고객 성공 사례
유변학 및 환경 솔루션: 온실가스 배출 완화를 위한 글로벌 접근 방식
이 현장 보고서에서는 캐나다 브리티시 컬럼비아 대학교의 이안 프리가드 교수와 그의 팀이 오일 샌드 광미 연못에서 발견되는 것과 같은 항복 응력 유체의 기포 역학을 이해하고 제어하여 온실가스 배출을 완화하기 위한 노력에 대해 설명합니다.
이들의 연구는 기포 포획 및 방출 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해 카보폴 젤과 라포나이트 현탁액과 같은 모델 유체의 유변학적 특성을 탐구합니다. 연구는 NETZSCH 키넥서스 레오미터를 사용하여 수행되었습니다. 이 연구 결과는 광업, 핵폐기물 저장, 폐수 처리 등 다양한 산업에서 배출량을 줄이는 데 광범위한 영향을 미칩니다.
„항복 응력 유체의 기포 역학을 이해하면 오일샌드 광미 연못의 배출을 줄일 수 있는 길을 열 수 있습니다. 유변학은 근본적인 메커니즘을 이해하여 거동을 예측하고 배출을 줄이기 위한 전략을 구상하는 데 핵심적인 방법입니다. 키넥서스 회전 레오미터( NETZSCH )로 수행된 이 연구는 광업, 핵 폐기물 저장, 폐수 처리 등 다양한 산업에 광범위한 영향을 미칩니다.“
이안 프리가드 박사는 캐나다 브리티시컬럼비아 대학교 기계공학과 교수입니다. 그는 비뉴턴 유체 역학을 전문으로 하며, 특히 석유 산업에서 점성 플라스틱 유체의 산업 응용에 중점을 두고 있습니다. 그의 학제 간 연구 그룹은 유정 시멘트화 및 온실가스 배출 제어와 같은 문제를 해결하기 위해 수학적, 실험적, 계산적 접근 방식을 결합합니다. 또한 프리가드 박사는 수많은 과학 논문을 저술하여 유체 역학의 이해와 발전에 크게 기여했습니다.
높은 목표: 2050년까지 순배출량 제로
2021년 6월, 캐나다는 2050년까지 순배출 제로 달성을 목표로 하는 캐나다 순배출 제로 책임법을 제정하여 기후 행동을 위한 중요한 발걸음을 내디뎠습니다. 이러한 노력은 모든 산업이 배출 발자국을 조사하고 환경에 미치는 영향을 최소화해야 한다는 시급성을 강조합니다. 오일샌드 산업은 캐나다의 온실가스 배출에 크게 기여하기 때문에 주목을 받고 있습니다. 최근 데이터에 따르면 2020년에 오일샌드 생산 과정의 부산물을 저장하는 오일샌드 광미 저수지에서 약 7메가톤의 메탄과 이산화탄소가 배출된 것으로 나타났습니다.
캐나다, 미국, 브라질, 러시아, 남아프리카공화국과 같은 지역은 모두 광업 및 석유 추출 산업에서 광미 연못과 관련하여 비슷한 문제에 직면해 있습니다.
브리티시 컬럼비아 대학교(UBC)의 복합 유체 그룹의 Ian Frigaard 교수와 그의 팀은 유체 역학 관점에서 이 문제를 해결하고 있습니다. 이들은 이러한 시스템에서 기포의 안정성과 이동 메커니즘, 재료의 유변학과의 연관성을 이해하고 궁극적으로 기포 방출과 포획을 유리한 방식으로 제어할 수 있도록 시스템을 설계하는 것을 목표로 합니다. 이들의 연구는 캐나다뿐만 아니라 산업 부산물을 안전하고 효율적으로 보관해야 하는 모든 국가에 중요한 잠재력을 가지고 있습니다. 핵 폐기물 저장소부터 중동, 중앙아시아, 라틴 아메리카의 유정에서 배출되는 가스, 심지어 유럽의 하수 처리 시설에 이르기까지, 점성 유체에서 기포의 역학을 이해하면 배출을 줄이고 지속 가능한 관행을 장려하려는 전 세계적인 노력에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
유변학에 의한 기포의 안정성과 이동 메커니즘 이해
광미 연못은 물, 모래, 혐기성 미생물, 나프타로 구성된 FFT(미세 유체 광미)와 MFT(성숙 미세 광미) 층으로 구성되어 있습니다. 이 층에서 나프타가 미생물에 의해 분해되면 메탄과 이산화탄소가 생성되어 온실가스 배출에 기여하게 됩니다.
광미 물질은 특정 임계응력(항복응력) 이하에서는 고체처럼 행동하고 이 임계응력 이상에서는 액체처럼 흐르는 항복응력 유체의 특성을 보여 기포를 보유할 수 있습니다.
UBC의 복합 유체 그룹이 수행하는 연구에는 실험실 실험, 모델 및 계산을 통해 기포 포획 및 방출을 이해하고, 물리적 과정을 탐구하며, 유체 유변학이 연못에서 온실가스 배출을 잠재적으로 제어하는 방법을 조사하는 것이 포함됩니다. 이 기초 연구의 핵심은 항복 응력 유체에서 기포의 정적 안정성에 대한 항복 한계를 결정하고 항복 응력, 탄성 및 요변성 거동을 포함한 이러한 물질의 복잡한 유변학과의 연관성을 확립하는 것입니다. 유변학 연구는 NETZSCH Kinexus Pro + 레오미터를 사용하여 수행되었습니다. 연구진은 각각 단순 항복 응력 유체와 요변성 항복 응력 유체의 모델로 카보폴 겔과 라포나이트를 사용했습니다.
모델 유체의 유변학적 거동
카보폴 젤의 대표적인 유변학 곡선은 다음 그림에 나와 있습니다. 거친 평행판 형상을 사용하여 전단 속도를 제어한 램프업 및 램프다운 테스트를 통해 Carbopol의 유변학을 측정했습니다. 항복점 위에서는 요변성 거동이 관찰되지 않았습니다. 항복점 아래에서는 젤의 탄성 반응으로 인해 램프업 및 램프다운 흐름 곡선 사이에 편차가 발생했습니다. 이 그림의 삽입물은 2rad/s의 주파수에서 진폭 스위프 테스트에서 얻은 변형 진폭의 함수로서 탄성 계수(G')와 점성 계수(G'')를 보여줍니다. 변형 진폭이 약 0.1% 미만인 경우 두 계수는 모두 일정하게 유지되어 선형 거동을 나타냅니다.
이러한 결과는 2% 미만의 농도에서 카보폴이 눈에 띄는 요변성 거동 없이 단순한 탄성-가소성 유체처럼 행동한다는 것을 보여줍니다.
카보폴 0.15%(단순 항복 응력 유체) [3]
라포나이트는 일련의 유변학적 테스트를 통해 요변성 거동을 나타내는 모델 유체임이 확인되었습니다. 다음 그림은 1% 라포나이트 샘플이 사전 전단 후 10분 동안 휴식하는 동안의 유동 곡선을 보여줍니다. 휴식 기간 동안 샘플은 거친 기하학적 구조를 사용하여 응력 제어 램프업(원) 및 램프다운(아래쪽을 가리키는 삼각형)을 거쳤습니다. 재료의 요변성 거동은 램프업 곡선과 램프다운 곡선 사이의 눈에 띄는 차이로 나타납니다. 또한 2Hz의 주파수에서 동적 변형 진폭 스윕을 통해 탄성 계수(사각형)와 점성 계수(더하기 기호)를 변형률 대비 측정했습니다. 다음 그림의 삽입에 표시된 결과는 1% 미만의 변형률에서 재료의 선형 점탄성 거동을 확인했습니다.
라포나이트 1%(요변성 항복 응력 유체): 흐름 곡선 [4]
라포나이트 현탁액(라포나이트 1%)의 대표적인 유변학 곡선:
이 그림은 전단 속도 제어 테스트에서 얻은 램프업 및 램프다운 유량 곡선을 표시합니다. 유량 곡선에는 눈에 띄는 히스테리시스가 있으며, 이는 재료의 요변성 거동을 나타냅니다. 진폭 스윕 테스트를 사용하여 측정한 재료의 동적 거동은 이 그림의 삽입에 나와 있습니다. 결과는 라포나이트가 시간 의존적 점성 유체에 적합한 모델임을 보여줍니다.
라포나이트 1%(요변성 항복 응력 유체): 정적 및 동적 항복 응력 [4]
라포나이트 현탁액(라포나이트 1%)에 대한 단일 전단 속도 테스트: 10분(빨간색), 2시간(파란색), 2일(검은색) 등 다양한 숙성 시간에서 샘플을 대상으로 테스트를 수행했습니다. 재료는 2분 동안 100/s의 사전 전단 후 휴식 기간을 거친 후 0.001/s의 일정한 낮은 전단 속도를 가했습니다. 결과는 노화 시간에 따른 정적 항복 응력(채워진 원으로 표시)의 증가를 보여줍니다.
주요 결과
요약하면, 이 연구는 항복 응력 유체에서 기포 방출을 지배하는 두 가지 메커니즘을 밝혀냈습니다. 비요변성 거동을 가진 균질 젤에서는 준균일 기포 구름이 형성되며, 기포의 근접성과 함께 재료의 전반적인 유변학적 특성이 기포의 방출과 시스템 내 포획을 결정합니다. 가스 농도가 매우 높으면 정적 불안정성이 시작될 때 버블 클라우드가 터질 수 있습니다. 그러나 시간에 따른 유변학(요변성)이 작용하면 문제의 물리적 그림이 더욱 복잡해집니다.
전단 이력에 따른 유변학으로 인한 재료의 불균일한 구조로 인해 재료 구조가 약해지는 손상된 층이 형성됩니다. 재료 내에 이러한 손상된 층이 존재하면 기포 방출 및 포획에 큰 영향을 미쳐 가스 축적을 방지합니다. 이 경우 다분산 기포 현탁액이 나타나고 기포 방출이 갑자기 일어나지 않고 손상된 층을 통해 점진적으로 발생합니다.
버블 방출 메커니즘 [4]
(a) 단순 항복 응력 유체와 (b) 요변성 항복 응력 유체에 대해 불안정성이 시작된 직후 캡처한 기포의 순차적 이미지에서 강도(I)의 정규화된 표준 편차. 두 젤 모두 초기 기체 함량이 높습니다. 이미지의 흰색 점은 겔 내에서 기포가 움직이는 영역을 나타내고, 어두운 점은 기포가 정체된 영역을 나타냅니다. 패널 (b)의 그물망 같은 구조는 기포가 재사용되는 경로를 따라 이동한다는 것을 나타냅니다.
더 큰 기포가 표면으로 빠져나가면 재료의 전단 이력에 따른 유변학으로 인해 국부적인 전단이 젤을 약화시켜 저항이 적은 보이지 않는 도관을 형성합니다. 그런 다음 기포는 이 도관을 향해 이동하여 측면의 약화된 층을 만들고 결국 수직 도관에 연결된 보이지 않는 손상된 층의 네트워크를 형성합니다.
이러한 네트워크는 작은 기포가 서서히 방출되도록 하여 기포 축적을 방지하고 시스템의 안전 밸브 역할을 합니다.
더 광범위한 애플리케이션:
이 연구는 주로 오일샌드 광미에서 발생하는 온실가스 배출 문제에서 시작되었지만, 연구 결과는 광범위한 영향을 미칩니다. 점성 유체에서 가스가 어떻게 갇히고 방출되는지 이해하는 것은 다른 여러 분야에도 응용할 수 있습니다: 예를 들어, 핵 폐기물 저장은 "기포 및 슬러지" 문제를 일으킬 수 있고, 폐수 처리(하수) 에는 비뉴턴 현탁액과 기포가 포함되며, 석유 및 가스 유정은 건설 중에 가스 킥을 경험하며 , 항복 응력 유체를 통한 기포 전파가 일반적입니다. 그 밖에도 건설용 콘크리트 발포, 맛 향상을 위한 초콜릿 등에도 거품이 사용됩니다.
요약하면 항복 응력 유체의 기포 역학을 이해하면 오일샌드 광미의 배출을 줄이고 다양한 산업에서 혁신의 문을 열 수 있는 길을 열 수 있습니다. 유변학은 근본적인 메커니즘을 이해하여 거동을 예측하고 배출을 줄이는 데 핵심적인 방법입니다.
프리가드 박사의 학제 간 연구팀은 점성 유체와 산업 공정에서 비뉴턴 유체 특성의 응용에 중점을 두고 있습니다:
연구 결과를 보여주는 몇 가지 논문이 아래에 나와 있습니다:
다음 논문은 항복 응력 유체에서 버블의 안정성을 위해 개발된 이론적 모델을 설명합니다. 이러한 이론적 연구에서는 버블의 항복 한계와 버블의 모양 및 버블의 상호 작용이 항복 한계에 미치는 영향에 대해 연구했습니다.
[1] 푸르자헤디, A., 차파리안, E., 루스테아이, A., 프리가드, I. A. (2022). 항복 응력 유체에서 단일 기포에 대한 흐름 시작. 유체 역학 저널, 933, A21.
[2] Chaparian, E., & Frigaard, I. A. (2021). 점성 유체의 기포 구름. 유체 역학 저널, 927, R3.
다음 논문은 실험적 접근 방식을 사용하여 항복 응력 재료의 기포 성장과 안정성을 연구했습니다. 탄성 및 요변성을 포함한 재료의 복잡한 유변학의 역할은 다음 논문에서 설명합니다. 또한 버블 구름 불안정성에 대한 다양한 시나리오와 재료의 유변학 및 구조와의 연관성에 대해서도 설명합니다.
[3] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2023). 항복 응력 유체에서 기포의 성장과 안정성. 유체 역학 저널, 957, A16.
[4] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2024). 항복 응력 유체에서 버블 구름의 성장 및 정적 안정성. 비 뉴턴 유체 역학 저널, 327, 105217.
다음 연구에서는 재료의 불균일한 유변학이 버블 안정성과 이동에 미치는 영향을 강조합니다. 이 문제를 조사하기 위해 실험과 결합된 수치 시뮬레이션이 사용됩니다.
[5] Zare, M., Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2021). 항복 응력 유체에서 기포의 움직임에 대한 비균일 유변학의 영향. 유체 역학 저널, 919, A25.