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Rhéologie et solutions environnementales : Une approche globale pour atténuer les émissions de gaz à effet de serre

Ce rapport de terrain présente les efforts déployés par le professeur Ian Frigaard et son équipe de l'université de Colombie-Britannique, au Canada, pour comprendre et contrôler la dynamique des bulles de gaz dans les fluides soumis à des contraintes de rendement, tels que ceux que l'on trouve dans les bassins de résidus des sables bitumineux, afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre.

Leur recherche explore les propriétés rhéologiques de fluides modèles tels que les gels de Carbopol et les suspensions de Laponite afin de mieux comprendre les mécanismes de piégeage et de libération des bulles. Les études ont été réalisées à l'aide du rhéomètre Kinexus ( NETZSCH ). Les résultats ont de vastes implications pour la réduction des émissions dans diverses industries, notamment l'exploitation minière, le stockage des déchets nucléaires et le traitement des eaux usées.

Prof. Dr. Ian Frigaard

„La compréhension de la dynamique des bulles dans les fluides soumis à des contraintes d'élasticité ouvre des voies pour réduire les émissions des bassins de résidus des sables bitumineux. La rhéologie est une méthode clé pour comprendre les mécanismes sous-jacents et donc pour prédire le comportement et concevoir des stratégies de réduction des émissions. Ces études, réalisées avec le rhéomètre rotatif Kinexus ( NETZSCH ), ont de vastes implications pour diverses industries, notamment l'exploitation minière, le stockage des déchets nucléaires et le traitement des eaux usées.“

Prof. Dr. Ian Frigaard
Université de la Colombie-Britannique, Laboratoire des écoulements complexes et non newtoniens

Ian Frigaard est professeur au département d'ingénierie mécanique de l'université de Colombie-Britannique, au Canada. Il est spécialisé dans la mécanique des fluides non newtoniens et se concentre sur les applications industrielles des fluides visco-plastiques, en particulier dans l'industrie pétrolière. Son groupe de recherche interdisciplinaire combine des approches mathématiques, expérimentales et informatiques pour aborder des questions telles que la cimentation des puits et le contrôle des émissions de gaz à effet de serre. M. Frigaard est également l'auteur de nombreux articles scientifiques, contribuant de manière significative à la compréhension et à l'avancement de la mécanique des fluides.

Des objectifs élevés : Des émissions nettes nulles d'ici à 2050

En juin 2021, le Canada a franchi une étape importante en matière d'action climatique en adoptant la Loi canadienne sur la responsabilité en matière d'émissions nettes zéro, qui vise à atteindre des émissions nettes zéro d'ici à 2050. Cet engagement souligne l'urgence pour toutes les industries d'examiner leur empreinte en matière d'émissions et de minimiser leur impact sur l'environnement. L'industrie des sables bitumineux est sous le feu des projecteurs en raison de sa contribution majeure aux émissions de gaz à effet de serre du Canada. Des données récentes indiquent qu'en 2020, environ sept mégatonnes de méthane et de dioxyde de carbone ont été émises par les bassins de résidus des sables bitumineux, où sont stockés les sous-produits du processus de production des sables bitumineux.

Des régions telles que le Canada, les États-Unis, le Brésil, la Russie et l'Afrique du Sud sont toutes confrontées à des problèmes similaires liés aux bassins de résidus, en particulier dans leurs industries d'extraction minière et pétrolière.

Le professeur Ian Frigaard et son équipe du Complex Fluids Group de l'université de Colombie-Britannique (UBC) abordent la question sous l'angle de la mécanique des fluides. Ils cherchent à comprendre le mécanisme de stabilité et de migration des bulles dans ces systèmes, son lien avec la rhéologie du matériau et, enfin, à concevoir le système de manière à ce que la libération et le piégeage des bulles de gaz puissent être contrôlés de manière avantageuse. Leurs recherches présentent un potentiel important non seulement pour le Canada, mais aussi pour tous les pays où les sous-produits industriels doivent être stockés de manière sûre et efficace. Qu'il s'agisse de sites de stockage de déchets nucléaires, d'émissions de gaz provenant de puits de pétrole au Moyen-Orient, en Asie centrale et en Amérique latine, ou même d'installations de traitement des eaux usées en Europe, la compréhension de la dynamique des bulles de gaz dans les fluides viscoplastiques pourrait avoir un impact considérable sur les efforts déployés à l'échelle mondiale pour réduire les émissions et promouvoir des pratiques durables.

Figure : Recherche du laboratoire de fluides complexes de l'UBC sur la migration et la stabilité des bulles dans les fluides à limite d'élasticité

Comprendre le mécanisme de stabilité et de migration des bulles au moyen de la rhéologie

Les bassins de résidus se composent de couches FFT (Fine Fluid Tailings) et MFT (Mature Fine Tailings), comprenant de l'eau, du sable, des micro-organismes anaérobies et du naphta. La dégradation microbienne du naphta dans ces couches entraîne la production de méthane et de dioxyde de carbone, ce qui contribue aux émissions de gaz à effet de serre.

Les matériaux des résidus présentent les caractéristiques des fluides à limite d'élasticité, se comportant comme un solide en dessous d'un certain seuil de ContrainteLa Contrainte est définie par un niveau de force appliquée sur un échantillon d’une section bien définie. (Contrainte = force/surface). Les échantillons qui possèdent une section rectangulaire ou circulaire peuvent être comprimés ou étirés. Les matériaux élastiques comme les élastomères peuvent être étirés jusqu’à 5 à 10 fois leur longueur initiale.contrainte (limite d'élasticité) et s'écoulant comme un liquide au-dessus de ce seuil, ce qui leur permet de retenir les bulles de gaz.

Schéma de la structure du bassin de résidus stratifié. La dégradation bactérienne du naphta dans les couches FFT et MFT entraîne la formation de bulles de méthane et de dioxyde de carbone.



Les recherches menées par le groupe des fluides complexes de l'UBC impliquent des expériences en laboratoire, des modèles et des calculs pour comprendre le piégeage et la libération des bulles, explorer les processus physiques et étudier comment la rhéologie des fluides peut potentiellement contrôler les émissions de gaz à effet de serre des étangs. Le cœur de cette étude de recherche fondamentale est de déterminer la limite d'écoulement pour la stabilité statique des bulles dans les fluides à contrainte d'écoulement et d'établir son lien avec la rhéologie complexe de ces matériaux, y compris la contrainte d'écoulement, l'élasticité et le comportement thixotropique. Les études rhéologiques ont été réalisées à l'aide du rhéomètreNETZSCH Kinexus Pro +. Elles ont utilisé les gels Carbopol et la Laponite comme modèles pour les fluides simples de limite d'élasticité et les fluides thixotropes de limite d'élasticité, respectivement.

Comportement rhéologique de fluides modèles

Les courbes rhéologiques représentatives des gels de Carbopol sont illustrées dans la figure suivante. La rhéologie du Carbopol a été mesurée au moyen d'un test de montée et de descente contrôlé par le taux de cisaillement en utilisant une géométrie de plaque parallèle rugueuse. Au-dessus de la limite d'élasticité, aucun comportement thixotropique n'a été observé. En dessous de la limite d'élasticité, la réponse élastique du gel a entraîné une déviation entre les courbes d'écoulement de montée et de descente. L'encadré de cette figure montre le module élastique (G') et le Module visqueuxLe module complexe (composante visqueuse), module de perte ou G'', est la partie "imaginaire" du module complexe global des échantillons. Cette composante visqueuse indique la réponse liquide ou déphasée de l'échantillon mesuré. module visqueux (G'') en fonction de l'amplitude de la DéformationLa Déformation décrit une déformation d’un matériau qui subit une contrainte ou une force mécanique externe. Les formulations d’élastomères présentent des propriétés de fluage, si une charge constante est appliquée.déformation, obtenus à partir d'un test de balayage d'amplitude à une fréquence de 2 rad/s. Pour des amplitudes de déformation inférieures à environ 0,1 %, les deux modules restent constants, ce qui indique un comportement linéaire.

Ces résultats démontrent que le Carbopol, à des concentrations inférieures à 2 %, se comporte comme un simple fluide élasto-viscoplastique sans comportement thixotropique perceptible.

Carbopol 0,15 % (fluide à simple limite d'élasticité) [3]

Courbes rhéologiques représentatives des gels de Carbopol (Carbopol). Cette figure présente les courbes d'écoulement obtenues à partir d'un essai de cisaillement contrôlé à vitesse croissante (noir) et décroissante (rouge). L'encadré montre le module élastique (noir) et le Module visqueuxLe module complexe (composante visqueuse), module de perte ou G'', est la partie "imaginaire" du module complexe global des échantillons. Cette composante visqueuse indique la réponse liquide ou déphasée de l'échantillon mesuré. module visqueux (rouge) en fonction de l'amplitude de la déformation. Les résultats indiquent clairement que le Carbopol à des concentrations relativement faibles (inférieures à 2 %) peut être considéré comme un simple fluide élasto-viscoplastique sans comportement thixotropique discernable.
Le NETZSCH Kinexus Pro + rhéomètre rotatif

La Laponite a été confirmée comme fluide modèle présentant un comportement thixotropique par une série de tests rhéologiques. La figure suivante présente la courbe d'écoulement d'un échantillon de laponite à 1 % au repos pendant 10 minutes après un pré-cisaillement. Pendant la période de repos, l'échantillon a été soumis à une montée (cercles) et une descente (triangles pointant vers le bas) contrôlées par la contrainte en utilisant une géométrie rugueuse. Le comportement thixotropique du matériau se manifeste par un écart perceptible entre les courbes de montée et de descente. Ils ont également mesuré le module élastique (carrés) et le Module visqueuxLe module complexe (composante visqueuse), module de perte ou G'', est la partie "imaginaire" du module complexe global des échantillons. Cette composante visqueuse indique la réponse liquide ou déphasée de l'échantillon mesuré. module visqueux (signes plus) en fonction de la déformation, par un balayage dynamique de l'amplitude de déformation à une fréquence de 2 Hz. Les résultats présentés dans l'encadré de la figure suivante ont confirmé le comportement viscoélastique linéaire du matériau à des déformations inférieures à 1 %.

Laponite 1% (fluide thixotrope à limite d'élasticité) : Courbes d'écoulement [4]

Courbes rhéologiques représentatives d'une suspension de laponite (laponite 1%) :

Cette figure montre les courbes d'écoulement de montée et de descente obtenues à partir d'un essai contrôlé par le taux de cisaillement. Les courbes d'écoulement présentent une hystérésis perceptible qui témoigne du comportement thixotropique du matériau. Le comportement dynamique du matériau mesuré à l'aide d'un test de balayage d'amplitude est présenté dans l'encadré de cette figure. Les résultats montrent que la laponite est un modèle approprié pour un fluide viscoplastique dépendant du temps.





Laponite 1% (fluide thixotrope à limite d'élasticité) : limites d'élasticité statiques et dynamiques [4]

Essais de cisaillement simple pour une suspension de Laponite (Laponite 1%) : L'essai a été réalisé pour un échantillon à différents temps de vieillissement, notamment 10 min (rouge), 2 h (bleu) et 2 jours (noir). Le matériau a été soumis à un faible taux de cisaillement constant de 0,001/s après une période de repos suivant un pré-cisaillement de 100/s pendant 2 minutes. Les résultats montrent l'augmentation de la limite d'élasticité statique (marquée par des cercles remplis) avec le temps de vieillissement.

Principales conclusions :

En résumé, cette recherche a mis en évidence deux mécanismes distincts régissant la libération des bulles dans les fluides à limite d'élasticité. Dans un gel homogène au comportement non thixotrope, un nuage de bulles quasi-uniforme se forme, et les caractéristiques rhéologiques globales du matériau, associées à la proximité des bulles, dictent leur libération et leur piégeage dans le système. À une concentration de gaz assez élevée, cela peut conduire à l'éclatement du nuage de bulles lors de l'apparition de l'instabilité statique. Cependant, lorsque la rhéologie dépendante du temps (ThixotropiePour la plupart des liquides, l'amincissement par cisaillement est réversible et les liquides retrouvent à un moment donné leur viscosité d'origine lorsque la force de cisaillement est supprimée.thixotropie) entre en jeu, l'image physique du problème devient plus complexe.

La structure non uniforme des matériaux provenant de leur rhéologie dépendant de l'histoire du cisaillement conduit à la formation de couches endommagées à l'intérieur desquelles la structure du matériau est plus faible. La présence de ces couches endommagées dans le matériau influence considérablement la libération et le piégeage des bulles, empêchant ainsi l'accumulation de gaz. Dans ce cas, les suspensions de bulles polydisperses émergent et la libération des bulles se produit progressivement à travers les couches endommagées plutôt que soudainement.

Mécanisme de libération des bulles [4]

Écart-type normalisé de l'intensité(I) dans des images séquentielles de bulles, capturées juste après le début de l'instabilité pour (a) un fluide à limite d'élasticité simple et (b) un fluide à limite d'élasticité thixotropique. Les deux gels ont une teneur initiale en gaz élevée. Les points blancs sur les images indiquent les zones où les bulles se déplacent dans le gel, tandis que les points sombres représentent les zones où les bulles stagnent. La structure en réseau du panneau (b) suggère que les bulles suivent des chemins réutilisés.

Lorsque les plus grosses bulles s'échappent vers la surface, le cisaillement local affaiblit le gel en raison de la rhéologie du matériau qui dépend de l'histoire du cisaillement, formant des conduits invisibles avec moins de résistance. Les bulles migrent alors vers ces conduits, créant des couches latérales affaiblies et finalement des réseaux invisibles de couches endommagées connectées à des conduits verticaux.

Ces réseaux permettent aux bulles plus petites d'être progressivement libérées, empêchant ainsi l'accumulation de bulles, agissant ainsi comme des soupapes de sécurité dans le système.

Applications plus larges :

Bien que cette recherche soit principalement motivée par la question des émissions de gaz à effet de serre provenant des résidus des sables bitumineux, les résultats ont des implications d'une grande portée. Comprendre comment le gaz est piégé et émis dans les fluides viscoplastiques a des applications dans plusieurs autres domaines : Par exemple, le stockage des déchets nucléaires peut entraîner des problèmes de "bulles et de boues", le traitement des eaux usées implique des suspensions non newtoniennes et des bulles de gaz, et les puits de pétrole et de gaz subissent des coups de pied de gaz pendant la construction, où la propagation des bulles dans les fluides à limite d'élasticité est courante. D'autres applications incluent la formation de mousse dans le béton pour la construction et dans le chocolat pour en améliorer le goût.

En résumé, la compréhension de la dynamique des bulles dans les fluides à limite d'élasticité offre une voie pour réduire les émissions des résidus des sables bitumineux et ouvre la voie à des innovations dans diverses industries. La rhéologie est une méthode clé pour comprendre les mécanismes sous-jacents et donc pour prédire le comportement et réduire les émissions.

L'équipe de recherche interdisciplinaire du Dr. Frigaard se concentre sur les fluides viscoplastiques et l'application des propriétés des fluides non-newtoniens dans les processus industriels :
Marjan Zare, chercheur postdoctoral au département d'ingénierie mécanique du Massachusetts Institute of Technology
Masoud Daneshi, chercheur en rhéologie à NETZSCH Instruments Inc, Burlington, Massachusetts
Emad Chaparian, professeur adjoint en ingénierie mécanique et aérospatiale, Université de Strathclyde
Ali Pourzahedi, doctorant Département d'ingénierie mécanique, Université de Colombie-Britannique

Quelques articles présentant leurs résultats sont énumérés ci-dessous :

Les articles suivants expliquent les modèles théoriques développés pour la stabilité des bulles dans les fluides à limite d'élasticité. La limite d'élasticité des bulles et les effets des formes et des interactions des bulles sur cette limite sont étudiés dans ces travaux théoriques.

[1] Pourzahedi, A., Chaparian, E., Roustaei, A., & Frigaard, I. A. (2022). Flow onset for a single bubble in a yield-ContrainteLa Contrainte est définie par un niveau de force appliquée sur un échantillon d’une section bien définie. (Contrainte = force/surface). Les échantillons qui possèdent une section rectangulaire ou circulaire peuvent être comprimés ou étirés. Les matériaux élastiques comme les élastomères peuvent être étirés jusqu’à 5 à 10 fois leur longueur initiale.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.

Les articles suivants ont étudié la croissance et la stabilité des bulles dans un matériau à limite d'élasticité à l'aide d'une approche expérimentale. Le rôle de la rhéologie complexe du matériau, y compris son élasticité et sa ThixotropiePour la plupart des liquides, l'amincissement par cisaillement est réversible et les liquides retrouvent à un moment donné leur viscosité d'origine lorsque la force de cisaillement est supprimée.thixotropie, est expliqué dans les articles suivants. Différents scénarios d'instabilité des nuages de bulles et leur lien avec la rhéologie et la structure du matériau sont également expliqués ici.

[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.

L'effet de la rhéologie non uniforme du matériau sur la stabilité et la migration des bulles est mis en évidence dans les travaux suivants. Des simulations numériques combinées à des expériences sont utilisées pour étudier ce problème.

[5] Zare, M., Daneshi, M. et 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.

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