Etude microfluidique dans un compteur

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 19553 (2022) Citer cet article

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La précipitation microbienne de carbonate de calcium (CaCO3) (MICP) est l’une des principales alternatives durables à la cimentation artificielle des milieux granulaires. MICP consiste à injecter séquentiellement dans le sol des solutions riches en bactéries et en calcium pour former des liaisons calcite entre les particules du sol qui améliorent la résistance et la rigidité des sols. Les performances du MICP sont régies par les processus sous-jacents à l’échelle microscopique de la croissance bactérienne, du transport réactif des solutés, des vitesses de réaction, de la nucléation et de la croissance des cristaux. Cependant, l’impact de l’hétérogénéité à l’échelle des pores sur ces processus au cours du MICP n’est pas bien compris. Cet article met en lumière l'effet de l'hétérogénéité à l'échelle des pores sur l'évolution spatio-temporelle du MICP, l'efficacité globale de la réaction chimique et l'évolution de la perméabilité en combinant deux dispositifs microfluidiques d'un mètre de long de dimensions et de porosité identiques avec des réseaux poreux homogènes et hétérogènes et une surveillance en temps réel. . Les deux puces ont reçu, en triple exemplaire, un traitement MICP avec un débit imposé et les mêmes conditions initiales, tandis que les pressions d'entrée et de sortie étaient surveillées périodiquement. Cet article propose un flux de travail complet destiné à détecter les bactéries et les cristaux à partir de données de microscopie accélérée à plusieurs positions le long d’une réplique microfluidique de milieux poreux traités avec MICP. Des cristaux de CaCO3 se sont formés 1 h après l'introduction de la solution de cémentation (CS) et la croissance cristalline s'est achevée 12 h plus tard. Le taux moyen de croissance des cristaux était globalement plus élevé dans le milieu poreux hétérogène, alors qu’il devenait plus lent après les 3 premières heures d’injection de cimentation. Il a été constaté que l'efficacité moyenne de la réaction chimique présentait un pic de 34 % au milieu de la puce et restait supérieure à 20 % avant les 90 derniers mm du trajet réactif pour le réseau poreux hétérogène. Le milieu poreux homogène présentait une efficacité de réaction moyenne globalement inférieure, qui culminait à 27 % à 420 mm en aval de l'entrée et restait inférieure à 12 % pour le reste du canal microfluidique. Ces évolutions différentes d'efficacité chimique dans les deux réseaux sont dues à un nombre de cristaux de diamètre moyen plus élevé dans le milieu hétérogène que dans le milieu poreux homogène. Dans l'intervalle compris entre 480 et 900 mm, le nombre de cristaux dans le milieu poreux hétérogène est plus du double du nombre de cristaux dans le milieu poreux homogène. Les diamètres moyens des cristaux étaient de 23 à 46 μm dans le milieu poreux hétérogène, contre 17 à 40 μm dans le milieu poreux homogène sur toute la puce. La perméabilité du milieu poreux hétérogène était plus affectée que celle du système homogène, tandis que les capteurs de pression captaient efficacement une diminution plus importante de la perméabilité au cours des deux premières heures de formation des cristaux et une diminution moins importante au cours de la croissance ensemencée ultérieure du milieu poreux hétérogène. cristaux existants, ainsi que la nucléation et la croissance de nouveaux cristaux.

Au cours de la dernière décennie, les précipitations de carbonate de calcium (CaCO3) d’origine microbienne (MICP) sont apparues comme une alternative durable à la stabilisation traditionnelle des sols à base de ciment Portland ordinaire1. Le MICP a été étudié pour diverses applications techniques potentielles, telles que l'amélioration des sols pour augmenter la rigidité et la résistance2,3,4 des sols granulaires, communément appelés biogrouting5 ; immobilisation de métaux lourds et de radionucléides6 ; Séquestration du CO27 et scellement des fractures dans les puits de séquestration du CO2 pour atténuer les fuites8. La MICP basée sur l'uréolyse, qui est le mécanisme le plus étudié, se déroule en deux étapes. Dans un premier temps, les micro-organismes uréolytiques du sol, c'est-à-dire les bactéries qui sécrètent l'enzyme uréase, catalysent l'hydrolyse de l'urée (équation 1). Cette réaction produit des ions ammonium (NH4+) qui augmentent le pH du microenvironnement, ainsi que des ions carbonate (CO32–). Par conséquent, l’alcalinité favorise la précipitation du CaCO3 en présence de suffisamment d’ions calcium (équation 2) :