Kunde-succeshistorie

Reologi og miljøløsninger: En global tilgang til at mindske udledningen af drivhusgasser

Denne feltrapport beskriver professor Ian Frigaards og hans teams indsats ved University of British Columbia i Canada for at forstå og kontrollere gasbobledynamikken i væsker med UdløbsspændingFlydespænding er defineret som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og som en væske, når det giver efter.flydespænding, som dem, der findes i tailingsdamme i oliesand, for at mindske udledningen af drivhusgasser.

Deres forskning udforsker de reologiske egenskaber af modelvæsker som Carbopol-geler og Laponite-suspensioner for bedre at forstå mekanismerne for indeslutning og frigivelse af bobler. Undersøgelserne blev foretaget ved hjælp af NETZSCH Kinexus rheometer. Resultaterne har stor betydning for reduktion af emissioner i forskellige industrier, herunder minedrift, opbevaring af atomaffald og spildevandsbehandling.

Prof. Dr. Ian Frigaard

„Forståelse af bobledynamik i væsker med UdløbsspændingFlydespænding er defineret som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og som en væske, når det giver efter.flydespænding åbner veje til at reducere emissioner fra tailingsdamme i oliesand. Reologi er en vigtig metode til at forstå de underliggende mekanismer og dermed til at forudsige adfærden og udtænke strategier til at reducere udledningen. Disse undersøgelser, der er foretaget med NETZSCH Kinexus rotationsreometer, har store konsekvenser for forskellige industrier, herunder minedrift, opbevaring af atomaffald og spildevandsbehandling.“

Dr. Ian Frigaard er professor ved Institut for Maskinteknik ved University of British Columbia i Canada. Han har specialiseret sig i Ikke-newtonskEn ikke-newtonsk væske er en væske, der har en viskositet, der varierer som en funktion af den påførte forskydningshastighed eller forskydningsspænding.ikke-newtonsk væskemekanik med fokus på industrielle anvendelser af viskoplastiske væsker, især i olieindustrien. Hans tværfaglige forskningsgruppe kombinerer matematiske, eksperimentelle og beregningsmæssige tilgange for at løse problemer som brøndcementering og kontrol af drivhusgasemissioner. Dr. Frigaard er også forfatter til adskillige videnskabelige artikler og har bidraget væsentligt til forståelsen og udviklingen af væskemekanik.

Høje mål: Netto-nuludledning inden 2050

I juni 2021 tog Canada et vigtigt skridt i retning af klimahandling ved at vedtage den canadiske lov om ansvarlighed for netto-nuludledning, som sigter mod at nå netto-nuludledning inden 2050. Denne forpligtelse understreger, at det haster for alle industrier med at undersøge deres emissionsfodaftryk og minimere deres miljøpåvirkning. Oliesandsindustrien er i søgelyset på grund af dens store bidrag til Canadas udledning af drivhusgasser. Nye data viser, at der i 2020 blev udledt ca. syv megaton metan og kuldioxid fra oliesandsdamme, hvor biprodukterne fra oliesandsproduktionsprocessen opbevares.

Regioner som Canada, USA, Brasilien, Rusland og Sydafrika står alle over for lignende udfordringer med tailingsdamme, især i deres mine- og olieudvindingsindustrier.

Professor Ian Frigaard og hans team på University of British Columbia's (UBC) Complex Fluids Group angriber problemet ud fra et væskemekanisk perspektiv. Deres mål er at forstå mekanismen bag boblernes stabilitet og migration i disse systemer, dens forbindelse til materialets reologi og i sidste ende konstruere systemet, så gasboblernes frigivelse og indeslutning kan kontrolleres på en fordelagtig måde. Deres forskning har et betydeligt potentiale, ikke kun for Canada, men for alle lande, hvor industrielle biprodukter skal opbevares sikkert og effektivt. Fra oplagringssteder for atomaffald til gasemissioner fra oliebrønde i Mellemøsten, Centralasien og Latinamerika og endda spildevandsrensningsanlæg i Europa kan forståelsen af gasboblers dynamik i viskoplastiske væsker i høj grad påvirke den globale indsats for at reducere emissioner og fremme bæredygtig praksis.

Forståelse af mekanismen bag boblers stabilitet og vandring ved hjælp af reologi

Tailingsdammene består af FFT-lag (Fine Fluid Tailings) og MFT-lag (Mature Fine Tailings), som består af vand, sand, anaerobe mikroorganismer og nafta. Mikrobiel NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af nafta i disse lag fører til produktion af metan og kuldioxid, hvilket bidrager til udledningen af drivhusgasser.

Tailings-materialerne har karakter af flydespændingsvæsker, der opfører sig som et fast stof under en vis tærskelspænding (UdløbsspændingFlydespænding er defineret som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og som en væske, når det giver efter.flydespænding) og flyder som en væske over denne tærskel, hvilket gør dem i stand til at fastholde gasbobler.

Skematisk oversigt over den lagdelte tailingsdams struktur. Bakteriel NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af nafta i FFT- og MFT-lagene fører til dannelse af metan- og kuldioxidbobler.



Forskningen, der udføres af gruppen for komplekse væsker på UBC, omfatter laboratorieforsøg, modeller og beregninger for at forstå indfangning og frigivelse af bobler, udforske fysiske processer og undersøge, hvordan væskernes reologi potentielt kan kontrollere udledningen af drivhusgasser fra dammene. Kernen i dette grundlæggende forskningsstudie er at bestemme eftergivelsesgrænsen for den statiske stabilitet af bobler i væsker med UdløbsspændingFlydespænding er defineret som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og som en væske, når det giver efter.flydespænding og etablere forbindelsen til disse materialers komplekse reologi, herunder flydespænding, elasticitet og tixotropisk adfærd. De reologiske undersøgelser er udført ved hjælp afNETZSCH Kinexus Pro + reometer. De brugte Carbopol-geler og Laponite som modeller for henholdsvis simple flydespændingsvæsker og thixotrope flydespændingsvæsker.

Modelvæskers reologiske opførsel

De repræsentative reologiske kurver for Carbopol-geler er vist i den følgende figur. Carbopols reologi blev målt gennem en forskydningshastighedskontrolleret ramp-up- og ramp-down-test ved hjælp af en ru parallelpladegeometri. Over flydegrænsen blev der ikke observeret nogen tixotropisk opførsel. Under flydegrænsen forårsagede gelens elastiske respons en afvigelse mellem ramp-up- og ramp-down-flowkurverne. Indsatsen i denne figur viser det elastiske modul (G') og det viskøse modul (G'') som funktioner af belastningsamplituden, opnået fra en amplitude sweep-test ved en frekvens på 2 rad/s. For belastningsamplituder under ca. 0,1 % forbliver begge moduler konstante, hvilket indikerer lineær opførsel.

Disse resultater viser, at Carbopol ved koncentrationer under 2 % opfører sig som en simpel elasto-viskoplastisk væske uden mærkbar tixotropisk opførsel.

Carbopol 0,15 % (simpel flydespændingsvæske) [3]

Repræsentative reologiske kurver for Carbopol-geler (Carbopol). Denne figur viser flowkurverne fra en ramp-up (sort) og ramp-down (rød) shear rate-kontrolleret test. Indsatsen viser det elastiske modul (sort) og det viskøse modul (rød) som funktioner af belastningsamplituden. Resultaterne viser tydeligt, at Carbopol i relativt lave koncentrationer (under 2 %) kan betragtes som en simpel elasto-viskoplastisk væske uden mærkbar thixotropisk adfærd.
NETZSCH Kinexus Pro + rotationsreometer

Laponit er blevet bekræftet som en modelvæske, der udviser tixotropisk opførsel gennem en række reologiske tests. Den følgende figur viser flowkurven for en 1 % Laponite-prøve, der har været i hvile i 10 minutter efter en forudgående forskydning. Oven på hvileperioden blev prøven udsat for en StressStress defineres som et kraftniveau, der påføres en prøve med et veldefineret tværsnit. (Spænding = kraft/areal). Prøver med et cirkulært eller rektangulært tværsnit kan komprimeres eller strækkes. Elastiske materialer som gummi kan strækkes op til 5 til 10 gange deres oprindelige længde.stress-kontrolleret ramp-up (cirkler) og ramp-down (nedadpegende trekanter) ved hjælp af en ru geometri. Materialets tiksotrope opførsel viser sig i den tydelige forskel mellem ramp-up- og ramp-down-kurverne. De målte også det elastiske modul (firkanter) og viskositetsmodulet (plustegn) i forhold til StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning ved hjælp af et dynamisk sweep af belastningsamplituden ved en frekvens på 2 Hz. Resultaterne, som er vist i den indsatte del af den følgende figur, bekræftede materialets lineære viskoelastiske opførsel ved belastninger under 1 %.

Laponite 1% (thixotropisk flydespændingsvæske): Flowkurver [4]

Repræsentative reologikurver for en Laponite-suspension (Laponite 1 %):

Denne figur viser ramp-up- og ramp-down-flowkurverne fra en forskydningshastighedskontrolleret test. Der er en tydelig hysterese i flowkurverne, som markerer materialets thixotropiske opførsel. Materialets dynamiske opførsel målt ved hjælp af en amplitude sweep-test er vist i indsatse i denne figur. Resultaterne viser, at Laponite er en passende model for en tidsafhængig viskoplastisk væske.





Laponite 1% (thixotropisk flydespændingsvæske): statiske og dynamiske flydespændinger [4]

Enkelt forskydningshastighedstest for en Laponite-suspension (Laponite 1 %): Testen blev udført for en prøve ved forskellige ældningstider, herunder 10 minutter (rød), 2 timer (blå) og 2 dage (sort). Materialet blev udsat for en konstant lav forskydningshastighed på 0,001/s efter en hvileperiode efter en 100/s forskydning i 2 minutter. Resultaterne viser væksten i den statiske flydespænding (markeret med fyldte cirkler) med ældningstiden.

Vigtige resultater:

Sammenfattende har denne forskning afdækket to forskellige mekanismer, der styrer boblefrigørelsen fra væsker med flydespænding. I en homogen gel med ikke-thixotropisk opførsel dannes der en kvasi-uniform boblesky, og materialets overordnede reologiske egenskaber, kombineret med boblernes nærhed, dikterer deres frigivelse og indeslutning i systemet. Ved en ret høj gaskoncentration kan dette føre til, at bobleskyen brister, når den statiske ustabilitet begynder. Men når tidsafhængig reologi (tixotropi) kommer i spil, bliver det fysiske billede af problemet mere indviklet.

Materialernes uensartede struktur, der skyldes deres forskydningshistoriske reologi, fører til dannelsen af beskadigede lag, hvor materialestrukturen er svagere. Tilstedeværelsen af disse beskadigede lag i materialet har stor indflydelse på frigivelse og indeslutning af bobler og forhindrer gasakkumulering. I dette tilfælde opstår de polydisperse boblesuspensioner, og boblefrigivelsen sker gradvist gennem beskadigede lag i stedet for pludseligt.

Mekanisme for frigivelse af bobler [4]

Normaliseret standardafvigelse af intensitet(I) i sekventielle billeder af bobler, taget lige efter ustabiliteten begyndte for (a) en simpel flydespændingsvæske og (b) en thixotropisk flydespændingsvæske. Begge geler har et højt indledende gasindhold. De hvide pletter på billederne angiver områder, hvor boblerne bevæger sig i gelen, mens de mørke pletter repræsenterer områder, hvor boblerne er stillestående. Den netværkslignende struktur i panel (b) tyder på, at boblerne følger genbrugte veje.

Når større bobler slipper ud til overfladen, svækker lokal forskydning gelen på grund af materialets forskydningshistorieafhængige reologi og danner usynlige kanaler med mindre modstand. Boblerne vandrer derefter mod disse kanaler, hvilket skaber laterale svækkede lag og til sidst usynlige netværk af beskadigede lag, der er forbundet med lodrette kanaler.

Disse netværk gør det muligt gradvist at frigive mindre bobler, hvilket forhindrer ophobning af bobler og dermed fungerer som sikkerhedsventiler i systemet.

Bredere anvendelser:

Selv om denne forskning primært er motiveret af spørgsmålet om udledning af drivhusgasser fra tailings fra oliesand, har resultaterne vidtrækkende konsekvenser. At forstå, hvordan gas indfanges og udledes i viskoplastiske væsker, kan bruges på flere andre områder: For eksempel kan opbevaring af atomaffald føre til "boble- og slamproblemer", spildevandsbehandling involverer ikke-newtonske suspensioner og gasbobler, og olie- og gasbrønde oplever gasspark under konstruktionen, hvor bobleudbredelse gennem flydespændingsvæsker er almindelig. Andre anvendelser omfatter opskumning af beton til byggeri og chokolade til smagsforbedring.

Sammenfattende kan man sige, at forståelsen af bobledynamik i flydespændingsvæsker giver mulighed for at reducere udledningen fra tailings fra oliesand og åbner døre til innovationer på tværs af forskellige industrier. Reologi er en vigtig metode til at forstå de underliggende mekanismer og dermed til at forudsige adfærden og reducere emissionerne.

Dr. Frigaards tværfaglige forskningsteam fokuserer på viskoplastiske væsker og anvendelsen af ikke-newtonske væskeegenskaber i industrielle processer:
Dr. Marjan Zare, postdoktoral forsker ved Institut for Maskinteknik, Massachusetts Institute of Technology
Dr. Masoud Daneshi, reologiforsker hos NETZSCH Instruments Inc, Burlington, Massachusetts
Dr. Emad Chaparian, adjunkt i maskin- og rumfartsteknik, University of Strathclyde
Ali Pourzahedi, ph.d.-studerende Institut for Maskinteknik, University of British Columbia

Nogle få artikler, der viser deres resultater, er anført nedenfor:

De følgende artikler forklarer de teoretiske modeller, der er udviklet for boblers stabilitet i væsker med flydespænding. Eftergivelsesgrænsen for boblerne og virkningerne af boblernes form og interaktioner på den undersøges i disse teoretiske værker.

[1] Pourzahedi, A., Chaparian, E., Roustaei, A., & Frigaard, I. A. (2022). Flowstart for en enkelt boble i en væske med flydespænding. Journal of Fluid Mechanics, 933, A21.

[2] Chaparian, E., & Frigaard, I. A. (2021). Skyer af bobler i en viskoplastisk væske. Journal of Fluid Mechanics, 927, R3.

De følgende artikler undersøgte boblernes vækst og stabilitet i materiale med flydespænding ved hjælp af en eksperimentel tilgang. Den rolle, som materialets komplekse reologi spiller, herunder dets elasticitet og ThixotropiFor de fleste væsker er forskydningsfortynding reversibel, og væskerne vil på et tidspunkt genvinde deres oprindelige viskositet, når forskydningskraften fjernes.thixotropi, forklares i de følgende artikler. Her forklares også forskellige scenarier for ustabilitet i bobleskyer og deres forbindelse til materialets reologi og struktur.

[3] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2023). Vækst og stabilitet af bobler i en flydespændingsvæske. Journal of Fluid Mechanics, 957, A16.

[4] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2024). Vækst og statisk stabilitet af bobleskyer i væsker med flydespænding. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 327, 105217.

Effekten af materialets uensartede reologi på boblernes stabilitet og migration belyses i det følgende arbejde. Numeriske simuleringer kombineret med eksperimenter bruges til at undersøge dette problem.

[5] Zare, M., Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2021). Effekter af uensartet reologi på boblers bevægelse i en væske med flydespænding. Journal of Fluid Mechanics, 919, A25.

Del denne historie: