قصة نجاح العميل
الريولوجيا والحلول البيئية: نهج عالمي للتخفيف من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري
يناقش هذا التقرير الميداني الجهود التي يبذلها البروفيسور إيان فريجارد وفريقه في جامعة كولومبيا البريطانية بكندا لفهم ديناميكيات فقاعات الغاز والتحكم فيها في سوائل الإجهاد الناتج عن الإنتاج، مثل تلك الموجودة في برك مخلفات الرمال النفطية، للتخفيف من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.
يستكشف بحثهم الخواص الانسيابية للسوائل النموذجية مثل المواد الهلامية من كاربوبول ومعلقات لابونيت لفهم آليات احتباس الفقاعات وإطلاقها بشكل أفضل. أُجريت الدراسات باستخدام مقياس الانسيابية NETZSCH Kinexus. وللنتائج آثار واسعة النطاق على الحد من الانبعاثات في مختلف الصناعات، بما في ذلك التعدين وتخزين النفايات النووية ومعالجة مياه الصرف الصحي.
“يفتح فهم ديناميكيات الفقاعات في سوائل الإجهاد الناتج مسارات للحد من الانبعاثات من برك مخلفات الرمال النفطية. وتعد الريولوجيا طريقة رئيسية لفهم الآليات الأساسية وبالتالي التنبؤ بالسلوك وتصور استراتيجيات للحد من الانبعاثات. هذه الدراسات، التي أجريت باستخدام مقياس الانسيابية الدورانية NETZSCH Kinexus، لها آثار واسعة النطاق على مختلف الصناعات، بما في ذلك التعدين وتخزين النفايات النووية ومعالجة مياه الصرف الصحي.”
الدكتور إيان فريجارد أستاذ في قسم الهندسة الميكانيكية في جامعة كولومبيا البريطانية في كندا. وهو متخصص في ميكانيكا الموائع غير النيوتونية، مع التركيز على التطبيقات الصناعية للسوائل اللزجة البلاستيكية، خاصةً في صناعة البترول. وتجمع مجموعته البحثية متعددة التخصصات بين المناهج الرياضية والتجريبية والحسابية لمعالجة قضايا مثل تدعيم الآبار والتحكم في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. كما قام الدكتور فريجارد بتأليف العديد من الأوراق العلمية، وساهم بشكل كبير في فهم ميكانيكا الموائع وتطويرها.
أهداف عالية: صافي الانبعاثات الصفرية بحلول عام 2050
في يونيو 2021، اتخذت كندا خطوة مهمة نحو العمل المناخي من خلال سن قانون المساءلة عن الانبعاثات الصفرية الصافية الكندية، والذي يهدف إلى الوصول إلى صافي انبعاثات صفرية بحلول عام 2050. يؤكد هذا الالتزام على الحاجة الملحة لجميع الصناعات لفحص بصمة انبعاثاتها وتقليل آثارها البيئية. تُسلط الأضواء على صناعة الرمال النفطية بسبب مساهماتها الكبيرة في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري في كندا. تشير البيانات الحديثة إلى أنه في عام 2020، انبعث ما يقرب من سبعة ميغا طن من غاز الميثان وثاني أكسيد الكربون من برك مخلفات الرمال النفطية، حيث يتم تخزين المنتجات الثانوية لعملية إنتاج الرمال النفطية.
وتواجه مناطق مثل كندا والولايات المتحدة والبرازيل وروسيا وجنوب أفريقيا تحديات مماثلة مع برك المخلفات، لا سيما في صناعات التعدين واستخراج النفط.
يعالج البروفيسور إيان فريجارد وفريقه في مجموعة السوائل المعقدة بجامعة كولومبيا البريطانية (UBC) هذه المشكلة من منظور ميكانيكا الموائع. وهم يهدفون إلى فهم آلية استقرار الفقاعات وهجرتها في هذه الأنظمة، وارتباطها بانسيابية المواد، وفي نهاية المطاف هندسة النظام بحيث يمكن التحكم في إطلاق فقاعات الغاز وانحباسها بطريقة مفيدة. وتنطوي أبحاثهم على إمكانات كبيرة ليس فقط لكندا ولكن لجميع البلدان التي يجب تخزين المنتجات الثانوية الصناعية فيها بأمان وكفاءة. ومن مواقع تخزين النفايات النووية إلى انبعاث الغازات من آبار النفط في الشرق الأوسط وآسيا الوسطى وأمريكا اللاتينية، وحتى مرافق معالجة مياه الصرف الصحي في أوروبا، فإن فهم ديناميكيات فقاعات الغاز في السوائل اللزجة يمكن أن يؤثر بشكل كبير على الجهود العالمية للحد من الانبعاثات وتعزيز الممارسات المستدامة.
فهم آلية ثبات الفقاعات وانتقالها عن طريق الريولوجيا
تتكون أحواض المخلفات من طبقات FFT (المخلفات السائلة الناعمة) و MFT (المخلفات الناضجة الناضجة)، والتي تتكون من الماء والرمل والكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية والنفتا. ويؤدي التحلل الميكروبي للنفتا في هذه الطبقات إلى إنتاج غاز الميثان وثاني أكسيد الكربون، مما يساهم في انبعاثات غازات الدفيئة.
وتظهر مواد المخلفات خصائص سوائل إجهاد الخضوع، حيث تتصرف مثل المواد الصلبة تحت إجهاد عتبة معينة (إجهاد الخضوع) وتتدفق مثل السائل فوق هذه العتبة، مما يمكنها من الاحتفاظ بفقاعات الغاز.
يتضمن البحث الذي تجريه مجموعة السوائل المعقدة في جامعة كولومبيا البريطانية تجارب معملية ونماذج وحسابات لفهم انحباس الفقاعات وانطلاقها، واستكشاف العمليات الفيزيائية، والتحقيق في كيفية التحكم في انبعاثات غازات الدفيئة من الأحواض. ويتمثل جوهر هذه الدراسة البحثية الأساسية في تحديد حد الخضوع للاستقرار الساكن للفقاعات في سوائل إجهاد الخضوع وإثبات صلتها بعلم الريولوجيا المعقد لهذه المواد، بما في ذلك إجهاد الخضوع والمرونة والسلوك المتغير الانسيابية. تم إجراء الدراسات الانسيابية باستخدام مقياس الانسيابيةNETZSCH Kinexus Pro +. واستخدموا المواد الهلامية الكاربوبول واللابونيت كنماذج لسوائل إجهاد الخضوع البسيطة وسوائل إجهاد الخضوع المتغيرة الانسيابية على التوالي.
السلوك الريولوجي للسوائل النموذجية
يوضح الشكل التالي المنحنيات الانسيابية التمثيلية لهلام الكاربوبول. تم قياس انسيابية الكاربوبول من خلال اختبار زيادة معدل القص المتحكم فيه واختبار خفضه باستخدام هندسة اللوح المتوازي الخشن. فوق نقطة الخضوع، لم يُلاحظ أي سلوك متغيرة الانسيابية. وتحت نقطة الاستسلام، تسببت الاستجابة المرنة للمادة الهلامية في حدوث انحراف بين منحنيات التدفق المنحدر لأعلى ولأسفل. يُظهر الجزء الداخلي من هذا الشكل معامل المرونة (G') ومعامل اللزوجة (G') كدوال لسعة الانفعالات، التي تم الحصول عليها من اختبار مسح السعة بتردد 2 راد/ثانية. بالنسبة لسعات الانفعال التي تقل عن 0.1% تقريبًا، يظل كلا المعاملين ثابتين، مما يشير إلى سلوك خطي.
تُظهر هذه النتائج أن الكاربوبول، بتركيزات أقل من 2%، يتصرف كسائل مرن لزج بسيط دون سلوك متغيرة الانسيابية ملحوظ.
كاربوبول 0.15% (سائل إجهاد الخضوع البسيط) [3]
تم التأكد من أن اللابونايت مائع نموذجي يُظهر سلوكًا متغيرة الانسيابية من خلال سلسلة من الاختبارات الانسيابية. ويعرض الشكل التالي منحنى التدفق لعينة لابونيت 1% من اللابونايت في فترة السكون لمدة 10 دقائق بعد القص المسبق. بعد فترة السكون، تم تعريض العينة لزيادة منحدرة محكومة بالإجهاد (دوائر) وزيادة منحدرة لأسفل (مثلثات تشير إلى الأسفل) باستخدام هندسة خشنة. يتجلى السلوك المتغيرة الانسيابية للمادة في التباين الملحوظ بين منحنيات الانحدار لأعلى والمنحنيات المنحدرة لأسفل. كما قاموا أيضًا بقياس معامل المرونة (المربعات) ومعامل اللزوجة (علامات زائد) مقابل الانفعال من خلال مسح سعة الانفعال الديناميكي عند تردد 2 هرتز. أكدت النتائج الموضحة في الجزء الداخلي من الشكل التالي السلوك اللزج الخطي المرن للمادة عند سلالات أقل من 1%.
لابونيت 1% (مائع إجهاد الخضوع المتغيرة الانسيابية): منحنيات التدفق [4]
منحنيات الريولوجيا التمثيلية لمعلق لابونيت (لابونيت 1%):
يعرض هذا الشكل منحنيات التدفق التصاعدي والتنازلي المنحدرة التي تم الحصول عليها من اختبار التحكم في معدل القص. هناك تباطؤ ملحوظ في منحنيات التدفق التي تشير إلى السلوك المتغيرة الانسيابية للمادة. يظهر السلوك الديناميكي للمادة المقيسة باستخدام اختبار مسح السعة في الجزء الداخلي من هذا الشكل. تُظهر النتائج أن اللابونايت نموذج مناسب لسائل لزج بلاستيكي يعتمد على الزمن.
اللابونايت 1% (سائل إجهاد الخضوع المتغيرة الانسيابية): إجهادات الخضوع الثابتة والديناميكية [4]
اختبارات معدل القص الفردي لمعلق لابونيت (لابونيت 1%): تم إجراء الاختبار لعينة في أوقات تعتيق مختلفة بما في ذلك 10 دقائق (أحمر)، وساعتين (أزرق)، ويومين (أسود). فُرض على المادة معدل قص منخفض ثابت قدره 0.001/ثانية بعد فترة راحة بعد قص مسبق 100/ثانية لمدة دقيقتين. تُظهر النتائج نمو إجهاد الخضوع الساكن (المميز بدوائر مملوءة) مع زمن التقادم.
النتائج الرئيسية:
وباختصار، كشف هذا البحث عن آليتين متميزتين تحكمان إطلاق الفقاعات من سوائل إجهاد الخضوع. في الهلام المتجانس ذي السلوك غير المتباين الخواص الخواص تتشكل سحابة فقاعية شبه منتظمة، وتتحكم الخصائص الانسيابية الكلية للمادة، إلى جانب قرب الفقاعات، في إطلاقها وانحباسها داخل النظام. في حالة التركيز العالي جدًا للغاز، قد يؤدي ذلك إلى انفجار سحابة الفقاعات عند بداية عدم الاستقرار الساكن. ومع ذلك، عندما تدخل الانسيابية المعتمدة على الوقت (الانسيابية المتغيرة الانسيابية) في اللعب، تصبح الصورة الفيزيائية للمشكلة أكثر تعقيدًا.
يؤدي التركيب غير المنتظم للمواد الناتج عن الانسيابية المعتمدة على تاريخ القص إلى تكوين طبقات تالفة يكون فيها هيكل المادة أضعف. ويؤثر وجود هذه الطبقات التالفة داخل المادة بشكل كبير على إطلاق الفقاعات وانحباسها، مما يمنع تراكم الغازات. في هذه الحالة، تظهر معلقات الفقاعات متعددة التشتت ويحدث إطلاق الفقاعات تدريجيًا من خلال الطبقات التالفة وليس فجأة.
آلية إطلاق الفقاعات [4]
الانحراف المعياري المعياري المعياري للكثافة(I) في الصور المتتابعة للفقاعات، التي تم التقاطها مباشرةً بعد بداية عدم الاستقرار لـ (أ) مائع إجهاد الخضوع البسيط و(ب) مائع إجهاد الخضوع المتغيرة الانسيابية. تحتوي كلتا المادتين الهلاميتين على محتوى غازي أولي مرتفع. تشير البقع البيضاء في الصور إلى المناطق التي تتحرك فيها الفقاعات داخل الهلام، بينما تمثل البقع الداكنة المناطق التي تكون فيها الفقاعات راكدة. تشير البنية الشبيهة بالشبكة في اللوحة (ب) إلى أن الفقاعات تتبع مسارات يعاد استخدامها.
عندما تهرب الفقاعات الأكبر حجمًا إلى السطح، يضعف القص الموضعي الهلام بسبب الانسيابية المعتمدة على تاريخ القص للمادة، مما يشكل قنوات غير مرئية ذات مقاومة أقل. ثم تهاجر الفقاعات بعد ذلك نحو هذه القنوات، مكونةً طبقات ضعيفة جانبية، وفي النهاية شبكات غير مرئية من الطبقات التالفة المتصلة بالقنوات الرأسية.
تسمح هذه الشبكات بإطلاق فقاعات أصغر تدريجيًا، مما يمنع تراكم الفقاعات، وبالتالي تعمل كصمامات أمان في النظام.
تطبيقات أوسع نطاقاً:
في حين أن الدافع الأساسي وراء هذا البحث هو مسألة انبعاثات غازات الدفيئة من مخلفات الرمال النفطية، فإن النتائج لها آثار بعيدة المدى. إن فهم كيفية احتباس الغاز وانبعاثه في السوائل اللزجة له تطبيقات في العديد من المجالات الأخرى: على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي تخزين النفايات النووية إلى مشاكل "الفقاعات والحمأة"، وتنطوي معالجة مياه الصرف الصحي (مياه المجاري) على معلقات غير نيوتونية وفقاعات غازية، كما أن آبار النفط والغاز تواجه ركلات الغاز أثناء البناء، حيث يكون انتشار الفقاعات عبر سوائل إجهاد الخضوع أمرًا شائعًا. وتشمل التطبيقات الأخرى رغوة الخرسانة للب ناء والشوكولاتة لتحسين المذاق.
وباختصار، فإن فهم ديناميكيات الفقاعات في سوائل إجهاد الغلة يوفر طريقًا لتقليل الانبعاثات من مخلفات الرمال النفطية ويفتح الأبواب أمام الابتكارات في مختلف الصناعات. وتُعد الريولوجيا طريقة رئيسية لفهم الآليات الأساسية وبالتالي التنبؤ بالسلوك وتقليل الانبعاثات.
يركز فريق البحث متعدد التخصصات للدكتور فريجارد على السوائل اللزجة اللدائنية وتطبيق خصائص السوائل غير النيوتونية في العمليات الصناعية:
فيما يلي بعض الأوراق البحثية التي تعرض نتائجها:
شرحت الأوراق التالية النماذج النظرية التي تم تطويرها لاستقرار الفقاعات في موائع إجهاد الخضوع. تمت دراسة حد الخضوع للفقاعات وتأثيرات أشكال الفقاعات وتفاعلات الفقاعات عليها في هذه الأعمال النظرية.
[1] Pourzahedi, A., Chaparian, E., Roustaei, A., & Frigaard, I. A. (2022). بداية التدفق لفقاعة واحدة في مائع ذو إجهاد ناتج. مجلة ميكانيكا الموائع، 933، A21.
[2] Chaparian, E., & Frigaard, I. A. (2021). غيوم الفقاعات في مائع لزج بلاستيكي. مجلة ميكانيكا الموائع، 927، R3.
درست الأوراق التالية نمو الفقاعات واستقرارها في مادة إجهاد الخضوع باستخدام نهج تجريبي. تم شرح دور الانسيابية المعقدة للمادة بما في ذلك مرونتها وانسيابية الانسيابية في الأوراق التالية. كما يتم هنا شرح السيناريوهات المختلفة لعدم استقرار السحب الفقاعية وارتباطها بريولوجيا المادة وبنيتها.
[3] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2023). نمو واستقرار الفقاعات في مائع إجهاد الخضوع. مجلة ميكانيكا الموائع، 957، A16.
[4] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2024). النمو والثبات الساكن لسحب الفقاعات في سوائل إجهاد الغلة. مجلة ميكانيكا الموائع غير النيوتونية، 327، 105217.
يسلط العمل التالي الضوء على تأثير الريولوجيا غير المنتظمة للمادة على استقرار الفقاعات وانتقالها. يتم استخدام المحاكاة العددية جنبًا إلى جنب مع التجارب للتحقيق في هذه المشكلة.
[5] Zare, M., Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2021). تأثيرات الريولوجيا غير المنتظمة على حركة الفقاعات في مائع ذي إجهاد ناتج. مجلة ميكانيكا الموائع، 919، A25.