Brug af elektrisk strøm til at stabilisere lavpermeabilitet jord

Ifølge EU Science Hub, stadig hyppigere ekstreme vejrhændelser vil forårsage intensivere skader på infrastrukturen, med tab, der anslås at nå op på 20 milliarder euro årligt i 2030. Disse presserende trusler sætter skarpt fokus på behovet for nye svar på problemet med jordstabilisering.

Forskere ved EPFL's Laboratory of Soil Mechanics (LMS) har udviklet en række bæredygtige løsninger, herunder en, der bruger enzymmetabolisme. Selvom disse metoder virker for en bred vifte af jordtyper, de er betydeligt mindre effektive, når det kommer til lerjord. I et papir offentliggjort i dag i Videnskabelige rapporter , holdet demonstrerer, hvordan kemiske reaktioner kan forbedres ved at bruge et batterilignende system til at påføre elektrisk strøm.

En ny type biocement - produceret in situ og ved omgivelsestemperatur - er for nylig blevet foreslået som en lovende metode til at stabilisere forskellige jordtyper. Metoden udnytter bakteriel metabolisme til at producere calcitkrystaller, der varigt binder jordpartikler sammen. Denne biogeokemiske proces er energieffektiv og omkostningseffektiv, og vil kunne udrulles hurtigt i de kommende år. Men da jorden skal imprægneres for at metoden virker, den er mindre egnet til lavpermeabilitet lerjord. Nu, LMS-teamet har udviklet og med succes testet et levedygtigt alternativ, som involverer påføring af elektrisk strøm ved hjælp af nedsænkede elektroder.

"Vores resultater viser, at dette geoelektrokemiske system faktisk påvirker nøglestadier af forkalkningsprocessen, især dannelsen og væksten af ​​de krystaller, der binder jorden sammen og forbedrer dens adfærd, " siger Dimitrios Terzis, en videnskabsmand ved LMS og en af ​​medforfatterne til papiret.

Biocementen dannes ved at indføre kemiske arter i jorden. Disse omfatter opløste carbonat- og calciumioner, som bærer modsatte afgifter. Nedsænkede anoder og katoder bruges til at skabe et elektrisk felt, meget på samme måde som et kæmpe batteri. Strømmen tvinger ionerne til at bevæge sig hen over lavpermeabilitetsmediet, hvor de krydser hinanden, blandes sammen og til sidst interagere med jordpartikler. Resultatet er vækst af karbonatmineraler, som fungerer som led eller "broer", der forbedrer jordens mekaniske ydeevne og modstand.

Papiret, som angiver holdets resultater fra observation og måling af kvaliteten af ​​disse mineralbroer, baner vejen for den fremtidige udvikling på området. Yderligere test, i forskellige skalaer, er nødvendige, før teknologien kan anvendes i den virkelige verden. Forskningen blev udført under en 2018-2023 European Research Council (ERC) Advanced-bevilling tildelt Prof. Lyesse Laloui, som leder LMS og er medforfatter til papiret. Projektet har tre vertikaler, målrette forståelsen af ​​de grundlæggende mekanismer, der forekommer på jord-partikelskalaen (mikroskala), den avancerede karakterisering af mekanisk adfærd i laboratorieskala, og storstilet udvikling og demonstration af innovative systemer i naturlige miljøer. I juli 2020, det samme forskerhold modtog en yderligere ERC Proof of Concept-bevilling for at fremskynde teknologioverførsel til industrielle applikationer.

I fortiden, jord blev udelukkende behandlet som en blanding af fast jord, luft og vand. Ifølge medforfatterne, denne forskning fremhæver, hvordan tværfaglige tilgange – dvs. at trække på begreber fra biologi og elektrokemi og inkorporere fremskridt og mekanismer fra andre videnskabelige områder - kan åbne spændende nye veje og give betydelige fordele.