Asiakkaan menestystarina
Reologia ja ympäristöratkaisut: Kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseen tähtäävä maailmanlaajuinen lähestymistapa
Tässä kenttäraportissa käsitellään professori Ian Frigaardin ja hänen työryhmänsä ponnisteluja Kanadan Brittiläisen Kolumbian yliopistossa ymmärtää ja hallita kaasukuplien dynamiikkaa myötöjännitysnesteissä, kuten öljyhiekan rikastushiekka-altaissa, kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseksi.
Heidän tutkimuksessaan tutkitaan mallinesteiden, kuten karbopoligeelien ja laponiittisuspensioiden, reologisia ominaisuuksia, jotta kuplien sulkemis- ja vapautumismekanismeja voitaisiin ymmärtää paremmin. Tutkimukset tehtiin NETZSCH Kinexus -reometrillä. Tutkimustuloksilla on laajoja vaikutuksia päästöjen vähentämiseen eri teollisuudenaloilla, kuten kaivosteollisuudessa, ydinjätteen varastoinnissa ja jäteveden käsittelyssä.
“Kupladynamiikan ymmärtäminen tuottorasituksessa olevissa nesteissä avaa mahdollisuuksia vähentää öljyhiekan rikastushiekka-altaiden päästöjä. Reologia on keskeinen menetelmä, jonka avulla voidaan ymmärtää taustalla olevia mekanismeja ja siten ennustaa käyttäytymistä ja suunnitella strategioita päästöjen vähentämiseksi. Näillä tutkimuksilla, jotka on tehty NETZSCH Kinexus -rotaatioreometrillä, on laajoja vaikutuksia eri teollisuudenaloille, kuten kaivosteollisuuteen, ydinjätteen varastointiin ja jäteveden käsittelyyn.”
Tohtori Ian Frigaard on professori konetekniikan laitoksella Brittiläisen Kolumbian yliopistossa Kanadassa. Hän on erikoistunut ei-newtonilaiseen nestemekaniikkaan ja keskittyy viskoelastisten nesteiden teollisiin sovelluksiin erityisesti öljyteollisuudessa. Hänen monitieteinen tutkimusryhmänsä yhdistää matemaattisia, kokeellisia ja laskennallisia lähestymistapoja, joiden avulla voidaan käsitellä esimerkiksi kaivojen sementointia ja kasvihuonekaasupäästöjen hallintaa. Frigaard on myös kirjoittanut lukuisia tieteellisiä artikkeleita ja edistänyt merkittävästi nestemekaniikan ymmärtämistä ja kehittämistä.
Korkeat tavoitteet: Nollapäästöt vuoteen 2050 mennessä
Kesäkuussa 2021 Kanada otti merkittävän askeleen kohti ilmastotoimia, kun se hyväksyi Kanadan nollapäästöjä koskevan vastuuvelvollisuuslain (Net-Zero Emissions Accountability Act), jonka tavoitteena on saavuttaa nollapäästöt vuoteen 2050 mennessä. Tämä sitoumus korostaa, että kaikkien toimialojen on kiireellisesti tarkasteltava päästöjalanjälkeään ja minimoitava ympäristövaikutuksensa. Öljyhiekkateollisuus on huomion keskipisteessä, koska se vaikuttaa merkittävästi Kanadan kasvihuonekaasupäästöihin. Tuoreiden tietojen mukaan vuonna 2020 noin seitsemän megatonnia metaania ja hiilidioksidia vapautui öljyhiekan rikastushiekka-altaista, joihin öljyhiekan tuotantoprosessin sivutuotteet varastoidaan.
Kanadan, Yhdysvaltojen, Brasilian, Venäjän ja Etelä-Afrikan kaltaisilla alueilla on samankaltaisia haasteita, jotka liittyvät rikastushiekka-altaisiin, erityisesti niiden kaivos- ja öljynporausteollisuudessa.
Professori Ian Frigaard ja hänen ryhmänsä University of British Columbian (UBC) Complex Fluids Group -ryhmässä käsittelevät ongelmaa fluidimekaniikan näkökulmasta. He pyrkivät ymmärtämään kuplien stabiilisuuden ja siirtymisen mekanismia näissä järjestelmissä, sen yhteyttä materiaalin reologiaan ja lopulta suunnittelemaan järjestelmän niin, että kaasukuplien vapautumista ja sulkeutumista voidaan hallita edullisella tavalla. Heidän tutkimuksensa tarjoaa merkittäviä mahdollisuuksia paitsi Kanadalle myös kaikille maille, joissa teollisuuden sivutuotteet on varastoitava turvallisesti ja tehokkaasti. Ydinjätteen varastointipaikoista Lähi-idän, Keski-Aasian ja Latinalaisen Amerikan öljylähteiden kaasupäästöihin ja jopa Euroopan jätevedenpuhdistamoihin, viskoplastisissa nesteissä olevien kaasukuplien dynamiikan ymmärtäminen voisi vaikuttaa suuresti maailmanlaajuisiin pyrkimyksiin vähentää päästöjä ja edistää kestäviä käytäntöjä.
Kuplien stabiilisuuden ja siirtymisen mekanismin ymmärtäminen reologian avulla
Jätealtaat koostuvat FFT- (Fine Fluid Tailings) ja MFT-kerroksista (Mature Fine Tailings), jotka koostuvat vedestä, hiekasta, anaerobisista mikro-organismeista ja naftasta. Näissä kerroksissa tapahtuva teollisuusbensiinin mikrobiologinen HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen johtaa metaanin ja hiilidioksidin tuotantoon, mikä lisää kasvihuonekaasupäästöjä.
Jäännösjätemateriaaleilla on myötöjännitysnesteen ominaisuuksia, sillä ne käyttäytyvät kiinteän aineen tavoin tietyn kynnysjännityksen (MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys) alapuolella ja virtaavat nesteen tavoin tämän kynnysarvon yläpuolella, minkä ansiosta ne voivat pidättää kaasukuplia.
UBC:n kompleksisten nesteiden tutkimusryhmässä tehdään laboratoriokokeita, malleja ja laskelmia, joiden avulla pyritään ymmärtämään kuplien sulkeutumista ja vapautumista, tutkimaan fysikaalisia prosesseja ja selvittämään, miten nesteen reologialla voidaan mahdollisesti hallita lammikoiden kasvihuonekaasupäästöjä. Tämän perustutkimuksen ytimenä on määrittää myötöraja kuplien staattiselle stabiilisuudelle myötöjännitysnesteissä ja selvittää sen yhteys näiden materiaalien monimutkaiseen reologiaan, mukaan lukien MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys, kimmoisuus ja tiksotrooppinen käyttäytyminen. Reologiset tutkimukset on tehty käyttäen NETZSCH Kinexus Pro + -reometriä. Niissä käytettiin Carbopol-geelejä yksinkertaisten myötöjännitysnesteiden ja tiksotrooppisten myötöjännitysnesteiden malleina Laponiittia.
Mallinesteiden reologinen käyttäytyminen
Seuraavassa kuvassa on esitetty Carbopol-geelien edustavat reologiset käyrät. Karbopolin reologia mitattiin leikkausnopeudella ohjatulla ramppi- ja ramppi-alas -testillä, jossa käytettiin karhennettua yhdensuuntaista levygeometriaa. Myötörajan yläpuolella ei havaittu tiksotrooppista käyttäytymistä. Myötörajan alapuolella geelin elastinen vaste aiheutti poikkeaman ramp-up- ja ramp-down-virtauskäyrien välillä. Tämän kuvan sisäkuvassa on esitetty KimmomoduuliKompleksinen moduuli (kimmokomponentti), varastointimoduuli tai G', on näytteiden "todellinen" osa kokonaiskompleksisesta moduulista. Tämä kimmokomponentti ilmaisee mitattavan näytteen kiinteän kaltaisen tai faasivasteen. kimmomoduuli (G') ja ViskositeettimoduuliKompleksinen moduuli (viskoosikomponentti), häviömoduuli tai G'' on näytteiden kokonaiskompleksisen moduulin "imaginääriosa". Tämä viskoosikomponentti osoittaa mitattavan näytteen nestemäisen tai faasin ulkopuolisen vasteen. viskoosimoduuli (G'') muodonmuutosamplitudin funktiona, jotka on saatu amplitudin pyyhkäisykokeesta 2 rad/s taajuudella. Alle noin 0,1 %:n venymäamplitudilla molemmat moduulit pysyvät vakioina, mikä viittaa lineaariseen käyttäytymiseen.
Nämä havainnot osoittavat, että karbopoli käyttäytyy alle 2 prosentin pitoisuuksissa yksinkertaisena elasto-viskoplastisena nesteenä ilman havaittavaa tiksotrooppista käyttäytymistä.
Karbopoli 0,15 % (yksinkertainen myötörajan neste) [3]
Laponiitti on vahvistettu mallinesteeksi, jolla on tiksotrooppinen käyttäytyminen useiden reologisten testien avulla. Seuraavassa kuvassa on esitetty virtauskäyrä 1-prosenttiselle laponiittinäytteelle, joka oli levossa 10 minuuttia esikuorinnan jälkeen. Lepojakson jälkeen näytteeseen kohdistettiin jännitysohjattu ramppaus ylöspäin (ympyrät) ja alaspäin (alaspäin osoittavat kolmiot) käyttäen karhennettua geometriaa. Materiaalin tiksotrooppinen käyttäytyminen ilmenee ramp-up- ja ramp-down-käyrien välisenä havaittavana erona. He mittasivat myös kimmomoduulin (neliöt) ja viskoosimoduulin (plusmerkit) suhteessa venymään dynaamisen venymäamplitudipyyhkäisyn avulla 2 Hz:n taajuudella. Seuraavan kuvan sisäkuvassa esitetyt tulokset vahvistivat materiaalin lineaarisen viskoelastisen käyttäytymisen alle 1 prosentin venymissä.
Laponiitti 1 % (tiksotrooppinen myötörajan neste): Virtauskäyrät [4]
Laponiittisuspension (Laponiitti 1 %) edustavat reologiakäyrät:
Tässä kuvassa on esitetty leikkausnopeussäädellystä testistä saadut ramppi- ja ramppi-alasvirtauskäyrät. Virtauskäyrissä on havaittavissa hystereesi, joka osoittaa materiaalin tiksotrooppista käyttäytymistä. Materiaalin dynaaminen käyttäytyminen, joka on mitattu amplitudin pyyhkäisytestillä, on esitetty tämän kuvan sisäkuvassa. Tulokset osoittavat, että Laponiitti on sopiva malli ajasta riippuvaiselle viskoplastiselle nesteelle.
Laponiitti 1 % (tiksotrooppinen myötöjännitysneste) : staattiset ja dynaamiset myötöjännitykset [4]
Laponiittisuspensiolle (Laponiitti 1 %) tehdyt yksittäiset leikkausnopeuskokeet: Testi suoritettiin näytteelle eri vanhenemisaikoina, mukaan lukien 10 minuuttia (punainen), 2 tuntia (sininen) ja 2 päivää (musta). Materiaalille asetettiin vakio matala leikkausnopeus 0,001/s sen jälkeen, kun se oli levännyt 2 minuutin ajan 100/s esileikkauksen jälkeen. Tuloksista näkyy staattisen myötörajan (merkitty täytetyillä ympyröillä) kasvu vanhenemisajan myötä.
Tärkeimmät havainnot:
Yhteenvetona voidaan todeta, että tässä tutkimuksessa on havaittu kaksi erilaista mekanismia, jotka ohjaavat kuplien vapautumista myötöjännitysnesteistä. Homogeenisessa geelissä, jonka käyttäytyminen ei ole tiksotrooppista, muodostuu lähes tasainen kuplapilvi, ja materiaalin yleiset reologiset ominaisuudet yhdessä kuplien läheisyyden kanssa määräävät niiden vapautumisen ja sulkeutumisen järjestelmään. Melko suurilla kaasupitoisuuksilla tämä saattaa johtaa kuplapilven puhkeamiseen staattisen epävakauden alkaessa. Kun ajasta riippuvainen reologia (TiksotropiaUseimmissa nesteissä leikkausohennus on palautuvaa, ja nesteet saavat jossain vaiheessa takaisin alkuperäisen viskositeetin, kun leikkausvoima poistetaan.tiksotropia) tulee kuitenkin mukaan, ongelman fysikaalinen kuva muuttuu monimutkaisemmaksi.
Materiaalien epäyhtenäinen rakenne, joka johtuu niiden leikkaushistoriasta riippuvasta reologiasta, johtaa vaurioituneiden kerrosten muodostumiseen, joiden sisällä materiaalin rakenne on heikompi. Näiden vaurioituneiden kerrosten esiintyminen materiaalissa vaikuttaa merkittävästi kuplien vapautumiseen ja sulkeutumiseen, mikä estää kaasun kertymisen. Tällöin syntyy polydispersiivisiä kuplasuspensioita ja kuplien vapautuminen tapahtuu vaurioituneiden kerrosten kautta vähitellen eikä äkillisesti.
Kuplan vapautumisen mekanismi [4]
Intensiteetin(I) normalisoitu keskihajonta peräkkäisissä kuvissa kuplista, jotka on otettu heti epävakauden alkamisen jälkeen a) yksinkertaisen myötöjännitysnesteen ja b) tiksotrooppisen myötöjännitysnesteen osalta. Molemmissa geeleissä on korkea alkuperäinen kaasupitoisuus. Kuvien valkoiset kohdat osoittavat alueita, joilla kuplat liikkuvat geelin sisällä, kun taas tummat kohdat kuvaavat alueita, joilla kuplat ovat pysähtyneinä. Paneelissa (b) näkyvä verkostomainen rakenne viittaa siihen, että kuplat kulkevat uudelleen käytettyjä reittejä.
Kun suuremmat kuplat pakenevat pinnalle, paikallinen leikkaus heikentää geeliä materiaalin leikkaushistoriasta riippuvan reologian vuoksi, jolloin muodostuu näkymättömiä kanavia, joiden vastus on pienempi. Kuplat siirtyvät sitten kohti näitä kanavia, jolloin syntyy sivusuunnassa heikentyneitä kerroksia ja lopulta näkymättömiä vaurioituneiden kerrosten verkostoja, jotka ovat yhteydessä pystysuuntaisiin kanaviin.
Nämä verkostot mahdollistavat pienempien kuplien asteittaisen irtoamisen ja estävät kuplien kasautumisen, mikä toimii järjestelmän varoventtiileinä.
Laajemmat sovellukset:
Vaikka tämän tutkimuksen ensisijaisena motiivina ovat öljyhiekan rikastushiekkajätteiden kasvihuonekaasupäästöt, tutkimustuloksilla on kauaskantoisia vaikutuksia. Ymmärrystä siitä, miten kaasu jää talteen ja vapautuu viskoplastisiin nesteisiin, voidaan soveltaa useilla muilla aloilla: Esimerkiksi ydinjätteen varastointi voi johtaa "kupla ja liete" -ongelmiin, jäteveden käsittelyyn (jätevesi ) liittyy ei-newtonilaisia suspensioita ja kaasukuplia, ja öljy- ja kaasulähteitä rakennettaessa esiintyy kaasupotkuja , joissa kuplien eteneminen myötöjännitysnesteiden läpi on yleistä. Muita sovelluksia ovat betonin vaahdottaminen rakentamisessa ja suklaan maun parantaminen.
Yhteenvetona voidaan todeta, että myötöjännitysnesteiden kuplidynamiikan ymmärtäminen tarjoaa väylän öljyhiekan rikastushiekkajätteiden päästöjen vähentämiseen ja avaa ovia innovaatioille eri teollisuudenaloilla. Reologia on keskeinen menetelmä, jonka avulla voidaan ymmärtää taustalla olevia mekanismeja ja siten ennustaa käyttäytymistä ja vähentää päästöjä.
Tohtori Frigaardin monitieteinen tutkimusryhmä keskittyy viskoplastisiin nesteisiin ja ei-newtonilaisten nesteiden ominaisuuksien soveltamiseen teollisuusprosesseissa:
Seuraavassa on lueteltu muutamia tutkimustuloksia esitteleviä asiakirjoja:
Seuraavissa artikkeleissa selvitettiin teoreettisia malleja, jotka on kehitetty kuplien stabiilisuudesta myötöjännitysnesteissä. Näissä teoreettisissa töissä tutkitaan kuplien myötörajaa ja kuplien muodon ja kuplien vuorovaikutuksen vaikutuksia siihen.
[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). Kuplapilvet viskoplastisessa nesteessä. Journal of Fluid Mechanics, 927, R3.
Seuraavissa artikkeleissa on tutkittu kuplien kasvua ja stabiilisuutta myötörajatilassa olevassa materiaalissa kokeellisen lähestymistavan avulla. Materiaalin monimutkaisen reologian, mukaan lukien sen kimmoisuus ja TiksotropiaUseimmissa nesteissä leikkausohennus on palautuvaa, ja nesteet saavat jossain vaiheessa takaisin alkuperäisen viskositeetin, kun leikkausvoima poistetaan.tiksotropia, merkitystä selitetään seuraavissa artikkeleissa. Tässä selitetään myös erilaisia skenaarioita kuplapilvien epävakaudesta ja sen yhteyttä materiaalin reologiaan ja rakenteeseen.
[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.
Materiaalin epäyhtenäisen reologian vaikutusta kuplien stabiilisuuteen ja kulkeutumiseen korostetaan seuraavassa työssä. Ongelman tutkimiseen käytetään numeerisia simulaatioita yhdistettynä kokeisiin.
[5] Zare, M., Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2021). Epätasaisen reologian vaikutukset kuplien liikkeeseen saantojännitteisessä nesteessä. Journal of Fluid Mechanics, 919, A25.