Глобальное потепление и поднятие уровня моря вызывает массу проблем во многих уголках планеты. Одним из результатов этих процессов является береговая эрозия, которая не только угрожает близлежащей инфраструктуре, но и морской экосистеме. Классические методы борьбы с береговой эрозией заключаются в построении укрепляющих сооружений и введении специальных веществ в субстрат, однако эти методы не дают долгосрочного результата. Ученые из Северо-Западного университета (Эванстон, США) разработали новую методику борьбы с береговой эрозией, которая основана, грубо говоря, на электрошоке. Какие принципы легли в основу данного метода, как именно он работает, и насколько он эффективен? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования


Прибрежные районы поддерживают наиболее развитые регионы мира и в них проживает около 40% населения планеты. Тем не менее прибрежные районы сталкиваются с серьезными проблемами в результате экстремальных погодных условий и повышения уровня моря, особенно эрозии. Традиционные методы смягчения прибрежной эрозии включают морские дамбы и восстановление пляжей. Однако эти подходы эффективны только в течение нескольких лет, представляя собой дорогостоящие и временные решения, требующие рекурсивной модернизации. Напротив, естественные системы, такие как коралловые рифы и экологические барьеры, не только повышают устойчивость побережья, но и обеспечивают большую структурную поддержку и даже могут способствовать нарастанию пляжей.

Вдохновленный тем, как морские организмы используют метаболическую энергию для роста своих скелетов и раковин посредством минеральных осадков в морской воде, способных противостоять даже самым экстремальным возмущениям, этот труд исследует новый по��ход к смягчению эрозии морских почв. Этот подход заключается в использовании электрической энергии для осаждения минеральных осадков, сопоставимых с теми, которые строят скелеты и раковины морских организмов в порах морских почв для цементации и максимального повышения эрозионной стойкости таких материалов.

Возможность осаждения твердых минеральных связующих веществ в морской воде путем применения слабых электрических стимуляций вытекает из большой буферной емкости и широкой доступности ионов, характеризующих такой электролит, и процесса электроосаждения: электрически опосредованного осаждения минералов, растворенных в растворах. В частности, когда электрический ток подается на морскую воду, происходит множество восстановительных и окислительных (окислительно-восстановительных) реакций, а также твердых осадков. Эти реакции начинаются с высвобождения гидроксид-ионов (ОН−) вокруг катодных интерфейсов, что приводит к повышению локального pH. В этих условиях образующиеся гидроксид-ионы реагируют с естественно растворенными двухвалентными катионами в морской воде (Mg2+ и Ca2+) и бикарбонат-анионами (HCO3−), что приводит к в противном случае несамопроизвольному осаждению двух минералов: гидроксида магния (Mg(OH)2) и карбоната кальция (CaCO3).

В настоящее время электроосаждение минералов в морской воде широко используется для защиты морских сооружений от коррозии, содействия морской жизни и заживления трещин в береговой инфраструктуре. Недавние экспериментальные данные показывают, что электроосаждение может также цементировать морские субстраты, контактирующие с металлическими конструкциями, и минералы, образованные таким образом, кажутся долговечными. Однако понимание влияния электроосаждения на структуру и свойства морских почв остается ограниченным. В этом контексте существует пробел в знаниях из-за явного отсутствия исследований, изучающих влияние величины приложенного напряжения на селективность минералов, состав, пространственное распределение, механизмы внедрения и эффекты на свойства почвы, несмотря на то, что напряжение является движущей силой электроосаждения.

Хотя механистическое понимание реакций и продуктов электроосаждения было достигнуто для морской воды, эти знания недоступны для почв, где электрические и кинетические явления, управляющие электроосаждением, по своей сути более сложны из-за влияния геометрических, физических и химических ограничений, оказываемых сетью пор таких материалов. Таким образом, влияние различных режимов реакции и минеральных образований, которые могут быть достигнуты при различных электрохимических потенциалах, на структуру и свойства морских грунтов остается неизученным.

Основная гипотеза данного исследования заключается в том, что электроосаждение в морских почвах зависит главным образом от особенностей электрической обработки, структуры почвы и раствора электролита. Чтобы проверить эту всеобъемлющую гипотезу, ученые провели два различных типа экспериментов в специально разработанных электрохимических ячейках на кварцевом песке в строго контролируемых условиях. Первый включал краткосрочные эксперименты без рециркуляции воды для выявления селективности электроосаждений в почвах. Второй включал долгосрочные эксперименты с периодической рециркуляцией воды для выявления механизмов проникновения и эффектов электроосаждений в почвах в условиях, сопоставимых с условиями открытой морской воды.

В целом эти эксперименты исследовали влияние следующих центральных переменных на особенности применяемых электрических обработок, обработанных пористых материалов и растворов электролитов:

  • величина и продолжительность приложенного напряжения;
  • относительная плотность почвы;
  • концентрация ионов электролита соответственно.

Для исследования морфологии, структуры, состава, пространственного распределения и эффектов электроосажденных минералов в песке использовались многочисленные методы физической, химической и механической характеристики.

Результаты исследования


Физическая характеризация

Изображение №1

Физическая характеристика, полученная с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ или SEM от scanning electron microscope), рамановской спектроскопии и анализа изображений электроосажденных минералов, подчеркивает ключевые микроскопические особенности их локусов осаждения, морфологии и полиморфизма, а также очевидные макроскопические эффекты на кварцевом песке (изображение №1). Первая обнаруженная закономерность заключается в том, что локусы осаждения и тип электроосажде��ий зависят от приложенного напряжения, которое управляет режимами реакции и, следовательно, процессом электроосаждения (1a). При относительно низком напряжении (2.0 В) редкие электроосаждения окружают частицы песка, не связывая их существенно друг с другом (строка 1, столбец 1 на 1a). При среднем напряжении (3.0 В) и высоком напряжении (4.0 В) более плотные электроосаждения окружают и связывают частицы песка через минеральные мостики (строка 1, столбцы 2 и 3 на 1a). Результаты СЭМ последовательно указывают на два доминирующих минеральных образования: CaCO3 в форме кальцита (ромбоэдрическая морфология) и арагонита (игольчатая морфология), а также Mg(OH)2 в форме брусита (волокнистые соединения, состоящие из пластинчатых структур). Образования CaCO3 появляются особенно при более низких напряжениях (строки 2 и 3, столбцы 1 и 2 на 1a), тогда как образования Mg(OH)2 в основном электроосаждаются при более высоких напряжениях (строки 2 и 3, столбец 3 на 1a). Когда и CaCO3, и Mg(OH)2 электроосаждаются, минералы Mg(OH)2 покрывают частицы кремнеземной почвы и образуют субстрат для осаждения минералов CaCO3 (строки 2 и 3 на 1a).

Анализ снимков СЭМ выбранных образцов испытанного кварцевого песка показывает, что Mg(OH)2 образуется как в виде пластинчатого, так и блочного брусита, а CaCO3 обнаруживается во все более устойчивых формах фатерита, арагонита и кальцита (с преобладанием арагонита по количеству по отношению к кальциту и фатериту) (1b). Примечательно, что количественный анализ спектров Рамана осажденных минералов на кварцевых песках последовательно указывает на осаждение CaCO3 в форме кальцита и арагонита, а также Mg(OH)2 в форме брусита; кроме того, спектры Рамана также обнаруживают осаждение гидромагнезита, Mg5(CO3)4(OH)2 ∙ 4H2O (1c). Анализы рентгеновской дифракции, представленные в дальнейшем (2e), также количественно подтверждают эти наблюдения.

Вторая различимая закономерность в электроосаждении минералов в морских песках заключается в том, что размер и локусы осаждения электроотложений зависят от относительной плотности (1d), которая является показателем пористости. Рыхлые пески демонстрируют более мелкие минералы и более однородные и распространенные осадки (столбцы 1 и 2 на 1d). Напротив, плотные пески демонстрируют более крупные минералы и менее однородные и распространенные осадки, а также больше арагонита по сравнению с кальцитом, при почти полном отсутствии брусита (столбцы 3 и 4 на 1d).

Анализ объема и массы «сцементированного» (или затронутого) песка проливает свет на третью различимую особенность электроосаждения в морских почвах (1e). Объем почв, затронутых электроосаждениями, зависит от продолжительности и величины применяемой электрической стимуляции. После 7 дней обработки ограниченный объем песка сцементирован электроосаждениями. Наибольший сцементированный объем достигается при 3.0 В, тогда как меньшие объемы достигаются (по порядку) при 4.0 и 2.0 В. Через 28 дней больший объем песка сцементирован электроосаждениями. Наибольший сцементированный объем достигается при 4.0 В, тогда как меньшие объемы достигаются (по порядку) при 3.0 и 2.0 В.

Для заданного напряжения затронутый объем электроосаждений уменьшается с увеличением относительной плотности почвы, тогда как он увеличивается при более длительной электрической стимуляции. Увеличение продолжительности электростимуляции с 7 до 28 дней не приводит к существенному изменению степени сцементированного объема песка при 2.0 и 3.0 В, тогда как при 4.0 В она значительно увеличивает эту степень. Через 7 дней площадь почвы, затронутая электроосаждением, достигает радиального расстояния, примерно в 2–3 раза превышающего диаметр электрода при 3.0 В. Напротив, эта площадь превышает радиальное расстояние, в 20 раз превышающее диаметр электрода, после 28 дней обработки при 4.0 В.

Рассмотрение макроскопических эффектов электроосаждения для различных величин напряжения проливает свет на окончательную особенность электроосаждения минералов в морских почвах (1f). Существуют различные механизмы внедрения и размеры объемов, затронутых электроосаждением, в основном в зависимости от изменений в электрохимических реакциях, управляющих электроосаждением. Приложение низкого напряжения (2.0 В) в течение длительного времени приводит к электроосаждению вблизи катода, которое проникает в почву дальше от электрода при среднем напряжении (3.0 В) и влияет на значительную часть объема почвы при высоком напряжении (4.0 В). Сопоставимые результаты получаются в течение более коротких промежутков времени, с той разницей, что общий объем, затронутый электроосаждением, последовательно менее значителен. По мере роста электроосаждений в песках они образуют сцементированный материал. Электрический ток и сопротивление изменяются в зависимости от таких минеральных образований, при этом первый из них в целом уменьшается, а второй увеличивается из-за постоянного приложенного потенциала с течением времени.

Химическая характеризация

Изображение №2

Химическая характеристика условий окружающей среды в песке и электроотложениях (графики выше), полученная с помощью измерений pH, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS от energy dispersive X-ray spectroscopy), рентгеновской дифракции (XRD от X-ray diffraction) и термогравиметрического анализа (TGA от thermogravimetric analysis), поддерживает расширенный анализ свойств минералов и их образования в закрытых и открытых электрохимических системах.

Временные изменения pH на аноде (2a) и катоде (2b), измеренные в краткосрочный период в закрытой системе, показывают, что pH в песке может значительно меняться, что приводит к созданию кислой среды вблизи анода и более щелочной среды вблизи катода из-за влияния окислительных и восстановительных реакций соответственно. Как для рыхлых, так и для плотных песков низкий уровень напряжения (2.0 В) приводит к минимальным или незначительным изменениям pH. Однако для самого высокого уровня напряжения (4.0 В) воздействие значительно. Во всех случаях изменения pH задерживаются в плотных песках из-за их меньшей пористости и большей извилистости по сравнению с рыхлыми песками. После прекращения электрического кондиционирования pH начинает возвращаться к своему исходному значению. Напротив, временные изменения pH на аноде и катоде (2c), измеренные в долгосрочных испытаниях в открытой системе, выявляют минимальные или незначительные изменения pH из-за периодической рециркуляции морской воды. Заполняя систему ионами Ca2+ и Mg2+, эти условия поддерживают концентрацию ионов основного электролита приблизительно постоянной.

Анализ элементного картирования, полученного с помощью EDS для рыхлых и плотных песков (2d), показывает уменьшение соотношения Ca/Mg с ростом напряжения, что согласуется со всеми качественными результатами, полученными с помощью SEM (1a). Та же тенденция для соотношения Ca/Mg как функции приложенного напряжения вычисляется из уточнения Ритвельда спектров XRD (2e) и результатов TGA (2f). Количественные различия между полученными тенденциями для соотношения Ca/Mg связаны с различными методами, используемыми для анализа этой переменной, оставаясь качественно согласованными. Примечательно, что результаты как XRD, так и TGA снова подтверждают доминирующее осаждение минералов на основе кальция при ограниченных напряжениях, в отличие от доминирующего осаждения минералов на основе магния при существенных напряжениях, как ранее было показано анализами SEM (1a). Анализы рентгеновской дифракции подтверждают наличие фатерита, кальцита, арагонита, брусита и гидромагнезита, как ранее было отмечено с помощью Рамановской спектроскопии (1c).

Гидромеханическая характеризация

Изображен��е №3

Зарождение и рост минеральных электроосаждений изменяют структуру морских песков. Следовательно, эти минеральные осадки изменяют свойства таких материалов. Результаты этой работы количественно раскрывают изменения в гидравлической проводимости (k) и неограниченной прочности на сжатие (UCS от unconfined compressive strength) морских песков, подвергнутых электроосаждению (графики выше).

Гидравлическая характеристика песков, подвергнутых длительному электрическому кондиционированию (3a), указывает на тенденцию к снижению гидравлической проводимости для материалов, подвергаемых возрастающим напряжениям. Интересно, что снижение гидравлической проводимости сцементированного песка по сравнению с чистым (т. е. необработанным) песком может достигать одного порядка величины для самого высокого напряжения (4.0 В). Во всех случаях результаты показывают более высокую гидравлическую проводимость рыхлых песков по сравнению с плотными из-за более пористой упаковки первых по сравнению со вторыми.

Анализ корреляции между прочностью на сжатие без ограничения и массовым содержанием цемента в испытанных песках (3b) показывает, что как рыхлые, так и плотные пески выигрывают от заметного увеличения прочности с массовым содержанием цемента. Электроосаждение может дать сцементированные пески с UCS, достигающим нескольких МПа. Другими словами, электроосаждение может превратить изначально несвязные пески в скалы.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


Мотивированное отсутствием устойчивых и долгосрочных подходов к смягчению прибрежной эрозии во всем мире, это исследование представило экспериментальное лабораторное исследование электрически опосредованного осаждения минеральных связующих веществ в морских песках посредством процесса электроосаждения.

В частности, используя специально разработанные электрохимические ячейки, это исследование систематически и механистически исследовало электроосаждение минералов на основе кальция и магния в кварцевом песке, насыщенном морской водой. Впервые в этой работе было проанализировано влияние величины и продолжительности приложенного напряжения, относительной плотности почвы и концентрации ионов электролита, которые являются центральными переменными для любой применяемой электрической обработки, обработанного пористого материала и раствора электролита соответственно.

Результаты этой работы проливают свет на различные механизмы реакции, управляющие электроосаждением CaCO3, Mg(OH)2 и Mg5(CO3)4(OH)2 · 4H2O в песках, насыщенных морской водой. Переход от восстановления кислорода к восстановлению воды происходит, в частности, между 2.0 и 3.0 В, с заметным выделением водорода при 4.0 В. Во время восстановления кислорода образование гидроксида ограничено массовым переносом и приводит к преобладающим отложениям CaCO3, в основном в форме кальцита, с сопутствующими образованиями Mg5(CO3)4(OH)2 · 4H2O.

Во время восстановления воды образование гидроксида ограничено скоростью реакции и благоприятствует образованию Mg(OH)2, в основном в форме брусита. Идентифицируя эти два различных режима потенциала, эта работа подчеркивает, что контроль приложенного электродного потенциала с учетом относительной плотности почвы и свойств электролита обеспечивает селективность типа осаждаемого минерала и полиморфа, места осаждения минерала и механизма внедрения минерала. Таким образом, электроосаждение позволяет достигать различных эффектов на структуру и свойства электроосажденных песков.

Эта работа расширяет знания об электроосаждении минералов в почвах, насыщенных морской водой, подчеркивая возможность использования такого процесса для защиты прибрежных территорий от эрозионных процессов. Кроме того, результаты этой работы улучшают анализ проблем, связанных с седиментацией, биоминерализацией и геологической секвестрацией углерода, которые регулируются зарождением и ростом минералов в пористых материалах.

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?