Controllo biomediato della malta di silice colloidale mediante fermentazione microbica

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14184 (2023) Citare questo articolo

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L'iniezione di silice colloidale è una tecnica di miglioramento del terreno in grado di stabilizzare terreni deboli e problematici e di ottenere grandi riduzioni della conduttività idraulica del suolo per applicazioni tra cui la mitigazione della liquefazione indotta dai terremoti e il controllo del flusso delle acque sotterranee. Nell'approccio convenzionale, acceleranti chimici vengono aggiunti alle sospensioni di silice colloidale che vengono introdotte nei terreni destinati al miglioramento e la formazione di un gel di silice semisolido avviene nel tempo a una velocità controllata dalla chimica della sospensione e dalle condizioni geochimiche in situ. Sebbene il processo sia stato ampiamente studiato, il controllo della velocità di formazione del gel in presenza di diverse condizioni del sottosuolo e la capacità limitata dei metodi convenzionali di monitorare efficacemente il processo di formazione del gel hanno posto sfide pratiche. In questo studio viene proposto un processo di miglioramento del suolo biomediato che utilizza microrganismi fermentativi arricchiti per controllare la gelificazione delle malte di silice colloidale attraverso riduzioni del pH della soluzione e aumenti della forza ionica. Sono state eseguite quattro serie di esperimenti batch per studiare la capacità dei microrganismi fermentanti il ​​glucosio di arricchirsi nelle sabbie naturali per indurre cambiamenti geochimici in grado di mediare la formazione di gel di silice e valutare l'effetto della composizione della soluzione di trattamento sui comportamenti di riduzione del pH. Successivamente sono stati eseguiti esperimenti complementari su batch e colonne di terreno per migliorare il processo ed esplorare l'efficacia dei metodi chimici, idraulici e geofisici per monitorare l'attività microbica, la formazione di gel e i miglioramenti tecnici. I risultati dimostrano che i microrganismi fermentativi possono essere arricchiti con successo e mediare la formazione di gel in sospensioni che altrimenti rimarrebbero altamente stabili, rinunciando così alla necessità di acceleranti chimici, aumentando l’affidabilità e il controllo della malta di silice colloidale, consentendo nuovi approcci di monitoraggio e offrendo miglioramenti ingegneristici comparabili alle tradizionali malte di silice colloidale.

L'iniezione di silice colloidale è una tecnica di miglioramento del terreno attenta all'ambiente in grado di migliorare le proprietà ingegneristiche della roccia e del suolo per applicazioni tra cui la mitigazione della liquefazione indotta dai terremoti, il controllo del flusso delle acque sotterranee e la sigillatura delle fratture rocciose1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10,11. Il processo può essere avviato fornendo al terreno una sospensione a bassa viscosità di nanoparticelle di silice sferiche e non porose, con la formazione di un gel di silice che avviene nel tempo a una velocità controllata dalla chimica della sospensione iniziale3,12. I gel di silice colloidali risultanti possono ridurre la conduttività idraulica del suolo ostruendo gli spazi dei pori del suolo e alterare i comportamenti meccanici del suolo attraverso il contenimento delle tendenze volumetriche del suolo durante il taglio e l'aggiunta di una modesta resistenza alla trazione9,13,14. Le malte di silice colloidale offrono alcuni vantaggi unici rispetto ad altre tecnologie di permeazione, tra cui: (i) la capacità di applicare malte passivamente utilizzando i gradienti delle acque sotterranee esistenti a causa della bassa viscosità iniziale delle sospensioni di silice colloidale3,15, (ii) la capacità di modulare i tassi di formazione del gel su tempi ampi (ovvero, da 0 a > 100 giorni)13,16(iii) le proprietà chimiche rispettose dell'ambiente della silice colloidale che possono ridurre al minimo l'impatto ambientale rispetto ad altri materiali sintetici per malte come i poliuretani17,18, e (iv) la capacità dei gel di silice colloidale sviluppati per rimanere chimicamente stabili per lunghi periodi di tempo dopo l'applicazione16,19.

Numerosi studi hanno esaminato la stabilità delle sospensioni di silice colloidale e la formazione dipendente dal tempo di gel di silice per una vasta gamma di applicazioni che vanno dal miglioramento del suolo alla lavorazione degli alimenti11,19,20. Collettivamente, questi studi hanno dimostrato che il tempo necessario per ottenere la formazione del gel può essere controllato variando la composizione delle sospensioni di silice colloidale, anche attraverso differenze nel pH iniziale, concentrazioni di ioni, concentrazioni di silice colloidale e dimensioni dei colloidi inclusi1,3,12 ,21,22. La sensibilità delle sospensioni di silice colloidale ai cambiamenti chimici deriva principalmente dalla presenza di gruppi funzionali silanolo (SiOH) sulla superficie delle nanoparticelle di silice, che possono essere facilmente manipolati attraverso cambiamenti nel pH (cioè ioni H+) e nella concentrazione di cationi/anioni19. In condizioni più acide, questi gruppi superficiali possono rimanere sempre più protonati con una carica superficiale apparente più positiva, tuttavia, in condizioni più alcaline la deprotonazione dei gruppi superficiali risulta in una carica superficiale apparente più negativa23,24. Similmente ai cambiamenti del pH, anche i gruppi superficiali della silice colloidale mostrano sensibilità ai cambiamenti nelle concentrazioni di ioni circostanti. Ad esempio, cationi come il sodio (Na+) possono complessarsi con questi gruppi superficiali, consentendo così di neutralizzare efficacemente la carica apparente dei gruppi superficiali. Sebbene altamente complesse, le interazioni osservate tra i colloidi di silice sono simili a quelle descritte dalla teoria Derjaguin, Landau, Verwey e Overbeek (DVLO)25. Quando i gruppi superficiali colloidali rimangono carichi altamente negativamente o altamente caricati positivamente, la repulsione elettrostatica tra i colloidi rimane elevata e la sospensione può rimanere stabile con il mantenimento di una bassa viscosità della soluzione ideale per il trasporto durante le iniezioni di malta3. Tuttavia, poiché i gruppi superficiali colloidali vengono progressivamente neutralizzati attraverso variazioni di pH o aggiunte di ioni, la repulsione elettrostatica può essere ridotta al minimo e l’attrazione di van der Waals tra i colloidi può consentire la formazione di legami silossanici (Si–O–Si) tra i gruppi superficiali SiOH26 portando a polimerizzazione delle nanoparticelle e conseguente aumento della viscosità della sospensione e eventuale formazione di un gel di silice semisolido.