DE202023105753U1 - A composition and system for the preparation and characterization of enzyme-induced calcite-precipitated amended soil - Google Patents
A composition and system for the preparation and characterization of enzyme-induced calcite-precipitated amended soil Download PDFInfo
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Abstract
Eine Zusammensetzung zur Herstellung von verändertem Boden, wobei die Zusammensetzung Folgendes umfasst:
40-50 g Erde;
55-65 g 1 M Harnstoff (CH4N2O);
95-105 g 2-4 g/l Urease-Enzym;
0.5-1.5 Liter entionisiertes (DI) Wasser; Und
3-5 g/L fettfreies Milchpulver.
40-50 g of soil;
55-65 g 1M urea (CH 4 N 2 O);
95-105 g 2-4 g/l urease enzyme;
0.5-1.5 liters deionized (DI) water; And
3-5 g/L fat-free milk powder.
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Zusammensetzungs- und Charakterisierungssysteme für die Bodenvorbereitung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Zusammensetzung und ein System zur Vorbereitung und Charakterisierung eines veränderten Bodens auf der Grundlage der enzyminduzierten Calcitfällungstechnik (EICP).The present invention relates to the field of composition and characterization systems for soil preparation. In particular, the present invention relates to a composition and a system for preparing and characterizing an amended soil based on the enzyme-induced calcite precipitation technique (EICP).
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Die Abfälle aus verschiedenen Gebieten werden auf Mülldeponien und Wasserquellen abgeladen, was das Deponiemanagement zu einer großen Herausforderung macht, da diese Standorte zu Hauptquellen für Sickerwasser werden, das reich an Schwermetallen, Fluoriden und anderen Verunreinigungen ist. Darüber hinaus gelangen durch das Eindringen von Sickerwasser aus Deponien große Mengen an Schwermetallen, Fluoriden und Nitraten in das Grundwasser, das für Bewässerung, industrielle Zwecke und Trinkwasser verwendet wird. Hohe Metallkonzentrationen in einem Boden mit niedrigem pH-Wert erhöhen den Säuregehalt des Bodens und machen ihn dadurch anfällig für Verunreinigungen. In bestimmten Szenarien liegt die Freisetzung von Schwermetallen im Boden bei über 1000 mg/kg, was den Boden von Natur aus giftig macht und somit das Wachstum der Vegetation beeinträchtigt. Schwermetalle können aufgrund ihrer Stabilität nicht abgebaut und aus dem Ökosystem ausgeschieden werden und verursachen schwerwiegende Gesundheitsprobleme für das Leben im Wasser und an Land. Schwermetalle, die natürlicherweise im Boden vorhanden sind, verursachen weniger Schäden als solche, die sich durch menschliche Aktivitäten anreichern. Das Ausmaß, in dem die Schwermetallbelastung zugenommen hat, macht es zwingend erforderlich, Sanierungsmethoden zu finden. Daher wird die Schwermetallsanierung durch verschiedene Methoden wie Ionenaustausch, Elektrodialyse, Nanofiltration, Flockung, chemische Fällung, Umkehrosmose, Ultrafiltration, Koagulation und Flotation erreicht. Die am häufigsten verwendete Methode zur Schwermetallsanierung ist die Adsorption, da sie flexibel einsetzbar ist. Eine der Methoden zur Schwermetallsanierung im Boden ist die Immobilisierung durch Verfestigung des Bodens mit einem Bindemittel, das die Aktivität und Löslichkeit von Schwermetallen verringert und sogar die mechanischen Eigenschaften des Bodens verbessert.The waste from different areas is dumped in landfills and water sources, making landfill management a major challenge as these sites become major sources of leachate rich in heavy metals, fluorides and other contaminants. In addition, leachate infiltration from landfills releases large amounts of heavy metals, fluorides and nitrates into groundwater used for irrigation, industrial purposes and drinking water. High concentrations of metals in a soil with a low pH increase the acidity of the soil, making it susceptible to contamination. In certain scenarios, the release of heavy metals in the soil is over 1000 mg/kg, making the soil inherently toxic and thus affecting the growth of vegetation. Due to their stability, heavy metals cannot be broken down and excreted from the ecosystem, causing serious health problems for aquatic and terrestrial life. Heavy metals that are naturally present in the soil cause less damage than those that accumulate through human activities. The extent to which heavy metal pollution has increased makes it imperative to find remediation methods. Therefore, heavy metal remediation is achieved through various methods such as ion exchange, electrodialysis, nanofiltration, flocculation, chemical precipitation, reverse osmosis, ultrafiltration, coagulation and flotation. The most commonly used method for heavy metal remediation is adsorption because it can be used flexibly. One of the methods for heavy metal remediation in soil is immobilization by solidifying the soil with a binder, which reduces the activity and solubility of heavy metals and even improves the mechanical properties of the soil.
Nach Untersuchungen von Sahu et al. wurden in sieben Wasserpflanzen des Kharun- Flusses in Indien Konzentrationen verschiedener Schwermetalle in Makrophyten von durchschnittlich 13 mg/kg Pb beobachtet. Metallverunreinigungen stellen aufgrund der zunehmenden anthropogenen Aktivitäten auch eine Bedrohung für Landpflanzen dar, was schließlich zu ihrem Eindringen in die Nahrungskette führt.According to research by Sahu et al. Concentrations of various heavy metals in macrophytes averaging 13 mg/kg Pb were observed in seven aquatic plants of the Kharun River in India. Metal contaminants also pose a threat to terrestrial plants due to increasing anthropogenic activities, eventually leading to their entry into the food chain.
Schwermetalle werden im Allgemeinen durch Fällungs-Lösungs-, Oxidations-Reduktions- und Adsorptions-Desorptions-Prozesse aus dem Boden entfernt. Die Entfernung von Metallen kann auch durch chemische Fällung, Biofällung, Ionenaustausch, Adsorption, Biosorption, physikalische Trennung, elektrochemische Trennung, Lösungsmittelextraktion, Flotation und Zementierung erfolgen. Eine weitere Technik zur Verringerung der gefährlichen Auswirkungen von Schwermetallen besteht darin, Schadstoffe durch Einkapselung im Boden zurückzuhalten. Die zur Durchführung der Einkapselung angewandten Methoden verringern die Mobilität von Schwermetallionen im Boden. Die Verwendung von Nano-Kalziumsilikat zur Rückhaltung von Cd, Ni und Pb gilt als wirksamer Ansatz zur Schadstoffsanierung.Heavy metals are generally removed from soil through precipitation-dissolution, oxidation-reduction and adsorption-desorption processes. Removal of metals can also be accomplished by chemical precipitation, bioprecipitation, ion exchange, adsorption, biosorption, physical separation, electrochemical separation, solvent extraction, flotation, and cementation. Another technique to reduce the dangerous effects of heavy metals is to retain pollutants by encapsulating them in the soil. The methods used to carry out encapsulation reduce the mobility of heavy metal ions in the soil. The use of nano-calcium silicate to retain Cd, Ni and Pb is considered an effective approach to pollutant remediation.
Allerdings ist die oben genannte Methode kostspielig und mit der Produktion von Nanoverbindungen im Makromaßstab verbunden, was wirtschaftlich nicht machbar ist.However, the above method is costly and involves macroscale production of nanocompounds, which is not economically feasible.
Um die oben genannten Einschränkungen zu überwinden, besteht daher ein Bedarf an der Entwicklung einer neuen Zusammensetzung und eines neuen Systems zur Vorbereitung und Charakterisierung eines veränderten Bodens auf der Grundlage der enzyminduzierten Calcitfällung (EICP).Therefore, to overcome the above limitations, there is a need to develop a new composition and system for preparation and characterization of an amended soil based on enzyme-induced calcite precipitation (EICP).
Die durch die vorliegende Erfindung offenbarten technischen Fortschritte überwinden die Einschränkungen und Nachteile bestehender und herkömmlicher Systeme und Methoden.The technical advances disclosed by the present invention overcome the limitations and disadvantages of existing and conventional systems and methods.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Zusammensetzung und ein System zur Vorbereitung und Charakterisierung eines veränderten Bodens auf der Grundlage der enzyminduzierten CalcitFällungstechnik (EICP).The present invention relates generally to a composition and system for preparing and characterizing an amended soil based on the enzyme-induced calcite precipitation (EICP) technique.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Zusammensetzung zur Herstellung eines veränderten Bodens.An object of the present invention is to provide a composition for producing an amended soil.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer umweltfreundlichen EICP-Technik.Another aim of the present invention is to use an environmentally friendly EICP technique.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Wirksamkeit von EICP bei der Einschränkung der Mobilität von Schwermetallen in Böden zu bewerten.Another aim of the present invention is to evaluate the effectiveness of EICP in limiting the mobility of heavy metals in soils.
Eine Zusammensetzung zur Herstellung von bindiger Erde, wobei die Zusammensetzung Folgendes umfasst: 40-50 g Erde; 55-65 g 1 M Harnstoff (CH4 N2 O); 0.67 M 95-105 g Calciumchlorid (CaCl2 · 2H2 O); 2-4 g/l Urease-Enzym; 0.5-1.5 l entionisiertes (DI) Wasser; und 3-5 g/L fettfreies Milchpulver.A composition for producing cohesive soil, the composition comprising: 40-50 g of soil; 55-65 g 1M urea (CH 4 N 2 O); 0.67 M 95-105 g calcium chloride (CaCl 2 2H 2 O); 2-4 g/l urease enzyme; 0.5-1.5 l deionized (DI) water; and 3-5 g/L fat-free milk powder.
Ein System zur Vorbereitung einer veränderten Bodenzusammensetzung, wobei das System Folgendes umfasst: eine Sammelkammer zum Sammeln einer Bodenmischung aus einer mit Schwermetallen kontaminierten Quelle; ein Sieb, um den Boden durch Perforationen des Siebes zu leiten, um feinen Boden zu erhalten, und um den feinen Boden zu verdichten; einen Behälter zum Zugeben der Enzymlösungszusammensetzung zum verdichteten Feinboden, um eine Mischung mit einem Feuchtigkeitsgehalt zu erhalten, der einem optimalen Feuchtigkeitsgehalt des Bodens nach Gewicht entspricht; ein Siegel zur Aufbewahrung der vorbereiteten Mischung, um eine ordnungsgemäße Calcitausfällung sicherzustellen; und einen Exsikkator zum Aushärten der vorbereiteten Mischung für einen definierten Zeitraum, um eine Calciumcarbonat-Fällung zur Gewinnung des bindigen Bodens durchzuführen.A system for preparing an altered soil composition, the system comprising: a collection chamber for collecting a soil mixture from a source contaminated with heavy metals; a sieve for passing the soil through perforations of the sieve to obtain fine soil and to compact the fine soil; a container for adding the enzyme solution composition to the compacted fine soil to obtain a mixture having a moisture content corresponding to an optimum moisture content of the soil by weight; a seal to preserve the prepared mixture to ensure proper calcite precipitation; and a desiccator for curing the prepared mixture for a defined period of time in order to carry out calcium carbonate precipitation to obtain the cohesive soil.
Um die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung weiter zu verdeutlichen, erfolgt eine detailliertere Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen davon, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Es versteht sich, dass diese Zeichnungen nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als deren Umfang einschränkend anzusehen sind. Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen genauer und detaillierter beschrieben und erläutert.In order to further illustrate the advantages and features of the present invention, a more detailed description of the invention will be made with reference to specific embodiments thereof shown in the accompanying drawings. It is understood that these drawings represent only typical embodiments of the invention and are therefore not to be viewed as limiting its scope. The invention is described and explained in more detail and in greater detail with reference to the accompanying drawings.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile darstellen, wobei:
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1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems zur Vorbereitung der bindigen Bodenzusammensetzung; und -
2 zeigt eine grafische Darstellung der UCS-Ergebnisse von EICPbehandelten Böden mit verschiedenen Enzymlösungen: (a) Boden K (b) Boden M.
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1 shows a block diagram of a system for preparing the cohesive soil composition; and -
2 shows a graphical representation of the UCS results of EICP-treated soils with different enzyme solutions: (a) Soil K (b) Soil M.
Darüber hinaus werden erfahrene Handwerker erkennen, dass Elemente in den Zeichnungen der Einfachheit halber dargestellt sind und möglicherweise nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Beispielsweise veranschaulichen die Flussdiagramme die Methode anhand der wichtigsten Schritte, die dazu beitragen, das Verständnis von Aspekten der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Darüber hinaus können im Hinblick auf die Konstruktion des Geräts eine oder mehrere Komponenten des Geräts in den Zeichnungen durch herkömmliche Symbole dargestellt worden sein, und die Zeichnungen zeigen möglicherweise nur die spezifischen Details, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung relevant sind um die Zeichnungen nicht durch Details zu verdecken, die für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, der Nutzen aus der Beschreibung hierin zieht, leicht ersichtlich sind.Additionally, experienced craftsmen will recognize that elements in the drawings are presented for convenience and may not necessarily have been drawn to scale. For example, the flowcharts illustrate the method through key steps that help improve understanding of aspects of the present disclosure. Additionally, in view of the construction of the device, one or more components of the device may have been represented in the drawings by conventional symbols, and the drawings may show only the specific details relevant to understanding the embodiments of the present disclosure around the drawings not to be obscured by details that would be readily apparent to one of ordinary skill in the art who would benefit from the description herein.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG:DETAILED DESCRIPTION:
Um das Verständnis der Prinzipien der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und für deren Beschreibung eine spezifische Sprache verwendet. Es versteht sich jedoch, dass dadurch keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, da Änderungen und weitere Modifikationen des dargestellten Systems und weitere Anwendungen der darin dargestellten Prinzipien der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann normalerweise in den Sinn kommen würden in der Technik, auf die sich die Erfindung bezieht.In order to promote understanding of the principles of the invention, reference will now be made to the embodiment shown in the drawings and specific language will be used to describe the same. It is to be understood, however, that this is not intended to limit the scope of the invention, since changes and further modifications to the system illustrated and further applications of the principles of the invention set forth therein are contemplated as would normally occur to one skilled in the art Technology to which the invention relates.
Der Fachmann versteht, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und diese nicht einschränken sollen.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and illustrative of the invention and are not intended to limit the same.
Verweise in dieser Spezifikation auf „einen Aspekt“, „einen anderen Aspekt“ oder eine ähnliche Sprache bedeuten, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder ein bestimmtes Merkmal, das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Daher beziehen sich die Formulierungen „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Formulierungen in dieser Spezifikation möglicherweise, aber nicht unbedingt, auf dieselbe Ausführungsform.References in this specification to “an aspect,” “another aspect,” or similar language mean that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment of the present invention is included. Therefore, the phrases “in one embodiment,” “in another embodiment,” and similar phrases in this specification may, but not necessarily, refer to the same embodiment.
Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“ oder andere Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, sodass ein Prozess oder eine Methode, die eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte umfasst, sondern möglicherweise andere Schritte nicht umfasst ausdrücklich aufgeführt oder diesem Prozess oder dieser Methode innewohnend sind. Ebenso schließen ein oder mehrere Geräte oder Subsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, denen „umfasst...a“ vorangestellt ist, nicht ohne weitere Einschränkungen die Existenz anderer Geräte oder anderer Subsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen aus andere Komponenten oder zusätzliche Geräte oder zusätzliche Subsysteme oder zusätzliche Elemente oder zusätzliche Strukturen oder zusätzliche Komponenten.The terms “includes,” “comprising,” or other variations thereof are intended to cover non-exclusive inclusion, such that a process or method that includes a list of steps not only includes those steps, but may include other steps not specifically listed or following this inherent in the process or method. Likewise, one or more devices or subsystems or elements or structures or components prefixed with "comprises...a" do not exclude, without further limitation, the existence of other devices or other subsystems or other elements or other structures from other components or additional devices or additional subsystems or additional elements or additional structures or additional components.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden werden. Das hier bereitgestellte System, die Methoden und Beispiele dienen nur der Veranschaulichung und sollen nicht einschränkend sein.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as generally understood by one of ordinary skill in the art to which this invention pertains. The system, methods and examples provided herein are for illustrative purposes only and are not intended to be limiting.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
Eine Zusammensetzung zur Herstellung von veränderter Erde, wobei die Zusammensetzung Folgendes umfasst: 40-50 g Erde; 55-65 g 1 M Harnstoff (CH4N2O); 0.67 M 95-105 g Calciumchlorid (CaCl2·2H2O); 2-4 g/l Urease-Enzym; 0.5-1.5 Liter entionisiertes (DI) Wasser; und 3-5 g/L fettfreies Milchpulver.A composition for making amended soil, the composition comprising: 40-50 g of soil; 55-65 g 1M urea (CH 4 N 2 O); 0.67 M 95-105 g calcium chloride (CaCl 2 ·2H 2 O); 2-4 g/l urease enzyme; 0.5-1.5 liters deionized (DI) water; and 3-5 g/L fat-free milk powder.
Die Zusammensetzung wird in der definierten Menge gemischt, um eine Enzymlösung herzustellen. Die Stammlösung des Bodens enthält Schwermetalle und besteht aus Nitraten von Nickel (Ni(NO3)2), Cadmium (Cd(NO3)2) und Blei (Pb(NO3)2). Der Boden besteht aus roter Erde und schwarzer Baumwollerde.The composition is mixed in the defined amount to produce an enzyme solution. The stock solution of the soil contains heavy metals and consists of nitrates of nickel (Ni(NO 3 ) 2 ), cadmium (Cd(NO 3 ) 2 ) and lead (Pb(NO 3 ) 2 ). The soil consists of red soil and black cotton soil.
Die schwarze Baumwollerde stammt aus dem Distrikt Yadgir (16∘45020.55600 N, 77∘9 04.507200 E) und die rote Erde aus dem Distrikt Bangalore (13∘2 014.139600 N, 77∘37011.92800 E) in Karnataka, Indien. Das vorherrschende Mineral in schwarzer Baumwollerde wurde als Montmorillonit (im Folgenden als „Boden M“ bezeichnet) und Kaolinit in roter Erde (im Folgenden als „Boden K“ bezeichnet) identifiziert. Der Boden wird aus 3 m Tiefe gesammelt und in Polyethylenbeuteln versiegelt, um eine Vermischung unerwünschter biologisch abbaubarer Stoffe zu vermeiden. Die geotechnischen Eigenschaften dieser Böden werden gemäß den einschlägigen ASTM-Standards bestimmt. Die Flüssigkeitsgrenze roter und schwarzer Böden liegt bei 30 % und 54 %; Die Kunststoffgrenzwerte liegen bei 17 % bzw. 27 % und der Plastizitätsindex bei 13 % bzw. 27 %.The black cotton soil is from Yadgir district (16∘45020.55600 N, 77∘9 04.507200 E) and the red soil is from Bangalore district (13∘2 014.139600 N, 77∘37011.92800 E) in Karnataka, India. The predominant mineral in black cotton soil was identified as montmorillonite (hereafter referred to as “soil M”) and kaolinite in red soil (hereafter referred to as “soil K”). The soil is collected from 3 m depth and sealed in polyethylene bags to avoid mixing of unwanted biodegradable materials. The geotechnical properties of these soils are determined in accordance with relevant ASTM standards. The liquid limit of red and black soils is 30% and 54%; The plastic limit values are 17% and 27% and the plasticity index is 13% and 27%.
Der rote Boden wird als Ton mit geringer Plastizität klassifiziert, während der schwarze Boden als Ton mit hoher Plastizität klassifiziert wird. Der Permeabilitätskoeffizient (K) des roten Bodens beträgt 5.30 × 10-7 cm/s und der des schwarzen Bodens beträgt 7.83 × 10-8 cm/s. Darüber hinaus beträgt der Quelldruck 117.83 kPa bzw. 167.10 kPa für rote und schwarze Böden. Der natürliche pH-Wert roter und schwarzer Böden beträgt 5.7 bzw. 8.3. Die Hintergrundkonzentration von Schwermetallen (Cd, Ni und Pb) wird in beiden Böden durch Auslaugungstests überprüft und liegt unter den nachweisbaren Grenzwerten.The red soil is classified as a low plasticity clay, while the black soil is classified as a high plasticity clay. The permeability coefficient (K) of the red soil is 5.30 × 10 -7 cm/s and that of the black soil is 7.83 × 10 -8 cm/s. Furthermore, the swelling pressure is 117.83 kPa and 167.10 kPa for red and black soils, respectively. The natural pH of red and black soils is 5.7 and 8.3, respectively. The background concentration of heavy metals (Cd, Ni and Pb) in both soils is checked through leaching tests and is below detectable limits.
Die Schwermetalle bestehen aus Nitratsalzen von Cadmium (Cd(NO3)2), Nickel (Ni(NO3)2) und Blei (Pb(NO3)2) in analytischer Qualität und werden von Winlab Chemical, Market Harborough, Vereinigte Staaten, geliefert Königreich und Stammlösungen (1000 mg/L) von Cadmium (Cd), Nickel (Ni) und Blei (Pb) werden verwendet, um die gewünschte Dosierung von Kontaminationslösungen herzustellen.The heavy metals consist of analytical grade nitrate salts of cadmium (Cd(NO 3 ) 2 ), nickel (Ni(NO 3 ) 2 ) and lead (Pb(NO 3 ) 2 ) and are manufactured by Winlab Chemical, Market Harborough, United States. supplied Kingdom and stock solutions (1000 mg/L) of Cadmium (Cd), Nickel (Ni) and Lead (Pb) are used to prepare the desired dosage of contamination solutions.
Beispiel 1:Example 1:
Die Zusammensetzung zur Vorbereitung des verbesserten Bodens besteht aus:
- 40-50 g Erde; 60.6 g, 1 M Harnstoff (CH4N2O); 0.67 M, 98.49 g aus Calciumchlorid (CaCl2·2H2O); 2-4 g/l Urease-Enzym; 1 Liter entionisiertes (DI) Wasser; Und 3-5 g/L fettfreies Milchpulver.
- 40-50 g of soil; 60.6 g, 1 M urea (CH 4 N 2 O); 0.67 M, 98.49 g from calcium chloride (CaCl 2 ·2H 2 O); 2-4 g/l urease enzyme; 1 liter deionized (DI) water; And 3-5 g/L fat-free milk powder.
Figure 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems (100) zur Aufbereitung einer veränderten Bodenzusammensetzung, wobei das System (100) Folgendes umfasst: eine Sammelkammer (102), ein Sieb (104), einen Behälter (106), eine Dichtung (108) und einem Exsikkator (110).Figure 1 shows a block diagram of a system (100) for processing a modified soil composition, the system (100) comprising: a collection chamber (102), a sieve (104), a container (106), a seal (108) and a Desiccator (110).
Die Sammelkammer (102) sammelt eine Mischung aus mit Schwermetallen kontaminiertem Boden aus einer Quelle. Das Sieb (104) ist an der Sammelkammer (102) angebracht, um den Boden durch Perforationen des Siebes zu leiten, um Feinboden zu erhalten, wobei der Feinboden verdichtet wird. Der Behälter (106) ist mit dem Sieb (104) verbunden, um die Enzymlösungszusammensetzung mit dem verdichteten feinen Boden zuzugeben, um eine Mischung zu erhalten, deren Feuchtigkeitsgehalt einem optimalen Feuchtigkeitsgehalt des Bodens nach Gewicht entspricht. Die Dichtung (108) ist am Behälter (106) zur Aufbewahrung der vorbereiteten Mischung angebracht, um eine ordnungsgemäße Calcitausfällung sicherzustellen. Der Exsikkator (110) ist mit der Dichtung (108) verbunden, um die vorbereitete Mischung für einen definierten Zeitraum auszuhärten, um eine Calciumcarbonat-Fällung zur Gewinnung des bindigen Bodens durchzuführen.The collection chamber (102) collects a mixture of soil contaminated with heavy metals from a source. The screen (104) is attached to the collection chamber (102) to pass the soil through perforations of the screen to obtain fine soil, thereby compacting the fine soil. The container (106) is connected to the sieve (104) for adding the enzyme solution composition with the compacted fine soil to obtain a mixture whose moisture content corresponds to an optimal moisture content of the soil by weight. The seal (108) is attached to the container (106) for storing the prepared mixture to ensure proper calcite precipitation. The desiccator (110) is connected to the seal (108) in order to harden the prepared mixture for a defined period of time in order to carry out calcium carbonate precipitation to obtain the cohesive soil.
In einer Ausführungsform besteht die Bodenmischung aus Roterde und Schwarzerde und die Schwermetalle bestehen aus Nitraten von Nickel (Ni(NO3)2), Cadmium (Cd(NO3)2) und Blei (Pb(NO)3)2).In one embodiment, the soil mixture consists of red earth and black earth and the heavy metals consist of nitrates of nickel (Ni(NO 3 ) 2 ), cadmium (Cd(NO 3 ) 2 ), and lead (Pb(NO) 3 ) 2 ).
In einer Ausführungsform beträgt das definierte Aushärteintervall vorzugsweise 21 Tage.In one embodiment, the defined curing interval is preferably 21 days.
In einer Ausführungsform führt der Exsikkator (110) Calciumcarbonat (CaCO3) durch. Ausfällung durch Einweichen der vorbereiteten Mischung in 1 M Salzsäure für eine Stunde, bis das Aufschäumen verschwindet, gefolgt vom Spülen der Proben, wobei die Proben in einem Ofen bei einer Temperatur von 105 °C getrocknet werden, um den Prozentsatz des im Boden ausgefällten CaCO3 zu berechnen.In one embodiment, the desiccator (110) passes calcium carbonate (CaCO 3 ). Precipitation by soaking the prepared mixture in 1 M hydrochloric acid for one hour until foaming disappears, followed by rinsing the samples, drying the samples in an oven at a temperature of 105 °C to reduce the percentage of CaCO 3 precipitated in the soil to calculate.
In einer Ausführungsform umfasst die Enzymlösungszusammensetzung Harnstoff, Ureaseenzym, entionisiertes (DI) Wasser; und fettfreies Milchpulver.In one embodiment, the enzyme solution composition comprises urea, urease enzyme, deionized (DI) water; and fat-free milk powder.
Es werden Batch-Sorptionstests gemäß ASTM D4646-16 durchgeführt, um die Menge der im Boden sorbierten Schwermetalle zu ermitteln. Die Sorptionstests wurden an Böden mit getrennten Schwermetallen (Cd, Ni und Pb) sowie einer Kombination von Schwermetallverunreinigungen, nämlich Cd + Ni, Ni + Pb, Pb + Cd und Ni + Cd + Pb, durchgeführt getestet, um die kompetitive Sorption sowie die kompetitive Desorption in den Böden mit und ohne Behandlung zu verstehen. Die Dosierung der Kombination von Schwermetallen für Sorptionstests betrug 10, 20, 50 und 100 mg/L und Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnisse (S/L) von 1:4, 1:10, 1:20, 1:50 und 1:100 wird sowohl für rohe als auch für behandelte Böden zur Durchführung von Sorptionstests eingehalten. Die Dosierung von Schwermetallkombinationen für Desorptionstests auf den Böden beträgt 50 und 100 mg/kg.Batch sorption tests are performed in accordance with ASTM D4646-16 to determine the amount of heavy metals sorbed in soil. The sorption tests were carried out on soils with separate heavy metals (Cd, Ni and Pb) as well as a combination of heavy metal contaminants, namely Cd + Ni, Ni + Pb, Pb + Cd and Ni + Cd + Pb, tested to determine the competitive sorption as well as the competitive To understand desorption in soils with and without treatment. The dosage of the combination of heavy metals for sorption tests was 10, 20, 50 and 100 mg/L and solid-liquid ratios (S/L) of 1:4, 1:10, 1:20, 1:50 and 1:100 is followed for both raw and treated soils for carrying out sorption tests. The dosage of heavy metal combinations for desorption tests on the soils is 50 and 100 mg/kg.
Die Desorptionsstudie wird durchgeführt, indem 50 g ofengetrocknete Rohbodenproben in destilliertem Wasser gewaschen und in einen Behälter gegeben werden und eine Kombination von Kontaminationslösungen der gewünschten Dosierung (50, 100 mg/kg), hergestellt aus 1000 mg/kg Stammlösung, gemischt wird gründlich reinigen und mit Aluminiumfolie abdecken, um eine Kreuzkontamination zu vermeiden. In die Aluminiumfolie werden kleine Löcher gebohrt, um die Verdunstung des Wassers zu erleichtern. Die Behälter werden 40 Tage lang auf einer erhöhten horizontalen Fläche in einer feuchtigkeitsregulierten Kammer aufbewahrt, um eine gründliche Wechselwirkung zwischen den Bodenkörnern und den Schwermetallionen bei einer konstanten Temperatur von 27 °C und einer Luftfeuchtigkeit von 40 bis 45 % sicherzustellen. Ein ähnliches Verfahren wird für Schwermetallbelastungen in Böden angewendet, die mit dem Enzym Urease behandelt wurden.The desorption study is carried out by washing 50 g of oven-dried raw soil samples in distilled water and placing them in a container and mixing a combination of contaminant solutions of the desired dosage (50, 100 mg/kg), prepared from 1000 mg/kg stock solution, thoroughly clean and cover with aluminum foil to avoid cross-contamination. Small holes are drilled into the aluminum foil to facilitate the evaporation of the water. The containers are kept for 40 days on an elevated horizontal surface in a humidity-controlled chamber to ensure thorough interaction between the soil grains and the heavy metal ions at a constant temperature of 27 ° C and a humidity of 40 to 45%. A similar procedure is used for heavy metal contamination in soils that have been treated with the enzyme urease.
Das Urease-Enzym ist ein reines Protein und eine häufige Quelle des aus Jackbohnen gewonnenen Enzyms. Zusätzliche Inhaltsstoffe, die zusammen mit Urease zur Herstellung der Enzymlösungen verwendet werden, sind Calciumchlorid-Dehydrat (CaCl2 · 2H2O), da es eine der am meisten bevorzugten und effektivsten Quellen zur Auslösung der CaCO3 - Ausfällung ist. Der Harnstoff (NH2-CO-NH2) und das fettfreie Milchpulver werden von Winlab Chemical, Market Harborough, Vereinigtes Königreich, bezogen.The urease enzyme is a pure protein and a common source of the enzyme derived from jack beans. Additional ingredients used along with urease to prepare the enzyme solutions are calcium chloride dehydrate (CaCl 2 2H 2 O) as it is one of the most preferred and effective sources for initiating CaCO 3 precipitation. The urea (NH 2 -CO-NH 2 ) and non-fat milk powder are purchased from Winlab Chemical, Market Harborough, United Kingdom.
In einer beispielhaften Ausführungsform wird die basische Enzymlösung durch Mischen von 1 M Harnstoff, 0.67 M Calciumchlorid (CaCl2)-Dihydrat und 3 g/L Urease-Enzym in entionisiertem Wasser vor dem Einmischen in den Boden hergestellt. 4 g/L fettfreies Milchpulver werden zu einer anderen Enzymlösung mit denselben Inhaltsstoffen wie in der Basisenzymlösung hinzugefügt. Rohe Bodenproben werden ofengetrocknet und durch ein 425-µ-Sieb gegeben. Enzymlösungen, deren Volumen dem optimalen Feuchtigkeitsgehalt des Bodens entspricht, werden separat in den Boden eingemischt und manuell in starren zylindrischen Behältern verdichtet. Durch die Verdichtung wird sichergestellt, dass die Hohlräume im behandelten Boden möglichst gering sind. Die behandelten Bodenproben werden mit Polyethylenabdeckungen abgedeckt und 21 Tage lang ausgehärtet, um eine maximale Ausfällung von CaCO3 sicherzustellen.In an exemplary embodiment, the basic enzyme solution is prepared by mixing 1 M urea, 0.67 M calcium chloride (CaCl 2 ) dihydrate and 3 g/L urease enzyme in deionized water by mixing it into the soil. 4 g/L of fat-free milk powder is added to another enzyme solution with the same ingredients as in the basic enzyme solution. Raw soil samples are oven dried and passed through a 425 µ sieve. Enzyme solutions, the volume of which corresponds to the optimal moisture content of the soil, are mixed separately into the soil and manually compacted in rigid cylindrical containers. Compaction ensures that the voids in the treated soil are as small as possible. The treated soil samples are covered with polyethylene covers and cured for 21 days to ensure maximum precipitation of CaCO3 .
In einer Ausführungsform von Sorptionstests werden Bodenproben zunächst mit destilliertem Wasser gemischt und 24 Stunden lang geschüttelt, und die gewünschte Dosierung der Schwermetalllösung wird zugesetzt und 24 Stunden lang geschüttelt. Die Lösung wird mit aschefreiem Whatman 42-Filterpapier filtriert und die Menge der sorbierten Schwermetalle wird mit einem Atomabsorptionsspektrophotometer berechnet. Um die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit sicherzustellen, wird jeder Test an drei Proben durchgeführt und der Durchschnittswert ermittelt. Die auf der Bodenoberfläche sorbierte Schwermetallmenge wird durch Berechnung der Differenz zwischen der Anfangs- und Endmasse der Schwermetallkonzentration in der Filtratlösung ermittelt. Um die gewünschte Schwermetallkonzentration zu erreichen, dh 10, 20, 50 und 100 mg/L; 50 ml entionisiertes doppelt destilliertes Wasser werden mit 0.5, 1, 2.5 bzw. 5 ml Stammlösung (1000 mg/L) versetzt. Bei allen Schadstofflösungen wird ein Fest-zu-Flüssigkeits-Verhältnis (s/l) von 1:20 eingehalten. Durch Zugabe von 1000 mg/l Stammlösung variiert das s/l-Verhältnis auf 1:20,5, 1:21, 1:22,5 und 1 :25 und diese Variation im S/L-Verhältnis wird durch ASTM D3987 gerechtfertigt. Der pH-Wert der Testproben wird durch Verwendung von 1 M HCL (Einheitsmolarität) auf 5 gehalten. Bodenpartikel werden durch 24-stündiges Schütteln in entionisiertem doppelt destilliertem Wasser dispergiert und hydratisiert und erreichen einen stabilen Zustand. In dieser Phase werden Schadstoffe zugesetzt, um die Sorption auf allen möglichen Bodenkörnern zu ermöglichen. Um ein konstantes Verdünnungsverhältnis sicherzustellen, wurde eine Stammlösung mit sehr hoher Konzentration in einem vergleichsweise geringeren Volumen der wässrigen Lösung hinzugefügt, um die gewünschte Schadstoffkonzentration, d. h. 100 mg/l, aufrechtzuerhalten. Es ist zu beobachten, dass das Verhältnis von s/l mit einer Differenz von 0.1 leicht zunimmt. Dies ist eine akzeptable Methode zur Aufrechterhaltung der gewünschten Schadstoffkonzentration. Zur Durchführung der Sorptionsstudien werden unterschiedliche Verdünnungsverhältnisse eingehalten. Die in der vorliegenden Erfindung eingehaltenen Verhältnisse variieren zwischen 1:5, 1:10, 1:20, 1:50 und 1:100 durch Mischen von 5 g getrockneter Erde in entionisiertem destilliertem Wasser mit den Volumina 25, 50, 100, 250 und 500 mL bzw. Die weitere Schadstoffkonzentration wurde durch Zugabe von 2.5, 5, 10, 25 und 50 ml einer 1000 mg/L-Stammlösung auf 100 mg/L gehalten. Die Schadstoff-Stammlösungen wurden den Proben unter Verwendung der Schwermetall-Stammlösung mit einer Mikropipette zugesetzt. Die Lösung wurde vor und nach der Zugabe von Verunreinigungen 24 Stunden lang bei 30 U/min geschüttelt. Der pH-Wert jeder wässrigen Lösung wurde vor der Zugabe von Verunreinigungen auf 5 gehalten, um eine Ausfällung der Schwermetalle zu vermeiden, und die endgültigen pH-Werte der Lösungen wurden kurz vor dem Test im AAS bestimmt. Darüber hinaus wurde das gleiche Verfahren befolgt, um mehr als eine Verunreinigung gleichzeitig in den folgenden Kombinationen zu versetzen, nämlich Cd + Ni, Ni + Pb, Pb + Cd und Ni + Cd + Pb.
Die UCS-Ergebnisse für Bodenproben mit ESs, die 7, 14 und 21 Tage lang ausgehärtet wurden. Es wurde beobachtet, dass die UCS-Werte der Bodenproben auf den Maximalwert anstiegen, wenn die Proben mit ES2 behandelt und 21 Tage lang ausgehärtet wurden. Fettfreies Milchpulver in ES2 ist der wichtigste Festigkeitsverstärker, da es Keimbildungsstellen im Boden schafft und so die Ausfällung von CaCO3 fördert. Allerdings wird in ES3 auch fettfreies Milchpulver verwendet, und der Kraftzuwachs ist geringer als der von ES2, da die Menge des verwendeten Urease-Enzyms in ES3 0.85 g/L beträgt, was weniger ist als die von ES2. Der gleiche Grund gilt möglicherweise für das Verständnis der Menge an CaCO3 , die im Boden ausgefällt wird, wenn ES3 verwendet wird, was eine Verringerung der ausgefällten CaCO3 im Vergleich zu Niederschlägen bei Verwendung von ES2 darstellt.The UCS results for soil samples with ESs cured for 7, 14, and 21 days. It was observed that the UCS values of the soil samples increased to the maximum value when the samples were treated with ES2 and cured for 21 days. Fat-free milk powder in ES2 is the most important strength enhancer as it creates nucleation sites in the soil and thus promotes the precipitation of CaCO 3 . However, non-fat milk powder is also used in ES3, and the strength gain is lower than that of ES2 because the amount of urease enzyme used in ES3 is 0.85 g/L, which is less than that of ES2. The same reason may apply to understanding the amount of CaCO3 precipitated in the soil when ES3 is used, which represents a reduction in CaCO3 precipitated compared to precipitation when ES2 is used.
Die Sorptionskoeffizienten (qe) der einzelnen Schwermetalle in mg/g werden für die an den behandelten Böden durchgeführten Tests ermittelt, wodurch ein Verständnis für das Verhalten der Schwermetallsorption gewonnen wird. Die Menge an Schwermetallen, die auf dem unbehandelten Boden sorbiert wird, ist vergleichsweise geringer als die des behandelten Bodens. Die Sorptionskoeffizienten für 100 mg/L Ausgangskonzentration von Ni betrugen 1,513 mg/g (pH 6,32) und 7,0838 mg/g (pH 7,63) für rohe rote Erde bzw. mit E2 behandelte rote Erde. Für Schwarzerde sind die Sorptionskoeffizienten für Ni bei der Behandlung mit E2 am höchsten, für rohe Schwarzerde sorbierte Ni zu 1,8754 mg/g (pH 6,35) und die nach der Behandlung mit E2 zeigte eine Verbesserung von 7,6873 mg/g, während der Lösungs-pH 7,88 betrug. Außerdem ist die Sorption von Cd und Pb vergleichsweise weniger effektiv als die von Ni, wobei E2 die Schwermetalle am effektivsten zurückhält. Die Sorption von Cd stieg auf 5,4235 mg/g (pH 6,44) und 5,8519 mg/g (pH 7,09) für mit E2 behandelte rote und schwarze Erde von 1,352 mg/g (pH 6,44) und 2,4523 mg/g (pH 6,11) für unbehandelte rote bzw. schwarze Erde. Die Pb-Sorption beträgt 5,6925 mg/g (pH 7,01) und 6,6741 mg/g (pH 8,24) für mit E2 behandelte rote bzw. schwarze Böden und 1,5476 mg/g und 1,8139 mg/g für unbehandelte rote bzw. schwarze Böden mit pH-Werten von 6,87 bzw. 7,01. Tabelle 2: Calciumcarbonat-Ausfällung (%), ermittelt durch gravimetrischen Säureaufschlusstest.
Die Bildung von CaCO3 wird im Boden durch die Reaktion zwischen Harnstoff und Calciumchlorid initiiert; Dies geschieht, wenn sich die Calciumionen und Carbonationen verbinden. Der Prozess der Ausfällung von Calciumcarbonat wird durch das Enzym Urease beschleunigt. Die Rezeptur der ESs bietet eine Umgebung für die effiziente Nutzung des Enzyms für die CaCO3 -Fällung. Aufgrund der Verwendung von fettfreiem Milchpulver wird CaCO3 entlang der Keimbildungsstellen mit ES2 ausgefällt. Der Hauptprozess, der zur Bildung von Calcit führt, ist die Hydrolyse von Harnstoff durch das Enzym Urease zu CO2 und NH3, und die Speziation von NH3 führt zur Entwicklung von NH4 + -Ionen, was eine geeignete Umgebung für die Ausfällung von CaCO schafft 3 in einer kalziumreichen Lösung von CaCl2. Es wird auch vorgeschlagen, dass Schwermetallionen mit Ionenradien nahe denen von Ca2+ (z. B. Pb2+, Cu2+, Cd2+ und Sr2+-) durch Ersetzen von Ca2 in das CaCO3- Kristallgitter eingebaut werden +-Ionen oder durch die Erzeugung von Defekten auf den Calciumcarbonatkristallen oder sogar durch das Eindringen in die CaCO3 -Zwischenräume. Dies weist darauf hin, dass die EICP-Technik zur Sanierung von Schwermetallen eingesetzt wird. Die Bildung von Karbonaten von Schwermetallen erfolgt in der Mikroumgebung der Mineralkarbonate, und das Verfahren ist sogar auf Radionuklide wie Strontium anwendbar, das Strontiumkarbonat (SrCO3) bildet. Metallionen im Boden neigen dazu, sich mit bereits im Boden vorhandenen Karbonaten zu verklumpen, und aufgrund der Ausfällung von Schwermetallkarbonaten ist eine Schwermetallretention zu erwarten. Der enzymatische Mechanismus der Bioremediation hat sich bei Problemen mit der Bioakkumulation von Schwermetallen in Papiermasse als wirksam erwiesen. Tabelle 3: Prozentsatz des ausgefällten CaCO3, bezogen auf das Bodengewicht in jeder behandelten Probe.
Untersucht wird die Cd-Retention in Böden. Die höchste Entfernungseffizienz von Cd wird mit 50.39 % für unbehandelten Boden M und 46.37 % für unbehandelten Boden K beobachtet. Die niedrigste Entfernungseffizienz für Cd bei Extraktion mit 0.5 M Zitronensäure wird mit 3.97 % für Boden M und 5.39 % für Boden K beobachtet mit ES2 behandelt. Eine Zunahme von Ton- oder Schluffpartikeln im Boden verringert die Freisetzung von Cd aufgrund starker Ablagerungen von Schwermetallspuren, die in den feineren Tonfraktionen auftreten. Daher wird beobachtet, dass ein höherer Schluff- oder Tongehalt die Kapazität des Bodens für die Schwermetallretention erhöht. Auch die Cd-Entfernungseffizienz ist aufgrund der Ausfällung einer vergleichsweise großen Menge CaCO3 in mit ES2 behandelten Böden gering. Die in dieser Studie zur Rückhaltung von Schwermetallen verwendete EICP-Methode ist vergleichsweise wirksamer bei der Immobilisierung von Cd. Daher kann die EICP-Behandlung als ein für Cd-Kontamination selektives Adsorptionsmittel bezeichnet werden. Der pH-Wert spielt auch eine wichtige Rolle bei der Retention von Cd im Boden, und es wird beobachtet, dass die Desorption von Cd zunimmt, wenn der pH-Wert sinkt. Darüber hinaus führt ein Anstieg des pH-Werts des Bodens zur Immobilisierung von Cd-Ionen. Es wurde beobachtet, dass Zitronensäure Cd bei niedrigeren molaren Konzentrationen in geringerem Maße und bei höheren molaren Konzentrationen in größerem Maße desorbiert. Dies ist auf die Bildung von Cd-Zitronensäure-Komplexen im wässrigen Zustand zurückzuführen, die sich von Bodenoberflächen ablösen. Es wurde beobachtet, dass EDTA selbst bei einem pH-Wert von 5.05 größere Mengen an Cd zurückhält. Der pH-Bereich lag zwischen 5 und 8 mit Zitronensäure als Chelatbildner mit 0.1 M zur Extraktion von Cd. Dieser pH-Wert verringerte sich (im Bereich von 3-6) bei einer Molarität von 0.5 M, was zu einer vergleichsweise höheren Entfernung von Cd führte.The Cd retention in soils is examined. The highest removal efficiency of Cd is observed as 50.39% for untreated soil M and 46.37% for untreated soil K. The lowest removal efficiency for Cd upon extraction with 0.5 M citric acid is observed as 3.97% for soil M and 5.39% for soil K treated with ES2. An increase in clay or silt particles in the soil reduces the release of Cd due to heavy deposition of trace heavy metals occurring in the finer clay fractions. Therefore, higher silt or clay content is observed to increase the capacity of soil for heavy metal retention. The Cd removal efficiency is also low due to the precipitation of a comparatively large amount of CaCO 3 in ES2-treated soils. The EICP method used in this study to retain heavy metals is comparatively more effective in immobilizing Cd. Therefore, EICP treatment can be referred to as an adsorbent selective for Cd contamination not be. pH also plays an important role in the retention of Cd in soil, and desorption of Cd is observed to increase as pH decreases. In addition, an increase in soil pH leads to the immobilization of Cd ions. Citric acid was observed to desorb Cd to a lesser extent at lower molar concentrations and to a greater extent at higher molar concentrations. This is due to the formation of Cd-citric acid complexes in the aqueous state, which detach from soil surfaces. EDTA was observed to retain larger amounts of Cd even at pH 5.05. The pH range was between 5 and 8 with citric acid as a chelating agent at 0.1 M to extract Cd. This pH decreased (in the range of 3–6) at a molarity of 0.5 M, resulting in comparatively higher removal of Cd.
Die Ni-Retention in Böden wird bewertet. Der Unterschied in der Entfernungseffizienz war zwischen den beiden Beladungsverhältnissen (50 und 100 mg/kg) nicht signifikant. Bei beiden Belastungsverhältnissen ergaben sich Abtragungseffizienzwerte von ca. 15-20 %. Der maximale Bereich der Ni-Desorption liegt bei etwa 72.36-57.2 % für Böden M bzw. K, und die minimalen Mengen an Ni-Desorption betrugen 34.48 % für Boden M und 20.26 % für Boden K, wenn sie mit 0.5 M EDTA extrahiert wurden. Nickel fällt in leicht alkalischen und neutralen Lösungen zu einer stabilen Verbindung in Form von Nickelhydroxid [Ni(OH)2] aus. Bei niedrigen Metallionenkonzentrationen ist die Anzahl der Bindungsstellen für Schwermetalle zunächst hoch und führt zur Immobilisierung von Schwermetallen. Der Mechanismus der Ni-Retention kann auch als ein Mechanismus ausgedrückt werden, bei dem Metall aufgrund der Konkurrenz zwischen Protonen, Metallen und Ionenaustauschwechselwirkungen in der Lösung an eine Carboxylgruppe bindet und zur Immobilität von Ni-Ionen führt. Die Ausfällung von Schwermetallen erfolgt, wenn eine Lösung durch einen homogenen oder heterogenen Aggregationsprozess mit einem bestimmten Element gesättigt ist. Der erste Aggregationsprozess ist das Ergebnis der Keimbildung der übersättigten Phase in der Bodenlösung, während der letztere Prozess einen Niederschlag beinhaltet, der durch die Keimbildung anderer Materialien (z. B. Bodenpartikel) entsteht, die Metalle als Sorptionsmittel an der Oberfläche halten. Das in der Studie verwendete Urease-Enzym ist Berichten zufolge aktiv und stabil, wenn die EDTA-Lösung einen neutralen pH-Wert aufweist.Ni retention in soils is evaluated. The difference in removal efficiency was not significant between the two loading ratios (50 and 100 mg/kg). For both loading conditions, removal efficiency values of approx. 15-20% resulted. The maximum range of Ni desorption is about 72.36-57.2% for soils M and K, respectively, and the minimum amounts of Ni desorption were 34.48% for soil M and 20.26% for soil K when extracted with 0.5 M EDTA . Nickel precipitates in slightly alkaline and neutral solutions to form a stable compound in the form of nickel hydroxide [Ni(OH) 2 ]. At low metal ion concentrations, the number of binding sites for heavy metals is initially high and leads to the immobilization of heavy metals. The mechanism of Ni retention can also be expressed as a mechanism in which metal binds to a carboxyl group due to competition between protons, metals and ion exchange interactions in the solution, leading to the immobility of Ni ions. Precipitation of heavy metals occurs when a solution becomes saturated with a particular element through a homogeneous or heterogeneous aggregation process. The former aggregation process is the result of the nucleation of the supersaturated phase in the soil solution, while the latter process involves a precipitate formed by the nucleation of other materials (e.g. soil particles) that hold metals at the surface as sorbents. The urease enzyme used in the study is reportedly active and stable when the EDTA solution has a neutral pH.
Die Pb-Retention in Böden wird bewertet. Die Pb-Retention ist im Vergleich zur Ni- und Cd-Retention minimal. Mit Pb kontaminierter Rohboden K zeigte eine sehr hohe Entfernungseffizienz, die bei Böden, die mit 0.5 M EDTA-Extraktionsmittel behandelt wurden, und bei Beladungsverhältnissen von 50 bzw. 100 mg/kg zwischen 99.96 % und 97.52 % liegt. Die Entfernungseffizienz nach dem sauren Aufschluss mit Zitronensäure verringerte sich auf 11.2 % bzw. 26.26 % für den gleichen Boden mit einem Belastungsverhältnis von 50 bzw. 100 mg/kg, wenn Boden K mit ES2 behandelt wurde. Pb und Cd werden an CaCO3-Niederschlägen adsorbiert und schränken deren Mobilität ein. Die Retention von Pb und Cd wird bei Polydopamin-CaCO3 im Vergleich zu natürlichem CaCO3 als vorherrschend beobachtet. Daher wurde gefolgert, dass die in der vorliegenden Erfindung beobachtete Verringerung der Effizienz der Cd- und Pb-Entfernung auf das Vorhandensein von CaCO3 im Boden zurückzuführen ist. Die Pb-Retention kann auch durch Festkörperdiffusion und Fällungsreaktionen erfolgen, die zur Ausfällung von PbSO4 und PbCO3 führen, wenn die Metallverunreinigungsgrade die Löslichkeitswerte der Carbonate und Hydroxide bei einem bestimmten pH-Wert überschreiten.Pb retention in soils is evaluated. Pb retention is minimal compared to Ni and Cd retention. Raw soil K contaminated with Pb showed a very high removal efficiency, ranging from 99.96% to 97.52% for soils treated with 0.5 M EDTA extractant and at loading ratios of 50 and 100 mg/kg, respectively. The removal efficiency after acid digestion with citric acid decreased to 11.2% and 26.26% for the same soil with loading ratio of 50 and 100 mg/kg, respectively, when soil K was treated with ES2. Pb and Cd are adsorbed on CaCO 3 precipitates and limit their mobility. Retention of Pb and Cd is observed to be predominant in polydopamine- CaCO3 compared to natural CaCO3 . Therefore, it was concluded that the reduction in Cd and Pb removal efficiency observed in the present invention is due to the presence of CaCO 3 in the soil. Pb retention can also occur through solid-state diffusion and precipitation reactions, which result in the precipitation of PbSO 4 and PbCO 3 when metal impurity levels exceed the solubility values of the carbonates and hydroxides at a given pH.
Die Variation der Entfernungseffizienzen für Cd und Ni stieg zusammen mit einem Belastungsverhältnis von 50 mg/kg in den Böden an und wurde durch EDTA-Lösung extrahiert. Es wurde festgestellt, dass die Entfernungseffizienz von Cd für mit E2 behandelte rote Erde von 21.28 % bei unbehandelter roter Erde auf 11.2 % sank und die Entfernungseffizienz von Ni für mit E2 behandelte rote Erde von 15.24 % bei unbehandelter roter Erde auf 11.64 % sank. Darüber hinaus sank die Entfernungseffizienz für Cd und Ni nach der Behandlung mit E2 bei Schwarzerde von 15.68 % bzw. 18.33 % für Cd und Ni bei unbehandelter Schwarzerde auf 11.18 % bzw. 10.84 %. Bei einem Beladungsverhältnis von 100 mg/kg Cd und Ni, das den Böden zugesetzt und mit EDTA extrahiert wurde, sind die erzielten Ergebnisse für mit E2 behandelte Böden erneut besser. Die Entfernungseffizienz für Cd und Ni verringerte sich von 12.66 % und 10.84 % auf 10.98 % und 6.08 %. jeweils.The variation of removal efficiencies for Cd and Ni increased along with a loading ratio of 50 mg/kg in the soils and were extracted by EDTA solution. It was found that the removal efficiency of Cd for E2-treated red soil decreased from 21.28% for untreated red soil to 11.2%, and the removal efficiency of Ni for E2-treated red soil decreased from 15.24% for untreated red soil to 11.64%. Furthermore, the removal efficiency for Cd and Ni after treatment with E2 in black soil decreased from 15.68% and 18.33% for Cd and Ni in untreated black soil to 11.18% and 10.84%, respectively. At a loading ratio of 100 mg/kg Cd and Ni added to the soils and extracted with EDTA, the results obtained are again better for soils treated with E2. The removal efficiency for Cd and Ni decreased from 12.66% and 10.84% to 10.98% and 6.08%. respectively.
Bewertet werden die Durchlässigkeit und das Quellverhalten von Böden. Aus den erhaltenen Ergebnissen geht hervor, dass der Durchlässigkeitskoeffizient (K) des unbehandelten roten Bodens 5.3 × 10-7 cm/s beträgt und dass K für den mit E2 behandelten roten Boden nach a auf 1.12 × 10-10 cm /s reduziert wurde Aushärtezeit von 21 Tagen. Schwarzer Boden hingegen zeigte ebenfalls eine deutliche Reduzierung von K. Unbehandelter schwarzer Boden wies K = 7.83 × 10-8 cm/s auf und verringerte sich auf 6.31 × 10-11 cm/s. Diese Verringerung der Durchlässigkeit ist wahrscheinlich auf das Anhaften von Bodenkörnern aufgrund des ausgefällten CaCO3 in den Hohlräumen der Bodenmasse zurückzuführen, wodurch die Wasserbewegung durch die vorhandenen Porenräume erfolgt, wodurch ein längerer Weg entsteht. Es ist zu beobachten, dass unabhängig von den zur Behandlung der Böden verwendeten Enzymlösungen eine minimale Reduzierung von K = 5.2884 × 10-7 cm/s für rote Erde und K = 7.77779 × 10-8 für schwarze Erde auftritt. Daraus kann gefolgert werden, dass das Eindringen kontaminierter Flüssigkeit in die Bodenmasse keinen Einfluss auf das verbesserte Verhalten der Bodenpermeabilität nach der Behandlung mit Enzymlösungen hat. In der vorliegenden Erfindung tragen die CaCO3 - Niederschläge dazu bei, die Durchlässigkeit der behandelten Böden zu verringern. Die weitere Verwendung von EICP zum Verstopfen von Poren zur Verringerung der Permeabilität ist ebenfalls eine vielversprechende und effiziente Methode, die auf poröse Medien angewendet werden kann. Es ist auch offensichtlich, dass CaCO3 -Niederschläge die höchste Festigkeit und minimale Durchlässigkeit erreichen, da sie in den Bodenporen aushärten. E2 lieferte die besten Ergebnisse bei der Verringerung der Durchlässigkeit des Bodens, was auf die Verwendung von fettarmem Milchpulver zurückzuführen sein kann. Fettfreies Milchpulver erleichtert die Bildung von Keimbildungsstellen in der Bodenmasse und ebnet so den Weg für eine stabile Ausfällung von CaCO3 in der Bodenmasse. CaCO3 -Cluster, die in den Böden durch Enzymbehandlung gebildet werden, beeinflussen im Vergleich zu MICP auch die Durchlässigkeit von Böden. Der K-Wert ist bei enzymbehandelten Böden zufällig höher. Dieses Szenario ist wahrscheinlich auf die Verwendung von Enzymen ohne fettfreies Milchpulver zurückzuführen, wo die Verteilung erfolgt Die Keimbildung in der Bodenmasse erfolgt nicht gleichmäßig.The permeability and swelling behavior of soils are assessed. From the results obtained, it can be seen that the permeability coefficient (K) of the untreated red soil is 5.3 × 10 -7 cm/s and that K for the red soil treated with E2 was reduced to 1.12 × 10 -10 cm / s after a curing time of 21 days. Black soil, on the other hand, also showed a significant reduction in K. Untreated black soil had K = 7.83 × 10 -8 cm/s and decreased to 6.31 × 10 -11 cm/s. This reduction in permeability is likely due to the adhesion of soil grains due to the precipitated CaCO3 in the voids of the soil mass, causing water movement through the existing pore spaces, creating a longer path. It is observed that regardless of the enzyme solutions used to treat the soils, a minimal Reduction of K = 5.2884 × 10 -7 cm/s for red soil and K = 7.77779 × 10 -8 for black soil occurs. It can be concluded that the penetration of contaminated liquid into the soil mass has no influence on the improved behavior of soil permeability after treatment with enzyme solutions. In the present invention, the CaCO 3 precipitates help reduce the permeability of the treated soils. Further using EICP to plug pores to reduce permeability is also a promising and efficient method that can be applied to porous media. It is also evident that CaCO 3 precipitates achieve the highest strength and minimum permeability as they harden in the soil pores. E2 gave the best results in reducing soil permeability, which may be due to the use of low-fat milk powder. Fat-free milk powder facilitates the formation of nucleation sites in the soil mass, paving the way for stable precipitation of CaCO 3 in the soil mass. CaCO 3 clusters formed in soils through enzyme treatment also influence the permeability of soils compared to MICP. The K value happens to be higher in enzyme-treated soils. This scenario is probably due to the use of enzymes without non-fat milk powder, where the distribution of nucleation throughout the soil mass is not uniform.
Der Quelltest wird durchgeführt und die Ergebnisse zeigen, dass der Quelldruck mit der Behandlung mit Enzymlösungen und dem Alter der Probe abnimmt. Es wurde beobachtet, dass E2 für beide Böden die besten Ergebnisse lieferte. Der Quelldruck für den unbehandelten roten Boden betrug 117.83 kPa und für den unbehandelten schwarzen Boden 167.1 kPa. Nach der Enzymbehandlung verringerte sich der Quelldruck auf 37.68 und 47.2 kPa jeweils für Böden, die mit E2 behandelt und 21 Tage lang ausgehärtet wurden. Die Quelleigenschaften ausgedehnter Böden können durch ausgefälltes CaCO3 kontrolliert werden. Diese Verbesserung der Quelleigenschaften ist möglicherweise auf die Anhaftung der Bodenkörner aneinander nach der CaCO3 -Fällung zurückzuführen. Eine weitere EICP-Technik, die die UCS-Werte des behandelten Bodens wirksam verbessert, ist ein Hinweis darauf, dass die von außen aufgebrachte Belastung aufgrund der CaCO3 -Ausfällungen weniger wirksam auf den Boden zu sein scheint. Derselbe Grund kann auf die Verringerung des Quelldrucks zurückgeführt werden Der Boden, in dem das Kapillarwasser die Bodenkörner abzulösen scheint. Die Möglichkeit eines Versagens kann auch auf Partikelbruch zurückgeführt werden, da die Ausfällung von CaCO3 in den Poren der Bodenkörner die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass Bodenkörner zerkleinert werden, da die von außen ausgeübte Belastung abnimmt, und der Partikelbruch wird aufgrund der Vergrößerung des Bodendurchmessers ebenfalls verringert Korn und Niederschläge als Ganzes, was zu einer Erhöhung der Belastbarkeit führt.The swelling test is carried out and the results show that the swelling pressure decreases with treatment with enzyme solutions and the age of the sample. It was observed that E2 gave the best results for both soils. The swelling pressure for the untreated red soil was 117.83 kPa and for the untreated black soil was 167.1 kPa. After enzyme treatment, the swelling pressure decreased to 37.68 and 47.2 kPa, respectively, for soils treated with E2 and cured for 21 days. The swelling properties of extensive soils can be controlled by precipitated CaCO 3 . This improvement in swelling properties may be due to the adhesion of soil grains to each other after CaCO 3 precipitation. Another EICP technique that effectively improves the UCS values of the treated soil is an indication that the externally applied stress appears to be less effective on the soil due to the CaCO 3 precipitations. The same reason can be attributed to the reduction in swelling pressure The soil in which the capillary water appears to dislodge the soil grains. The possibility of failure can also be attributed to particle fracture, since the precipitation of CaCO 3 in the pores of soil grains increases the probability of soil grains being crushed as the externally applied load decreases, and particle fracture is also reduced due to the increase in soil diameter Grain and precipitation as a whole, which leads to an increase in resilience.
Die folgenden Punkte werden aus der vorliegenden Erfindung abgeleitet: Die Schwermetalladsorption von Böden wurde verbessert, gefolgt von einer Enzymbehandlung, wobei E2 E1 und E3 übertrifft. Wenn den Böden einzelne Schwermetallionen zugesetzt werden, war die Sorptionsreihenfolge Ni > Pb > Cd für Roterde und Schwarzerde bei einer Anfangskonzentration von 100 mg/L und einem Verdünnungsverhältnis von 1:100. Bei einer Anfangskonzentration von 100 mg/L erhöhte sich die Ni-Sorption um das Siebenfache. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass bei einem Verdünnungsverhältnis von 1:100 die Ni-Sorption bei roter Erde um das 10-fache und bei schwarzer Erde um das 15-fache bei Enzymbehandlung zunimmt. Wenn Schwermetalle gleichzeitig in den Böden dotiert werden, wird eine Konkurrenz der Schwermetallsorption beobachtet, und es zeigt sich, dass Schwermetalle mit höherem Ionenradius und größerer Elektronegativität eine größere Affinität bei der Besetzung der Adsorptionsoberfläche aufweisen. Schwarze Erde zeigte im Vergleich zu roter Erde eine vergleichsweise größere Fähigkeit, Metallionen auf ihrer Oberfläche zu sorbieren. Desorptionsstudien an gleichzeitig dotierten Schwermetallionen ergaben ein Verständnis dafür, dass eine wahrscheinliche Bildung von Schwermetallcarbonaten (PbCO3, CdCO3 und NiCO3) auf den Bodenoberflächen stattfindet, nachdem CaCO3 mit den dotierten Schwermetallionen bei steigendem pH-Wert interagiert. Diese Carbonate sind unlöslich und verringern die Toxizität von Schwermetallen. Bei der EICP-Behandlung wurde eine deutliche Verringerung der Permeabilitätswerte beobachtet, und dieses Phänomen war bei E2 ausgeprägter. Fettfreies Milchpulver in E2 erleichtert eine wirksame CaCO3 -Ausfällung aufgrund des Vorhandenseins von Kaseinprotein, das zu dieser Verringerung der Permeabilität führt. Für rote Erde verringerten sich die Durchlässigkeitswerte von 5.3 × 10-10 cm/s auf 1.12 × 10-10 cm/s mit E2-Behandlung nach 21 Tagen Aushärtungszeit. Bei Schwarzerde verringerte sich die Durchlässigkeit durch E2-Behandlung von 7.83 × 10-11 cm/s auf 6.31 × 10-11 cm/s. Die Quelleigenschaften verbesserten sich durch die Enzymbehandlung deutlich. Die Verringerung des Quelldrucks betrug bei roter Erde das Dreifache und bei schwarzer Erde das Dreieinhalbfache bei E2-Behandlung und einer Aushärtezeit von 21 Tagen. Kalzitniederschläge an Keimbildungsstellen bewirken verbesserte Kontaktpunkte zwischen den Bodenkörnern, sodass diese dem Quelldruck standhalten können. Die EICP-Methode hat sich bei der Bewältigung der Probleme ausgedehnter Böden und bei der Beseitigung von Schwermetallen als wirksam erwiesen. Diese vielversprechende Methode kann für In-situ-Anwendungen eingesetzt werden, um die Toxizität von Brachflächen zu reduzieren. Die EICP-Methode ist umweltfreundlich, nachhaltig, hat eine hohe Umweltbewertung, einen geringen CO2-Ausstoß und ist praktisch für Feldanwendungen. Sie kann ein vielversprechender Ersatz für herkömmliche mechanische Stabilisierungstechniken sein.The following points are derived from the present invention: Heavy metal adsorption of soils was improved followed by enzyme treatment, with E2 outperforming E1 and E3. When individual heavy metal ions were added to the soils, the sorption order was Ni > Pb > Cd for red soil and black soil at an initial concentration of 100 mg/L and a dilution ratio of 1:100. At an initial concentration of 100 mg/L, Ni sorption increased sevenfold. In addition, it was found that at a dilution ratio of 1:100, Ni sorption increased 10-fold in red soil and 15-fold in black soil with enzyme treatment. When heavy metals are simultaneously doped in the soils, competition of heavy metal sorption is observed, and it is shown that heavy metals with higher ionic radius and larger electronegativity have a greater affinity in occupying the adsorption surface. Black soil showed comparatively greater ability to sorb metal ions on its surface compared to red soil. Desorption studies on co-doped heavy metal ions provided an understanding that probable formation of heavy metal carbonates (PbCO 3 , CdCO 3 and NiCO 3 ) on the soil surfaces occurs after CaCO 3 interacts with the doped heavy metal ions at increasing pH. These carbonates are insoluble and reduce the toxicity of heavy metals. A significant reduction in permeability values was observed with EICP treatment, and this phenomenon was more pronounced in E2. Fat-free milk powder in E2 facilitates effective CaCO3 precipitation due to the presence of casein protein that leads to this reduction in permeability. For red soil, the permeability values decreased from 5.3 × 10 -10 cm/s to 1.12 × 10 -10 cm/s with E2 treatment after 21 days of curing time. In black soil, the permeability decreased from 7.83 × 10 -11 cm/s to 6.31 × 10 -11 cm/s by E2 treatment. The swelling properties improved significantly as a result of the enzyme treatment. The reduction in swelling pressure was three times for red soil and three and a half times for black soil with E2 treatment and a curing time of 21 days. Calcite precipitation at nucleation sites results in improved contact points between the soil grains so that they can withstand the swelling pressure. The EICP method has proven effective in addressing the problems of extensive soils and removing heavy metals. This promising method can be used for in situ applications to reduce the toxicity of brownfields. The EICP method is environmentally friendly, sustainable, has high environmental rating, low CO2 emissions and practical for field applications. It can be a promising replacement for traditional mechanical stabilization techniques.
Die Zeichnungen und die vorstehende Beschreibung geben Beispiele für Ausführungsformen. Fachleute werden erkennen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente durchaus zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente einer Ausführungsform können zu einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Beispielsweise können die Reihenfolgen der hier beschriebenen Prozesse geändert werden und sind nicht auf die hier beschriebene Weise beschränkt. Darüber hinaus müssen die Aktionen eines Flussdiagramms nicht in der gezeigten Reihenfolge implementiert werden; Es müssen auch nicht unbedingt alle Handlungen ausgeführt werden. Auch solche Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, können parallel zu den anderen Handlungen durchgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen wird durch diese spezifischen Beispiele keineswegs eingeschränkt. Zahlreiche Variationen, ob explizit in der Spezifikation angegeben oder nicht, wie z. B. Unterschiede in Struktur, Abmessung und Materialverwendung, sind möglich. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so breit wie durch die folgenden Ansprüche angegeben.The drawings and the description above provide examples of embodiments. Those skilled in the art will recognize that one or more of the elements described can certainly be combined into a single functional element. Alternatively, certain elements can be divided into several functional elements. Elements of one embodiment may be added to another embodiment. For example, the orders of the processes described herein may be changed and are not limited to the manner described herein. Additionally, the actions of a flowchart do not have to be implemented in the order shown; Not all actions necessarily have to be carried out. Even those actions that are not dependent on other actions can be carried out in parallel with the other actions. The scope of the embodiments is in no way limited by these specific examples. Numerous variations, whether explicitly stated in the specification or not, such as: B. Differences in structure, dimensions and material use are possible. The scope of the embodiments is at least as broad as indicated by the following claims.
Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben im Hinblick auf spezifische Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und alle Komponenten, die dazu führen können, dass ein Nutzen, ein Vorteil oder eine Lösung eintritt oder ausgeprägter wird, dürfen jedoch nicht als kritische, erforderliche oder wesentliche Funktion oder Komponente von ausgelegt werden einzelne oder alle Ansprüche.Advantages, other benefits, and solutions to problems have been described above with respect to specific embodiments. However, the advantages, benefits, solutions to problems and any components that may cause a benefit, advantage or solution to occur or become more pronounced should not be construed as a critical, necessary or essential function or component of any or all of the claims.
REFERENZENCREDENTIALS
- 100100
- Blockdiagramm Eines Systems Zur Vorbereitung Einer Veränderten Bodenzusammensetzung.Block diagram of a system for preparing a modified soil composition.
- 102102
- Sammelkammercollection chamber
- 104104
- SiebSieve
- 106106
- Behältercontainer
- 108108
- Siegelseal
- 110110
- ExsikkatorDesiccator
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