 |
Flow-driven Precipitation in Confined Geometry and Porous Media
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
121010 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Schuszter, Gábor |
| Title in Hungarian |
Áramlásvezérelt csapadékképződés vékony folyadékrétegben és pórusos közegben |
| Title in English |
Flow-driven Precipitation in Confined Geometry and Porous Media |
| Keywords in Hungarian |
csapadékképződés, kémiai optimalizálás, földalatti szén-dioxid tárolás, pórus-elzáródás |
| Keywords in English |
precipitation, chemical optimization, underground carbon dioxide sequestration, pore-clogging |
| Discipline |
| Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Physical chemistry |
|
| Panel |
Chemistry 1 |
| Department or equivalent |
Department of Physical Chemistry and Materials Science (University of Szeged) |
| Starting date |
2016-12-01 |
| Closing date |
2019-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
15.264 |
| FTE (full time equivalent) |
2.10 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Jelen pályázat első része a vékony folyadékrétegekben végbemenő mintázatképződéssel foglalkozik, olyan áramlásvezérelt csapadékképződéses rendszerekben, ahol az egyik reaktáns oldat a másikba áramlik. Ezen rendszerekben a kémia és a folyadékáramlás nemlineáris visszacsatolásokkal hat egymásra. A munka célja, hogy – állandó hidrodinamikai paraméterek mellett – a csapadék fém- vagy ellenionjának szisztematikus változtatása révén feltárja a reaktánsok kémiai karakterének hatását a mintázatképződésre. A reaktánsok kémiai karakterét, a reakciók kinetikáját, és a csapadék fizikai tulajdonságait egyaránt figyelembe véve lehetőség nyílik a mintázatképződés kémiai befolyásolására. Ily módon az alkalmazott kémia számára hasznos összetett csapadékok állíthatók elő. Ráadásul a különböző alkáliföldfém- és karbonátionok között végbemenő csapadékképződésnek a földalatti szén-dioxid tárolás szempontjából is van jelentősége. Például kőzetminták háromdimenziós laboratóriumi vizsgálata során a tényleges csapadékképződést bárium-karbonát képződésével helyettesítik, hogy növeljék az analízis érzékenységét. Munkám során a különböző fémionok esetén kialakuló mintázatok összehasonlítása rávilágíthat azok reakcióinak hasonlóságaira és különbségeire, ezzel is segítve a 3D-s analízis eredményeinek helyes interpretálását. Jelen pályázat második része a modell pórusos közegekben lejátszódó kalcium-karbonát csapadékképződéssel foglalkozik. A pórusos közeg kezdeti porozitásának és permeabilitásának, a reaktánsok koncentrációjának és az áramlási sebesség hatásának vizsgálata segíteni fogja a lehetséges pórus-eltömődés megértését, előrejelzését.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Anyagtudományi szempontból nézve, az áramlásvezérelt rendszerekben előállított többfémes csapadékok hasznos katalizátorok lehetnek, ha a fizikai kémiai sajátosságaik kontrollálhatók. Ugyanakkor ez a kontroll nem lehet sikeres, amíg a reaktánsok, a termékek és a reakciók fizikai kémiai tulajdonságainak hatása a – beáramoltatás során megjelenő és az előbbi tulajdonságoktól közvetlenül függő – mintázatképződésre nem tisztázott. Ebben az összefüggésben jelen kísérleti munka a reaktánsok kémiai természetének mintázatképződésre gyakorolt hatását vizsgálja szisztematikusan változtatva a csapadék fém- vagy ellenionját, miközben az egyik reaktáns sugárirányban áramlik a vékony folyadékrétegként jelenlevő másik reaktánsba. Azt is szeretném megvizsgálni, hogy a kőzetmintákon végzett, kalcium-karbonát helyett bárium-karbonát képződést használó laboratóriumi kísérletek eredményei közvetlenül alkalmazhatók-e szén-dioxid tárolási kérdések megválaszolására, vagy a reaktánsok kémiai karakteréből adódó korrekcióra van szükség. Ezen kívül, a pórusok csapadékképződés miatti eltömődése egy reális probléma a szén-dioxid tárolás folyamán, ugyanakkor a csapadékképződés időskálája és az átlátszatlan kőzet korlátozza a rendszer megértését. Modell, gyöngyökből képzett pórusos közegben végrehajtott csapadékképződéses reakciók segítséget nyújthatnak az ilyen összetett rendszerek leegyszerűsített vizsgálatához.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az áramlásvezérelt rendszerek, ahol a reaktánsok tulajdonságainak vagy egy külső erőtérnek a gradiense jelentős hatást gyakorol a folyamatra, egyre inkább a figyelem középpontjába kerülnek, mert új típusú anyagok előállításához vezethetnek. Az ilyen nemhagyományos kémiai szintézisben a kémia és a folyadékáramlás kölcsönhatása befolyásolja a lokalizáltan végbemenő reakciót. Ez a kölcsönhatás új lehetőségeket nyit a szintézisben, mert a termékek fizikai kémiai tulajdonságai kontrollálhatókká válnak a reakciók kémiai sajátosságainak és az áramlásnak az összehangolásával. Ha a csapadékképződést úgy hajtjuk végre, hogy az egyik reaktánst sugárirányban áramoltatjuk a vékony folyadékrétegként jelenelevő másik reaktánsba, akkor a kialakuló mintázat tulajdonságai a reaktánsok kémiai természetétől és azok reakcióitól függnek a termék fizikai tulajdonságain keresztül. Jelen kísérleti munka célja, hogy feltérképezze a reaktánsok kémiai természetének a csapadékképződés dinamikájára és a termékek fizikai kémiai szerkezetére gyakorolt hatását. Ez egy fontos lépés afelé, hogy kémiailag befolyásoljuk a csapadékképződést, ami többfémes katalizátorok gyártásához vezethet. A folyadékáramlás csapadékképződésre gyakorolt hatását vizsgáló kutatások ellenére a kémia által a mintázatképződésre kifejtett hatás még nem tisztázott. Ebben az összefüggésben, a csapadékot alkotó összetevők szerepének megértése egy hiányzó láncszem a kedvező fizikai kémiai tulajdonságokkal rendelkező csapadékok előállítása felé. Ráadásul áramlásvezérelt csapadékképződést nem csak vékony folyadékrétegekben, de modell pórusos közegben is végrehajthatunk. Ezen kísérletek segítik a szén-dioxid föld alatti tárolása során, hosszabb időskálán és átlátszatlan közegben végbemenő csapadékképződés megértését. A kísérletek során a pórusos közeg kezdeti porozitása, permeabilitása, a reaktánsok koncentrációja és az áramlási sebesség szabadon változtatható. Ily módon a geológiai képződményekben esetlegesen kialakuló pórus-eltömődés veszélye becsülhető. A pályázat erőssége a reaktív transzportfolyamatok és a csapadékképződés területén kísérleti és elméleti tudással is rendelkező kutatók együttműködése, továbbá a mintázatok együttes minőségi és mennyiségi analízise.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A fenntartható fejlődés napjaink fontos kihívása. Figyelmet kell fordítani a szén-dioxid légköri koncentrációjának csökkentésére különböző tárolási mechanizmusok és a kibocsátást csökkentő környezetbarát folyamatok alkalmazásával. A kémiai iparban katalizátorokat használnak, hogy felgyorsítsák a termelést, ezzel csökkentve az energiaigényt és hogy növeljék az átalakítás hatásfokát, ami kevesebb hulladékhoz vezet. Ilyen katalizátorokat kémiai csapadékképződéssel – amikor a folyadékreakció terméke egy szilárd anyag – is elő lehet állítani, ha a csapadék sajátosságai befolyásolhatók. Jelen munka során az egyik reaktánst a vékony folyadékrétegként jelenlevő másik reaktánsba áramoltatjuk miközben csapadék képződik. A kémia és a folyadékáramlás egymásra hatásától függően különböző mintázatok alakulnak ki a beáramoltatás során. Mivel a mintázatok a termék tulajdonságaitól is függenek, így a mintázat indikátorává válhat ezen jellemzőknek (pl. a részecskék kohéziója és méreteloszlása). Munkám egyik célja, hogy a különböző reaktánsok mintázatra gyakorolt hatásának feltérképezésén keresztül lehetőség nyíljon a termékek tulajdonságainak befolyásolására. Másrészt a szén-dioxid tárolást vizsgáló laboratóriumi kísérletek során a tényleges karbonát csapadékoknak egy analógját használják. A kísérleteim során tapasztalt hasonlóságok és különbségek rámutathatnak az ilyen módszerek alkalmazhatóságának határaira. Továbbá a geológiai képződmények szén-dioxid tárolás közbeni, csapadékképződés miatti pórus-eltömődése is vizsgálható modell pórusos közegben végzett kísérletekkel, különböző reaktánskoncentrációkat és áramlási sebességet alkalmazva.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The first part of the present proposal deals with flow-driven precipitation pattern formation in a confined geometry upon radial injection of a reactant solution into the other one. In such a system, chemistry and hydrodynamics influence each other by nonlinear feedbacks. This study aims to understand the effect of the chemical nature of reactants on precipitation pattern formation by systematically changing the metal or the counter ions of precipitates keeping hydrodynamic parameters constant. Compiling knowledge about the effect of the chemical nature of reactants, the reaction kinetics, and the physical properties of precipitate may give opportunity to chemically control pattern formation. This may lead to the production of co-precipitates being relevant for applied chemistry as catalysts. In addition, reactions producing carbonate precipitates with different alkaline earth metal ions are relevant to CO2 sequestration issues. During laboratory-scale 3D characterization methods of wellbore samples, the real carbonate precipitation is replaced by e.g. barium carbonate precipitation to increase the sensitivity of the method. Comparing patterns observed in this study for different metal ions may emphasize the similarities and differences of those reactions allowing for the right interpretation of results. The second part of the present proposal deals with the investigation of calcium carbonate precipitation in custom-built porous media. Results will help to understand the effect of the initial porosity and permeability of the host medium, of reactant concentrations, and of flow rate on possible pore clogging.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
From a material science point of view, multi-metal precipitates produced in a flow-driven system may be useful and important materials as catalysts if their physicochemical properties are controlled. However, this control cannot be successful unless the effects of the physicochemical properties of reactants, reactions, and products on pattern formation – taking place during injection and directly depending on those properties – are fully understood. In this context, present experimental study aims to explore the effect of the chemical nature of reactants – by systematically changing the metal or counter ions of precipitates – on pattern formation upon radial injection in a confined geometry. I also would like to investigate whether results gathered from laboratory-scale experiments using wellbore samples, where calcium carbonate precipitate is replaced by barium carbonate, could directly be interpreted for carbon dioxide sequestration issues or corrections coming from the chemical nature of reactants have to be taken into account. In addition, pore clogging due to precipitation is a realistic issue during carbon dioxide sequestration, but the time scale of precipitation and the opaque medium limit the understanding of such a system. Thus, precipitation experiments carried out in model porous media built of beads will help to investigate such a complex problem under simplified conditions.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Flow-driven systems, where the gradient of different reactant properties or of an external field has significant effect on the reaction, have gained more and more attention because they may lead to the production of new type of materials. In these nonconventional chemical synthesis methods, the localized reaction zone is strongly influenced by the coupling of chemistry and hydrodynamics. This coupling opens new perspectives in synthesis, because the physicochemical properties of the product may be tuned by harmonizing the chemical nature of reactions with flow conditions. If precipitation is performed upon radial injection of one reactant into the other one in a confined geometry, the pattern properties depend also on the chemical nature of reactants and on their reactions via the physical properties of products. The goal of the present experimental research is to explore the effect of the chemical nature of reactants on precipitation dynamics and on the chemical characteristics of products. This could pave the way to chemically control precipitate synthesis and to produce catalytically important multi-metal precipitates. Although, attempts were made to investigate the effect of hydrodynamics on systems involving precipitation, the effect of chemistry on pattern formation has not been understood yet. In this context, defining the role of different precipitants on evolving structures is a missing link to design and fabricate precipitates with desirable physicochemical properties. In addition, flow-driven precipitation experiments can be performed not only in a simple confined geometry but in custom-built porous media as well. These model experiments may help to investigate precipitation taking place at a long time scale in an opaque medium during carbon dioxide sequestration. In the experiments, initial porosity and permeability can be easily varied together with reactant concentrations and flow rate. This may allow for estimating how and when pore clogging of real geological formations has to be taken into account. The strong points of the proposal are the cooperation of researchers experts in transport processes and precipitation and that the patterns will be qualitatively and quantitatively characterized.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Sustainable development is one of the major challenges nowadays. It is of particular interest to mitigate atmospheric carbon dioxide concentration by sequestration methods and to reduce its emission by designing environmental friendly processes. In chemical industry, catalysts are used to make the production faster, meaning less energy consumption, and conversion rates larger, thus producing less waste. Catalysts can be synthesized by chemical precipitation, when the reaction of liquids produces a solid material, if the physicochemical properties of precipitates can be controlled. Present study aims to investigate precipitate pattern formation while one reactant is injected into the other one within a tiny gap. Depending on the interaction between chemistry and hydrodynamics, different patterns evolve during injection. Since those patterns depend on product properties, patterns can serve as a direct measure of such properties (e.g. particle cohesion and size distribution). My goal is to control product properties by exploring the effect of chemicals on pattern formation. In addition, laboratory-scale experiments aiming to be relevant to carbon dioxide sequestration use convenient analogues for carbonate precipitates. My results highlighting similarities and differences between precipitation reactions will allow for validation of such a method. Moreover, pore clogging of geological formations due to precipitation taking place during carbon dioxide sequestration can be tested in model experiments preformed in custom-built porous media using different reactant concentrations and flow rate.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
