Povestea de succes a clientului

Reologia și soluțiile de mediu: O abordare globală a reducerii emisiilor de gaze cu efect de seră

Acest raport de teren discută eforturile profesorului Ian Frigaard și ale echipei sale de la Universitatea British Columbia, Canada, de a înțelege și de a controla dinamica bulelor de gaz în fluidele cu Tensiunea de cedareTensiunea de cedare este definită ca fiind tensiunea sub care nu se produce nicio curgere; literalmente, se comportă ca un solid slab în repaus și ca un lichid atunci când este cedat.tensiune de curgere, cum ar fi cele găsite în iazurile de decantare a nisipurilor petroliere, pentru a reduce emisiile de gaze cu efect de seră.

Cercetarea lor explorează proprietățile reologice ale fluidelor model precum gelurile Carbopol și suspensiile Laponite pentru a înțelege mai bine mecanismele de prindere și eliberare a bulelor. Studiile au fost realizate cu ajutorul reometrului NETZSCH Kinexus. Constatările au implicații ample pentru reducerea emisiilor în diverse industrii, inclusiv minerit, stocarea deșeurilor nucleare și tratarea apelor reziduale.

Prof. Dr. Ian Frigaard

„Înțelegerea dinamicii bulelor în fluidele cu Tensiunea de cedareTensiunea de cedare este definită ca fiind tensiunea sub care nu se produce nicio curgere; literalmente, se comportă ca un solid slab în repaus și ca un lichid atunci când este cedat.tensiune de curgere deschide căi pentru reducerea emisiilor din iazurile de decantare a nisipurilor petroliere. Reologia este o metodă esențială pentru înțelegerea mecanismelor de bază și, astfel, pentru prezicerea comportamentului și conceperea de strategii de reducere a emisiilor. Aceste studii, realizate cu reometrul rotațional NETZSCH Kinexus, au implicații ample pentru diverse industrii, inclusiv minerit, depozitarea deșeurilor nucleare și tratarea apelor reziduale.“

Prof. Dr. Ian Frigaard
Universitatea British Columbia, Laboratorul pentru fluxuri complexe și non-newtoniene

Dr. Ian Frigaard este profesor la Departamentul de Inginerie Mecanică al Universității British Columbia, Canada. El este specializat în mecanica fluidelor non-newtoniene, concentrându-se pe aplicațiile industriale ale fluidelor visco-plastice, în special în industria petrolieră. Grupul său de cercetare interdisciplinară combină abordări matematice, experimentale și computaționale pentru a aborda probleme precum cimentarea puțurilor și controlul emisiilor de gaze cu efect de seră. Dr. Frigaard este, de asemenea, autorul a numeroase lucrări științifice, contribuind semnificativ la înțelegerea și progresul mecanicii fluidelor.

Obiective înalte: Emisii nete zero până în 2050

În iunie 2021, Canada a făcut un pas important în direcția combaterii schimbărilor climatice, adoptând Legea canadiană privind responsabilitatea în materie de emisii nete zero, care își propune să ajungă la emisii nete zero până în 2050. Acest angajament subliniază urgența ca toate industriile să își examineze amprenta emisiilor și să își minimizeze impactul asupra mediului. Industria nisipurilor petroliere este în centrul atenției datorită contribuției sale majore la emisiile de gaze cu efect de seră din Canada. Date recente indică faptul că, în 2020, aproximativ șapte megatone de metan și dioxid de carbon au fost emise de iazurile de decantare ale nisipurilor petroliere, unde sunt depozitate subprodusele procesului de producție a nisipurilor petroliere.

Regiuni precum Canada, Statele Unite, Brazilia, Rusia și Africa de Sud se confruntă cu provocări similare în ceea ce privește iazurile de decantare, în special în industriile lor miniere și de extracție a petrolului.

Profesorul Ian Frigaard și echipa sa de la Grupul pentru fluide complexe al Universității British Columbia (UBC) abordează problema din perspectiva mecanicii fluidelor. Ei urmăresc să înțeleagă mecanismul de stabilitate și migrare a bulelor în aceste sisteme, legătura sa cu reologia materialului și, în cele din urmă, să conceapă sistemul astfel încât eliberarea și prinderea bulelor de gaz să poată fi controlată într-un mod avantajos. Cercetarea lor are un potențial semnificativ nu numai pentru Canada, ci și pentru toate țările în care subprodusele industriale trebuie depozitate în siguranță și eficient. De la depozitele de deșeuri nucleare la emisiile de gaze din puțurile de petrol din Orientul Mijlociu, Asia Centrală și America Latină, și chiar la instalațiile de tratare a apelor uzate din Europa, înțelegerea dinamicii bulelor de gaz în fluidele vâscoplastice ar putea avea un impact major asupra eforturilor globale de reducere a emisiilor și de promovare a practicilor durabile.

Înțelegerea mecanismului de stabilitate și migrare a bulelor prin intermediul reologiei

Iazurile de steril sunt formate din straturi FFT (Fine Fluid Tailings) și MFT (Mature Fine Tailings), care cuprind apă, nisip, microorganisme anaerobe și nafta. Degradarea microbiană a naftei în aceste straturi conduce la producerea de metan și dioxid de carbon, contribuind la emisiile de gaze cu efect de seră.

Materialele de reziduuri prezintă caracteristicile fluidelor cu limită de curgere, comportându-se ca un solid sub un anumit prag de StresTensiunea este definită ca un nivel al forței aplicate pe o probă cu o secțiune transversală bine definită. (Tensiune = forță/zonă). Eșantioanele cu secțiune circulară sau dreptunghiulară pot fi comprimate sau întinse. Materialele elastice, cum ar fi cauciucul, pot fi întinse până la de 5 până la 10 ori lungimea lor inițială.stres (limită de curgere) și curgând ca un lichid peste acest prag, ceea ce le permite să rețină bule de gaz.

Schemă a structurii stratificate a iazului de decantare. Degradarea bacteriană a naftei în straturile FFT și MFT conduce la generarea de bule de metan și dioxid de carbon.



Cercetările efectuate de grupul de fluide complexe de la UBC implică experimente de laborator, modele și calcule pentru a înțelege prinderea și eliberarea bulelor, a explora procesele fizice și a investiga modul în care reologia fluidelor poate controla emisiile de GES din iazuri. Elementul central al acestui studiu de cercetare fundamentală este determinarea limitei de curgere pentru stabilitatea statică a bulelor în fluidele cu Tensiunea de cedareTensiunea de cedare este definită ca fiind tensiunea sub care nu se produce nicio curgere; literalmente, se comportă ca un solid slab în repaus și ca un lichid atunci când este cedat.tensiune de curgere și stabilirea legăturii sale cu reologia complexă a acestor materiale, inclusiv tensiunea de curgere, elasticitatea și comportamentul tixotropic. Studiile reologice au fost efectuate cu ajutorul reometruluiNETZSCH Kinexus Pro +. S-au folosit geluri Carbopol și Laponite ca modele pentru fluidele simple cu limită de curgere și, respectiv, fluidele tixotropice cu limită de curgere.

Comportamentul reologic al fluidelor model

Curbele reologice reprezentative pentru gelurile Carbopol sunt prezentate în figura următoare. Reologia Carbopol a fost măsurată prin intermediul unui test de creștere și scădere în rampă controlat de rata de forfecare, folosind o geometrie de placă paralelă rugoasă. Peste punctul de cedare, nu s-a observat niciun comportament tixotropic. Sub punctul de cedare, răspunsul elastic al gelului a cauzat o abatere între curbele de curgere în rampă ascendentă și descendentă. Inserția acestei figuri prezintă Modul de elasticitateModulul complex (componenta elastică), modulul de stocare sau G', este partea "reală" a modulului complex general al probei. Această componentă elastică indică răspunsul asemănător solidului, sau în fază, al probei măsurate. modulul elastic (G') și modulul vâscos (G'') ca funcții ale amplitudinii de deformare, obținute în urma unui test de baleiere a amplitudinii la o frecvență de 2 rad/s. Pentru amplitudini de deformare mai mici de aproximativ 0,1%, ambele module rămân constante, indicând un comportament liniar.

Aceste constatări demonstrează că Carbopol, la concentrații sub 2%, se comportă ca un fluid elasto-viscoplastic simplu, fără un comportament tixotropic vizibil.

Carbopol 0,15% (fluid cu limită de elasticitate simplă) [3]

Curbe reologice reprezentative pentru gelurile Carbopol (Carbopol). Această figură prezintă curbele de curgere obținute în urma unui test controlat de viteza de forfecare în rampă ascendentă (negru) și descendentă (roșu). Inserția arată Modul de elasticitateModulul complex (componenta elastică), modulul de stocare sau G', este partea "reală" a modulului complex general al probei. Această componentă elastică indică răspunsul asemănător solidului, sau în fază, al probei măsurate. modulul elastic (negru) și modulul vâscos (roșu), ca funcții ale amplitudinii de deformare. Rezultatele indică în mod clar că Carbopol la concentrații relativ scăzute (sub 2%) poate fi considerat un fluid elasto-viscoplastic simplu, fără comportament tixotropic vizibil.
NETZSCH Kinexus Pro + reometru rotațional

Laponita a fost confirmată ca un fluid model care prezintă un comportament tixotrop printr-o serie de teste reologice. Figura de mai jos prezintă curba de curgere pentru o probă de Laponit 1% aflată în repaus timp de 10 minute după o preîncălzire. După perioada de repaus, proba a fost supusă unei creșteri (cercuri) și scăderi (triunghiuri orientate în jos) controlate de StresTensiunea este definită ca un nivel al forței aplicate pe o probă cu o secțiune transversală bine definită. (Tensiune = forță/zonă). Eșantioanele cu secțiune circulară sau dreptunghiulară pot fi comprimate sau întinse. Materialele elastice, cum ar fi cauciucul, pot fi întinse până la de 5 până la 10 ori lungimea lor inițială.stres, folosind o geometrie rugoasă. Comportamentul tixotropic al materialului se manifestă prin discrepanța vizibilă dintre curbele de creștere și de scădere. De asemenea, au măsurat Modul de elasticitateModulul complex (componenta elastică), modulul de stocare sau G', este partea "reală" a modulului complex general al probei. Această componentă elastică indică răspunsul asemănător solidului, sau în fază, al probei măsurate. modulul elastic (pătrate) și modulul vâscos (semne plus) în funcție de deformare, printr-o scanare dinamică a amplitudinii deformării la o frecvență de 2 Hz. Rezultatele care sunt prezentate în inserția următoarei figuri au confirmat comportamentul vâscoelastic liniar al materialului la deformații mai mici de 1%.

Laponit 1% (fluid tixotropic cu limită de curgere): Curbe de curgere [4]

Curbe reologice reprezentative pentru o suspensie Laponite (Laponite 1%):

Această figură prezintă curbele de curgere ramp-up și ramp-down obținute în urma unui test cu rată de forfecare controlată. Există o histerezis vizibilă în curbele de curgere care marchează comportamentul tixotropic al materialului. Comportamentul dinamic al materialului măsurat cu ajutorul unui test de baleiere a amplitudinii este prezentat în insertul acestei figuri. Rezultatele arată că Laponite este un model adecvat pentru un fluid viscoplastic dependent de timp.





Laponit 1% (fluid tixotrop la limită de curgere) : limite de curgere statice și dinamice [4]

Încercări la o singură rată de forfecare pentru o suspensie Laponite (Laponite 1%): Testul a fost efectuat pentru o probă la diferite perioade de îmbătrânire, inclusiv 10 min (roșu), 2 h (albastru) și 2 zile (negru). Materialul a fost supus unei viteze constante de forfecare redusă de 0,001/s după o perioadă de repaus în urma unei preforfecări de 100/s timp de 2 min. Rezultatele arată creșterea tensiunii de curgere statică (marcată prin cercuri umplute) în funcție de timpul de îmbătrânire.

Principalele constatări:

În rezumat, această cercetare a scos la iveală două mecanisme distincte care guvernează eliberarea bulelor din fluidele cu Tensiunea de cedareTensiunea de cedare este definită ca fiind tensiunea sub care nu se produce nicio curgere; literalmente, se comportă ca un solid slab în repaus și ca un lichid atunci când este cedat.tensiune de curgere. Într-un gel omogen cu comportament non-tixotrop, se formează un nor de bule cvasi-uniform, iar caracteristicile reologice generale ale materialului, cuplate cu proximitatea bulelor, dictează eliberarea și prinderea acestora în cadrul sistemului. La o concentrație destul de mare de gaz, acest lucru ar putea duce la spargerea norului de bule la apariția instabilității statice. Cu toate acestea, atunci când reologia dependentă de timp (tixotropia) intră în joc, imaginea fizică a problemei devine mai complicată.

Structura neuniformă a materialelor care rezultă din reologia lor dependentă de istoria forfecării duce la formarea unor straturi deteriorate în interiorul cărora structura materialului este mai slabă. Prezența acestor straturi deteriorate în interiorul materialului influențează în mod semnificativ eliberarea și prinderea bulelor, împiedicând acumularea gazelor. În acest caz, apar suspensii de bule polidisperse, iar eliberarea bulelor are loc treptat, prin straturile deteriorate, mai degrabă decât brusc.

Mecanismul de eliberare a bulelor [4]

Abaterea standard normalizată a intensității(I) în imaginile secvențiale ale bulelor, capturate imediat după debutul instabilității pentru (a) un fluid cu tensiune de curgere simplă și (b) un fluid cu tensiune de curgere tixotropică. Ambele geluri au un conținut inițial ridicat de gaz. Petele albe din imagini indică zonele în care bulele se mișcă în interiorul gelului, în timp ce petele întunecate reprezintă zonele în care bulele stagnează. Structura de tip rețea din panoul (b) sugerează că bulele urmează căi reutilizate.

Pe măsură ce bulele mai mari scapă la suprafață, forfecarea locală slăbește gelul datorită reologiei dependente de istoria forfecării a materialului, formând conducte invizibile cu rezistență mai mică. Bulele migrează apoi spre aceste conducte, creând straturi laterale slăbite și, în cele din urmă, rețele invizibile de straturi deteriorate conectate la conducte verticale.

Aceste rețele permit eliberarea treptată a bulelor mai mici, prevenind acumularea bulelor, acționând astfel ca supape de siguranță în sistem.

Aplicații mai largi:

Deși această cercetare este motivată în primul rând de problema emisiilor de gaze cu efect de seră din reziduurile de nisipuri petroliere, constatările au implicații de mare amploare. Înțelegerea modului în care gazul este prins și emis în fluidele vâscoplastice are aplicații în mai multe alte domenii: De exemplu, depozitarea deșeurilor nucleare poate duce la probleme de "bule și nămol", tratarea apelor reziduale (ape uzate) implică suspensii newtoniene și bule de gaz, iar puțurile de petrol și gaz se confruntă cu lovituri de gaz în timpul construcției, unde propagarea bulelor prin fluidele cu tensiune de curgere este comună. Alte aplicații includ spumarea betonului pentru construcții și a ciocolatei pentru ameliorarea gustului.

În rezumat, înțelegerea dinamicii bulelor în fluidele cu tensiune de curgere oferă o cale de reducere a emisiilor provenite de la reziduurile de nisipuri petroliere și deschide ușile către inovații în diverse industrii. Reologia este o metodă esențială pentru a înțelege mecanismele de bază și, astfel, pentru a prezice comportamentul și a reduce emisiile.

Echipa de cercetare interdisciplinară a Dr. Frigaard se concentrează pe fluidele viscoplastice și pe aplicarea proprietăților fluidelor non-newtoniene în procesele industriale:
Dr. Marjan Zare, cercetător postdoctoral la Departamentul de inginerie mecanică, Massachusetts Institute of Technology
Dr. Masoud Daneshi, cercetător în domeniul reologiei la NETZSCH Instruments Inc, Burlington, Massachusetts
Dr. Emad Chaparian, profesor asistent Inginerie mecanică și aerospațială, Universitatea din Strathclyde
Ali Pourzahedi, doctorand Departamentul de Inginerie Mecanică, Universitatea British Columbia

Mai jos sunt enumerate câteva lucrări care prezintă rezultatele lor:

Următoarele lucrări au explicat modelele teoretice dezvoltate pentru stabilitatea bulelor în fluide cu tensiune de curgere. Limita de curgere a bulelor și efectele formei bulelor și ale interacțiunilor bulelor asupra acesteia sunt studiate în aceste lucrări teoretice.

[1] Pourzahedi, A., Chaparian, E., Roustaei, A., & Frigaard, I. A. (2022). Flow onset for a single bubble in a yield-stress fluid, Journal of Fluid Mechanics, 933, A21.

[2] Chaparian, E., & Frigaard, I. A. (2021). Clouds of bbles in a viscoplastic fluid, Journal of Fluid Mechanics, 927, R3.

Următoarele lucrări au studiat creșterea și stabilitatea bulelor în materiale cu limită de curgere folosind o abordare experimentală. Rolul reologiei complexe a materialului, inclusiv al elasticității și tixotropiei sale, este explicat în următoarele lucrări. De asemenea, aici sunt explicate diferite scenarii pentru instabilitatea norilor de bule și legătura lor cu reologia și structura materialului.

[3] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2023). Growth and stability of bubbles in a yield stress fluid, Journal of Fluid Mechanics, 957, A16.

[4] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2024). Growth and static stability of bubble clouds in yield stress fluids. Journal of Non-NewtonianUn fluid non-newtonian este un fluid care prezintă o vâscozitate care variază în funcție de rata de forfecare sau de tensiunea de forfecare aplicată.Non-Newtonian Fluid Mechanics, 327, 105217.

Efectul reologiei neuniforme a materialului asupra stabilității și migrării bulelor este evidențiat în lucrarea următoare. Simulările numerice combinate cu experimentele sunt utilizate pentru a investiga această problemă.

[5] Zare, M., Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2021). Effects of non-uniform rheology on the motion of bubbles in a yield-stress fluid, Journal of Fluid Mechanics, 919, A25.

Împărtășiți această poveste: