Studio microfluidico in un metro

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 19553 (2022) Citare questo articolo

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La precipitazione di carbonato di calcio (CaCO3) indotta microbicamente (MICP) è una delle principali alternative sostenibili alla cementazione artificiale di mezzi granulari. Il MICP consiste nell’iniettare nel terreno in sequenza soluzioni ricche di batteri e calcio per formare legami di calcite tra le particelle del terreno che migliorano la resistenza e la rigidità del terreno. Le prestazioni di MICP sono governate dai processi sottostanti su microscala di crescita batterica, trasporto reattivo di soluti, velocità di reazione, nucleazione e crescita dei cristalli. Tuttavia, l’impatto dell’eterogeneità della scala dei pori su questi processi durante il MICP non è ben compreso. Questo articolo fa luce sull'effetto dell'eterogeneità della scala dei pori sull'evoluzione spaziotemporale del MICP, sull'efficienza complessiva della reazione chimica e sull'evoluzione della permeabilità combinando dispositivi microfluidici lunghi due metri di identiche dimensioni e porosità con reti porose omogenee ed eterogenee e monitoraggio in tempo reale . I due chip hanno ricevuto, in triplice copia, il trattamento MICP con un flusso imposto e le stesse condizioni iniziali, mentre le pressioni in ingresso e in uscita sono state periodicamente monitorate. Questo articolo propone un flusso di lavoro completo destinato a rilevare batteri e cristalli dai dati di microscopia time-lapse in più posizioni lungo una replica microfluidica di mezzi porosi trattati con MICP. I cristalli di CaCO3 si sono formati 1 ora dopo l'introduzione della soluzione di cementazione (CS) e la crescita dei cristalli è stata completata 12 ore dopo. Il tasso medio di crescita dei cristalli è stato complessivamente più elevato nel mezzo poroso eterogeneo, mentre è diventato più lento dopo le prime 3 ore di iniezione di cementazione. Si è riscontrato che l'efficienza media della reazione chimica presentava un picco del 34% al centro del chip e rimaneva superiore al 20% prima degli ultimi 90 mm del percorso reattivo per la rete porosa eterogenea. Il mezzo poroso omogeneo presentava un'efficienza di reazione media complessivamente inferiore, che raggiungeva il picco del 27% a 420 mm a valle dell'ingresso ed è rimasta inferiore al 12% per il resto del canale microfluidico. Questi diversi andamenti dell'efficienza chimica nelle due reti sono dovuti ad un maggior numero di cristalli di diametro medio maggiore nel mezzo eterogeneo rispetto al mezzo poroso omogeneo. Nell'intervallo tra 480 e 900 mm, il numero di cristalli nel mezzo poroso eterogeneo è più del doppio del numero di cristalli nel mezzo poroso omogeneo. I diametri medi dei cristalli erano di 23–46 μm nel mezzo poroso eterogeneo, rispetto a 17–40 μm nel mezzo poroso omogeneo su tutto il chip. La permeabilità del mezzo poroso eterogeneo è stata più influenzata rispetto a quella del sistema omogeneo, mentre i sensori di pressione hanno effettivamente catturato una diminuzione maggiore della permeabilità durante le prime due ore in cui si formavano i cristalli e una diminuzione meno evidente durante la successiva crescita dei semi. cristalli esistenti, nonché la nucleazione e la crescita di nuovi cristalli.

Negli ultimi dieci anni, la precipitazione di carbonato di calcio (CaCO3) (MICP) indotta da microbi è emersa come un’alternativa sostenibile alla tradizionale stabilizzazione del suolo basata sul comune cemento Portland1. MICP è stato studiato per una varietà di potenziali applicazioni ingegneristiche, come il miglioramento del suolo per aumentare la rigidità e la resistenza2,3,4 dei terreni granulari, comunemente indicati come biogrouting5; immobilizzazione di metalli pesanti e radionuclidi6; Sequestro di CO27 e sigillatura delle fratture nei pozzi di sequestro di CO2 per mitigare le perdite8. La MICP basata sull'ureolisi, che è il meccanismo più studiato, avviene in due fasi. Nella prima fase, i microrganismi ureolitici del suolo, cioè i batteri che secernono l'enzima ureasi, catalizzano l'idrolisi dell'urea (Eq. 1). Questa reazione produce ioni ammonio (NH4+) che aumentano il pH del microambiente, nonché ioni carbonato (CO32–). Di conseguenza, l’alcalinità favorisce la precipitazione di CaCO3 in presenza di sufficienti ioni calcio (Eq. 2):