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Reología y soluciones medioambientales: Un enfoque global para mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero
Este informe de campo analiza los esfuerzos del profesor Ian Frigaard y su equipo de la Universidad de Columbia Británica (Canadá) por comprender y controlar la dinámica de las burbujas de gas en fluidos con Tensión de fluenciaEl límite elástico se define como la tensión por debajo de la cual no se produce flujo; literalmente, se comporta como un sólido débil en reposo y como un líquido cuando cede.límite elástico, como los que se encuentran en las balsas de estériles de arenas petrolíferas, para mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero.
Su investigación explora las propiedades reológicas de fluidos modelo como los geles Carbopol y las suspensiones Laponite para comprender mejor los mecanismos de atrapamiento y liberación de burbujas. Los estudios se realizaron con el reómetro Kinexus de NETZSCH. Los resultados tienen amplias implicaciones para la reducción de emisiones en diversas industrias, como la minería, el almacenamiento de residuos nucleares y el tratamiento de aguas residuales.
„Comprender la dinámica de las burbujas en fluidos con Tensión de fluenciaEl límite elástico se define como la tensión por debajo de la cual no se produce flujo; literalmente, se comporta como un sólido débil en reposo y como un líquido cuando cede.límite elástico abre vías para reducir las emisiones de las balsas de residuos de arenas petrolíferas. La reología es un método clave para comprender los mecanismos subyacentes y así predecir el comportamiento y concebir estrategias para reducir las emisiones. Estos estudios, realizados con el reómetro rotacional Kinexus NETZSCH, tienen amplias implicaciones para diversas industrias, como la minería, el almacenamiento de residuos nucleares y el tratamiento de aguas residuales.“
El Dr. Ian Frigaard es profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Columbia Británica (Canadá). Está especializado en mecánica de fluidos no newtonianos, con especial atención a las aplicaciones industriales de los fluidos viscoplásticos, sobre todo en la industria petrolera. Su grupo de investigación interdisciplinar combina enfoques matemáticos, experimentales y computacionales para abordar cuestiones como la cementación de pozos y el control de las emisiones de gases de efecto invernadero. El Dr. Frigaard también es autor de numerosos artículos científicos, que han contribuido significativamente a la comprensión y el avance de la mecánica de fluidos.
Objetivos ambiciosos: Emisiones netas cero para 2050
En junio de 2021, Canadá dio un paso significativo hacia la acción climática al promulgar la Ley Canadiense de Responsabilidad de Emisiones Netas Cero, cuyo objetivo es alcanzar las emisiones netas cero en 2050. Este compromiso subraya la urgencia de que todas las industrias examinen su huella de emisiones y minimicen su impacto ambiental. La industria de las arenas bituminosas está en el punto de mira debido a su importante contribución a las emisiones de gases de efecto invernadero de Canadá. Datos recientes indican que en 2020 se emitieron aproximadamente siete megatoneladas de metano y dióxido de carbono procedentes de las balsas de residuos de arenas petrolíferas, donde se almacenan los subproductos del proceso de producción de arenas petrolíferas.
Regiones como Canadá, Estados Unidos, Brasil, Rusia y Sudáfrica se enfrentan a problemas similares con las balsas de residuos, sobre todo en sus industrias mineras y de extracción de petróleo.
El profesor Ian Frigaard y su equipo del Grupo de Fluidos Complejos de la Universidad de Columbia Británica (UBC) abordan el problema desde la perspectiva de la mecánica de fluidos. Su objetivo es comprender el mecanismo de estabilidad y migración de las burbujas en estos sistemas, su relación con la reología del material y, en última instancia, diseñar el sistema de modo que la liberación y el atrapamiento de las burbujas de gas puedan controlarse de forma ventajosa. Sus investigaciones encierran un importante potencial no sólo para Canadá, sino para todos los países en los que los subproductos industriales deben almacenarse de forma segura y eficaz. Desde los lugares de almacenamiento de residuos nucleares hasta las emisiones de gas de los pozos petrolíferos de Oriente Medio, Asia Central y América Latina, pasando por las instalaciones de tratamiento de aguas residuales de Europa, la comprensión de la dinámica de las burbujas de gas en fluidos viscoplásticos podría tener un gran impacto en los esfuerzos mundiales por reducir las emisiones y promover prácticas sostenibles.
Comprender el mecanismo de estabilidad y migración de las burbujas mediante la reología
Las balsas de residuos están formadas por capas de FFT (residuos fluidos finos) y MFT (residuos finos maduros), compuestas por agua, arena, microorganismos anaerobios y nafta. La degradación microbiana de la nafta en estas capas da lugar a la producción de metano y dióxido de carbono, lo que contribuye a las emisiones de GEI.
Los materiales de las escombreras presentan características de fluidos de Tensión de fluenciaEl límite elástico se define como la tensión por debajo de la cual no se produce flujo; literalmente, se comporta como un sólido débil en reposo y como un líquido cuando cede.límite elástico, comportándose como un sólido por debajo de un determinado umbral de tensión (Tensión de fluenciaEl límite elástico se define como la tensión por debajo de la cual no se produce flujo; literalmente, se comporta como un sólido débil en reposo y como un líquido cuando cede.límite elástico) y fluyendo como un líquido por encima de este umbral, lo que les permite retener burbujas de gas.
La investigación llevada a cabo por el grupo de fluidos complejos de la UBC incluye experimentos de laboratorio, modelos y cálculos para comprender el atrapamiento y la liberación de burbujas, explorar los procesos físicos e investigar cómo la reología de los fluidos puede controlar potencialmente las emisiones de gases de efecto invernadero de los estanques. El núcleo de este estudio de investigación fundamental es determinar el límite de fluencia para la estabilidad estática de las burbujas en fluidos con límite elástico y establecer su conexión con la compleja reología de estos materiales, incluyendo el límite elástico, la elasticidad y el comportamiento tixotrópico. Los estudios reológicos se han realizado utilizando el reómetroNETZSCH Kinexus Pro +. Se han utilizado geles Carbopol y Laponite como modelos de fluidos con límite elástico simple y fluidos con límite elástico tixotrópico, respectivamente.
Comportamiento reológico de fluidos modelo
Las curvas reológicas representativas de los geles Carbopol se muestran en la siguiente figura. La reología del Carbopol se midió a través de una prueba de rampa ascendente y rampa descendente controlada por velocidad de corte utilizando una geometría de placa paralela rugosa. Por encima del punto de fluencia, no se observó ningún comportamiento tixotrópico. Por debajo del límite elástico, la respuesta elástica del gel provocó una desviación entre las curvas de flujo de rampa ascendente y rampa descendente. El recuadro de esta figura muestra el Módulo elásticoEl módulo complejo (componente elástico), módulo de almacenamiento o G', es la parte "real" del módulo complejo global de la muestra. Este componente elástico indica la respuesta sólida, o en fase, de la muestra que se está midiendo. módulo elástico (G') y el Módulo viscosoEl módulo complejo (componente viscoso), módulo de pérdida o G'', es la parte "imaginaria" del módulo complejo global de la muestra. Este componente viscoso indica la respuesta líquida, o fuera de fase, de la muestra que se está midiendo. módulo viscoso (G'') como funciones de la amplitud de la deformación, obtenidas a partir de un ensayo de barrido de amplitud a una frecuencia de 2 rad/s. Para amplitudes de deformación inferiores al 0,1% aproximadamente, ambos módulos permanecen constantes, lo que indica un comportamiento lineal.
Estos hallazgos demuestran que el Carbopol, en concentraciones inferiores al 2%, se comporta como un fluido elastoviscoplástico simple sin un comportamiento tixotrópico discernible.
Carbopol 0,15% (fluido de límite elástico simple) [3]
Se ha confirmado que la Laponita es un fluido modelo que muestra un comportamiento tixotrópico mediante una serie de pruebas reológicas. La siguiente figura presenta la curva de flujo de una muestra de Laponita al 1% en reposo durante 10 minutos tras un cizallamiento previo. Después del período de reposo, la muestra se sometió a una rampa de subida (círculos) y de bajada (triángulos apuntando hacia abajo) controlada por la tensión, utilizando una geometría rugosa. El comportamiento tixotrópico del material se manifiesta en la discrepancia perceptible entre las curvas de rampa ascendente y rampa descendente. También midieron el Módulo elásticoEl módulo complejo (componente elástico), módulo de almacenamiento o G', es la parte "real" del módulo complejo global de la muestra. Este componente elástico indica la respuesta sólida, o en fase, de la muestra que se está midiendo. módulo elástico (cuadrados) y el Módulo viscosoEl módulo complejo (componente viscoso), módulo de pérdida o G'', es la parte "imaginaria" del módulo complejo global de la muestra. Este componente viscoso indica la respuesta líquida, o fuera de fase, de la muestra que se está midiendo. módulo viscoso (signos más) frente a la deformación, mediante un barrido dinámico de amplitud de deformación a una frecuencia de 2 Hz. Los resultados que se muestran en el recuadro de la figura siguiente confirmaron el comportamiento viscoelástico lineal del material a deformaciones inferiores al 1%.
Laponita 1% (fluido con límite elástico tixotrópico): Curvas de flujo [4]
Curvas reológicas representativas de una suspensión de Laponita (Laponita 1%):
Esta figura muestra las curvas de aumento y disminución de flujo obtenidas a partir de un ensayo con velocidad de cizallamiento controlada. Se observa una histéresis perceptible en las curvas de flujo que indica el comportamiento tixotrópico del material. El comportamiento dinámico del material medido mediante un ensayo de barrido de amplitud se presenta en el recuadro de esta figura. Los resultados muestran que la Laponita es un modelo adecuado para un fluido viscoplástico dependiente del tiempo.
Laponita 1% (fluido de límite elástico tixotrópico) : límites elásticos estáticos y dinámicos [4]
Ensayos de velocidad de cizallamiento simple para una suspensión de Laponite (Laponite 1%): El ensayo se realizó para una muestra a diferentes tiempos de envejecimiento incluyendo 10 min (rojo), 2 h (azul) y 2 días (negro). El material se sometió a una velocidad de cizallamiento baja y constante de 0,001/s tras un periodo de reposo después de un cizallamiento previo de 100/s durante 2 min. Los resultados muestran el crecimiento del límite elástico estático (marcado con círculos rellenos) con el tiempo de envejecimiento.
Principales resultados:
En resumen, esta investigación ha descubierto dos mecanismos distintos que rigen la liberación de burbujas de los fluidos con límite elástico. En un gel homogéneo con un comportamiento no tixotrópico, se forma una nube de burbujas casi uniforme, y las características reológicas generales del material, junto con la proximidad de las burbujas, dictan su liberación y atrapamiento dentro del sistema. Con una concentración de gas bastante alta, esto podría provocar el estallido de la nube de burbujas al iniciarse la inestabilidad estática. Sin embargo, cuando entra en juego la reología dependiente del tiempo (TixotropíaPara la mayoría de los líquidos, el adelgazamiento por cizallamiento es reversible y los líquidos recuperan en algún momento su viscosidad original cuando se elimina una fuerza de cizallamiento.tixotropía), la imagen física del problema se vuelve más intrincada.
La estructura no uniforme de los materiales procedente de su reología dependiente de la historia de cizallamiento conduce a la formación de capas dañadas dentro de las cuales la estructura del material es más débil. La presencia de estas capas dañadas dentro del material influye significativamente en la liberación y el atrapamiento de las burbujas, impidiendo la acumulación de gas. En este caso, las suspensiones de burbujas polidispersas emergen y la liberación de burbujas se produce gradualmente a través de las capas dañadas en lugar de repentinamente.
Mecanismo de desprendimiento de burbujas [4]
Desviación estándar normalizada de la intensidad(I) en imágenes secuenciales de burbujas, capturadas justo después del inicio de la inestabilidad para (a) un fluido de límite elástico simple y (b) un fluido de límite elástico tixotrópico. Ambos geles tienen un alto contenido inicial de gas. Los puntos blancos de las imágenes indican zonas en las que las burbujas se mueven dentro del gel, mientras que los puntos oscuros representan zonas en las que las burbujas están estancadas. La estructura en forma de red del panel (b) sugiere que las burbujas siguen caminos reutilizados.
A medida que las burbujas más grandes escapan a la superficie, el cizallamiento local debilita el gel debido a la reología dependiente de la historia de cizallamiento del material, formando conductos invisibles con menor resistencia. A continuación, las burbujas migran hacia estos conductos, creando capas laterales debilitadas y, finalmente, redes invisibles de capas dañadas conectadas a conductos verticales.
Estas redes permiten que las burbujas más pequeñas se liberen gradualmente, evitando la acumulación de burbujas, actuando así como válvulas de seguridad en el sistema.
Aplicaciones más amplias:
Aunque esta investigación está motivada principalmente por el problema de las emisiones de gases de efecto invernadero de los relaves de arenas petrolíferas, los resultados tienen implicaciones de gran alcance. Entender cómo se atrapa y emite el gas en los fluidos viscoplásticos tiene aplicaciones en varios otros campos: Por ejemplo, el almacenamiento de residuos nucleares puede dar lugar a problemas de "burbujas y lodos", el tratamiento de aguas residuales (alcantarillado) implica suspensiones no newtonianas y burbujas de gas, y los pozos de petróleo y gas experimentan patadas de gas durante la construcción, donde es habitual la propagación de burbujas a través de fluidos con límite elástico. Otras aplicaciones son la formación de espuma en el hormigón para la construcción y en el chocolate para mejorar el sabor.
En resumen, comprender la dinámica de las burbujas en los fluidos con límite elástico ofrece una vía para reducir las emisiones de los residuos de arenas petrolíferas y abre las puertas a innovaciones en diversos sectores. La reología es un método clave para comprender los mecanismos subyacentes y predecir así el comportamiento y reducir las emisiones.
El equipo de investigación interdisciplinar del Dr. Frigaard se centra en los fluidos viscoplásticos y la aplicación de las propiedades de los fluidos no newtonianos en los procesos industriales:
A continuación se enumeran algunos artículos que muestran sus hallazgos:
Los siguientes trabajos explican los modelos teóricos desarrollados para la estabilidad de las burbujas en fluidos con límite elástico. En estos trabajos teóricos se estudia el límite de fluencia de las burbujas y los efectos de la forma de las burbujas y de las interacciones entre ellas.
[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.
Los siguientes artículos estudiaron el crecimiento y la estabilidad de las burbujas en un material con límite elástico utilizando un enfoque experimental. En ellos se explica el papel de la reología compleja del material, incluida su elasticidad y TixotropíaPara la mayoría de los líquidos, el adelgazamiento por cizallamiento es reversible y los líquidos recuperan en algún momento su viscosidad original cuando se elimina una fuerza de cizallamiento.tixotropía. También se explican aquí los diferentes escenarios de inestabilidad de las nubes de burbujas y su relación con la reología y la estructura del material.
[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.
En el siguiente trabajo se pone de relieve el efecto de la reología no uniforme del material en la estabilidad y migración de las burbujas. Para investigar este problema se utilizan simulaciones numéricas combinadas con experimentos.
[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.