Estudo microfluídico em um medidor

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 19553 (2022) Citar este artigo

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A precipitação de carbonato de cálcio (CaCO3) induzida microbianamente (MICP) é uma das principais alternativas sustentáveis ​​à cimentação artificial de meios granulares. O MICP consiste em injetar sequencialmente no solo soluções ricas em bactérias e cálcio para formar ligações de calcita entre as partículas do solo que melhoram a resistência e a rigidez dos solos. O desempenho do MICP é governado pelos processos subjacentes em microescala de crescimento bacteriano, transporte reativo de solutos, taxas de reação, nucleação de cristais e crescimento. No entanto, o impacto da heterogeneidade em escala de poros nestes processos durante o MICP não é bem compreendido. Este artigo lança luz sobre o efeito da heterogeneidade em escala de poros na evolução espaço-temporal do MICP, eficiência geral da reação química e evolução da permeabilidade, combinando dois dispositivos microfluídicos de um metro 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 vazão imposta 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 múltiplas posições ao longo de uma réplica microfluídica de meio poroso tratado com MICP. Os cristais de CaCO3 foram formados 1 hora após a introdução da solução de cimentação (CS), e o crescimento dos cristais foi concluído 12 horas depois. A taxa média de crescimento dos cristais foi globalmente 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 pico de 34% no meio do chip e permaneceu 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% a 420 mm a jusante da entrada e permaneceu inferior a 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 capturaram efetivamente 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) induzida microbianamente (MICP) emergiu como uma alternativa sustentável à estabilização tradicional do solo baseada no cimento Portland comum1. O MICP tem sido estudado para uma variedade de aplicações potenciais de engenharia, como melhoria do solo para aumentar a rigidez e resistência2,3,4 de solos granulares, comumente referido como biogrouting5; imobilização de metais pesados ​​e radionuclídeos6; Sequestro de CO27 e vedação de fraturas em poços de sequestro de CO2 para mitigar vazamentos8. A MICP baseada em ureólise, que é o mecanismo mais estudado, ocorre em duas etapas. 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 cálcio suficientes (Eq. 2):