L'apprendimento automatico aiuta ad aumentare la risoluzione temporale di X

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10529 (2023) Citare questo articolo

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Molte tecnologie di ingegneria del sottosuolo o processi naturali fanno sì che le proprietà dei mezzi porosi, come la porosità o la permeabilità, evolvano nel tempo. Lo studio e la comprensione di tali processi sulla scala dei pori è fortemente aiutato dalla visualizzazione dei dettagli dei cambiamenti geometrici e morfologici nei pori. Per i media porosi 3D realistici, la tomografia computerizzata a raggi X (XRCT) è il metodo di scelta per la visualizzazione. Tuttavia, l'elevata risoluzione spaziale necessaria richiede l'accesso a strutture limitate di sincrotrone ad alta energia o tempi di acquisizione dei dati considerevolmente più lunghi (ad esempio ore) rispetto alle scale temporali dei processi che causano il cambiamento della geometria dei pori (ad esempio minuti). Pertanto, finora, le tecnologie XRCT convenzionali da banco sono spesso troppo lente per consentire lo studio dei processi dinamici. Anche l'interruzione degli esperimenti per eseguire scansioni XRCT in molti casi non è un approccio praticabile. Proponiamo un nuovo flusso di lavoro per studiare i processi di precipitazione dinamica in sistemi di mezzi porosi in 3D utilizzando una tecnologia XRCT convenzionale. Il nostro flusso di lavoro si basa sulla limitazione del tempo di acquisizione dei dati riducendo il numero di proiezioni e migliorando le immagini ricostruite di qualità inferiore utilizzando algoritmi di apprendimento automatico addestrati su immagini ricostruite da scansioni di fase iniziale e finale di alta qualità. Applichiamo il flusso di lavoro proposto alla precipitazione di carbonato indotta all'interno di un campione di materiale poroso di perle di vetro sinterizzato. Quindi siamo stati in grado di aumentare la risoluzione temporale sufficientemente per studiare l'evoluzione temporale dell'accumulo di precipitato utilizzando un dispositivo XRCT da banco disponibile.

I serbatoi sotterranei sono sempre più utilizzati per lo stoccaggio di fluidi e molte delle tecnologie applicate sono legate alla produzione o allo stoccaggio di energia, spesso discussa in modo controverso nella società1. Molte recenti attività nel sottosuolo mirano a immagazzinare energia sotto forma di aria compressa, CH\(_4\) o H\(_2\) per far fronte alla produzione instabile di fonti rinnovabili come l’energia eolica e solare2, o per combattere direttamente il cambiamento climatico mediante il sequestro di CO\(_2\)3.

In alcuni casi i fluidi immagazzinati nel sottosuolo possono fuoriuscire dal serbatoio bersaglio. Ciò riduce l'efficienza dello storage e può potenzialmente rappresentare una minaccia per l'ambiente o per altri utilizzi del sottosuolo1. La precipitazione di carbonati indotta (ICP), indotta, ad esempio, enzimaticamente o microbicamente (E/MICP), è una tecnologia emergente per mitigare tali perdite che ha dimostrato di essere efficace anche in esperimenti sul campo4,5,6,7,8.

L'ICP ha molte applicazioni aggiuntive come il rinforzo del terreno, la bonifica, il controllo dell'erosione e altro ancora9,10,11,12. Negli ultimi anni sono state condotte sempre più applicazioni sul campo o su larga scala dell'ICP con l'obiettivo di modificare le proprietà del suolo13,14,15,16,17,18. Sebbene i cambiamenti nella permeabilità siano di minore interesse nelle applicazioni per il rinforzo del terreno, potrebbero esserci precipitazioni sufficienti per influenzare i percorsi del flusso e quindi il trasporto dei reagenti su scala più ampia, rendendo importanti le relazioni precise tra porosità e permeabilità anche per applicazioni che non prevedono la mitigazione delle perdite. dell'ICP. La precipitazione dei carbonati indotta enzimaticamente (EICP) è uno dei possibili metodi per ottenere la ICP, ma esistono molti altri metodi per indurre la precipitazione dei carbonati19. Durante l'EICP, l'enzima ureasi catalizza la reazione di idrolisi dell'urea (\(\mathrm{(NH_2)_2CO}\)) in ammoniaca (\(\mathrm{NH_{3}}\)) e anidride carbonica (\(\mathrm {CO_2}\)). Questa reazione aumenta il pH poiché le soluzioni acquose di ammoniaca diventano alcaline. Una soluzione sempre più alcalina comporta un aumento delle concentrazioni di carbonato (\(\mathrm{CO_{3}^{2-}}\)), poiché è la specie dominante di carbonio inorganico in condizioni di pH elevato. In presenza di calcio (\(\mathrm{Ca^{2+}}\)), elevate concentrazioni di carbonato determinano la precipitazione del carbonato di calcio (\(\mathrm{CaCO_{3}}\)). La reazione complessiva dell’EICP è: