침수에 의한 미생물 유발 방해석 침전(MICP)을 통한 모래 토양 개선

요약

여기서, 미생물로 유도된 방해석 침전(MICP) 기술은 침수에 의해 토양 특성을 개선하기 위해 제시된다.

초록

이 문서의 목적은 미생물로 유도된 방해석 침전(MICP) 처리 샘플을 개선하기 위한 침수 방법을 개발하는 것이다. 토양 샘플을 시멘트 매체에 침지시키기 위해 배치 반응기를 조립하였다. 시멘트 매미는 주입되는 시멘트 매체 대신 배치 반응기의 토양 샘플로 자유롭게 확산될 수 있습니다. 전체 접촉 플렉시블 금형, 단단한 전체 접촉 금형 및 코어드 브릭 금형을 사용하여 다양한 토양 샘플 홀더를 준비했습니다. MICP 처리 된 토양 샘플을 보강하기 위해 합성 섬유 및 천연 섬유를 선택했습니다. MICP 처리 된 샘플의 상이한 영역에서 침전 된_CaCO3를 측정하였다. 상기 CaCO₃ 분포 결과는 침전된 CaCO_3이 침지 방법에 의해 토양 시료에 균일하게 분포되었다는 것을 입증하였다.

서문

생물학적 지반 개선 기술로서, 미생물로 유도된 방해석 침전(MICP)은 토양의 엔지니어링 특성을 개선할 수 있습니다. 그것은 강도 향상 시키기 위해 사용 되었습니다., 강성, 그리고 토양의 투과성. MICP 기술은 전 세계적으로 토양 개선에 대한 많은 관심을 얻고있다^1,2,3,4. 탄산염 침전은 자연적으로 발생하며 토양 환경에 고유한 비병원성 유기체에 의해 유도될 수 있다^5. MICP 생화학반응은 요도용해균, 요소 및 칼슘이 풍부한^용액의존재에 의해 구동된다^5,6. 스포로사르키나 파스퇴레리는 방해석^7,8의침전을 향해 반응 네트워크를 촉매하는 고활성 우르아제 효소이다. 요소 가수 분해 공정은 용존 암모늄 (NH^{4 +)}및 무기 탄산염 (CO3^2-)을 생성합니다. 탄산염 이온은 칼슘 이온과 반응하여 탄산칼슘 결정으로 침전됩니다. 요소 가수 분해 반응은 여기에 표시됩니다 :

침전된 CaCO_3는 MICP 처리 된 토양의 엔지니어링 특성을 개선하기 위해 모래 입자를 결합 할 수 있습니다. MICP 기술은 토양의 강도 및 강성 개선, 콘크리트 수리 및 환경 개선^{9, 10,11,12, 13세 , 14세 , 15}.

Zhao 등^16MICP 처리 된 샘플을 제조하는 침지 방법을 개발했습니다. 이 방법에는 지오텍으로 만들어진 완전한 접촉 플렉시블 금형이 사용되었습니다. 침전된 CaCO_3은 MICP 처리 된 샘플 전체에 균일하게 분포되었습니다. Bu et al.^17은 침지 방법으로 MICP 처리 빔 샘플을 제조하기 위해 견고한 전체 접촉 금형을 개발했습니다. 이 방법에 의해 제조된 MICP 처리 된 샘플은 경질 전체 접촉 금형을 사용하여 적합한 빔 형상을 형성 할 수 있습니다. MICP 처리 된 샘플을 4 개로 나누고 CaCO₃ 내용을 측정하였다. 상기 CaCO₃ 함량은 8.4±1.5% ~ 9.4±1.2 중량 중량의 범위로, 이는 침지 방법에 의해 MICP 처리 된 샘플에서 CaCO_3이 균일하게 분포되어 있음을 나타냈다. 이러한 MICP 처리 샘플은 또한 더 나은 기계적 특성을 달성했습니다. 이러한 MICP 처리 된 바이오 시편은 950 kPa 굴곡 강도에 도달했으며, 이는 20-25 % 시멘트 처리 샘플 (600- 1300 kPa)과 유사했습니다. Li 등^10은 모래 토양에 무작위로 분산된 이산 섬유를 첨가하고 MICP 침지 방법으로 토양을 처리하였다. 그(것)들은 MICP 처리한 토양의 전단 힘, 연성 및 실패 긴장이 적당한 섬유를 추가해서 명백하게 강화되었다는 것을 것을을 발견했습니다.

MICP에 대한 침수 방법은 지속적으로^10,16,17개선되었습니다. 이 방법은 MICP 처리 된 토양 샘플 및 벽돌 및 빔과 같은 MICP 처리 조립식 건축 자재를 제조하는 데 사용할 수 있습니다. 시료 전대 금형의 다양한 형상 치수가 개발되었습니다. 섬유는 그들의 성질을 향상시키기 위해 MICP 처리 된 샘플에 첨가되었다. 이러한 상세한 프로토콜은 MICP 치료를 위한 침수 방법을 문서화하기 위한 것이었다.

프로토콜

참고: 다음 절차에서 사용되는 모든 관련 물질은 위험하지 않습니다. 개인 보호 장비 (안전 안경, 장갑, 실험실 코트, 전체 길이 바지, 닫힌 발가락 신발)는 여전히 필요합니다.

1. 박테리아 용액의 준비

1. 성장배지 준비(NH4-YE미디엄)
   참고 : 탈이온수 의 리터 당 성장 매체의 구성 요소는 다음과 같습니다 : 효모 추출물 20 g; 10g (NH₄₎₂SO_4; 및 0.13 M 트리스 버퍼 (pH 9.0).
   1. 재료를 별도로 오토클레이브합니다.
   2. 효모 추출물 20 g, 및 10 g (NH₄₎₂SO_4를 0.13 M 트리스 버퍼를 함유하는 탈이온수 1 L에 용해시켰다.
   3. 마그네틱 교반기 후 멸균을 사용하여 부품을 함께 혼합합니다.
2. 스포로사르키나 파스퇴르의 전파 절차
   참고: 이 실험에서는 50 mL 원심분리기 튜브를 사용하십시오.
   1. 빙병에 얼어 붙은 박테리아를 해동.
   2. 바이알을 엽니다.
   3. 박테리아 현탁액 0.1 mL을 신선한 성장 배지 10 mL로 원심 분리관으로 옮김을 옮김. 손으로 잘 섞어 (접종 속도는 1 :100입니다). 성장 배지로 5개의 세균 현탁액을 더 반복합니다. 내부에 10개의 신선한 성장 배지만있는 제어 튜브를 준비하십시오.
      참고 : 동결 / 건조 절차에 사용되는 냉동 보호제는 기본 튜브의 성장을 억제 할 수 있습니다. 튜브의 뚜껑은 호기성 상태를 유지하기 위해 느슨하게 조였다.
   4. 모든 튜브를 30°C에서 200 rpm에서 48~72시간 동안 셰이커에 인큐베이팅합니다. 성장 배지가 48 시간 후에 혼탁되면 배양을 중지하십시오. 그렇지 않으면, 배양을 최대 72 h까지 연장하십시오.
   5. 20 분 동안 4,000 x g에서 박테리아 및 성장 배지로 튜브를 원심 분리합니다.
   6. 상류를 제거하고 25 mL의 신선한 성장 매체로 교체하고 와류 기계를 사용하여 잘 섞습니다.
   7. 1.2.3-1.2.6 단계를 두 번 반복하여 박테리아의 활동을 완전히 자극합니다.
   8. 1.2.7 단계에서 튜브에서 현탁액을 사용하여 박테리아의 배양을 향상시키기 위해 25 mL의 성장 배지로 더 많은 튜브를 접종하십시오 (접종 속도는 1:100입니다).
   9. 모든 튜브를 30°C에서 200 rpm에서 48시간 동안 셰이커에 인큐베이팅합니다.
   10. 20 분 동안 4,000 x g에서 박테리아 및 성장 배지로 튜브를 원심 분리합니다.
   11. 상류체를 제거하고 신선한 성장 매체로 교체하고 와류 기계를 사용하여 잘 섞습니다.
   12. MICP 실험 전에 신선한 성장 배지를 사용하여 박테리아 농도를 조절합니다. 분광광도계를 사용하여 측정한 600 nm에서 현탁액의 광학 밀도에 의해 박테리아 농도를 계산하였다. 본 실험에서 OD_600은 0.6이었다.

2. 시멘트 매체의 준비

참고: 시멘트 매질은 MICP 처리 도중 방해석 침전을 유도하는 화학제품을 제공하기 위하여 이용됩니다. 우레아-Ca²⁺ 어금니 비율은 1:1입니다. 시멘트 매달러의 화학 성분은 표 1에나타내고 있습니다. 이하의 절차는 0.5 M Ca를 가진 20 L의 시멘트 매에 대한 것입니다.

1. 플라스틱 상자에 물 20L를 준비합니다.
2. NH₄Cl 200 g, 영양국 60g, NaHCO_3,우레아 600 g, 증류수 20L에 CaCl_2H2O1470 g을 녹입니다. 교반 막대를 사용하여 잘 섞는다.

3. 금형의 준비

1. 완전 접자 플렉시블 금형(FCFM) 준비
   참고 : 전체 접촉 유연한 금형은 지오 텍으로 만들어집니다. 지오텍스타일은 1,689N의 인장 강도, 667 N의 사다리꼴 눈물 강도, 0.15 mm의 명백한 개구부 크기, 34mm/s의 물 유량, 두께 1.51 mm, 단위 질량 200^g/m2를가지고 있습니다. 금형의 크기는 다양한 샘플 크기(예: 제한된 압축 테스트 샘플 또는 직접 전단 테스트 샘플)를 준비하기 위해 다양할 수 있습니다.
   1. FCFM은 환형 부품, 바닥 및 커버로 구성되어 있기 때문에 지오텍을 FCFM의 구성 부분으로 잘라냅니다.
   2. 그림 1과같이 FCFM의 세 부분을 함께 바느질합니다.
2. 바이오 브릭용 견고한 완전 접지 금형(RFCM) 준비
   주: 견고한 전체 접촉 금형은 유연한 레이어와 강체 홀더로 구성됩니다. 유연한 층은 FCFM과 동일한 지오텍스타일로 만들어집니다. 강성 홀더는 폴리 프로필렌 천공 시트에 분포 된 6.35mm 직경의 비틀거린 구멍이있는 폴리 프로필렌 천공 시트로 만들어졌으며 인접 한 구멍 사이의 간격 거리는 9.53mm입니다. 하나의 금형은 세 개의 챔버로 구성되며 각 챔버의 크기는 길이 177.8mm, 너비 76.2mm, 높이 38.1mm입니다. RFCM의 크기는 다른 샘플 크기를 준비하기 위해 변화될 수 있다. 견고한 홀더의 구멍은 유연층을 통해 시멘트 매질이 자유롭게 흐르도록 합니다.
   1. 폴리 프로필렌 천포 시트는 단단한 홀더의 구성 조각에 대한 준비.
   2. 플라스틱 나사와 너트를 사용하여 단단한 홀더 조각을 조립합니다.
   3. 지오텍플렉슬 레이어의 구성 부분을 준비합니다. 유연한 레이어는 바닥과 덮개로 구성됩니다.
   4. 강체 홀더의 유연한 레이어 의 바닥을 둘러싸습니다.
   5. 모래가 금형에 추가되면 그림 2와같이 유연한 층의 덮개를 놓고 모래 샘플 의 상단에 바느질하여 고정합니다.
3. 중공 벽돌 금형의 준비
   참고: 중공 벽돌 금형에는 강체 홀더, 유연한 레이어 및 골판지 튜브가 포함됩니다. 골판지 튜브의 크기는 60mm x 140mm x 60mm입니다. 3개의 챔버가 하나의 금형에 포함되며 각 금형 챔버의 크기는 길이 177.8mm, 너비 76.2mm, 높이 38.1mm입니다.
   1. 폴리 프로필렌 천포 시트는 단단한 홀더의 구성 조각에 대한 준비.
   2. 단단한 홀더 조각의 바닥에 구멍을 뚫습니다. 구멍의 크기는 직경 61mm입니다. 각 챔버의 구멍 위치는 도 3a.
   3. 플라스틱 나사와 너트를 사용하여 단단한 홀더의 조각을 조립하십시오.
   4. 단단한 홀더 의 바닥에 드릴 구멍에 골판지 튜브를 조립합니다.
   5. 지오텍플렉슬 레이어의 구성 부분을 준비합니다. 유연한 레이어는 바닥과 덮개로 구성됩니다. 구멍은 골판지 튜브의 동일한 위치에 유연한 층에 필요합니다.
   6. 일단 모래가 금형에 추가되면, 그림 3b에나타난 바와 같이 유연한 층의 덮개를 놓고 모래 샘플의 상단에 바느질하여 고정한다.

4. 배치 반응기의 준비

참고: 그림 4에 표시된 반응기는 플라스틱 상자, 시멘트 매체, 시료 지지 선반 및 공기 펌프로 구성됩니다. 토양 시료는 시멘트 매에 완전히 침지될 수 있으며, 이 방법으로 시멘트 매미가 토양 시료로 자유롭게 확산될 수 있습니다. 반응기의 공기 펌프는 박테리아에 대한 산소를 제공합니다. Sporosarcina pasteurii에의해 촉매 된 MICP 치료에 대한 다른 산소 공급의 효과를 확인하기 위해, Li et al. 2017^18은 세 가지 다른 조건하에서 조영 조건, 공기 제한 상태 및 야외 상태. 그(것)들은 호기성 박테리아에 의해 촉매를 촉매하는 MICP 프로세스를 향상시키기 위하여 잘 산소처리한 조건이 필수적이다는 것을 것을을 발견했습니다.

1. 플라스틱 호스를 사용하여 에어 펌프를 공기 공급 장치와 연결합니다.
2. 에어 펌프를 플라스틱 상자에 놓습니다.
3. 플라스틱 상자에 시멘트 매체를 붓습니다.

5. 토양 샘플의 준비

1. MICP 처리 토양 시료의 제조
   참고 : 오타와 모래 (99.7 % 석영)는 실험에 사용됩니다. 모래는 0.46 mm의 중간 입자 크기와 균일하고 벌금이 포함되어 있지 않습니다. 그것은 통합 토양 분류 시스템 (USCS)에 따라 제대로 등급 모래로 분류됩니다.
   1. 공기 pluviation 방법 (FCFM, RFCM, 중공 벽돌 금형)에 의해 금형에 건조 모래를 추가하여 중앙 밀도 조건 (약 42-55 % 범위의D_r 및 1.58 -1.64 g / cm³범위의 모래 건조 밀도)에 도달합니다.
      참고 : 모래의 무게는 금형의 다른 종류에 따라 달라집니다 : UCS 테스트 샘플에 대한 145 ± 5g 모래, 이는 직경 38.6 mm 및 높이 76.2 mm입니다.
   2. 샘플 의 상단에 커버를 배치하고 바느질하여 수정합니다.
   3. 투과성 지오텍텍 커버를 통해 고정된 광학 밀도 값으로 박테리아 용액을 샘플에 붓고 포화 상태인지 확인합니다.
      참고 : 박테리아 용액의 양은 다른 샘플에 따라 다양 : UCS 테스트 샘플에 대한 박테리아 용액의 50 mL, 이는 직경 38.6 mm 및 높이 76.2 mm입니다.
   4. 그림 5a와같이 샘플 지원 선반에 샘플을놓습니다.
   5. 전체 선반을 시멘트 매체로 채워진 배치 반응기에 담급전시.
   6. 공기 공급을 켜고 공기 출력을 조정하여 공기 포화도를 100% 유지합니다. MICP 반응의 7 일 동안 기다립니다.
   7. 도 5b에나타낸 바와 같이 반응기에서 샘플을 꺼낸다.
   8. 전체 접촉 플렉시블 금형을 절단하거나 강체 홀더를 탈구한 다음 유연한 층을 절단하여 샘플을 제거합니다.
   9. 샘플을 물로 세척하여 기공 공간에서 잔류 용액을 제거합니다.
   10. 시료를 105°C 오븐에 넣고 무게가 일정하게 유지될 때까지 48시간 동안 시료를 놓습니다. 샘플은 오븐 건조 후 추가로 테스트하거나 처리할 수 있습니다.
2. 섬유 강화 MICP 처리 토양 샘플의 제조
   참고: 그림 6에 표시된 합성 섬유(재료 표참조)와 천연 야자 섬유가 이러한 절차에 사용됩니다.
   1. 합성 섬유의 경우, 균일 한 혼합물을 얻기 위해 손으로 작은 증분으로 섬유와 건조 모래 900g의 제안 된 함량을 혼합합니다. 본 실험에서 섬유 함량은 건조 모래의 0.3 중량%로 고정된다.
   2. 천연 야자섬유를 위해 760g의 모래를 4개의 동등한 부품에 분배하십시오. 이 네 부분의 모래 부분과 3층의 섬유를 RFCM에 간격으로 추가합니다.
   3. 5.1.2-5.1.10 단계와 동일한 절차를 반복하여 MICP 처리 샘플을 가져옵니다.
3. 바이오 표면 처리시멘트 처리 벽돌의 제조
   참고: 3.15의 비중을 가진 포틀랜드 시멘트(TYPE I/II)는 본 실험에서 시멘트 처리 시료의 시멘트 제로서 사용된다. 이 시멘트의 초기 강도 이득은 다양한 경화 시간을 7 일에서 21 일까지 허용했습니다. 이 절차에서 추가 된 시멘트의 비율은 건조 모래의 10 % 중량입니다.
   1. 900g의 모래, 90g의 시멘트, 200 mL의 물을 혼합하여 균일 한 혼합물을 달성하십시오.
   2. 단단한 금형에 혼합물을 추가합니다. 견고한 금형의 크기는 길이 177.8mm, 너비 76.2mm, 높이 38.1mm입니다.
   3. 100 % 및 25 °C의 일정한 온도에서 7 일 동안 치료하십시오.
   4. 105°C 오븐에 시료를 넣고 무게가 일정하게 유지될 때까지 48시간 동안 시료를 놓습니다.
   5. 5.1.3-5.1.8단계와 동일한 절차를 반복한다.
   6. 105°C 오븐에 시료를 넣고 무게가 일정하게 유지될 때까지 48시간 동안 시료를 놓습니다. 샘플은 오븐 건조 후 추가로 테스트하거나 처리할 수 있습니다.

결과

도 7은 MICP 처리 된 샘플 전체에 걸쳐 침전 된 CaCO_3의 분포를 나타낸다. MICP 처리된 샘플을 3개의 상이한 영역으로 나누었다. 각 영역에서의 CaCO₃ 함량은 산 세척 방법에 의해 시험되었다. 침전된 탄산염을 용해시키기 위해, 건조MICP 처리된 샘플을 HCl 용액(0.1 M)으로 세척한 다음, 헹구고, 배수하고, 오븐에서 48시간 동안 건조시켰다. 산 세척 전후의 시료 질량 간?...

토론

침수에 의한 MICP 기법을 이 백서에 제시하였습니다. 토양 샘플을 MICP 공정에서 시멘트 매체에 의해 완전히 침투하기 위해 배치 반응기로 침지하였다. 이 방법에서는 MICP 처리 된 샘플을 준비하기 위해 전체 접촉 플렉시블 금형, 단단한 전체 접촉 금형 및 코어드 벽돌 금형을 적용했습니다.

다양한 형상 요구 사항에 따라 다양한 금형을 설계할 수 있습니다. 지오텍의 섬유질 구?...

자료

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)