Биомедиаторный контроль тампонажа из коллоидного кремнезема с использованием микробной ферментации

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 14184 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Затирка коллоидным кремнеземом — это метод улучшения грунта, способный стабилизировать слабые проблемные почвы и добиться значительного снижения гидравлической проводимости почвы для таких применений, как смягчение последствий разжижения, вызванного землетрясениями, и контроль потока грунтовых вод. При традиционном подходе химические ускорители добавляются к суспензиям коллоидного кремнезема, которые вносятся в почвы, предназначенные для улучшения, и образование полутвердого силикагеля происходит с течением времени со скоростью, контролируемой химией суспензии и геохимическими условиями in situ. Хотя этот процесс был тщательно исследован, контроль скорости гелеобразования в условиях изменяющихся подземных условий и ограниченная способность традиционных методов эффективно контролировать процесс гелеобразования поставили практические задачи. В этом исследовании предлагается биоопосредованный процесс улучшения почвы, в котором используются обогащенные ферментирующие микроорганизмы для контроля гелеобразования коллоидных кремнеземных растворов за счет снижения pH раствора и увеличения ионной силы. Были проведены четыре серии периодических экспериментов для изучения способности микроорганизмов, ферментирующих глюкозу, обогащаться природными песками, вызывать геохимические изменения, способные опосредовать образование силикагеля, и оценивать влияние состава обрабатывающего раствора на поведение при снижении pH. Впоследствии были проведены дополнительные эксперименты с партиями и колонками почвы, чтобы масштабировать процесс и изучить эффективность химических, гидравлических и геофизических методов для мониторинга микробной активности, образования геля и инженерных усовершенствований. Результаты показывают, что ферментирующие микроорганизмы могут быть успешно обогащены и способствовать образованию геля в суспензиях, которые в противном случае оставались бы очень стабильными, тем самым отказываясь от необходимости в химических ускорителях, повышая надежность и контроль за тампонированием коллоидным диоксидом кремния, обеспечивая новые подходы к мониторингу и обеспечивая сопоставимые инженерные усовершенствования. к обычным коллоидным кремнеземным растворам.

Затирка коллоидным кремнеземом — это экологически безопасный метод улучшения грунта, способный улучшить инженерные свойства горных пород и почвы для таких применений, как смягчение последствий разжижения, вызванного землетрясением, контроль потока грунтовых вод и герметизация трещин в горных породах1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10,11. Процесс можно инициировать путем подачи в почву суспензии непористых сферических наночастиц кремнезема с низкой вязкостью, при этом образование силикагеля происходит с течением времени со скоростью, контролируемой химическим составом исходной суспензии3,12. Полученные коллоидные силикагели могут снизить гидравлическую проводимость почвы, закупоривая поровое пространство почвы, и изменить механическое поведение почвы за счет ограничения объемных тенденций почвы во время сдвига и добавления умеренной прочности на растяжение9,13,14. Затирки из коллоидного диоксида кремния обладают некоторыми уникальными преимуществами по сравнению с другими технологиями тампонирования с проникновением, включая: (i) возможность пассивного нанесения затирок с использованием существующих градиентов грунтовых вод из-за низкой начальной вязкости суспензий коллоидного диоксида кремния3,15, (ii) способность модулировать скорость гелеобразования в течение больших периодов времени (т.е. от 0 до > 100 дней)13,16(iii) экологически безопасные химические свойства коллоидного кремнезема, которые могут свести к минимуму воздействие на окружающую среду по сравнению с другими синтетическими тампонажными материалами, такими как полиуретаны17,18, и (iv) способность разработанных коллоидных силикагелей оставаться химически стабильными в течение длительного периода времени после применения16,19.

Многочисленные исследования изучали стабильность суспензий коллоидного кремнезема и зависящее от времени образование силикагелей для широкого спектра применений, от улучшения почвы до пищевой промышленности11,19,20. В совокупности эти исследования показали, что время, необходимое для образования геля, можно контролировать, варьируя состав суспензий коллоидного кремнезема, в том числе за счет различий в начальном pH, концентрациях ионов, концентрациях коллоидного кремнезема и размере включенных коллоидов1,3,12 ,21,22. Чувствительность суспензий коллоидного кремнезема к химическим изменениям обусловлена, прежде всего, присутствием силанольных (SiOH) функциональных групп на поверхности наночастиц кремнезема, которыми можно легко манипулировать посредством изменения pH (т.е. ионов H+) и концентрации катионов/анионов19. В более кислых условиях эти поверхностные группы могут оставаться все более протонированными с более положительным кажущимся поверхностным зарядом, однако в более щелочных условиях депротонирование поверхностных групп приводит к более отрицательному кажущемуся поверхностному заряду23,24. Подобно изменениям pH, поверхностные группы коллоидного кремнезема также проявляют чувствительность к изменениям концентрации окружающих ионов. Например, катионы, такие как натрий (Na+), могут образовывать комплексы с этими поверхностными группами, тем самым позволяя эффективно нейтрализовать кажущийся заряд поверхностных групп. Несмотря на то, что взаимодействия, наблюдаемые между коллоидами кремнезема, очень сложны, они аналогичны взаимодействиям, описанным теорией Дерягина, Ландау, Вервея и Овербека (DVLO)25. Когда коллоидные поверхностные группы остаются либо сильно отрицательно заряженными, либо сильно положительно заряженными, электростатическое отталкивание между коллоидами остается высоким, и суспензия может оставаться стабильной, сохраняя низкую вязкость раствора, идеальную для транспортировки во время инъекций раствора3. Однако, поскольку коллоидные поверхностные группы постепенно нейтрализуются либо за счет изменения pH, либо за счет добавления ионов, электростатическое отталкивание может быть сведено к минимуму, а притяжение Ван-дер-Ваальса между коллоидами может способствовать образованию силоксановых связей (Si–O–Si) между поверхностными группами SiOH26, ​​что приводит к полимеризация наночастиц и последующее увеличение вязкости суспензии и возможное образование полутвердого силикагеля.