Bio-Mediated Technique to Control Phase Changes of Porous Media in Seasonally Frozen Ground

控制季节性冻土中多孔介质相变的生物介导技术

基本信息

  • 批准号:
    2314099
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 45.3万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-01-01 至 2025-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

This award will develop a bio-mediated technique to reduce freezing and ice lens formation in soils using antifreeze proteins (AFPs) from psychrophilic (cold-loving) microorganisms. The moisture in the seasonally frozen ground, when subjected to freeze-thaw cycles, can develop large ice lenses that degrade the performance of civil infrastructure and affects land surface characteristics such as radiation balance and latent heat exchange. A significant amount of rehabilitation efforts, chemicals, and conservative design approaches are currently used to maintain cold-region infrastructure in serviceable conditions. Our solution is to extract AFPs from psychrophiles and use them to change the freezing characteristics of water in soil to prevent the formation of the detrimental ice lenses. The research will be complemented by establishing an educational and outreach program to engage undergraduate students in convergence research on bio-inspired solutions to complex engineering problems and incorporate cold-region bio-geotechnics in the curriculum.The goal of this project is to investigate, optimize, and develop a bio-mediated sustainable approach to control the phase change transformations of the pore-water present in the porous media of seasonally frozen ground. The growth of ice-lenses in porous soil media is a complex thermomechanical process that depends on freezing rate, heat extraction, the equilibrium of thermal, mechanical, and chemical forces, and effective stress on soil skeleton. We will investigate the following specific objectives: (1) characterize the antifreeze properties of moderate to hyperactive AFPs from different psychrophiles; (2) investigate the bio-treated soils’ thermal characteristics including thermal hysteresis, phase changes, freezing point and evaluate corresponding ice inhibition, ice shaping, and ice recrystallization activities; and (3) evaluate the resiliency of the bio-mediated technique to freeze-thaw cycles and investigate the strength and deformation characteristics of the untreated and bio-treated soils. This project will advance the knowledge base in applications of AFPs, ice mechanics, and soil-ice interfaces to enhance resiliency of cold region infrastructure.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该奖项将开发一种生物介导技术,利用嗜冷(喜冷)微生物的抗冻蛋白(AFP)来减少土壤中的冻结和冰晶状体的形成,季节性冻土中的水分在经历冻融循环时可以减少土壤中的结冰和冰晶状体的形成。开发大型冰透镜会降低民用基础设施的性能并影响辐射平衡和潜热交换等地表特征,目前使用大量的修复工作、化学品和保守的设计方法来维护寒冷地区的基础设施。我们的解决方案是从嗜冷菌中提取 AFP,并利用它们改变土壤中水的冻结特性,以防止形成不健康的冰晶状体。对复杂工程问题的仿生解决方案进行融合研究,并将寒区生物岩土工程纳入课程中。该项目的目标是研究、优化和开发一种生物介导的可持续方法来控制相变转变季节性冻结地面的多孔介质中存在的孔隙水 多孔土壤介质中冰透镜的生长是一个复杂的热机械过程,取决于冻结速率、热量提取、热力、机械力和化学力的平衡以及有效力。我们将研究以下具体目标:(1)表征来自不同嗜冷菌的中度至高活性AFP的抗冻特性;(2)研究生物处理土壤的热特性,包括热滞后、相。变化、冰点并评估相应的冰抑制、冰成型和冰再结晶活性;以及(3)评估生物介导技术对冻融循环的弹性,并研究未经处理和生物处理的强度和变形特征;该项目将推进 AFP、冰力学和土壤-冰界面应用的知识库,以增强寒冷地区基础设施的弹性。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准。

项目成果

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