科学家开发出应对海岸侵蚀的简单解决方案：利用电流凝固海沙

美国西北大学的研究人员已经证明，电能可以使海洋海岸线世代坚固，减轻海平面上升和气候变化带来的日益严重的侵蚀威胁。在最近发表在《地球与环境通讯》（Communications Earth and the Environment）上的这项研究中，研究人员从蛤、贻贝和其他贝壳类海洋生物中汲取了灵感。同样，研究人员利用同样的天然溶解矿物质在海水浸泡过的沙粒之间形成天然胶结物。但是，研究人员并没有像软体动物那样利用新陈代谢的能量，而是利用电能来刺激化学反应。

电力如何用于加固海岸线的艺术印象

在实验室实验中，轻微的电流瞬间改变了海沙的结构，使其变成了像岩石一样不可移动的固体。研究人员希望这种策略能为加固全球海岸线提供一种持久、廉价和可持续的解决方案。

"超过 40% 的世界人口生活在沿海地区。由于气候变化和海平面上升，侵蚀对这些社区构成了巨大威胁。通过基础设施的瓦解和土地的丧失，侵蚀每年在全世界造成数十亿美元的损失。"领导这项研究的西北大学麦考密克工程学院路易斯-伯杰土木与环境工程助理教授亚历山德罗-罗塔-洛里亚（Alessandro Rotta Loria）说："目前缓解侵蚀的方法包括建造保护结构或向地下注入外部粘合剂。"

"我的目标是开发一种能够改变海岸保护现状的方法--一种不需要建造保护结构，并且能够在不使用实际水泥的情况下固结海洋基质的方法。通过对海洋土壤施加温和的电刺激，我们系统地从力学角度证明，通过将海水中自然溶解的矿物质转化为固体矿物粘合剂--一种天然水泥--来固结海洋土壤是可行的"。

罗塔-洛里亚实验室中被海水浸泡过的沙子样本。垂直的银柱是电极。资料来源：西北大学

从暴雨加剧到海平面上升，气候变化创造了逐渐侵蚀海岸线的条件。根据欧盟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% 的海滩将被冲毁。

为了缓解这一问题，社区主要采取了两种方法：建造保护结构和屏障（如海堤），或向地下注入水泥以加固海洋基质（主要由沙子构成）。然而，这些策略也伴随着多种问题。这些传统方法不仅极其昂贵，而且不能持久。

罗塔-洛里亚说："海墙也会受到侵蚀。因此，随着时间的推移，海墙下的沙子会被侵蚀，海墙最终会倒塌。通常情况下，保护结构是用大石头砌成的，每英里造价数百万美元。然而，由于一些环境压力，这些大石头下面的沙子基本上会液化，从而被下面的地面吞噬。将水泥和其他粘合剂注入地下有许多不可逆转的环境弊端。它通常还需要高压和大量相互关联的能源"。

天然水泥的显微图像。资料来源：西北大学

为了绕过这些问题，罗塔-洛里亚和他的团队受珊瑚和软体动物的启发，开发出一种更简单的技术。海水天然含有大量离子和溶解矿物质。当向水中施加温和的电流（2 到 3 伏）时，就会引发化学反应。这会将其中一些成分转化为固体碳酸钙--软体动物用这种矿物质来建造自己的外壳。同样，在电压稍高（4 伏）的情况下，这些成分可以主要转化为氢氧化镁和水镁石，这是一种在各种石头中随处可见的矿物。

当这些矿物质在沙子中凝聚时，它们就像胶水一样将沙子颗粒粘合在一起。在实验室中，这一过程也适用于各种类型的沙子--从普通的硅砂和钙质砂到火山附近常见的铁砂。

Rotta Loria 说："经过处理后，沙子看起来就像石头一样。它是静止的、坚固的，而不是颗粒状的、不连贯的。矿物质本身就比混凝土坚固得多，因此处理后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，但长时间的电刺激会产生更显著的效果。Rotta Loria 说："我们注意到，仅仅几天的刺激就能取得显著效果。然后，经过处理的沙子应该会留在原地，无需进一步干预。"

来自 Rotta Loria 实验室的经过温和电力处理的强化沙样本。资料来源：西北大学

罗塔-洛里亚预计，经过处理的沙子应能保持其耐久性，在数十年内保护海岸线和财产。他还说，不必担心会对海洋生物造成负面影响。在这一过程中使用的电压太低，海洋生物感觉不到。其他研究人员也用类似的方法加固海底结构，甚至修复珊瑚礁。在这些情况下，海洋生物都没有受到伤害。

如果社区决定不再需要凝固的沙子，Rotta Loria 也有解决方案，因为这个过程是完全可逆的。当切换电池的阳极和阴极电极时，电力会溶解矿物质，从而有效地逆转整个过程。

Rotta Loria 说："矿物的形成是因为我们局部提高了阴极界面周围海水的 pH 值。如果将阳极与阴极互换，那么就会涉及局部 pH 值的降低，从而溶解先前沉淀的矿物质。"

与传统方法相比，该工艺成本低廉。经过计算，罗塔-洛里亚的团队估计，他的工艺每立方米电固结地面的成本仅为 3 到 6 美元。而使用粘合剂粘合和加固沙子的更成熟的同类方法，相同单位体积的成本高达 70 美元。

罗塔-洛里亚实验室的研究表明，这种方法也能修复开裂的钢筋混凝土结构。现有的海岸基础设施大多由钢筋混凝土制成，它们会因海平面上升、侵蚀和极端天气造成的复杂影响而解体。如果这些结构出现裂缝，新方法就不需要完全重建基础设施。相反，一个电脉冲就能治愈潜在的破坏性裂缝。

"这种方法的应用领域数不胜数，"罗塔-洛里亚说。"我们可以用它来加固海堤下的海床，或稳固沙丘，保持不稳定的土坡。我们还可以用它来加固保护结构、海洋地基以及许多其他东西。有很多方法可以用来保护沿海地区"。

接下来，罗塔-洛里亚的团队计划在实验室外和海滩上测试这项技术。

编译自/ScitechDaily