STORIA DI SUCCESSO DEL CLIENTE
Reologia e soluzioni ambientali: Un approccio globale alla mitigazione delle emissioni di gas serra
Questo rapporto sul campo illustra gli sforzi del professor Ian Frigaard e del suo team dell'Università della British Columbia, in Canada, per comprendere e controllare la dinamica delle bolle di gas nei fluidi sottoposti a Lo stressLa sollecitazione è definita come un livello di forza applicato su un campione con una sezione trasversale ben definita. (Sollecitazione = forza/area). I campioni con sezione trasversale circolare o rettangolare possono essere compressi o allungati. I materiali elastici come la gomma possono essere allungati fino a 5-10 volte la loro lunghezza originale.stress da snervamento, come quelli presenti nei bacini di decantazione delle sabbie bituminose, al fine di mitigare le emissioni di gas serra.
La loro ricerca esplora le proprietà reologiche di fluidi modello come i gel di Carbopol e le sospensioni di Laponite per comprendere meglio i meccanismi di intrappolamento e rilascio delle bolle. Gli studi sono stati condotti utilizzando il reometro Kinexus di NETZSCH. I risultati hanno ampie implicazioni per la riduzione delle emissioni in vari settori, tra cui l'industria mineraria, lo stoccaggio di rifiuti nucleari e il trattamento delle acque reflue.
“La comprensione della dinamica delle bolle nei fluidi sottoposti a Lo stressLa sollecitazione è definita come un livello di forza applicato su un campione con una sezione trasversale ben definita. (Sollecitazione = forza/area). I campioni con sezione trasversale circolare o rettangolare possono essere compressi o allungati. I materiali elastici come la gomma possono essere allungati fino a 5-10 volte la loro lunghezza originale.stress da snervamento apre la strada alla riduzione delle emissioni dai bacini di decantazione delle sabbie bituminose. La reologia è un metodo chiave per comprendere i meccanismi sottostanti e quindi per prevedere il comportamento e concepire strategie per ridurre le emissioni. Questi studi, effettuati con il reometro rotazionale NETZSCH Kinexus, hanno ampie implicazioni per diversi settori industriali, tra cui l'industria mineraria, lo stoccaggio di rifiuti nucleari e il trattamento delle acque reflue.”
Ian Frigaard è professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica della University of British Columbia, Canada. È specializzato in meccanica dei fluidi non newtoniani, con particolare attenzione alle applicazioni industriali dei fluidi visco-plastici, soprattutto nell'industria petrolifera. Il suo gruppo di ricerca interdisciplinare combina approcci matematici, sperimentali e computazionali per affrontare questioni come la cementazione dei pozzi e il controllo delle emissioni di gas serra. Frigaard è anche autore di numerosi articoli scientifici, contribuendo in modo significativo alla comprensione e al progresso della meccanica dei fluidi.
Obiettivi elevati: Emissioni nette a zero entro il 2050
Nel giugno 2021, il Canada ha compiuto un passo significativo verso l'azione per il clima promulgando la legge canadese sulla responsabilità delle emissioni nette, che mira a raggiungere le emissioni nette zero entro il 2050. Questo impegno sottolinea l'urgenza per tutte le industrie di esaminare la propria impronta di emissioni e ridurre al minimo l'impatto ambientale. L'industria delle sabbie bituminose è sotto i riflettori per il suo importante contributo alle emissioni di gas serra del Canada. Dati recenti indicano che nel 2020 sono stati emessi circa sette megatoni di metano e anidride carbonica dai bacini di decantazione delle sabbie bituminose, dove vengono stoccati i sottoprodotti del processo di produzione delle sabbie bituminose.
Regioni come il Canada, gli Stati Uniti, il Brasile, la Russia e il Sudafrica devono affrontare sfide simili con i bacini di decantazione, in particolare nelle loro industrie minerarie e di estrazione del petrolio.
Il professor Ian Frigaard e il suo team del Complex Fluids Group della University of British Columbia (UBC) stanno affrontando il problema dal punto di vista della meccanica dei fluidi. Il loro obiettivo è comprendere il meccanismo di stabilità e migrazione delle bolle in questi sistemi, il suo legame con la reologia del materiale e, infine, ingegnerizzare il sistema in modo che il rilascio e l'intrappolamento delle bolle di gas possano essere controllati in modo vantaggioso. La ricerca ha un potenziale significativo non solo per il Canada, ma per tutti i Paesi in cui i sottoprodotti industriali devono essere stoccati in modo sicuro ed efficiente. Dai siti di stoccaggio delle scorie nucleari alle emissioni di gas dai pozzi petroliferi in Medio Oriente, Asia Centrale e America Latina, fino agli impianti di trattamento delle acque reflue in Europa, la comprensione delle dinamiche delle bolle di gas nei fluidi viscoplastici potrebbe avere un grande impatto sugli sforzi globali per ridurre le emissioni e promuovere pratiche sostenibili.
Comprendere il meccanismo di stabilità e migrazione delle bolle attraverso la reologia
I bacini di decantazione sono costituiti da strati FFT (Fine Fluid Tailings) e MFT (Mature Fine Tailings), composti da acqua, sabbia, microrganismi anaerobici e nafta. La degradazione microbica della nafta in questi strati porta alla produzione di metano e anidride carbonica, contribuendo alle emissioni di gas serra.
I materiali degli sterili presentano le caratteristiche dei fluidi di snervamento, comportandosi come un solido al di sotto di una certa soglia di Lo stressLa sollecitazione è definita come un livello di forza applicato su un campione con una sezione trasversale ben definita. (Sollecitazione = forza/area). I campioni con sezione trasversale circolare o rettangolare possono essere compressi o allungati. I materiali elastici come la gomma possono essere allungati fino a 5-10 volte la loro lunghezza originale.stress (Lo stressLa sollecitazione è definita come un livello di forza applicato su un campione con una sezione trasversale ben definita. (Sollecitazione = forza/area). I campioni con sezione trasversale circolare o rettangolare possono essere compressi o allungati. I materiali elastici come la gomma possono essere allungati fino a 5-10 volte la loro lunghezza originale.stress di snervamento) e scorrendo come un liquido al di sopra di tale soglia, il che consente loro di trattenere le bolle di gas.
La ricerca condotta dal gruppo sui fluidi complessi dell'UBC comprende esperimenti di laboratorio, modelli e calcoli per comprendere l'intrappolamento e il rilascio delle bolle, esplorare i processi fisici e studiare come la reologia dei fluidi possa potenzialmente controllare le emissioni di gas serra dagli stagni. Il fulcro di questo studio di ricerca fondamentale è determinare il limite di snervamento per la stabilità statica delle bolle nei fluidi sottoposti a Lo stressLa sollecitazione è definita come un livello di forza applicato su un campione con una sezione trasversale ben definita. (Sollecitazione = forza/area). I campioni con sezione trasversale circolare o rettangolare possono essere compressi o allungati. I materiali elastici come la gomma possono essere allungati fino a 5-10 volte la loro lunghezza originale.stress da snervamento e stabilire la sua connessione con la complessa reologia di questi materiali, compresi Lo stressLa sollecitazione è definita come un livello di forza applicato su un campione con una sezione trasversale ben definita. (Sollecitazione = forza/area). I campioni con sezione trasversale circolare o rettangolare possono essere compressi o allungati. I materiali elastici come la gomma possono essere allungati fino a 5-10 volte la loro lunghezza originale.lo stress da snervamento, l'elasticità e il comportamento tissotropico. Gli studi reologici sono stati eseguiti con il reometroNETZSCH Kinexus Pro +. Sono stati utilizzati gel di Carbopol e Laponite come modelli, rispettivamente, per i fluidi a snervamento semplice e per i fluidi a snervamento tissotropico.
Comportamento reologico di fluidi modello
Le curve reologiche rappresentative dei gel di Carbopol sono riportate nella figura seguente. La reologia del Carbopol è stata misurata mediante un test di rampa ascendente e discendente controllato dalla velocità di taglio, utilizzando una geometria a piastra parallela irruvidita. Al di sopra del punto di snervamento, non è stato osservato alcun comportamento tixotropico. Al di sotto del punto di snervamento, la risposta elastica del gel ha causato una deviazione tra le curve di flusso ramp-up e ramp-down. L'inserto di questa figura mostra il Modulo elasticoIl modulo complesso (componente elastica), modulo di conservazione o G', è la parte "reale" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente elastica indica la risposta del campione in fase di misurazione. modulo elastico (G') e il Modulo viscosoIl modulo complesso (componente viscosa), modulo di perdita o G'', è la parte "immaginaria" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente viscosa indica la risposta liquida, o fuori fase, del campione da misurare. modulo viscoso (G'') in funzione dell'ampiezza della deformazione, ottenuti da una prova di sweep di ampiezza alla frequenza di 2 rad/s. Per ampiezze di deformazione inferiori a circa lo 0,1%, entrambi i moduli rimangono costanti, indicando un comportamento lineare.
Questi risultati dimostrano che il Carbopol, a concentrazioni inferiori al 2%, si comporta come un semplice fluido elasto-viscoplastico senza un comportamento tixotropico riconoscibile.
Carbopol 0,15% (fluido a semplice Sforzo di snervamentoLa tensione di snervamento è definita come la tensione al di sotto della quale non si verifica alcun flusso; letteralmente si comporta come un solido debole a riposo e come un liquido quando viene ceduto.tensione di snervamento) [3]
La laponite è stata confermata come fluido modello che presenta un comportamento tixotropico attraverso una serie di test reologici. La figura seguente presenta la curva di flusso per un campione di Laponite all'1% a riposo per 10 minuti dopo un pre-shearing. Dopo il periodo di riposo, il campione è stato sottoposto a una rampa di salita (cerchi) e di discesa (triangoli che puntano verso il basso) controllata dallo stress, utilizzando una geometria irruvidita. Il comportamento tixotropico del materiale si manifesta nella discreta discrepanza tra le curve di salita e discesa. Sono stati misurati anche il Modulo elasticoIl modulo complesso (componente elastica), modulo di conservazione o G', è la parte "reale" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente elastica indica la risposta del campione in fase di misurazione. modulo elastico (quadrati) e il Modulo viscosoIl modulo complesso (componente viscosa), modulo di perdita o G'', è la parte "immaginaria" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente viscosa indica la risposta liquida, o fuori fase, del campione da misurare. modulo viscoso (segni più) rispetto alla deformazione, attraverso uno sweep dinamico dell'ampiezza della deformazione a una frequenza di 2 Hz. I risultati, mostrati nell'inserto della figura seguente, hanno confermato il comportamento viscoelastico lineare del materiale a deformazioni inferiori all'1%.
Laponite 1% (fluido tissotropico a Sforzo di snervamentoLa tensione di snervamento è definita come la tensione al di sotto della quale non si verifica alcun flusso; letteralmente si comporta come un solido debole a riposo e come un liquido quando viene ceduto.tensione di snervamento): Curve di flusso [4]
Curve reologiche rappresentative di una sospensione di Laponite (Laponite 1%):
Questa figura mostra le curve di flusso a rampa di salita e di discesa ottenute da un test controllato dalla velocità di taglio. Nelle curve di flusso si nota una discreta isteresi che indica il comportamento tixotropico del materiale. Il comportamento dinamico del materiale, misurato con un test di ampiezza, è presentato nell'inserto di questa figura. I risultati mostrano che la Laponite è un modello adatto per un fluido viscoplastico dipendente dal tempo.
Laponite 1% (fluido tixotropico a Sforzo di snervamentoLa tensione di snervamento è definita come la tensione al di sotto della quale non si verifica alcun flusso; letteralmente si comporta come un solido debole a riposo e come un liquido quando viene ceduto.tensione di snervamento): tensioni di snervamento statiche e dinamiche [4]
Prove di velocità di taglio singolo per una sospensione di Laponite (Laponite 1%): La prova è stata eseguita per un campione a vari tempi di invecchiamento, tra cui 10 minuti (rosso), 2 ore (blu) e 2 giorni (nero). Al materiale è stato imposto un basso tasso di taglio costante di 0,001/s dopo un periodo di riposo a seguito di un pre-trancio di 100/s per 2 minuti. I risultati mostrano la crescita della Sforzo di snervamentoLa tensione di snervamento è definita come la tensione al di sotto della quale non si verifica alcun flusso; letteralmente si comporta come un solido debole a riposo e come un liquido quando viene ceduto.tensione di snervamento statico (contrassegnata dai cerchi pieni) con il tempo di invecchiamento.
Risultati principali:
In sintesi, questa ricerca ha messo in luce due meccanismi distinti che regolano il rilascio di bolle dai fluidi sottoposti a stress da snervamento. In un gel omogeneo con comportamento non tissotropico, si forma una nube di bolle quasi uniforme e le caratteristiche reologiche generali del materiale, unite alla vicinanza delle bolle, ne determinano il rilascio e l'intrappolamento nel sistema. In presenza di una concentrazione di gas piuttosto elevata, ciò potrebbe portare allo scoppio della nube di bolle all'insorgere dell'instabilità statica. Tuttavia, quando entra in gioco la reologia dipendente dal tempo (TissotropiaPer la maggior parte dei liquidi, l'assottigliamento per taglio è reversibile e i liquidi, a un certo punto, riacquistano la loro viscosità originale quando viene rimossa la forza di taglio.tissotropia), il quadro fisico del problema diventa più intricato.
La struttura non uniforme dei materiali derivante dalla reologia dipendente dalla storia di taglio porta alla formazione di strati danneggiati all'interno dei quali la struttura del materiale è più debole. La presenza di questi strati danneggiati all'interno del materiale influenza significativamente il rilascio e l'intrappolamento delle bolle, impedendo l'accumulo di gas. In questo caso, emergono sospensioni di bolle polidisperse e il rilascio delle bolle avviene gradualmente attraverso gli strati danneggiati anziché improvvisamente.
Meccanismo di rilascio delle bolle [4]
Deviazione standard normalizzata dell'intensità(I) nelle immagini sequenziali delle bolle, catturate subito dopo l'inizio dell'instabilità per (a) un fluido a semplice tensione di snervamento e (b) un fluido a tensione di snervamento tissotropico. Entrambi i gel hanno un elevato contenuto iniziale di gas. I punti bianchi nelle immagini indicano le aree in cui le bolle si muovono all'interno del gel, mentre i punti scuri rappresentano le aree in cui le bolle ristagnano. La struttura a rete nel pannello (b) suggerisce che le bolle seguono percorsi riutilizzati.
Quando le bolle più grandi sfuggono alla superficie, il taglio locale indebolisce il gel a causa della reologia dipendente dalla storia di taglio del materiale, formando condotti invisibili con minore resistenza. Le bolle migrano quindi verso questi condotti, creando strati laterali indeboliti e infine reti invisibili di strati danneggiati collegati a condotti verticali.
Queste reti permettono alle bolle più piccole di essere rilasciate gradualmente, impedendo l'accumulo di bolle e agendo quindi come valvole di sicurezza del sistema.
Applicazioni più ampie:
Sebbene questa ricerca sia motivata principalmente dal problema delle emissioni di gas serra dagli sterili delle sabbie bituminose, i risultati hanno implicazioni di vasta portata. Capire come il gas viene intrappolato ed emesso nei fluidi viscosi ha applicazioni in molti altri campi: Ad esempio, lo stoccaggio di scorie nucleari può portare a problemi di "bolle e fanghi", il trattamento delle acque reflue (acque di scarico) coinvolge sospensioni non newtoniane e bolle di gas, e i pozzi di petrolio e gas sperimentano calci di gas durante la costruzione, dove la propagazione delle bolle attraverso fluidi sottoposti a tensione di snervamento è comune. Altre applicazioni includono la schiumatura del calcestruzzo per le costruzioni e del cioccolato per migliorare il gusto.
In sintesi, la comprensione della dinamica delle bolle nei fluidi sottoposti a stress da snervamento offre un percorso per ridurre le emissioni dagli sterili delle sabbie bituminose e apre le porte a innovazioni in diversi settori. La reologia è un metodo chiave per comprendere i meccanismi sottostanti e quindi per prevedere il comportamento e ridurre le emissioni.
Il gruppo di ricerca interdisciplinare del dott. Frigaard si concentra sui fluidi viscosi e sull'applicazione delle proprietà dei fluidi non newtoniani nei processi industriali:
Di seguito sono riportati alcuni documenti che illustrano i risultati ottenuti:
I seguenti articoli illustrano i modelli teorici sviluppati per la stabilità delle bolle nei fluidi sottoposti a stress da snervamento. In questi lavori teorici vengono studiati il limite di snervamento delle bolle e gli effetti delle forme e delle interazioni delle bolle su di esso.
[1] Pourzahedi, A., Chaparian, E., Roustaei, A., & Frigaard, I. A. (2022). Insorgenza del flusso per una singola bolla in un fluido sottoposto a stress di rendimento. Journal of Fluid Mechanics, 933, A21.
[2] Chaparian, E., & Frigaard, I. A. (2021). Nuvole di bolle in un fluido viscoplastico. Journal of Fluid Mechanics, 927, R3.
I seguenti articoli hanno studiato la crescita e la stabilità delle bolle in un materiale con tensione di snervamento utilizzando un approccio sperimentale. Il ruolo della complessa reologia del materiale, compresa l'elasticità e la TissotropiaPer la maggior parte dei liquidi, l'assottigliamento per taglio è reversibile e i liquidi, a un certo punto, riacquistano la loro viscosità originale quando viene rimossa la forza di taglio.tissotropia, è spiegato nei seguenti articoli. Vengono inoltre illustrati i diversi scenari di instabilità delle nubi di bolle e il loro legame con la reologia e la struttura del materiale.
[3] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2023). Crescita e stabilità delle bolle in un fluido sottoposto a stress da snervamento. Journal of Fluid Mechanics, 957, A16.
[4] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2024). Crescita e stabilità statica di nubi di bolle in fluidi sottoposti a stress da snervamento. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 327, 105217.
L'effetto della reologia non uniforme del materiale sulla stabilità e sulla migrazione delle bolle è evidenziato nel seguente lavoro. Per studiare questo problema vengono utilizzate simulazioni numeriche combinate con esperimenti.
[5] Zare, M., Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2021). Effetti della reologia non uniforme sul moto delle bolle in un fluido sottoposto a stress di rendimento. Journal of Fluid Mechanics, 919, A25.