Müşteri BAŞARI HİKAYESİ
Reoloji ve Çevresel Çözümler: Sera Gazı Emisyonlarının Azaltılmasına Küresel Bir Yaklaşım
Bu saha raporunda, Profesör Ian Frigaard ve Kanada British Columbia Üniversitesi'ndeki ekibinin, sera gazı emisyonlarını azaltmak için petrol kumu atık havuzlarında bulunanlar gibi akma gerilmeli sıvılardaki gaz kabarcığı dinamiklerini anlama ve kontrol etme çabaları ele alınmaktadır.
Araştırmaları, kabarcık hapsetme ve salma mekanizmalarını daha iyi anlamak için Carbopol jelleri ve Laponit süspansiyonları gibi model sıvıların reolojik özelliklerini araştırıyor. Çalışmalar NETZSCH Kinexus reometresi kullanılarak yapılmıştır. Bulgular, madencilik, nükleer atık depolama ve atık su arıtma gibi çeşitli endüstrilerde emisyonların azaltılması için geniş etkilere sahiptir.
„Akma gerilmeli sıvılardaki kabarcık dinamiklerini anlamak, petrol kumu atık havuzlarından kaynaklanan emisyonları azaltmak için yollar açar. Reoloji, altta yatan mekanizmaları anlamak ve böylece davranışı tahmin etmek ve emisyonları azaltmak için stratejiler tasarlamak için anahtar bir yöntemdir. NETZSCH Kinexus rotasyonel reometre ile yapılan bu çalışmalar, madencilik, nükleer atık depolama ve atık su arıtma gibi çeşitli endüstriler için geniş çıkarımlara sahiptir.“
Dr. Ian Frigaard , Kanada'daki British Columbia Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü'nde profesör olarak görev yapmaktadır. Newtonyen olmayan akışkanlar mekaniği alanında uzmanlaşmıştır ve özellikle petrol endüstrisinde visko-plastik akışkanların endüstriyel uygulamalarına odaklanmaktadır. Disiplinlerarası araştırma grubu, kuyu çimentolama ve sera gazı emisyon kontrolü gibi konuları ele almak için matematiksel, deneysel ve hesaplamalı yaklaşımları birleştirmektedir. Dr. Frigaard ayrıca akışkanlar mekaniğinin anlaşılmasına ve ilerlemesine önemli katkıda bulunan çok sayıda bilimsel makale yazmıştır.
Yüksek Hedefler: 2050'ye kadar Net Sıfır Emisyon
Haziran 2021'de Kanada, 2050 yılına kadar net sıfır emisyona ulaşmayı hedefleyen Kanada Net-Sıfır Emisyon Sorumluluk Yasası'nı yürürlüğe koyarak iklim eylemine yönelik önemli bir adım attı. Bu taahhüt, tüm sektörlerin emisyon ayak izlerini incelemelerinin ve çevresel etkilerini en aza indirmelerinin aciliyetinin altını çizmektedir. Petrol kumu endüstrisi, Kanada'nın sera gazı emisyonlarına yaptığı büyük katkılar nedeniyle mercek altında. Son veriler, 2020 yılında petrol kumu üretim sürecinin yan ürünlerinin depolandığı petrol kumu atık havuzlarından yaklaşık yedi megaton metan ve karbondioksit salındığını göstermektedir.
Kanada, Amerika Birleşik Devletleri, Brezilya, Rusya ve Güney Afrika gibi bölgelerin tümü, özellikle madencilik ve petrol çıkarma endüstrilerinde atık havuzlarıyla ilgili benzer zorluklarla karşı karşıyadır.
Profesör Ian Frigaard ve British Columbia Üniversitesi (UBC) Karmaşık Akışkanlar Grubu'ndaki ekibi, konuyu akışkanlar mekaniği perspektifinden ele alıyor. Bu sistemlerde kabarcıkların kararlılık ve göç mekanizmasını, bunun malzemenin reolojisiyle bağlantısını anlamayı ve nihayetinde sistemi, gaz kabarcıklarının salınımı ve hapsolmasının avantajlı bir şekilde kontrol edilebileceği şekilde tasarlamayı amaçlıyorlar. Araştırmaları sadece Kanada için değil, endüstriyel yan ürünlerin güvenli ve verimli bir şekilde depolanması gereken tüm ülkeler için önemli bir potansiyele sahiptir. Nükleer atık depolama sahalarından Orta Doğu, Orta Asya ve Latin Amerika'daki petrol kuyularından çıkan gaz emisyonlarına ve hatta Avrupa'daki kanalizasyon arıtma tesislerine kadar, viskoplastik sıvılardaki gaz kabarcıklarının dinamiklerini anlamak, emisyonları azaltmaya ve sürdürülebilir uygulamaları teşvik etmeye yönelik küresel çabaları büyük ölçüde etkileyebilir.
Reoloji Yoluyla Kabarcıkların Stabilite ve Göç Mekanizmasını Anlamak
Atık havuzları su, kum, anaerobik mikroorganizmalar ve nafta içeren FFT (İnce Akışkan Atıklar) ve MFT (Olgun İnce Atıklar) katmanlarından oluşmaktadır. Bu katmanlarda naftanın mikrobiyal bozunması metan ve karbondioksit üretimine yol açarak sera gazı emisyonlarına katkıda bulunur.
Atık malzemeler, belirli bir eşik gerilmesinin (Akma GerilmesiAkma gerilmesi, altında akmanın meydana gelmediği gerilme olarak tanımlanır; kelimenin tam anlamıyla hareketsizken zayıf bir katı gibi, akarken ise bir sıvı gibi davranır.akma gerilmesi) altında katı gibi davranan ve bu eşiğin üzerinde sıvı gibi akan, gaz kabarcıklarını tutmalarını sağlayan Akma GerilmesiAkma gerilmesi, altında akmanın meydana gelmediği gerilme olarak tanımlanır; kelimenin tam anlamıyla hareketsizken zayıf bir katı gibi, akarken ise bir sıvı gibi davranır.akma gerilmesi sıvılarının özelliklerini sergiler.
UBC'deki karmaşık akışkanlar grubu tarafından yürütülen araştırma, kabarcık sıkışmasını ve salınımını anlamak, fiziksel süreçleri keşfetmek ve akışkan reolojisinin havuzlardan kaynaklanan sera gazı emisyonlarını potansiyel olarak nasıl kontrol edebileceğini araştırmak için laboratuvar deneylerini, modelleri ve hesaplamaları içermektedir. Bu temel araştırma çalışmasının özü, akma gerilmeli akışkanlarda kabarcıkların statik stabilitesi için akma sınırını belirlemek ve Akma GerilmesiAkma gerilmesi, altında akmanın meydana gelmediği gerilme olarak tanımlanır; kelimenin tam anlamıyla hareketsizken zayıf bir katı gibi, akarken ise bir sıvı gibi davranır.akma gerilmesi, elastikiyet ve tiksotropik davranış dahil olmak üzere bu malzemelerin karmaşık reolojisi ile bağlantısını kurmaktır. Reolojik çalışmalar NETZSCH Kinexus Pro + reometresi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Basit akma gerilmeli sıvılar ve tiksotropik akma gerilmeli sıvılar için model olarak sırasıyla Carbopol jelleri ve Laponit kullanmışlardır.
Model akışkanların reolojik davranışları
Carbopol jelleri için temsili reolojik eğriler aşağıdaki şekilde gösterilmektedir. Carbopol'ün reolojisi, pürüzlendirilmiş bir paralel plaka geometrisi kullanılarak kesme hızı kontrollü bir rampa yukarı ve rampa aşağı testi ile ölçülmüştür. Akma noktasının üzerinde tiksotropik davranış gözlenmemiştir. Akma noktasının altında, jelin elastik tepkisi rampa yukarı ve rampa aşağı akış eğrileri arasında bir sapmaya neden olmuştur. Bu şeklin iç kısmı, 2 rad/s frekansında bir genlik tarama testinden elde edilen gerilme genliğinin fonksiyonları olarak Elastik modülKarmaşık modül (elastik bileşen), depolama modülü veya G', numunelerin genel karmaşık modülünün "gerçek" kısmıdır. Bu elastik bileşen, ölçüm yapılan numunenin katı benzeri veya faz içi tepkisini gösterir. elastik modülü (G') ve Viskoz modülKarmaşık modül (viskoz bileşen), kayıp modülü veya G'', numunelerin genel karmaşık modülünün "hayali" kısmıdır. Bu viskoz bileşen, ölçüm yapılan numunenin sıvı benzeri veya faz dışı tepkisini gösterir. viskoz modülü (G'') göstermektedir. Yaklaşık %0,1'in altındaki gerinim genlikleri için her iki modül de sabit kalmakta ve doğrusal davranış göstermektedir.
Bu bulgular, Carbopol'ün %2'nin altındaki konsantrasyonlarda, fark edilebilir tiksotropik davranış olmaksızın basit bir elasto-viskoplastik sıvı gibi davrandığını göstermektedir.
Carbopol %0,15 (Basit akma gerilimli sıvı) [3]
Laponit, bir dizi reolojik test aracılığıyla tiksotropik davranış sergileyen bir model akışkan olarak doğrulanmıştır. Aşağıdaki şekil, bir ön kesme işleminin ardından 10 dakika boyunca dinlendirilen %1'lik bir Laponit numunesi için akış eğrisini sunmaktadır. Dinlenme süresinin sonunda numune, pürüzlendirilmiş bir geometri kullanılarak StresStres, iyi tanımlanmış bir kesite sahip bir numune üzerine uygulanan kuvvet seviyesi olarak tanımlanır. (Stres = kuvvet/alan). Dairesel veya dikdörtgen kesitli numuneler sıkıştırılabilir veya gerilebilir. Kauçuk gibi elastik malzemeler orijinal uzunluklarının 5 ila 10 katına kadar gerilebilir.stres kontrollü bir rampa yukarı (daireler) ve rampa aşağı (aşağı dönük üçgenler) işlemine tabi tutulmuştur. Malzemenin tiksotropik davranışı, rampa yukarı ve rampa aşağı eğrileri arasındaki fark edilebilir tutarsızlıkta kendini göstermektedir. Ayrıca, 2 Hz frekansında dinamik bir gerinim genliği taraması yoluyla gerinime karşı Elastik modülKarmaşık modül (elastik bileşen), depolama modülü veya G', numunelerin genel karmaşık modülünün "gerçek" kısmıdır. Bu elastik bileşen, ölçüm yapılan numunenin katı benzeri veya faz içi tepkisini gösterir. elastik modülü (kareler) ve Viskoz modülKarmaşık modül (viskoz bileşen), kayıp modülü veya G'', numunelerin genel karmaşık modülünün "hayali" kısmıdır. Bu viskoz bileşen, ölçüm yapılan numunenin sıvı benzeri veya faz dışı tepkisini gösterir. viskoz modülü (artı işaretleri) ölçmüşlerdir. Aşağıdaki şeklin iç kısmında gösterilen sonuçlar, malzemenin %1'in altındaki gerilmelerde doğrusal viskoelastik davranışını doğrulamıştır.
Laponit %1 (tiksotropik akma gerilmeli akışkan): Akış eğrileri [4]
Bir Laponit süspansiyonu için temsili reoloji eğrileri (Laponit %1):
Bu şekil, kesme hızı kontrollü bir testten elde edilen rampa yukarı ve rampa aşağı akış eğrilerini göstermektedir. Akış eğrilerinde malzemenin tiksotropik davranışını işaret eden fark edilebilir bir histerezis vardır. Bir genlik tarama testi kullanılarak ölçülen malzemenin dinamik davranışı bu şeklin ekinde sunulmuştur. Sonuçlar, Laponit'in zamana bağlı viskoplastik bir akışkan için uygun bir model olduğunu göstermektedir.
Laponit %1 (tiksotropik Akma GerilmesiAkma gerilmesi, altında akmanın meydana gelmediği gerilme olarak tanımlanır; kelimenin tam anlamıyla hareketsizken zayıf bir katı gibi, akarken ise bir sıvı gibi davranır.akma gerilmesi sıvısı): statik ve dinamik akma gerilmeleri [4]
Laponit süspansiyonu için tekli kesme hızı testleri (Laponit %1): Test, 10 dakika (kırmızı), 2 saat (mavi) ve 2 gün (siyah) dahil olmak üzere çeşitli yaşlandırma sürelerinde bir numune için gerçekleştirilmiştir. Malzeme, 2 dakika boyunca 100/s'lik bir ön kesme işleminin ardından bir dinlenme süresinden sonra 0,001/s'lik sabit bir düşük kesme hızına maruz bırakılmıştır. Sonuçlar, yaşlanma süresiyle birlikte statik akma gerilmesinin (içi dolu dairelerle işaretlenmiştir) büyümesini göstermektedir.
Temel bulgular:
Özet olarak, bu araştırma akma gerilmeli sıvılardan kabarcık salınımını yöneten iki farklı mekanizmayı ortaya çıkarmıştır. Tiksotropik olmayan davranışa sahip homojen bir jelde, yarı düzgün bir kabarcık bulutu oluşur ve malzemenin genel reolojik özellikleri, kabarcıkların yakınlığı ile birleştiğinde, bunların sistem içinde salınmasını ve hapsolmasını belirler. Oldukça yüksek bir gaz konsantrasyonunda, bu durum statik kararsızlık başlangıcında bir kabarcık bulutu patlamasına yol açabilir. Ancak, zamana bağlı reoloji (TiksotropiÇoğu sıvı için kesme incelmesi tersine çevrilebilir ve kesme kuvveti kaldırıldığında sıvılar zaman içinde bir noktada orijinal viskozitesini kazanacaktır.tiksotropi) devreye girdiğinde, sorunun fiziksel resmi daha karmaşık hale gelir.
Malzemelerin kayma geçmişine bağlı reolojilerinden kaynaklanan üniform olmayan yapıları, malzeme yapısının daha zayıf olduğu hasarlı katmanların oluşmasına yol açar. Malzeme içinde bu hasarlı katmanların varlığı, kabarcık salınımını ve hapsolmayı önemli ölçüde etkileyerek gaz birikimini önler. Bu durumda, çok dağılımlı kabarcık süspansiyonları ortaya çıkar ve kabarcık salınımı aniden değil hasarlı katmanlar boyunca kademeli olarak gerçekleşir.
Kabarcık salınım mekanizması [4]
(a) Basit akma gerilimi akışkanı ve (b) tiksotropik akma gerilimi akışkanı için kararsızlığın başlamasından hemen sonra çekilen kabarcıkların ardışık görüntülerinde normalleştirilmiş YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk standart sapması (I). Her iki jel de yüksek başlangıç gaz içeriğine sahiptir. Görüntülerdeki beyaz noktalar kabarcıkların jel içinde hareket ettiği alanları gösterirken, koyu noktalar kabarcıkların durgun olduğu alanları temsil etmektedir. Panel (b)'deki ağ benzeri yapı, kabarcıkların yeniden kullanılan yolları takip ettiğini göstermektedir.
Daha büyük kabarcıklar yüzeye kaçtıkça, malzemenin kayma geçmişine bağlı reolojisi nedeniyle yerel kayma jeli zayıflatarak daha az dirençli görünmez kanallar oluşturur. Kabarcıklar daha sonra bu kanallara doğru göç ederek yanal zayıflamış katmanlar ve nihayetinde dikey kanallara bağlı hasarlı katmanlardan oluşan görünmez ağlar oluşturur.
Bu ağlar daha küçük kabarcıkların kademeli olarak serbest kalmasını sağlayarak kabarcık birikimini önler ve böylece sistemde emniyet valfi görevi görür.
Daha Geniş Uygulamalar:
Bu araştırmanın temel motivasyonu petrol kumu atıklarından kaynaklanan sera gazı emisyonları olsa da, bulguların geniş kapsamlı etkileri vardır. Viskoplastik akışkanlarda gazın nasıl hapsedildiğini ve yayıldığını anlamanın başka birçok alanda uygulamaları vardır: Örneğin, nükleer atık depolama "kabarcık ve çamur" sorunlarına yol açabilir, atık su arıtımı (kanalizasyon) Newtonyen olmayan süspansiyonları ve gaz kabarcıklarını içerir ve petrol ve gaz kuyuları , akma gerilimi akışkanları boyunca kabarcık yayılımının yaygın olduğu inşaat sırasında gaz vuruşları yaşar . Diğer uygulamalar arasında inşaat için betonun köpürtülmesi ve tat arttırmak için çikolatanın köpürtülmesi yer almaktadır.
Özetle, akma gerilmeli sıvılardaki kabarcık dinamiklerini anlamak, petrol kumu atıklarından kaynaklanan emisyonları azaltmak için bir yol sunar ve çeşitli endüstrilerde yeniliklere kapı açar. Reoloji, altta yatan mekanizmaları anlamak ve böylece davranışı tahmin etmek ve emisyonları azaltmak için önemli bir yöntemdir.
Dr. Frigaard'ın disiplinler arası araştırma ekibi, viskoplastik akışkanlara ve Newtonyen olmayan akışkan özelliklerinin endüstriyel süreçlerde uygulanmasına odaklanmaktadır:
Bulgularını sergileyen birkaç makale aşağıda listelenmiştir:
Aşağıdaki makalelerde akma gerilmeli akışkanlarda kabarcıkların kararlılığı için geliştirilen teorik modeller açıklanmıştır. Bu teorik çalışmalarda kabarcıklar için akma sınırı ve kabarcıkların şekillerinin ve kabarcık etkileşimlerinin bu sınır üzerindeki etkileri incelenmiştir.
[1] Pourzahedi, A., Chaparian, E., Roustaei, A., & Frigaard, I. A. (2022). Akma gerilmeli akışkan içinde tek bir kabarcık için akış başlangıcı. Akışkanlar Mekaniği Dergisi, 933, A21.
[2] Chaparian, E., & Frigaard, I. A. (2021). Viskoplastik bir akışkan içinde kabarcık bulutları. Akışkanlar Mekaniği Dergisi, 927, R3.
Aşağıdaki makaleler, deneysel bir yaklaşım kullanarak akma gerilmeli malzemede kabarcıkların büyümesini ve stabilitesini incelemiştir. Malzemenin esnekliği ve tiksotropisi de dahil olmak üzere karmaşık reolojisinin rolü aşağıdaki makalelerde açıklanmıştır. Ayrıca, kabarcık bulutlarının kararsızlığı için farklı senaryolar ve bunun malzemenin reolojisi ve yapısı ile bağlantısı burada açıklanmaktadır.
[3] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2023). Akma gerilmeli bir akışkanda kabarcıkların büyümesi ve kararlılığı. Journal of Fluid Mechanics, 957, A16.
[4] Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2024). Akma gerilmeli akışkanlarda kabarcık bulutlarının büyümesi ve statik kararlılığı. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 327, 105217.
Malzemenin tekdüze olmayan reolojisinin kabarcık kararlılığı ve göçü üzerindeki etkisi aşağıdaki çalışmada vurgulanmaktadır. Bu sorunu araştırmak için deneylerle birleştirilmiş sayısal simülasyonlar kullanılmıştır.
[5] Zare, M., Daneshi, M., & Frigaard, I. A. (2021). Akışkanlar Mekaniği Dergisi, 919, A25. Üniform olmayan reolojinin akma gerilmeli bir akışkan içindeki kabarcıkların hareketi üzerindeki etkileri.