Сэнди Улучшение почвы через микробно индуцированных кальцитовых осадков (MICP) по погружению

Резюме

Здесь представлена технология микробно индуцированного кальцитовых осадков (MICP) для улучшения свойств почвы путем погружения.

Аннотация

Целью данной статьи является разработка метода погружения для улучшения микробно индуцированного кальцитного осадка (MICP) обработанных образцов. Был собран пакетный реактор для погружения образцов почвы в цементные носители. Цементирование средств может свободно распространяться в образцы почвы в пакетном реакторе вместо цементирования средств ввода. Полный контакт гибкой формы, жесткая полная пресса контакта, и сердцевиной формы кирпича были использованы для подготовки различных держателей образца почвы. Синтетические волокна и натуральные волокна были отобраны для укрепления обработанных ММСП образцов почвы. Был измерен осажденный CaCO₃ в различных областях обработанных ММСП образцов. Результаты распределения CaCO₃ показали, что осажденный CaCO₃ равномерно распределялся в образце почвы методом погружения.

Введение

Как биологическая технология улучшения грунта, микробно индуцированных кальцитовых осадков (MICP) способен улучшить инженерные свойства почвы. Он был использован для повышения прочности, жесткости и проницаемости почвы. Техника MICP получила большое внимание для улучшения почвы во всем мире^1,2,3,4. Карбонат осадков естественно происходит и может быть вызванне непагеномных организмов, которые являются родными для почвенной среды⁵. Биогеохимическая реакция MICP обусловлена существованием уреолитических бактерий, мочевины и богатого кальцием раствора^5,6. Sporosarcina pasteurii является высокоактивным ферментом урease, который катализает реакционную сеть к осадкам кальцита^7,8. Процесс гидролизов мочевины производит растворенный аммоний (NH⁴⁾и неорганический карбонат (CO₃^2-). Ионы карбоната реагируют с ионами кальция, чтобы осаждать как кристаллы карбоната кальция. Реакции гидролизов мочевины показаны здесь:

Осажденный CaCO₃ может связать частицы песка вместе, чтобы улучшить инженерные свойства обработанной MICP почвы. Техника MICP применяется в различных областях применения, таких как повышение прочности и жесткости почвы, ремонт бетона, и восстановление окружающей среды^{9,10,11,12, 13 Год , 14 Год , 15}.

Чжао и др.¹⁶ разработали метод погружения для подготовки образцов, обработанных ММСП. Полный контакт гибкой формы из геотекстиста был использован в этом методе. Осажденный CaCO₃ равномерно распределялся по всей обработанной ММСп пробам. Bu et al.¹⁷ разработали жесткую форму для полного контакта для подготовки образцов луча, обработанного MICP методом погружения. Образец, обработанный MICP, подготовленный этим методом с использованием жесткой полноконтактной формы, может сформировать подходящую форму пучка. Образец, обработанный ММСП, был разделен на четыре, и содержание CaCO₃ было измерено. Содержание CaCO₃ варьировалось от 8,4 до 1,5% до 9,4 и 1,2% по весу, что свидетельствовало о том, что CaCO₃ равномерно распределялся в обработанных МГП пробах методом погружения. Эти образцы, обработанные MICP, также достигли более высоких механических свойств. Эти био-образцы, обработанные ММТП, достигли 950 кПа, что было похоже на 20-25% обработанных цементом образцов (600- 1300 кПа). Li et al.¹⁰ добавили случайно распределенное дискретное волокно в песчаную почву и обработали почву методом погружения MICP. Они обнаружили, что сила сдвига, пластыря, и отказ штамм MICP обработанных почвы были усилены, очевидно, путем добавления соответствующего волокна.

Метод погружения для MICP был постоянно улучшен^10,16,17. Этот метод может быть использован для подготовки обработанных MICP образцов почвы и ОБРАБОТАННЫх ММСп сборных строительных материалов, таких как кирпичи и балки. Были разработаны различные геометрические размеры формы подготовки образца. Волокна были добавлены в ОБРАБОТАННЫе MICP образцы для повышения их свойств. Этот подробный протокол был предназначен для документирования методов погружения для лечения MICP.

протокол

ПРИМЕЧАНИЕ: Все соответствующие материалы, используемые в следующих процедурах, не являются опасными. По-прежнему необходимы личные защитные средства (защитные очки, перчатки, лабораторное пальто, брюки на всю длину, обувь с закрытыми ностями).

1. Подготовка раствора бактерий

1. Подготовка среды роста (NH₄-YE средняя)
   ПРИМЕЧАНИЕ: Компоненты роста средств на литр деионизированной воды являются: 20 г дрожжевого экстракта; 10 г (NH₄)₂SO₄; и буфер 0.13 M Tris (pH 9.0).
   1. Ингредиенты автоклава отдельно.
   2. Растворите 20 г дрожжевого экстракта и 10 г (NH₄)₂SO₄ в 1 л деионизированной воды, содержащей 0,13 М Tris буфера.
   3. Смешайте компоненты вместе с помощью магнитного мешалка после стерилизации.
2. Процедура распространения Sporosarcina pasteurii
   ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте 50 мл центрифуговых труб в этом эксперименте.
   1. Оттепель замороженных бактерий во флаконе.
   2. Открой флакон.
   3. Передача 0,1 мл подвески бактерий в центрифугную трубку с 10 мл свежей среды роста. Хорошо перемешайте вручную (коэффициент прививки 1:100). Повторите еще 5 бактериальных снопов со средой роста. Подготовьте трубку управления только с 10 из свежих среды роста внутри.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Криопротектотор, используемый в процедуре замораживания/сушки, может препятствовать росту первичной трубки. Крышки труб были затягиваны свободно для того чтобы поддерживать аэробное состояние.
   4. Инкубировать все трубки в шейкере при 200 об/мин при 30 градусах по Цельсию в течение 48-72 часов. Остановите инкубацию, если среда роста станет мутной после 48 ч. В противном случае, продлить инкубацию до максимума 72 ч.
   5. Центрифуга труб с бактериями и среды роста на 4000 х г в течение 20 мин.
   6. Удалите супернатант, замените 25 мл свежей среды роста и хорошо перемешайте с помощью вихревой машины.
   7. Повторите шаги 1.2.3-1.2.6 дважды, чтобы полностью стимулировать активность бактерий.
   8. Используйте подвеску из труб в шаге 1.2.7, чтобы привить больше труб с 25 мл среды роста для повышения культуры бактерий (скорость прививки 1:100).
   9. Инкубировать все трубки в шейкере при 200 об/мин при 30 градусах по Цельсию в течение 48 часов.
   10. Центрифуга труб с бактериями и среды роста на 4000 х г в течение 20 мин.
   11. Удалить супернатант, заменить свежей среды роста, и хорошо перемешать с помощью вихревой машины.
   12. Отрегулируйте концентрацию бактерий с помощью свежей среды роста перед экспериментами MICP. Рассчитайте концентрацию бактерий по оптической плотности подвески на уровне 600 нм, которая была измерена с помощью спектрофотометра. OD₆₀₀ в этом эксперименте был 0,6.

2. Подготовка цементных носителей

ПРИМЕЧАНИЕ: Цементирование средств используется для обеспечения химических веществ, чтобы вызвать кальцитовые осадки во время обработки MICP. Коэффициент молярности моляра моляра моляра составляет 1:1. Химические компоненты цементаных носителей показаны в таблице 1. Следующая процедура для 20 L средств цементирования с 0.5 M Ca.

1. Приготовьте 20 л воды в пластиковой коробке.
2. Растворите 200 г NH₄Cl, 60 г питательного бульона, 42,4 г NaHCO_3,600 г мочевины и 1470 г CaCl_2'2H2O в 20 л дистиллированной воды. Хорошо перемешать, используя перемешивание стержня.

3. Подготовка форм

1. Приготовление полного контакта гибкой формы (FCFM)
   ПРИМЕЧАНИЕ: Полный контакт гибкая плесень изготовлена из геотекстильного. Геотекстиль имеет прочность захвата 1689 N, трапециевидной слезной силы 667 N, видимый размер отверстия 0,15 мм, скорость потока воды 34 мм/с, толщина 1,51 мм, и единица массы 200 г/м². Размер плесени может быть различен для подготовки различных размеров выборки (например, неограниченный образец теста на сжатие или прямой тест овый образец).
   1. Как FCFM состоит из кольцеобразной части, дно, и крышка, вырезать геотекстик в составных частях FCFM.
   2. Sew три части FCFM вместе, как показано на рисунке 1.
2. Приготовление жесткой полноконтактной формы (RFCM) для биокирпичей
   ПРИМЕЧАНИЕ: Твердая пресс-подобие контакта состоит из гибкого слоя и жесткого держателя. Гибкий слой выполнен из того же геотекстиста, что и FCFM. Строгий держатель изготовлен из полипропиленового перфорированного листа диаметром 6,35 мм, распределенных по полипропиленовым перфорированному листу, а расстояние клиренса между смежными отверстиями составляет 9,53 мм. Одна плесень состоит из трех камер, а размер каждой камеры составляет 177,8 мм в длину, 76,2 мм в ширину и 38,1 мм в высоту. Размер RFCM может быть различен для подготовки разного размера выборки. Отверстия в жестком держателе позволяют цементировать средства свободно протекают через гибкий слой.
   1. Приготовьте полипропиленовый перфорированный лист для составных частей жесткого держателя.
   2. Соберите кусочки жесткого держателя с помощью пластиковых винтов и гаек.
   3. Подготовьте составные части геотекстильного гибкого слоя. Гибкий слой состоит из дна и крышки.
   4. Закройте дно гибкого слоя в жестком держателе.
   5. После того, как песок добавляется в форму, место крышку гибкого слоя и исправить путем шитья на верхней части песочного образца, как показано на рисунке 2.
3. Приготовление полой кирпичной формы
   ПРИМЕЧАНИЕ: Полая кирпичная плесень включает в себя жесткий держатель, гибкий слой и картонные трубки. Размер картонной трубки составляет 60 мм х 140 мм х 60 мм. Три камеры включены в одну форму и размер каждой формы камеры 177,8 мм в длину, 76,2 мм в ширину и 38,1 мм в высоту в этой процедуре.
   1. Приготовьте полипропиленовый перфорированный лист для составных частей жесткого держателя.
   2. Просверлить отверстия на дне жесткой части держателя. Размер отверстий составляет 61 мм в диаметре. Расположение отверстий в каждой камере показано на рисунке 3a.
   3. Соберите кусочки жесткого держателя с помощью пластиковых винтов и гаек.
   4. Соберите картонные трубки в просверленные отверстия на дне жесткого держателя.
   5. Подготовьте составные части геотекстильного гибкого слоя. Гибкий слой состоит из дна и крышки. Отверстия также необходимы на гибком слое в том же месте картонных труб.
   6. После того, как песок добавляется в форму, место крышку гибкого слоя и исправить путем шитья на верхней части песочного образца, как показано на рисунке 3b.

4. Подготовка серийного реактора

ПРИМЕЧАНИЕ: Реактор, показанный на рисунке 4, состоит из пластиковой коробки, цементирования, гербы, гербы, поддерживаемой полки и воздушных насосов. Образцы почвы могут полностью погрузиться в цементные носители, в то время как цементные носители могут свободно распространяться в образцы почвы этим методом. Воздушный насос в реакторе обеспечивает кислородом для бактерий. Для определения влияния различных поставок кислорода на лечение ММСП, катализированное Sporosarcina pasteurii, Li et al. 2017¹⁸ провели контрастные тесты в трех различных условиях: аэрированное состояние, состояние, ограниченное воздухом, и состояние открытого воздуха. Они нашли что well-oxygenated условие необходимо улучшить процессы MICP катализированные аэробными бактериями.

1. Соедините воздушный насос с подачей воздуха с помощью пластикового шланга.
2. Поместите воздушный насос в пластиковую коробку.
3. Налейте цементирования средств массовой информации в пластиковую коробку.

5. Подготовка проб почвы

1. Подготовка пробы почвы, обработанной ММСП
   ПРИМЕЧАНИЕ: Оттава песок (99,7% кварца) используется в экспериментах. Песок однородный со средним размером частицы 0,46 мм и никаких штрафов не включены. Он классифицируется как плохо классифицированный песок на основе Единой системы классификации почв (USCS).
   1. Добавить сухой песок в формы методом pluviation воздуха (FCFM, RFCM, полый кирпич формы), чтобы достичь среднего плотного состояния(D_r в диапазоне примерно 42-55%, и сухая плотность песка в диапазоне 1,58-1,64 г/см³).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Вес песка варьируется в зависимости от различных видов форм: 145 и 5 г песка для испытательного образца UCS, который составляет 38,6 мм в диаметре и 76,2 мм в высоту.
   2. Поместите крышку на верхней части образцов и исправить его путем шитья.
   3. Налейте раствор бактерий с фиксированным значением оптической плотности через проницаемый геотекстильный покров в образцы и убедитесь, что они насыщены.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Количество бактерий раствор варьируется в зависимости от различных образцов: 50 мл бактерии решение для испытательного образца UCS, который 38,6 мм в диаметре и 76,2 мм в высоту.
   4. Место образцы на образце поддерживается полка, как показано на рисунке 5a.
   5. Погрузите всю полку в пакетный реактор, наполненный цементаными носителями.
   6. Включите подачу воздуха и отрегулируйте выход воздуха, чтобы сохранить 100% насыщение воздуха. Подождите 7 дней реакции ММСп.
   7. Выняйте образцы из реактора, как показано на рисунке 5b.
   8. Удалите образцы, разрезая полный контакт гибкой формы или demolding жесткого держателя, а затем резки гибкий слой.
   9. Вымойте образцы с водой, чтобы удалить остаточный раствор в поре пространстве.
   10. Поместите образцы в духовку 105 градусов по Цельсию в течение 48 ч до тех пор, пока их вес не останется неизменным. Образцы могут быть проверены или обработаны дополнительно после сушки духовки.
2. Приготовление клетчатки усиленного пробы почвы, обработанной ММСп
   ПРИМЕЧАНИЕ: Синтетическое волокно (см. Таблица материалов)и натуральное пальмовое волокно, как показано на рисунке 6 используются в этих процедурах.
   1. Для синтетического волокна, смешать предлагаемое содержание волокон и 900 г сухого песка небольшими приращениями вручную, чтобы получить единую смесь. Содержание волокна в этом эксперименте фиксируется как 0,3% по весу сухого песка.
   2. Для натурального пальмового волокна распределите 760 г песка на четыре равные части. Добавьте эти четыре части песка и три слоя волокна в RFCM с интервалами.
   3. Повторите ту же процедуру, что и шаги 5.1.2-5.1.10, чтобы получить образец, обработанный MICP.
3. Приготовление цементообработанного кирпича с биоповерхностной обработкой
   ПРИМЕЧАНИЕ: Портлендцемент (TYPE I/II) с конкретной гравитацией 3,15 используется в качестве цементирующего агента для цементных образцов в этом эксперименте. Раннее увеличение прочности этого цемента позволило различные время лечения варьировались от 7 до 21 дней. Доля добавленного цемента в этой процедуре составляет 10% по весу сухого песка.
   1. Смешайте 900 г песка, 90 г цемента и 200 мл воды для получения равномерной смеси.
   2. Добавьте смесь к жесткой плесени. Размер жесткой формы составляет 177,8 мм в длину, 76,2 мм в ширину и 38,1 мм в высоту.
   3. Лечить в течение 7 дней при постоянной влажности 100% и постоянной температуре 25 градусов по Цельсию.
   4. Поместите образцы в духовку 105 градусов по Цельсию в течение 48 часов, пока их вес остается неизменным.
   5. Повторите ту же процедуру, что и шаги 5.1.3-5.1.8.
   6. Поместите образцы в духовку 105 градусов по Цельсию в течение 48 часов, пока их вес остается неизменным. Образцы могут быть проверены или обработаны дополнительно после сушки духовки.

Результаты

На рисунке 7 показано распределение осажденного CaCO₃ по всей обработанной ММСп выборке. Образец, обработанный ММСП, был разделен на три различные области. Содержание CaCO₃ в каждой области было протестировано методом промывки кислоты. Для растворения осажденны?...

Обсуждение

Техника MICP путем погружения была представлена в этой работе. Образцы почвы были погружены в пакетный реактор, чтобы полностью проникнуть цементными носителями в процесс ММСп. В этом методе, полный контакт гибкой формы, жесткие полный контакт формы, и сердцевиной формы кирпича были прим...

Материалы

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)