Микрофлюидное исследование в метре

Jan 11, 2024

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 19553 (2022 г.) Цитировать эту статью

2876 Доступов

2 цитаты

67 Альтметрика

Подробности о метриках

Микробно-индуцированное осаждение карбоната кальция (CaCO3) (MICP) является одной из основных устойчивых альтернатив искусственной цементации гранулированных сред. MICP состоит из последовательного введения в почву растворов, богатых бактериями и кальцием, для образования кальцитовых связей между частицами почвы, которые улучшают прочность и жесткость почвы. Эффективность MICP определяется основными микромасштабными процессами роста бактерий, реактивным транспортом растворенных веществ, скоростью реакции, зарождением кристаллов и ростом. Однако влияние неоднородности порового масштаба на эти процессы во время MICP недостаточно изучено. Эта статья проливает свет на влияние неоднородности масштаба пор на пространственно-временную эволюцию MICP, общую эффективность химической реакции и эволюцию проницаемости путем объединения двух метровых микрофлюидных устройств с одинаковыми размерами и пористостью с гомогенными и гетерогенными пористыми сетями и мониторингом в реальном времени. . Два чипа прошли трехкратную обработку MICP с наложенным потоком и одинаковыми начальными условиями, при этом давление на входе и выходе периодически контролировалось. В этой статье предлагается комплексный рабочий процесс, предназначенный для обнаружения бактерий и кристаллов по данным покадровой микроскопии в нескольких положениях вдоль микрофлюидной копии пористой среды, обработанной MICP. Кристаллы СаСО3 образовывались через 1 ч после введения цементирующего раствора (ЦР), а рост кристаллов завершался через 12 ч. Средняя скорость роста кристаллов в целом была выше в гетерогенной пористой среде, но замедлялась после первых 3 часов цементационной инъекции. Было обнаружено, что средняя эффективность химической реакции достигает пика 34% в середине чипа и остается выше 20% до последних 90 мм реакционного пути для гетерогенной пористой сетки. Гомогенная пористая среда продемонстрировала общую более низкую среднюю эффективность реакции, которая достигла максимума на уровне 27% на расстоянии 420 мм после входного отверстия и оставалась ниже 12% для остальной части микрофлюидного канала. Эти разные тенденции химической эффективности в двух сетках обусловлены большим количеством кристаллов с более высоким средним диаметром в гетерогенной среде, чем в гомогенной пористой среде. В интервале 480–900 мм количество кристаллов в гетерогенной пористой среде более чем в два раза превышает количество кристаллов в однородной пористой среде. Средний диаметр кристаллов составил 23–46 мкм в гетерогенной пористой среде по сравнению с 17–40 мкм в гомогенной пористой среде по всему чипу. Проницаемость гетерогенной пористой среды пострадала больше, чем гомогенной системы, при этом датчики давления эффективно фиксировали более сильное снижение проницаемости в течение первых двух часов, когда образовывались кристаллы, и менее заметное снижение во время последующего затравочного роста существующих кристаллов, а также зарождение и рост новых кристаллов.

За последнее десятилетие осаждение карбоната кальция (CaCO3), вызванное микробами (MICP), стало устойчивой альтернативой традиционной стабилизации почвы на основе обычного портландцемента1. MICP изучался для различных потенциальных инженерных применений, таких как улучшение почвы для повышения жесткости и прочности2,3,4 гранулированных грунтов, обычно называемое биозатиркой5; иммобилизация тяжелых металлов и радионуклидов6; Связывание CO27 и герметизация трещин в стволах скважин, улавливающих CO2, для уменьшения утечек8. MICP, основанный на уреолизе, который является наиболее изученным механизмом, происходит в две стадии. На первом этапе гидролиз мочевины катализируют уреолитические почвенные микроорганизмы, т. е. бактерии, секретирующие фермент уреазу (уравнение 1). В результате этой реакции образуются ионы аммония (NH4+), повышающие pH микросреды, а также карбонат-ионы (CO32–). Следовательно, щелочность благоприятствует осаждению CaCO3 в присутствии достаточного количества ионов кальция (уравнение 2):