メーター内のマイクロ流体の研究

Scientific Reports volume 12、記事番号: 19553 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

微生物誘発炭酸カルシウム (CaCO3) 沈殿 (MICP) は、粒状媒体の人工セメンテーションに代わる主要な持続可能な代替手段の 1 つです。 MICP は、細菌とカルシウムが豊富な溶液を土壌に順次注入して土壌粒子間に方解石結合を形成し、土壌の強度と剛性を向上させます。 MICP の性能は、細菌の増殖、溶質の反応性輸送、反応速度、結晶核生成および成長といった、根底にあるマイクロスケールのプロセスによって支配されます。 ただし、細孔スケールの不均一性が MICP 中のこれらのプロセスに及ぼす影響はよく理解されていません。 この論文は、寸法と空孔率が同じ2メートルの長さのマイクロ流体デバイスを均一および不均一な多孔質ネットワークとリアルタイムモニタリングと組み合わせることにより、MICPの時空間進化、全体的な化学反応効率および透過性の進化に対する孔スケールの不均一性の影響に光を当てます。 。 入口と出口の圧力を定期的に監視しながら、2 つのチップに強制流量と同じ初期条件による MICP 処理を 3 回繰り返しました。 この論文では、MICP で処理された多孔質媒体のマイクロ流体レプリカに沿った複数の位置のタイムラプス顕微鏡データから細菌と結晶を検出することを目的とした包括的なワークフローを提案します。 CaCO3 結晶は浸炭溶液 (CS) の導入から 1 時間後に形成され、結晶成長は 12 時間後に完了しました。 平均結晶成長速度は、不均質多孔質媒体では全体的に速かったが、セメンテーション注入の最初の 3 時間以降は遅くなった。 平均化学反応効率は、チップの中央で 34% のピークを示し、不均一多孔質ネットワークの反応経路の最後の 90 mm までは 20% 以上に留まることがわかりました。 均質な多孔質媒体は全体的に平均反応効率が低く、入口の 420 mm 下流で 27% でピークに達し、マイクロ流体チャネルの残りの部分では 12% 未満のままでした。 2 つのネットワークにおける化学効率のこれらの異なる傾向は、均質な多孔質媒体よりも不均質媒体の方が平均直径が大きい結晶の数が多いためです。 480 ～ 900 mm の間隔では、不均一多孔質媒体内の結晶の数は均一多孔質媒体内の結晶の数の 2 倍以上です。 結晶の平均直径は、チップ全体の均一な多孔質媒体では 17 ～ 40 μm であったのに対し、不均一な多孔質媒体では 23 ～ 46 μm でした。 不均質な多孔質媒体の透過性は、均質系の透過性よりも大きな影響を受けましたが、圧力センサーは、結晶が形成される最初の 2 時間の透過性の大きな低下と、その後の結晶成長中のそれほど顕著ではない透過性の低下を効果的に捕捉しました。既存の結晶だけでなく、新しい結晶の核生成と成長も同様です。

過去 10 年間に、微生物誘導炭酸カルシウム (CaCO3) 沈殿 (MICP) が、普通ポルトランド セメントをベースとした従来の土壌安定化に代わる持続可能な代替手段として浮上してきました1。 MICP は、一般にバイオグラウト工法と呼ばれる粒状土壌の剛性と強度を高めるための土壌改良 2、3、4 など、さまざまな潜在的なエンジニアリング用途について研究されています 5。 重金属と放射性核種の固定化6。 CO2 隔離 7 と、漏れを軽減するための CO2 隔離坑井のシール破損 8。 最も研究されているメカニズムである尿素分解ベースの MICP は 2 段階で発生します。 第 1 段階では、尿素分解性土壌微生物、つまり酵素ウレアーゼを分泌する細菌が尿素加水分解を触媒します (式 1)。 この反応により、微小環境の pH を上昇させるアンモニウム イオン (NH4+) と炭酸イオン (CO32-) が生成されます。 したがって、十分なカルシウムイオンの存在下では、アルカリ性が CaCO3 の沈殿を促進します (式 2)。