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Rheology and Environmental Solutions (Reologia e Soluções Ambientais): A Global Approach to Mitigating Green House Gas Emissions (Uma Abordagem Global para Mitigar as Emissões de Gases de Efeito Estufa)
Este relatório de campo discute os esforços do professor Ian Frigaard e de sua equipe na Universidade da Colúmbia Britânica, no Canadá, para entender e controlar a dinâmica das bolhas de gás em fluidos de Tensão de escoamentoA tensão de escoamento é definida como a tensão abaixo da qual não ocorre fluxo; comporta-se literalmente como um sólido fraco em repouso e como um líquido quando escoado.tensão de escoamento, como os encontrados em lagoas de rejeitos de areias petrolíferas, para mitigar as emissões de gases de efeito estufa.
Sua pesquisa explora as propriedades reológicas de fluidos modelo, como géis de Carbopol e suspensões de Laponite, para entender melhor os mecanismos de aprisionamento e liberação de bolhas. Os estudos foram feitos usando o reômetro NETZSCH Kinexus. As descobertas têm amplas implicações para a redução de emissões em vários setores, incluindo mineração, armazenamento de resíduos nucleares e tratamento de águas residuais.
„A compreensão da dinâmica das bolhas em fluidos de Tensão de escoamentoA tensão de escoamento é definida como a tensão abaixo da qual não ocorre fluxo; comporta-se literalmente como um sólido fraco em repouso e como um líquido quando escoado.tensão de escoamento abre caminhos para reduzir as emissões dos tanques de rejeitos de areias petrolíferas. A reologia é um método fundamental para entender os mecanismos subjacentes e, assim, prever o comportamento e conceber estratégias para reduzir as emissões. Esses estudos, feitos com o reômetro rotacional NETZSCH Kinexus, têm amplas implicações para vários setores, incluindo mineração, armazenamento de resíduos nucleares e tratamento de águas residuais.“
O Dr. Ian Frigaard é professor do Departamento de Engenharia Mecânica da University of British Columbia, no Canadá. Ele é especialista em mecânica de fluidos não newtonianos, com foco nas aplicações industriais de fluidos visco-plásticos, principalmente no setor de petróleo. Seu grupo de pesquisa interdisciplinar combina abordagens matemáticas, experimentais e computacionais para tratar de questões como cimentação de poços e controle de emissões de gases de efeito estufa. O Dr. Frigaard também é autor de vários artigos científicos, contribuindo significativamente para a compreensão e o avanço da mecânica de fluidos.
Metas elevadas: Emissões líquidas zero até 2050
Em junho de 2021, o Canadá deu um passo significativo em direção à ação climática ao promulgar a Canadian Net-Zero Emissions Accountability Act, que visa atingir emissões líquidas zero até 2050. Esse compromisso ressalta a urgência de todos os setores examinarem sua pegada de emissões e minimizarem seus impactos ambientais. O setor de areias petrolíferas está sob os holofotes devido à sua grande contribuição para as emissões de gases de efeito estufa do Canadá. Dados recentes indicam que, em 2020, aproximadamente sete megatoneladas de metano e dióxido de carbono foram emitidas pelos tanques de rejeitos de areias petrolíferas, onde são armazenados os subprodutos do processo de produção de areias petrolíferas.
Regiões como o Canadá, os Estados Unidos, o Brasil, a Rússia e a África do Sul enfrentam desafios semelhantes com as bacias de rejeitos, especialmente em seus setores de mineração e extração de petróleo.
O professor Ian Frigaard e sua equipe do Grupo de Fluidos Complexos da Universidade da Colúmbia Britânica (UBC) estão lidando com a questão do ponto de vista da mecânica de fluidos. Eles pretendem entender o mecanismo de estabilidade e migração das bolhas nesses sistemas, sua ligação com a reologia do material e, por fim, projetar o sistema de forma que a liberação e o aprisionamento das bolhas de gás possam ser controlados de maneira vantajosa. Sua pesquisa tem um potencial significativo não apenas para o Canadá, mas para todos os países onde os subprodutos industriais devem ser armazenados com segurança e eficiência. Desde locais de armazenamento de resíduos nucleares até emissões de gás de poços de petróleo no Oriente Médio, na Ásia Central e na América Latina, e até mesmo instalações de tratamento de esgoto na Europa, a compreensão da dinâmica das bolhas de gás em fluidos viscoplásticos pode ter um grande impacto nos esforços globais para reduzir as emissões e promover práticas sustentáveis.
Entendendo o mecanismo de estabilidade e migração de bolhas por meio da reologia
As bacias de rejeitos consistem em camadas FFT (Fine Fluid Tailings) e MFT (Mature Fine Tailings), compostas de água, areia, microrganismos anaeróbicos e nafta. A degradação microbiana da nafta nessas camadas leva à produção de metano e dióxido de carbono, contribuindo para as emissões de GEE.
Os materiais de rejeitos apresentam características de fluidos de Tensão de escoamentoA tensão de escoamento é definida como a tensão abaixo da qual não ocorre fluxo; comporta-se literalmente como um sólido fraco em repouso e como um líquido quando escoado.tensão de escoamento, comportando-se como um sólido abaixo de uma determinada EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão limite (Tensão de escoamentoA tensão de escoamento é definida como a tensão abaixo da qual não ocorre fluxo; comporta-se literalmente como um sólido fraco em repouso e como um líquido quando escoado.tensão de escoamento) e fluindo como um líquido acima desse limite, o que lhes permite reter bolhas de gás.
A pesquisa conduzida pelo grupo de fluidos complexos da UBC envolve experimentos de laboratório, modelos e cálculos para entender o aprisionamento e a liberação de bolhas, explorar processos físicos e investigar como a reologia de fluidos pode controlar as emissões de GEE das lagoas. O núcleo desse estudo de pesquisa fundamental é determinar o limite de escoamento para a estabilidade estática de bolhas em fluidos de Tensão de escoamentoA tensão de escoamento é definida como a tensão abaixo da qual não ocorre fluxo; comporta-se literalmente como um sólido fraco em repouso e como um líquido quando escoado.tensão de escoamento e estabelecer sua conexão com a reologia complexa desses materiais, incluindo Tensão de escoamentoA tensão de escoamento é definida como a tensão abaixo da qual não ocorre fluxo; comporta-se literalmente como um sólido fraco em repouso e como um líquido quando escoado.tensão de escoamento, elasticidade e comportamento tixotrópico. Os estudos reológicos foram realizados com o reômetroNETZSCH Kinexus Pro +. Eles usaram géis de Carbopol e Laponite como modelos para fluidos de Tensão de escoamentoA tensão de escoamento é definida como a tensão abaixo da qual não ocorre fluxo; comporta-se literalmente como um sólido fraco em repouso e como um líquido quando escoado.tensão de escoamento simples e fluidos de Tensão de escoamentoA tensão de escoamento é definida como a tensão abaixo da qual não ocorre fluxo; comporta-se literalmente como um sólido fraco em repouso e como um líquido quando escoado.tensão de escoamento tixotrópicos, respectivamente.
Comportamento reológico de fluidos modelo
As curvas reológicas representativas dos géis de Carbopol são mostradas na figura a seguir. A reologia do Carbopol foi medida por meio de um teste de rampa e rampa descendente controlado por taxa de cisalhamento usando uma geometria de placa paralela rugosa. Acima do ponto de escoamento, não foi observado nenhum comportamento tixotrópico. Abaixo do ponto de escoamento, a resposta elástica do gel causou um desvio entre as curvas de fluxo de rampa para cima e para baixo. A parte interna dessa figura mostra o Módulo elásticoO módulo complexo (componente elástico), módulo de armazenamento ou G', é a parte "real" das amostras, o módulo complexo geral. Esse componente elástico indica a resposta do tipo sólido, ou em fase, da amostra que está sendo medida. módulo elástico (G') e o Módulo de viscosidadeO módulo complexo (componente viscoso), módulo de perda ou G'', é a parte "imaginária" das amostras do módulo complexo geral. Esse componente viscoso indica a resposta do tipo líquido, ou fora de fase, da amostra que está sendo medida. módulo viscoso (G'') como funções da amplitude da deformação, obtidos em um teste de varredura de amplitude a uma frequência de 2 rad/s. Para amplitudes de deformação abaixo de aproximadamente 0,1%, ambos os módulos permanecem constantes, indicando um comportamento linear.
Essas descobertas demonstram que o Carbopol, em concentrações abaixo de 2%, comporta-se como um fluido elasto-viscoplástico simples sem comportamento tixotrópico discernível.
Carbopol 0,15% (fluido de Tensão de escoamentoA tensão de escoamento é definida como a tensão abaixo da qual não ocorre fluxo; comporta-se literalmente como um sólido fraco em repouso e como um líquido quando escoado.tensão de escoamento simples) [3]
A laponita foi confirmada como um fluido modelo que exibe comportamento tixotrópico por meio de uma série de testes reológicos. A figura a seguir apresenta a curva de fluxo de uma amostra de laponita a 1% em repouso por 10 minutos após um pré-cisalhamento. Após o período de repouso, a amostra foi submetida a uma rampa de aumento (círculos) e uma rampa de redução (triângulos apontando para baixo) controladas por EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão usando uma geometria rugosa. O comportamento tixotrópico do material se manifesta na discrepância perceptível entre as curvas de rampa para cima e para baixo. Eles também mediram o Módulo elásticoO módulo complexo (componente elástico), módulo de armazenamento ou G', é a parte "real" das amostras, o módulo complexo geral. Esse componente elástico indica a resposta do tipo sólido, ou em fase, da amostra que está sendo medida. módulo elástico (quadrados) e o Módulo de viscosidadeO módulo complexo (componente viscoso), módulo de perda ou G'', é a parte "imaginária" das amostras do módulo complexo geral. Esse componente viscoso indica a resposta do tipo líquido, ou fora de fase, da amostra que está sendo medida. módulo viscoso (sinais de mais) em relação à deformação, por meio de uma varredura de amplitude de deformação dinâmica em uma frequência de 2 Hz. Os resultados mostrados na inserção da figura a seguir confirmaram o comportamento viscoelástico linear do material em deformações abaixo de 1%.
Laponita 1% (fluido tixotrópico de EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão de escoamento): Curvas de fluxo [4]
Curvas reológicas representativas de uma suspensão de Laponita (Laponita 1%):
Esta figura exibe as curvas de fluxo de rampa para cima e para baixo obtidas de um teste controlado por taxa de cisalhamento. Há uma histerese perceptível nas curvas de fluxo que marca o comportamento tixotrópico do material. O comportamento dinâmico do material medido por meio de um teste de varredura de amplitude é apresentado na inserção dessa figura. Os resultados mostram que a Laponita é um modelo adequado para um fluido viscoplástico dependente do tempo.
Laponita 1% (fluido tixotrópico de EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão de escoamento): tensões de escoamento estáticas e dinâmicas [4]
Testes de taxa de cisalhamento simples para uma suspensão de Laponita (Laponita 1%): O teste foi realizado para uma amostra em vários tempos de envelhecimento, incluindo 10 minutos (vermelho), 2 horas (azul) e 2 dias (preto). O material foi imposto a uma taxa de cisalhamento baixa e constante de 0,001/s após um período de repouso depois de um pré-cisalhamento de 100/s por 2 minutos. Os resultados mostram o crescimento da EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão de escoamento estático (marcado por círculos preenchidos) com o tempo de envelhecimento.
Principais conclusões:
Em resumo, esta pesquisa revelou dois mecanismos distintos que regem a liberação de bolhas de fluidos com tensão de escoamento. Em um gel homogêneo com comportamento não tixotrópico, forma-se uma nuvem de bolhas quase uniforme, e as características reológicas gerais do material, aliadas à proximidade das bolhas, determinam sua liberação e aprisionamento no sistema. Em uma concentração de gás bastante alta, isso pode levar a uma explosão da nuvem de bolhas no início da instabilidade estática. Entretanto, quando a reologia dependente do tempo (TixotropiaPara a maioria dos líquidos, o afinamento por cisalhamento é reversível e, em algum momento, os líquidos recuperarão sua viscosidade original quando uma força de cisalhamento for removida.tixotropia) entra em ação, o quadro físico do problema se torna mais complexo.
A estrutura não uniforme dos materiais proveniente de sua reologia dependente do histórico de cisalhamento leva à formação de camadas danificadas nas quais a estrutura do material é mais fraca. A presença dessas camadas danificadas no material influencia significativamente a liberação e o aprisionamento de bolhas, impedindo o acúmulo de gás. Nesse caso, as suspensões de bolhas polidispersas surgem e a liberação de bolhas ocorre gradualmente por meio de camadas danificadas, e não repentinamente.
Mecanismo de liberação de bolhas [4]
Desvio padrão normalizado da intensidade(I) em imagens sequenciais de bolhas, capturadas logo após o início da instabilidade para (a) um fluido de tensão de escoamento simples e (b) um fluido de tensão de escoamento tixotrópico. Ambos os géis têm alto conteúdo inicial de gás. Os pontos brancos nas imagens indicam áreas em que as bolhas estão se movendo dentro do gel, enquanto os pontos escuros representam áreas em que as bolhas estão estagnadas. A estrutura semelhante a uma rede no painel (b) sugere que as bolhas seguem caminhos reutilizados.
À medida que as bolhas maiores escapam para a superfície, o cisalhamento local enfraquece o gel devido à reologia dependente do histórico de cisalhamento do material, formando conduítes invisíveis com menor resistência. Em seguida, as bolhas migram em direção a esses condutos, criando camadas laterais enfraquecidas e, por fim, redes invisíveis de camadas danificadas conectadas a condutos verticais.
Essas redes permitem que bolhas menores sejam liberadas gradualmente, evitando o acúmulo de bolhas, atuando assim como válvulas de segurança no sistema.
Aplicativos mais amplos:
Embora essa pesquisa seja motivada principalmente pela questão das emissões de GEE de rejeitos de areias petrolíferas, as descobertas têm implicações de longo alcance. Entender como o gás é aprisionado e emitido em fluidos viscoplásticos tem aplicações em vários outros campos: Por exemplo, o armazenamento de resíduos nucleares pode levar a problemas de "bolhas e lodo", o tratamento de águas residuais (esgoto) envolve suspensões não newtonianas e bolhas de gás, e os poços de petróleo e gás sofrem com a formação de gás durante a construção, em que a propagação de bolhas por meio de fluidos com tensão de escoamento é comum. Outras aplicações incluem a formação de espuma no concreto para construção e no chocolate para melhorar o sabor.
Em resumo, a compreensão da dinâmica de bolhas em fluidos de tensão de escoamento oferece um caminho para reduzir as emissões de rejeitos de areias petrolíferas e abre portas para inovações em vários setores. A reologia é um método fundamental para entender os mecanismos subjacentes e, assim, prever o comportamento e reduzir as emissões.
A equipe de pesquisa interdisciplinar do Dr. Frigaard se concentra em fluidos viscoplásticos e na aplicação de propriedades de fluidos não newtonianos em processos industriais:
Alguns artigos que mostram suas descobertas estão listados abaixo:
Os artigos a seguir explicam os modelos teóricos desenvolvidos para a estabilidade de bolhas em fluidos com tensão de escoamento. O limite de escoamento das bolhas e os efeitos das formas e interações das bolhas sobre ele são estudados nesses trabalhos teóricos.
[1] Pourzahedi, A., Chaparian, E., Roustaei, A., & Frigaard, I. A. (2022). Flow onset for a single bubble in a yield-stress fluid (Início do fluxo para uma única bolha em um fluido de tensão de escoamento) Journal of Fluid Mechanics, 933, A21.
[2] Chaparian, E., & Frigaard, I. A. (2021). Clouds of bubbles in a viscoplastic fluid (Nuvens de bolhas em um fluido viscoplástico), Journal of Fluid Mechanics, 927, R3.
Os artigos a seguir estudaram o crescimento e a estabilidade das bolhas em material com tensão de escoamento usando uma abordagem experimental. A função da reologia complexa do material, incluindo sua elasticidade e TixotropiaPara a maioria dos líquidos, o afinamento por cisalhamento é reversível e, em algum momento, os líquidos recuperarão sua viscosidade original quando uma força de cisalhamento for removida.tixotropia, é explicada nos artigos a seguir. Além disso, diferentes cenários para a instabilidade das nuvens de bolhas e sua ligação com a reologia e a estrutura do material são explicados aqui.
[3] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2023). Growth and stability of bubbles in a yield stress fluid (Crescimento e estabilidade de bolhas em um fluido de tensão de escoamento), Journal of Fluid Mechanics, 957, A16.
[4] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2024). Growth and static stability of bubble clouds in yield stress fluids (Crescimento e estabilidade estática de nuvens de bolhas em fluidos com tensão de escoamento), Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 327, 105217.
O efeito da reologia não uniforme do material sobre a estabilidade e a migração da bolha é destacado no trabalho a seguir. Simulações numéricas combinadas com experimentos são usadas para investigar esse problema.
[5] Zare, M., Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2021). Effects of non-uniform rheology on the motion of bubbles in a yield-stress fluid (Efeitos da reologia não uniforme no movimento de bolhas em um fluido de tensão de escoamento) Journal of Fluid Mechanics, 919, A25.