Controle biomediado do grauteamento de sílica coloidal utilizando fermentação microbiana

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 14184 (2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

O rejuntamento de sílica coloidal é uma técnica de melhoria do solo capaz de estabilizar solos fracos e problemáticos e alcançar grandes reduções nas condutividades hidráulicas do solo para aplicações que incluem mitigação de liquefação induzida por terremotos e controle de fluxo de águas subterrâneas. Na abordagem convencional, aceleradores químicos são adicionados a suspensões de sílica coloidal que são introduzidas em solos alvo de melhoria e a formação de um gel de sílica semissólido ocorre ao longo do tempo a uma taxa controlada pela química da suspensão e pelas condições geoquímicas in situ. Embora o processo tenha sido extensivamente investigado, o controle da taxa de formação de gel na presença de condições subterrâneas variadas e a capacidade limitada dos métodos convencionais para monitorar efetivamente o processo de formação de gel representaram desafios práticos. Neste estudo, é proposto um processo biomediado de melhoria do solo que utiliza microrganismos fermentativos enriquecidos para controlar a gelificação de rejuntes de sílica coloidal através de reduções de pH da solução e aumentos de força iônica. Quatro séries de experimentos em lote foram realizadas para investigar a capacidade dos microrganismos fermentadores de glicose serem enriquecidos em areias naturais para induzir alterações geoquímicas capazes de mediar a formação de sílica gel e avaliar o efeito da composição da solução de tratamento nos comportamentos de redução do pH. Experimentos complementares em lote e coluna de solo foram posteriormente realizados para aprimorar o processo e explorar a eficácia dos métodos químicos, hidráulicos e geofísicos para monitorar a atividade microbiana, a formação de gel e melhorias de engenharia. Os resultados demonstram que os microrganismos fermentativos podem ser enriquecidos com sucesso e mediar a formação de gel em suspensões que de outra forma permaneceriam altamente estáveis, dispensando assim a necessidade de aceleradores químicos, aumentando a confiabilidade e o controle do grouting de sílica coloidal, permitindo novas abordagens de monitoramento e proporcionando melhorias de engenharia comparáveis. às argamassas de sílica coloidal convencionais.

O grauteamento de sílica coloidal é uma técnica de melhoria do solo ambientalmente consciente, capaz de melhorar as propriedades de engenharia da rocha e do solo para aplicações que incluem mitigação de liquefação induzida por terremotos, controle de fluxo de águas subterrâneas e vedação de fraturas de rochas1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10,11. O processo pode ser iniciado fornecendo aos solos uma suspensão de baixa viscosidade de nanopartículas esféricas de sílica não porosas, com a formação de um gel de sílica ocorrendo ao longo do tempo a uma taxa controlada pela química inicial da suspensão . Os géis de sílica coloidal resultantes podem reduzir as condutividades hidráulicas do solo, obstruindo os espaços porosos do solo e alterando os comportamentos mecânicos do solo através da restrição das tendências volumétricas do solo durante o cisalhamento e da adição de uma modesta resistência à tração9,13,14. Os rejuntes de sílica coloidal oferecem alguns benefícios exclusivos em relação a outras tecnologias de rejuntamento de permeação, incluindo: (i) a capacidade de aplicar rejuntes passivamente usando gradientes de água subterrânea existentes devido à baixa viscosidade inicial das suspensões de sílica coloidal3,15, (ii) a capacidade de modular as taxas de formação de gel em grandes escalas de tempo (ou seja, de 0 a> 100 dias)13,16 (iii) as propriedades químicas ambientalmente benignas da sílica coloidal, que podem minimizar os impactos ambientais quando comparadas a outros materiais de rejunte sintéticos, como poliuretanos17,18, e (iv) a capacidade dos géis de sílica coloidal desenvolvidos permanecem quimicamente estáveis ​​por longos períodos de tempo após a aplicação16,19.

Numerosos estudos examinaram a estabilidade de suspensões de sílica coloidal e a formação dependente do tempo de géis de sílica para uma ampla gama de aplicações que vão desde a melhoria do solo até o processamento de alimentos11,19,20. Coletivamente, esses estudos demonstraram que o tempo necessário para atingir a formação de gel pode ser controlado variando a composição das suspensões de sílica coloidal, inclusive através de diferenças no pH inicial, nas concentrações de íons, nas concentrações de sílica coloidal e no tamanho dos colóides incluídos 1,3,12 ,21,22. A sensibilidade das suspensões de sílica coloidal a mudanças na química resulta principalmente da presença de grupos funcionais silanol (SiOH) na superfície das nanopartículas de sílica, que podem ser facilmente manipuladas através de mudanças no pH (ou seja, íons H+) e concentração de cátions/ânions . Sob condições mais ácidas, esses grupos de superfície podem permanecer cada vez mais protonados com uma carga superficial aparente mais positiva, porém, sob condições mais alcalinas a desprotonação dos grupos de superfície resulta em uma carga superficial aparente mais negativa . Semelhante às alterações de pH, os grupos de superfície de sílica coloidal também exibem sensibilidade a alterações nas concentrações de íons circundantes. Por exemplo, cátions como o sódio (Na+) podem complexar com esses grupos de superfície, permitindo assim que a carga aparente dos grupos de superfície seja efetivamente neutralizada. Embora altamente complexas, as interações observadas entre colóides de sílica são semelhantes às descritas pela teoria de Derjaguin, Landau, Verwey e Overbeek (DVLO)25. Quando os grupos de superfície coloidais permanecem altamente carregados negativamente ou altamente carregados positivamente, a repulsão eletrostática entre os colóides permanece alta e a suspensão pode permanecer estável com a retenção de uma baixa viscosidade da solução, ideal para transporte durante as injeções de argamassa3. No entanto, à medida que os grupos de superfície coloidais se tornam progressivamente neutralizados através de alterações de pH ou adições de íons, a repulsão eletrostática pode ser minimizada e a atração de van der Waals entre colóides pode permitir a formação de ligações de siloxano (Si – O – Si) entre grupos de superfície SiOH levando a polimerização das nanopartículas e conseqüente aumento da viscosidade da suspensão e eventual formação de uma sílica gel semissólida.