
KISAH SUKSES PELANGGAN
Reologi dan Solusi Lingkungan: Pendekatan Global untuk Mengurangi Emisi Gas Rumah Kaca
Laporan lapangan ini membahas upaya Profesor Ian Frigaard dan timnya di University of British Columbia, Kanada, untuk memahami dan mengendalikan dinamika gelembung gas dalam fluida tegangan leleh, seperti yang ditemukan di kolam tailing pasir minyak, untuk mengurangi emisi gas rumah kaca.
Penelitian mereka mengeksplorasi sifat-sifat reologi cairan model seperti gel Carbopol dan suspensi Laponit untuk lebih memahami mekanisme jebakan dan pelepasan gelembung. Penelitian dilakukan dengan menggunakan rheometer Kinexus NETZSCH. Temuan ini memiliki implikasi yang luas untuk mengurangi emisi di berbagai industri, termasuk pertambangan, penyimpanan limbah nuklir, dan pengolahan air limbah.

„Memahami dinamika gelembung dalam fluida tegangan luluh membuka jalan untuk mengurangi emisi dari kolam tailing pasir minyak. Reologi adalah metode utama untuk memahami mekanisme yang mendasarinya dan dengan demikian dapat memprediksi perilaku dan menyusun strategi untuk mengurangi emisi. Studi ini, yang dilakukan dengan NETZSCH rotational rheometer Kinexus, memiliki implikasi yang luas untuk berbagai industri, termasuk pertambangan, penyimpanan limbah nuklir, dan pengolahan air limbah.“
Ian Frigaard adalah seorang profesor di Departemen Teknik Mesin di University of British Columbia, Kanada. Beliau memiliki spesialisasi dalam mekanika fluida Non-NewtonianFluida non-Newtonian adalah fluida yang menunjukkan viskositas yang bervariasi sebagai fungsi dari laju geser atau tegangan geser yang diterapkan.non-Newtonian, dengan fokus pada aplikasi industri fluida visko-plastik, khususnya dalam industri perminyakan. Kelompok penelitian interdisiplinernya menggabungkan pendekatan matematika, eksperimental, dan komputasi untuk mengatasi masalah seperti penyemenan sumur dan kontrol emisi gas rumah kaca. Frigaard juga telah menulis banyak makalah ilmiah, yang berkontribusi secara signifikan terhadap pemahaman dan kemajuan mekanika fluida.

Target Tinggi: Emisi Nol-Bersih pada tahun 2050
Pada bulan Juni 2021, Kanada mengambil langkah signifikan menuju aksi iklim dengan memberlakukan Undang-Undang Akuntabilitas Emisi Nol Nol Kanada, yang bertujuan untuk mencapai emisi nol-nol pada tahun 2050. Komitmen ini menggarisbawahi urgensi bagi semua industri untuk memeriksa jejak emisi mereka dan meminimalkan dampak lingkungan. Industri pasir minyak sedang menjadi sorotan karena kontribusinya yang besar terhadap emisi gas rumah kaca Kanada. Data terbaru menunjukkan bahwa pada tahun 2020, sekitar tujuh megaton metana dan karbon dioksida dilepaskan dari kolam tailing pasir minyak, tempat produk sampingan dari proses produksi pasir minyak disimpan.
Wilayah seperti Kanada, Amerika Serikat, Brasil, Rusia, dan Afrika Selatan menghadapi tantangan yang sama dengan kolam tailing, terutama di industri pertambangan dan ekstraksi minyak.
Profesor Ian Frigaard dan timnya di University of British Columbia (UBC) Complex Fluids Group menangani masalah ini dari perspektif mekanika fluida. Mereka bertujuan untuk memahami mekanisme stabilitas dan migrasi gelembung dalam sistem ini, kaitannya dengan reologi material dan akhirnya merekayasa sistem sedemikian rupa sehingga pelepasan dan jebakan gelembung gas dapat dikontrol dengan cara yang menguntungkan. Penelitian mereka memiliki potensi yang signifikan tidak hanya untuk Kanada tetapi juga untuk semua negara di mana produk sampingan industri harus disimpan dengan aman dan efisien. Dari tempat penyimpanan limbah nuklir hingga emisi gas dari sumur minyak di Timur Tengah, Asia Tengah, dan Amerika Latin, dan bahkan fasilitas pengolahan limbah di Eropa, memahami dinamika gelembung gas dalam cairan viskoplastik dapat sangat berdampak pada upaya global untuk mengurangi emisi dan mempromosikan praktik berkelanjutan.

Memahami Mekanisme Stabilitas dan Migrasi Gelembung dengan Menggunakan Rheologi
Kolam tailing terdiri dari lapisan FFT (Fine Fluid Tailings) dan MFT (Mature Fine Tailings), yang terdiri dari air, pasir, mikroorganisme anaerobik, dan nafta. Degradasi mikroba terhadap nafta pada lapisan-lapisan tersebut menghasilkan metana dan karbon dioksida yang berkontribusi terhadap emisi gas rumah kaca.
Material tailing menunjukkan karakteristik cairan tegangan luluh, berperilaku seperti padatan di bawah ambang batas tegangan tertentu (tegangan luluh) dan mengalir seperti cairan di atas ambang batas tersebut, yang memungkinkannya menahan gelembung gas.

Penelitian yang dilakukan oleh kelompok fluida kompleks di UBC melibatkan eksperimen laboratorium, model, dan perhitungan untuk memahami jebakan dan pelepasan gelembung, mengeksplorasi proses fisik, dan menyelidiki bagaimana reologi fluida berpotensi mengendalikan emisi GRK dari tambak. Inti dari studi penelitian fundamental ini adalah untuk menentukan batas luluh untuk stabilitas statis gelembung dalam fluida tegangan luluh dan menetapkan hubungannya dengan reologi kompleks dari bahan-bahan ini, termasuk tegangan luluh, elastisitas, dan perilaku tiksotropik. Studi reologi telah dilakukan dengan menggunakan NETZSCH Kinexus Pro + rheometer. Mereka menggunakan gel Carbopol dan Laponite sebagai model untuk fluida tegangan luluh sederhana dan fluida tegangan luluh tiksotropik.
Perilaku Reologi dari cairan model
Kurva reologi representatif untuk gel Carbopol ditunjukkan pada gambar berikut. Reologi Carbopol diukur melalui uji kenaikan dan penurunan laju geser yang dikontrol dengan menggunakan geometri pelat paralel yang kasar. Di atas Suhu Leleh dan EntalpiEntalpi fusi suatu zat, juga dikenal sebagai panas laten, adalah ukuran masukan energi, biasanya panas, yang diperlukan untuk mengubah suatu zat dari padat menjadi cair. Titik leleh suatu zat adalah suhu saat zat tersebut berubah wujud dari padat (kristal) menjadi cair (lelehan isotropik).titik leleh, tidak ada perilaku tiksotropik yang diamati. Di bawah Suhu Leleh dan EntalpiEntalpi fusi suatu zat, juga dikenal sebagai panas laten, adalah ukuran masukan energi, biasanya panas, yang diperlukan untuk mengubah suatu zat dari padat menjadi cair. Titik leleh suatu zat adalah suhu saat zat tersebut berubah wujud dari padat (kristal) menjadi cair (lelehan isotropik).titik leleh, respons elastis gel menyebabkan penyimpangan antara kurva aliran naik dan turun. Inset gambar ini menunjukkan Modulus elastisitasModulus kompleks (komponen elastis), modulus penyimpanan, atau G', adalah bagian "nyata" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen elastis ini menunjukkan respons seperti padat, atau dalam fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus elastisitas (G') dan modulus viskositas (G'') sebagai fungsi amplitudo SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan, yang diperoleh dari uji sapuan amplitudo pada frekuensi 2 rad/s. Untuk amplitudo SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan di bawah sekitar 0,1%, kedua modulus tetap konstan, yang menunjukkan perilaku linier.
Temuan ini menunjukkan bahwa Carbopol, pada konsentrasi di bawah 2%, berperilaku sebagai fluida elasto-viskoplastik sederhana tanpa perilaku tiksotropik yang terlihat.
Carbopol 0.15% (Cairan tegangan luluh sederhana) [3]

Laponit telah dikonfirmasi sebagai fluida model yang menunjukkan perilaku tiksotropik melalui serangkaian uji reologi. Gambar berikut menyajikan kurva aliran untuk sampel Laponit 1% yang didiamkan selama 10 menit setelah pre-shearing. Pada periode istirahat, sampel mengalami kenaikan tegangan yang dikontrol (lingkaran) dan penurunan tegangan (segitiga yang mengarah ke bawah) dengan menggunakan geometri yang kasar. Perilaku tiksotropik dari material memanifestasikan dirinya dalam perbedaan yang terlihat antara kurva ramp-up dan ramp-down. Mereka juga mengukur Modulus elastisitasModulus kompleks (komponen elastis), modulus penyimpanan, atau G', adalah bagian "nyata" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen elastis ini menunjukkan respons seperti padat, atau dalam fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus elastisitas (kotak) dan modulus viskositas (tanda plus) versus SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan, melalui sapuan amplitudo SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan dinamis pada frekuensi 2 Hz. Hasil yang ditunjukkan pada inset gambar berikut ini mengkonfirmasi perilaku viskoelastik linier material pada regangan di bawah 1%.
Laponit 1% (fluida tegangan luluh tiksotropik): Kurva aliran [4]
Kurva reologi yang representatif untuk suspensi Laponit (Laponit 1%):
Gambar ini menampilkan kurva aliran naik dan turun yang diperoleh dari pengujian yang dikontrol laju geser. Terdapat histeresis yang dapat dilihat pada kurva aliran yang menandai perilaku tiksotropik material. Perilaku dinamis material yang diukur menggunakan uji sapuan amplitudo disajikan dalam inset gambar ini. Hasilnya menunjukkan bahwa Laponit adalah model yang cocok untuk fluida viskoplastik yang bergantung pada waktu.
Laponit 1% (fluida tegangan leleh thixotropic): tegangan leleh statis dan dinamis [4]
Uji laju geser tunggal untuk suspensi Laponit (Laponit 1%): Pengujian dilakukan untuk sampel pada berbagai waktu penuaan termasuk 10 menit (merah), 2 jam (biru), dan 2 hari (hitam). Material dikenakan pada laju geser rendah konstan 0,001/s setelah periode istirahat setelah pra-geser 100/s selama 2 menit. Hasilnya menunjukkan pertumbuhan tegangan leleh statis (ditandai dengan lingkaran yang terisi) dengan waktu penuaan.
Temuan-temuan utama:
Singkatnya, penelitian ini telah menemukan dua mekanisme berbeda yang mengatur pelepasan gelembung dari cairan tegangan luluh. Dalam gel homogen dengan perilaku non-thixotropik, awan gelembung semu seragam terbentuk, dan karakteristik reologi material secara keseluruhan, ditambah dengan kedekatan gelembung, menentukan pelepasan dan jebakan gelembung di dalam sistem. Pada konsentrasi gas yang cukup tinggi, hal ini dapat menyebabkan semburan awan gelembung pada saat ketidakstabilan statis terjadi. Namun, ketika reologi yang bergantung pada waktu (ThixotropyUntuk sebagian besar cairan, penipisan geser dapat dibalik dan cairan pada suatu saat akan mendapatkan viskositas aslinya ketika gaya geser dihilangkan.thixotropy) ikut berperan, gambaran fisik dari masalah ini menjadi lebih rumit.
Struktur material yang tidak seragam yang berasal dari reologi yang bergantung pada sejarah geser menyebabkan terbentuknya lapisan-lapisan yang rusak di mana struktur material menjadi lebih lemah. Kehadiran lapisan yang rusak di dalam material ini secara signifikan memengaruhi pelepasan gelembung dan jebakan, sehingga mencegah akumulasi gas. Dalam hal ini, suspensi gelembung polidisperse muncul dan pelepasan gelembung terjadi secara bertahap melalui lapisan yang rusak, bukan secara tiba-tiba.

Mekanisme pelepasan gelembung [4]
Gambar 4. Deviasi standar intensitas(I) yang dinormalisasi dalam gambar berurutan dari gelembung, diambil tepat setelah timbulnya ketidakstabilan untuk (a) fluida tegangan luluh sederhana dan (b) fluida tegangan luluh tiksotropik. Kedua gel memiliki kandungan gas awal yang tinggi. Bintik-bintik putih pada gambar menunjukkan area di mana gelembung bergerak di dalam gel, sedangkan bintik-bintik gelap mewakili area di mana gelembung stagnan. Struktur seperti jaringan pada panel (b) menunjukkan bahwa gelembung mengikuti jalur yang digunakan kembali.
Ketika gelembung yang lebih besar keluar ke permukaan, geseran lokal melemahkan gel karena reologi yang bergantung pada sejarah geseran material, membentuk saluran yang tidak terlihat dengan resistensi yang lebih kecil. Gelembung kemudian bermigrasi ke arah saluran ini, menciptakan lapisan yang melemah secara lateral dan akhirnya jaringan yang tidak terlihat dari lapisan yang rusak yang terhubung ke saluran vertikal.
Jaringan ini memungkinkan gelembung-gelembung yang lebih kecil dilepaskan secara bertahap, mencegah akumulasi gelembung, sehingga bertindak sebagai katup pengaman dalam sistem.
Aplikasi yang lebih luas:
Meskipun penelitian ini terutama dimotivasi oleh isu emisi gas rumah kaca dari limbah pasir minyak, temuan ini memiliki implikasi yang luas. Memahami bagaimana gas terperangkap dan diemisikan dalam cairan viskoplastik memiliki aplikasi di beberapa bidang lain: Sebagai contoh, penyimpanan limbah nuklir dapat menyebabkan masalah "gelembung dan lumpur", pengolahan air limbah (limbah) melibatkan suspensi Non-NewtonianFluida non-Newtonian adalah fluida yang menunjukkan viskositas yang bervariasi sebagai fungsi dari laju geser atau tegangan geser yang diterapkan.non-Newtonian dan gelembung gas, dan sumur minyak dan gas mengalami tendangan gas selama konstruksi, di mana perambatan gelembung melalui fluida tegangan luluh merupakan hal yang umum terjadi. Aplikasi lainnya termasuk pembusaan beton untuk konstruksi dan cokelat untuk penambah rasa.
Singkatnya, memahami dinamika gelembung dalam fluida tegangan luluh menawarkan jalan untuk mengurangi emisi dari tailing pasir minyak dan membuka pintu untuk inovasi di berbagai industri. Reologi adalah metode utama untuk memahami mekanisme yang mendasarinya dan dengan demikian dapat memprediksi perilaku dan mengurangi emisi.
Tim peneliti interdisipliner Dr. Frigaard, berfokus pada fluida viskoplastik dan penerapan sifat fluida non-Newtonian dalam proses industri:




Beberapa makalah yang menampilkan temuan mereka tercantum di bawah ini:
Makalah-makalah berikut ini menjelaskan model teoritis yang dikembangkan untuk stabilitas gelembung dalam fluida tegangan luluh. Batas luluh untuk gelembung dan efek dari bentuk gelembung serta interaksi gelembung terhadapnya dipelajari dalam karya-karya teoritis ini.
[1] Pourzahedi, A., Chaparian, E., Roustaei, A., & Frigaard, I. A. (2022). Onset aliran untuk gelembung tunggal dalam fluida tegangan luluh. Journal of Fluid Mechanics, 933, A21.
[2] Chaparian, E., & Frigaard, I. A. (2021). Awan gelembung dalam fluida viskoplastik. Journal of Fluid Mechanics, 927, R3.
Makalah berikut mempelajari pertumbuhan gelembung dan stabilitas pada material dengan tegangan luluh menggunakan pendekatan eksperimental. Peran reologi kompleks dari material termasuk elastisitas dan ThixotropyUntuk sebagian besar cairan, penipisan geser dapat dibalik dan cairan pada suatu saat akan mendapatkan viskositas aslinya ketika gaya geser dihilangkan.thixotropy dijelaskan dalam makalah berikut. Selain itu, berbagai skenario ketidakstabilan awan gelembung dan hubungannya dengan reologi dan struktur material dijelaskan di sini.
[3] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2023). Pertumbuhan dan stabilitas gelembung dalam fluida tegangan luluh. Jurnal Mekanika Fluida, 957, A16.
[4] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2024). Pertumbuhan dan stabilitas statis awan gelembung pada fluida tegangan luluh. Journal of Non-NewtonianFluida non-Newtonian adalah fluida yang menunjukkan viskositas yang bervariasi sebagai fungsi dari laju geser atau tegangan geser yang diterapkan.Non-Newtonian Fluid Mechanics, 327, 105217.
Pengaruh reologi material yang tidak seragam terhadap stabilitas dan migrasi gelembung disoroti dalam penelitian berikut. Simulasi numerik yang dikombinasikan dengan eksperimen digunakan untuk menyelidiki masalah ini.
[5] Zare, M., Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2021). Efek dari reologi yang tidak seragam pada gerakan gelembung dalam fluida tegangan luluh. Jurnal Mekanika Fluida, 919, A25.