
ИСТОРИЯ ЗА УСПЕХ НА КЛИЕНТА
Реология и екологични решения: Глобален подход за намаляване на емисиите на парникови газове
В този доклад се разглеждат усилията на професор Иън Фригард и неговия екип от Университета на Британска Колумбия, Канада, за разбиране и контрол на динамиката на газовите мехурчета в течности, подложени на натиск, като тези в хвостохранилищата на нефтени пясъци, с цел намаляване на емисиите на парникови газове.
Техните изследвания изследват реологичните свойства на моделни течности, като карбополови гелове и лапонитови суспензии, за да разберат по-добре механизмите на улавяне и освобождаване на мехурчета. Изследванията са направени с реометъра NETZSCH Kinexus. Констатациите имат широко значение за намаляване на емисиите в различни отрасли, включително минно дело, съхранение на ядрени отпадъци и пречистване на отпадъчни води.

„Разбирането на динамиката на мехурчетата във флуиди с напрежение на поддаване открива пътища за намаляване на емисиите от хвостохранилищата на нефтените пясъци. Реологията е ключов метод за разбиране на основните механизми и по този начин за прогнозиране на поведението и разработване на стратегии за намаляване на емисиите. Тези изследвания, направени с ротационния реометър NETZSCH Kinexus, имат широко значение за различни индустрии, включително минното дело, съхранението на ядрени отпадъци и пречистването на отпадъчни води.“
Д-р Ян Фригард е професор в катедрата по машинно инженерство в Университета на Британска Колумбия, Канада. Той специализира в областта на механиката на ненютоновите флуиди, като се фокусира върху промишлените приложения на вискозо-пластичните флуиди, особено в петролната индустрия. Неговата интердисциплинарна изследователска група съчетава математически, експериментални и изчислителни подходи за решаване на проблеми като циментиране на кладенци и контрол на емисиите на парникови газове. Д-р Фригаард е автор и на множество научни статии, които допринасят значително за разбирането и развитието на механиката на флуидите.

Високи цели: Нулеви нетни емисии до 2050 г
През юни 2021 г. Канада направи значителна крачка към действия в областта на климата, като прие канадския Закон за отчетност на нетните нулеви емисии, чиято цел е да се постигнат нулеви нетни емисии до 2050 г. Този ангажимент подчертава спешната необходимост всички отрасли да проучат своя отпечатък от емисии и да сведат до минимум въздействието си върху околната среда. Индустрията за добив на нефтени пясъци е под светлината на прожекторите поради големия си принос към емисиите на парникови газове в Канада. Последните данни сочат, че през 2020 г. приблизително седем мегатона метан и въглероден диоксид са били изхвърлени от хвостохранилищата на нефтените пясъци, в които се съхраняват страничните продукти от производствения процес на нефтени пясъци.
Региони като Канада, Съединените щати, Бразилия, Русия и Южна Африка са изправени пред сходни предизвикателства, свързани с хвостохранилищата, особено в техните минни и нефтодобивни индустрии.
Професор Йън Фригард и неговият екип от Групата за сложни флуиди към Университета на Британска Колумбия (UBC) се занимават с този проблем от гледна точка на механиката на флуидите. Те се стремят да разберат механизма на стабилност и миграция на мехурчетата в тези системи, връзката му с реологията на материала и в крайна сметка да проектират системата така, че освобождаването и улавянето на газовите мехурчета да може да се контролира по изгоден начин. Техните изследвания имат значителен потенциал не само за Канада, но и за всички страни, в които промишлените странични продукти трябва да се съхраняват безопасно и ефективно. От местата за съхранение на ядрени отпадъци до газовите емисии от петролни кладенци в Близкия изток, Централна Азия и Латинска Америка и дори от пречиствателните съоръжения за отпадни води в Европа, разбирането на динамиката на газовите мехурчета във вископластични течности може да окаже значително влияние върху глобалните усилия за намаляване на емисиите и насърчаване на устойчиви практики.

Разбиране на механизма на стабилност и миграция на мехурчетата чрез реологията
Хвостохранилищата се състоят от слоеве FFT (Fine Fluid Tailings) и MFT (Mature Fine Tailings), състоящи се от вода, пясък, анаеробни микроорганизми и нафта. Микробиологичното разграждане на нафтата в тези слоеве води до производството на метан и въглероден диоксид, което допринася за емисиите на парникови газове.
Материалите на хвостохранилищата притежават характеристиките на течности с напрежение на течливост, като под определен праг на напрежението (напрежение на течливост) се държат като твърдо тяло, а над този праг текат като течност, което им позволява да задържат газови мехурчета.

Изследванията, провеждани от групата за сложни флуиди в UBC, включват лабораторни експерименти, модели и изчисления, за да се разбере улавянето и освобождаването на мехурчета, да се проучат физическите процеси и да се изследва как реологията на флуидите може потенциално да контролира емисиите на парникови газове от езерата. Същността на това фундаментално научно изследване е да се определи границата на поддаване за статичната стабилност на мехурчетата в течности с граница на поддаване и да се установи връзката ѝ със сложната реология на тези материали, включително границата на поддаване, еластичността и тиксотропното поведение. Реологичните изследвания са извършени с помощта на реометърNETZSCH Kinexus Pro+. Използвани са карбополски гелове и лапонит като модели съответно за прости течности при напрежение на добив и тиксотропни течности при напрежение на добив.
Реологично поведение на моделни флуиди
Представителните реологични криви за карбополните гелове са показани на следващата фигура. Реологията на карбопола е измерена чрез тест за увеличаване и намаляване на скоростта на срязване, като е използвана геометрия на грапава паралелна плоча. Над точката на поддаване не е наблюдавано тиксотропно поведение. Под точката на провлачване еластичната реакция на гела предизвиква отклонение между кривите на потока при увеличаване и намаляване на скоростта. Вложката на тази фигура показва модула на еластичност (G') и вискозния модул (G'') като функции на амплитудата на деформацията, получени от изпитването с амплитудно размахване при честота 2 rad/s. За амплитуди на деформация под приблизително 0,1 % и двата модула остават постоянни, което показва линейно поведение.
Тези констатации показват, че при концентрации под 2 % карбополът се държи като проста еласто-вископластична течност без забележимо тиксотропно поведение.
Карбопол 0,15 % (проста течност на границата на провлачване) [3]

Лапонитът е потвърден като моделен флуид с тиксотропно поведение чрез серия от реологични тестове. На следващата фигура е представена кривата на потока за проба от 1 % лапонит, която е била в покой в продължение на 10 минути след предварително разрязване. След периода на покой пробата е подложена на контролирано от напрежението нарастване (кръгове) и намаляване (триъгълници, насочени надолу), като се използва грапава геометрия. Тиксотропното поведение на материала се проявява в забележимото разминаване между кривите на нарастване и намаляване. Измерват се също така модулът на еластичност (квадрати) и вискозният модул (плюсови знаци) в зависимост от деформацията чрез динамично измерване на амплитудата на деформацията при честота 2 Hz. Резултатите, които са показани във вложката на следващата фигура, потвърждават линейното вискозоеластично поведение на материала при деформации под 1 %.
Лапонит 1% (тиксотропен флуид с граница на провлачане): Криви на потока [4]
Представителни реологични криви за суспензия от лапонит (лапонит 1%):
На тази фигура са показани кривите на нарастване и намаляване на потока, получени при изпитване с контролирана скорост на срязване. В кривите на потока се забелязва хистерезис, който бележи тиксотропното поведение на материала. Динамичното поведение на материала, измерено чрез изпитване с амплитудно размахване, е представено във вмъкването на тази фигура. Резултатите показват, че лапонитът е подходящ модел за вископластичен флуид, зависещ от времето.
Лапонит 1% (тиксотропна течност на границата на провлачване) : статични и динамични граници на провлачване [4]
Изпитвания с единична скорост на срязване за суспензия от лапонит (лапонит 1%): Изпитването е извършено за проба при различни времена на стареене, включително 10 min (червено), 2 h (синьо) и 2 дни (черно). Материалът е подложен на постоянна ниска скорост на срязване от 0,001/s след период на покой след предварително срязване със скорост 100/s в продължение на 2 min. Резултатите показват нарастването на статичната граница на провлачане (отбелязана с попълнени кръгове) с времето на стареене.
Основни констатации:
В обобщение, това изследване разкрива два различни механизма, които управляват освобождаването на мехурчета от течности с напрежение на провлачане. В хомогенен гел с нетиксотропно поведение се образува квазиравномерен облак от мехурчета, а общите реологични характеристики на материала, съчетани с близостта на мехурчетата, диктуват тяхното освобождаване и задържане в системата. При доста висока концентрация на газ това може да доведе до спукване на облака от мехурчета при появата на статична нестабилност. Въпреки това, когато се включи реология, зависеща от времето (тиксотропия), физическата картина на проблема става по-сложна.
Нееднородната структура на материалите, идваща от тяхната реология, зависеща от историята на срязване, води до образуване на повредени слоеве, в които структурата на материала е по-слаба. Наличието на тези повредени слоеве в материала оказва значително влияние върху освобождаването и улавянето на мехурчетата, като предотвратява натрупването на газ. В този случай се появяват полидисперсни суспензии от мехурчета, а освобождаването на мехурчетата става постепенно през повредените слоеве, а не внезапно.

Механизъм на освобождаване на мехурчетата [4]
Нормализирано стандартно отклонение на интензитета(I) в последователни изображения на мехурчета, заснети непосредствено след началото на нестабилността за (а) прост флуид на границата на провлачване и (б) тиксотропен флуид на границата на провлачване. И двата гела имат високо начално съдържание на газ. Белите петна в изображенията показват области, в които мехурчетата се движат в гела, докато тъмните петна представляват области, в които мехурчетата са в застой. Подобната на мрежа структура в панел (б) предполага, че мехурчетата следват повторно използвани пътища.
Тъй като по-големите мехурчета се измъкват на повърхността, локалното срязване отслабва гела поради реологията на материала, зависеща от историята на срязване, като се образуват невидими канали с по-малко съпротивление. След това мехурчетата мигрират към тези канали, създавайки странични отслабени слоеве и в крайна сметка невидими мрежи от повредени слоеве, свързани с вертикални канали.
Тези мрежи позволяват постепенното освобождаване на по-малките мехурчета, предотвратявайки натрупването им, като по този начин действат като предпазни клапани в системата.
По-широки приложения:
Макар че това изследване е мотивирано основно от въпроса за емисиите на парникови газове от хвостохранилищата от нефтени пясъци, резултатите имат далечни последици. Разбирането на начина, по който газът се улавя и отделя във вископластични течности, има приложение в няколко други области: Например, съхранението на ядрени отпадъци може да доведе до проблеми с "мехурчета и утайки", пречистването на отпадъчни води (канализация) включва ненютонови суспензии и газови мехурчета, а нефтените и газовите кладенци се сблъскват с газови удари по време на строителството, където разпространението на мехурчета през флуиди с напрежение на поддаване е често срещано явление. Други приложения включват разпенване на бетон в строителството и на шоколад за подобряване на вкуса.
В обобщение, разбирането на динамиката на мехурчетата във флуиди с напрежение на подем предлага път за намаляване на емисиите от хвостохранилищата от нефтени пясъци и отваря врати за иновации в различни индустрии. Реологията е ключов метод за разбиране на основните механизми и по този начин за прогнозиране на поведението и намаляване на емисиите.
Интердисциплинарният изследователски екип на д-р Фригард, фокусиран върху вископластичните флуиди и приложението на ненютоновите свойства на флуидите в индустриалните процеси:




По-долу са изброени няколко статии, в които са представени техните резултати:
В следващите статии са обяснени теоретичните модели, разработени за стабилността на мехурчетата в течности с напрежение на провлачане. В тези теоретични трудове се изследва границата на провлачване на мехурчетата и влиянието на формите на мехурчетата и взаимодействията между тях върху нея.
[1] Pourzahedi, A., Chaparian, E., Roustaei, A., & Frigaard, I. A. (2022). Flow onset for a single bubble in a yield-stress fluid (Началото на потока за единично мехурче във флуид с напрежение на добива) Journal of Fluid Mechanics (Списание за механика на флуидите), 933, A21.
[2] Chaparian, E., & Frigaard, I. A. (2021). Clouds of bubbles in a viscoplastic fluid (Облаци от мехурчета във вископластичен флуид), Journal of Fluid Mechanics, 927, R3.
В следните статии са изследвани растежът и стабилността на мехурчетата в материал с граница на провлачване, като е използван експериментален подход. Ролята на сложната реология на материала, включително неговата еластичност и тиксотропия, е обяснена в следните статии. Също така тук са обяснени различни сценарии за нестабилност на облаците мехурчета и връзката им с реологията и структурата на материала.
[3] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2023). Growth and stability of bubbles in a yield stress fluid (Растеж и стабилност на мехурчета в течност с граница на провлачване). Journal of Fluid Mechanics, 957, A16.
[4] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2024). Growth and static stability of bubble clouds in yield stress fluids (Растеж и статична стабилност на облаци от мехурчета във флуиди с напрежение на течението).
Влиянието на нееднородната реология на материала върху стабилността и миграцията на мехурчетата е подчертано в следващата работа. За изследването на този проблем са използвани числени симулации, съчетани с експерименти.
[5] Zare, M., Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2021). Effects of non-uniform rheology on the motion of bubbles in a yield-stress fluid (Ефекти на нееднородната реология върху движението на мехурчета в течност с напрежение на добива). Journal of Fluid Mechanics, 919, A25.