SUCCESVERSLAG VAN KLANT
Reologie en milieuoplossingen: Een wereldwijde aanpak voor het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen
Dit veldrapport bespreekt de inspanningen van professor Ian Frigaard en zijn team aan de Universiteit van British Columbia, Canada, om de dynamica van gasbellen in vloeistoffen met vloeistoffen die onder hoge druk staan, zoals die in residubekkens van oliezand, te begrijpen en te beheersen om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen.
Hun onderzoek onderzoekt de reologische eigenschappen van modelvloeistoffen zoals Carbopol-gels en Laponite-suspensies om de mechanismen van het insluiten en loslaten van bellen beter te begrijpen. De studies werden uitgevoerd met de NETZSCH Kinexus reometer. De bevindingen hebben brede implicaties voor het verminderen van emissies in verschillende industrieën, waaronder mijnbouw, opslag van nucleair afval en afvalwaterbehandeling.
„Inzicht in de dynamica van bellen in vloeistoffen met vloeistoffen met OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning biedt mogelijkheden om de emissies van residubekkens van teerzand te verminderen. Reologie is een belangrijke methode om de onderliggende mechanismen te begrijpen en zo het gedrag te voorspellen en strategieën te bedenken om emissies te verminderen. Deze studies, uitgevoerd met de NETZSCH Kinexus rotationele reometer, hebben brede implicaties voor verschillende industrieën, waaronder mijnbouw, opslag van nucleair afval en afvalwaterbehandeling.“
Dr. Ian Frigaard is professor aan de faculteit Werktuigbouwkunde van de Universiteit van British Columbia, Canada. Hij is gespecialiseerd in niet-Newtoniaanse vloeistofmechanica en richt zich op industriële toepassingen van visco-plastische vloeistoffen, met name in de olie-industrie. Zijn interdisciplinaire onderzoeksgroep combineert wiskundige, experimentele en computationele benaderingen om problemen aan te pakken zoals het cementeren van boorputten en de beheersing van broeikasgasemissies. Dr. Frigaard is ook auteur van talloze wetenschappelijke artikelen en heeft zo een belangrijke bijdrage geleverd aan het begrip en de vooruitgang van de vloeistofmechanica.
Hoge doelen: Netto nul emissies in 2050
In juni 2021 zette Canada een belangrijke stap in de richting van klimaatactie door de Canadese Net-Zero Emissions Accountability Act aan te nemen, die tot doel heeft om tegen 2050 een netto-nuluitstoot te bereiken. Deze toezegging onderstreept de urgentie voor alle industrieën om hun uitstootvoetafdruk te onderzoeken en hun impact op het milieu te minimaliseren. De teerzandindustrie staat in de schijnwerpers vanwege haar grote bijdrage aan de uitstoot van broeikasgassen in Canada. Uit recente gegevens blijkt dat in 2020 ongeveer zeven megaton methaan en kooldioxide werd uitgestoten door residubekkens in teerzand, waar de bijproducten van het productieproces van teerzand worden opgeslagen.
Regio's zoals Canada, de Verenigde Staten, Brazilië, Rusland en Zuid-Afrika hebben allemaal te maken met vergelijkbare problemen met residubekkens, met name in hun mijnbouw- en oliewinningsindustrie.
Professor Ian Frigaard en zijn team van de Complex Fluids Group van de University of British Columbia (UBC) pakken het probleem aan vanuit een vloeistofmechanisch perspectief. Ze proberen het mechanisme van de stabiliteit en migratie van gasbellen in deze systemen te begrijpen, het verband met de reologie van het materiaal te begrijpen en uiteindelijk het systeem zo te ontwikkelen dat het vrijkomen en insluiten van gasbellen op een voordelige manier kan worden geregeld. Hun onderzoek heeft een belangrijk potentieel, niet alleen voor Canada maar voor alle landen waar industriële bijproducten veilig en efficiënt moeten worden opgeslagen. Van opslagplaatsen voor nucleair afval tot gasemissies uit oliebronnen in het Midden-Oosten, Centraal-Azië en Latijns-Amerika, en zelfs rioolwaterzuiveringsinstallaties in Europa, kan inzicht in de dynamica van gasbellen in viscoplastische vloeistoffen een grote invloed hebben op wereldwijde inspanningen om emissies te verminderen en duurzame praktijken te bevorderen.
Inzicht in het mechanisme van stabiliteit en migratie van bellen door middel van reologie
De residubekkens bestaan uit FFT-lagen (Fine Fluid Tailings) en MFT-lagen (Mature Fine Tailings), bestaande uit water, zand, anaerobe micro-organismen en nafta. Microbiële afbraak van nafta in deze lagen leidt tot de productie van methaan en kooldioxide, wat bijdraagt aan de uitstoot van broeikasgassen.
De residumaterialen vertonen kenmerken van vloeistoffen met OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning: ze gedragen zich als een vaste stof onder een bepaalde drempelspanning (OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning) en stromen als een vloeistof boven deze drempel, waardoor ze gasbellen kunnen vasthouden.
Het onderzoek dat wordt uitgevoerd door de groep complexe vloeistoffen aan UBC omvat laboratoriumexperimenten, modellen en berekeningen om de insluiting en het vrijkomen van bellen te begrijpen, fysische processen te onderzoeken en te onderzoeken hoe vloeistofreologie de uitstoot van broeikasgassen uit de vijvers kan beheersen. De kern van dit fundamentele onderzoek is het bepalen van de vloeigrens voor de statische stabiliteit van bellen in vloeistoffen met OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning en het verband leggen met de complexe reologie van deze materialen, waaronder vloeispanning, elasticiteit en thixotroop gedrag. De reologische studies zijn uitgevoerd met NETZSCH Kinexus Pro + reometer. Ze gebruikten Carbopol-gels en Laponite als modellen voor respectievelijk eenvoudige vloeistoffen met vloeispanning en thixotrope vloeistoffen met vloeispanning.
Reologisch gedrag van modelvloeistoffen
De representatieve reologische curven voor Carbopol-gels worden in de volgende figuur getoond. De reologie van Carbopol werd gemeten door middel van een afschuifsnelheid gecontroleerde ramp-up en ramp-down test met behulp van een geruwde parallelle plaatgeometrie. Boven de rekgrens werd geen thixotroop gedrag waargenomen. Onder het vloeipunt veroorzaakte de elastische respons van de gel een afwijking tussen de op- en afloopcurves. De inzet van deze figuur toont de elasticiteitsmodulus (G') en de Viskeuze modulusDe complexe modulus (viskeuze component), verliesmodulus of G'', is het "imaginaire" deel van de totale complexe modulus van het monster. Deze viskeuze component geeft de vloeistofachtige, of uit fase, respons van het te meten monster aan. viscositeitsmodulus (G'') als functie van de rekbreedte, verkregen uit een amplitudetest met een frequentie van 2 rad/s. Voor rekamplituden onder ongeveer 0,1% blijven beide moduli constant, wat duidt op lineair gedrag.
Deze bevindingen tonen aan dat Carbopol, bij concentraties onder 2%, zich gedraagt als een eenvoudige elasto-viscoplastische vloeistof zonder waarneembaar thixotroop gedrag.
Carbopol 0,15% (eenvoudige vloeistof met vloeispanning) [3]
Laponiet is bevestigd als een modelvloeistof met thixotroop gedrag door middel van een reeks reologische testen. De volgende figuur toont de vloeicurve voor een 1% Laponietmonster dat 10 minuten in rust was na een voorschuiving. Na de rustperiode werd het monster onderworpen aan een spanningsgecontroleerde ramp-up (cirkels) en ramp-down (naar beneden gerichte driehoeken) met behulp van een opgeruwde geometrie. Het thixotrope gedrag van het materiaal komt tot uiting in de waarneembare discrepantie tussen ramp-up en ramp-down curves. Ze maten ook de elasticiteitsmodulus (vierkantjes) en Viskeuze modulusDe complexe modulus (viskeuze component), verliesmodulus of G'', is het "imaginaire" deel van de totale complexe modulus van het monster. Deze viskeuze component geeft de vloeistofachtige, of uit fase, respons van het te meten monster aan. viscositeitsmodulus (plustekens) versus rek, door middel van een dynamische rek amplitude sweep bij een frequentie van 2 Hz. De resultaten in de inzet van de volgende figuur bevestigden het lineaire visco-elastische gedrag van het materiaal bij rek onder 1%.
Laponiet 1% (thixotrope vloeistoffen met vloeispanning): Vloeicurven [4]
Representatieve reologiecurven voor een Laponietsuspensie (Laponiet 1%):
Deze figuur toont de op- en aflopende vloeicurves verkregen uit een afschuifsnelheidsgecontroleerde test. Er is een waarneembare hysterese in de vloeikrommen die het thixotrope gedrag van het materiaal aangeeft. Het dynamische gedrag van het materiaal gemeten met behulp van een amplitude sweep test is weergegeven in de inzet van deze figuur. De resultaten tonen aan dat Laponite een geschikt model is voor een tijdsafhankelijke viscoplastische vloeistof.
Laponiet 1% (thixotrope vloeistoffen met vloeispanning): statische en dynamische vloeispanningen [4]
Enkelvoudige afschuifproeven voor een Laponietsuspensie (Laponite 1%): De test werd uitgevoerd voor een monster bij verschillende verouderingstijden waaronder 10 min (rood), 2 u (blauw) en 2 dagen (zwart). Het materiaal werd blootgesteld aan een constante lage afschuifsnelheid van 0,001/s na een rustperiode na een voorschuiving van 100/s gedurende 2 minuten. De resultaten tonen de toename van de statische vloeispanning (aangegeven door gevulde cirkels) met de verouderingstijd.
Belangrijkste bevindingen:
Samengevat heeft dit onderzoek twee verschillende mechanismen aan het licht gebracht die het vrijkomen van bellen uit vloeistoffen met vloeispanning bepalen. In een homogene gel met niet-thixotroop gedrag vormt zich een quasi-uniforme bellenwolk en de algehele reologische eigenschappen van het materiaal, in combinatie met de nabijheid van de bellen, bepalen hun vrijlating en insluiting binnen het systeem. Bij een vrij hoge gasconcentratie kan dit leiden tot een uitbarsting van de bellenwolk bij het begin van statische instabiliteit. Wanneer er echter tijdsafhankelijke reologie (ThixotropieVoor de meeste vloeistoffen is afschuifverdunning omkeerbaar en zullen de vloeistoffen op een bepaald moment hun oorspronkelijke viscositeit terugkrijgen wanneer een schuifkracht wordt verwijderd.thixotropie) in het spel komt, wordt het fysische beeld van het probleem ingewikkelder.
De niet-uniforme structuur van de materialen als gevolg van hun afschuifgeschiedenisafhankelijke reologie leidt tot de vorming van beschadigde lagen waarbinnen de materiaalstructuur zwakker is. De aanwezigheid van deze beschadigde lagen in het materiaal heeft een aanzienlijke invloed op het vrijkomen en insluiten van bellen, waardoor gasophoping wordt voorkomen. In dit geval ontstaan polydisperse luchtbelsuspensies en worden de bellen niet plotseling maar geleidelijk door beschadigde lagen losgelaten.
Mechanisme van het vrijkomen van bellen [4]
Genormaliseerde standaardafwijking van de intensiteit(I) in opeenvolgende beelden van bellen, opgenomen vlak na het begin van instabiliteit voor (a) een eenvoudige vloeistoffen met vloeispanning en (b) een thixotrope vloeistoffen met vloeispanning. Beide gels hebben een hoog initieel gasgehalte. De witte vlekken in de afbeeldingen geven gebieden aan waar de bellen bewegen binnen de gel, terwijl de donkere vlekken gebieden weergeven waar de bellen stilstaan. De netwerkachtige structuur in paneel (b) suggereert dat bellen hergebruikte paden volgen.
Als grotere bellen naar het oppervlak ontsnappen, verzwakt de gel door lokale afschuiving als gevolg van de reologie van het materiaal die afhankelijk is van de afschuivingsgeschiedenis, waardoor onzichtbare leidingen met minder weerstand worden gevormd. Bellen migreren dan naar deze leidingen toe, waardoor laterale verzwakte lagen ontstaan en uiteindelijk onzichtbare netwerken van beschadigde lagen die verbonden zijn met verticale leidingen.
Deze netwerken zorgen ervoor dat kleinere bellen geleidelijk vrijkomen en voorkomen ophoping van bellen, waardoor ze als veiligheidskleppen in het systeem fungeren.
Bredere toepassingen:
Hoewel dit onderzoek in de eerste plaats is ingegeven door het probleem van broeikasgasemissies uit teerzandresiduen, hebben de bevindingen verstrekkende gevolgen. Begrijpen hoe gas wordt ingesloten en uitgestoten in viscoplastische vloeistoffen heeft toepassingen op verschillende andere gebieden: De opslag van nucleair afval kan bijvoorbeeld leiden tot problemen met "bellen en slib", afvalwaterzuivering (rioolwater) heeft te maken met niet-Newtonse suspensies en gasbellen, en olie- en gasbronnen krijgen te maken met gasschoppen tijdens de constructie, waarbij de voortplanting van bellen door vloeistoffen met vloeispanning veel voorkomt. Andere toepassingen zijn het opschuimen van beton voor de bouw en chocolade voor smaakverbetering.
In summary, understanding bubble dynamics in yield StressSpanning wordt gedefinieerd als een niveau van kracht uitgeoefend op een monster met een goed gedefinieerde dwarsdoorsnede. (Spanning = kracht/oppervlak). Monsters met een cirkelvormige of rechthoekige doorsnede kunnen worden samengedrukt of uitgerekt. Elastische materialen zoals rubber kunnen worden uitgerekt tot 5 tot 10 keer hun oorspronkelijke lengte.stress fluids offers a pathway to reduce emissions from oil sands tailings and opens doors to innovations across various industries. Reologie is een belangrijke methode om de onderliggende mechanismen te begrijpen en zo het gedrag te voorspellen en de emissies te verminderen.
Het interdisciplinaire onderzoeksteam van Dr. Frigaard richt zich op viscoplastische vloeistoffen en de toepassing van niet-Newtoniaanse vloeistofeigenschappen in industriële processen:
Hieronder staan enkele artikelen die hun bevindingen laten zien:
In de volgende artikelen worden de theoretische modellen uitgelegd die zijn ontwikkeld voor de stabiliteit van bellen in vloeistoffen met vloeispanning. De vloeigrens voor de bellen en de effecten van de vormen en interacties van de bellen op de vloeigrens worden in deze theoretische werken bestudeerd.
[1] Pourzahedi, A., Chaparian, E., Roustaei, A., & Frigaard, I. A. (2022). Flow onset for a single bubble in a yield-StressSpanning wordt gedefinieerd als een niveau van kracht uitgeoefend op een monster met een goed gedefinieerde dwarsdoorsnede. (Spanning = kracht/oppervlak). Monsters met een cirkelvormige of rechthoekige doorsnede kunnen worden samengedrukt of uitgerekt. Elastische materialen zoals rubber kunnen worden uitgerekt tot 5 tot 10 keer hun oorspronkelijke lengte.stress fluid. Journal of Fluid Mechanics, 933, A21.
[2] Chaparian, E., & Frigaard, I. A. (2021). Wolken van bellen in een viscoplastische vloeistof. Journal of Fluid Mechanics, 927, R3.
De volgende artikelen bestudeerden de groei en stabiliteit van bellen in vloeispanningsmateriaal met behulp van een experimentele benadering. De rol van de complexe reologie van het materiaal, inclusief de elasticiteit en ThixotropieVoor de meeste vloeistoffen is afschuifverdunning omkeerbaar en zullen de vloeistoffen op een bepaald moment hun oorspronkelijke viscositeit terugkrijgen wanneer een schuifkracht wordt verwijderd.thixotropie, wordt in de volgende artikelen uitgelegd. Ook worden hier verschillende scenario's voor de instabiliteit van bellenwolken en het verband met de reologie en structuur van het materiaal uitgelegd.
[3] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2023). Groei en stabiliteit van bellen in een vloeistoffen met vloeispanning. Journal of Fluid Mechanics, 957, A16.
[4] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2024). Growth and static stability of bubble clouds in yield StressSpanning wordt gedefinieerd als een niveau van kracht uitgeoefend op een monster met een goed gedefinieerde dwarsdoorsnede. (Spanning = kracht/oppervlak). Monsters met een cirkelvormige of rechthoekige doorsnede kunnen worden samengedrukt of uitgerekt. Elastische materialen zoals rubber kunnen worden uitgerekt tot 5 tot 10 keer hun oorspronkelijke lengte.stress fluids. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 327, 105217.
In het volgende werk wordt het effect van niet-uniforme reologie van het materiaal op de stabiliteit en migratie van bellen belicht. Numerieke simulaties in combinatie met experimenten worden gebruikt om dit probleem te onderzoeken.
[5] Zare, M., Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2021). Effects of non-uniform rheology on the motion of bubbles in a yield-StressSpanning wordt gedefinieerd als een niveau van kracht uitgeoefend op een monster met een goed gedefinieerde dwarsdoorsnede. (Spanning = kracht/oppervlak). Monsters met een cirkelvormige of rechthoekige doorsnede kunnen worden samengedrukt of uitgerekt. Elastische materialen zoals rubber kunnen worden uitgerekt tot 5 tot 10 keer hun oorspronkelijke lengte.stress fluid. Journal of Fluid Mechanics, 919, A25.