Estudo microfluídico em um metro

Jun 02, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 19553 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A precipitação de carbonato de cálcio (CaCO3) induzida microbianamente (MICP) é uma das principais alternativas sustentáveis ​​para a cimentação artificial de meios granulares. O MICP consiste em injetar no solo soluções ricas em bactérias e cálcio sequencialmente para formar ligações de calcita entre as partículas do solo que melhoram a resistência e a rigidez dos solos. O desempenho do MICP é regido pelos processos subjacentes de microescala de crescimento bacteriano, transporte reativo de solutos, taxas de reação, nucleação de cristais e crescimento. No entanto, o impacto da heterogeneidade da escala de poros nesses processos durante o MICP não é bem compreendido. Este artigo lança luz sobre o efeito da heterogeneidade da escala de poros na evolução espaço-temporal do MICP, na eficiência geral da reação química e na evolução da permeabilidade, combinando dispositivos microfluídicos de dois metros de comprimento de dimensões e porosidade idênticas com redes porosas homogêneas e heterogêneas e monitoramento em tempo real . Os dois chips receberam, em triplicata, tratamento MICP com fluxo imposto e as mesmas condições iniciais, enquanto as pressões de entrada e saída foram monitoradas periodicamente. Este artigo propõe um fluxo de trabalho abrangente destinado a detectar bactérias e cristais a partir de dados de microscopia de lapso de tempo em várias posições ao longo de uma réplica microfluídica de meios porosos tratados com MICP. Os cristais de CaCO3 foram formados 1 h após a introdução da solução de cimentação (CS), e o crescimento dos cristais foi concluído 12 h depois. A taxa média de crescimento do cristal foi maior no meio poroso heterogêneo, enquanto se tornou mais lenta após as primeiras 3 horas de injeção de cimentação. Verificou-se que a eficiência média da reação química apresentou um pico de 34% no meio do chip e se manteve acima de 20% antes dos últimos 90 mm do caminho reativo para a rede porosa heterogênea. O meio poroso homogêneo apresentou uma eficiência de reação média geral mais baixa, que atingiu um pico de 27% 420 mm a jusante da entrada e permaneceu abaixo de 12% para o restante do canal microfluídico. Estas diferentes tendências de eficiência química nas duas redes são devidas a um maior número de cristais de maior diâmetro médio no meio heterogêneo do que no meio poroso homogêneo. No intervalo entre 480 e 900 mm, o número de cristais no meio poroso heterogêneo é mais que o dobro do número de cristais no meio poroso homogêneo. Os diâmetros médios dos cristais foram de 23 a 46 μm no meio poroso heterogêneo, em comparação com 17 a 40 μm no meio poroso homogêneo em todo o chip. A permeabilidade do meio poroso heterogêneo foi mais afetada do que a do sistema homogêneo, enquanto os sensores de pressão efetivamente capturaram uma maior diminuição na permeabilidade durante as primeiras duas horas quando os cristais foram formados e uma diminuição menos proeminente durante o subsequente crescimento semeado do cristais existentes, bem como a nucleação e crescimento de novos cristais.

Durante a última década, a precipitação de carbonato de cálcio (CaCO3) (MICP) induzida microbianamente surgiu como uma alternativa sustentável à estabilização tradicional do solo baseada em cimento Portland comum1. O MICP foi estudado para uma variedade de aplicações de engenharia em potencial, como melhoria do solo para aumentar a rigidez e resistência2,3,4 de solos granulares, comumente referidos como biogrouting5; imobilização de metais pesados ​​e radionuclídeos6; Sequestro de CO27 e fraturas de vedação em poços de sequestro de CO2 para mitigar vazamentos8. O MICP baseado em ureólise, que é o mecanismo mais estudado, ocorre em dois estágios. Na primeira etapa, microrganismos ureolíticos do solo, ou seja, bactérias que secretam a enzima urease, catalisam a hidrólise da uréia (Eq. 1). Essa reação produz íons amônio (NH4+) que aumentam o pH do microambiente, bem como íons carbonato (CO32–). Consequentemente, a alcalinidade favorece a precipitação de CaCO3 na presença de íons de cálcio suficientes (Eq. 2):