미터의 미세유체 연구

Jan 11, 2024

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 19553(2022) 이 기사 인용

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미생물 유도 탄산칼슘(CaCO3) 침전(MICP)은 입상 매체의 인공 시멘트화에 대한 주요 지속 가능한 대안 중 하나입니다. MICP는 토양에 박테리아와 칼슘이 풍부한 용액을 순차적으로 주입하여 토양 입자 사이에 방해석 결합을 형성하여 토양의 강도와 강성을 향상시키는 것으로 구성됩니다. MICP의 성능은 박테리아 성장, 용질의 반응성 수송, 반응 속도, 결정 핵 생성 및 성장의 기본 미세 규모 프로세스에 의해 좌우됩니다. 그러나 MICP 동안 이러한 프로세스에 대한 기공 규모 이질성의 영향은 잘 이해되지 않았습니다. 이 논문은 동일한 치수와 다공성을 가진 2미터 길이의 미세 유체 장치를 균질 및 이종 다공성 네트워크 및 실시간 모니터링과 결합하여 MICP의 시공간 진화, 전체 화학 반응 효율 및 투과성 진화에 대한 기공 규모 이질성의 영향을 조명합니다. . 두 개의 칩은 유입 및 배출 압력이 주기적으로 모니터링되는 동안 부과된 흐름과 동일한 초기 조건으로 MICP 처리를 3회 반복 받았습니다. 이 논문은 MICP로 처리된 다공성 매체의 미세유체 복제본을 따라 여러 위치에서 저속 현미경 데이터로부터 박테리아와 결정을 검출하기 위한 포괄적인 워크플로우를 제안합니다. CaCO3 결정은 교결용액(CS)을 투입한 지 1시간 후에 형성되었고, 결정성장은 12시간 후에 완료되었다. 평균 결정 성장 속도는 불균일 다공성 매질에서 전반적으로 더 높았으나, 합착 주입 후 처음 3시간 후에는 느려졌습니다. 평균 화학 반응 효율은 칩 중앙에서 34%의 피크를 나타냈고 이종 다공성 네트워크에 대한 반응 경로의 마지막 90mm 이전에는 20% 이상을 유지하는 것으로 나타났습니다. 균질한 다공성 매질은 전체적으로 더 낮은 평균 반응 효율을 나타냈는데, 이는 입구 하류의 27% 420mm에서 최고조에 달했고 미세유체 채널의 나머지 부분에서는 12% 미만으로 유지되었습니다. 두 네트워크에서 화학적 효율성의 이러한 서로 다른 경향은 균질한 다공성 매질보다 이질적인 매질에서 더 높은 평균 직경의 결정 수가 더 많기 때문입니다. 480mm와 900mm 사이의 간격에서 불균일 다공성 매질의 결정 수는 균질 다공성 매질의 결정 수의 두 배 이상입니다. 결정의 평균 직경은 전체 칩에 걸쳐 균일한 다공성 매질에서 17-40μm인 것과 비교하여 이종 다공성 매질에서 23-46μm였습니다. 불균일 다공성 매질의 투과성은 균질 시스템의 투과성보다 더 큰 영향을 받는 반면, 압력 센서는 결정이 형성되는 처음 2시간 동안 투과성의 더 높은 감소를 효과적으로 포착하고 이후의 결정 성장 동안 덜 눈에 띄는 감소를 포착했습니다. 기존 결정뿐만 아니라 새로운 결정의 핵 생성 및 성장도 가능합니다.

지난 10년 동안 미생물에 의한 탄산칼슘(CaCO3) 침전(MICP)은 일반 포틀랜드 시멘트를 기반으로 하는 전통적인 토양 안정화에 대한 지속 가능한 대안으로 등장했습니다1. MICP는 일반적으로 바이오그라우팅5이라고 불리는 입상 토양의 강성과 강도2,3,4를 증가시키기 위한 토양 개선; 중금속 및 방사성 핵종의 고정화6; CO2 격리7 및 CO2 격리 유정의 균열 밀봉으로 누출 완화8. 가장 많이 연구된 기전인 요분해 기반 MICP는 두 단계로 발생합니다. 첫 번째 단계에서는 요소분해성 토양 미생물, 즉 요소분해효소를 분비하는 박테리아가 요소 가수분해를 촉매합니다(식 1). 이 반응은 미세환경의 pH를 높이는 암모늄 이온(NH4+)과 탄산 이온(CO32-)을 생성합니다. 결과적으로, 알칼리도는 충분한 칼슘 이온이 존재할 때 CaCO3 침전을 선호합니다(식 2).