This thesis investigates three problems in the general area of environmental fluid mechanics. The first two problems are related to liquid or gas flow through clay-water suspensions, with relevance for the underground storage of radioactive waste and also for understanding the mechanism of eruption in mud volcanoes. The third problem centres on the different problem of mixing in a turbulent buoyant plume. First, the injection of gas and water from a central source into a two-dimensional layer of clay confined between two circular horizontal plates is investigated. This provides a model of the potential pressurisation and failure of the seal rock around a radioactive waste repository as may arise if gas is continuously generated in the repository. As the gas injection pressure is gradually increased the cell walls deform and the clay moves radially outwards. However, at a critical radius, the liquid-clay interface becomes unstable and a series of channels propagate through the clay. When one of the channels reaches the edge of the domain the gas escapes and the pressure is released. As a result, the domain relaxes by elastic deformation and the clay seals the channel. In this way, continuous fluid injection leads to episodic release of gas from the cell. The second problem concerns the flow of mud along a vertical conduit driven by the combined effect of reservoir pressure and buoyancy associated with the gas injected at the base of the conduit. This represents an analogue model of the eruption of a mud volcano, in which mud rises from a deep reservoir to the surface. I find that the pressure associated with the reservoir and any buoyancy force produced by the migration of gas from deep in the reservoir to the surface leads to a continuous eruption if the net pressure is greater than the yield stress of the clay. If the reservoir pressure falls during such an event, the eruption will eventually stop, once the pressure reaches a dynamic yield stress condition. Only later, if the reservoir pressure increases to the static yield stress of the clay will the eruption start again, and this can lead to a series of eruption cycles which depend on the non-Newtonian rheology of the clay. In contrast, if this pressure is smaller than the yield stress of the clay, a series of episodic gas burst events can occur until the conduit is cleared of mud. The third problem relates to the mixing in a turbulent buoyant plume. Through a series of new experiments and some complementary theoretical modelling I show that the mixing in a turbulent plume is strongly affected by the eddies and leads to significant longitudinal dispersion in the flow. The implications of the modelling for determining the residence time distribution of the fluid in the plume is discussed.

The present dissertation investigates the flow behavior of concentrated Kaolin slurries and furthermore novel rheological measurement-, analysis-, and assessment procedures for characterizing static and dynamic flow behavior in industrial and research applica- tions. Ten different Kaolins with divergent property profiles were investigated in detail. At first, novel measurement and analysis procedures are presented and the raw material inherent properties are correlated with the resulting flow characteristics. The results describe the structural building and breakdown (in both static and dynamic states) of concentrated Kaolin slurry suspensions with and without deflocculant and also the determination of the point of optimal deflocculant concentration through the develop- ment of a novel analysis method and linking of the parameters to a condition matrix. The results lead to a better understanding of the flow behavior of concentrated Kaolin slurries. Due to the use of a strict measurement protocol with a focus on the elimination of external disturbances on the determination of flow behavior, the phases of dynamic structure construction and destruction (with exclusion of temporal structure effects and vice versa) can be analyzed. It was identified that the construction of particle networks requires less energy than their destruction. Furthermore it could be demonstrated that the occurrence of a transient shear stress peak in kaolin slurries is the cause for the breakdown of an existing particle network and not, as conventionally reported, due to an insufficient measurement time. Moreover, through the combination and modification of two measurement protocols described here, manufacturing companies have a potentially useful tool for composition development and quality control without the necessity of purchasing a highly precise research rheometer.:1. Einleitung und Problembeschreibung 1 2. Stand des Wissen 3 2.1. ToneundKaoline.............................. 4 2.1.1. EntstehungvonKaolinen...................... 5 2.1.2. KaolinalsRohstoff ......................... 6 2.1.3. DasMineralKaolinit........................ 6 2.2. BeschreibungderRheologie ........................ 8 2.2.1. DasZwei-Platten-Modell...................... 8 2.2.2. FließverhaltenundModelle .................... 9 2.2.3. Messsgeräte und Systeme für die Messung rheologischer Eigen- schaften ............................... 16 2.2.4. RheometrischeMessmethoden................... 21 2.3. ElektrostatischstabilisierteDispersionen . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4. Tonmineral-Wasser-Interaktionen ..................... 28 2.5. FließverhaltenvonKaolindispersionen................... 30 3. Rohstoffuntersuchungen 31 3.1. Reindichtebestimmung ........................... 31 3.2. Partikelgrößenanalyse............................ 32 3.2.1. SedimentationimSchwerefeld ................... 33 3.2.2. Laserbeugungs-Partikelgrößenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3. SpezifischeOberfläche ........................... 35 3.4. BestimmungderlöslichenSalze ...................... 36 3.5. Kationenaustauschkapazität ........................ 37 3.6. Röntgenfluoreszenzanalyse ......................... 37 3.7. Röntgenbeugungsanalyse.......................... 38 4. Experimentelle Methodik 40 4.1. NormativeMineralphasenanalyse ..................... 40 ii 4.2. BerechnungderPartikelgrößenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. AuswertungnachDingerundFunk ................ 4.2.2. DasRRSB-Modell ......................... 4.3. HerstellungderDispersionen........................ 4.4. RheologischeUntersuchungen ....................... 4.4.1. DasMalvernKinexuspro+ .................... 4.4.2. Messmethode zur Bestimmung der Zeitabhängigkeit . . . . . . . 4.4.3. Messmethode zur Bestimmung der Belastungsabhängigkeit . . . 4.5. AuswertungdesSprungversuches ..................... 4.6. AuswertungderScherratenrampe ..................... 5. Wiederholbarkeit der entwickelten Messregime 6. Anpassung der Messregime an industrielle Bedingungen 6.1. RohrströmungeinerPotenzflüssigkeit ................... 6.2. NachweisderMesssystemfähigkeit..................... 7. Versuchsreihenentwicklung 7.1. UntersuchungdesFeststoffanteileinflusses. . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2. Untersuchung des Einflusses des Verflüssigeranteils . . . . . . . . . . . . 8. Ergebnisse und Diskussion 8.1. Einfluss der Rohstoffparameter auf das Fließverhalten . . . . . . . . . . 8.1.1. Einfluss der Partikelgrößenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.2. EinflussderPGV-Modellparameter ................ 8.1.3. Einfluss der spezifischen Oberfläche auf das Fließverhalten . . . 8.1.4. Einfluss der Rohstoffmineralogie auf das Fließverhalten . . . . . 8.2. Untersuchung des Dispergierhilfsmitteleinfusses . . . . . . . . . . . . . 8.3. UntersuchungdesFeststoffanteileinflusses. . . . . . . . . . . . . . . . . 9. Modellierung der belastungsabhängigen Fließeigenschaften 10.Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang / In der vorliegenden Arbeit wird das Fließverhalten von konzentrierten Kaolinsuspensio- nen untersucht und neuartige rheologische Mess-, Analyse- und Bewertungsverfahren zur Charakterisierung der Belastungs- und Zeitabhängigkeit für Industrie- und Forschungsanwendungen vorgestellt. Hierzu wurden zehn Kaoline mit divergierenden Eigenschaftsprofilen untersucht. Zunächst werden neuartige Mess- und Analyseverfahren vorgestellt und die Eigenschaften der Rohstoffe mit den ermittelten Fließcharakteristika korreliert. Die Ergebnisse beschreiben den strukturellen Auf- und Abbau (zeit- und belastungsabhängig) von konzentrierten Kaolinsuspensionen mit und ohne Dispergierhilfsmitteleinsatz und darüber hinaus die Ermittlung der optimalen Dispergierhilfsmittelkonzentration durch Entwicklung einer neuartigen Analyse und Verknüpfung von Parametern an eine Bedingungsmatrix. Die Erkenntnisse tragen zum besseren Verständnis des Fließverhaltens konzentrierter Kaolinsuspensionen bei. Aufgrund der entwickelten Messvorschriften und der darin elementar verankerten Elimination von Störgrößen auf die Ermittlung des Fließverhaltens konnten die Phasen des strukturellen Auf- und Abbaus unter Belastung (unter Ausschluss von temporalen Struktureffekten und umgekehrt) analysiert werden. Es wurde festgestellt, dass die Konstruktion von Partikelnetzwerken weniger Energie benötigt, als deren Destruktion und das Auftreten des Schubspannungshügels auf den Zusammenbruch des Partikelnetzwerkes und nicht, wie allgemein beschrieben auf zu geringe Messzeiten zurück zu führen ist. Darüber hinaus wird der produzierenden Industrie, durch Abwandlung und Kombination zweier Messvorschriften ein Werkzeug zur Versatzentwicklung und Qualitätskontrolle, auch ohne die Notwendigkeit des Erwerbs von hochpräzisen Forschungsrheometern bereitgestellt.:1. Einleitung und Problembeschreibung 1 2. Stand des Wissen 3 2.1. ToneundKaoline.............................. 4 2.1.1. EntstehungvonKaolinen...................... 5 2.1.2. KaolinalsRohstoff ......................... 6 2.1.3. DasMineralKaolinit........................ 6 2.2. BeschreibungderRheologie ........................ 8 2.2.1. DasZwei-Platten-Modell...................... 8 2.2.2. FließverhaltenundModelle .................... 9 2.2.3. Messsgeräte und Systeme für die Messung rheologischer Eigen- schaften ............................... 16 2.2.4. RheometrischeMessmethoden................... 21 2.3. ElektrostatischstabilisierteDispersionen . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4. Tonmineral-Wasser-Interaktionen ..................... 28 2.5. FließverhaltenvonKaolindispersionen................... 30 3. Rohstoffuntersuchungen 31 3.1. Reindichtebestimmung ........................... 31 3.2. Partikelgrößenanalyse............................ 32 3.2.1. SedimentationimSchwerefeld ................... 33 3.2.2. Laserbeugungs-Partikelgrößenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3. SpezifischeOberfläche ........................... 35 3.4. BestimmungderlöslichenSalze ...................... 36 3.5. Kationenaustauschkapazität ........................ 37 3.6. Röntgenfluoreszenzanalyse ......................... 37 3.7. Röntgenbeugungsanalyse.......................... 38 4. Experimentelle Methodik 40 4.1. NormativeMineralphasenanalyse ..................... 40 ii 4.2. BerechnungderPartikelgrößenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. AuswertungnachDingerundFunk ................ 4.2.2. DasRRSB-Modell ......................... 4.3. HerstellungderDispersionen........................ 4.4. RheologischeUntersuchungen ....................... 4.4.1. DasMalvernKinexuspro+ .................... 4.4.2. Messmethode zur Bestimmung der Zeitabhängigkeit . . . . . . . 4.4.3. Messmethode zur Bestimmung der Belastungsabhängigkeit . . . 4.5. AuswertungdesSprungversuches ..................... 4.6. AuswertungderScherratenrampe ..................... 5. Wiederholbarkeit der entwickelten Messregime 6. Anpassung der Messregime an industrielle Bedingungen 6.1. RohrströmungeinerPotenzflüssigkeit ................... 6.2. NachweisderMesssystemfähigkeit..................... 7. Versuchsreihenentwicklung 7.1. UntersuchungdesFeststoffanteileinflusses. . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2. Untersuchung des Einflusses des Verflüssigeranteils . . . . . . . . . . . . 8. Ergebnisse und Diskussion 8.1. Einfluss der Rohstoffparameter auf das Fließverhalten . . . . . . . . . . 8.1.1. Einfluss der Partikelgrößenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.2. EinflussderPGV-Modellparameter ................ 8.1.3. Einfluss der spezifischen Oberfläche auf das Fließverhalten . . . 8.1.4. Einfluss der Rohstoffmineralogie auf das Fließverhalten . . . . . 8.2. Untersuchung des Dispergierhilfsmitteleinfusses . . . . . . . . . . . . . 8.3. UntersuchungdesFeststoffanteileinflusses. . . . . . . . . . . . . . . . . 9. Modellierung der belastungsabhängigen Fließeigenschaften 10.Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang