Polímero

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 8821 (2022) Citar este artigo

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A biocimentação usando o processo de precipitação de carbonato induzida por enzima (EICP) tornou-se um método inovador para a melhoria do solo. Uma das principais limitações no escalonamento do tratamento com biocimento é a emissão de amônia gasosa durante a hidrólise da uréia, que é ambientalmente perigosa. A fim de eliminar essa deficiência, este artigo apresenta uma série de experimentos realizados para avaliar uma nova abordagem para prevenir os subprodutos de amônia no processo EICP por meio do uso de ácido poliacrílico (PAA). Através do ajuste do pH para ácido, o PAA não apenas promove a atividade enzimática, mas também evita a conversão de amônia em amônia gasosa e sua liberação, evitando assim qualquer dano ao meio ambiente. As amostras de areia foram tratadas com solução de cimentação e avaliadas quanto à melhoria da resistência. Medições do teor de carbonato de cálcio e análises de difração de pó de raios-X identificaram os cristais de calcita precipitados nos poros do solo. A análise por microscopia eletrônica de varredura mostrou claramente que o carbonato de cálcio foi precipitado ligando as partículas do solo, proporcionando assim uma resistência à compressão uniaxial (UCS) de até 1,65 MPa. No geral, a inibição na especiação da amônia gasosa mostra o grande potencial do PAA para a promoção em larga escala do biocimento.

O cimento é o material mais comumente usado no reforço tradicional de fundações, mas sua produção consome substancialmente energia e é prejudicial ao meio ambiente. Na produção de cimento convencional, o processo de calcinação do carbonato de cálcio não apenas libera grandes quantidades de CO2, mas também requer calor de até 1450 °C durante a produção. As emissões totais de CO2 por tonelada de cimento produzida podem chegar a 0,95 toneladas1. Assim, o cimento de carbonato biológico, um importante biocimento típico, tem atraído muita atenção como um método de melhoramento de solo de biocimento mais limpo e sustentável que pode consolidar partículas soltas desde o início dos anos 19902,3. Extensas investigações laboratoriais e de campo mostraram que o biocimento pode ser amplamente utilizado no reforço de fundações4, assentamento de cinzas5, reparo de trincas de cimento6, estabilização de taludes7 etc.

Nos processos de tratamento de precipitação de carbonato induzida microbianamente (MICP) e precipitação de carbonato induzida por enzima (EICP), o CaCO3 é precipitado nos poros do solo como consequência de um conjunto de reações biológicas fornecidas abaixo nas Eqs. (1)–(3). O MICP depende das bactérias ureolíticas, enquanto o processo EICP depende das enzimas urease livres geralmente derivadas de plantas. Independentemente da fonte de urease, durante a exposição da uréia, as enzimas catalisam a hidrólise da uréia e produzem os carbonatos e amônio (Eq. 1). Na presença de íons cálcio, o carbonato de cálcio precipita nos poros do solo, possibilitando as ligações de cimentação entre as partículas do solo8. A reação de formação do carbonato de cálcio é mostrada na Eq. (2).

No entanto, o meio de reação muitas vezes torna-se relativamente alcalino devido à formação de íons de amônio (conforme a Eq. (1)), tornando-se propício para que certa quantidade de íons de amônio produzidos (até cerca de 50% em pH 9,24) seja facilmente convertido em gás amônia, e de acordo com a Eq. (3), que é lançado na atmosfera. Essa emissão tem sido um problema não resolvido do MICP e do EICP há décadas. A amônia impõe impactos negativos ao meio ambiente ecológico, como levar a altos níveis de compostos tóxicos contendo nitrogênio, elevar a geração de gases de efeito estufa9 e causar graves danos à saúde. Isso limita a aplicação da tecnologia de biocimentação a projetos de engenharia de grande escala.

Até agora, poucas alternativas foram propostas para reduzir a emissão de amônia durante o processo de biocimentação e criar materiais de biocimento mais ecológicos. Métodos notáveis ​​de produção de biocimento limpo incluem o uso de asparaginase para direcionar o MICP, que induz 40,6 U/mL de amônia, significativamente menor do que o induzido pela urease (592 U/mL) e atinge 980 kPa UCS10. O uso de biocimentos de fosfato de magnésio para solidificação pode reduzir as emissões de amônia em 75%, e o UCS de mais de 1,43 MPa pode ser alcançado11. A utilização de farinha de ossos e urease ácida para obtenção de biocimentos de fosfato de cálcio demonstra uma nova forma econômica de redução de até 90% de amônia com UCS de até 1,5 MPa12. Assim, encontrar uma maneira mais limpa e barata de lidar completamente com a amônia liberada durante o processo de biossolidificação ainda é uma exigência em aberto.