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基于MICP和EICP的重金属污染砂固化试验研究

基于MICP和EICP的重金属污染砂固化试验研究

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作者：张子良广州大学

学位级别：硕士

微生物诱导碳酸钙技术（MICP）是一种由微生物通过生长代谢活动产生的脲酶分解尿素,分解出的碳酸根离子与钙离子结合,而产生碳酸钙的技术;而脲酶诱导碳酸钙技术（EICP）的原理则是利用脲酶直接分解尿素,从而产生碳酸根离子。含有重金属... 详细信息

微生物诱导碳酸钙技术（MICP）是一种由微生物通过生长代谢活动产生的脲酶分解尿素,分解出的碳酸根离子与钙离子结合,而产生碳酸钙的技术;而脲酶诱导碳酸钙技术（EICP）的原理则是利用脲酶直接分解尿素,从而产生碳酸根离子。含有重金属污染的土壤中的重金属离子可以与从尿素中分解的碳酸根离子相结合,产生沉淀,从而固化重金属离子,达到固化和去除重金属离子的效果。MICP和EICP技术具有操作简单、成本较低、同时不会产生有毒有害物质等优点,是一种生态友好型的土壤固化和净化技术。因此,该技术近年来常被用于修复重金属污染土。本文主要以巴士芽孢杆菌和大豆脲酶为实验原料,对不同重金属含量和重金属浓度的标准砂进行加固,从中探究巴士芽孢杆菌对于不同重金属浓度的适应性和去除效率,以及对比大豆脲酶和巴士芽孢杆菌在相同条件下,重金属离子的去除效率。因此本试验配置了0.08mM,0.8mM,8mM,80mM的重金属溶液注入标准砂中。本实验中,对注入不同重金属浓度溶液的MICP固化的砂样和含有不同重金属类型的MICP和EICP的试样进行无侧限抗压强度试验、碳酸钙含量试验,并利用电感耦合等离子体质谱法分析重金属离子去除率。结合XRD物相分析、SEM电镜扫描试验分析、热重分析、傅里叶红外光谱分析,对加固后的试样进行分析。本文的主要结论如下:（1）巴士芽孢杆菌对于含有不同浓度重金属的土体的加固和重金属的去除是可行的。在试验中,随着重金属溶液浓度升高,巴士芽孢杆菌对土体的加固和重金属的去除效果下降。但根据试验数据可得,即使土体处于高浓度重金属条件下,巴士芽孢杆菌的加固和重金属去除效果依旧能达到要求。（2）含有重金属污染的标准砂经过八轮轮次的MICP和EICP的灌浆强度均有着不同程度增强。MICP技术处理的标准砂试样,其无侧限抗压强度随着重金属浓度的增加而减少。相同条件下,通过电感耦合等离子体质谱法分析,经过MICP和EICP处理的标准砂中的Cu2+、Zn2+、Pb2+的含量均有所降低,但经EICP处理的标准砂中的重金属残余量较MICP少。（3）MICP和EICP固化后的标准砂中碳酸钙含量是明显增加的,其增长结果与无侧限抗压强度的值大体相同。MICP加固条件下,在试验范围内,随着重金属浓度高时,其碳酸钙的产量较低。（4）不同组别下,固化后的重金属标准砂的Cu2+、Zn2+、Pb2+的含量均有着不同程度的下降,重金属的固化效果在MICP和EICP的加固下各有差异,在混合重金属离子组的试验结果中,EICP的加固效果普遍比MICP的效果好,去除效率更高。（5）从微观层面上看,MICP和EICP对被重金属污染的土体具有良好的加固和重金属去除作用。在电镜的扫描下可观察到的固化后的重金属标准砂颗粒主要含有球状的碳酸钙颗粒,结合XRD的试验结果可以判断其主要为球霰石。球霰石可作为一种胶凝体,提高土体的强度。从XRD的试验结果可知,重金属Cu2+、Zn2+、Pb2+的沉淀物主要为碱式碳酸铜、碳酸锌和碳酸铅。结合热重和红外试验分析验证了重金属沉淀物的波峰在高温的热解情况和C-O的键位,从微观层面验证了MICP和EICP加固重金属污染土产生碳酸钙沉淀,胶结土颗粒,去除重金属的可行性。

关键词：微生物诱导加固技术脲酶诱导碳酸钙沉淀技术重金属污染土物理力学特性微观结构

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基于CT图像处理的微生物诱导加固钙质砂细观结构研究

基于CT图像处理的微生物诱导加固钙质砂细观结构研究

引用

作者：雷东霖广州大学

学位级别：硕士

微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术是利用微生物生命活动分解尿素诱导产生胶结物沉淀进而对土体进行加固的过程。土体被胶结物填充孔隙和土颗粒通过胶结物相互连接,使松散土体胶结成具有整体性的固化土体,从而提高土体的力学性能。目前... 详细信息

微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术是利用微生物生命活动分解尿素诱导产生胶结物沉淀进而对土体进行加固的过程。土体被胶结物填充孔隙和土颗粒通过胶结物相互连接,使松散土体胶结成具有整体性的固化土体,从而提高土体的力学性能。目前对于MICP固化钙质砂的研究主要集中在对其宏观力学特性和微观结构的研究而少有关注细观结构的研究。对细微观结构的研究有助于对MICP固化钙质砂宏观物理特性和力学特性的理解。为应用CT扫描技术研究微生物固化钙质砂细观结构。本文采用微生物诱导生成碳酸锶加固钙质砂,即锶源微生物加固。在不同锶盐浓度溶液环境下进行了细菌矿化试验。开展无侧限抗压试验、X射线衍射物相分析、扫描电子显微镜和压汞试验试验,从宏观物理力学特性和细微观结构研究分析锶源微生物加固处理对钙质砂的影响,对比分析锶源微生物固化钙质砂与钙源微生物固化钙质砂的差异。通过CT扫描获取锶源微生物固化钙质砂断层图像,实现微生物固化钙质砂细观结构三维可视化,基于微生物固化钙质砂三维细观结构重构模型对微生物固化钙质砂细观结构进行定性定量表征分析。本文的主要研究结论和成果如下:（1）锶源微生物固化钙质砂和钙源微生物固化钙质砂在胶结物晶体结构上存在差异,但在宏观力学行为上表现出一致性。锶源微生物加固钙质砂的机理与钙源微生物加固一致。微生物固化钙质砂细观结构普遍具有一致性可以相互进行表征研究。（2）利用显微CT扫描技术对未处理钙质砂柱和锶源微生物固化钙质砂进行扫描获取细观结构的断层扫描图像。对CT扫描图像处理技术进行探讨,得到了微生物固化钙质砂CT扫描图像处理的最佳方式。实现微生物固化钙质砂细观结构的三维可视化并对细观结构特征进行定性分析。（3）微生物固化钙质砂的孔径分布呈现出土体孔隙分布典型的双峰结构。微生物加固处理可以填充钙质砂孔隙改变孔隙形状降低钙质砂中长柱形孔隙占比,从而降低钙质砂渗透性。大部分胶结物相互联通组成了胶结物骨架而不仅仅是黏附在钙质砂颗粒表面连接钙质砂颗粒。且随着循环灌浆轮次的增加,胶结物参与构成骨架的比重越高,有利于提升微生物固化钙质砂强度。（4）CT扫描试验细观结构表征结果和压汞试验细观结构表征结果在大中孔隙表现出良好的协调性,证明了使用显微CT扫描技术对微生物固化钙质砂细观结构表征的可靠性。CT扫描试验对大孔隙直径表征更为有利,在小微孔隙上压汞试验表现更好。

关键词：钙质砂微生物诱导加固技术细观结构显微CT扫描

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