Příběh úspěchu zákazníka
Reologie a environmentální řešení: Globální přístup ke snižování emisí skleníkových plynů
Tato zpráva z terénu pojednává o úsilí profesora Iana Frigaarda a jeho týmu z Univerzity Britské Kolumbie v Kanadě o pochopení a řízení dynamiky plynových bublin v kapalinách s výtěžným napětím, jaké se vyskytují například v odkalištích ropných písků, s cílem zmírnit emise skleníkových plynů.
Jejich výzkum zkoumá reologické vlastnosti modelových kapalin, jako jsou gely Carbopol a suspenze Laponite, aby lépe porozuměli mechanismům zachycování a uvolňování bublin. Studie byly provedeny pomocí reometru NETZSCH Kinexus. Zjištění mají široký význam pro snižování emisí v různých průmyslových odvětvích, včetně těžby, skladování jaderného odpadu a čištění odpadních vod.
“Pochopení dynamiky bublin v kapalinách s výtěžným napětím otevírá cesty ke snížení emisí z odkališť ropných písků. Reologie je klíčovou metodou pro pochopení základních mechanismů, a tím i pro předvídání chování a vymýšlení strategií ke snížení emisí. Tyto studie, provedené pomocí rotačního reometru NETZSCH Kinexus, mají široký význam pro různá průmyslová odvětví, včetně těžby, skladování jaderného odpadu a čištění odpadních vod.”
Dr. Ian Frigaard je profesorem na katedře strojního inženýrství na University of British Columbia v Kanadě. Specializuje se na nenewtonskou mechaniku tekutin se zaměřením na průmyslové aplikace viskoplastických tekutin, zejména v ropném průmyslu. Jeho interdisciplinární výzkumná skupina kombinuje matematické, experimentální a výpočetní přístupy k řešení otázek, jako je cementování vrtů a kontrola emisí skleníkových plynů. Dr. Frigaard je rovněž autorem řady vědeckých prací, které významně přispěly k pochopení a rozvoji mechaniky tekutin.
Vysoké cíle: Čisté nulové emise do roku 2050
V červnu 2021 učinila Kanada významný krok k opatřením v oblasti klimatu, když přijala kanadský zákon o odpovědnosti za nulové emise, jehož cílem je dosáhnout nulových čistých emisí do roku 2050. Tento závazek podtrhuje naléhavost toho, aby všechna průmyslová odvětví zkoumala svou emisní stopu a minimalizovala své dopady na životní prostředí. Průmysl ropných písků je v centru pozornosti kvůli svému významnému podílu na emisích skleníkových plynů v Kanadě. Nedávné údaje ukazují, že v roce 2020 bylo z odkališť ropných písků, kde se ukládají vedlejší produkty procesu těžby ropných písků, vypuštěno přibližně sedm megatun metanu a oxidu uhličitého.
Regiony jako Kanada, Spojené státy, Brazílie, Rusko a Jihoafrická republika čelí podobným problémům s odkališti, zejména ve svém těžebním průmyslu a při těžbě ropy.
Profesor Ian Frigaard a jeho tým ze skupiny pro komplexní tekutiny na Univerzitě Britské Kolumbie (UBC) se touto problematikou zabývají z pohledu mechaniky tekutin. Jejich cílem je pochopit mechanismus stability a migrace bublin v těchto systémech, jeho souvislost s reologií materiálu a nakonec navrhnout systém tak, aby bylo možné uvolňování a zachycování bublin plynu výhodně řídit. Jejich výzkum má významný potenciál nejen pro Kanadu, ale pro všechny země, kde je třeba bezpečně a efektivně skladovat vedlejší průmyslové produkty. Pochopení dynamiky plynových bublin ve viskoplastických kapalinách by mohlo významně ovlivnit celosvětové úsilí o snížení emisí a podporu udržitelných postupů - od úložišť jaderného odpadu přes emise plynů z ropných vrtů na Blízkém východě, ve Střední Asii a Latinské Americe až po čistírny odpadních vod v Evropě.
Pochopení mechanismu stability a migrace bublin pomocí reologie
Odkaliště se skládají z vrstev FFT (Fine Fluid Tailings) a MFT (Mature Fine Tailings), které obsahují vodu, písek, anaerobní mikroorganismy a naftu. Mikrobiální Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad nafty v těchto vrstvách vede k produkci metanu a oxidu uhličitého, což přispívá k emisím skleníkových plynů.
Materiály hlušiny vykazují vlastnosti tekutin s mezním napětím, pod určitým mezním napětím (mezní napětí) se chovají jako pevná látka a nad touto mezí tečou jako kapalina, což jim umožňuje zadržovat plynové bubliny.
Výzkum prováděný skupinou pro komplexní tekutiny na UBC zahrnuje laboratorní experimenty, modely a výpočty, jejichž cílem je porozumět zachycování a uvolňování bublin, prozkoumat fyzikální procesy a zjistit, jak může reologie tekutin potenciálně ovlivnit emise skleníkových plynů z rybníků. Jádrem této základní výzkumné studie je určení meze únosnosti pro statickou stabilitu bublin v tekutinách s mezí kluzu a zjištění jejího spojení s komplexní reologií těchto materiálů, včetně meze kluzu, pružnosti a tixotropního chování. Reologické studie byly provedeny pomocí reometruNETZSCH Kinexus Pro+. Jako modely jednoduchých tekutin s mezí kluzu a tixotropních tekutin s mezí kluzu byly použity gely Carbopol a Laponit.
Reologické chování modelových kapalin
Reprezentativní reologické křivky pro gely Carbopol jsou uvedeny na následujícím obrázku. Reologie karbopolu byla měřena pomocí testu řízeného náběhem a poklesem smykové rychlosti s použitím geometrie zdrsněné paralelní desky. Nad bodem kluzu nebylo pozorováno žádné tixotropní chování. Pod bodem kluzu způsobila elastická odezva gelu odchylku mezi křivkami toku při náběhu a poklesu. Vložka tohoto obrázku ukazuje Modul pružnostiKomplexní modul pružnosti (pružná složka), modul skladování nebo G' je "reálná" část vzorků celkového komplexního modulu pružnosti. Tato pružná složka udává pevnou nebo fázovou odezvu měřeného vzorku. modul pružnosti (G') a viskózní modul (G'') jako funkce amplitudy deformace, získané ze zkoušky amplitudovým šroubováním při frekvenci 2 rad/s. Pro amplitudy deformace nižší než přibližně 0,1 % zůstávají oba moduly konstantní, což ukazuje na lineární chování.
Tato zjištění ukazují, že karbopol se při koncentracích pod 2 % chová jako jednoduchá elasto-viskoplastická tekutina bez zřetelného tixotropního chování.
Karbopol 0,15 % (jednoduchá tekutina s mezí kluzu) [3]
Laponit byl sérií reologických testů potvrzen jako modelová kapalina vykazující tixotropní chování. Na následujícím obrázku je znázorněna toková křivka pro 1% vzorek laponitu, který byl po předstřihnutí v klidu po dobu 10 minut. Po uplynutí doby klidu byl vzorek podroben nárůstu (kruhy) a poklesu (trojúhelníky směřující dolů) řízenému napětím za použití zdrsněné geometrie. Tixotropní chování materiálu se projevuje zřetelným rozdílem mezi křivkami náběhu a poklesu. Měřili také Modul pružnostiKomplexní modul pružnosti (pružná složka), modul skladování nebo G' je "reálná" část vzorků celkového komplexního modulu pružnosti. Tato pružná složka udává pevnou nebo fázovou odezvu měřeného vzorku. modul pružnosti (čtverce) a Viskozní modulKomplexní modul (viskózní složka), ztrátový modul nebo G'' je "imaginární" část vzorků celkového komplexního modulu. Tato viskózní složka udává kapalnou nebo nefázovou odezvu měřeného vzorku. modul viskozity (znaménka plus) v závislosti na deformaci, a to prostřednictvím dynamického procházení amplitudy deformace při frekvenci 2 Hz. Výsledky, které jsou zobrazeny na vložce následujícího obrázku, potvrdily lineární viskoelastické chování materiálu při deformaci pod 1 %.
Laponit 1 % (tixotropní kapalina s mezí kluzu): Průtokové křivky [4]
Reprezentativní reologické křivky pro suspenzi laponitu (laponit 1 %):
Na tomto obrázku jsou zobrazeny křivky nárůstu a poklesu toku získané ze zkoušky řízené smykovou rychlostí. V křivkách toku je patrná hystereze, která značí tixotropní chování materiálu. Dynamické chování materiálu měřené pomocí zkoušky amplitudovým šviháním je znázorněno na vložce tohoto obrázku. Výsledky ukazují, že laponit je vhodným modelem pro časově závislou viskoplastickou tekutinu.
Laponit 1% (tixotropní kapalina s mezí kluzu): statické a dynamické meze kluzu [4]
Zkoušky s jednoduchou smykovou rychlostí pro suspenzi laponitu (Laponit 1%): Zkouška byla provedena pro vzorek při různých dobách stárnutí, včetně 10 min (červená), 2 h (modrá) a 2 dny (černá). Materiál byl po klidovém období po předstřihu 100/s po dobu 2 min vystaven konstantní nízké smykové rychlosti 0,001/s. Výsledky ukazují růst statické meze kluzu (označené vyplněnými kroužky) s dobou stárnutí.
Hlavní zjištění:
Souhrnně lze říci, že tento výzkum odhalil dva odlišné mechanismy, kterými se řídí uvolňování bublin z kapalin s mezí kluzu. V homogenním gelu s ne-tixotropním chováním se vytváří kvazi-jednotný oblak bublin a celkové reologické vlastnosti materiálu spolu s blízkostí bublin určují jejich uvolňování a zachycení v systému. Při poměrně vysoké koncentraci plynu to může vést k prasknutí oblaku bublin při nástupu statické nestability. Když však do hry vstoupí reologie závislá na čase (TixotropieU většiny kapalin je smykové zřeďování vratné a kapaliny v určitém okamžiku získají původní viskozitu, když se odstraní smyková síla.tixotropie), stává se fyzikální obraz problému složitějším.
Nerovnoměrná struktura materiálů pocházející z jejich reologie závislé na historii smyku vede ke vzniku poškozených vrstev, v nichž je struktura materiálu slabší. Přítomnost těchto poškozených vrstev v materiálu významně ovlivňuje uvolňování a zachycování bublin a brání akumulaci plynu. V tomto případě vznikají polydisperzní bublinové suspenze a k uvolňování bublin dochází postupně přes poškozené vrstvy, nikoli náhle.
Mechanismus uvolňování bublin [4]
Normalizovaná směrodatná odchylka intenzity(I) v sekvenčních snímcích bublin zachycených bezprostředně po nástupu nestability pro (a) jednoduchou tekutinu s mezí kluzu a (b) tixotropní tekutinu s mezí kluzu. Oba gely mají vysoký počáteční obsah plynu. Bílá místa na snímcích označují oblasti, kde se bubliny v gelu pohybují, zatímco tmavá místa představují oblasti, kde bubliny stagnují. Síťovitá struktura na panelu (b) naznačuje, že bubliny sledují znovu použité cesty.
Jak větší bubliny unikají na povrch, lokální smyk oslabuje gel v důsledku reologie materiálu závislé na historii smyku a vytváří neviditelné kanály s menším odporem. Bubliny pak migrují směrem k těmto kanálům, čímž se vytvářejí boční oslabené vrstvy a nakonec neviditelné sítě poškozených vrstev napojených na vertikální kanály.
Tyto sítě umožňují postupné uvolňování menších bublinek, čímž zabraňují jejich hromadění a fungují tak jako bezpečnostní ventily v systému.
Širší aplikace:
Ačkoli je tento výzkum motivován především problematikou emisí skleníkových plynů z odkališť ropných písků, jeho výsledky mají dalekosáhlé důsledky. Pochopení toho, jak se plyn zachycuje a uvolňuje ve viskoplastických tekutinách, má uplatnění v několika dalších oblastech: Například skladování jaderného odpadu může vést k problémům s "bublinami a kaly", čištění odpadních vod (kanalizace) zahrnuje nenewtonské suspenze a plynové bubliny a ropné a plynové vrty se setkávají s výrony plynu během výstavby, kde je běžné šíření bublin v tekutinách s napětím v únosnosti. Mezi další aplikace patří napěňování betonu pro stavebnictví a čokolády pro zlepšení chuti.
Závěrem lze říci, že pochopení dynamiky bublin v kapalinách s výtěžným napětím nabízí cestu ke snížení emisí z odkališť ropných písků a otevírá dveře inovacím v různých průmyslových odvětvích. Reologie je klíčovou metodou k pochopení základních mechanismů, a tím i k předvídání chování a snižování emisí.
Mezioborový výzkumný tým Dr. Frigaarda, který se zaměřuje na viskoplastické kapaliny a využití nenewtonských vlastností kapalin v průmyslových procesech:
Níže je uvedeno několik dokumentů, které ukazují jejich výsledky:
V následujících článcích byly vysvětleny teoretické modely vyvinuté pro stabilitu bublin v tekutinách s mezí kluzu. V těchto teoretických pracích je studována Mez kluzuMez kluzu je definována jako napětí, pod nímž nedochází k toku; v klidu se chová doslova jako slabá pevná látka a při poddajnosti jako kapalina.mez kluzu bublin a vliv tvaru bublin a jejich interakcí na ni.
[1] Pourzahedi, A., Chaparian, E., Roustaei, A., & Frigaard, I. A. (2022). Flow onset for a single bubble in a yield-stress fluid [Nástup proudění pro jednu bublinu v kapalině s výtěžkem]. Journal of Fluid Mechanics, 933, A21.
[2] Chaparian, E., & Frigaard, I. A. (2021). Clouds of bubbles in a viscoplastic fluid [Mraky bublin ve viskoplastické tekutině]. Journal of Fluid Mechanics, 927, R3.
Následující práce studovaly růst a stabilitu bublin v materiálu s mezí kluzu pomocí experimentálního přístupu. V následujících článcích je vysvětlena úloha komplexní reologie materiálu včetně jeho elasticity a TixotropieU většiny kapalin je smykové zřeďování vratné a kapaliny v určitém okamžiku získají původní viskozitu, když se odstraní smyková síla.tixotropie. Rovněž jsou zde vysvětleny různé scénáře nestability mraků bublin a jejich souvislost s reologií a strukturou materiálu.
[3] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2023). Growth and stability of bubbles in a yield stress fluid [Růst a stabilita bublin v tekutině s mezí kluzu]. Journal of Fluid Mechanics, 957, A16.
[4] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2024). Growth and static stability of bubble clouds in yield stress fluids [Růst a statická stabilita bublinových oblaků v tekutinách s mezí kluzu]. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 327, 105217.
Na vliv nerovnoměrné reologie materiálu na stabilitu a migraci bublin upozorňuje následující práce. Ke zkoumání tohoto problému jsou použity numerické simulace v kombinaci s experimenty.
[5] Zare, M., Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2021). Effects of non-uniform reology on the motion of bubbles in a yield-stress fluid [Vliv nerovnoměrné reologie na pohyb bublin v kapalině s výtěžností]. Journal of Fluid Mechanics, 919, A25.