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Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8821 (2022) Citare questo articolo

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La biocementazione utilizzando il processo di precipitazione del carbonato indotta da un enzima (EICP) è diventato un metodo innovativo per il miglioramento del suolo. Uno dei maggiori limiti nell’incremento progressivo del trattamento del biocemento è l’emissione di ammoniaca gassosa durante l’idrolisi dell’urea, che è pericolosa per l’ambiente. Al fine di eliminare questa lacuna, questo articolo presenta una serie di esperimenti eseguiti per valutare un nuovo approccio per prevenire i sottoprodotti dell'ammoniaca nel processo EICP tramite l'uso di acido poliacrilico (PAA). Attraverso l'adeguamento del pH ad acido, il PAA non solo favorisce l'attività enzimatica, ma impedisce anche la conversione dell'ammonio in ammoniaca gassosa e il suo rilascio, prevenendo così qualsiasi danno all'ambiente. I campioni di sabbia sono stati trattati con soluzione di cementazione e valutati per il miglioramento della resistenza. Le misurazioni del contenuto di carbonato di calcio e l'analisi di diffrazione dei raggi X sulle polveri hanno identificato i cristalli di calcite precipitati nei pori del terreno. L'analisi al microscopio elettronico a scansione ha mostrato chiaramente che il carbonato di calcio è stato precipitato collegando le particelle di terreno, fornendo così una resistenza alla compressione uniassiale (UCS) fino a 1,65 MPa. Nel complesso, l’inibizione della speciazione dell’ammoniaca gassosa mostra il grande potenziale del PAA per la promozione su larga scala del biocemento.

Il cemento è il materiale più comunemente utilizzato nel tradizionale rinforzo delle fondazioni, ma la sua produzione consuma sostanzialmente energia ed è dannosa per l’ambiente. Nella produzione convenzionale del cemento, il processo di calcinazione del carbonato di calcio non solo rilascia grandi quantità di CO2 ma richiede anche calore fino a 1450 °C durante la produzione. Le emissioni totali di CO2 per tonnellata di cemento prodotto possono arrivare fino a 0,95 tonnellate1. Pertanto, il cemento carbonatico biologico, un importante biocemento tipico, ha attirato molta attenzione come metodo di miglioramento del terreno del biocemento più pulito e sostenibile in grado di consolidare le particelle sciolte fin dall'inizio degli anni '902,3. Approfondite indagini di laboratorio e sul campo hanno dimostrato che il biocemento può essere ampiamente utilizzato nel rinforzo delle fondazioni4, nella sedimentazione delle ceneri5, nella riparazione delle crepe del cemento6, nella stabilizzazione dei pendii7 ecc.

Nei processi di trattamento della precipitazione di carbonato indotta da microbi (MICP) e di precipitazione di carbonato indotta da enzimi (EICP), CaCO3 viene precipitato nei pori del suolo come conseguenza di una serie di reazioni biologiche fornite di seguito nelle Eq. (1)–(3). Il MICP si basa sui batteri ureolitici, mentre il processo EICP si basa sugli enzimi ureasi liberi solitamente derivati ​​​​dalle piante. Indipendentemente dalla fonte dell'ureasi, durante l'esposizione dell'urea, gli enzimi catalizzano l'idrolisi dell'urea e producono carbonati e ammonio (Eq. 1). In presenza di ioni calcio, il carbonato di calcio precipita nei pori del terreno, consentendo la cementazione dei legami tra le particelle del terreno8. La reazione di formazione del carbonato di calcio è mostrata nell'Eq. (2).

Tuttavia, il mezzo di reazione spesso diventa relativamente alcalino a causa della formazione di ioni ammonio (come per l'equazione (1)), rendendo possibile che una certa quantità di ioni ammonio prodotti (fino a circa il 50% a pH 9,24) possa essere facilmente convertito in gas di ammoniaca e secondo l'Eq. (3), che viene rilasciato nell'atmosfera. Queste emissioni rappresentano da decenni un problema irrisolto sia del MICP che dell’EICP. L’ammoniaca impone impatti negativi sull’ambiente ecologico, ad esempio portando a livelli elevati di composti tossici contenenti azoto, aumentando la produzione di gas serra9 e causando gravi danni alla salute. Ciò limita l’applicazione della tecnologia di biocementazione a progetti di ingegneria su larga scala.

Finora sono state proposte solo poche alternative per ridurre le emissioni di ammoniaca durante il processo di biocementazione e creare materiali di biocemento più rispettosi dell’ambiente. Metodi degni di nota per la produzione di biocemento pulito includono l'uso dell'asparaginasi per guidare la MICP, che induce 40,6 U/mL di ammoniaca, significativamente inferiore a quella indotta dall'ureasi (592 U/mL) e raggiungendo un UCS10 di 980 kPa. L’uso di biocementi a base di fosfato di magnesio per la solidificazione può ridurre le emissioni di ammoniaca del 75% e si potrebbe raggiungere un UCS di oltre 1,43 MPa11. L'uso di farina di ossa e ureasi acida per ottenere biocementi a base di fosfato di calcio dimostra un nuovo modo economico di ridurre fino al 90% dell'ammoniaca con UCS fino a 1,5 MPa12. Pertanto, trovare un modo più pulito ed economico per gestire completamente l’ammoniaca rilasciata durante il processo di biosolidificazione è ancora un requisito aperto.