O aprendizado de máquina auxilia no aumento da resolução temporal de X

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 10529 (2023) Citar este artigo

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Muitas tecnologias de engenharia subterrânea ou processos naturais fazem com que as propriedades do meio poroso, como porosidade ou permeabilidade, evoluam com o tempo. O estudo e a compreensão de tais processos na escala dos poros são fortemente auxiliados pela visualização dos detalhes das mudanças geométricas e morfológicas nos poros. Para meios porosos 3D realistas, a tomografia computadorizada por raios X (XRCT) é o método de escolha para visualização. No entanto, a alta resolução espacial necessária requer acesso a instalações síncrotron limitadas de alta energia ou tempos de aquisição de dados que são consideravelmente mais longos (por exemplo, horas) do que as escalas de tempo dos processos que causam a alteração da geometria dos poros (por exemplo, minutos). Assim, até agora, as tecnologias convencionais de XRCT de bancada são muitas vezes lentas demais para permitir o estudo de processos dinâmicos. Interromper experimentos para realizar exames XRCT também não é, em muitos casos, uma abordagem viável. Propomos um novo fluxo de trabalho para investigar processos dinâmicos de precipitação em sistemas de meios porosos em 3D usando uma tecnologia XRCT convencional. Nosso fluxo de trabalho se baseia na limitação do tempo de aquisição de dados, reduzindo o número de projeções e aprimorando as imagens reconstruídas de qualidade inferior usando algoritmos de aprendizado de máquina treinados em imagens reconstruídas a partir de varreduras de alta qualidade nos estágios inicial e final. Aplicamos o fluxo de trabalho proposto à precipitação induzida de carbonato em uma amostra de meio poroso de esferas de vidro sinterizadas. Assim, conseguimos aumentar a resolução temporal o suficiente para estudar a evolução temporal do acúmulo de precipitado usando um dispositivo XRCT de bancada disponível.

Os reservatórios subterrâneos são cada vez mais utilizados para armazenamento de fluidos, e muitas das tecnologias aplicadas estão ligadas à produção ou armazenamento de energia, muitas vezes discutidas de forma controversa na sociedade1. Muitas atividades subterrâneas recentes visam armazenar energia na forma de ar comprimido, CH\(_4\), ou H\(_2\) para lidar com a produção instável de fontes renováveis ​​como eólica e solar2, ou combater diretamente as alterações climáticas através do sequestro de CO\(_2\)3.

Os fluidos armazenados no subsolo podem, em alguns casos, vazar do reservatório alvo. Isso reduz a eficiência do armazenamento e pode representar uma ameaça ao meio ambiente ou a outras utilizações do subsolo1. A precipitação induzida de carbonato (ICP), induzida, por exemplo, enzimaticamente ou microbianamente (E/MICP), é uma tecnologia emergente para mitigar tais vazamentos que tem se mostrado eficaz também em experimentos de campo4,5,6,7,8.

O ICP tem muitas aplicações adicionais, como reforço de solo, remediação, controle de erosão e muito mais9,10,11,12. Aplicações de ICP em campo ou em grande escala com o objetivo de modificação das propriedades do solo também têm sido cada vez mais conduzidas nos últimos anos13,14,15,16,17,18. Embora as mudanças na permeabilidade sejam de menor interesse em aplicações para reforço de solo, pode haver precipitação suficiente para afetar os caminhos do fluxo e, portanto, o transporte de reagentes em maior escala, tornando importantes relações precisas de porosidade-permeabilidade, mesmo para aplicações que não sejam de mitigação de vazamentos. do PCI. A precipitação de carbonato induzida enzimaticamente (EICP) é um dos métodos possíveis para atingir a ICP, mas existem muitos outros métodos para induzir a precipitação de carbonato . Durante o EICP, a enzima urease catalisa a reação de hidrólise da ureia (\(\mathrm{(NH_2)_2CO}\)) em amônia (\(\mathrm{NH_{3}}\)) e dióxido de carbono (\(\mathrm {CO_2}\)). Esta reação aumenta o pH à medida que as soluções aquosas de amônia se tornam alcalinas. Uma solução cada vez mais alcalina resulta em concentrações aumentadas de carbonato (\(\mathrm{CO_{3}^{2-}}\)), pois é a espécie dominante de carbono inorgânico em condições de pH elevado. Na presença de cálcio (\(\mathrm{Ca^{2+}}\)), altas concentrações de carbonato resultam na precipitação de carbonato de cálcio (\(\mathrm{CaCO_{3}}\)). A reação geral do EICP é: