Ιστορία επιτυχίας πελάτη
Ρεολογία και περιβαλλοντικές λύσεις: House Gas: Μια παγκόσμια προσέγγιση για τον μετριασμό των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου
Αυτή η έκθεση πεδίου εξετάζει τις προσπάθειες του καθηγητή Ian Frigaard και της ομάδας του στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας, στον Καναδά, για την κατανόηση και τον έλεγχο της δυναμικής των φυσαλίδων αερίου σε ρευστά με τάση διαρροής, όπως αυτά που βρίσκονται στις λίμνες απόθεσης πετρελαϊκής άμμου, για τον περιορισμό των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου.
Η έρευνά τους διερευνά τις ρεολογικές ιδιότητες πρότυπων ρευστών, όπως οι πηκτές Carbopol και τα αιωρήματα Laponite, για την καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών εγκλωβισμού και απελευθέρωσης φυσαλίδων. Οι μελέτες πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του ρεομέτρου NETZSCH Kinexus. Τα ευρήματα έχουν ευρείες συνέπειες για τη μείωση των εκπομπών σε διάφορες βιομηχανίες, όπως η εξόρυξη, η αποθήκευση πυρηνικών αποβλήτων και η επεξεργασία λυμάτων.
„Η κατανόηση της δυναμικής των φυσαλίδων σε ρευστά με τάση διαρροής ανοίγει δρόμους για τη μείωση των εκπομπών από τις λίμνες απόθεσης τελμάτων πετρελαιοειδών άμμου. Η ρεολογία αποτελεί βασική μέθοδο για την κατανόηση των υποκείμενων μηχανισμών και, συνεπώς, για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς και τη σύλληψη στρατηγικών για τη μείωση των εκπομπών. Οι μελέτες αυτές, που πραγματοποιήθηκαν με το περιστροφικό ρεόμετρο NETZSCH Kinexus, έχουν ευρείες συνέπειες για διάφορες βιομηχανίες, όπως η εξόρυξη, η αποθήκευση πυρηνικών αποβλήτων και η επεξεργασία λυμάτων.“
ΟDr. Ian Frigaard είναι καθηγητής στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου της Βρετανικής Κολομβίας στον Καναδά. Ειδικεύεται στη μη-νευτώνεια ρευστομηχανική, εστιάζοντας στις βιομηχανικές εφαρμογές των ιξωδοπλαστικών ρευστών, ιδίως στη βιομηχανία πετρελαίου. Η διεπιστημονική ερευνητική του ομάδα συνδυάζει μαθηματικές, πειραματικές και υπολογιστικές προσεγγίσεις για την αντιμετώπιση ζητημάτων όπως η τσιμεντοποίηση πηγαδιών και ο έλεγχος των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Ο Dr. Frigaard έχει επίσης συγγράψει πολυάριθμες επιστημονικές εργασίες, συμβάλλοντας σημαντικά στην κατανόηση και την πρόοδο της ρευστομηχανικής.
Υψηλοί στόχοι: Καθαρές μηδενικές εκπομπές έως το 2050
Τον Ιούνιο του 2021, ο Καναδάς έκανε ένα σημαντικό βήμα προς τη δράση για το κλίμα, θεσπίζοντας τον καναδικό νόμο περί ευθύνης για τις καθαρές μηδενικές εκπομπές, ο οποίος στοχεύει στην επίτευξη καθαρών μηδενικών εκπομπών έως το 2050. Η δέσμευση αυτή υπογραμμίζει την επείγουσα ανάγκη για όλες τις βιομηχανίες να εξετάσουν το αποτύπωμα των εκπομπών τους και να ελαχιστοποιήσουν τις περιβαλλοντικές τους επιπτώσεις. Η βιομηχανία πετρελαϊκής άμμου βρίσκεται στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος λόγω της σημαντικής συμβολής της στις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου του Καναδά. Πρόσφατα στοιχεία δείχνουν ότι το 2020, περίπου επτά μεγατόνοι μεθανίου και διοξειδίου του άνθρακα εκπέμφθηκαν από τις λίμνες απόθεσης τελμάτων πετρελαϊκής άμμου, όπου αποθηκεύονται τα υποπροϊόντα της διαδικασίας παραγωγής πετρελαϊκής άμμου.
Περιφέρειες όπως ο Καναδάς, οι Ηνωμένες Πολιτείες, η Βραζιλία, η Ρωσία και η Νότια Αφρική αντιμετωπίζουν παρόμοιες προκλήσεις με τις λίμνες απόθεσης αποβλήτων, ιδίως στις βιομηχανίες εξόρυξης και εξόρυξης πετρελαίου.
Ο καθηγητής Ian Frigaard και η ομάδα του στην ομάδα σύνθετων ρευστών του Πανεπιστημίου της Βρετανικής Κολομβίας (UBC) αντιμετωπίζουν το ζήτημα από την άποψη της ρευστομηχανικής. Στόχος τους είναι να κατανοήσουν τον μηχανισμό σταθερότητας και μετανάστευσης των φυσαλίδων σε αυτά τα συστήματα, τη σύνδεσή του με τη ρεολογία του υλικού και τελικά να σχεδιάσουν το σύστημα έτσι ώστε η απελευθέρωση και ο εγκλωβισμός των φυσαλίδων αερίου να μπορούν να ελεγχθούν με πλεονεκτικό τρόπο. Η έρευνά τους έχει σημαντικές προοπτικές όχι μόνο για τον Καναδά αλλά και για όλες τις χώρες όπου τα βιομηχανικά υποπροϊόντα πρέπει να αποθηκεύονται με ασφάλεια και αποτελεσματικότητα. Από τους χώρους αποθήκευσης πυρηνικών αποβλήτων έως τις εκπομπές αερίων από πετρελαιοπηγές στη Μέση Ανατολή, την Κεντρική Ασία και τη Λατινική Αμερική, ακόμη και τις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων στην Ευρώπη, η κατανόηση της δυναμικής των φυσαλίδων αερίου σε ιξωδοπλαστικά ρευστά θα μπορούσε να επηρεάσει σημαντικά τις παγκόσμιες προσπάθειες για τη μείωση των εκπομπών και την προώθηση βιώσιμων πρακτικών.
Κατανόηση του μηχανισμού σταθερότητας και μετανάστευσης των φυσαλίδων μέσω της ρεολογίας
Οι λίμνες τελμάτων αποτελούνται από στρώματα FFT (Fine Fluid Tailings) και MFT (Mature Fine Tailings), που περιλαμβάνουν νερό, άμμο, αναερόβιους μικροοργανισμούς και νάφθα. Η μικροβιακή αποικοδόμηση της νάφθας σε αυτά τα στρώματα οδηγεί στην παραγωγή μεθανίου και διοξειδίου του άνθρακα, συμβάλλοντας στις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου.
Τα υλικά των αποβλήτων παρουσιάζουν χαρακτηριστικά ρευστών με τάση διαρροής, συμπεριφέρονται σαν στερεά κάτω από ένα ορισμένο όριο τάσης (τάση διαρροής) και ρέουν σαν υγρό πάνω από αυτό το όριο, γεγονός που τους επιτρέπει να συγκρατούν φυσαλίδες αερίου.
Η έρευνα που διεξάγεται από την ομάδα σύνθετων ρευστών στο UBC περιλαμβάνει εργαστηριακά πειράματα, μοντέλα και υπολογισμούς για την κατανόηση του εγκλωβισμού και της απελευθέρωσης φυσαλίδων, τη διερεύνηση φυσικών διεργασιών και τη διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο η ρεολογία των ρευστών μπορεί ενδεχομένως να ελέγξει τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου από τις λίμνες. Ο πυρήνας αυτής της θεμελιώδους ερευνητικής μελέτης είναι ο προσδιορισμός του ορίου διαρροής για τη στατική σταθερότητα των φυσαλίδων σε ρευστά με τάση διαρροής και ο καθορισμός της σύνδεσής του με τη σύνθετη ρεολογία αυτών των υλικών, συμπεριλαμβανομένης της τάσης διαρροής, της ελαστικότητας και της θιξοτροπικής συμπεριφοράς. Οι ρεολογικές μελέτες πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του ρεομέτρουNETZSCH Kinexus Pro +. Χρησιμοποίησαν τα πηκτώματα Carbopol και Laponite ως μοντέλα για απλά ρευστά με τάση διαρροής και θιξοτροπικά ρευστά με τάση διαρροής, αντίστοιχα.
Ρεολογική συμπεριφορά μοντέλων ρευστών
Οι αντιπροσωπευτικές ρεολογικές καμπύλες για τα πηκτώματα Carbopol παρουσιάζονται στο ακόλουθο σχήμα. Η ρεολογία της Carbopol μετρήθηκε μέσω μιας δοκιμής ελεγχόμενης ταχύτητας διάτμησης με ράμπα ανόδου και καθόδου χρησιμοποιώντας μια τραχιά γεωμετρία παράλληλης πλάκας. Πάνω από το σημείο διαρροής δεν παρατηρήθηκε θιξοτροπική συμπεριφορά. Κάτω από το σημείο διαρροής, η ελαστική απόκριση του πηκτώματος προκάλεσε απόκλιση μεταξύ των καμπυλών ροής ράμπας ανόδου και ράμπας καθόδου. Το ένθετο του σχήματος αυτού δείχνει το μέτρο ελαστικότητας (G') και το μέτρο ιξώδους (G'') ως συναρτήσεις του πλάτους παραμόρφωσης, που προέκυψαν από δοκιμή σάρωσης πλάτους σε συχνότητα 2 rad/s. Για πλάτη παραμόρφωσης κάτω από περίπου 0,1%, και τα δύο μόρια παραμένουν σταθερά, υποδεικνύοντας γραμμική συμπεριφορά.
Τα ευρήματα αυτά καταδεικνύουν ότι η Carbopol, σε συγκεντρώσεις κάτω του 2%, συμπεριφέρεται ως απλό ελαστο-ιξωδοπλαστικό ρευστό χωρίς διακριτή θιξοτροπική συμπεριφορά.
Carbopol 0,15% (Απλό ρευστό με όριο διαρροής) [3]
Ο λαπωνίτης έχει επιβεβαιωθεί ως πρότυπο ρευστού που παρουσιάζει θιξοτροπική συμπεριφορά μέσω μιας σειράς ρεολογικών δοκιμών. Στο ακόλουθο σχήμα παρουσιάζεται η καμπύλη ροής για δείγμα 1% Laponite που βρίσκεται σε ηρεμία για 10 λεπτά μετά από προ-τρίψιμο. Πάνω στην περίοδο ηρεμίας, το δείγμα υποβλήθηκε σε ελεγχόμενη από την τάση ράμπα ανόδου (κύκλοι) και ράμπα καθόδου (τρίγωνα που δείχνουν προς τα κάτω) χρησιμοποιώντας μια τραχιά γεωμετρία. Η θιξοτροπική συμπεριφορά του υλικού εκδηλώνεται με τη διακριτή απόκλιση μεταξύ των καμπυλών ράμπας-ανόδου και ράμπας-καθόδου. Μετρήθηκαν επίσης το μέτρο ελαστικότητας (τετράγωνα) και το μέτρο ιξώδους (σύμβολα συν) συναρτήσει της παραμόρφωσης, μέσω μιας δυναμικής σάρωσης πλάτους παραμόρφωσης σε συχνότητα 2 Hz. Τα αποτελέσματα τα οποία παρουσιάζονται στο ένθετο του επόμενου σχήματος επιβεβαίωσαν τη γραμμική ιξωδοελαστική συμπεριφορά του υλικού σε παραμορφώσεις κάτω του 1%.
Λαπωνίτης 1% (θιξοτροπικό ρευστό με όριο διαρροής): Καμπύλες ροής [4]
Αντιπροσωπευτικές καμπύλες ρεολογίας για εναιώρημα λαπωνίτη (λαπωνίτης 1%):
Αυτό το σχήμα εμφανίζει τις καμπύλες ροής με άνοδο και πτώση που λαμβάνονται από δοκιμή ελεγχόμενης ταχύτητας διάτμησης. Υπάρχει μια διακριτή υστέρηση στις καμπύλες ροής που σηματοδοτεί τη θιξοτροπική συμπεριφορά του υλικού. Η δυναμική συμπεριφορά του υλικού που μετρήθηκε με δοκιμή σάρωσης πλάτους παρουσιάζεται στο ένθετο του σχήματος αυτού. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο λαπωνίτης είναι ένα κατάλληλο μοντέλο για ένα ιξωδοπλαστικό ρευστό που εξαρτάται από το χρόνο.
Λαπωνίτης 1% (θιξοτροπικό ρευστό με όριο διαρροής) : στατικά και δυναμικά όρια διαρροής [4]
Δοκιμές με ενιαίο ρυθμό διάτμησης για εναιώρημα Laponite (Laponite 1%): Η δοκιμή πραγματοποιήθηκε για ένα δείγμα σε διάφορους χρόνους γήρανσης, συμπεριλαμβανομένων 10 λεπτών (κόκκινο), 2 ωρών (μπλε) και 2 ημερών (μαύρο). Το υλικό επιβλήθηκε σε σταθερό χαμηλό ρυθμό διάτμησης 0,001/s μετά από περίοδο ηρεμίας μετά από προδιάτμηση 100/s για 2 λεπτά. Τα αποτελέσματα δείχνουν την αύξηση του στατικού ορίου διαρροής (σημειωμένο με συμπληρωμένους κύκλους) με το χρόνο γήρανσης.
Βασικά ευρήματα:
Συνοψίζοντας, η παρούσα έρευνα αποκάλυψε δύο διαφορετικούς μηχανισμούς που διέπουν την απελευθέρωση φυσαλίδων από ρευστά με τάση διαρροής. Σε ένα ομοιογενές πήκτωμα με μη τιξοτροπική συμπεριφορά, σχηματίζεται ένα σχεδόν ομοιόμορφο νέφος φυσαλίδων και τα συνολικά ρεολογικά χαρακτηριστικά του υλικού, σε συνδυασμό με την εγγύτητα των φυσαλίδων, υπαγορεύουν την απελευθέρωση και τον εγκλωβισμό τους στο σύστημα. Σε μια αρκετά υψηλή συγκέντρωση αερίου, αυτό μπορεί να οδηγήσει σε έκρηξη του νέφους φυσαλίδων κατά την έναρξη της στατικής αστάθειας. Ωστόσο, όταν υπεισέρχεται η χρονικά εξαρτώμενη ρεολογία (θιξοτροπία), η φυσική εικόνα του προβλήματος γίνεται πιο περίπλοκη.
Η ανομοιόμορφη δομή των υλικών που προέρχεται από την εξαρτώμενη από την ιστορία διάτμησης ρεολογία τους οδηγεί στο σχηματισμό κατεστραμμένων στρωμάτων εντός των οποίων η δομή του υλικού είναι ασθενέστερη. Η παρουσία αυτών των κατεστραμμένων στρωμάτων εντός του υλικού επηρεάζει σημαντικά την απελευθέρωση και τον εγκλωβισμό των φυσαλίδων, αποτρέποντας τη συσσώρευση αερίου. Σε αυτή την περίπτωση, αναδύονται τα πολυδιάσπαρτα αιωρήματα φυσαλίδων και η απελευθέρωση των φυσαλίδων γίνεται σταδιακά μέσω των κατεστραμμένων στρωμάτων και όχι απότομα.
Μηχανισμός απελευθέρωσης φυσαλίδων [4]
Κανονικοποιημένη τυπική απόκλιση της έντασης(I) σε διαδοχικές εικόνες φυσαλίδων, που έχουν ληφθεί αμέσως μετά την έναρξη της αστάθειας για (α) ένα ρευστό με απλό όριο διαρροής και (β) ένα ρευστό με θιξοτροπικό όριο διαρροής. Και τα δύο πηκτώματα έχουν υψηλή αρχική περιεκτικότητα σε αέρια. Τα λευκά σημεία στις εικόνες υποδεικνύουν περιοχές όπου οι φυσαλίδες κινούνται εντός του πηκτώματος, ενώ τα σκούρα σημεία αντιπροσωπεύουν περιοχές όπου οι φυσαλίδες είναι στάσιμες. Η δομή που μοιάζει με δίκτυο στον πίνακα (β) υποδηλώνει ότι οι φυσαλίδες ακολουθούν επαναχρησιμοποιημένες διαδρομές.
Καθώς οι μεγαλύτερες φυσαλίδες διαφεύγουν στην επιφάνεια, η τοπική διάτμηση αποδυναμώνει την πηκτή λόγω της ρεολογίας του υλικού που εξαρτάται από την ιστορία διάτμησης, σχηματίζοντας αόρατους αγωγούς με μικρότερη αντίσταση. Στη συνέχεια, οι φυσαλίδες μεταναστεύουν προς αυτούς τους αγωγούς, δημιουργώντας πλευρικά εξασθενημένα στρώματα και τελικά αόρατα δίκτυα κατεστραμμένων στρωμάτων που συνδέονται με κάθετους αγωγούς.
Αυτά τα δίκτυα επιτρέπουν τη σταδιακή απελευθέρωση μικρότερων φυσαλίδων, αποτρέποντας τη συσσώρευση φυσαλίδων, λειτουργώντας έτσι ως βαλβίδες ασφαλείας στο σύστημα.
Ευρύτερες εφαρμογές:
Αν και η έρευνα αυτή έχει ως κύριο κίνητρο το ζήτημα των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου από τα αποθέματα της άμμου πετρελαίου, τα ευρήματα έχουν εκτεταμένες επιπτώσεις. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο παγιδεύεται και εκπέμπεται αέριο σε ιξωδοπλαστικά ρευστά έχει εφαρμογές σε διάφορους άλλους τομείς: Για παράδειγμα, η αποθήκευση πυρηνικών αποβλήτων μπορεί να οδηγήσει σε προβλήματα "φυσαλίδων και λάσπης", η επεξεργασία λυμάτων (λύματα) περιλαμβάνει μη-νευτωνιανά αιωρήματα και φυσαλίδες αερίου, και οι γεωτρήσεις πετρελαίου και αερίου αντιμετωπίζουν κλωτσιές αερίου κατά την κατασκευή, όπου η διάδοση φυσαλίδων μέσω ρευστών με τάση διαρροής είναι συνηθισμένη. Άλλες εφαρμογές περιλαμβάνουν τον αφρισμό του σκυροδέματος για κατασκευές και της σοκολάτας για βελτίωση της γεύσης.
Συνοψίζοντας, η κατανόηση της δυναμικής των φυσαλίδων στα ρευστά με τάση διαρροής προσφέρει μια οδό για τη μείωση των εκπομπών από τα απόβλητα της άμμου πετρελαίου και ανοίγει πόρτες για καινοτομίες σε διάφορες βιομηχανίες. Η ρεολογία αποτελεί βασική μέθοδο για την κατανόηση των υποκείμενων μηχανισμών και, συνεπώς, για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς και τη μείωση των εκπομπών.
Η διεπιστημονική ερευνητική ομάδα του Dr. Frigaard, εστιάζει στα ιξωδοπλαστικά ρευστά και στην εφαρμογή των μη-νευτωνιανών ιδιοτήτων των ρευστών σε βιομηχανικές διεργασίες:
Μερικές εργασίες που παρουσιάζουν τα ευρήματά τους παρατίθενται παρακάτω:
Οι ακόλουθες εργασίες εξηγούν τα θεωρητικά μοντέλα που αναπτύχθηκαν για τη σταθερότητα των φυσαλίδων σε ρευστά με τάση διαρροής. Σε αυτές τις θεωρητικές εργασίες μελετάται το όριο διαρροής των φυσαλίδων και οι επιδράσεις των σχημάτων των φυσαλίδων και των αλληλεπιδράσεων των φυσαλίδων σε αυτό.
[1] Pourzahedi, A., Chaparian, E., Roustaei, A., & Frigaard, I. A. (2022). Έναρξη ροής για μία μόνο φυσαλίδα σε ρευστό με τάση απόδοσης. Journal of Fluid Mechanics, 933, A21.
[2] Chaparian, E., & Frigaard, I. A. (2021). Σύννεφα φυσαλίδων σε ιξωδοπλαστικό ρευστό. Journal of Fluid Mechanics, 927, R3.
Οι ακόλουθες εργασίες μελέτησαν την ανάπτυξη και τη σταθερότητα των φυσαλίδων σε υλικό με τάση διαρροής χρησιμοποιώντας μια πειραματική προσέγγιση. Ο ρόλος της σύνθετης ρεολογίας του υλικού, συμπεριλαμβανομένης της ελαστικότητας και της θιξοτροπίας του, εξηγείται στις ακόλουθες εργασίες. Επίσης, εξηγούνται διαφορετικά σενάρια για την αστάθεια των σύννεφων φυσαλίδων και η σύνδεσή τους με τη ρεολογία και τη δομή του υλικού.
[3] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2023). Growth and stability of bubbles in a 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 stress fluids. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 327, 105217.
Η επίδραση της ανομοιόμορφης ρεολογίας του υλικού στη σταθερότητα και τη μετανάστευση των φυσαλίδων αναδεικνύεται στην ακόλουθη εργασία. Για τη διερεύνηση αυτού του προβλήματος χρησιμοποιούνται αριθμητικές προσομοιώσεις σε συνδυασμό με πειράματα.
[5] Zare, M., Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2021). Επιδράσεις της ανομοιόμορφης ρεολογίας στην κίνηση φυσαλίδων σε ρευστό με τάση απόδοσης. Journal of Fluid Mechanics, 919, A25.