微生物発酵を用いたコロイダルシリカ注入の生物媒介制御

Scientific Reports volume 13、記事番号: 14184 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

コロイダルシリカ注入は、地震による液状化の緩和や地下水の流量制御などの用途で、脆弱な問題のある土壌を安定させ、土壌透水係数の大幅な低下を達成できる地盤改良技術です。 従来のアプローチでは、改良の対象となる土壌に導入されるコロイダルシリカ懸濁液に化学促進剤が添加され、懸濁液の化学的性質と現場の地球化学的条件によって制御された速度で時間の経過とともに半固体シリカゲルの形成が起こります。 このプロセスは広範囲に研究されていますが、さまざまな地下状態の存在下でのゲル形成速度の制御と、ゲル形成プロセスを効果的に監視する従来の方法の能力の限界が実用的な課題を引き起こしています。 この研究では、豊富な発酵微生物を利用して、溶液のpH低下とイオン強度の増加を通じてコロイダルシリカグラウトのゲル化を制御する生物媒介土壌改良プロセスが提案されています。 天然砂に豊富に含まれるグルコース発酵微生物がシリカゲルの形成を媒介できる地球化学的変化を誘発する能力を調査し、pH 低下挙動に対する処理溶液組成の影響を評価するために、4 つの一連のバッチ実験が実施されました。 その後、プロセスをスケールアップし、微生物の活動、ゲル形成、工学的改善を監視するための化学的、水力的、地球物理学的手法の有効性を調査するために、補完的なバッチ実験と土壌カラム実験が実施されました。 結果は、発酵微生物をうまく濃縮し、安定性の高い懸濁液中でのゲル形成を媒介できることを示しています。これにより、化学反応促進剤の必要性がなくなり、コロイダルシリカ注入の信頼性と制御が向上し、新しい監視アプローチが可能になり、同等のエンジニアリング強化が可能になります。従来のコロイダルシリカグラウトに。

コロイダルシリカ注入は、環境に配慮した地盤改良技術であり、地震による液状化の緩和、地下水の流れの制御、岩盤破壊のシールなどの用途で岩石や土壌の工学的特性を改善することができます1、2、3、4、5、6、7。 8、9、10、11。 このプロセスは、非多孔質の球状シリカナノ粒子の低粘度懸濁液を土壌に供給することによって開始でき、最初の懸濁液の化学的性質によって制御される速度で時間の経過とともにシリカゲルの形成が起こります3,12。 得られるコロイダルシリカゲルは、土壌の細孔空間を塞ぐことによって土壌の透水係数を低下させ、せん断時の土壌の体積傾向の抑制と適度な引張強度の追加を通じて土壌の機械的挙動を変化させることができます9,13,14。 コロイダルシリカグラウトには、他の浸透グラウト技術に比べて、次のような独自の利点があります。(i) コロイダルシリカ懸濁液の初期粘度が低いため、既存の地下水勾配を使用して受動的にグラウトを適用できる機能 3,15、(ii) ゲル形成速度を調整できる機能長い時間スケール (つまり、0 日から > 100 日) 13,16 (iii) ポリウレタンなどの他の合成グラウト材と比較した場合、環境への影響を最小限に抑えることができるコロイダルシリカの環境に優しい化学的特性 17,18、および (iv)開発されたコロイダルシリカゲルは、適用後長期間にわたって化学的安定性を維持します16,19。

土壌改良から食品加工に至るまでの多様な用途について、コロイダルシリカ懸濁液の安定性と時間依存性のシリカゲルの形成について多くの研究が行われています11、19、20。 これらの研究をまとめると、ゲル形成に必要な時間は、初期 pH、イオン濃度、コロイダル シリカ濃度、含まれるコロイドのサイズの違いなど、コロイダル シリカ懸濁液の組成を変えることによって制御できることが実証されました 1、3、12。 、21、22。 化学変化に対するコロイダルシリカ懸濁液の感受性は、主にシリカナノ粒子の表面にシラノール（SiOH）官能基が存在することに起因しており、この官能基は、pH（つまり、H+イオン）やカチオン/アニオン濃度の変化によって簡単に操作できます19。 より酸性の条件下では、これらの表面基は、より正の見かけの表面電荷を伴ってプロトン化されたままになる可能性がありますが、よりアルカリ性の条件下では、表面基の脱プロトン化により、より負の見かけの表面電荷が生じます 23,24。 pH の変化と同様に、コロイダルシリカの表面基も周囲のイオン濃度の変化に敏感です。 たとえば、ナトリウム (Na+) などのカチオンはこれらの表面基と錯体を形成することができ、それによって表面基の見かけの電荷を効果的に中和することができます。 非常に複雑ではあるが、シリカコロイド間に観察される相互作用は、Derjaguin、Landau、Verwey、および Overbeek (DVLO) 理論で説明される相互作用と類似しています 25。 コロイド表面基が高度に負に帯電しているか、高度に正に帯電している場合、コロイド間の静電反発力は高いままであり、グラウト注入中の輸送に理想的な低い溶液粘度を維持しながら懸濁液は安定した状態を保つことができます3。 しかし、コロイド表面基は、pH の変化またはイオンの添加によって徐々に中和されるため、静電反発を最小限に抑えることができ、コロイド間のファンデルワールス引力により、SiOH 表面基間にシロキサン結合 (Si-O-Si) が形成される可能性があります 26。ナノ粒子の重合とその結果としての懸濁液の粘度の増加、そして最終的には半固体のシリカゲルが形成されます。