ 34 85 PMC 나 ~ 1,340 8,700 YBP (표 1)였다. MW-27 MW-32, 펌프 누출에 의해 손상 의심 현대 방사성 탄소 발을 가지고 있었다손상으로 단말 및 따라서 확인되었다. 이 샘플은 추가 분석에 포함되지 않았다.

이전 보고서는 ZOI 모델 (26, 27) (표 2)를 개발하기 위해 지하수 유압 및 CO 2 용질의 특성을 사용 하였다. CIMIS 샌디에고 역 (역 ID 184)에서 날씨 데이터 (2007, 2011 및 2012) 대수층의 재충전 속도를 추정하는 데 사용되었다. NOAA의 샌디에고 스테이션 (스테이션 ID : 9410170)에서 동일 기간 동안 조력 데이터 경계 조건을 정의하는 데 사용 하였다. 모델 캘리브레이션 정상 유압 구배 일정한 CO 2 수집 속도를 가정 하였다. 평균 CO 2 포집 요금과 모델을 매개 변수화에 도움을 10 % 유압 그라데이션 증가와 결합 된 최초의 배경 CO 2를 다양한 기업 시뮬레이션. 평균 CO 2 포집 률을 이용하여 보충 시뮬레이션 예에서 약 46 %의 증가를 보였다수집 속도가 2 주 컬렉션 동안 0.00434 g의 HR-1 (10 %) 내지 0.00530 (+ 10 %)로 변경하면 stimated 배경에 CO 2 (즉, GM -3 9.5 6.5로 증가) (표 3) . ZOI 모델에 대한 가정은 무시할 CO 2 포집 기간 동안 CH 저하로 인한 생산 및 최종 시뮬레이션 (그림. 7)을 개발하는 균일 한 초기 CO 2 분포를 포함. 이산화탄소 반응 속도는 연구 사이트에 대한 과소 평가 될 수있다.

ZOI 모델로부터 CO 2 CH 생산 저하에 기인 CO 2 속도 및 추정치를 사용하여 각 웰에서 단위 시간당 질량 CH 제거 산출 하였다. 표 1의 데이터는이 최종 멤버 혼합 모델을 사용 하였다 (당량 (1))를 각 웰에 f를 애완 동물을위한 해결합니다. 사이트에만 CH 콘에 알려져 있기 때문에 오염물 및 다른 CO 2 소스 내에서 또는 현장 근처에서 발견 된, CH 저하는 메인이 CO 2의 기여로 간주됩니다. f를 애완 동물 사이트 (표 4)를 통해 1-60%을이었다. 비율은 CH 열화 율 (표 4)를 계산하기 위해 CO 2 생산율로 카본 기반 변환 및 승산 하였다. ZOI 볼륨 (표 3)을 사용하여, 단위 체적 당 오염물 분해 속도 (표 4)을 결정 하였다. 이 값을 0 ℃에서 32 mg의 m -3 D-1 (표 4) 사이였다. CH 저하가 가장 높은 역사적 CH 오염 지역에서 가장 낮았다 (MW-25 - MW-30). 사이트 주변 (셔먼 도로 근처) 근처 우물에서 가장 높은 CH 저하를 측정 하였다. F 애완 동물 중요한 CH 회전율 (그림은. 8)를 표시하는 동안 CO 2 생산,이 분야에서 높았다.

NT를 "FO : 유지-together.within 페이지 ="1 "> 그림 1
그림 1. 씰링 및 재순환 펌프를 제조. 필드 배포 재순환 펌프를 씰링.

그림 2
그림 2. NaOH를 트랩. 필드 배포에 추가 NaOH를 트랩 120 ml의 혈청 병을 준비하고 밀봉 권축.

그림 3
그림 3. 필드 설정. 와이어 설비가 완비되어 우물 (왼쪽) 잘 (오른쪽)에 배치, 트랩, 태양 광 전력 분배 시스템 (오른쪽 아래)로 라우팅. 웰스는 (배선을 포함하여, 배전 및 펌프 / 트랩) 수집 시스템과 현장에서 복됩니다.

ther.within 페이지 = "1"> 그림 4
그림 4.는 가스 재순환 라인을 보여주는 잘 모자를 수정.이 그림은 가스 입구로 수정 아니라 모자를 보여주고 라인을 돌려줍니다.

그림 5
그림 5. 역사 염소화 탄화수소 오염 (μg의의 L-1)가.이 그림은 시험장에서 역사적 염소화 탄화수소 오염을 보여줍니다.

그림 6
용해 양이온 및 pH를 사이에 공동의 상관 관계를 보여주는 그림 6. PCA의 이중 플롯.이 그림은 테스트 사이트에 대한 수문 지질 데이터 (pH와 양이온)에서 생성 된 PCA 점수와 부하의 이중 플롯을 보여줍니다.

콘텐츠 "FO : 유지-together.within 페이지 ="1 "> 그림 7
평균 CO 2 포집 률 그림 7. 보정 ZOI 모델 (0.0048 GM의 -3). 보정 된 배경 CO 2 농도는 GM의 -3 6.5이고, ZOI 임계 농도는 6.18 GM의 -3 (검은 색 선)이었다. ZOI의 종횡 직경은 각각 2.28 m 0.72 m이었다. ZOI의 깊이는 0.12 m이다. (18)에서 수정. 이 도면은 3 차원의 ZOI 모델의 그래픽 표현을 나타낸다.

그림 8
단위 면적당 단위 시간도 8 오염물 분해율. (18)로부터 수정. 이 샘플링 기간 동안 연구 사이트 위에 CH 대한 보간 된 분해 속도이다.


MT3DMS23를 사용 ZOI의 비디오 1. 개발 - MODFLOW 시뮬레이션 ( 오른쪽 다운로드 클릭 ). 다운로드, 설치, 초기화하고 ZOI에 대한 시뮬레이션을 만들 수 있습니다.

MW-42
δ 13 C
(‰ vpdb에)
Δ (14) C
(‰)
기존의 연령
(YBP)
비율 현대 C
(PMC)
MW-01 -34 -147 1,280 (85)
MW-21 -28 -663 8730 (34)
MW-25 -23 -153 1,340 (85)
MW-26 -25 -298 2,845 (70)
MW-27 -18 ND * ND * ND *
MW-28 -25 -190 1,695 (81)
MW-30 -35 -254 2,365 (75)
MW-32 -20 ND * ND * ND *
MW-34 -32 -283 2,670 (72)
MW-35 -25 -598 7320 (40)
MW-38 -32 -354 3515 (65)
MW-41 -28 -232 2,125 77
-23 -482 5280 (52)
* ND 데이터 없음 - 펌프 누설하지

표 1. CO 2 동위 원소 측정 및 전환. 원고에 사용 된 유닛이 안정 동위 원소와 방사성 탄소 측정 및 전환 CO.

매개 변수 단위
문학
유압 전도도 ML의 시간 -1 0.44 (대수층)
10 (잘)
다공성 (대수층) 0.48 (대수층)
0.99 (잘)
부피 밀도 g cm -3 1.4
특정 수율 3cm cm -3 0.2
유압 그라데이션 mm -1 0.015
CO 2 용질 전송
확산 계수 m 2 시간 -1 5.77 × 10 -5
6.1
분산 능
수평 횡 0.61
분산 능
</ TD> 세로 가로 0.061
분산 능
토양 가스의 CO 2 % 0.56

표 2. ZOI 모델 파라미터. ZOI 모델 및 시뮬레이션에 사용되는 파라미터.

<TD> 17.6
컬렉션 평가 수준 컬렉션 평가 배경 농도 ZOI 크기
횡축 깊이 음량
(g / 시간) (g / m 3) (엠) (m 3)
최고 0.0131 2.47 0.77 0.13 0.193
평균 0.0048 6.5 2.28 0.72 0.12 0.176
최저한의 0.0003 4 2.16 0.68 0.11 0.149

표 3. ZOI 모델 출력. ZOI에 대한 모델 출력. 이 테이블은 ZOI위한 입체 볼륨을 설명한다.

f를 애완 동물
(%)
오염 물질의 분해 속도
(mg의 C D -1 ± 10 %)을
단위 부피 당 오염 저하
(mg의 C의 m의 -3 d를 -1 ± 15 %)
MW-01 0 NA NA
MW-21 (60) 5.6 (32)
MW-25 ¥ 1 0 0
MW-26 (18) 0.18 1
MW-28 (5) 0.017 0.098
MW-30 (12) 0.34 1.9
MW-34 (16) 0.1 0.58
MW-35 (53) 3.6 (20)
MW-38 (24) 1.4 8.1
MW-41 (10) 0.44 2.5
MW-42 (39) 1.7 9.8
NA 해당 사항 없음 - MW-01의 배경으로 사용 (예를 들어, 아니 오염)
¥ 것으로 가정 순수 평형 중심 (예를 들어, 아니 호흡)

표 4. 확장 된 오염 물질 분해 추정. 단위 시간 및 샘플링 우물 용 단위 부피당 오염 물질 분해에 대한 예상.

Discussion

프로토콜은 전체 사이트 오염 물질의 분해를 결정하기 위해 오염 물질 (들) 및 ZOI에서 속도 측정, 비율 광물을 결합하는 것을 목표로하는 설명한다. 핵심 구성 요소는 ZOI 모델을 생성하는 연관시키는 동시에 오염물 분해로부터 유도 된 양을 제공하는 AMS의 방사성 분석에 충분한 양 (~ 1 mg)를 상기 호흡 CO 2 수집 시간 동안 CO 2 생산을 (보정 광물)을 측정하고, 토양 ㆍ 지하수 (또는 둘 다)의 공지 된 양으로 캡처 CO 2. 이러한 세 가지 구성 요소는 (예를 들면, GM -3 D-1)의 단위 시간당 단위 부피당 저하 오염물의 양에 대한 각각의 샘플링 포인트에서 전체 계산에 도달하기 위해 결합된다. 반복과 지리적으로 분산 된 측정 사이트 관리자가 공간 및 tempor 추정 할 수 있습니다 (긴 시간 규모에 걸쳐 서브 샘플링 사이트를 포함하는 우물)을 통해 계산을 확장알 저하 역학 규제 및 이해 관계자에 적절히 대응하고.

기술 된 프로토콜은 잘 헤드 스페이스 가스로부터 트랩 밖으로 CO 2 순환 펌프 또는 장기 배포 패시브 샘플러 (현재 개발중인 전략)을 사용합니다. 그 이유는 여러 배이다. 주로, 충분한 CO 2 방사성 측정 (~ 1 mg)을 얻기 위해 수집되어야한다. 공기 교환 트랩 토양 호흡 장치 (예를 들면 Licor 플럭스 챔버)를 사용하여 : 호흡 속도는 표토를 이용하여 측정 할 수있다. 따라서 아마도 측정 바이어스 -이 방법은 비동기 방사성 분석에 충분한 이산화탄소를 수집 할 필요 겪는다. 대기 CO 2 (17)의 유입을 차지하면서 공기 CO 2 교환 : 예를 들면, 플럭스 챔버 토양을 측정하기 위해이 장착 될 수있다. 호흡의 비율이 높은 않는 한, 방사성 탄소 측정을위한 충분한 CO 2 포집되지 않을 수 있습니다. 에서이 경우는, 샘플 큰 토양 가스 샘플 또는 12 (DIC)와 지하수에서 취할 수 있습니다. 또한, 토양에서 CO 2 플럭스 측정 : 공기 표면은 플럭스 챔버 또는 트랩에 대기 측면에서 유입에 따라 달라질 수 있습니다. 샘플링 웰 헤드 스페이스 오염의 영역에 신호가 (어느 정도 잘 설치에 따라 다름)하지만 적절하게 대기 유입 (및 대기압에서 생성 된 현대 14 CO 2)에서 제거 "분리". 주요 어려움은 (시간 샘플링) 트랩을 변경하려면를 열지 않고도 우물에서 샘플링됩니다.

재순환 펌프를 사용하여 하나의 웰 헤드 스페이스 샘플을 대기 (14) CO (2) 샘플의 위치를 노출하지 않고 CO를 일정한 간격으로 2 트랩을 변경할 수있다. 또한 한 후 플럭스 및 자연 방사성 탄소 함량을 분석 할 수 있습니다 상당한 CO 2를 샘플링 할 수 있습니다. 재순환 홍보otocol 어려움이없는 것은 아니다. 가장 큰 문제는 현장에서 지속적으로 펌프를 실행할 수있는 충분한 전력을 제공하고있다. (여기에 설명) 초기 실험을 위해, 태양 전지 패널은 각각 2 주 동안 펌프를 실행하기에 충분한 에너지를 제공했다. 전압 로그는 며칠 후, 태양 광 발전이 필요한 전력을 유지할 수없고 펌프 몇 시간 동안 매일 운영되지 않은 것으로 나타났다. 이 플럭스 모델링 및 전체 컬렉션에 중요하지,하지만 충분한 전원을 현장에서 배포 된 하드웨어를 제공하는 어려움을 강조한다. 컬렉션을 현재 실행에서, 펌프에 전력을 모니터링 잘 필드에 깎고 지상 대원에 의해 중단되었다. 여러 개의 전원 선이 절단되었다. 우리는 현재 흡수 CO 2와 나중에 잘으로 인하하고 검색 할 수있는 헤드 스페이스 배치 된 수동 CO 2 트랩을 평가하고있다. 리스크 이익 분석은 주로 웰 헤드를 열어 대기압에서 허용하는 것으로부터 유도 된 리스크 (진행14 CO 2).

이 기술의 주요 제한은 혼합 오염 시스템에서 정확한 호흡 소스를 구별 할 수없는 중간 탄소 계 분해물 (즉, DCE, VC, 메탄)을 설명 할 수있는 것은 아니다. 예를 들어, 현재 위치에서 CH 오염 이외에 과거 연료 탄화수소 오염이 있었다. CHS는 거의 독점적으로 석유 원료에서 만들어집니다. 설명 된 사이트에서 CH 연구 지역에서 주로 고립입니다 - 일부 잔여 석유는 분명히 북한에 존재하는 동안. 아니 석유는이 일을 위해 샘플 우물에서 발견되지 않았다. 그러나, 혼합 오염 현장에서, 전체 광물 속도는 한 개인 또는 오염 물질의 클래스에 넥타이 어려울 수 있습니다. 이 방법을 사용하면, 하나는 (CO 2) 완전한 CH 열화를 정량화 할 수있다. 오염물 탄소 4 (무산소 상태) CH 변환되면, CH 4 및 # 될 수도(34).이 거리 ZOI에서 확산이 "잃어버린 탄소 가능성 VADOSE 존 호기 부 내에 2 공동 변환한다 이것이 ZOI 내에서 발생하지 않는 경우,보고 된 방법이 고려되지 이때.. 상기 기재된 방법은 조절의 관점에서 바람직하다 보수적 추정을 고려할 수있다. 또한, ZOI 모델링 불확실성이없는 것은 아니다. 시뮬레이션 가정 서브 샘플에서 측정 다공도 및 벌크 밀도 "단수"값에 기초 균질 될 수 있습니다 -하지만 실제로는 거시 및 마이크로 스케일에서 이종되는 인식 제한이 방사성 탄소 차종에서 수집 한 (할 수있는 샘플 당만큼 $ (600)) 자연 풍부한 방사성 탄소에 대한 분석 비용 정보의 확실한 성격 일 수있다.. 상당한 개선이 발생하는 경우 몇 가지 잘 선택한 샘플. 현실은 매우 낮은 비용, 한. 확인할 수 있습니다, 만약 인스턴스 CO 2 관련 w에 대한오염물 플룸 i 번째 백그라운드 사이트 10 방사성 고갈 상대적이다. 낮은 주변의 pH (> ~ 4.8) 상당한 석회석 (CaCO3를) 가진 사이트는이 기술을 적용 가난한 후보가 될 수 있습니다. 고대 탄산 예금은 낮은 pH와 바이어스 분석에 용해 수 있습니다.

단독 측정 방식 (자연 존재비의 방사성 탄소)가 즉시 2 공동 오염물 시츄 전환 확인하는 데 사용될 수있는 기술의 중요성이 상당하다. 이 분석은 결정적이다. 물리적, 화학적 또는 출발 물질의 생물학적 변화에도 불구하고 일정 - 방사성 탄소가 방사성 붕괴를 통해 제외하고는 고갈 될 수 없습니다. (예 : DI 14 C에 대한) 정적 방사성 탄소 측정 (반박 2 CO하는 오염 물질 광물을 나타내는) 배치 샘플을 만들어 14 C-고갈 CO 2가 사이트에 널리 퍼진 경우 바로 확인 할 수 있습니다. 이 인포혼자 기 그것없이 같은 사이트 관리자에게 매우 가치가있다, 그들은 그 오염 물질의 광물이 발생 추론하는 증거의 수많은 간접 라인을 사용하는 데 필요합니다. 다른 하나의 측정은 탄소 계 오염 물질의 완전한 분해를 통해 생성 된 탄소 함유의 CO (2) 사이의 구체적인 접속을 제공 할 수 없다.

미래의 응용 프로그램은 현재있는 우리 그룹은 전체 년 포함하는 시간 해상도를 샘플링 증가 진행되고있다. CO 2를 수집하고 사이트의 공간적 범위에 걸쳐 광물 속도 (들)을 결정함으로써, 우리는 시간이 지남에 따라 오염 물질 분해 모델을 구체화 할 수있을 것입니다. 가장 효과적으로 오염 된 사이트 관리에이 정보는 비판적 위해 사이트 관리자가 필요합니다. 제한된 사용에있어서, 기술이 적용된 세 부위에서 조정기 방법 최종 결과를 인식하고있다. 이 비용 절감 주도 치료 알테을 안내하는 도움이되었습니다rnatives.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Air pump; Power Bubbles 12 V Marine Metal B-15
Marine Sealant 3M 5200 for sealing pumps
Silicone Sealant Dap 08641 for sealing pumps
Tubing for gas recirculation Mazzer EFNPA2
Stopcocks (for gas lines) Cole-Parmer 30600-09 for assembling gas lines
Male Luer lock fittings Cole-Parmer WU-45503-00 for assembling gas lines
Female Luer lock fittings Cole-Parmer EW-45500-00 for assembling gas lines
4" Lockable J-Plug well cap Dean Bennett Supply NSN 2" if smaller wells
HOBO 4-Channel Pulse Data Logger Onset UX120-017 Older model no longer available. Use to monitor pump operation
Serum bottles 100 ml (cs/144) Fisher Scientific 33111-U For CO2 traps
Septa (pk/100) Fisher Scientific 27201 For CO2 traps
Coulometry
Anode solution UIC, Inc CM300-001
Cathode solution UIC, Inc CM300-002
For IC analysis
Dionex Filter Caps 5 ml 250/pk Fisher Scientific NC9253179 Caps for IC
Dionex 5 ml vials, 250/pk Fisher Scientific NC9253178 Vials for IC
If using solar power
Renogy Solar Panel kit(s) Renogy  KT2RNG-100D-1 Bundle provides 200 W
VMAX Solar Battery VMAX VMAX800S For energy storage

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References

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측정 탄소 기반의 오염 물질 무기화 결합 된 CO를 사용하여<sub&gt; 2</sub&gt; 플럭스 및 방사성 탄소 분석
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Boyd, T. J., Montgomery, M. T., Cuenca, R. H., Hagimoto, Y. Measuring Carbon-based Contaminant Mineralization Using Combined CO2 Flux and Radiocarbon Analyses. J. Vis. Exp. (116), e53233, doi:10.3791/53233 (2016).More

Boyd, T. J., Montgomery, M. T., Cuenca, R. H., Hagimoto, Y. Measuring Carbon-based Contaminant Mineralization Using Combined CO2 Flux and Radiocarbon Analyses. J. Vis. Exp. (116), e53233, doi:10.3791/53233 (2016).

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