Um experimento de compactação uniaxial com carvão de rolamento de CO2usando um sistema de teste de acoplamento de gás sólido de volume visualizado e constante
12 de junho de 2019
Este protocolo demonstra como preparar uma amostra de briquete e realizar um experimento de compressão uniaxial com um briquete em diferentes pressões de CO2 usando um sistema de teste de acoplamento de gás-sólido visualizado e de volume constante. Também tem como objetivo investigar as mudanças em termos de propriedades físicas e mecânicas do carvão induzidas pela adsorção de CO2 .
Este método pode ajudar a responder a perguntas-chave no campo do sequestro geológico de dióxido de carbono e da recuperação de metano a carvão sobre a relação entre as propriedades do carvão e a adsorção de gás. A principal vantagem dessa técnica é que a carga estática e dinâmica pode ser aplicada na briquette em estado de volume constante e todo o processo de experimentação é visualizado pelo monitoramento fotográfico. Não há exigência específica para as espécies da amostra, portanto este método pode aplicar-se a testes mecânicos de qualquer rocha porosa.
Para começar, pesam 1000 gramas e 300 gramas de carvão pulverizado com distribuição de tamanho de partícula de zero a um milímetro e de um a três milímetros, respectivamente. Coloque-os juntos em um béquer em uma proporção de massa de 0,76 a 0,24 e use uma haste de vidro de seis milímetros de diâmetro para misturá-los bem. Para preparar o cimento, coloque quatro gramas de pó de humato de sódio em um béquer e adicione aproximadamente 96 milímetros de água destilada.
Use uma haste de vidro para mexê-los e certifique-se de que todo o zumbido de sódio está bem dissolvido. Em seguida, misture 230 gramas de pó de carvão misto e 20 gramas de solução de humato de sódio em um béquer. Para produzir uma briquette de tamanho padrão, cubra a superfície interna das ferramentas de modelagem com óleo lubrificante.
Monte os componentes da ferramenta Placa inferior, corpo principal e anel e encha o orifício com 250 gramas de material misto. Coloque o pistão em cima do material misto e coloque todas as partes sob o Pistão de uma máquina de teste eletrohidraúlica servo universal. Inicie o software WinWdw para controlar a máquina de teste servo universal eletrohidraulica.
No software, clique no intervalo de força para definir a força máxima para 50 kilonewtons e clique em redefinir para limpar o valor de deslocamento. Clique à esquerda no controle de carregamento de força de opção. Defina a razão de movimento para 0,1 quilonovtons por segundo.
Defina o valor da força-alvo em 29,4 kilonewtons e o tempo de espera em 900 segundos. Em seguida, clique em iniciar. Depois disso, tire as ferramentas de modelagem e inverta-as em uma placa de borracha.
Use um martelo de borracha para desmontar os componentes da ferramenta na ordem da parte inferior até a parte superior. Coloque a briquette em uma incubadora de 40 graus Celsius por 48 horas. Primeiro, conserte a porta traseira do vaso visualizado com parafusos de alta resistência.
Conecte o computador, a caixa de aquisição de dados e o sensor de pressão de gás incorporado à porta traseira. Para adquirir os dados de pressão de gás na nave visualizada, inicie o software Data Acquisition Sensor. No software, clique em iniciar.
Abra a válvula V1 e feche V2, V3 e V4 para aspirar a câmara do vaso visualizado. Após 30 minutos, desligue o V1 e a bomba de vácuo. Abra V2 e o tanque de gás com hélio.
Use a válvula de redução de pressão manual para ajustar a pressão de saída do tanque de gás. Observe cuidadosamente a curva de pressão do gás exibida no sensor de aquisição de dados 16. Quando chegar cerca de dois megapascals desligar V2 e o tanque de gás.
Em seguida, no computador, inicie o software WinWdw para medir a força de atrito do pistão de carregamento movendo-se para baixo na máquina de teste. No software, clique no intervalo de força para definir a força máxima para cinco quilonewtons e clique em redefinir para limpar o valor de deslocamento. Clique à esquerda na taxa de carregamento de deslocamento da opção e defina a razão de movimento para um milímetro por minuto.
O clique no início. Abra V4 e descarreja hélio no ar. Desmonte a porta traseira do vaso visualizado e feche O V4. Meça a altura e o diâmetro da briqueta utilizando uma pinça vernier com precisão de 0,02 milímetros.
Pesar a massa da briqueta utilizando uma balança eletrônica com precisão de 0,01 gramas. Instale o rolo de corrente do aparelho de teste de deformação circunferencial ao redor da posição média do briquete e fixe o suporte do grampo. Conecte o sensor com a caixa de aquisição de dados através do conector de aviação no vaso visualizado e coloque-os sob o pistão de carregamento.
Para garantir a precisão da aquisição dos dados, ajuste o rolo de corrente e a superfície superior da briquete para que sejam paralelos ao pistão de carregamento. Em seguida, inicie o WinWdw para controlar a máquina de testes universal. No software, clique à esquerda na taxa de carregamento de deslocamento da opção.
Defina a taxa de movimento em 10 milímetros por minuto. No controlador remoto, pressione o botão para baixo para a máquina de teste universal até que a distância deixada entre o pistão e o briquete seja de cerca de um a dois milímetros. Em seguida, monte a porta traseira da nave visualizada.
Aspire a câmara de vasos visualizada como anteriormente. Próximo V3 aberto e o tanque de gás de dióxido de carbono na pureza 99,99% Use o valor manual de redução da pressão para ajustar a pressão de saída do tanque de gás. Observe cuidadosamente a curva de pressão do gás exibida no sensor de aquisição de dados 16.
Quando chegar perto o suficiente do valor alvo, feche v3 e o tanque de gasolina. Após 24 horas de tempo de adsorção, a curva de pressão do gás permanece estável e a briquette atingiu seu estado de equilíbrio dinâmico de adsorção e desorção. Coloque uma câmera com um tripé ao lado da janela do vaso visualizado e ajuste a altura e o ângulo para garantir que a imagem da amostra seja mostrada no centro da tela da câmera.
Inicie o software SDU Deformation Acquisition v2.0 para monitorar a deformação circunferencial do briquette. Clique no início. No WinWdw clique em nova amostra e digite a altura e o diâmetro do briquete.
Clique na área seccional e clique em confirmar. Clique no intervalo de força para definir a força máxima para cinco quilonewtons e clique em redefinir para limpar o valor de deslocamento. Clique à esquerda na taxa de carregamento de deslocamento da opção e defina a razão de movimento em um milímetro por minuto.
Clique em iniciar para comprimir a amostra. Ao mesmo tempo, pressione o botão de partida na câmera para iniciar a gravação de vídeo. Quando a amostra falhar totalmente, clique em stop e na salvação de dados tanto no WinWdw quanto na aquisição de deformação SDU v2.0.
Em seguida, pressione o botão de partida novamente na câmera para parar a gravação de vídeo. Abra V4 para liberar dióxido de carbono na câmara do vaso e desmonte a porta traseira do vaso. Desconecte os conectores de aviação para o sensor de pressão de gás e o aparelho de teste de deformação circunferencial.
Clique à esquerda na taxa de carregamento de deslocamento da opção no WinWdw, defina a relação de movimento em 10 milímetros por minuto. Pressione o botão de cima no controlador remoto da máquina de teste universal. Quando o pistão de carga da embarcação estiver em torno de dois a três milímetros acima da briquete, retire a briquete e remova-a do rolo de corrente.
Desmonte a ferramenta de conexão entre os pistões e use um aspirador de pó para limpar o vaso visualizado. Neste experimento, o teste de adsorção isotemal mostrou capacidade semelhante para adsorção de gás metano entre carvão bruto e briquette. A força das amostras de briquette utilizadas no teste apresentou alguma flutuação, mas foi bastante leve e teve pouca influência na análise dos resultados experimentais.
Quando sob diferentes pressões de dióxido de carbono, variando de zero a dois megapascals, as curvas de tensão axial de estresse mostraram fases óbvias de compactação, elástica e deformação plástica. À medida que a pressão de dióxido de carbono aumentava, a força máxima da amostra de carvão diminuiu, onde mostrou uma relação não linear. O módulo elástico diminuiu sob a condição saturada de dióxido de carbono e que a relação entre o módulo elástico diminuiu e a pressão do gás também não era linear.
As imagens obtidas através da câmera eventos a evolução da fratura na superfície da amostra, sob diferentes pressões de dióxido de carbono. O método de dimensão de contagem de caixas foi adotado para descrever a característica das fraturas em estado de falha sob diferentes pressões de dióxido de carbono. Os coeficientes de correlação entre o número da caixa e o comprimento lateral foram todos superiores a 0,95.
Os valores da dimensão fractal foram proporcionais aos da pressão de dióxido de carbono e sua tendência indicou semelhança com a do grau de dano ao corpo de carvão. O mais importante é ter uma boa compreensão do procedimento de teste e alguma experiência em experimentos de mecânica de rochas e operação de gás de alta pressão. Após sua melhoria, essa técnica pode fornecer uma forma de estudo da mídia porosa e do efeito de acoplamento de gás sob o estado de carga uniaxial ou triaxial.
Como os tanques de gás de alta pressão são usados nesta técnica, as pessoas precisam operar cuidadosamente durante o enchimento e liberação de gás.
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Visão Geral
Este protocolo demonstra o preparo de uma amostra de carvão prensado e a realização de um experimento de compressão uniaxial sob pressões variáveis de CO2. O objetivo é investigar as alterações nas propriedades físicas e mecânicas do carvão devido à adsorção de CO2.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Sequestro geológico
- Recuperação de gás de carvão
- Interações gás-sólido
Contexto
- Este método aborda a relação entre as propriedades do carvão e a adsorção de gás.
- Cargas estáticas e dinâmicas podem ser aplicadas a briquetes em um estado de volume constante.
- O processo experimental inteiro é visualizado por meio de monitoramento fotográfico.
- O método é aplicável a qualquer espécie de rocha porosa.
Objetivo do Estudo
- Investigar os efeitos do CO2 nas propriedades físicas e mecânicas do carvão.
- Fornecer subsídios sobre a sequestro geológico de dióxido de carbono.
- Aprimorar a compreensão dos processos de recuperação de gás de camada de carvão.
Métodos Utilizados
- Pese 1000 gramas de carvão pulverizado com tamanho de partícula de 0-1 mm e 300 gramas com tamanho de 1-3 mm.
- Misture o carvão em um béquer em proporção mássica de 0,76 para 0,24.
- Prepare o cimento misturando pó de humato de sódio com água destilada.
- Realize experimentos de compressão uniaxial sob pressões controladas de CO2.
Resultados Principais
- O método permite a visualização do processo experimental.
- Cargas estáticas e dinâmicas podem ser efetivamente aplicadas às amostras de briquetes.
- Foram observadas alterações nas propriedades do carvão devido à adsorção de CO2.
- A técnica é versátil para testar diversas rochas porosas.
Conclusões
- Este protocolo fornece um método confiável para estudar as propriedades do carvão em condições de CO2.
- Ele contribui com dados valiosos para pesquisas sobre sequestro de carbono e recuperação de metano.
- O arranjo experimental pode ser adaptado para diferentes tipos de amostras.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este método permite a visualização das interações gás-sólido sob pressão controlada, apoiando a redução de riscos mecanicistas em ciência de materiais relacionada à energia. Ao quantificar como a adsorção de CO2 altera propriedades mecânicas, como resistência e módulo elástico, fornece confiança preditiva para modelagem do comportamento no subsolo. A abordagem auxilia na avaliação da integridade do material sob condições de acoplamento multifísico relevantes para aplicações de armazenamento geológico e recuperação de recursos.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite investigar a resposta do material à adsorção de gases, apoiando testes de hipóteses sobre as relações entre propriedades e gases.
- Valor Operacional: Oferece uma plataforma reprodutível para avaliar alterações mecânicas sob exposição controlada a gases.
Desenvolvimento de Triagem e Ensaio
- Valor Científico: Gera resultados quantitativos, incluindo resistência máxima, módulo elástico e dimensão fractal, para análise comparativa.
- Valor Operacional: Apoia a padronização por meio de condições de volume constante e visualização em tempo real.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Correlaciona a pressão do gás com a degradação mecânica e a evolução da fratura, permitindo extrapolação com base em riscos.
- Valor Operacional: Facilita a continuidade desde testes em escala de descoberta até a modelagem preditiva do comportamento subterrâneo.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método se insere em fluxos de trabalho de descoberta inicial, nos quais a estabilidade do material sob estressores ambientais é avaliada antes da aplicação posterior.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses sobre como a adsorção de gás influencia a integridade mecânica de matrizes porosas.
- Triagem: Fornece leituras mecânicas quantitativas e reprodutíveis sob pressões variáveis de gás, para triagem comparativa.
- Análise: Oferece análise da dimensão fractal dos padrões de falha, permitindo a caracterização quantitativa da evolução do dano.
- Pesquisa Translacional: Relaciona a resposta mecânica em escala laboratorial a modelos preditivos de comportamento in situ sob exposição a gás.
- Reutilização Empresarial: Oferece uma plataforma reutilizável para estudar o acoplamento gás-sólido em diferentes materiais porosos e pressões.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Reduz a ambiguidade mecanicista ao associar a adsorção de gás a alterações mecânicas e estruturais mensuráveis.
- Valor Operacional: Garante reprodutibilidade por meio do controle de volume constante e monitoramento em tempo real.
- Valor Estratégico: Melhora as decisões de prosseguir ou não na seleção de materiais ao prever o comportamento sob condições ricas em gás.
- Impacto no Portfólio: Permite a priorização ajustada ao risco de materiais com base na degradação induzida por gás quantificada.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em mecânica das rochas e manipulação de gases sob alta pressão.
- Necessita de instrumentação capaz de controle de volume constante, aplicação de carga e imageamento em tempo real.
- Exige padronização na preparação das amostras para garantir a representatividade dos briquetes.
- Envolve protocolos de segurança para manipulação de CO2 sob alta pressão e gases potencialmente inflamáveis.
- Limitado pela incapacidade atual de testar com metano devido a restrições de inflamabilidade.
