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Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 8821 (2022) Citar este artículo

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El biocementado mediante el proceso de precipitación de carbonato inducida por enzimas (EICP) se ha convertido en un método innovador para la mejora del suelo. Una de las principales limitaciones en la ampliación del tratamiento con biocemento es la emisión de amoníaco gaseoso durante la hidrólisis de la urea, que es peligrosa para el medio ambiente. Para eliminar esta deficiencia, este documento presenta una serie de experimentos realizados para evaluar un enfoque novedoso para prevenir los subproductos de amoníaco en el proceso EICP mediante el uso de ácido poliacrílico (PAA). Mediante el ajuste del pH a ácido, PAA no solo promueve la actividad enzimática, sino que también evita la conversión de amonio en amoníaco gaseoso y su liberación, evitando así cualquier daño al medio ambiente. Las muestras de arena se trataron con una solución de cementación y se evaluó la mejora de la resistencia. Las mediciones del contenido de carbonato de calcio y el análisis de difracción de rayos X en polvo identificaron los cristales de calcita precipitados en los poros del suelo. El análisis de microscopía electrónica de barrido mostró claramente que el carbonato de calcio se precipitó conectando las partículas del suelo, proporcionando así una resistencia a la compresión uniaxial (UCS) de hasta 1,65 MPa. En general, la inhibición de la especiación del amoníaco gaseoso muestra el gran potencial del PAA para la promoción de biocemento a gran escala.

El cemento es el material más comúnmente utilizado en el refuerzo de cimientos tradicionales, pero su producción consume mucha energía y es perjudicial para el medio ambiente. En la producción de cemento convencional, el proceso de calcinación de carbonato de calcio no solo libera grandes cantidades de CO2, sino que también requiere calor de hasta 1450 °C durante la producción. Las emisiones totales de CO2 por tonelada de cemento producido pueden alcanzar las 0,95 toneladas1. Por lo tanto, el cemento de carbonato biológico, un biocemento típico importante, ha atraído mucha atención como un método de mejora del suelo de biocemento más limpio y sostenible que puede consolidar partículas sueltas desde principios de la década de 19902,3. Extensas investigaciones de laboratorio y de campo han demostrado que el biocemento puede usarse ampliamente en el refuerzo de cimientos4, asentamiento de cenizas5, reparación de grietas de cemento6, estabilización de taludes7, etc.

En los procesos de tratamiento de precipitación de carbonato inducida por microbios (MICP) y precipitación de carbonato inducida por enzimas (EICP), el CaCO3 se precipita en los poros del suelo como consecuencia de un conjunto de reacciones biológicas que se dan a continuación en las Ecs. (1)–(3). El MICP se basa en las bacterias ureolíticas, mientras que el proceso EICP se basa en las enzimas ureasas libres que normalmente se derivan de las plantas. Independientemente de la fuente de ureasa, durante la exposición de la urea, las enzimas catalizan la hidrólisis de la urea y producen los carbonatos y el amonio (ecuación 1). En presencia de iones de calcio, el carbonato de calcio se precipita en los poros del suelo, lo que permite la unión cementante entre las partículas del suelo8. La reacción de formación de carbonato de calcio se muestra en la ecuación. (2).

Sin embargo, el medio de reacción a menudo se vuelve relativamente alcalino debido a la formación de iones de amonio (según la Ec. (1)), lo que hace que cierta cantidad de iones de amonio producidos (hasta alrededor del 50 % a pH 9,24) sea fácil de eliminar. convertido en gas amoníaco, y de acuerdo con la ecuación. (3), que se libera a la atmósfera. Esta emisión ha sido un problema sin resolver tanto del MICP como del EICP durante décadas. El amoníaco impone impactos negativos en el medioambiente ecológico, como conducir a altos niveles de compuestos tóxicos que contienen nitrógeno, elevar la generación de gases de efecto invernadero9 y causar daños graves a la salud. Esto limita la aplicación de la tecnología de biocementación a proyectos de ingeniería a gran escala.

Hasta el momento, solo se han propuesto unas pocas alternativas para reducir las emisiones de amoniaco durante el proceso de biocementación y crear materiales de biocemento más respetuosos con el medio ambiente. Los métodos notables para producir biocemento limpio incluyen el uso de asparaginasa para impulsar MICP, que induce 40.6 U/mL de amoníaco, significativamente más bajo que el inducido por ureasa (592 U/mL) y alcanzando un UCS10 de 980 kPa. El uso de biocementos de fosfato de magnesio para la solidificación puede reducir las emisiones de amoníaco en un 75%, y se podría lograr una UCS de más de 1,43 MPa11. El uso de harina de huesos y ureasa ácida para obtener biocementos de fosfato de calcio demuestra una nueva forma económica de reducir hasta un 90% el amoníaco con UCS de hasta 1,5 MPa12. Por lo tanto, encontrar una forma más limpia y económica de manejar completamente el amoníaco liberado durante el proceso de biosolidificación sigue siendo un requisito pendiente.

En este estudio, se presenta un método innovador mediante el uso de ácido poliacrílico (PAA) no tóxico. El PAA en solución mantenido en una condición de ácido débil, no solo puede mejorar la actividad de la ureasa ácida Nagapshin, sino también mantener todo el amoníaco producido en forma de iones en lugar de amoníaco gaseoso. Se realizaron varias caracterizaciones para examinar las muestras. Estos incluyen análisis de microscopía electrónica de barrido, difracción de rayos X en polvo, medición del contenido de carbonato de calcio y valores UCS estimados de muestras de columna de arena solidificada. El rendimiento general de este método innovador muestra que es un enfoque más limpio y más respetuoso con el medio ambiente durante el tratamiento completo que el método de tratamiento MICP/EICP convencional, lo que sienta una base teórica sólida para aplicaciones a gran escala.

El PAA utilizado aquí para ajustar el pH de la solución a relativamente ácido se obtuvo de Wako Pure Chemical Industries Ltd., (Tokio, Japón). La masa molecular media es de 25.000. Y la estructura química del PAA se muestra en la Fig. 1a.

( a ) La fórmula estructural química de PAA utilizada en este estudio. (b) Curva de distribución del tamaño de grano de la arena de sílice utilizada en este estudio. (c) La actividad específica de la ureasa ácida bajo diferentes concentraciones de urea en este estudio12.

La arena utilizada en este trabajo de investigación fue arena Mikawa No. 4, que es una arena de sílice disponible comercialmente y se ha utilizado varias veces en estudios previos de biocemento7,13,14. Las densidades secas máxima y mínima de la arena son 1,476 y 1,256 g/cm3, respectivamente. La densidad de partículas y el diámetro medio (D50) es de 2,66 g/cm3 y 0,87 mm, respectivamente. La distribución del tamaño de grano de la arena Mikawa No. 4 se presenta en la Fig. 1b. Según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS), esta arena se puede clasificar como arena mal graduada15. Antes de los experimentos, la arena se secó en un horno a 90 °C durante 48 h para asegurar un secado completo.

La ureasa ácida (de Lactobacillus fermentum), Nagapshin, utilizada aquí se obtuvo de NAGASE and Co., Ltd. (Tokio, Japón). Como se muestra en la Fig. 1c12, la actividad específica de la enzima es mucho mayor en condiciones ácidas que en condiciones neutras y básicas16. Proporciona un fuerte apoyo a nuestra intención de suprimir la producción de amoníaco en condiciones ácidas.

Para determinar si la ureasa ácida es tolerante al PAA, en otras palabras, si puede mantener una alta actividad a pesar de las condiciones ácidas proporcionadas por el PAA, se diseñaron una serie de pruebas de probeta para investigación. Y las condiciones experimentales se muestran en la Tabla 1 junto con las pruebas de precipitación. El pH de la solución se midió antes y después de las pruebas, utilizando un medidor de pH LAQUA-9615S, HORIBA Advanced Co., Ltd., Japón. Considerando que la mayoría de los casos son ácidos a neutros, se eligió la medición de la concentración de iones de amonio post-experimental para evaluar el efecto de la concentración de PAA sobre la actividad de la ureasa ácida sobre la concentración de iones de carbonato.

Los iones de amonio se midieron utilizando el método de espectrofotometría de indofenol17,18. En presencia de hipoclorito, los iones de amonio de la hidrólisis de la urea reaccionan con el fenol para producir un tinte azul índigo en un medio alcalino, cuya intensidad se mide a la longitud de onda de 630 nm (OD630) por espectroscopía UV-visible, V- 730, JASCO Corporation, Tokio, Japón. Las concentraciones de amonio se obtuvieron mediante el establecimiento de curvas de calibración entre diferentes concentraciones e intensidades de iones de amonio (OD630).

Este método se ha aplicado varias veces para cuantificar la concentración de iones de amonio producidos por la hidrólisis de la urea, y la actividad enzimática se puede derivar con precisión por unidad de tiempo. Sin embargo, en este experimento, se eligieron 24 h para determinar el efecto de diferentes concentraciones de PAA (aumentando gradualmente de 0 a 30 g/L) de la enzima ácida sobre la capacidad de la enzima para hidrolizar urea en las mismas condiciones de solución de 10 mL (25 °C, urea 0,5 M).

Para investigar la tendencia a la precipitación del CaCO3, se realizaron una serie de experimentos con diferentes combinaciones de reactivos (CaCl2, urea) y la misma cantidad de ureasa a diferentes concentraciones de PAA. Este conjunto de experimentos se llevó a cabo en tubos transparentes. Se formularon 10 mL de la solución de la mezcla de reacción de CaCl2, urea y ureasa ácida como se resume en la Tabla 1. Se mantuvo todo a 25 °C y 160 rpm en un agitador durante 24 h, y luego se midió el pH de la solución. la reacción. Después de la reacción, también se midieron las concentraciones de iones de calcio y de iones de amonio para evaluar el progreso de la reacción. Los iones de calcio se midieron usando un medidor de calcio LAQUA-twin, HORIBA Advanced Techno Co., Ltd., Japón. Los iones de amonio también se midieron por espectrofotometría de indofenol.

Las muestras se centrifugaron para separar el precipitado de CaCO3 del sobrenadante y los precipitados se secaron en una estufa a 60 °C durante 24 h. Los pesos secos de los precipitados se determinaron como W1. Esto fue seguido por un enjuague con ácido clorhídrico 3 M de grado analítico, y después de que todo el carbonato de calcio en el precipitado había reaccionado, se repitieron la centrifugación y el secado. El peso registrado en esta etapa fue W2. Como se da en la Ec. (4), la diferencia entre W1 menos W2 es el carbonato de calcio precipitado. Las condiciones de los ensayos de precipitación en probeta se muestran en la Tabla 1, en la que todos los casos contenían enzima ácida a la concentración de 5 g/L.

Se realizaron pruebas de solidificación de arena utilizando como modelo una jeringa de 50 mL (30 mm de diámetro y 70 mm de altura) para comprobar el efecto en presencia de la misma concentración de urea y cloruro de calcio y diferentes concentraciones de PAA. Las condiciones de las pruebas de solidificación fueron las mismas que para los grupos C1 a C4 en las pruebas de precipitación, con 0,5 M tanto de urea como de cloruro de calcio, como se muestra en la Tabla 2, denominados SC1 a SC4.

Cada caja se preparó con 70 g de arena Mikawa (No. 4), colocada en una jeringa en tres capas. Cada capa se sometió a 20 golpes de martillo. Este método también fue utilizado anteriormente por muchos investigadores para muestras de tamaño pequeño, y la configuración experimental se ilustra en la Fig. 2a, b y el mecanismo de solidificación se muestra en la Fig. 2c.

La configuración experimental de las muestras de arena: (a) foto de todas las muestras, (b) diagrama de la muestra individual, (c) esquema del mecanismo de solidificación.

Los componentes distintos de la ureasa ácida de Nagapshin se configuraron de antemano como una solución de cementación previa. En cada inyección, la enzima ácida se mezcló luego con 20 mL de la solución de precementación. Una vez que la enzima se disolvió por completo, la solución de cementación se inyectó inmediatamente en el molde y se ajustó para garantizar que 1 mm de la solución quedara sobre la superficie para permitir que la solución de lechada llegara uniformemente a toda la columna de arena y permaneciera allí durante 24 h. Para todas las inyecciones durante todo el tiempo de tratamiento, la solución de cementación se inyecta solo por gravedad.

Los experimentos se realizaron en una incubadora a 25 °C por triplicado, 14 veces durante dos semanas. Cada día, se drenó la solución de cementación anterior y se repitió la operación de inyección descrita anteriormente para inyectar nueva solución. El pH, la concentración de iones de calcio y la concentración de iones de amonio del efluente se midieron después de cada tratamiento. Después de 14 días de curado, las muestras se enjuagaron lo suficiente con agua destilada antes de continuar con los experimentos, principalmente para eliminar los productos químicos solubles/sin reaccionar. Luego se cortaron los moldes de las jeringas y se retiraron cuidadosamente las muestras de los moldes. La fuerza de biocementación de los especímenes se examinó con el penetrómetro de roca blanda (SH-70, Maruto Testing Machine Company, Tokio, Japón), y el UCS se estimó a partir del NP de acuerdo con la siguiente ecuación de regresión.

donde el coeficiente de correlación es 0,941, x es NP (N/mm) ey es UCS (MPa). Como se menciona en el manual del instrumento, esta ecuación de calibración se desarrolló considerando 114 muestras de rocas naturales y 50 suelos enmendados con cemento. Y este método ya ha sido ampliamente utilizado para la evaluación confiable de la UCS de las muestras de suelo biocementado14,19.

El contenido de CaCO3 precipitado de las muestras tratadas se midió mediante el método estipulado por la norma ASTM (ASTM D4373-14) para la determinación del contenido de carbonato de suelos y roca blanda20,21,22. El estándar se basa en la relación lineal entre la masa de carbonato de calcio y la presión de CO2 inducida por la reacción entre CaCO3 y ácido clorhídrico (HCl). El aparato estándar incluye un cilindro de reacción, vasos pequeños llenos de HCl y un manómetro. Se colocó una muestra de arena previamente pesada dentro del cilindro de reacción junto con copas llenas de HCl y se cerró herméticamente para evitar cualquier fuga de gas. El cilindro se inclinó para que el ácido reaccionara con la arena tratada y se agitó hasta lograr una presión de gas constante. Finalmente, se determinó el contenido de carbonato de calcio a través de una curva precalibrada realizada con polvo de CaCO3 grado analítico.

Los componentes químicos de las columnas de arena se determinaron mediante análisis de difracción de rayos X (XRD; MiniFlex, Rigaku Co., Ltd., Tokio, Japón) para las muestras molidas bajo radiación Cu 1,5406 Å filtrada con Ni a una velocidad de 6,5° 2θ /min en el rango de 5° a 70° 2θ. La mineralogía cualitativa de las muestras se determinó con los procedimientos de interpretación estándar de XRD utilizando un software para la identificación de fases a partir de la difracción de polvo. Se utilizó microscopía electrónica de barrido (SEM; Miniscope TM3000, Hitachi, Tokio, Japón) para investigar las morfologías de los cristales precipitados dentro de las columnas de arena.

Con la ayuda de la curva de calibración entre la concentración de iones de amonio y OD630, se obtuvo la concentración de iones de amonio después de 24 h utilizando este método. Puede verse en la figura 3 que la concentración de iones de amonio aumenta significativamente con el aumento de la concentración de PAA. Combinado con el análisis de pH, podemos saber que PAA solo afecta la capacidad de hidrólisis de la enzima a través del control de pH. Cuando PAA es 0 g/L, el pH de la solución es neutro, y la actividad de la enzima ácida es baja en este momento, y el amonio obtenido por hidrólisis es muy pequeño. Cuando PAA aumenta gradualmente, el pH de la solución se vuelve cada vez más bajo, la actividad enzimática mejora y el amonio obtenido por hidrólisis aumenta considerablemente. Es de destacar que, combinada con la Fig. 1c, la enzima también tiene cierta cantidad de actividad en un ambiente neutral, pero la concentración de iones de amonio resultante es cercana a 0 ppm. Esto indica que el pH final tiene un efecto significativo en la concentración de iones de amonio. A partir del pH final superior a 9, se puede ver que el pH está cerca del punto de equilibrio, por lo que casi la mitad de los iones de amonio se convirtieron en amoníaco y se liberaron. Sin embargo, dado que el contenido de iones de amonio de F2 y otros grupos es estadísticamente significativo y mayor que el valor de F1, la conclusión a la que se llega es que el PAA solo afecta la capacidad de hidrólisis de la enzima a través del mantenimiento del pH.

El pH y las concentraciones de iones NH4+ en el grupo C y el grupo F.

Para mostrar más claramente el efecto de la concentración de PAA y la concentración de reactivo (cloruro de calcio y urea) sobre la precipitación de carbonato de calcio, se utilizan dos gráficos tridimensionales para mostrar los resultados.

Se puede ver en la Fig. 4a que la masa de carbonato de calcio precipitado primero aumentó y luego disminuyó, cuando la concentración de PAA se mantiene constante (especialmente cuando PAA es inferior a 15 g/L), y los reactivos pasan lentamente de 0 a 1 M. Esto se debe a que la capacidad hidrolítica de la enzima se ve afectada por la concentración de urea a pesar de estar a la misma concentración de PAA. Como se muestra en la Fig. 1c, una concentración demasiado alta de urea, por el contrario, inhibe ligeramente la actividad enzimática y, por lo tanto, afecta la precipitación de carbonato de calcio. Cabe señalar que la urea es un agente caotrópico, que desestabiliza la ureasa (proteína) en sus altas concentraciones, es decir, se interrumpen las interacciones hidrofóbicas en las moléculas de ureasa, lo que reduce la funcionalidad de la enzima. Esto posiblemente podría atribuirse a la diferente tendencia observada para las concentraciones superiores a 0,5 M.

Resultados de las pruebas de precipitación: (a) cantidad de precipitación de carbonato de calcio, (b) pH final.

Vale la pena señalar que en la Fig. 4b al combinar los grupos F y C, podemos ver que el pH inicial del grupo F es más alto que el pH final del grupo C. Esto se debe a la presencia de cloruro de calcio en el grupo C, que es débilmente ácido.

Cuando el reactivo es 0,25 M y 0,5 M, el carbonato de calcio muestra una curva en forma de campana con el aumento de PAA y alcanza la precipitación máxima a 5 g/L de PAA. Cuando PAA fue superior a 15 g/L, la cantidad de precipitación fue cercana a 0 g. Esto se debe a que la enzima tiene una alta actividad en condiciones ácidas, pero el exceso de PAA inhibe la precipitación de carbonato de calcio (demasiado ácido). Este hallazgo también nos ayudó a diseñar las condiciones para los experimentos de coagulación, y el rango de concentración de PAA se reduce a menos de 15 g/L PAA.

El análisis completo en combinación con las imágenes ilustra la reacción en dos etapas para una mejor comprensión, aunque las dos etapas en realidad se desarrollan simultáneamente. En la primera etapa, la adición de PAA hace que disminuya el pH de la solución, aumentando así la capacidad de hidrólisis de la enzima. La segunda etapa es que la enzima hidroliza la urea en iones de amonio y carbonato mientras eleva el pH de la solución, de modo que cuando el pH final después de estas dos etapas todavía es relativamente ácido o neutro, y la precipitación de carbonato de calcio solo continuará en este punto. Si el pH final es demasiado ácido debido a la adición excesiva de PAA, la precipitación de carbonato se verá muy limitada. Esto también proporciona una base teórica para controlar las emisiones de amoníaco. Si se puede controlar el pH final para que sea relativamente ácido, entonces se suprimirán las emisiones de amoníaco sin inhibir la precipitación de carbonato de calcio.

Como se muestra en la Fig. 5, el pH del efluente SC1 es ligeramente alcalino al principio e incluso ligeramente ácido al final del proceso. Vale la pena señalar que los efluentes de SC2, SC3 y SC4 son todos menos de 7 en todo el proceso.

El pH en el efluente de los especímenes tratados por solución de cementación con diferente concentración de PAA.

El pH de SC1 disminuyó ligeramente en los últimos días, mientras que el pH de SC2 y SC3 aumentó ligeramente en los últimos días. Esto se debe al hecho de que el proceso de configuración de la solución de cementación se determina en pasos en lugar de configurar una nueva diariamente. La solución se configuró primero como solución de precementación y se embotelló y luego se almacenó, mientras que se vertían 20 ml de solución de precementación antes de cada experimento y se añadía la enzima y se dejaba disolver antes de su uso. Por lo tanto, la cementación previa disuelve el dióxido de carbono en el aire cuando se expone, y el ácido carbónico producido provoca una ligera disminución del pH de la solución de cementación previa, lo que a su vez provoca una disminución del pH de la solución de cementación.

Del análisis del mecanismo de dos etapas descrito anteriormente, para SC1, la caída del pH en la primera etapa conduce a un ligero aumento en la actividad enzimática, pero aún se encuentra en un estado relativamente bajo (porque las enzimas no son demasiado sensibles a los cambios de pH). en un ambiente neutro). En la segunda etapa, la urea se hidroliza en iones de amonio y carbonato y se aumenta el pH. Dado que la solución ya tiene ácido carbónico procedente del dióxido de carbono disuelto en el aire y carbonato procedente de la ionización, la reacción en esta etapa en realidad se inhibe, lo que a su vez conduce a una disminución del pH del efluente en un período posterior. Para SC3, el ácido carbónico producido por el dióxido de carbono disuelto promueve la actividad enzimática en la primera etapa. En la segunda etapa, la enzima hidroliza más urea. Se producen amonio y carbonato, y se incrementa el pH del efluente posterior. En cuanto a SC4, al igual que en los experimentos de precipitación, el pH se mantuvo en condiciones ácidas, lo que fue muy perjudicial para la precipitación de carbonato de calcio.

De los resultados obtenidos, SC2 tiene la mayor intensidad de UCS, mientras que SC4 no tiene ninguna fuerza de UCS medible. Además, al combinar la Fig. 6a, c, las muestras de arriba a abajo mostraron una tendencia de que el UCS era el más fuerte en la parte superior y el más bajo en la parte inferior. De acuerdo con el sistema de clasificación propuesto anteriormente, todas las muestras de arena se pueden clasificar como fuertemente cementadas.

(a) Comparación de la UCS estimada de los especímenes, (b) los contenidos de precipitación de carbonato de calcio en los especímenes tratados, y (c) la apariencia física de los especímenes.

Combinando la Fig. 6b y los resultados del análisis del contenido en la columna de arena medida por el detector de carbonato de calcio, existe una correlación directa entre la cantidad de CaCO3 precipitado y los valores UCS estimados de SC1 a SC4, y de arriba hacia abajo en una sola columna de arena.

Para la explicación de la fuerza máxima de UCS en SC2, también es evidente a partir de las conclusiones obtenidas de ensayos de precipitación anteriores que un nivel de PAA de 5 g/L es el grupo más adecuado para la precipitación de carbonato de calcio entre estos grupos. No constituye una inhibición, por lo que este grupo tiene el mayor contenido de carbonato de calcio y el mayor valor estimado de UCS. La explicación de la fuerza de SC1 y SC4 es que SC1 se explica por el hecho de que la actividad enzimática no se promovió de ninguna manera en la primera etapa, mientras que SC4 se explica por el hecho de que las condiciones ácidas se mantuvieron a pesar de la presencia de urea. hidrólisis después de la segunda etapa debido al exceso de PAA, que inhibió en gran medida la precipitación de carbonato de calcio.

Curiosamente, la fuerza de las columnas de arena disminuyó gradualmente de arriba hacia abajo, lo que fue el resultado de una distribución desigual del carbonato de calcio, probablemente debido a un bloqueo biológico. El carbonato de calcio en la parte superior es el primero en precipitar, lo que da como resultado poros más pequeños entre los granos de arena, lo que conduce a una disminución de la precipitación en la parte inferior a medida que el transporte químico (solución de cementación) a través de los poros se obstruye, lo que finalmente se manifiesta como una disminución gradual en la cantidad de arena. la fuerza de la UCS de arriba a abajo7. Sin embargo, este aspecto no ha sido adecuadamente estudiado, y es difícil dar una explicación clara; por lo tanto, se necesitan más estudios.

La morfología de la microestructura se estudió analizando imágenes SEM de las probetas de los ensayos de solidificación del suelo mostradas a la misma escala. Puede verse que en ausencia de cualquier polímero, el carbonato de calcio membranoso se adhiere a la superficie de los granos de arena. Cuando se añadió PAA al medio a 5 g/l, se observó una formación similar a una red en la superficie de los granos de arena y los granos de arena se interconectaron. Con un mayor aumento de la concentración de PAA, la cantidad y el tamaño de los precipitados de carbonato de calcio disminuyeron y casi no hubo conexión entre los granos de arena. La cantidad de carbonato de calcio en fotografías SEM también verificó nuevamente los resultados de las pruebas de precipitación.

En las imágenes SEM de la Fig. 7b se puede ver que SC2 forma un fuerte vínculo entre los granos de arena, y esta microestructura crea un entrelazado irregular y mejora la estabilidad de la bioarenisca. El aumento de la resistencia a la compresión uniaxial hasta 1,65 MPa también lo demuestra.

Las imágenes SEM de la matriz de arena tratada para (a) PAA = 0 g/L (Caso SC1), (b) PAA = 5 g/L (Caso SC2), (c) PAA = 10 g/L (Caso SC3 ), (d) PAA = 15 g/L (Caso SC4).

En contraste, la Fig. 7d muestra una pequeña cantidad de cristales de carbonato de calcio en las partículas de arena y su pequeño tamaño. Mientras que SC1 en la Fig. 7a y SC3 en la Fig. 7c están entre los dos extremos, con solo cristales de carbonato de calcio como partículas de suelo parcialmente conectadas.

Se usó XRD para analizar la composición química de las columnas de arena cementadas con biocemento, así como la arena Mikawa No. 4, y la distribución de resistencia se muestra en la Fig. 8. Los datos crudos de XRD obtenidos se analizaron usando el programa de software , FÓSFORO. A partir de los resultados, no hay duda de que SC1 y SC2 tienen picos de calcita cerca de 2θ de 29°, que es uno de los signos de éxito en este experimento. Aunque SC3 y SC4 no tienen picos de calcita en XRD, teniendo en cuenta las imágenes SEM, tal vez debido al tamaño extremadamente pequeño de calcita producida por la precipitación, XRD no pudo analizar correctamente las muestras de tamaño extremadamente pequeño.

El análisis XRD para los casos de prueba (a) comparación general, (b) comparación de ampliación parcial.

En este estudio, se propuso y demostró a escala de laboratorio un nuevo método de biofortificación de CaCO3 ecológico para la mejora del suelo. La estrategia implica un mecanismo dependiente del pH de dos etapas en el que la primera etapa controla el pH inicial para que sea ácido a través de PAA, lo que aumenta la capacidad de hidrólisis de las enzimas ácidas, y la segunda etapa aumenta el pH de ácido a niveles relativamente ácidos a través de la urea. proceso de hidrólisis, lo que permite la precipitación de carbonato de calcio. La inyección de una solución coloidal compuesta por PAA, cloruro de calcio, urea y ureasa ácida mostró la formación de coloides de carbonato de calcio insolubles que unen las partículas del suelo.

El aumento de pH durante la reacción podría controlarse de manera efectiva por el contenido de PAA en la solución de cementación. Los resultados mostraron que el aumento en el pH tuvo un efecto significativo en (i) la cantidad de precipitación de carbonato de calcio y (ii) la morfología de los cristales formados, lo que indica que se debe tener cuidado para seleccionar efectivamente la concentración de PAA en la solución de cementación de CaCO3. . El análisis XRD mostró que los cristales formados eran todos de calcita. Sin embargo, a una concentración de PAA de 5 g/L en la solución de cemento, los cristales de plaquetas se formaron más fácilmente en la matriz de arena y la resistencia a la compresión uniaxial aumentó a 1,65 MPa.

Un aspecto importante de este enfoque es la eliminación completa de las emisiones de amoníaco gaseoso. En un biocemento MICP/EICP típico, se emiten aproximadamente 5,8 g de amoníaco gaseoso por cada litro de líquido de solidificación inyectado. De hecho, las emisiones de amoníaco gaseoso son mucho más difíciles de suprimir y mucho menos fáciles de controlar. Dado que el pH del efluente en la prueba de coagulación con arena puede controlarse fácilmente por debajo de condiciones neutras, la liberación de amoníaco gaseoso tóxico puede eliminarse por completo (hasta un 100% en comparación con los biocementos convencionales).

Esto se debe al control completo de la liberación de amoníaco gaseoso en comparación con los biocementos MICP/EICP típicos, lo que demuestra las grandes ventajas económicas y ecológicas del método. El método propuesto proporciona una nueva dirección para una mejora del suelo más ecológica y respetuosa con el medio ambiente basada en biocemento. Con estos importantes hallazgos, se alienta a realizar más investigaciones para facilitar la implementación de este método ecológico en el campo.

Todos los datos experimentales que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable por correo electrónico.

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Escuela de Posgrado en Ingeniería, Universidad de Hokkaido, Sapporo, 060-8628, Japón

Zhen yan

Facultad de Tecnología, Universidad de Jaffna, Kilinochchi, 44000, Sri Lanka

Sivakumar Gowthaman

Facultad de Ingeniería, Universidad de Hokkaido, Sapporo, 060-8628, Japón

Kazunori Nakashima y Satoru Kawasaki

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ZY Conceptualización, investigación de experimentos, análisis de datos, redacción y revisión, dibujo de ilustraciones, corrección de pruebas; SG Revisión y supervisión; Supervisión KN; Supervisión SK.

Correspondencia a Zhen Yan.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Yan, Z., Gowthaman, S., Nakashima, K. et al. Precipitación de carbonato inducida por enzimas asistida por polímeros para la estabilización de suelos sin emisiones de amoníaco. Informe científico 12, 8821 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12773-6

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Recibido: 24 de marzo de 2022

Aceptado: 03 mayo 2022

Publicado: 25 mayo 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12773-6

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