
Historia sukcesu klienta
Reologia i rozwiązania środowiskowe: Globalne podejście do ograniczania emisji gazów cieplarnianych
Niniejszy raport terenowy omawia wysiłki profesora Iana Frigaarda i jego zespołu z Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej w Kanadzie, mające na celu zrozumienie i kontrolowanie dynamiki pęcherzyków gazu w płynach o naprężeniu plastycznym, takich jak te występujące w stawach osadowych piasków roponośnych, w celu ograniczenia emisji gazów cieplarnianych.
Ich badania dotyczą właściwości reologicznych płynów modelowych, takich jak żele Carbopol i zawiesiny Laponite, aby lepiej zrozumieć mechanizmy uwięzienia i uwalniania pęcherzyków. Badania przeprowadzono przy użyciu reometru NETZSCH Kinexus. Wyniki badań mają szeroki wpływ na redukcję emisji w różnych gałęziach przemysłu, w tym w górnictwie, składowaniu odpadów nuklearnych i oczyszczaniu ścieków.

„Zrozumienie dynamiki pęcherzyków w płynach plastycznych otwiera drogę do ograniczenia emisji ze stawów osadowych piasków roponośnych. Reologia jest kluczową metodą pozwalającą zrozumieć podstawowe mechanizmy, a tym samym przewidzieć zachowanie i opracować strategie redukcji emisji. Badania te, wykonane za pomocą reometru rotacyjnego NETZSCH Kinexus, mają szerokie implikacje dla różnych gałęzi przemysłu, w tym górnictwa, składowania odpadów nuklearnych i oczyszczania ścieków.“
Dr Ian Frigaard jest profesorem na Wydziale Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej w Kanadzie. Specjalizuje się w mechanice płynów nienewtonowskich, koncentrując się na przemysłowych zastosowaniach płynów lepko-plastycznych, szczególnie w przemyśle naftowym. Jego interdyscyplinarna grupa badawcza łączy podejścia matematyczne, eksperymentalne i obliczeniowe w celu rozwiązania takich kwestii, jak cementowanie odwiertów i kontrola emisji gazów cieplarnianych. Dr Frigaard jest również autorem licznych prac naukowych, wnosząc znaczący wkład w zrozumienie i rozwój mechaniki płynów.

Wysokie cele: Zero emisji netto do 2050 r
W czerwcu 2021 r. Kanada poczyniła znaczący krok w kierunku działań na rzecz klimatu, uchwalając kanadyjską ustawę o odpowiedzialności za zerową emisję netto, której celem jest osiągnięcie zerowej emisji netto do 2050 roku. Zobowiązanie to podkreśla pilną potrzebę zbadania przez wszystkie branże ich śladu emisyjnego i zminimalizowania ich wpływu na środowisko. Branża piasków roponośnych znajduje się w centrum uwagi ze względu na swój znaczący wkład w emisję gazów cieplarnianych w Kanadzie. Najnowsze dane wskazują, że w 2020 r. ze stawów osadowych piasków roponośnych, w których przechowywane są produkty uboczne procesu produkcji piasków roponośnych, wyemitowano około siedmiu megaton metanu i dwutlenku węgla.
Regiony takie jak Kanada, Stany Zjednoczone, Brazylia, Rosja i RPA stoją przed podobnymi wyzwaniami związanymi ze stawami osadowymi, szczególnie w przemyśle wydobywczym i wydobywczym ropy naftowej.
Profesor Ian Frigaard i jego zespół z Grupy Płynów Złożonych Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej (UBC) zajmują się tą kwestią z perspektywy mechaniki płynów. Ich celem jest zrozumienie mechanizmu stabilności i migracji pęcherzyków w tych systemach, jego związku z reologią materiału i ostatecznie zaprojektowanie systemu w taki sposób, aby uwalnianie i uwięzienie pęcherzyków gazu mogło być kontrolowane w korzystny sposób. Ich badania mają znaczący potencjał nie tylko dla Kanady, ale dla wszystkich krajów, w których przemysłowe produkty uboczne muszą być bezpiecznie i wydajnie przechowywane. Od miejsc składowania odpadów nuklearnych po emisję gazów z szybów naftowych na Bliskim Wschodzie, w Azji Środkowej i Ameryce Łacińskiej, a nawet w oczyszczalniach ścieków w Europie, zrozumienie dynamiki pęcherzyków gazu w płynach lepkoplastycznych może znacząco wpłynąć na globalne wysiłki na rzecz ograniczenia emisji i promowania zrównoważonych praktyk.

Zrozumienie mechanizmu stabilności i migracji pęcherzyków za pomocą reologii
Stawy osadowe składają się z warstw FFT (Fine Fluid Tailings) i MFT (Mature Fine Tailings), zawierających wodę, piasek, mikroorganizmy beztlenowe i benzynę ciężką. Mikrobiologiczna degradacja benzyny ciężkiej w tych warstwach prowadzi do produkcji metanu i dwutlenku węgla, przyczyniając się do emisji gazów cieplarnianych.
Materiały osadowe wykazują cechy płynów plastycznych, zachowując się jak ciało stałe poniżej pewnego naprężenia progowego (granicy plastyczności) i płynąc jak ciecz powyżej tego progu, co umożliwia im zatrzymywanie pęcherzyków gazu.

Badania prowadzone przez grupę płynów złożonych w UBC obejmują eksperymenty laboratoryjne, modele i obliczenia w celu zrozumienia uwięzienia i uwalniania pęcherzyków, zbadania procesów fizycznych i zbadania, w jaki sposób reologia płynów może potencjalnie kontrolować emisje gazów cieplarnianych ze stawów. Rdzeniem tych fundamentalnych badań jest określenie granicy plastyczności dla statycznej stabilności pęcherzyków w płynach o granicy plastyczności i ustalenie jej związku ze złożoną reologią tych materiałów, w tym granicą plastyczności, elastycznością i zachowaniem tiksotropowym. Badania reologiczne przeprowadzono przy użyciu reometruNETZSCH Kinexus Pro +. Wykorzystano żele Carbopol i Laponit jako modele odpowiednio dla prostych płynów plastycznych i tiksotropowych płynów plastycznych.
Zachowanie reologiczne płynów modelowych
Reprezentatywne krzywe reologiczne dla żeli Carbopol przedstawiono na poniższym rysunku. Reologię Carbopolu mierzono za pomocą testu ramp-up i ramp-down kontrolowanego szybkością ścinania przy użyciu geometrii równoległej płyty o chropowatej powierzchni. Powyżej granicy plastyczności nie zaobserwowano zachowania tiksotropowego. Poniżej granicy plastyczności elastyczna reakcja żelu spowodowała odchylenie między krzywymi przepływu ramp-up i ramp-down. Wstawka na tym rysunku pokazuje Moduł sprężystościModuł zespolony (składnik sprężysty), moduł magazynowania lub G', jest "rzeczywistą" częścią ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten składnik sprężysty wskazuje na stałą lub fazową reakcję mierzonej próbki. moduł sprężystości (G') i Moduł lepkościModuł zespolony (składnik lepkościowy), moduł stratności lub G'' to "urojona" część ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten lepki składnik wskazuje na reakcję próbki pomiarowej podobną do cieczy lub poza fazą. moduł lepkości (G'') jako funkcje amplitudy odkształcenia, uzyskane z testu przemiatania amplitudy przy częstotliwości 2 rad/s. Dla amplitudy odkształcenia poniżej około 0,1% oba moduły pozostają stałe, co wskazuje na liniowe zachowanie.
Wyniki te pokazują, że karbopol w stężeniach poniżej 2% zachowuje się jak prosty płyn elasto-lepkoplastyczny bez zauważalnego zachowania tiksotropowego.
Karbopol 0,15% (prosta ciecz plastyczna) [3]

Laponit został potwierdzony jako płyn modelowy wykazujący zachowanie tiksotropowe poprzez serię testów reologicznych. Poniższy rysunek przedstawia krzywą płynięcia dla próbki 1% laponitu pozostającej w spoczynku przez 10 minut po wstępnym ścinaniu. Po okresie spoczynku próbka została poddana kontrolowanemu naprężeniu ramp-up (okręgi) i ramp-down (trójkąty skierowane w dół) przy użyciu chropowatej geometrii. Tiksotropowe zachowanie materiału przejawia się w zauważalnej rozbieżności między krzywymi ramp-up i ramp-down. Zmierzono również Moduł sprężystościModuł zespolony (składnik sprężysty), moduł magazynowania lub G', jest "rzeczywistą" częścią ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten składnik sprężysty wskazuje na stałą lub fazową reakcję mierzonej próbki. moduł sprężystości (kwadraty) i Moduł lepkościModuł zespolony (składnik lepkościowy), moduł stratności lub G'' to "urojona" część ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten lepki składnik wskazuje na reakcję próbki pomiarowej podobną do cieczy lub poza fazą. moduł lepkości (znaki plus) w funkcji odkształcenia, poprzez dynamiczne przemiatanie amplitudy odkształcenia przy częstotliwości 2 Hz. Wyniki przedstawione na wstawce na poniższym rysunku potwierdziły liniowe zachowanie lepkosprężyste materiału przy odkształceniach poniżej 1%.
Laponit 1% (tiksotropowy płyn o granicy plastyczności): Krzywe płynięcia [4]
Reprezentatywne krzywe reologiczne dla zawiesiny laponitu (Laponit 1%):
Ten rysunek przedstawia krzywe przepływu ramp-up i ramp-down uzyskane z testu kontrolowanego szybkością ścinania. Na krzywych przepływu występuje wyraźna histereza, która wskazuje na tiksotropowe zachowanie materiału. Dynamiczne zachowanie materiału mierzone za pomocą testu amplitudowego przedstawiono na wstawce tego rysunku. Wyniki pokazują, że laponit jest odpowiednim modelem dla płynu lepkoplastycznego zależnego od czasu.
Laponit 1% (tiksotropowa ciecz o granicy plastyczności): statyczna i dynamiczna Naprężenie plastyczneGranica plastyczności jest definiowana jako naprężenie, poniżej którego nie występuje przepływ; dosłownie zachowuje się jak słabe ciało stałe w spoczynku i ciecz po ugięciu.granica plastyczności [4]
Testy pojedynczej prędkości ścinania dla zawiesiny laponitu (Laponit 1%): Test przeprowadzono dla próbki w różnych czasach starzenia, w tym 10 min (czerwony), 2 h (niebieski) i 2 dni (czarny). Materiał został poddany stałej niskiej szybkości ścinania 0,001/s po okresie spoczynku po wstępnym ścinaniu 100/s przez 2 minuty. Wyniki pokazują wzrost statycznej granicy plastyczności (zaznaczonej wypełnionymi okręgami) wraz z czasem starzenia.
Kluczowe ustalenia:
Podsumowując, badania te ujawniły dwa różne mechanizmy rządzące uwalnianiem pęcherzyków z płynów o granicy plastyczności. W jednorodnym żelu o nietiksotropowym zachowaniu tworzy się quasi-jednorodna chmura pęcherzyków, a ogólna charakterystyka reologiczna materiału, w połączeniu z bliskością pęcherzyków, dyktuje ich uwalnianie i uwięzienie w układzie. Przy dość wysokim stężeniu gazu może to prowadzić do pęknięcia chmury pęcherzyków po wystąpieniu niestabilności statycznej. Jednakże, gdy w grę wchodzi reologia zależna od czasu (TiksotropiaW przypadku większości cieczy rozrzedzanie ścinające jest odwracalne i ciecze w pewnym momencie uzyskują swoją pierwotną lepkość po usunięciu siły ścinającej.tiksotropia), fizyczny obraz problemu staje się bardziej skomplikowany.
Niejednolita struktura materiałów wynikająca z ich reologii zależnej od historii ścinania prowadzi do powstawania uszkodzonych warstw, w których struktura materiału jest słabsza. Obecność tych uszkodzonych warstw w materiale znacząco wpływa na uwalnianie i uwięzienie pęcherzyków, zapobiegając gromadzeniu się gazu. W tym przypadku powstają polidyspersyjne zawiesiny pęcherzyków, a uwalnianie pęcherzyków następuje stopniowo przez uszkodzone warstwy, a nie nagle.

Mechanizm uwalniania pęcherzyków [4]
Znormalizowane odchylenie standardowe intensywności(I) w sekwencyjnych obrazach pęcherzyków, uchwyconych tuż po wystąpieniu niestabilności dla (a) prostej cieczy o granicy plastyczności i (b) tiksotropowej cieczy o granicy plastyczności. Oba żele mają wysoką początkową zawartość gazu. Białe plamy na obrazach wskazują obszary, w których pęcherzyki poruszają się w żelu, podczas gdy ciemne plamy reprezentują obszary, w których pęcherzyki pozostają w stagnacji. Struktura przypominająca sieć w panelu (b) sugeruje, że pęcherzyki podążają ponownie wykorzystywanymi ścieżkami.
Gdy większe pęcherzyki wydostają się na powierzchnię, lokalne ścinanie osłabia żel ze względu na reologię zależną od historii ścinania materiału, tworząc niewidoczne kanały o mniejszym oporze. Pęcherzyki następnie migrują w kierunku tych kanałów, tworząc boczne osłabione warstwy i ostatecznie niewidoczne sieci uszkodzonych warstw połączonych z pionowymi kanałami.
Sieci te pozwalają na stopniowe uwalnianie mniejszych pęcherzyków, zapobiegając ich gromadzeniu się, działając w ten sposób jako zawory bezpieczeństwa w systemie.
Szersze zastosowania:
Chociaż badania te są przede wszystkim motywowane kwestią emisji gazów cieplarnianych z odpadów przeróbczych piasków roponośnych, ich wyniki mają daleko idące implikacje. Zrozumienie, w jaki sposób gaz jest uwięziony i emitowany w płynach lepkoplastycznych, ma zastosowanie w kilku innych dziedzinach: Na przykład składowanie odpadów nuklearnych może prowadzić do problemów z "bąbelkami i szlamem", oczyszczanie ścieków obejmuje zawiesiny nienewtonowskie i pęcherzyki gazu, a odwierty naftowe i gazowe doświadczają kopnięć gazu podczas budowy, gdzie propagacja pęcherzyków przez płyny o granicy plastyczności jest powszechna. Inne zastosowania obejmują spienianie betonu w budownictwie i czekolady w celu poprawy smaku.
Podsumowując, zrozumienie dynamiki pęcherzyków w płynach plastycznych oferuje ścieżkę do zmniejszenia emisji z piasków roponośnych i otwiera drzwi do innowacji w różnych branżach. Reologia jest kluczową metodą pozwalającą zrozumieć podstawowe mechanizmy, a tym samym przewidzieć zachowanie i zmniejszyć emisje.
Interdyscyplinarny zespół badawczy dr Frigaarda koncentruje się na płynach lepkoplastycznych i zastosowaniu właściwości płynów nienewtonowskich w procesach przemysłowych:




Poniżej znajduje się kilka artykułów prezentujących ich odkrycia:
W poniższych artykułach wyjaśniono modele teoretyczne opracowane dla stabilności pęcherzyków w płynach o granicy plastyczności. W tych pracach teoretycznych badana jest Naprężenie plastyczneGranica plastyczności jest definiowana jako naprężenie, poniżej którego nie występuje przepływ; dosłownie zachowuje się jak słabe ciało stałe w spoczynku i ciecz po ugięciu.granica plastyczności pęcherzyków oraz wpływ kształtu pęcherzyków i interakcji pęcherzyków na tę granicę.
[1] Pourzahedi, A., Chaparian, E., Roustaei, A., & Frigaard, I. A. (2022). Początek przepływu dla pojedynczego pęcherzyka w płynie o naprężeniu plastycznym. Journal of Fluid Mechanics, 933, A21.
[2] Chaparian, E., & Frigaard, I. A. (2021). Chmury pęcherzyków w płynie lepkoplastycznym. Journal of Fluid Mechanics, 927, R3.
W poniższych artykułach zbadano wzrost i stabilność pęcherzyków w materiale o granicy plastyczności przy użyciu podejścia eksperymentalnego. Rola złożonej reologii materiału, w tym jego elastyczności i tiksotropii, została wyjaśniona w poniższych artykułach. Wyjaśniono również różne scenariusze niestabilności chmury pęcherzyków i jej związek z reologią i strukturą materiału.
[3] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2023). Wzrost i stabilność pęcherzyków w płynie o granicy plastyczności. Journal of Fluid Mechanics, 957, A16.
[4] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2024). Wzrost i stabilność statyczna chmur pęcherzyków w płynach plastycznych. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 327, 105217.
W poniższej pracy podkreślono wpływ niejednorodnej reologii materiału na stabilność i migrację pęcherzyków. Do zbadania tego problemu wykorzystano symulacje numeryczne połączone z eksperymentami.
[5] Zare, M., Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2021). Wpływ niejednorodnej reologii na ruch pęcherzyków w płynie o naprężeniu plastycznym. Journal of Fluid Mechanics, 919, A25.