西北大学开发的一种新方法使用电流来固化海砂，形成坚固的岩石状结构，可以取代昂贵的传统海防工程，如防波堤。
西北大学的研究人员已经证明，一次电击可以保护海岸线数代人不受侵蚀，缓解海平面上升和气候变化日益加剧的威胁。
在他们的研究中，研究人员从蛤蜊、贻贝和其他生活在贝壳中的海洋生物身上获得了灵感，这些生物利用海水中的溶解矿物质来建造它们的壳。他们的研究成果最近发表在《地球与环境通讯》上。同样，研究人员也利用了这些自然产生的溶解矿物质，在海水中浸泡的沙粒之间形成了一种天然水泥。但与软体动物使用代谢能量不同，研究人员使用电能来刺激化学反应。
在实验室实验中，微弱的电流瞬间改变了海洋沙子的结构，使其变成了一种类似岩石、不可移动的固体。研究人员希望这一策略能够为加强全球海岸线提供一种持久、经济且可持续的解决方案。
“世界上有超过40%的人口居住在沿海地区。由于气候变化和海平面上升，侵蚀对这些社区构成了巨大的威胁。侵蚀通过破坏基础设施和丧失土地，每年在全球范围内造成数十亿美元的损失。目前缓解侵蚀的方法包括建造防护结构或将外部粘合剂注入地下。”西北大学麦考密克工程学院土木与环境工程系路易斯·伯格助理教授亚历山德罗·罗塔·洛里亚（Alessandro Rotta Loria）表示，他领导了这项研究。
“我的目标是开发一种能够改变海岸保护现状的方法，即不需要建造防护结构，也不需要实际使用水泥就能加固海洋基质。通过对海洋土壤施加温和的电刺激，我们有条不紊地、从机制上证明了将海水中自然溶解的矿物质转化为固体矿物粘合剂，从而加固这些基质是可行的——即一种天然水泥。”
当前海岸防护策略中的挑战
从加剧的暴雨到上涨的海平面，气候变化正逐渐侵蚀着海岸线。根据欧洲委员会联合研究中心2020年的一项研究，到本世纪末，地球上近26%的海滩将被冲走。
为了缓解这一问题，社区已经实施了两种主要方法：建造防护结构和屏障，如海堤，或者向地面注入水泥以加固主要由沙子组成的海洋底质。然而，这些策略也伴随着诸多问题。这些传统方法不仅极其昂贵，而且也不持久。
“海堤也遭受侵蚀，”罗塔·洛里亚说。“因此，随着时间的推移，这些墙下的沙子会被侵蚀，墙最终会倒塌。通常，防护结构是由大石头制成的，每英里耗资数百万美元。然而，由于多种环境压力，它们下面的沙子会液化，这些大石头会被它们下面的地面吞噬。
“向地下注入水泥和其他粘合剂会带来许多不可逆转的环境问题。此外，这通常还需要高压和大量的互联能量。”
环保电化学固结过程
为了绕过这些问题，罗塔·洛里亚（Rotta Loria）和他的团队开发了一种更简单的技术，灵感来源于珊瑚和软体动物。海水自然含有无数离子和溶解的矿物质。当向水中施加微弱的电流（2至3伏特）时，它会引发化学反应。这会将其中一些成分转化为固体碳酸钙，这是软体动物用来建造外壳的同一种矿物质。同样，在略高的电压（4伏特）下，这些成分可以主要转化为氢氧化镁和水菱镁矿，这是一种在各种石头中普遍存在的矿物质。
当这些矿物质在沙子的存在下凝结时，它们就像胶水一样，将沙粒粘合在一起。在实验室中，这个过程也适用于各种类型的沙子——从常见的硅砂和钙质砂到火山附近常见的铁砂。
“经过处理后的沙子看起来就像石头，”罗塔·洛里亚（Rotta Loria）说。“它是静止且坚固的，而不是颗粒状的、无粘性的。矿物质本身比混凝土坚固得多，因此经过处理的沙子可以变得像海堤一样坚固。”
虽然矿物质在通电后会立即形成，但更长时间的电刺激会产生更实质性的结果。“我们注意到，仅仅几天的刺激就取得了显著的效果，”罗塔·洛里亚说。“然后，处理过的沙子应该保持原样，不需要进一步的干预。”
可持续应用与未来展望
洛里亚预测，经过处理的沙子应该能够保持其耐用性，在未来几十年内保护海岸线和财产。他还说，没有必要担心对海洋生物产生负面影响。该过程中使用的电压太弱，无法感知。其他研究人员也使用了类似的方法来加固海底结构，甚至恢复珊瑚礁。在这些情况下，没有海洋生物受到伤害。
如果社区决定不再需要固化沙，罗塔·洛里亚（Rotta Loria）也有解决方案，因为整个过程是完全可逆的。当电池的阳极和阴极电极切换时，电会溶解矿物质——从而有效地逆转这一过程。
洛里亚说：“矿物质之所以会形成，是因为我们在阴极界面附近局部提高了海水的pH值。如果你将阳极与阴极交换，则会产生局部pH值降低的情况，这会溶解之前沉淀的矿物质。”
这一工艺为传统方法提供了一种成本较低的替代方案。在仔细计算后，洛里亚的团队估计，该工艺每立方米电胶结地面的成本仅为3至6美元。更成熟、更可比的方法（使用粘合剂来粘附和增强沙子）对于同一体积的单位成本高达70美元。
洛里亚实验室的研究表明，这种方法也可以修复开裂的钢筋混凝土结构。现有的许多岸边基础设施都是钢筋混凝土制成的，由于海平面上升、侵蚀和极端天气等复杂影响而瓦解。如果这些结构出现裂缝，那么这种新方法就无需完全重建基础设施。相反，一次电击就能修复可能具有破坏性的裂缝。
洛里亚 (Rotta Loria) 说：“这种方法的应用数不胜数。我们可以用它来加固海墙下的海底，或者稳固沙丘，并保留不稳定的土壤斜坡。我们还可以用它来加固防护结构、海洋基础等很多其他的东西。有很多方法可以用它来保护沿海地区。”
接下来，罗塔·洛里亚的团队计划在实验室外部和海滩上测试这项技术。
参考：Andony Landivar Macias、Steven D. Jacobsen 和 Alessandro F. Rotta Loria 在 2024 年 8 月 22 日的《地球与环境通讯》（Communications Earth & Environment）上发表的《从海水中在海洋硅砂上电沉积钙质水泥》。DOI：10.1038/s43247-024-01604-3
这项研究得到了美国陆军研究办公室（项目编号 W911NF2210291）和西北大学工程可持续性与韧性中心的资助。
