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レオロジーと環境ソリューション:温室効果ガス排出削減のためのグローバルアプローチ

この現地レポートでは、温室効果ガスの排出を緩和するために、オイルサンドのテーリングポンドに見られるような降伏応力流体中のガス気泡ダイナミクスを理解し、制御するための、カナダ、ブリティッシュ・コロンビア大学のイアン・フリガード教授と彼のチームの取り組みについて述べる。

この研究では、カーボポールゲルやラポナイト懸濁液のようなモデル流体のレオロジー特性を調べ、気泡の封じ込めと放出メカニズムをより深く理解することを目的としている。研究は、NETZSCH Kinexusレオメータを使用して行われました。この研究結果は、鉱業、放射性廃棄物貯蔵、廃水処理など、さまざまな産業における排出削減のための広範な意味を持つ。

Prof. Dr. Ian Frigaard

„降伏応力流体中の気泡ダイナミクスを理解することで、オイルサンドのテーリングポンドからの排出を削減する道が開けます。レオロジーは、根本的なメカニズムを理解し、その挙動を予測し、排出量を削減するための戦略を考案するための重要な手法です。NETZSCH Kinexus回転型レオメータを使用したこれらの研究は、鉱業、放射性廃棄物貯蔵、廃水処理など、さまざまな産業にとって広範な意味を持ちます。“

Prof. Dr. Ian Frigaard
ブリティッシュ・コロンビア大学 複雑・非ニュートン流研究室

カナダ、ブリティッシュコロンビア大学機械工学科教授 。専門は非ニュートン流体力学で、特に石油産業における粘塑性流体の産業応用を中心に研究している。彼の学際的研究グループは、坑井のセメンチングや温室効果ガス排出制御などの問題に取り組むために、数学的、実験的、計算的アプローチを組み合わせている。また、数多くの科学論文を執筆し、流体力学の理解と発展に大きく貢献している。

高い目標2050年までにネット・ゼロ・エミッション

2021年6月、カナダは「カナダ・ネット・ゼロ・エミッション説明責任法」を制定し、気候変動対策に向けて大きな一歩を踏み出した。この公約は、すべての産業が自らの排出量を検証し、環境への影響を最小限に抑えることが急務であることを強調している。オイルサンド産業は、カナダの温室効果ガス排出に大きく寄与していることから、脚光を浴びている。最近のデータによると、2020年には、オイルサンド生産プロセスの副産物を貯蔵するオイルサンド尾鉱池から、約7メガトンのメタンと二酸化炭素が排出された。

カナダ、米国、ブラジル、ロシア、南アフリカなどの地域はすべて、特に鉱業や石油採掘産業において、テーリングポンドに関する同様の課題に直面している。

ブリティッシュ・コロンビア大学(UBC)複雑流体グループのイアン・フリガード教授と彼のチームは、流体力学の観点からこの問題に取り組んでいる。彼らは、このようなシステムにおける気泡の安定性と移動のメカニズム、材料のレオロジーとの関連性を理解し、最終的には気泡の放出と封じ込めを有利な方法で制御できるようにシステムを設計することを目指している。彼らの研究は、カナダだけでなく、産業副産物を安全かつ効率的に貯蔵しなければならないすべての国にとって重要な可能性を秘めている。核廃棄物の貯蔵場所から、中東、中央アジア、ラテンアメリカの油井からのガス放出、さらにはヨーロッパの下水処理施設に至るまで、粘塑性流体中のガス気泡の力学を理解することは、排出量を削減し、持続可能な慣行を促進するための世界的な取り組みに大きな影響を与える可能性がある。

図:降伏応力流体中の気泡の移動と安定性に関するUBC-複雑流体ラボの研究

レオロジーによる気泡の安定と移動のメカニズムの解明

鉱滓池は、水、砂、嫌気性微生物、ナフサからなるFFT(微細流動鉱滓)層とMFT(成熟微細鉱滓)層で構成されている。これらの層におけるナフサの微生物分解は、メタンと二酸化炭素の生成につながり、GHG排出の一因となる。

テーリング材は降伏応力流体の特性を示し、ある閾値応力(降伏応力)以下では固体のように振る舞い、この閾値以上では液体のように流れるため、ガス気泡を保持することができる。

成層尾鉱池の構造概略図。FFT層とMFT層でナフサがバクテリアによって分解され、メタンと二酸化炭素の気泡が発生する。



UBCの複雑流体グループが行っている研究は、気泡の巻き込みと放出を理解し、物理的プロセスを探求し、流体レオロジーが池からのGHG排出を制御できる可能性を調査するために、実験室での実験、モデル、計算を含んでいる。この基礎研究の中核は、降伏応力流体中の気泡の静的安定性に関する降伏限界を決定し、降伏応力、弾性、チキソトロピー挙動を含むこれらの材料の複雑なレオロジーとの関連性を確立することである。レオロジー研究は、NETZSCH Kinexus Pro + rheometerを使用して実施された単純降伏応力流体およびチキソトロピー降伏応力流体のモデルとして、それぞれカーボポールゲルとラポナイトを使用した。

モデル流体のレオロジー的挙動

カーボポールゲルの代表的なレオロジー曲線を下図に示す。カーボポールのレオロジーは、粗面化した平行平板形状を用い、せん断速度制御によるランプアップおよびランプダウン試験によって測定した。降伏点以上では、チキソトロピー挙動は観察されなかった。降伏点以下では、ゲルの弾性応答により、ランプアップとランプダウンのフロー曲線の間にずれが生じた。この図の挿入図は、周波数2rad/sでの振幅掃引試験から得られた、ひずみ振幅の関数としての弾性率(G')と粘性率(G'')を示す。約0.1%以下のひずみ振幅では、両方の弾性率は一定であり、線形挙動を示している。

これらの結果は、カーボポールは2%以下の濃度では、顕著なチキソトロピー挙動を示さず、単純な弾粘塑性流体として挙動することを示している。

カーボポール 0.15%(単純降伏応力流体) [3]

カーボポールゲルの代表的なレオロジー曲線。この図は、ランプアップ(黒)およびランプダウン(赤)のせん断速度制御試験から得られた流動曲線を示しています。挿入図は、弾性率(黒)と粘性率(赤)をひずみ振幅の関数として示している。この結果は、比較的低濃度(2%以下)のカーボポールは、明確なチキソトロピー挙動を持たない単純な弾粘塑性流体とみなすことができることを明確に示している。
NETZSCH Kinexus Pro + 回転型レオメーター

ラポナイトは、一連のレオロジー試験を通じて、チキソトロピー挙動を示すモデル流体であることが確認されています。次の図は、1%ラポナイト試料を予備せん断後10分間静止させたときの流動曲線を示しています。静止期間中に、粗面化された形状を使用して、試料に応力制御によるランプアップ(丸印)とランプダウン(下向きの三角印)を行いました。材料のチキソトロピー的挙動は、ランプアップ曲線とランプダウン曲線の間の識別可能な不一致に現れている。また、周波数2Hzの動的ひずみ振幅掃引により、ひずみに対する弾性率(四角形)と粘性率(プラス記号)も測定した。次の図の挿入図に示す結果から、1%以下のひずみでは材料の線形粘弾性挙動が確認された。

ラポナイト1%(チキソトロピック降伏応力流体):流動曲線 [4]

ラポナイト懸濁液(ラポナイト1%)の代表的なレオロジー曲線:

この図は、せん断速度制御試験から得られたランプアップおよびランプダウン流動曲線を示しています。流動曲線には、材料のチキソトロピー性を示すヒステリシスが見られます。振幅掃引試験を用いて測定した材料の動的挙動をこの図の挿入図に示す。結果は、ラポナイトが時間に依存する粘塑性流体のモデルとして適していることを示している。





ラポナイト1% (チキソトロピー性降伏応力流体) : 静的および動的降伏応力 [4]

ラポナイト懸濁液(ラポナイト1%)の単一せん断速度試験:この試験は、10 分(赤)、2 時間(青)、2 日(黒)を含む様々なエージング時間のサンプルに対して実施された。材料は、100/sの予備せん断を2分間行った後、静止期間を経て、0.001/sの一定の低せん断速度に課された。結果は、静的降伏応力(塗りつぶされた丸で示される)の経時変化による増加を示している。

主な調査結果

要約すると、本研究により、降伏応力流体からの気泡放出を支配する2つの異なるメカニズムが明らかになった。非チクソトロピックな挙動を示す均質なゲルでは、準一様な気泡クラウドが形成され、材料の全体的なレオロジー特性と気泡の近接性が相まって、気泡の放出と系内への封じ込めが決定される。ガス濃度がかなり高い場合、静的不安定性の発生と同時に気泡雲が破裂する可能性がある。しかし、時間依存性レオロジー(チキソトロピー)が作用するようになると、問題の物理的状況はより複雑になる。

せん断履歴に依存するレオロジーに由来する材料の不均一な構造は、材料構造が弱くなる損傷層の形成につながる。このような損傷層が材料内に存在すると、気泡の放出と封じ込めに大きな影響を及ぼし、ガスの蓄積を妨げる。この場合、多分散気泡懸濁液が出現し、気泡放出は突然ではなく、損傷層を通して徐々に起こる。

気泡放出のメカニズム [4]

(a)単純降伏応力流体、(b)チキソトロピー性降伏応力流体について、不安定性発生直後に撮影した連続気泡画像における強度(I)の正規化標準偏差。どちらのゲルも初期ガス含量が高い。画像中の白い点は、ゲル内で気泡が移動している領域を示し、暗い点は気泡が停滞している領域を示している。パネル(b)の網目状の構造は、気泡が再利用された経路をたどっていることを示唆している。

大きな気泡が表面に逃げると、材料のせん断履歴に依存するレオロジーのため、局所的なせん断によってゲルが弱くなり、抵抗の少ない目に見えない導管が形成される。その後、気泡はこれらの導管に向かって移動し、横方向に弱くなった層が形成され、最終的には縦方向の導管に接続された損傷層の目に見えないネットワークが形成される。

これらのネットワークにより、より小さな気泡が徐々に放出され、気泡の蓄積を防ぐことができるため、システムの安全弁として機能する。

より広い応用:

この研究は、主にオイルサンドのテーリングからの温室効果ガス排出の問題を動機としているが、この発見は広範囲に影響を及ぼすものである。粘塑性流体中でガスがどのように捕捉され、排出されるかを理解することは、他のいくつかの分野にも応用できる:例えば、放射性廃棄物の貯蔵は「気泡と汚泥」の問題を引き起こし、廃水処理(下水)は非ニュートン懸濁液とガス気泡を含み、油井やガス井は 建設中にガスキックを経験し 、降伏応力流体中を気泡が伝播するのが一般的である。その他の応用例としては、建築用コンクリートの 発泡や、味覚向上のためのチョコレートの発泡などがある。

要約すると、降伏応力流体中の気泡ダイナミクスを理解することで、オイルサンドのテーリングからの排出を削減し、さまざまな産業におけるイノベーションへの道が開けます。レオロジーは、根本的なメカニズムを理解し、その結果、挙動を予測し、排出量を削減するための重要な手法です。

Frigaard博士の学際的研究チームは、粘塑性流体と工業プロセスにおける非ニュートン流体特性の応用に焦点を当てています:
マサチューセッツ工科大学機械工学科博士研究員、マルジャン・ザレ博士
マサチューセッツ州バーリントン、NETZSCH Instruments Incのレオロジー・サイエンティスト、マスード・ダネシ博士。
ストラスクライド大学機械・航空宇宙工学助教授 エマド・チャパリアン博士
アリ・プルザヘディ、ブリティッシュ・コロンビア大学機械工学科博士課程在籍

その成果を紹介するいくつかの論文を以下に挙げる:

以下の論文は、降伏応力流体中の気泡の安定性に関して開発された理論モデルについて説明したものである。これらの理論的研究では、気泡の降伏限界と、それに及ぼす気泡の形状や気泡の相互作用の影響が研究されている。

[1] Pourzahedi, A., Chaparian, E., Roustaei, A., & Frigaard, I. A. (2022).流体力学ジャーナル,933,A21.

[2] Chaparian, E., & Frigaard, I. A. (2021).2] Chaparian, E, & Frigaard, I. A. (2021). 粘塑性流体中の気泡雲. Journal of Fluid Mechanics, 927, R3.

以下の論文では、降伏応力材料における気泡の成長と安定性について、実験的アプローチを用いて研究している。以下の論文では、弾性とチキソトロピーを含む材料の複雑なレオロジーの役割が説明されている。また、気泡雲の不安定性に関するさまざまなシナリオと、材料のレオロジーおよび構造との関連性についても説明する。

[3] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2023).降伏応力流体中の気泡の成長と安定性 Journal of Fluid Mechanics, 957, A16.

[4] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2024).降伏応力流体中の気泡雲の成長と静的安定性. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 327, 105217.

材料の不均一なレオロジーが気泡の安定性と移動に及ぼす影響について、以下の研究で強調している。この問題を調査するために、実験と組み合わせた数値シミュレーションが用いられている。

[5] Zare, M., Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2021).流体力学ジャーナル, 919, A25.

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