BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM
FOTOGRAMMETRIA ÉS TÉRINFORMATIKA TANSZÉK Műegyetem rkp. 3. K. ép. I.em. 31. 1111 Budapest Tel: +36 1 463-1187 Fax: +36 1 463-3084 www.fmt.bme.hu
Sárközi Boglárka: Termokamera alkalmazhatósága mikrobiológiai minták vizsgálatánál Conference of Junior Researchers in Civil Engineering 17-18 June 2012, Budapest
Témakörök
Kutatás célja: kereskedelmi forgalomban kapható termokamera tesztelése In-situ remediációs technológiákat támogató diagnosztikai eljárások során; In-situ kármentesítésről röviden; Alkalmazott módszerek, eszközök; Földdel töltött műanyag edények; Talajoszlop vízfürdőn; Oszlopreaktorok; Eredmények bemutatása; Összefoglalás.
Kutatás célja
Kereskedelmi forgalomban kapható termokamera tesztelése In-situ remediációs technológiákat támogató diagnosztikai eljárások során; Szénhidrogén eredetű szennyezőanyagok, Várhatóan csekély paraméter változások; Előrejelzett hőmérséklet-emelkedés 1-2°C; Felszín alatti elhelyezkedés; Laboratóriumi körülmények között a kármentesítés során a talajban lejátszódó folyamatok leegyszerűsített modellezése; Mikrobiológiai folyamatok következtében kialakult hőmérsékleti anomáliák kimutatása, elemzése; Alkalmazott hőkamera: Testo 880-3, feldolgozó szoftvere: IRSoft.
In-situ kármentesítés
Kármentesítés = Tényfeltárás + Műszaki beavatkozási terv + Műszaki beavatkozás + Utómonitoring. Kár bekövetkezése után kezelem a problémát (havária); Megelőzöm a bajt (biztonsági értékelés, kockázatfelmérés, munkabalesetvédelem); Kockázat kezelési feladat. Kármentesítési technológiák: Hagyományos (talajkitermelés, vízkitermelés); In-situ: a szennyeződések helyben történő ártalmatlanítása a földtani közeg és a felszín alatti víz kitermelése nélkül; Legfontosabb feladat: a hatóanyag eljuttatása a szennyezőanyaghoz; Előny: környezetbarát, relatíve olcsó, több módszer kombinálható, talajt és talajvizet is kezel; Hátrány: gondos tervezés kell, engedélyeztetés, időjárás befolyásolja.
In-situ kármentesítés
In-situ kármentesítési folyamatok valós idejű, közvetlen diagnosztikájához olyan folyamatok detektálására van szükség, amelyek: Függetlenek a szennyezőanyag transzport folyamatoktól; Könnyen és gyorsan mérhetőek; Anomáliájuk információval szolgál a bomlási folyamatok lezajlásáról. Szénhidrogén eredetű szennyezőanyag bomlását leíró egyenlet: (CH2)n + 1,5n O2 nCO2 + nH2O Biológiai- és kémiai eredetű bomlásra is igaz (mineralizáció/oxidáció); A folyamat hőfelszabadulással jár; Háttértől való eltérése egyértelműen és közvetlenül a bomlásra utal. Alap ötlet: ez a jelenség termokamerával vizsgálható. Bioremediáció = a mikroorganizmusok enzimkatalizált reakcióban bontják le a szerves anyagot, és alakítják át szervetlenné.
1. kísérlet: Földdel töltött műanyag edények 4. minta
1. minta
2. minta
3. minta
4. minta
1. minta
3. minta
2. minta
4 db műanyag edényben 4 különböző összetételű természetes mikroflórával rendelkező virágföld (baktériumok). Az egyes minták összetétele: 1. minta: virágföld; 2. minta: virágföld + ásványi olaj; 3. minta: virágföld + 10 g cukor; 4. minta: virágföld + 100 g cukor. Hungarocell az egyes minták közé, környezet hőmérsékletének befolyásoló hatása lehetőleg minimális legyen. 2 órás időintervallumban képsorozatok készültek (látható optikai- és infra képek).
1. kísérlet: Földdel töltött műanyag edények
Kísérlet célja: 10g ill. 100 g cukor, mint szubsztrát hatásának egyértelmű kimutatása. Olaj és cukor is szénforrás, tápanyag a baktériumok számára; Ha cukrot adok a baktériumokhoz Első lépésként szerves savak keletkeznek (tejsav, ecetsav, stb.); Gyors folyamat; A talaj pH-ja csökken;
Második lépés: szerves savak
Lassú folyamat;
A legtöbb hő észlelése a folyamat második felében történhet meg; Elméletileg több cukor több baktériumot eredményez, intenzívebb bomlás alakul ki, amely nagyobb hőfluxust eredményez.
nCO2 + nH2O ;
1. kísérlet: Földdel töltött műanyag edények
Meghatározott hőmérsékleti értékek: Min. (°C)
Max. (°C)
Mean (°C)
1. minta: virágföld
17.0
17.8
17.4
2. minta: virágföld + ásványi olaj
17.3
18.4
17.9
3. minta: virágföld + 10 g cukor
17.9
18.6
18.2
4. minta: virágföld + 100 g cukor
17.4
18.1
17.7
Eredmény nem a várakozásnak megfelelő: 10g cukornál a hőmérséklet magasabb, mint 100g cukornál; Magyarázata: egy negatív visszacsatolás lehet. Sok cukor hozzáadásával feltételezhető, hogy gyors volt a szerves sav termelés, lesavanyította a talajt, ami a baktériumoknak már nem volt kedvező; A folyamat második része nem indult be, a hőtermelés sem történt meg; A tápanyag mennyisége gátolta az aktivitást; Ennek következményeként alacsonyabb hőmérsékletet mértünk.
2. kísérlet: Talajoszlop vízfürdőn
Üvegoszlop volt megtöltve homokkal; Ezen keresztül áramoltattunk vizet (lentről felfelé); Alulról melegítettünk; Alapállapotban a vízfürdő indulási hőmérséklete 30°C volt; melyet folyamatosan emeltünk 40°C-ig; Homok tetején megjelenő vizet eltávolítottuk; 2,5 órás időintervallumban képsorozatok készültek (látható optikai- és infra képek) Infrafelvételek vizsgálatát a termokamerához tartozó IRSoft szoftverrel végeztük.
2. kísérlet: Talajoszlop vízfürdőn
Talajoszlop alja
Talajoszlop teteje
Kísérlet célja: talajban lejátszódó hőterjedés termokamerával történő kimutathatósága; Hőmérséklet változás lentről felfelé haladva: Melegítő berendezés: piros; Szigetelő szivacs réteg: lila; Talajoszlop: világoskék – kék. Talajoszlop hőmérséklete lentről felfelé haladva fokozatosan csökken Infrafelvétel kiértékelése: Hisztogram – hőmérséklet eloszlás bemutatására; Profil vonal – hőterjedés vizsgálatára.
2. kísérlet: Talajoszlop vízfürdőn
Talajoszlopról készített hisztogram
Talajoszlop alja
Talajoszlop teteje Profilvonal oszlopdiagramja
Hisztogram alapján megállapítható: Hőmérséklet 20.0–26.3°C között változik; Talajoszlop középhőmérséklete 22.0°C; Modus 17,7% ami 21.5°C-hoz tartozik; Talajréteg átmelegedése lassú folyamat; Melegebb talajréteg gyakorisága kisebb, mint a felette elhelyezkedő folyamatosan csökkenő hőmérsékletű talajrétegé. Profil vonal alapján megállapítható: Min. hőmérséklet 20.9°C, max. 25.9°C; Középhőmérséklet 22.4°C; Talajoszlop alja-teteje között 5°C különbség. Hőkamera alk. laboratóriumi körülmények között hőterjedés kimutatására, gradiens vizsgálatára.
3. kísérlet: Oszlopreaktorok
Alapállapot: 4db üvegoszlop homokkal; Ezen keresztül áramoltattunk szabadfázisú szénhidrogén felúszóval szennyezett vizet; Mindegyik oszlopban azonos sebességgel, szennyezéssel, stb.; Alapállapothoz képest az egyes minták összetétele a következő volt: 1. minta: baktérium+ásványi anyag+nitrát; 2. minta: baktérium+ásványi anyag; 3. minta: baktérium; 4. minta: kontrol. Minták baktériummal történő beoltása kísérlet előtt 2 héttel; látható optikai- és infra képek készítése.
3. kísérlet: Oszlopreaktorok 1. minta
2. minta
3. minta
4. minta
Kísérlet célja: infrafelvételek alapján a talajban lejátszódó szénhidrogén alapú szennyezések biológiai lebontásának kimutathatósága; Infrafelvételek vizsgálatát a termokamerához tartozó IRSoft szoftverrel végeztük; Az egyes reaktorokban lejátszódó hőterjedés vizsgálatára mérési pontok felvétele; 1. mintán profilvonal felvétele, metszetvonal mentén alakuló hőmérséklet vizsgálata.
3. kísérlet: Oszlopreaktorok
Hőmérséklet alakulása az oszlopreaktorokban: 1. minta
3. minta
2. minta
4. minta
28 26
26,1 24,3
23,8
24
23,9
23,5
22,8
23,9
23,4
22,5
22,5
22
23,2 22,3
1. mintában 3,3°C különbség; 2. mintában 1,8°C különbség; 3. mintában 1,4°C különbség; 4. mintában 1,6°C különbség.
20 M1
M2
M3
M4
M5
M6
M7
M8
M9
M10 M11 M12
Hőmérséklet [°C]
Hőmérséklet lentről felfelé haladva (áramoltatás iránya) csökken; Legmagasabb hőmérséklet az 1. mintában; 2. mintában már alacsonyabb hőmérséklet; 3. és 4. minta hőmérséklete között nagymértékű különbség nincs; 3. minta aljában kismértékű melegedés mutatható ki a 4. mintához képest.
3. kísérlet: Oszlopreaktorok
Az infrafelvételek alapján megállapíthatjuk, hogy akkor történik meg a szénhidrogén alapú szennyezések biológiai lebontása ha: Van erre képes baktérium; A baktériumok anyagcseréjéhez szükséges ásványi anyagok (N, P, mikroelemek) rendelkezésre állnak; Van elektronakceptor, azaz a szennyezőanyag lebontása során keletkező elektronokat valami felveszi (pl. oxigén, nitrát, stb.). Ez utóbbi magyarázza azt, hogy az 1. mintában (M1-M3 mérési pontok) volt a legmagasabb a hőmérséklet, mivel itt volt nitrát is a rendszerben, azaz az oxidáció (és a hőtermelés) megtörténhetett. A többi rendszerben ez nem volt adott.
Összefoglalás, további kutatási lehetőségek
Cél: ellenőrzött laboratóriumi körülmények között, kereskedelmi forgalomban kapható hőkamera tesztelése volt, mikrobiológiai eredetű hőmérsékleti anomáliák detektálására. A kísérletek alapján a következő megállapításokat tudtuk tenni: A mérés a környezetre érzékeny (minta mennyire különíthető el a környezet hőmérsékletétől); Számít, hogy milyen szög alatt, milyen távolról készítjük el a felvételeket; A termokamera kisebb felbontású, mint az optikai, így a kiértékelése a látható tartományú felvételekhez képest nehezebb; Szénhidrogén alapú szennyezések biológiai lebontása infrafelvételek alapján detektálható; A hőmérsékleti anomália a felszín alatt keletkezik (mikrobiológiai lebontás), lassan terjedhet a felszínig;
Összefoglalás
A hőkamerás technológia terepi alkalmazása nehezen oldható meg: Nagy felület, átfedő felvételek kellenek; A felület nem homogén hővezetés szempontjából; Környezeti hatások (pl. időjárás) elfedhetik az anomáliákat.
KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!
