Sandige Bodenverbesserung durch mikrobiell induzierte Calcit-Fällung (MICP) durch Eintauchen

Zusammenfassung

Hier wird mikrobiell induzierte Calcitfällung (MICP) Technologie vorgestellt, um die Bodeneigenschaften durch Eintauchen zu verbessern.

Zusammenfassung

Das Ziel dieses Artikels ist es, eine Tauchmethode zu entwickeln, um die mikrobiell induzierten Calcit-Fällungsproben (MICP) zu verbessern. Ein Batch-Reaktor wurde montiert, um Bodenproben in Zementierungsmedien einzutauchen. Die Zementierungsmedien können frei in die Bodenproben im Batch-Reaktor diffundieren, anstatt Zementierungsmedien injiziert zu werden. Zur Vorbereitung verschiedener Bodenprobenhalter wurden eine flexible Vollkontaktform, eine starre Vollkontaktform und eine entkernte Ziegelform verwendet. Synthetische Fasern und Naturfasern wurden ausgewählt, um die MIT MICP behandelten Bodenproben zu verstärken. Der gefällte CaCO₃ wurde in verschiedenen Bereichen der MICP-behandelten Proben gemessen. Die CaCO 3-Verteilungsergebnisse zeigten, dass der gefällte CaCO₃ durch die Tauchmethode gleichmäßig in der Bodenprobe verteilt wurde.

Einleitung

Als biologische Bodenverbesserungstechnologie ist mikrobiell induzierte Calcitfällung (MICP) in der Lage, die technischen Eigenschaften des Bodens zu verbessern. Es wurde verwendet, um die Festigkeit, Steifigkeit und Durchlässigkeit des Bodens zu verbessern. Die MICP-Technik hat viel Aufmerksamkeit für Bodenverbesserung weltweit^{gewonnen 1,2,3,4}. Karbonatfällung geschieht natürlich und kann durch nicht pathogene Organismen induziert werden, die in der Bodenumgebung beheimatet sind⁵. Die biogeochemische MikL-Reaktion wird durch die Existenz von ureolytischen Bakterien, Harnstoff und einer kalziumreichen Lösung^5,6angetrieben. Sporosarcina pasteurii ist ein hochaktives Urease-Enzym, das das Reaktionsnetzwerk in Richtung Ausfällung von Calcit^7,8katalysiert. Das Harnstoffhydrolyseverfahren produziert gelöstes Ammonium (NH⁴⁺⁾und anorganisches Karbonat (CO₃^2-). Die Karbonationen reagieren mit Calciumionen, um als Calciumcarbonatkristalle auszufallen. Die Harnstoffhydrolysereaktionen werden hier gezeigt:

Der gefällte CaCO₃ kann die Sandpartikel miteinander verbinden, um die technischen Eigenschaften von MICP-behandeltem Boden zu verbessern. Die MICP-Technik wurde in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, wie Verbesserung der Festigkeit und Steifigkeit des Bodens, Reparatur von Beton, und Umweltsanierung^{9,10,11,12, 13 , 14 , 15}.

Zhao et al.¹⁶ entwickelten eine Tauchmethode zur Herstellung von MICP-behandelten Proben. Bei dieser Methode wurde eine vollkontaktflexible Form aus Geotextil verwendet. Die gefällten CaCO₃ verteilten sich gleichmäßig über ihre MICP-behandelten Proben. Bu et al.¹⁷ entwickelte eine starre Vollkontaktform zur Herstellung von MICP-behandelten Strahlproben nach einem Tauchverfahren. Die mit dem MICP behandelte Probe, die mit einer starren Vollkontaktform hergestellt wird, kann die geeignete Strahlform bilden. Die MICP-behandelte Probe wurde in vier Teile geteilt und der CaCO_3-Gehalt gemessen. Der CaCO_3-Gehalt reichte von 8,4 x 1,5 % bis 9,4 % bis 1,2 Gewichtsprozent, was darauf hindeutete, dass sich der CaCO₃ in den mit MICP behandelten Proben nach dem Immersionsverfahren gleichmäßig verteilte. Diese MIT MICP behandelten Proben erreichten auch bessere mechanische Eigenschaften. Diese MICP-behandelten Bio-Proben erreichten eine Biegefestigkeit von 950 kPa, was der von 20- 25% zementbehandelten Proben (600- 1300 kPa) ähnelte. Li et al.¹⁰ fügten zufällig verteilte diskrete Fasern in den sandigen Boden ein und behandelten den Boden nach der MICP-Tauchmethode. Sie fanden heraus, dass die Scherfestigkeit, Duktilität und Ausfallbelastung des MIT MICP behandelten Bodens offensichtlich durch Zugabe geeigneter Fasern verstärkt wurden.

Die Immersionsmethode für MICP wurde kontinuierlich verbessert^10,16,17. Mit dieser Methode können MICP-behandelte Bodenproben und MICP-behandelte fertige Baustoffe wie Ziegel und Balken hergestellt werden. Es wurden verschiedene Geometriemaße der Probenvorbereitungsform entwickelt. Fasern wurden in den MIT MICP behandelten Proben hinzugefügt, um ihre Eigenschaften zu verbessern. Dieses detaillierte Protokoll sollte die Tauchmethoden für die MICP-Behandlung dokumentieren.

Protokoll

HINWEIS: Alle relevanten Materialien, die in den folgenden Verfahren verwendet werden, sind ungefährlich. Persönliche Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe, Labormantel, Hose in voller Länge, geschlossene Schuhe) werden weiterhin benötigt.

1. Herstellung von Bakterienlösung

1. Vorbereitung des Wachstumsmediums (NH₄-YE mittel)
   HINWEIS: Die Komponenten der Wachstumsmedien pro Liter entionisiertem Wasser sind: 20 g Hefeextrakt; 10 g (NH₄)₂SO₄; und 0,13 M Tris-Puffer (pH 9,0).
   1. Autoklav-Zutaten separat.
   2. 20 g Hefeextrakt und 10 g (NH₄)₂SO₄ in 1 L entionisiertem Wasser mit 0,13 M Tris Puffer auflösen.
   3. Mischen Sie die Komponenten mit magnetischem Rührer nach der Sterilisation.
2. Ausbreitungsverfahren von Sporosarcina pasteurii
   HINWEIS: Verwenden Sie 50 ml Zentrifugenrohre in diesem Experiment.
   1. Die gefrorenen Bakterien in einer Durchstechflasche auftauen.
   2. Öffnen Sie die Durchstechflasche.
   3. 0,1 ml Bakteriensuspension auf ein Zentrifugenrohr mit 10 ml frischem Wachstumsmedium übertragen. Gut von Hand mischen (Impfrate ist 1:100). Wiederholen Sie 5 weitere bakterielle Suspensionen mit Wachstumsmedium. Bereiten Sie ein Steuerrohr nur mit 10 frischem Wachstumsmedium im Inneren vor.
      HINWEIS: Das im Gefrier-/Trocknungsverfahren verwendete Kryoprotektor kann das Wachstum in der Primärröhre hemmen. Die Deckel der Rohre wurden lose angezogen, um den aeroben Zustand zu erhalten.
   4. Alle Rohre in einem Shaker bei 200 U/min bei 30 °C 48 bis 72 Stunden bebrüten. Stoppen Sie die Inkubation, wenn das Wachstumsmedium nach 48 h trüb wird. Andernfalls verlängern Sie die Inkubation auf maximal 72 h.
   5. Zentrifugieren Sie die Röhrchen mit Bakterien und Wachstumsmedium bei 4.000 x g für 20 min.
   6. Entfernen Sie den Überstand, ersetzen Sie ihn durch 25 ml frisches Wachstumsmedium, und mischen Sie ihn gut mit einer Wirbelmaschine.
   7. Wiederholen Sie die Schritte 1.2.3-1.2.6 zweimal, um die Aktivität von Bakterien vollständig zu stimulieren.
   8. Verwenden Sie die Suspension aus den Rohren in Schritt 1.2.7, um mehr Röhren mit 25 ml Wachstumsmedium zu impfen, um die Kultur von Bakterien zu verbessern (Impfrate ist 1:100).
   9. Alle Rohre in einem Shaker bei 200 U/min bei 30 °C 48 Stunden inkubieren.
   10. Zentrifugieren Sie die Röhrchen mit Bakterien und Wachstumsmedium bei 4.000 x g für 20 min.
   11. Entfernen Sie den Überstand, ersetzen Sie mit frischem Wachstumsmedium, und mischen Sie gut mit einer Wirbelmaschine.
   12. Passen Sie die Bakterienkonzentration mit frischem Wachstumsmedium vor den MICP-Experimenten an. Berechnen Sie die Bakterienkonzentration anhand der optischen Dichte der Suspension bei 600 nm, die mit einem Spektralphotometer gemessen wurde. Die OD₆₀₀ in diesem Experiment war 0,6.

2. Herstellung von Zementierungsmedien

HINWEIS: Zementierungsmedien werden verwendet, um Chemikalien bereitzustellen, um die Calcitfällung während der MICP-Behandlung zu induzieren. Das Harnstoff-Ca²⁺ Molverhältnis beträgt 1:1. Die chemischen Komponenten von Zementierungsmedien sind in Tabelle 1dargestellt. Das folgende Verfahren ist für 20 L Zementierungsmedien mit 0,5 M Ca.

1. 20 L Wasser in einer Plastikbox vorbereiten.
2. 200 g NH₄Cl, 60 g Nährbrühe, 42,4 g NaHCO₃, 600 g Harnstoff und 1470 g CaCl_{2 x}2H₂O in den 20 L destilliertem Wasser auflösen. Mit Rührstab gut mischen.

3. Vorbereitung von Formen

1. Vorbereitung der Vollkontakt-Flexible Form (FCFM)
   HINWEIS: Die Vollkontakt-Flexible-Form besteht aus Geotextil. Das Geotextil hat eine Greifzugfestigkeit von 1.689 N, eine trapezförmige Reißfestigkeit von 667 N, eine scheinbare Öffnungsgröße von 0,15 mm, eine Wasserdurchflussrate von 34 mm/s, eine Dicke von 1,51 mm und eine Einheitsmasse von 200 g/m². Die Größe der Form kann variiert werden, um verschiedene Probengrößen vorzubereiten (z. B. ungewollte Kompressionstestprobe oder direkte Scherprobe).
   1. Da der FCFM aus einem ringförmigen Teil, einem Boden und einer Abdeckung besteht, schneiden Sie das Geotextil in Bestandteile von FCFM.
   2. Nähen Sie die drei Teile von FCFM zusammen, wie in Abbildung 1dargestellt.
2. Herstellung von starrer Vollkontaktform (RFCM) für Bio-Steine
   HINWEIS: Die starre Vollkontaktform besteht aus einer flexiblen Schicht und einem starren Halter. Die flexible Schicht besteht aus dem gleichen Geotextil wie der FCFM. Der starre Halter besteht aus einem perforierten Polypropylenblech mit gestaffelten Löchern mit 6,35 mm Durchmesser, die auf der perforierten Polypropylenplatte verteilt sind, und der Abstand zwischen benachbarten Löchern beträgt 9,53 mm. Eine Form besteht aus drei Kammern und die Größe jeder Kammer ist 177,8 mm lang, 76,2 mm breit und 38,1 mm hoch. Die Größe von RFCM kann variiert werden, um unterschiedliche Stichprobengrößen vorzubereiten. Die Löcher im starren Halter ermöglichen einen freien Zementierungsmedienfluss durch die flexible Schicht.
   1. Bereiten Sie das perforierte Polypropylenblech auf Bestandteile des starren Halters vor.
   2. Montieren Sie die Teile des starren Halters mit Kunststoffschrauben und Muttern.
   3. Bereiten Sie die Bestandteile der geotextilen flexiblen Schicht vor. Die flexible Schicht besteht aus einem Boden und einer Abdeckung.
   4. Schließen Sie den Boden der flexiblen Schicht in den starren Halter ein.
   5. Sobald der Sand in die Form gegeben ist, legen Sie die Abdeckung der flexiblen Schicht und fixieren sie durch Nähen auf der Oberseite der Sandprobe, wie in Abbildung 2dargestellt.
3. Vorbereitung von Hohlziegelform
   HINWEIS: Die Hohlziegelform enthält einen starren Halter, eine flexible Schicht und Papprohre. Die Größe des Kartonrohres beträgt 60 mm x 140 mm x 60 mm. Drei Kammern sind in einer Form enthalten und die Größe jeder Formkammer ist 177,8 mm lang, 76,2 mm in der Breite und 38,1 mm in der Höhe in diesem Verfahren.
   1. Bereiten Sie das perforierte Polypropylenblech auf die Bestandteile des starren Halters vor.
   2. Bohren Sie Löcher auf der Unterseite des starren Halterstücks. Die Größe der Löcher beträgt 61 mm im Durchmesser. Die Position der Löcher in jeder Kammer ist in Abbildung 3adargestellt.
   3. Montieren Sie die Teile des starren Halters mit Kunststoffschrauben und Muttern.
   4. Montieren Sie die Kartonrohre in den gebohrten Löchern auf der Unterseite des starren Halters.
   5. Bereiten Sie die Bestandteile der geotextilen flexiblen Schicht vor. Die flexible Schicht besteht aus einem Boden und einer Abdeckung. Auch auf der flexiblen Schicht an der gleichen Stelle von Kartonrohren werden Löcher benötigt.
   6. Sobald der Sand in die Form gegeben ist, legen Sie die Abdeckung der flexiblen Schicht und fixieren durch Nähen auf der Oberseite der Sandprobe, wie in Abbildung 3bgezeigt.

4. Vorbereitung des Chargenreaktors

HINWEIS: Der in Abbildung 4 dargestellte Reaktor besteht aus einer Kunststoffbox, Zementierungsmedien, einem probengestützten Regal und Luftpumpen. Die Bodenproben können vollständig in die Zementierungsmedien eintauchen, während die Zementierungsmedien auf diese Weise frei in die Bodenproben diffundieren können. Die Luftpumpe im Reaktor liefert Sauerstoff für Bakterien. Um die Auswirkungen unterschiedlicher Sauerstoffversorgung auf die von Sporosarcina pasteuriikatalysierte MICP-Behandlung zu bestimmen, führten Li et al. 2017¹⁸ Kontrasttests unter drei verschiedenen Bedingungen durch: einen belüfteten Zustand, eine Unter-Luft-Zustand. Sie fanden heraus, dass ein gut sauerstoffhaltiger Zustand unerlässlich ist, um MICP-Prozesse zu verbessern, die von aeroben Bakterien katalysiert werden.

1. Schließen Sie die Luftpumpe mit Luftzufuhr über einen Kunststoffschlauch an.
2. Legen Sie die Luftpumpe in die Kunststoffbox.
3. Gießen Sie Zementiermedien in die Kunststoffbox.

5. Vorbereitung von Bodenproben

1. Vorbereitung der mit MICP behandelten Bodenprobe
   HINWEIS: Ottawa Sand (99,7% Quarz) wird in den Experimenten verwendet. Der Sand ist einheitlich mit einer mittleren Partikelgröße von 0,46 mm und es sind keine Feinstrafen enthalten. Es wird als schlecht sortierter Sand auf der Grundlage des Unified Soil Classified System (USCS) klassifiziert.
   1. Fügen Sie trockenen Sand in Formen durch die Luftpluviation Methode (FCFM, RFCM, Hohlziegelform) zu erreichen eine mittlere dichte Zustand zu erreichen(D_r im Bereich von etwa 42-55%, und trockendichte Sand im Bereich von 1,58–1,64 g/cm³).
      HINWEIS: Das Gewicht des Sandes variiert je nach Formart: 145 x 5 g Sand für die UCS-Prüfprobe, die 38,6 mm im Durchmesser und 76,2 mm in der Höhe ist.
   2. Legen Sie die Abdeckung auf die Oberseite der Proben und fixieren Sie sie durch Nähen.
   3. Gießen Sie die Bakterienlösung mit einem festen optischen Dichtewert durch die durchlässige geotextile Abdeckung in die Proben und stellen Sie sicher, dass sie gesättigt sind.
      HINWEIS: Die Menge der Bakterienlösung variierte nach verschiedenen Proben: 50 ml Bakterienlösung für eine UCS-Testprobe, die 38,6 mm im Durchmesser und 76,2 mm in der Höhe ist.
   4. Legen Sie Proben auf das stichprobenunterstützte Regal, wie in Abbildung 5adargestellt.
   5. Tauchen Sie das gesamte Regal in den mit Zementierungsmedien gefüllten Chargenreaktor ein.
   6. Schalten Sie die Luftzufuhr ein und passen Sie die Luftleistung an, um 100 % Luftsättigung zu halten. Warten Sie 7 Tage der MICP-Reaktion.
   7. Nehmen Sie die Proben aus dem Reaktor gemäß Abbildung 5b.
   8. Entfernen Sie die Proben, indem Sie die flexible Form mit vollem Kontakt schneiden oder den starren Halter entformen und dann die flexible Schicht schneiden.
   9. Waschen Sie die Proben mit Wasser, um die Restlösung im Porenraum zu entfernen.
   10. Legen Sie die Proben 48 h lang in den 105 °C-Ofen, bis ihre Gewichte konstant bleiben. Die Proben können nach der Ofentrocknung zusätzlich geprüft oder behandelt werden.
2. Herstellung einer faserverstärkten MICP-behandelten Bodenprobe
   HINWEIS: Synthetische Faser (siehe Materialtabelle)und natürliche Palmfasern, wie in Abbildung 6 dargestellt, werden in diesen Verfahren verwendet.
   1. Für die synthetische Faser, mischen Sie den vorgeschlagenen Gehalt an Fasern und 900 g trockenen Sand in kleinen Schritten von Hand, um eine einheitliche Mischung zu erhalten. Der Fasergehalt in diesem Experiment wird auf 0,3% des Trockensandes festgelegt.
   2. Für die natürliche Palmfaser 760 g Sand in vier gleiche Teile verteilen. Fügen Sie diese vier Teile Sand und drei Faserschichten in RFCM in Intervallen hinzu.
   3. Wiederholen Sie das gleiche Verfahren wie die Schritte 5.1.2 – 5.1.10, um die mit DEM MICP behandelte Probe abzubekommen.
3. Herstellung von zementbehandelten Ziegeln mit Bio-Oberflächenbehandlung
   HINWEIS: Portlandzement (TYPE I/II) mit einer spezifischen Schwerkraft von 3,15 wird als Zementierungsmittel für die zementbehandelten Proben in diesem Experiment verwendet. Die frühe Festigkeitsverstärkung dieses Zements ermöglichte die verschiedenen Aushärtungszeiten von 7 bis 21 Tagen. Der Anteil des zugesetzten Zements in diesem Verfahren beträgt 10 Gewichtsprozent Trockensand.
   1. Mischen Sie 900 g Sand, 90 g Zement und 200 ml Wasser, um eine gleichmäßige Mischung zu erreichen.
   2. Fügen Sie die Mischung der starren Form hinzu. Die Größe der starren Form ist 177,8 mm lang, 76,2 mm in der Breite und 38,1 mm in der Höhe.
   3. 7 Tage bei konstanter Luftfeuchtigkeit von 100% und konstanter Temperatur von 25 °C aushärten.
   4. Legen Sie die Proben 48 Stunden lang in den 105 °C-Ofen, bis ihre Gewichte konstant bleiben.
   5. Wiederholen Sie den gleichen Vorgang wie die Schritte 5.1.3 – 5.1.8.
   6. Legen Sie die Proben 48 Stunden lang in den 105 °C-Ofen, bis ihre Gewichte konstant bleiben. Die Proben können nach der Ofentrocknung zusätzlich geprüft oder behandelt werden.

Ergebnisse

Abbildung 7 zeigt die Verteilung des gefällten CaCO₃ in der MICP-behandelten Probe. Die MICP-behandelte Probe wurde in drei verschiedene Bereiche unterteilt. Der CaCO_3-Gehalt in jedem Bereich wurde mit der Säurewaschmethode getestet. Um gefällte Karbotaten aufzulösen, wurden die trockenen MICP-behandelten Proben in einer HCl-Lösung (0,1 M) gewaschen, dann 48 Stunden lang gespült, entwässert und ofentgetrocknet. Der Differenzwert zwischen den Probenmassen vor und ...

Diskussion

Die MICP-Technik durch Eintauchen wurde in diesem Beitrag vorgestellt. Bodenproben wurden in den Batch-Reaktor eingetaucht, um im MICP-Prozess vollständig durch Zementierungsmedien durchdrungen zu werden. Bei dieser Methode wurden eine flexible Vollkontaktform, eine starre Vollkontaktform und eine entkernte Ziegelform zur Herstellung von MICP-behandelten Proben aufgebracht.

Verschiedene Formen können für unterschiedliche Geometrieanforderungen ausgelegt werden. Die faserige Struktur des Geo...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ammonium Chloride, >99%	Bio-world	40100196-3 (705033)
Ammonium Sulfate	Bio-world	30635330-3
Calcium Chloride Dihydrate, >99%	Bio-world	40300016-3 (705111)
Nutrient Broth	Bio-world	30620056-3
Sodium Bicarbonate, >99%	Bio-world	41900068-3 (705727)
Sporosarcina pasteurii	American Type Culture Collection	ATCC 11859
Synthetic fiber	FIBERMESH	Fibermesh 150e3
Tris-Base, Biotechnology Grade, >99.7%	Bio-world	42020309-2 (730205)
Urea, USP Grade, >99%	Bio-world	42100008-2 (705986)
Yeast Extract	Bio-world	30620096-3 (760095)