Kundens framgångshistoria
Reologi och miljölösningar: En global strategi för att minska utsläppen av växthusgaser
Den här rapporten handlar om professor Ian Frigaards och hans teams arbete vid University of British Columbia i Kanada med att förstå och kontrollera gasbubblors dynamik i vätskor med SträckgränsFlytspänning definieras som den spänning under vilken inget flöde uppstår; bokstavligen beter sig som ett svagt fast ämne i vila och som en vätska när det flyter.flytspänning, som de som finns i avfallsdammar i oljesand, för att minska utsläppen av växthusgaser.
Deras forskning undersöker de reologiska egenskaperna hos modellvätskor som Carbopol-geler och Laponite-suspensioner för att bättre förstå mekanismerna för bubblors fasthållning och frigöring. Studierna gjordes med hjälp av reometern NETZSCH Kinexus. Resultaten har stor betydelse för att minska utsläppen i olika branscher, bland annat gruvdrift, lagring av kärnavfall och avloppsrening.
“Förståelse för bubblors dynamik i vätskor med SträckgränsFlytspänning definieras som den spänning under vilken inget flöde uppstår; bokstavligen beter sig som ett svagt fast ämne i vila och som en vätska när det flyter.flytspänning öppnar vägar för att minska utsläppen från oljesandsdammar. Reologi är en nyckelmetod för att förstå de underliggande mekanismerna och därmed kunna förutsäga beteendet och utforma strategier för att minska utsläppen. Dessa studier, som gjorts med NETZSCH Kinexus rotationsreometer, har stor betydelse för olika branscher, bland annat gruvdrift, lagring av kärnavfall och avloppsrening.”
Dr. Ian Frigaard är professor vid institutionen för maskinteknik vid University of British Columbia, Kanada. Han är specialiserad på Icke-newtonskEn icke-newtonsk vätska är en vätska som uppvisar en viskositet som varierar som en funktion av den applicerade skjuvhastigheten eller skjuvspänningen.icke-newtonsk strömningsmekanik med fokus på industriella tillämpningar av viskoplastiska vätskor, särskilt inom petroleumindustrin. Hans tvärvetenskapliga forskargrupp kombinerar matematiska, experimentella och beräkningsmässiga metoder för att ta itu med frågor som cementering av brunnar och kontroll av utsläpp av växthusgaser. Dr. Frigaard har också författat ett stort antal vetenskapliga artiklar och har på ett betydande sätt bidragit till förståelsen och utvecklingen av strömningsmekanik.
Höga målsättningar: Netto-nollutsläpp till 2050
I juni 2021 tog Kanada ett betydande steg mot klimatåtgärder genom att anta Canadian Net-Zero Emissions Accountability Act, som syftar till att nå nettonollutsläpp senast 2050. Detta åtagande understryker vikten av att alla branscher undersöker sitt utsläppsfotavtryck och minimerar sin miljöpåverkan. Oljesandsindustrin är i fokus på grund av dess stora bidrag till Kanadas utsläpp av växthusgaser. Nya uppgifter visar att det under 2020 släpptes ut cirka sju megaton metan och koldioxid från oljesandsdammar, där biprodukterna från oljesandsproduktionsprocessen lagras.
Regioner som Kanada, USA, Brasilien, Ryssland och Sydafrika står alla inför liknande utmaningar med avfallsdammar, i synnerhet inom deras gruv- och oljeutvinningsindustrier.
Professor Ian Frigaard och hans team vid Complex Fluids Group vid University of British Columbia (UBC) tar sig an frågan ur ett strömningsmekaniskt perspektiv. De strävar efter att förstå mekanismen bakom bubblornas stabilitet och migration i dessa system, dess koppling till materialets reologi och slutligen konstruera systemet så att gasbubblornas frigörelse och inneslutning kan kontrolleras på ett fördelaktigt sätt. Deras forskning har en betydande potential inte bara för Kanada utan för alla länder där industriella biprodukter måste lagras på ett säkert och effektivt sätt. Från lagringsplatser för kärnavfall till gasutsläpp från oljekällor i Mellanöstern, Centralasien och Latinamerika, och till och med avloppsreningsverk i Europa, kan förståelsen av dynamiken hos gasbubblor i viskoplastiska vätskor ha stor betydelse för de globala insatserna för att minska utsläppen och främja hållbara metoder.
Förståelse av mekanismerna bakom bubblors stabilitet och migration med hjälp av reologi
Avfallsdammarna består av FFT-lager (Fine Fluid Tailings) och MFT-lager (Mature Fine Tailings) med vatten, sand, anaeroba mikroorganismer och nafta. Mikrobiell nedbrytning av nafta i dessa lager leder till produktion av metan och koldioxid, vilket bidrar till utsläppen av växthusgaser.
Anrikningssandsmaterialet har samma egenskaper som vätskor med SträckgränsFlytspänning definieras som den spänning under vilken inget flöde uppstår; bokstavligen beter sig som ett svagt fast ämne i vila och som en vätska när det flyter.flytspänning, dvs. det beter sig som ett fast ämne under en viss spänningströskel (SträckgränsFlytspänning definieras som den spänning under vilken inget flöde uppstår; bokstavligen beter sig som ett svagt fast ämne i vila och som en vätska när det flyter.flytspänning) och flyter som en vätska över denna tröskel, vilket gör att det kan hålla kvar gasbubblor.
Forskningen som bedrivs av gruppen för komplexa vätskor vid UBC omfattar laboratorieexperiment, modeller och beräkningar för att förstå hur bubblor fångas in och släpps ut, utforska fysiska processer och undersöka hur vätskereologi potentiellt kan kontrollera utsläppen av växthusgaser från dammarna. Kärnan i denna grundläggande forskningsstudie är att fastställa gränsen för den statiska stabiliteten hos bubblor i vätskor med flytspänning och att fastställa dess samband med den komplexa reologin hos dessa material, inklusive flytspänning, elasticitet och tixotropiskt beteende. De reologiska studierna har utförts med hjälp av NETZSCH Kinexus Pro + reometer. De använde Carbopol-geler och Laponite som modeller för enkla flytspänningsvätskor respektive tixotropa flytspänningsvätskor.
Reologiskt beteende hos modellvätskor
De representativa reologiska kurvorna för Carbopol-geler visas i följande figur. Reologin hos Carbopol mättes genom ett skjuvhastighetsstyrt upp- och nedrampningstest med hjälp av en uppruggad parallellplattgeometri. Ovanför flytgränsen observerades inget tixotropiskt beteende. Under flytgränsen orsakade gelens elastiska respons en avvikelse mellan flödeskurvorna för upp- och nedrampning. Den infällda delen av denna figur visar elasticitetsmodulen (G') och viskositetsmodulen (G'') som funktioner av töjningsamplituden, erhållna från ett amplitudsveptest med en frekvens på 2 rad/s. För töjningsamplituder under cirka 0,1% förblir båda modulerna konstanta, vilket indikerar linjärt beteende.
Dessa resultat visar att Carbopol, vid koncentrationer under 2%, beter sig som en enkel elasto-viskoplastisk vätska utan märkbart tixotropiskt beteende.
Carbopol 0,15% (enkel flytspänningsvätska) [3]
Laponite har bekräftats som en modellvätska som uppvisar tixotropiskt beteende genom en serie reologiska tester. Följande figur visar flödeskurvan för ett 1%aponitprov som vilar i 10 minuter efter en förskärning. Efter viloperioden utsattes provet för en spänningskontrollerad upprampning (cirklar) och nedrampning (nedåtpekande trianglar) med hjälp av en uppruggad geometri. Materialets tixotropiska beteende visar sig i den märkbara skillnaden mellan upp- och nedrampningskurvorna. De mätte också elasticitetsmodulen (kvadrater) och viskositetsmodulen (plustecken) mot töjning genom ett dynamiskt svep av töjningsamplituden med en frekvens på 2 Hz. Resultaten, som visas i den infällda delen av följande figur, bekräftade materialets linjära viskoelastiska beteende vid töjningar under 1%.
Laponite 1% (tixotropisk flytspänningsvätska): Flödeskurvor [4]
Representativa reologikurvor för en Laponite-suspension (Laponite 1%):
Denna figur visar flödeskurvorna för ramp-up och ramp-down som erhållits från ett skjuvhastighetsstyrt test. Det finns en märkbar hysteres i flödeskurvorna som visar materialets tixotropiska beteende. Materialets dynamiska beteende, som uppmätts med ett amplitudsveptest, visas i den infällda delen av denna figur. Resultaten visar att Laponite är en lämplig modell för en tidsberoende viskoplastisk vätska.
Laponit 1% (tixotropisk flytspänningsvätska): statiska och dynamiska flytspänningar [4]
Tester med enkel skjuvhastighet för en Laponite-suspension (Laponite 1%): Testet utfördes för ett prov vid olika åldringstider, inklusive 10 min (röd), 2 h (blå) och 2 dagar (svart). Materialet utsattes för en konstant låg skjuvhastighet på 0,001/s efter en viloperiod efter en 100/s förskjuvning under 2 min. Resultaten visar hur den statiska flytspänningen (markerad med fyllda cirklar) ökar med åldringstiden.
Viktiga resultat:
Sammanfattningsvis har denna forskning avslöjat två olika mekanismer som styr bubblors frigörelse från vätskor med flytspänning. I en homogen gel med icke-tixotropiskt beteende bildas ett kvasi-uniformt bubbelmoln, och materialets övergripande reologiska egenskaper, i kombination med bubblornas närhet, dikterar deras frigörelse och inneslutning i systemet. Vid en ganska hög gaskoncentration kan detta leda till att bubbelmolnet spricker när statisk instabilitet uppstår. Men när tidsberoende reologi (TixotropiFör de flesta vätskor är skjuvförtunning reversibel och vätskorna kommer vid någon tidpunkt att återfå sin ursprungliga viskositet när en skjuvande kraft avlägsnas.tixotropi) kommer in i bilden blir den fysiska bilden av problemet mer komplicerad.
Materialens ojämna struktur, som beror på deras skjuvhistorikberoende reologi, leder till att det bildas skadade skikt inom vilka materialstrukturen är svagare. Förekomsten av dessa skadade skikt i materialet påverkar i hög grad bubblornas frigörelse och inneslutning, vilket förhindrar gasackumulering. I det här fallet uppstår polydispersa bubbelupphängningar och bubblornas frigörelse sker gradvis genom skadade lager snarare än plötsligt.
Mekanism för bubblors frigörande [4]
Normaliserad standardavvikelse för intensitet(I) i sekventiella bilder av bubblor, tagna direkt efter instabilitetens början för (a) en vätska med enkel flytspänning och (b) en vätska med tixotrop flytspänning. Båda gelerna har hög initial gashalt. De vita fläckarna i bilderna visar områden där bubblor rör sig i gelén, medan de mörka fläckarna visar områden där bubblorna är stillastående. Den nätverksliknande strukturen i panel (b) tyder på att bubblorna följer återanvända vägar.
När större bubblor flyr till ytan försvagas gelen av lokal skjuvning på grund av materialets skjuvningshistorikberoende reologi, vilket bildar osynliga kanaler med mindre motstånd. Bubblorna vandrar sedan mot dessa kanaler, vilket skapar försvagade lager i sidled och så småningom osynliga nätverk av skadade lager som är anslutna till vertikala kanaler.
Dessa nätverk gör det möjligt för mindre bubblor att gradvis frigöras, vilket förhindrar bubbelackumulering och därmed fungerar som säkerhetsventiler i systemet.
Bredare tillämpningar:
Även om denna forskning i första hand motiveras av frågan om utsläpp av växthusgaser från oljesandsavfall, har resultaten långtgående konsekvenser. Att förstå hur gas fångas upp och släpps ut i viskoplastiska vätskor har tillämpningar inom flera andra områden: Exempelvis kan lagring av kärnavfall leda till "bubbel- och slamproblem", avloppsvattenrening (avloppsvatten) innefattar icke-newtonska suspensioner och gasbubblor, och olje- och gaskällor upplever gaskickar under konstruktionen, där bubbelutbredning genom flytspänningsvätskor är vanligt. Andra tillämpningar är skumning av betong vid byggnation och choklad för smakförbättring.
Sammanfattningsvis kan man säga att förståelsen av bubblors dynamik i vätskor med flytspänning är en väg att minska utsläppen från oljesandsavfall och öppnar dörrar för innovationer inom olika branscher. Reologi är en viktig metod för att förstå de underliggande mekanismerna och därmed kunna förutsäga beteendet och minska utsläppen.
Dr. Frigaards tvärvetenskapliga forskargrupp, som fokuserar på viskoplastiska vätskor och tillämpningen av icke-newtonska vätskeegenskaper i industriella processer:
Några artiklar som visar deras resultat listas nedan:
I följande artiklar förklaras de teoretiska modeller som utvecklats för stabiliteten hos bubblor i vätskor med flytspänning. I dessa teoretiska arbeten studeras bubblornas flytgräns och effekterna av bubblornas form och bubblornas interaktioner på denna.
[1] Pourzahedi, A., Chaparian, E., Roustaei, A., & Frigaard, I. A. (2022). Flow onset for a single bubble in a yield-StressSpänning definieras som en kraftnivå som appliceras på ett prov med ett väldefinierat tvärsnitt. (Spänning = kraft/area). Prover med cirkulärt eller rektangulärt tvärsnitt kan komprimeras eller sträckas. Elastiska material som gummi kan sträckas upp till 5 till 10 gånger sin ursprungliga längd.stress fluid. Journal of Fluid Mechanics, 933, A21.
[2] Chaparian, E., & Frigaard, I. A. (2021). Moln av bubblor i en viskoplastisk vätska. Journal of Fluid Mechanics, 927, R3.
I följande artiklar studerades bubblornas tillväxt och stabilitet i material med flytspänning med hjälp av en experimentell metod. Rollen för materialets komplexa reologi, inklusive dess elasticitet och TixotropiFör de flesta vätskor är skjuvförtunning reversibel och vätskorna kommer vid någon tidpunkt att återfå sin ursprungliga viskositet när en skjuvande kraft avlägsnas.tixotropi, förklaras i följande artiklar. Här förklaras också olika scenarier för bubbelmolnens instabilitet och dess koppling till materialets reologi och struktur.
[3] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2023). Tillväxt och stabilitet hos bubblor i en flytspänningsvätska. Journal of Fluid Mechanics, 957, A16.
[4] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2024). Tillväxt och statisk stabilitet hos bubbelmoln i vätskor med flytspänning. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 327, 105217.
Effekten av materialets icke-enhetliga reologi på bubblornas stabilitet och migration belyses i följande arbete. Numeriska simuleringar i kombination med experiment används för att undersöka detta problem.
[5] Zare, M., Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2021). Effects of non-uniform rheology on the motion of bubbles in a yield-StressSpänning definieras som en kraftnivå som appliceras på ett prov med ett väldefinierat tvärsnitt. (Spänning = kraft/area). Prover med cirkulärt eller rektangulärt tvärsnitt kan komprimeras eller sträckas. Elastiska material som gummi kan sträckas upp till 5 till 10 gånger sin ursprungliga längd.stress fluid, Journal of Fluid Mechanics, 919, A25.