История успеха клиента
Реология и экологические решения: Глобальный подход к снижению выбросов парниковых газов
В этом полевом отчете рассказывается об усилиях профессора Яна Фригарда и его команды из Университета Британской Колумбии (Канада), направленных на понимание и контроль динамики газовых пузырьков в жидкостях с текучим напряжением, таких как хвостохранилища нефтяных песков, с целью снижения выбросов парниковых газов.
Они изучают реологические свойства таких модельных жидкостей, как гели Carbopol и суспензии Laponite, чтобы лучше понять механизмы захвата и высвобождения пузырьков. Исследования проводились с помощью реометра NETZSCH Kinexus. Полученные результаты имеют широкое значение для сокращения выбросов в различных отраслях промышленности, включая горнодобывающую, хранение ядерных отходов и очистку сточных вод.
“Понимание динамики пузырьков в текучих жидкостях открывает путь к сокращению выбросов из хвостохранилищ нефтяных песков. Реология - ключевой метод, позволяющий понять основные механизмы, а значит, предсказать поведение и разработать стратегии сокращения выбросов. Эти исследования, проведенные с помощью ротационного реометра NETZSCH Kinexus, имеют широкое значение для различных отраслей промышленности, включая горнодобывающую, хранение ядерных отходов и очистку сточных вод.”
Доктор Ян Фригард - профессор кафедры машиностроения Университета Британской Колумбии, Канада. Он специализируется на механике неньютоновских жидкостей, уделяя особое внимание промышленному применению вязко-пластичных жидкостей, особенно в нефтяной промышленности. Его междисциплинарная исследовательская группа объединяет математические, экспериментальные и вычислительные подходы для решения таких проблем, как цементирование скважин и контроль выбросов парниковых газов. Д-р Фригаард также является автором многочисленных научных работ, внося значительный вклад в понимание и развитие механики жидкостей.
Высокие цели: Чистый ноль выбросов к 2050 году
В июне 2021 года Канада сделала значительный шаг в направлении борьбы с изменением климата, приняв Закон о подотчетности за нулевые выбросы, который направлен на достижение нулевого уровня выбросов к 2050 году. Это обязательство подчеркивает настоятельную необходимость для всех отраслей промышленности проанализировать свои выбросы и минимизировать воздействие на окружающую среду. Промышленность нефтяных песков находится под пристальным вниманием из-за ее значительного вклада в выбросы парниковых газов в Канаде. Согласно последним данным, в 2020 году около семи мегатонн метана и углекислого газа было выброшено из хвостохранилищ, где хранятся побочные продукты процесса добычи нефтеносных песков.
Такие регионы, как Канада, США, Бразилия, Россия и Южная Африка, сталкиваются с аналогичными проблемами, связанными с хвостохранилищами, особенно в горнодобывающей и нефтедобывающей промышленности.
Профессор Ян Фригард и его команда из группы сложных жидкостей Университета Британской Колумбии (UBC) решают эту проблему с точки зрения механики жидкостей. Они стремятся понять механизм устойчивости и миграции пузырьков в этих системах, его связь с реологией материала и в конечном итоге спроектировать систему таким образом, чтобы можно было управлять высвобождением и захватом газовых пузырьков в выгодном направлении. Их исследования имеют большой потенциал не только для Канады, но и для всех стран, где побочные промышленные продукты должны храниться безопасно и эффективно. От мест хранения ядерных отходов до выбросов газа из нефтяных скважин на Ближнем Востоке, в Центральной Азии и Латинской Америке, и даже очистных сооружений в Европе - понимание динамики газовых пузырьков в вязкопластичных жидкостях может оказать значительное влияние на глобальные усилия по сокращению выбросов и продвижению устойчивых практик.
Понимание механизма устойчивости и миграции пузырьков с помощью реологии
Хвостохранилища состоят из слоев FFT (Fine Fluid Tailings) и MFT (Mature Fine Tailings), включающих воду, песок, анаэробные микроорганизмы и нафту. Микробная деградация нафты в этих слоях приводит к выделению метана и углекислого газа, что способствует выбросам парниковых газов.
Хвостовые материалы обладают характеристиками жидкостей с пределом текучести: ниже определенного порогового напряжения (предел текучести) они ведут себя как твердое тело, а выше этого порога текут как жидкость, что позволяет им удерживать пузырьки газа.
Исследования, проводимые группой сложных жидкостей в UBC, включают лабораторные эксперименты, модели и расчеты для понимания процесса захвата и высвобождения пузырьков, изучения физических процессов и исследования того, как реология жидкости может потенциально контролировать выбросы парниковых газов из прудов. Суть этого фундаментального исследования заключается в определении предела текучести для статической устойчивости пузырьков в жидкостях с пределом текучести и установлении его связи со сложной реологией этих материалов, включая предел текучести, упругость и тиксотропное поведение. Реологические исследования проводились на реометреNETZSCH Kinexus Pro +. В качестве моделей простых жидкостей с пределом текучести и тиксотропных жидкостей с пределом текучести использовались гели Carbopol и Laponite, соответственно.
Реологическое поведение модельных жидкостей
Репрезентативные реологические кривые для гелей Carbopol показаны на следующем рисунке. Реология Carbopol измерялась с помощью теста на увеличение и уменьшение скорости сдвига с использованием шероховатой параллельной пластины. Выше точки текучести тиксотропное поведение не наблюдалось. Ниже точки текучести упругий отклик геля приводил к отклонению между кривыми течения при увеличении и уменьшении скорости. На вставке этого рисунка показаны модуль упругости (G') и модуль вязкости (G'') как функции амплитуды деформации, полученные в результате испытания с амплитудной разверткой при частоте 2 рад/с. При амплитуде деформации менее 0,1% оба модуля остаются постоянными, что указывает на линейное поведение.
Эти результаты показывают, что карбопол при концентрации ниже 2% ведет себя как простая упруго-вязкопластичная жидкость без заметного тиксотропного поведения.
Карбопол 0,15% (простая жидкость с пределом текучести) [3]
Лапонит был подтвержден в качестве модельной жидкости, демонстрирующей тиксотропное поведение, с помощью серии реологических испытаний. На следующем рисунке представлена кривая течения для образца лапонита 1%, находящегося в состоянии покоя в течение 10 минут после предварительного сдвига. После периода покоя образец был подвергнут контролируемому напряжением ускорению (круги) и ускорению вниз (треугольники, направленные вниз) с использованием шероховатой геометрии. Тиксотропное поведение материала проявляется в заметном расхождении между кривыми подъема и спуска. Они также измерили модуль упругости (квадраты) и модуль вязкости (знаки плюс) в зависимости от деформации с помощью динамической развертки амплитуды деформации на частоте 2 Гц. Результаты, показанные на вставке следующего рисунка, подтвердили линейное вязкоупругое поведение материала при деформациях менее 1 %.
Лапонит 1% (тиксотропная жидкость с пределом текучести): Кривые течения [4]
Репрезентативные реологические кривые для суспензии лапонита (лапонит 1%):
На этом рисунке показаны кривые нарастания и спада потока, полученные в результате испытания с контролем скорости сдвига. На кривых течения наблюдается заметный гистерезис, что свидетельствует о тиксотропном поведении материала. Динамическое поведение материала, измеренное с помощью теста с амплитудной разверткой, представлено на вставке этого рисунка. Результаты показывают, что лапонит является подходящей моделью для зависящей от времени вязкопластичной жидкости.
Лапонит 1% (тиксотропная жидкость с пределом текучести): статический и динамический пределы текучести [4]
Испытания на однократную скорость сдвига для суспензии лапонита (лапонит 1%): Испытание проводилось для образца при различных временах старения, включая 10 мин (красный), 2 ч (синий) и 2 дня (черный). Материал подвергался постоянному воздействию низкой скорости сдвига 0,001/с после периода покоя и предварительного сдвига 100/с в течение 2 мин. Результаты показывают рост статического предела текучести (отмечен заполненными кружками) с увеличением времени старения.
Основные выводы:
Таким образом, данное исследование позволило выявить два различных механизма, управляющих выделением пузырьков из жидкостей с пределом текучести. В однородном геле с нетиксотропным поведением образуется квазиоднородное облако пузырьков, а общие реологические характеристики материала в сочетании с близостью пузырьков диктуют их высвобождение и улавливание в системе. При достаточно высокой концентрации газа это может привести к разрыву облака пузырьков при наступлении статической неустойчивости. Однако, когда в дело вступает зависящая от времени реология (тиксотропия), физическая картина проблемы становится более запутанной.
Неоднородная структура материалов, обусловленная их реологией, зависящей от истории сдвига, приводит к образованию поврежденных слоев, внутри которых структура материала слабее. Наличие таких поврежденных слоев в материале существенно влияет на выделение и захват пузырьков, препятствуя накоплению газа. В этом случае образуются полидисперсные пузырьковые суспензии, а высвобождение пузырьков происходит постепенно через поврежденные слои, а не внезапно.
Механизм выделения пузырьков [4]
Нормализованное стандартное отклонение интенсивности(I) на последовательных изображениях пузырьков, снятых сразу после начала неустойчивости для (а) простой жидкости с пределом текучести и (б) тиксотропной жидкости с пределом текучести. Оба геля имеют высокое начальное содержание газа. Белые пятна на изображениях указывают на области, где пузырьки движутся внутри геля, а темные пятна - на области, где пузырьки находятся в состоянии застоя. Сетеподобная структура на панели (b) свидетельствует о том, что пузырьки движутся по повторно используемым путям.
Когда крупные пузырьки выходят на поверхность, локальный сдвиг ослабляет гель из-за реологии материала, зависящей от истории сдвига, образуя невидимые каналы с меньшим сопротивлением. Затем пузырьки мигрируют к этим каналам, создавая боковые ослабленные слои и, в конечном счете, невидимые сети поврежденных слоев, соединенных с вертикальными каналами.
Эти сети позволяют мелким пузырькам постепенно высвобождаться, предотвращая их накопление, тем самым выполняя роль предохранительных клапанов в системе.
Более широкое применение:
Хотя это исследование в первую очередь связано с проблемой выбросов парниковых газов из хвостохранилищ нефтяных песков, полученные результаты имеют далеко идущие последствия. Понимание того, как газ задерживается и выделяется в вязкопластичных жидкостях, имеет применение в ряде других областей: Например, хранение ядерных отходов может привести к проблемам "пузырьков и осадка", очистка сточных вод (канализации) включает неньютоновские суспензии и пузырьки газа, а при строительстве нефтяных и газовых скважин возникают газовые удары , когда распространение пузырьков через жидкости с пределом текучести является обычным делом. Другие области применения включают вспенивание бетона для строительства и шоколада для улучшения вкуса.
Таким образом, понимание динамики пузырьков в жидкостях с пределом текучести открывает путь к сокращению выбросов из хвостохранилищ нефтяных песков и открывает двери для инноваций в различных отраслях промышленности. Реология является ключевым методом для понимания основных механизмов и, таким образом, для прогнозирования поведения и снижения выбросов.
Междисциплинарная исследовательская группа доктора Фригарда занимается изучением вязкопластичных жидкостей и применением свойств неньютоновских жидкостей в промышленных процессах:
Ниже приведены несколько работ, демонстрирующих их результаты:
В следующих работах объясняются теоретические модели, разработанные для устойчивости пузырьков в жидкостях с пределом текучести. В этих теоретических работах изучается предел текучести пузырьков и влияние на него формы пузырьков и их взаимодействия.
[1] Pourzahedi, A., Chaparian, E., Roustaei, A., & Frigaard, I. A. (2022). Начало течения для одиночного пузырька в жидкости с напряжением текучести. Журнал механики жидкости, 933, A21.
[2] Chaparian, E., & Frigaard, I. A. (2021). Облака пузырьков в вязкопластичной жидкости. Журнал механики жидкости, 927, R3.
В следующих работах изучался рост и устойчивость пузырьков в материале с пределом текучести с использованием экспериментального подхода. Роль сложной реологии материала, включая его упругость и тиксотропию, объясняется в следующих работах. Кроме того, здесь объясняются различные сценарии неустойчивости облаков пузырьков и их связь с реологией и структурой материала.
[3] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2023). Рост и устойчивость пузырьков в жидкости с пределом текучести. Журнал механики жидкости, 957, A16.
[4] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2024). Рост и статическая устойчивость облаков пузырьков в жидкостях с напряжением текучести. Журнал механики неньютоновских жидкостей, 327, 105217.
Влияние неоднородной реологии материала на устойчивость и миграцию пузырьков рассматривается в следующей работе. Для исследования этой проблемы используется численное моделирование в сочетании с экспериментами.
[5] Zare, M., Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2021). Влияние неоднородной реологии на движение пузырьков в текучей напряженной жидкости. Журнал механики жидкости, 919, A25.