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Rheologie und Nachhaltigkeit: Ein globaler Ansatz zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen
Dieser Erfahrungsbericht beschreibt den Ansatz von Professor Ian Frigaard und seinem Team an der University of British Columbia in Kanada, die Dynamik von Gasblasen in Flüssigkeiten mit einer Fließgrenze, wie sie in Ölsandabsetzbecken auftritt, zu verstehen und zu kontrollieren, um Treibhausgasemissionen zu reduzieren.
Die Forscher untersuchen die rheologischen Eigenschaften von Modellflüssigkeiten wie Carbopolgelen und Laponitsuspensionen zum besseren Verständnis der Mechanismen der Blaseneinschließung und -freisetzung. Die Untersuchungen wurden mit dem NETZSCH Kinexus Rheometer durchgeführt. Die Ergebnisse haben weitreichende Auswirkungen auf die Reduzierung von Emissionen in verschiedenen Industriezweigen, einschließlich Bergbau, Lagerung nuklearer Abfälle und Abwasseraufbereitung.
“Das Verständnis der Blasendynamik in Flüssigkeiten mit Fließgrenze bietet einen Weg zur Reduzierung von Emissionen aus Ölsandabfällen. Die Rheologie ist eine Schlüsselmethode, um die zugrundeliegenden Mechanismen zu verstehen und somit das Verhalten vorherzusagen und Emissionen zu verringern. Die mit dem Kinexus Rotationsrheometer durchgeführten Studien haben weitreichende Auswirkungen auf viele Industriezweige, einschließlich Bergbau, Lagerung nuklearer Abfälle und Abwasseraufbereitung.”
Dr. Ian Frigaard ist Professor an der Fakultät für Maschinenbau der University of British Columbia, Kanada (UBC). Er hat sich auf die Nicht-Newtonsche Strömungsmechanik mit Schwerpunkt auf industriellen Anwendungen viskoplastischer Flüssigkeiten, insbesondere in der Erdölindustrie, spezialisiert. Seine interdisziplinäre Forschungsgruppe kombiniert mathematische, experimentelle und computergestützte Ansätze, um Themen wie die Zementierung von Bohrlöchern und die Kontrolle von Treibhausgasemissionen zu adressieren. Dr. Frigaard ist Autor zahlreicher wissenschaftlicher Veröffentlichungen, die einen wichtigen Beitrag zum Verständnis und zur Weiterentwicklung der Strömungsmechanik leisten.
Ehrgeizige Ziele: Netto-Null-Emissionen bis 2050
Im Juni 2021 hat Kanada mit der Verabschiedung des kanadischen Gesetzes zur Verantwortung für Netto-Null-Emissionen (Net-Zero Emissions Accountability Act) einen wichtigen Schritt in Richtung Klimaschutz unternommen, um bis 2050 Netto-Null-Emissionen zu erreichen. Diese Verpflichtung unterstreicht die Dringlichkeit für alle Industrien, ihren Emissionsfußabdruck zu überprüfen und ihre Umweltauswirkungen zu minimieren. Die Ölsandindustrie steht aufgrund ihres großen Beitrags zu Treibhausgasemissionen in Kanada im Rampenlicht. Jüngste Daten zeigten, dass im Jahr 2020 etwa sieben Megatonnen Methan und Kohlendioxid aus den Absetzteichen der Ölsandindustrie emittiert wurden, in denen die Nebenprodukte des Ölsandabbaus gelagert werden.
Regionen wie Kanada, die USA, Brasilien, Russland und Südafrika stehen vor ähnlichen Problemen mit Absetzteichen, insbesondere in ihren Bergbau- und Ölförderindustrien.
Professor Ian Frigaard und sein Team von der Complex Fluids Group an der UBC nähern sich dem Thema aus der Perspektive der Strömungsmechanik. Ihr Ziel ist es, die Mechanismen der Blasenstabilität und der Blasenmigration in diesen Systemen zu verstehen, den Zusammenhang mit Hilfe der Rheologie aufzuklären und schließlich das System so zu gestalten, dass die Freisetzung und der Einschluss von Gasblasen vorteilhaft gesteuert werden können. Ihre Forschung birgt ein erhebliches Potenzial nicht nur für Kanada, sondern für alle Länder, in denen industrielle Nebenprodukte sicher und effizient gelagert werden müssen. Von der Lagerung nuklearer Abfälle über Gasemissionen aus Ölquellen im Nahen Osten, Zentralasien und Lateinamerika bis hin zu Kläranlagen in Europa könnte das Verständnis der Dynamik von Gasblasen in viskoplastischen Flüssigkeiten einen großen Einfluss auf die weltweiten Bemühungen zur Verringerung von Emissionen und zur Förderung nachhaltiger Praktiken haben.
Den Mechanismus der Blasenstabilität und -migration mit Hilfe der Rheologie verstehen
Ein Absetzbecken besteht aus FFT- (Fine Fluid Tailings) and MFT-Schichten (Mature Fine Tailings), die Wasser, Sand, anaerobe Mikroorganismen und Naphtha enthalten. Der mikrobielle Abbau von Naphtha in diesen Schichten führt zur Produktion von Methan und Kohlendioxid, was zu Treibhausgasemissionen beiträgt.
Tailings weisen die Eigenschaften von Fluiden mit Fließgrenze auf, d.h. sie verhalten sich unterhalb einer bestimmten Fließgrenze wie ein Feststoff und oberhalb dieser Grenze wie eine Flüssigkeit, wodurch sie in der Lage sind, Gasblasen zurückzuhalten.
Die Forschungsarbeit der Gruppe an komplexen Fluiden an der UBC umfasst Laborexperimente, Modellierungen und Berechnungen, um den Einschluss und die Freisetzung von Blasen zu verstehen, die physikalischen Prozesse zu untersuchen und zu erforschen, wie mittels Rheologie die Treibhausgasemissionen aus den Absetzbecken kontrolliert werden können. Im Mittelpunkt dieser grundlegenden Forschungsstudie steht die Bestimmung der Fließgrenze für die statische Stabilität von Blasen in Flüssigkeiten mit Fließgrenze und deren Zusammenhang mit der Rheologie dieser Materialien, einschließlich Fließgrenze, Elastizität und thixotropem Verhalten. Die rheologischen Untersuchungen wurden mit dem NETZSCH Kinexus Pro+ Rheometer durchgeführt. Als Modellfluide mit Fließgrenze bzw. thixotrope Flüssigkeiten mit Fließgrenze dienten Carbopol-Gele und Laponit.
Rheologische Verhalten der Modellflüssigkeiten:
Die repräsentativen rheologischen Kurven für Carbopol-Gele sind in folgender Abbildung dargestellt. Die Rheologie von Carbopol wurde durch einen scherratengeregelten Scherratentest mit zunehmender und absteigender Scherrate, wobei aufgeraute Parallelplattengeometrie verwendet wurden. Oberhalb der Fließgrenze wurde kein thixotropes Verhalten beobachtet. Unterhalb der Fließgrenze verursachte das elastische Verhalten des Gels eine Abweichung zwischen der Aufwärts- und der Abwärts-Fließkurve. Die Abbildung zeigt das Elastizitätsmodul (G') und den Verlustmodul (G'') in Abhängigkeit von der Scheramplitude, erhalten aus einem Amplituden-Sweep mit einer Frequenz von 2 rad/s. Bei Scheramplituden unter ca. 0,1 % bleiben beide Module konstant, was auf ein lineares Verhalten hinweist.
Diese Ergebnisse zeigen, dass sich Carbopol bei Konzentrationen unter 2 % wie eine einfache elastoviskoplastische Flüssigkeit ohne erkennbares thixotropes Verhalten verhält.
Carbopol 0.15% (Fluid mit einfacher Fließgrenze) [3]
Laponit hat sich in einer Reihe von rheologischen Tests als Modellflüssigkeit mit thixotropem Verhalten erwiesen. Die folgende Abbildung zeigt die Fließkurve einer 1%igen Laponitprobe mit einer 10-minütigen Ruhezeit nach der Vorscherung. Nach der Ruhezeit wurde die Probe unter Verwendung einer aufgerauten Geometrie einem schubspannungsgesteuerten Versuchs mit zunehmender Schubspannung (Kreise) und absteigender Schubspannung (nach unten zeigende Dreiecke untersucht. Das thixotrope Verhalten des Materials zeigt sich in der erkennbaren Diskrepanz zwischen den Up- und Down-Kurven. Zusätzlich wurden der Elastizitätsmodul (Quadrate) und der Verlustmodul (Pluszeichen) in Abhängigkeit von der Scherung mittels dynamischem Scheramplituden-Sweep mit einer Frequenz von 2 Hz gemessen. Die in der folgenden Abbildung dargestellten Ergebnisse bestätigen das lineare viskoelastische Verhalten des Materials bei Scherung unter 1 %.
Laponit 1 % (Fluid mit thixotroper Fließgrenze): Fließkurven [4]
Repräsentative Rheologiekurven für eine Laponit-Suspension (Laponit 1 %):
Die Abbildung zeigt die Fließkurven aus einem scherratengeregelten Versuch mit ansteigendem und abfallendem Verlauf. In den Fließkurven ist eine Hysterese zu erkennen, die das thixotrope Verhalten des Materials charakterisiert. Das mittels Amplituden-Sweep-Test gemessene dynamische Materialverhalten ist im Inset dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass Laponit ein geeignetes Modell für ein zeitabhängiges viskoplastisches Fluid ist.
Laponit 1 % (Fluid mit thixotroper Fließgrenze): statische und dynamische Fließgrenzen [4]
Einzelne Scherratentests an einer Laponit-Suspension (Laponit 1 %): Der Test wurde an einer Probe mit verschiedenen Alterungszeiten durchgeführt, darunter 10 Minuten (rot), 2 Stunden (blau) und 2 Tage (schwarz). Das Material wurde nach einer Ruhezeit und einer Vorscherung von 100/s für 2 Minuten einer konstanten niedrigen Scherrate von 0,001/s ausgesetzt. Die Ergebnisse zeigen den Anstieg der statischen Fließgrenze (gefüllte Kreise) mit der Alterungszeit.
Die wesentlichen Ergebnisse
Diese Forschungsarbeit lässt zwei unterschiedliche Mechanismen erkennen, die die Blasenfreisetzung von Flüssigkeiten mit Fließgrenze dominieren. In einem homogenen Gel mit nicht-thixotropem Verhalten bildet sich eine quasi-uniforme Blasenwolke, und die allgemeinen rheologischen Eigenschaften des Materials, gekoppelt mit der Blasennähe, bestimmen ihre Freisetzung und ihren Einschluss im System. Bei einer relativ hohen Gaskonzentration kann dies zum Platzen der Blasenwolke führen, wenn statische Instabilität auftritt. Kommt jedoch die zeitabhängige Rheologie (ThixotropieBei den meisten Flüssigkeiten ist die Scherverdünnung reversible, und die Flüssigkeiten erhalten ihre ursprüngliche Viskosität, wenn die Scherkraft aufgehoben wird. Ist dieser Relaxationsprozess ausreichend zeitabhängig, wird die Flüssigkeit als thixotrop angesehen.Thixotropie) ins Spiel, wird das physikalische Bild des Problems noch komplizierter.
Die ungleichmäßige Struktur der Materialien, die sich aus ihrer von der Schergeschichte abhängigen Rheologie ergibt, führt zur Bildung geschädigter Schichten, in denen die Materialstruktur schwächer ist. Das Vorhandensein dieser beschädigten Schichten im Material hat einen erheblichen Einfluss auf die Freisetzung und den Einschluss von Blasen und verhindert die Gasansammlung. In diesem Fall bilden sich polydisperse Blasensuspensionen und die Blasenfreisetzung erfolgt nicht plötzlich, sondern aufgrund der beschädigten Schichten stufenweise.
Mechanismus der Blasenfreisetzung [4]
Normalisierte Standardabweichung der Intensität (I) in Bildsequenzen der Blasen, die unmittelbar nach Beginn der Instabilität aufgenommen wurden, für (a) eine Flüssigkeit mit einfacher Fließgrenze und (b) eine Flüssigkeit mit thixotroper Fließgrenze. Beide Gele haben einen hohen anfänglichen Gasgehalt. Die weißen Punkte in den Bildern zeigen Bereiche, in denen sich die Blasen im Gel bewegen, während die dunklen Punkte Bereiche darstellen, in denen die Blasen stagnieren.
Die netzartige Struktur in Abbildung (b) deutet darauf hin, dass die Blasen wiederverwendeten Bahnen folgen. Treten größere Blasen an der Oberfläche aus, wird das Gel aufgrund der von der Schergeschichte abhängigen Rheologie des Materials durch lokale Scherung geschwächt, wodurch unsichtbare Kanäle mit geringerem Widerstand entstehen. Die Blasen wandern dann in Richtung dieser Kanäle und bilden seitlich geschwächte Schichten und schließlich unsichtbare Netzwerke von geschwächten Schichten, die mit vertikalen Kanälen verbunden sind.
Diese Netze ermöglichen die allmähliche Freisetzung kleinerer Blasen, verhindern die Ansammlung von Blasen und wirken somit als Sicherheitsventil im System.
Breitere Anwendungen
Auch wenn diese Forschungsarbeit primär durch das Problem von Treibhausgasemissionen aus dem Ölsandabbau motiviert ist, haben die Ergebnisse weitreichende Konsequenzen. Das Verständnis, wie Gas in viskosen Flüssigkeiten eingeschlossen und freigesetzt wird, finde auch in anderen Bereichen Anwendung: So kann es bei der Lagerung von Atommüll zu “Blasen- und Schlammproblemen” kommen; bei der Abwasserbehandlung (Klärschlamm) treten nicht-Newtonsche Suspensionen und Gasblasen auf, und bei Öl- und Gasbohrungen kommt es während der Bauarbeiten zu Gasausbrüchen, bei denen sich Blasen in Flüssigkeiten mit Fließgrenze ausbreiten. Weitere Anwendungen sind das Aufschäumen von Beton im Bauwesen und von Schokolade zur Geschmacksverbesserung.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Verständnis der Blasendynamik in Flüssigkeiten mit Fließgrenze eine Möglichkeit zur Reduzierung von Emissionen aus Ölsandabfällen bietet und die Türen für Innovationen in verschiedenen Industrien öffnet. Die Rheologie ist eine Schlüsselmethode, um die zugrundeliegenden Mechanismen zu verstehen und somit das Verhalten vorherzusagen und Emissionen zu verringern.
Dr. Frigaards interdisziplinäres Forschungsteam, das sich auf viskoplastische Flüssigkeiten und die Anwendung von Nicht-Newtonschen Flüssigkeitseigenschaften in industriellen Prozessen konzentriert:
Nachfolgend werden einige Arbeiten mit Ergebnissen vorgestellt:
Folgende Beiträge beschreiben die theoretischen Modelle, die für die Stabilität von Blasen in Fluiden mit Fließgrenze entwickelt wurden. In diesen theoretischen Arbeiten werden die Fließgrenze von Blasen und die Auswirkung von Blasenform und Blasenwechselwirkungen auf diese Grenze untersucht.
[1] Pourzahedi, A., Chaparian, E., Roustaei, A., & Frigaard, I. A. (2022). Flow onset for a single bubble in a yield-stress fluid. Journal of Fluid Mechanics, 933, A21.
[2] Chaparian, E., & Frigaard, I. A. (2021). Clouds of bubbles in a viscoplastic fluid. Journal of Fluid Mechanics, 927, R3.
In den folgenden Beiträgen werden das Wachstum und die Stabilität von Blasen in Materialien mit Fließgrenze anhand eines experimentellen Ansatzes untersucht. Die Rolle der komplexen Rheologie des Materials, einschließlich seiner Elastizität und Thixotropie, wird in den folgenden Beiträgen erläutert. Außerdem werden verschiedene Szenarien für die Instabilität von Blasenwolken und deren Zusammenhang mit der Rheologie und Struktur des Materials erläutert.
[3] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2023). Growth and stability of bubbles in a Yield StressYield stress is defined as the stress below which no flow occurs; literally behaves like a weak solid at rest and a liquid when yielded.yield stress fluid. Journal of Fluid Mechanics, 957, A16.
[4] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2024). Growth and static stability of bubble clouds in Yield StressYield stress is defined as the stress below which no flow occurs; literally behaves like a weak solid at rest and a liquid when yielded.yield stress fluids. Journal of Non-NewtonianA non-Newtonian fluid is one that exhibits a viscosity that varies as a function of the applied shear rate or shear stress.Non-Newtonian Fluid Mechanics, 327, 105217.
Die Auswirkungen der ungleichmäßigen Rheologie des Materials auf die Blasenstabilität und -migration werden in der folgenden Arbeit untersucht. Zur Untersuchung dieses Problems werden numerische Simulationen in Kombination mit Experimenten eingesetzt.
[5] Zare, M., Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2021). Effects of non-uniform rheology on the motion of bubbles in a yield-stress fluid. Journal of Fluid Mechanics, 919, A25.