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Biopolimero di xantano

Nov 25, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11666 (2023) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

In questo studio, abbiamo valutato l'impatto del biopolimero di gomma xanthan (XG) sui tessuti di caolinite utilizzando la diffrazione dei raggi X (XRD) e i conseguenti cambiamenti nel comportamento di compattazione e nella resistenza al taglio dei terreni di caolinite. L'analisi del picco XRD ha rivelato che XG ha trasformato i tessuti di caolinite in associazioni faccia a faccia. Inoltre, la microscopia elettronica a scansione ambientale ha mostrato la formazione di ponti XG tra le particelle di caolinite, con conseguente cambiamento nei tessuti e conseguentemente migliorando la resistenza della caolinite alle forze esterne. Di conseguenza, all’aumentare del contenuto di XG, la densità massima secca diminuiva e la resistenza al taglio non drenata aumentava. Gli idrogel viscosi XG hanno prodotto un contenuto di umidità ottimale più elevato e una maggiore resistenza alla forza di taglio. Questo studio ha dimostrato che XG influenza le proprietà meccaniche della caolinite attraverso la modifica dei tessuti di caolinite (fino allo 0,5% del rapporto di massa XG-caolinite) e assorbendo i fluidi dei pori (XG in eccesso oltre lo 0,5% del rapporto di massa XG-caolinite ).

Le emissioni globali di anidride carbonica (CO2) e il crescente riscaldamento globale hanno provocato cambiamenti climatici catastrofici, tra cui l’innalzamento del livello del mare, ondate di caldo e squilibri nelle precipitazioni1,2,3. Per mitigare le preoccupazioni legate al cambiamento climatico, gli ingegneri geotecnici hanno condotto vari studi per sviluppare materiali eco-compatibili in grado di sostituire l’uso del comune cemento Portland (OPC) nei materiali per il miglioramento del suolo4. L’OPC rappresenta il 5%–7% delle emissioni di CO2 di origine antropica, con una tonnellata di emissioni di CO2 per ogni tonnellata di produzione5,6.

Il trattamento del suolo basato su biopolimeri (BPST), che utilizza biopolimeri eso-coltivati ​​risultanti dal metabolismo di organismi viventi per il miglioramento del suolo, è stato ampiamente studiato per l'integrazione come tecnica di miglioramento del suolo rispettosa dell'ambiente7,8,9. I biopolimeri influenzano i granuli del terreno aumentando la viscosità del fluido poro e l’interazione delle particelle10. Sulla base dell'interazione tra biopolimeri e suolo, i biopolimeri hanno dimostrato la loro capacità di migliorare la consistenza del suolo11, la coagulazione12, la resistenza del suolo13,14,15,16,17,18, l'erosione superficiale19,20,21,22 e il controllo della conducibilità idraulica23,24, 25,26.

Nel contesto delle argille, la presenza di biopolimeri può portare a un legame ionico diretto con la superficie delle particelle di argilla27, con conseguenti modifiche del tessuto dell'argilla e della disposizione geometrica delle particelle di terreno10,11. Ad esempio, Mahamaya et al.28 hanno studiato l’effetto della gomma di xantano (XG), della gomma guar e dei biopolimeri di cellulosa sulle ceneri volanti e sui residui di miniera. Lo studio ha dimostrato miglioramenti nelle proprietà dell’indice, nella resistenza alla compressione e nella resistenza all’erosione dell’acqua, attribuiti a cambiamenti morfologici dovuti all’interazione tra il suolo e le stringhe di biopolimero a catena lunga. Allo stesso modo, Hamza et al.29 hanno scoperto che l’aggregazione dell’argilla indotta da XG migliora i parametri geotecnici dei suoli quali resistenza, consolidamento, conduttività idraulica e durabilità al gelo-disgelo. Kang et al.30 hanno confrontato gli effetti di vari biopolimeri sulle caratteristiche di sedimentazione della caolinite e delle ceneri volanti, rivelando che i biopolimeri cationici inducono cambiamenti nel tessuto nella caolinite attraverso il bridging e la neutralizzazione della carica, con conseguente aumento della velocità di sedimentazione. Le tecniche microscopiche, tra cui la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS), sono state ampiamente utilizzate in ricerche precedenti per studiare le interazioni tra biopolimeri e argille. Tuttavia, le tecniche di microscopia elettronica presentano limitazioni pratiche, comprese sfide nella preparazione del campione e un'osservazione limitata della superficie31, che ostacolano una comprensione completa dell'effetto del biopolimero sul tessuto dei materiali argillosi sfusi.

Per colmare questa lacuna di conoscenza, questo studio mira a esaminare e analizzare il tessuto della caolinite trattata con biopolimero XG utilizzando la tecnica di diffrazione dei raggi X (XRD), nonché le variazioni nelle sue proprietà meccaniche. La tecnica XRD è ampiamente utilizzata per analizzare la struttura delle argille sfuse grazie alla sua capacità di sondare profondità di 30–50 μm32,33. Tra una varietà di polimeri organici30, XG è stato selezionato in questo studio per il suo ampio utilizzo in varie applicazioni34,35,36, risultati promettenti nel miglioramento delle proprietà geotecniche13,37,38 e proprietà reologiche uniche come la formazione di idrogel viscosi e pseudoplastici comportamento39,40. Queste caratteristiche rendono XG un candidato adatto per studiarne gli effetti sul tessuto e sulle proprietà meccaniche dell'argilla caolinitica. Per raggiungere l'obiettivo dello studio sono stati utilizzati diversi metodi sperimentali. I modelli XRD delle caoliniti trattate con XG sono stati ottenuti per determinare il tessuto delle argille confrontando i picchi dei raggi X e le loro ampiezze. Integrando SEM e SEM ambientale (ESEM), questo lavoro ha esaminato visivamente il tessuto della caolinite trattata con XG negli stati secco e umido. Sulla base di osservazioni visive, il comportamento di compattazione e il su delle caoliniti trattate con XG sono stati analizzati per analizzare l'impatto dell'XG sulle proprietà fondamentali delle caoliniti.

 0.5%./p> 0.5%, the observed OMC slightly decreases and the MDD increases. This trend is consistent with the work of Kang et al.59, which demonstrated a backbone trend at mb/ms = 0.1%. Specifically, mb/ms of 0.5% increases the OMC from 32.4% (untreated kaolinite) to 36%; however, the extra XG has a negligible impact on the OMC. Additionally, the MDD decreases as XG changes from 1.31 g/cm3 (untreated kaolinite) to 1.22 g/cm3 (mb/ms = 2.0%). These results match the previous findings that XG with mb/ms = 0.5% exhibit the local maximum liquid limits11,52 and su10./p> 1.0%./p>