미생물 발효를 이용한 콜로이드 실리카 그라우팅의 생체매개 제어

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 14184(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

콜로이드 실리카 그라우팅은 문제가 있는 약한 토양을 안정화하고 지진으로 인한 액화 완화 및 지하수 흐름 제어를 포함한 응용 분야에서 토양 수리 전도도를 크게 감소시킬 수 있는 지반 개선 기술입니다. 기존 접근 방식에서는 개선 대상 토양에 도입되는 콜로이드 실리카 현탁액에 화학적 촉진제를 첨가하고 현탁 화학 및 현장 지구화학적 조건에 의해 제어되는 속도로 시간이 지남에 따라 반고체 실리카 겔의 형성이 발생합니다. 이 공정은 광범위하게 조사되었지만 다양한 지하 조건에서 겔 형성 속도를 제어하고 겔 형성 과정을 효과적으로 모니터링하는 기존 방법의 제한된 능력으로 인해 실질적인 과제가 제기되었습니다. 본 연구에서는 농축된 발효 미생물을 활용하여 용액 pH 감소 및 이온 강도 증가를 통해 콜로이드 실리카 그라우트의 겔화를 제어하는 ​​생물 매개 토양 개선 공정을 제안합니다. 실리카겔 형성을 매개할 수 있는 지구화학적 변화를 유도하기 위해 천연 모래에 포도당 발효 미생물이 풍부해지는 능력을 조사하고 처리 용액 조성이 pH 감소 거동에 미치는 영향을 평가하기 위해 4가지 일련의 배치 실험을 수행했습니다. 이어서 보완적인 배치 및 토양 기둥 실험을 수행하여 공정을 확장하고 미생물 활동, 겔 형성 및 엔지니어링 개선을 모니터링하기 위한 화학적, 수력학 및 지구물리학적 방법의 효율성을 조사했습니다. 결과는 발효 미생물이 성공적으로 풍부해지고 매우 안정적으로 유지될 현탁액에서 겔 형성을 중재함으로써 화학 촉진제의 필요성을 없애고 콜로이드 실리카 그라우팅의 신뢰성과 제어를 증가시키며 새로운 모니터링 접근 방식을 가능하게 하고 비교할 수 있는 엔지니어링 향상을 제공할 수 있음을 보여줍니다. 기존의 콜로이드 실리카 그라우트에 사용됩니다.

콜로이드 실리카 그라우팅은 지진으로 인한 액상화 완화, 지하수 흐름 제어, 암석 균열 밀봉 등의 응용 분야를 위해 암석과 토양의 공학적 특성을 개선할 수 있는 환경을 고려한 지반 개선 기술입니다1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10,11. 이 공정은 토양에 비다공성 구형 실리카 나노입자의 저점도 현탁액을 공급함으로써 시작될 수 있으며, 초기 현탁액 화학에 의해 제어되는 속도로 시간이 지남에 따라 실리카겔이 형성됩니다3,12. 생성된 콜로이드 실리카겔은 토양 공극 공간을 막음으로써 토양 수력 전도도를 감소시키고 전단 중 토양 체적 경향을 억제하고 적당한 인장 강도를 추가하여 토양 기계적 거동을 변경할 수 있습니다9,13,14. 콜로이드 실리카 그라우트는 다른 침투 그라우팅 기술에 비해 몇 가지 고유한 이점을 제공합니다. (i) 콜로이드 실리카 현탁액의 낮은 초기 점도로 인해 기존 지하수 구배를 사용하여 그라우트를 수동적으로 적용하는 기능3,15, (ii) 겔 형성 속도를 조절하는 기능 대규모 기간(예: 0~100일)13,16(iii) 폴리우레탄과 같은 다른 합성 그라우팅 재료와 비교할 때 환경 영향을 최소화할 수 있는 콜로이드 실리카의 환경 친화적인 화학적 특성17,18 및 (iv) 능력 개발된 콜로이드 실리카겔은 적용 후 오랜 기간 동안 화학적으로 안정한 상태를 유지합니다16,19.

수많은 연구에서 토양 개선에서 식품 가공에 이르는 다양한 응용 분야에 대해 콜로이드 실리카 현탁액의 안정성과 시간에 따른 실리카 겔의 형성을 조사했습니다. 종합적으로, 이러한 연구는 겔 형성을 달성하는 데 필요한 시간이 초기 pH, 이온 농도, 콜로이드 실리카 농도 및 포함된 콜로이드의 크기의 차이를 포함하여 콜로이드 실리카 현탁액의 조성을 변화시킴으로써 제어될 수 있음을 입증했습니다1,3,12 ,21,22. 화학적 변화에 대한 콜로이드 실리카 현탁액의 민감도는 주로 실리카 나노입자 표면의 실라놀(SiOH) 작용기의 존재로 인해 발생하며, 이는 pH(즉, H+ 이온) 및 양이온/음이온 농도의 변화를 통해 쉽게 조작될 수 있습니다19. 더 산성인 조건에서 이러한 표면 그룹은 더 양의 겉보기 표면 전하로 점점 더 양성자화된 상태를 유지할 수 있지만, 더 알칼리성인 조건에서는 표면 그룹의 탈양성자화로 인해 더 음의 겉보기 표면 전하가 발생합니다23,24. pH 변화와 마찬가지로 콜로이드 실리카 표면 그룹도 주변 이온 농도의 변화에 ​​민감합니다. 예를 들어, 나트륨(Na+)과 같은 양이온은 이러한 표면 그룹과 복합체를 형성하여 표면 그룹의 겉보기 전하를 효과적으로 중화할 수 있습니다. 매우 복잡하기는 하지만, 실리카 콜로이드 사이에서 관찰된 상호 작용은 Derjaguin, Landau, Verwey 및 Overbeek(DVLO) 이론에서 설명한 것과 유사합니다. 콜로이드 표면 그룹이 높은 음전하 또는 높은 양전하를 유지하는 경우 콜로이드 간의 정전기 반발력은 높게 유지되고 현탁액은 그라우트 주입 중 운반에 이상적인 낮은 용액 점도를 유지하여 안정적으로 유지될 수 있습니다3. 그러나 콜로이드 표면 그룹은 pH 변화 또는 이온 추가를 통해 점진적으로 중화됨에 따라 정전기적 반발력이 최소화될 수 있으며 콜로이드 사이의 반 데르 발스 인력으로 인해 SiOH- 표면 그룹 사이에 실록산 결합(Si-O-Si)이 형성될 수 있습니다. 나노입자의 중합과 그에 따른 현탁액 점도의 증가, 그리고 결과적으로 반고체 실리카겔이 형성됩니다.