Daldırma ile Mikrobiyal İndüklenen Kalsit Çökemi (MICP) ile Kumlu Toprak İyileşmesi

Özet

Burada mikrobiyal indüklenen kalsit çökeltisi (MICP) teknolojisi, toprak özelliklerini daldırma ile geliştirmek için sunulmaktadır.

Özet

Bu makalenin amacı mikrobiyal kaynaklı kalsit çökeltme (MICP) tedavi örnekleri geliştirmek için bir daldırma yöntemi geliştirmektir. Toprak örneklerini çimentolama ortamına sokmak için bir toplu reaktör kuruldu. Çimentolama ortamı, enjekte edilen çimentolama ortamı yerine toplu reaktördeki toprak örneklerine serbestçe yayılabilir. Tam temas esnek kalıp, sert bir tam temas kalıp ve bir cored tuğla kalıp farklı toprak örnek tutucuları hazırlamak için kullanılmıştır. Sentetik lifler ve doğal lifler MICP ile işlenmiş toprak örneklerini güçlendirmek için seçilmiştir. MICP ile tedavi edilen numunelerin farklı alanlarında çökelmiş CaCO₃ ölçüldü. CaCO₃ dağılım sonuçları, çökelmiş CaCO_3'ün daldırma yöntemi ile toprak numunesinde eşit olarak dağıtıldığını göstermiştir.

Giriş

Biyolojik bir zemin iyileştirme teknolojisi olarak, mikrobiyal indüklenen kalsit çökelti (MICP) toprağın mühendislik özelliklerini geliştirme yeteneğine sahiptir. Toprağın mukavemetini, sertliğini ve geçirgenliğini artırmak için kullanılmıştır. MICP tekniği dünya çapında toprak iyileştirme için çok dikkat kazanmıştır^1,2,3,4. Karbonat çökeltisi doğal olarak gerçekleşir ve toprak ortamına özgü patojen olmayan organizmalar tarafından indüklenebilir^5. MICP biyojeokimyasal reaksiyon üreolitik bakteri, üre ve kalsiyum açısından zengin bir çözelti varlığı ile tahrik edilir^5,6. Sporosarcina pastöröri kalsit yağış doğru reaksiyon ağını katalizler son derece aktif üreaz enzimdir^7,8. Üre hidroliz işlemi çözünmüş amonyum (NH⁴⁺) ve inorganik karbonat (CO₃^2-)üretir. Karbonat iyonları kalsiyum karbonat kristalleri gibi çökeltmek için kalsiyum iyonları ile reaksiyona girerler. Üre hidroliz reaksiyonları burada gösterilmiştir:

Çökelmiş CaCO_3, MICP ile işlenmiş toprağın mühendislik özelliklerini geliştirmek için kum parçacıklarını birbirine bağlayabilir. MICP tekniği, toprağın mukavemet ve sertliğinin iyileştirilmesi, beton onarımı ve çevresel iyileştirme^{9, 10,11,12}gibi çeşitli uygulamalarda uygulanmıştır. ^{13.000 , 14.000 , 15. yıl.}

Zhao ve ark.¹⁶ MICP ile tedavi edilen numuneleri hazırlamak için bir daldırma yöntemi geliştirdi. Bu yöntemde geotextile'den yapılmış tam kontak esnek kalıp kullanılmıştır. Çökelmiş CaCO_3, MICP ile tedavi edilen numuneler boyunca eşit olarak dağıtılır. Bu ve ark.^17, MICP ile işlenmiş ışın örneklerini daldırma yöntemiyle hazırlamak için sert bir tam kontak kalıbı geliştirdi. Bu yöntemle sert bir tam temas kalıbı kullanılarak hazırlanan MICP ile işlenmiş numune uygun ışın şeklini oluşturabilir. MICP ile tedavi edilen örnek dörde bölündü ve CaCO₃ içeriği ölçüldü. CaCO₃ içeriği ağırlık olarak %8,4 ± %1,5 ile %9,4 ± %1,2 arasında değişmekteydi ve bu da CaCO_3'ün MICP ile tedavi edilen numunelerde daldırma yöntemiyle eşit olarak dağıtıldığını göstermiştir. Bu MICP ile işlenmiş numuneler de daha iyi mekanik özellikler elde etti. Bu MICP ile işlenmiş biyo-numuneler 950 kPa esneme mukavemetine ulaştı, bu da %20-25 çimento ile işlenmiş numunelere (600-1300 kPa) benzerdi. Li ve ark.¹⁰ kumlu toprağa rastgele dağıtılan ayrık lif ekledi ve MICP daldırma yöntemi ile toprak tedavi. Onlar kesme mukavemeti, süneklik ve MICP ile tedavi edilen toprağın başarısızlık zorlanma açıkça uygun lif ekleyerek geliştirilmiş bulundu.

MICP için daldırma yöntemi sürekli^{geliştirilmiştir 10,16,17}. Bu yöntem, micp ile işlenmiş toprak numuneleri ve tuğla ve kirişler gibi MICP ile işlenmiş prefabrik yapı malzemelerinin hazırlanmasında kullanılabilir. Numune hazırlama kalıbının farklı geometri boyutları geliştirilmiştir. Lifler, özelliklerini geliştirmek için MICP ile tedavi edilen numunelere eklendi. Bu ayrıntılı protokol MICP tedavisi için daldırma yöntemlerini belgelemek amacıyla hazırlanmıştır.

Protokol

NOT: Aşağıdaki prosedürlerde kullanılan tüm ilgili malzemeler tehlikeli değildir. Kişisel koruyucu ekipman (güvenlik gözlükleri, eldiven, laboratuvar önlüğü, tam uzunlukta pantolon, kapalı ayak ayakkabı) hala gereklidir.

1. Bakteri çözeltisinin hazırlanması

1. Büyüme ortamının hazırlanması (NH₄-YE orta)
   NOT: Deiyonize su litre başına büyüme ortamı bileşenleri şunlardır: maya ekstresi 20 g; 10 g (NH₄)₂SO₄; ve 0,13 M Tris tampon (pH 9.0).
   1. Otoklav malzemeleri ayrı ayrı.
   2. 0,13 M Tris tampon içeren deiyonize su 20 g ve (NH₄)₂SO₄ 1 L deiyonize su çözünür.
   3. Sterilizasyon sonrası manyetik karıştırıcıyı kullanarak bileşenleri karıştırın.
2. Sporosarcina pastörörisinin yayılma prosedürü
   NOT: Bu deneyde 50 mL santrifüj tüpü kullanın.
   1. Donmuş bakterileri bir şişede eritin.
   2. Şişeyi aç.
   3. 0,1 mL bakteri süspansiyonunun 10 mL taze büyüme ortamına sahip bir santrifüj tüpüne aktarılması. Elle iyice karıştırın (aşılama oranı 1:100'dür). Büyüme ortamı ile 5 bakterisüspansiyontekrarlayın. Sadece içinde taze büyüme ortamı 10 ile bir kontrol tüpü hazırlayın.
      NOT: Dondurma/kurutma işleminde kullanılan kriyoprotektif ana tüpte büyümeyi engelleyebilir. Tüplerin kapakları aerobik durumu korumak için gevşek sıkılır.
   4. Tüm tüpleri 30 °C'de 200 rpm'de 48-72 saat boyunca çalkalayın. Büyüme ortamı 48 h.'den sonra bulanıklaşırsa kuluçkayı durdurun, aksi takdirde kuluçka süresini maksimum 72 saate kadar uzatın.
   5. 20 dk için 4.000 x g bakteri ve büyüme ortamı ile tüpler santrifüj.
   6. Supernatant çıkarın, taze büyüme ortamı 25 mL ile değiştirin ve bir girdap makinesi kullanarak iyice karıştırın.
   7. Bakterilerin aktivitesini tam olarak uyarmak için adımları 1.2.3-1.2.6'yı iki kez tekrarlayın.
   8. Bakteri kültürünü geliştirmek için 25 mL büyüme ortamına sahip daha fazla tüpü aşılamak için 1.2.7 adımdaki tüplerden gelen süspansiyonu kullanın (aşılama oranı 1:100'dür).
   9. Tüm tüpleri 200 rpm'de 30 °C'de 48 saat boyunca çalkalayın.
   10. 20 dk için 4.000 x g bakteri ve büyüme ortamı ile tüpler santrifüj.
   11. Supernatant çıkarın, taze büyüme ortamı ile değiştirin ve iyi bir girdap makinesi kullanarak karıştırın.
   12. MICP deneylerini önce taze büyüme ortamını kullanarak bakteri konsantrasyonu ayarlayın. Bir spektrofotometre kullanılarak ölçülen 600 nm'deki süspansiyonun optik yoğunluğuna göre bakteri konsantrasyonu hesaplayın. Bu deneydeki OD₆₀₀ 0.6 idi.

2. Çimentolama ortamının hazırlanması

NOT: Sementasyon ortamı MICP tedavisi sırasında kalsit çökeltisi indüklemek için kimyasallar sağlamak için kullanılır. Üre-Ca²⁺ azı azı oranı 1:1'dir. Çimentolama ortamının kimyasal bileşenleri Tablo 1'degösterilmiştir. Aşağıdaki prosedür 0,5 M Ca ile çimentolama ortamı20 L içindir.

1. Plastik bir kutuiçinde 20 L su hazırlayın.
2. 200 g NH₄Cl, 60 g besin suyu, 42,4 g NaHCO_3,600 g üre ve 1470 g CaCl_2,2H₂O 20 L distile suda çözün. Karıştırma çubuğunu iyice karıştırın.

3. Kalıpların hazırlanması

1. Tam temas esnek kalıbının (FCFM) hazırlanması
   NOT: Tam temas esnek kalıp geotextile yapılır. Geotextile bir kapmak çekme mukavemeti vardır 1,689 N, bir yamuk gözyaşı mukavemeti 667 N, 0.15 mm belirgin bir açılış boyutu, 34 mm /s su akış hızı, 1.51 mm kalınlığında ve bir birim kütlesi 200 g/m^2. Kalıp boyutu farklı örnek boyutları (örneğin, sınırlandırılmamış sıkıştırma testi örneği veya doğrudan kesme testi örneği) hazırlamak için çeşitli olabilir.
   1. FCFM bir anüler parçası, bir alt ve bir kapak oluşur gibi, FCFM kurucu parçaları içine geotextile kesti.
   2. Şekil 1'degösterildiği gibi FCFM'nin üç parçasını birleştirin.
2. Biyotuğlalar için katı tam temas kalıbının (RFCM) hazırlanması
   NOT: Sert tam temas kalıbı esnek bir tabaka ve sert bir tutucudan oluşur. Esnek tabaka FCFM ile aynı geotextile yapılır. Rijit tutucu, polipropilen delikli sac üzerinde 6,35 mm çapında sendelenmiş delikleri olan polipropilen delikli bir levhadan imal edilmiştir ve bitişik delikler arasındaki açıklık mesafesi 9,53 mm'dir. Bir kalıp üç odadan oluşur ve her odanın boyutu 177,8 mm uzunluğunda, 76,2 mm genişliğinde ve 38,1 mm yüksekliğindedir. Farklı örnek boyutu hazırlamak için RFCM boyutu çeşitli olabilir. Rijit tutucudaki delikler, çimentolama ortamının esnek tabakadan serbestçe akmasını sağlar.
   1. Sert tutucunun kurucu parçaları için polipropilen delikli levhayı hazırlayın.
   2. Plastik vida ve somun kullanarak sert tutucu parçaları monte edin.
   3. Geotextile esnek katmanın bileşen parçalarını hazırlayın. Esnek tabaka bir alt ve bir kapak oluşur.
   4. Esnek katmanın alt kısmını sert tutucuya içine çekin.
   5. Kum kalıba eklendikten sonra, esnek tabakanın kapağını yerleştirin ve Şekil 2'degösterildiği gibi kum numunesinin üstüne dikilerek düzeltin.
3. İçi boş tuğla kalıp hazırlanması
   NOT: İçi boş tuğla kalıp sert bir tutucu, esnek bir tabaka ve karton tüpler içerir. Karton borunun boyutu 60 mm x 140 mm x 60 mm'dir. Bir kalıpta üç bölme yer alıyor ve bu işlemde her kalıp haznesinin boyutu 177,8 mm uzunluğunda, 76,2 mm genişliğinde ve 38,1 mm yüksekliğindedir.
   1. Sert tutucunun kurucu parçaları için polipropilen delikli levhayı hazırlayın.
   2. Sert tutucu parçanın alt kısmında delik. Deliklerin çapı 61 mm'dir. Her haznedeki deliklerin yeri Şekil 3a'dagösterilmiştir.
   3. Plastik vida ve somunlar kullanarak sert tutucu parçaları monte edin.
   4. Karton tüpleri sert tutucunun altındaki delinmiş deliklerde birleştirin.
   5. Geotextile esnek katmanın bileşen parçalarını hazırlayın. Esnek tabaka bir alt ve bir kapak oluşur. Delikler de karton tüpler aynı yerde esnek tabaka üzerinde gereklidir.
   6. Kum kalıba eklendikten sonra, esnek tabakanın kapağını yerleştirin ve Şekil 3b'degösterildiği gibi kum numunesinin üstüne dikilerek düzeltin.

4. Toplu reaktörün hazırlanması

NOT: Şekil 4'te gösterilen reaktör plastik bir kutu, çimentolama ortamı, numune destekli raf ve hava pompalarından oluşmaktadır. Toprak örnekleri çimentolama ortamına tam olarak daldırılabilirken, çimentolama ortamı bu yöntemle toprak örneklerine serbestçe yayılabilir. Reaktördeki hava pompası bakterilere oksijen sağlar. Sporosarcina pasteuriitarafından katalize EDILEN MICP tedavisi üzerinde farklı oksijen kaynağının etkilerini belirlemek için, Li ve ark. 2017¹⁸ üç farklı koşul altında kontrast testleri yaptı: havalanmış bir durum, klima kısıtlı bir durum ve açık hava koşulu. Onlar iyi oksijenli bir durum aerobik bakteriler tarafından katalize MICP süreçlerini iyileştirmek için gerekli olduğunu bulundu.

1. Plastik bir hortum kullanarak hava pompası ile hava kaynağı bağlayın.
2. Hava pompasını plastik kutuya yerleştirin.
3. Plastik kutuya çimentolama ortamı dökün.

5. Toprak örneklerinin hazırlanması

1. MICP ile işlenmiş toprak numunesinin hazırlanması
   NOT: Deneylerde Ottawa kumu (%99.7 kuvars) kullanılmaktadır. Kum, ortanca partikül boyutu 0,46 mm olan tek tiptir ve ceza dahil değildir. Birleşik Toprak Sınıflandırılmış Sistemi (USCS) dayalı kötü dereceli kum olarak sınıflandırılır.
   1. Hava pluviasyon yöntemi (FCFM, RFCM, içi boş tuğla kalıp) ile kalıplar içine kuru kum ekleyin medyan yoğun bir duruma ulaşmak için(D_r yaklaşık 42-55%aralığında, ve 1.58-1.64 g/cm³aralığında kum kuru yoğunluğu).
      NOT: Kumun ağırlığı farklı kalıp türlerine göre değişir: 38,6 mm çapında ve 76,2 mm yüksekliğinde olan UCS test numunesi için 145 ± 5 g kum.
   2. Kapağı numunelerin üzerine yerleştirin ve dikerek düzeltin.
   3. Bakteri çözeltisini geçirilebilir geotextile kapağı ile sabit optik yoğunluk değerine sahip numunelerin içine dökün ve doymuş olduğundan emin olun.
      NOT: Bakteri çözeltisi miktarı farklı numunelere göre değişmektedir: 38,6 mm çapında ve 76,2 mm yüksekliğinde olan UCS test numunesi için 50 mL bakteri çözeltisi.
   4. Örnekleri Şekil 5a'da gösterildiği gibi örnek desteklirafayerleştirin.
   5. Tüm rafı çimentolama ortamıyla dolu toplu reaktöre daldırın.
   6. Hava beslemesini açın ve hava çıkışını %100 hava doygunluğu tutmak için ayarlayın. MICP reaksiyonu 7 gün bekleyin.
   7. Şekil 5b'degösterildiği gibi reaktörden alınan numuneleri çıkar.
   8. Tam temas esnek kalıbını keserek veya sert tutucuyu kalıplayarak ve esnek katmanı keserek numuneleri çıkarın.
   9. Gözenek alanında kalan çözeltiyi çıkarmak için numuneleri suyla yıkayın.
   10. Numuneleri ağırlıkları sabit kalana kadar 48 saat boyunca 105 °C'lik fırına yerleştirin. Numuneler, fırın kuruduktan sonra test edilebilir veya ayrıca işlenebilir.
2. Elyaf takviyeli MICP ile işlenmiş toprak numunesinin hazırlanması
   NOT: Bu işlemlerde sentetik elyaf (bkz. Malzemeler Tablosu)ve Şekil 6'da gösterildiği gibi doğal palmiye lifleri kullanılmaktadır.
   1. Sentetik elyaf için, tek tip bir karışım elde etmek için lif ve kuru kum 900 g küçük artışlarla önerilen içerik karıştırın. Bu deneydeki lif içeriği kuru kumun ağırlığına göre %0,3 olarak sabitlenir.
   2. Doğal palmiye lifi için, dört eşit parçaya kum 760 g dağıtın. Aralıklarla RFCM kum ve lif bu dört parça ekleyin.
   3. MICP'li numuneyi almak için 5.1.2-5.1.10 adımlarını aynı yordamı tekrarlayın.
3. Biyoyüzey işleme li çimento işlemeli tuğlaların hazırlanması
   NOT: 3.15 özgül ağırlığı na sahip portland çimentosu (TIP I/II) bu deneyde çimento ile işlenmiş numuneler için çimentolama maddesi olarak kullanılır. Bu çimento erken mukavemet kazanç çeşitli kür süreleri 7 ila 21 gün arasında değişmektedir izin verdi. Bu işlemde eklenen çimento oranı kuru kum ağırlığına göre % 10'dur.
   1. Tek tip bir karışım elde etmek için 900 g kum, 90 g çimento ve 200 mL su karıştırın.
   2. Katı kalıp karışımı ekleyin. Rijit kalıbın boyutu 177,8 mm uzunluğunda, 76,2 mm genişliğinde ve 38,1 mm yüksekliğindedir.
   3. %100 sabit nemde ve 25 °C sabit sıcaklıkta 7 gün kür.
   4. Numuneleri ağırlıkları sabit kalana kadar 48 saat boyunca 105 °C'lik fırına yerleştirin.
   5. Adım 5.1.3—5.1.8 olarak aynı yordamı tekrarlayın.
   6. Numuneleri ağırlıkları sabit kalana kadar 48 saat boyunca 105 °C'lik fırına yerleştirin. Numuneler, fırın kuruduktan sonra test edilebilir veya ayrıca işlenebilir.

Sonuçlar

Şekil 7, çökelmiş CaCO_3'ün MICP ile tedavi edilen numune boyunca dağılımını göstermektedir. MICP ile tedavi edilen örnek üç farklı alana ayrıldı. Her bölgedeki CaCO₃ içeriği asit yıkama yöntemi ile test edilmiştir. Çökelmiş karbonatları eritmek için, kuru MICP ile işlenmiş numuneler hcl çözeltisi (0,1 M) içinde yıkandı, sonra durulandı, boşaltıldı ve 48 saat boyunca fırında kurutuldu. Asit yıkamadan önce ve sonra numune kütlel...

Tartışmalar

Micp tekniği daldırma ile bu yazıda sunulmuştur. Toprak örnekleri, MICP işleminde çimentolama ortamı tarafından tamamen nüfuz etmek için toplu reaktöre daldırıldı. Bu yöntemde MICP ile tedavi edilen numunelerin hazırlanması için tam temas esnek kalıp, sert tam kontak kalıp ve korse tuğla kalıp uygulanmıştır.

Farklı kalıplar farklı geometri gereksinimleri için tasarlanabilir. Geotextile'in lifli yapısı kum ve çimentolama ortamı arasındaki temas alanını artı...

Malzemeler

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)