Contrôle biomédiatisé des injections de silice colloïdale par fermentation microbienne

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 14184 (2023) Citer cet article

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L'injection de silice colloïdale est une technique d'amélioration des sols capable de stabiliser les sols fragiles et problématiques et d'obtenir d'importantes réductions de la conductivité hydraulique du sol pour des applications telles que l'atténuation de la liquéfaction induite par les tremblements de terre et le contrôle de l'écoulement des eaux souterraines. Dans l'approche conventionnelle, des accélérateurs chimiques sont ajoutés aux suspensions de silice colloïdale qui sont introduites dans les sols ciblés pour l'amélioration et la formation d'un gel de silice semi-solide se produit au fil du temps à une vitesse contrôlée par la chimie de la suspension et les conditions géochimiques in situ. Bien que le processus ait été étudié de manière approfondie, le contrôle du taux de formation du gel en présence de conditions souterraines variables et la capacité limitée des méthodes conventionnelles à surveiller efficacement le processus de formation du gel ont posé des défis pratiques. Dans cette étude, un processus biomédiatisé d'amélioration du sol est proposé qui utilise des micro-organismes fermentaires enrichis pour contrôler la gélification des coulis de silice colloïdale grâce à des réductions du pH de la solution et à des augmentations de la force ionique. Quatre séries d'expériences par lots ont été réalisées pour étudier la capacité des micro-organismes fermentant le glucose à s'enrichir dans des sables naturels pour induire des changements géochimiques capables de médier la formation de gel de silice et évaluer l'effet de la composition de la solution de traitement sur les comportements de réduction du pH. Des expériences complémentaires sur des lots et des colonnes de sol ont ensuite été réalisées pour améliorer le processus et explorer l'efficacité des méthodes chimiques, hydrauliques et géophysiques pour surveiller l'activité microbienne, la formation de gel et les améliorations techniques. Les résultats démontrent que les micro-organismes fermentaires peuvent être enrichis avec succès et médier la formation de gel dans des suspensions qui autrement resteraient très stables, renonçant ainsi au besoin d'accélérateurs chimiques, augmentant la fiabilité et le contrôle du coulis de silice colloïdale, permettant de nouvelles approches de surveillance et offrant des améliorations techniques comparables. aux coulis de silice colloïdale conventionnels.

L'injection de silice colloïdale est une technique d'amélioration des sols respectueuse de l'environnement, capable d'améliorer les propriétés techniques de la roche et du sol pour des applications telles que l'atténuation de la liquéfaction induite par les tremblements de terre, le contrôle de l'écoulement des eaux souterraines et le scellement des fractures rocheuses1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10,11. Le processus peut être initié en fournissant aux sols une suspension de faible viscosité de nanoparticules de silice sphériques non poreuses, la formation d'un gel de silice se produisant au fil du temps à une vitesse contrôlée par la chimie initiale de la suspension3,12. Les gels de silice colloïdale qui en résultent peuvent réduire la conductivité hydraulique du sol en bouchant les pores du sol et modifier les comportements mécaniques du sol en limitant les tendances volumétriques du sol pendant le cisaillement et en ajoutant une modeste résistance à la traction9,13,14. Les coulis de silice colloïdale offrent des avantages uniques par rapport aux autres technologies de coulis de perméation, notamment : (i) la capacité d'appliquer les coulis de manière passive en utilisant les gradients d'eau souterraine existants en raison de la faible viscosité initiale des suspensions de silice colloïdale3,15, (ii) la capacité de moduler les taux de formation de gel. sur de longues échelles de temps (c'est-à-dire 0 à > 100 jours)13,16(iii) les propriétés chimiques inoffensives pour l'environnement de la silice colloïdale qui peuvent minimiser les impacts environnementaux par rapport à d'autres matériaux de jointoiement synthétiques tels que les polyuréthanes17,18, et (iv) la capacité des gels de silice colloïdaux développés pour rester chimiquement stables sur de longues périodes après l'application16,19.

De nombreuses études ont examiné la stabilité des suspensions de silice colloïdale et la formation en fonction du temps de gels de silice pour une gamme diversifiée d'applications allant de l'amélioration des sols à la transformation des aliments11,19,20. Collectivement, ces études ont démontré que le temps nécessaire pour obtenir la formation du gel peut être contrôlé en faisant varier la composition des suspensions de silice colloïdale, notamment par des différences de pH initial, de concentrations d'ions, de concentrations de silice colloïdale et de taille des colloïdes inclus1,3,12. ,21,22. La sensibilité des suspensions de silice colloïdale aux changements chimiques résulte principalement de la présence de groupes fonctionnels silanol (SiOH) à la surface des nanoparticules de silice, qui peuvent être facilement manipulés par des changements de pH (c'est-à-dire des ions H+) et de concentration en cation/anion19. Dans des conditions plus acides, ces groupes de surface peuvent rester de plus en plus protonés avec une charge de surface apparente plus positive. Cependant, dans des conditions plus alcalines, la déprotonation des groupes de surface entraîne une charge de surface apparente plus négative. Semblables aux changements de pH, les groupes de surface de silice colloïdale présentent également une sensibilité aux changements dans les concentrations d’ions environnants. Par exemple, des cations tels que le sodium (Na+) peuvent se complexer avec ces groupes de surface, permettant ainsi de neutraliser efficacement la charge apparente des groupes de surface. Bien que très complexes, les interactions observées entre les colloïdes de silice sont similaires à celles décrites par la théorie de Derjaguin, Landau, Verwey et Overbeek (DVLO)25. Lorsque les groupes de surface colloïdale restent soit fortement chargés négativement, soit fortement chargés positivement, la répulsion électrostatique entre les colloïdes reste élevée et la suspension peut rester stable avec la rétention d'une faible viscosité de solution idéale pour le transport lors des injections de coulis3. Cependant, à mesure que les groupes de surface colloïdales sont progressivement neutralisés par des changements de pH ou des ajouts d'ions, la répulsion électrostatique peut être minimisée et l'attraction de Van der Waals entre les colloïdes peut permettre la formation de liaisons siloxane (Si – O – Si) entre les groupes de surface SiOH. polymérisation des nanoparticules et augmentation consécutive de la viscosité de la suspension et formation éventuelle d'un gel de silice semi-solide.