Ügyfél SIKERES TÖRTÉNET
Reológia és környezetvédelmi megoldások: Az üvegházhatású gázok kibocsátásának mérséklésére irányuló globális megközelítés
Ez a helyszíni jelentés Ian Frigaard professzornak és csapatának a kanadai Brit Kolumbiai Egyetemen tett erőfeszítéseit tárgyalja, amelyek célja a gázbuborékok dinamikájának megértése és szabályozása a folyékony folyadékokban, például az olajhomok-lerakó medencékben található folyadékokban, az üvegházhatású gázok kibocsátásának mérséklése érdekében.
Kutatásaikban olyan modellfolyadékok reológiai tulajdonságait vizsgálják, mint a Carbopol gélek és a Laponite szuszpenziók, hogy jobban megértsék a buborékbefogási és felszabadulási mechanizmusokat. A vizsgálatokat a NETZSCH Kinexus reométerrel végezték. Az eredményeknek széleskörű következményei vannak a különböző iparágakban, többek között a bányászatban, a nukleáris hulladéktárolásban és a szennyvíztisztításban a kibocsátások csökkentésére.
“A buborékdinamika megértése a folyékony folyadékokban utat nyit az olajhomok-lerakóból származó kibocsátások csökkentésére. A reológia kulcsfontosságú módszer a mögöttes mechanizmusok megértéséhez, és így a viselkedés előrejelzéséhez és a kibocsátások csökkentésére irányuló stratégiák kidolgozásához. A NETZSCH Kinexus rotációs reométerrel végzett vizsgálatok széleskörűen érintik a különböző iparágakat, többek között a bányászatot, a nukleáris hulladéktárolást és a szennyvíztisztítást.”
Dr. Ian Frigaard a kanadai Brit Columbia Egyetem gépészmérnöki tanszékének professzora. Szakterülete a Nem-newtoniA nem-newtoni folyadék olyan folyadék, amelynek viszkozitása az alkalmazott nyírási sebesség vagy nyírófeszültség függvényében változik.nem-newtoni áramlástan, különös tekintettel a viszko-plasztikus folyadékok ipari alkalmazására, különösen a kőolajiparban. Interdiszciplináris kutatócsoportja matematikai, kísérleti és számítási megközelítéseket kombinál, hogy olyan kérdésekkel foglalkozzon, mint a kútcementezés és az üvegházhatású gázok kibocsátásának ellenőrzése. Dr. Frigaard számos tudományos cikk szerzője is, jelentősen hozzájárulva a folyadékmechanika megértéséhez és fejlesztéséhez.
Magas célok: Nulla nettó kibocsátás 2050-ig
2021 júniusában Kanada jelentős lépést tett az éghajlat-politikai fellépés irányába, amikor elfogadta a kanadai nettó nulla kibocsátású elszámoltathatósági törvényt, amelynek célja, hogy 2050-re elérje a nettó nulla kibocsátást. Ez a kötelezettségvállalás aláhúzza, hogy minden iparágnak sürgősen meg kell vizsgálnia kibocsátási lábnyomát és minimalizálnia kell környezeti hatásait. Az olajhomok-ipar azért került reflektorfénybe, mert jelentős mértékben hozzájárul az üvegházhatású gázok kanadai kibocsátásához. A legfrissebb adatok szerint 2020-ban körülbelül hét megatonna metán és szén-dioxid került kibocsátásra az olajhomok-lerakómedencékből, ahol az olajhomok kitermelésének melléktermékeit tárolják.
Az olyan régiók, mint Kanada, az Egyesült Államok, Brazília, Oroszország és Dél-Afrika mind hasonló kihívásokkal néznek szembe a hulladéktárolókkal, különösen a bányászat és az olajkitermelés területén.
Ian Frigaard professzor és csapata a University of British Columbia (UBC) Complex Fluids Group (Komplex Fluids Group) csoportjában a folyadékmechanika szemszögéből közelíti meg a problémát. Céljuk, hogy megértsék a buborékok stabilitásának és vándorlásának mechanizmusát ezekben a rendszerekben, annak kapcsolatát az anyag reológiájával, és végül úgy alakítsák ki a rendszert, hogy a gázbuborékok felszabadulása és beszorulása előnyös módon szabályozható legyen. Kutatásuk nemcsak Kanada, hanem minden olyan ország számára jelentős lehetőségeket rejt magában, ahol az ipari melléktermékeket biztonságosan és hatékonyan kell tárolni. A nukleáris hulladéktárolóktól kezdve a közel-keleti, közép-ázsiai és latin-amerikai olajkutakból származó gázkibocsátáson át egészen az európai szennyvíztisztító létesítményekig, a viszkoplasztikus folyadékokban lévő gázbuborékok dinamikájának megértése nagyban befolyásolhatja a kibocsátás csökkentésére és a fenntartható gyakorlatok előmozdítására irányuló globális erőfeszítéseket.
A buborékok stabilitásának és vándorlásának mechanizmusának megértése a reológia segítségével
A hulladéklerakó tavak FFT (Fine Fluid Tailings) és MFT (Mature Fine Tailings) rétegekből állnak, amelyek vízből, homokból, anaerob mikroorganizmusokból és naftából állnak. A benzin mikrobiális lebomlása ezekben a rétegekben metán és szén-dioxid termeléséhez vezet, ami hozzájárul az üvegházhatású gázok kibocsátásához.
A hordalékanyagok a folyékony folyadékok jellemzőit mutatják: egy bizonyos küszöbfeszültség (Termelési feszültségA folyási feszültséget úgy határozzák meg, mint azt a feszültséget, amely alatt nem következik be áramlás; a szó szoros értelmében nyugalmi állapotban gyenge szilárd anyagként, folyékony anyagként viselkedik, amikor folyik.folyáshatár) alatt szilárd anyagként viselkednek, e küszöbérték felett pedig folyadékként áramlanak, ami lehetővé teszi számukra a gázbuborékok visszatartását.
Az UBC komplex folyadékokkal foglalkozó csoportja által végzett kutatás laboratóriumi kísérleteket, modelleket és számításokat foglal magában a buborékok beszorulásának és felszabadulásának megértése, a fizikai folyamatok feltárása, valamint annak vizsgálata érdekében, hogy a folyadék reológiája hogyan képes potenciálisan szabályozni a tavakból származó üvegházhatású gázok kibocsátását. Ennek az alapkutatásnak a lényege, hogy meghatározzuk a buborékok statikus stabilitásának Termelési feszültségA folyási feszültséget úgy határozzák meg, mint azt a feszültséget, amely alatt nem következik be áramlás; a szó szoros értelmében nyugalmi állapotban gyenge szilárd anyagként, folyékony anyagként viselkedik, amikor folyik.folyáshatárát folyáshatárfeszültségű folyadékokban, és megállapítsuk a kapcsolatot ezen anyagok komplex reológiájával, beleértve a folyáshatárt, a rugalmasságot és a tixotróp viselkedést. A reológiai vizsgálatokat a NETZSCH Kinexus Pro + reométerrel végeztük . Az egyszerű folyékony folyékony folyékonyok egyszerű folyékonysági feszültségű, illetve a tixotróp folyékony folyékony folyékonyok modelljeként Carbopol géleket és Laponitot használtak.
Modellfolyadékok reológiai viselkedése
A Carbopol gélek reológiai görbéit a következő ábra mutatja. A Carbopol reológiáját nyírási sebességgel szabályozott fel- és lefelé irányuló ramp-up és ramp-down teszttel mértük egy érdesített párhuzamos lemezgeometria segítségével. A Termelési feszültségA folyási feszültséget úgy határozzák meg, mint azt a feszültséget, amely alatt nem következik be áramlás; a szó szoros értelmében nyugalmi állapotban gyenge szilárd anyagként, folyékony anyagként viselkedik, amikor folyik.folyáshatár felett nem figyeltek meg tixotróp viselkedést. A Termelési feszültségA folyási feszültséget úgy határozzák meg, mint azt a feszültséget, amely alatt nem következik be áramlás; a szó szoros értelmében nyugalmi állapotban gyenge szilárd anyagként, folyékony anyagként viselkedik, amikor folyik.folyáshatár alatt a gél rugalmas reakciója eltérést okozott a felfutási és lefolyási görbék között. Az ábra betétje a rugalmassági modulust (G') és a viszkózus modulust (G'') mutatja a 2 rad/s frekvenciájú amplitúdó-söpréses vizsgálatból kapott alakváltozási amplitúdó függvényében. Körülbelül 0,1% alatti alakváltozási amplitúdók esetén mindkét modulus állandó marad, ami lineáris viselkedésre utal.
Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a karbopol 2% alatti koncentrációban egyszerű elaszto-viszkóplasztikus folyadékként viselkedik, észlelhető tixotróp viselkedés nélkül.
Karbopol 0,15% (egyszerű folyékony folyékony anyag) [3]
A laponitot mint tixotróp viselkedést mutató modellfolyadékot egy sor reológiai teszt segítségével megerősítették. A következő ábra egy 1%-os laponitminta áramlási görbéjét mutatja be, amely 10 percig nyugalomban volt az előzetes nyírást követően. A nyugalmi időszakot követően a mintát feszültségvezérelt felfutásnak (körök) és lefutásnak (lefelé mutató háromszögek) vetettük alá egy érdesített geometria segítségével. Az anyag tixotróp viselkedése a rámpa-felhajtási és a rámpa-leengedési görbék közötti észrevehető eltérésben nyilvánul meg. Megmérték továbbá a rugalmassági modulust (négyzetek) és a viszkózus modulust (plusz jelek) az alakváltozás függvényében, 2 Hz-es frekvenciájú dinamikus alakváltozási amplitúdó-söpréssel. Az eredmények, amelyek a következő ábra betétjében láthatók, megerősítették az anyag lineáris viszkoelasztikus viselkedését 1% alatti alakváltozásoknál.
Laponit 1% (tixotróp folyékony folyékony folyadéka): Folyási görbék [4]
Reprezentatív reológiai görbék egy laponit szuszpenzióra (Laponit 1%):
Ez az ábra a nyírási sebességgel szabályozott vizsgálatból kapott felfutási és lefolyási görbéket mutatja. Az áramlási görbékben észrevehető hiszterézis van, ami az anyag tixotróp viselkedését jelzi. Az anyag amplitúdó-söprési teszttel mért dinamikus viselkedését az ábra betétje mutatja be. Az eredmények azt mutatják, hogy a laponit megfelelő modell egy időfüggő viszkoplasztikus folyadékhoz.
Laponit 1% (tixotróp folyékony folyékony anyag) : statikus és dinamikus folyáshatárok [4]
Laponit szuszpenzió (Laponit 1%) egyszeri nyírási sebességű vizsgálatai: A vizsgálatot egy mintán végeztük el különböző öregedési időknél, beleértve 10 percet (piros), 2 órát (kék) és 2 napot (fekete). Az anyagot 2 percig tartó 100/s-os előnyírást követő nyugalmi időszakot követően 0,001/s-os állandó, alacsony nyírási sebességnek vetették alá. Az eredmények a statikus Termelési feszültségA folyási feszültséget úgy határozzák meg, mint azt a feszültséget, amely alatt nem következik be áramlás; a szó szoros értelmében nyugalmi állapotban gyenge szilárd anyagként, folyékony anyagként viselkedik, amikor folyik.folyáshatár növekedését mutatják (kitöltött körökkel jelölve) az öregedési idővel.
Főbb megállapítások:
Összefoglalva, ez a kutatás két különböző mechanizmust fedezett fel, amelyek a buborékok felszabadulását irányítják a folyékony folyadékokból. Egy homogén, nem tixotróp viselkedésű gélben kvázi-egyenletes buborékfelhő képződik, és az anyag általános reológiai jellemzői, a buborékok közelségével párosulva diktálják a buborékok felszabadulását és a rendszerben való megrekedését. Elég magas gázkoncentráció esetén ez a statikus instabilitás kialakulásakor buborékfelhő kipukkanásához vezethet. Amikor azonban az időfüggő reológia (TixotrópiaA legtöbb folyadék esetében a nyírási hígulás visszafordítható, és a folyadékok egy bizonyos időpontban visszanyerik eredeti viszkozitásukat, amikor a nyíróerőt megszüntetik.tixotrópia) lép a képbe, a probléma fizikai képe bonyolultabbá válik.
Az anyagok nyírástörténetfüggő reológiájából eredő nem egyenletes szerkezetük sérült rétegek kialakulásához vezet, amelyeken belül az anyagszerkezet gyengébb. Ezeknek a sérült rétegeknek az anyagon belüli jelenléte jelentősen befolyásolja a buborékkibocsátást és a buborékbefogást, megakadályozva a gázfelhalmozódást. Ebben az esetben polydiszperz buborékszuszpenziók keletkeznek, és a buborékkibocsátás nem hirtelen, hanem fokozatosan történik a sérült rétegeken keresztül.
A buborékkibocsátás mechanizmusa [4]
Az intenzitás(I) normalizált standard eltérése a buborékok egymás utáni képein, közvetlenül az instabilitás kezdete után rögzítve a) egy egyszerű folyékony folyékony folyékony folyékony és b) egy tixotróp folyékony folyékony folyékony esetében. Mindkét gélnek magas a kezdeti gáztartalma. A képeken a fehér foltok olyan területeket jelölnek, ahol a buborékok mozognak a gélben, míg a sötét foltok olyan területeket, ahol a buborékok stagnálnak. A (b) panelen látható hálózatszerű struktúra arra utal, hogy a buborékok újrahasznosított utakat követnek.
Ahogy a nagyobb buborékok a felszínre szöknek, a helyi nyírás gyengíti a gélt az anyag nyírási előzményektől függő reológiája miatt, és láthatatlan, kisebb ellenállású csatornákat képez. A buborékok ezután ezek felé a csatornák felé vándorolnak, oldalirányú meggyengült rétegeket és végül függőleges csatornákhoz kapcsolódó sérült rétegek láthatatlan hálózatait hozva létre.
Ezek a hálózatok lehetővé teszik a kisebb buborékok fokozatos felszabadulását, megakadályozva a buborékok felhalmozódását, így biztonsági szelepként működnek a rendszerben.
Szélesebb körű alkalmazások:
Bár ezt a kutatást elsősorban az olajhomok-hulladékokból származó üvegházhatású gázok kibocsátásának kérdése motiválta, az eredményeknek messzemenő következményei vannak. Annak megértése, hogy a gázok hogyan rekednek meg és bocsátódnak ki a viszkoplasztikus folyadékokban, számos más területen is alkalmazható: Például a nukleáris hulladék tárolása "buborék és iszap" problémákhoz vezethet, a szennyvíztisztítás (szennyvíz ) nemnewtoni szuszpenziókat és gázbuborékokat tartalmaz, az olaj- és gázkutak építése során pedig gázrúgások tapasztalhatók , ahol a buborékok terjedése a folyékony folyadékokban gyakori. Egyéb alkalmazások közé tartozik a beton habosítása az építkezéshez és a csokoládé ízfokozásához.
Összefoglalva, a buborékdinamika megértése a folyékony folyadékokban a folyékony folyadékokban utat kínál az olajhomok-folyadékokból származó kibocsátások csökkentésére, és számos iparágban újítások előtt nyit ajtót. A reológia kulcsfontosságú módszer a mögöttes mechanizmusok megértéséhez, és így a viselkedés előrejelzéséhez és a kibocsátások csökkentéséhez.
Dr. Frigaard interdiszciplináris kutatócsoportja a viszkoplasztikus folyadékokra és a nem-newtoni folyadéktulajdonságok ipari folyamatokban való alkalmazására összpontosít:
Az alábbiakban néhány, az eredményeiket bemutató tanulmányt közlünk:
A következő cikkek a buborékok stabilitására kidolgozott elméleti modelleket ismertették a folyékony folyadékok folyáshatárán. Ezekben az elméleti munkákban a buborékok folyáshatárát, valamint a buborékok alakjának és a buborékok kölcsönhatásainak erre gyakorolt hatását vizsgálták.
[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). Buborékfelhők egy viszkoplasztikus folyadékban. Journal of Fluid Mechanics, 927, R3.
A következő dolgozatok a buborékok növekedését és stabilitását vizsgálták folyáshatárral rendelkező anyagban kísérleti megközelítéssel. Az anyag komplex reológiájának szerepét, beleértve a rugalmasságot és a tixotrópiát is, a következő dolgozatokban ismertetjük. Emellett a buborékfelhők instabilitásának különböző forgatókönyvei és annak az anyag reológiájával és szerkezetével való kapcsolata is ismertetésre kerül.
[3] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2023). Buborékok növekedése és stabilitása egy folyási feszültségű folyadékban. 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.
Az anyag nem egyenletes reológiájának hatását a buborékok stabilitására és vándorlására a következő munka világít rá. A probléma vizsgálatára kísérletekkel kombinált numerikus szimulációkat használunk.
[5] Zare, M., Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2021). A nem egyenletes reológia hatása a buborékok mozgására egy hozamfeszültségű folyadékban. Journal of Fluid Mechanics, 919, A25.