Modelización de fenómenos electrocinéticos en suspensiones concentradas de partículas esféricas mediante modelos de celda y doble capa dinámica

Résumé

El objetivo fundamental de esta Tesis Doctoral es el desarrollo de un modelo de respuesta electrocinética de una suspensión concentrada de partículas esféricas en presencia de un campo eléctrico alterno que incluya, por primera vez, el modelo de doble capa dinámica más general elaborado por Mangelsdorf y Whlte [1], para representar de manera rigurosa los procesos de adsorción superficial y conductancia superficial interna. Dado que las suspensiones concentradas tienen más aplicaciones industriales que las diluidas, además de ser éste el estado natural de muchas de las suspensiones de interés, en esta Tesis se ha abordado el estudio de propiedades electrocinéticas como la movilidad electroforética dinámica, la conductividad eléctrica compleja y la respuesta dieléctrica de una suspensión concentrada con el objeto de intentar minimizar las discrepancias entre teorías actuales de respuesta dieléctrica [2] y resultados experimentales. Existe, además, una motivación adicional que concierne al desarrollo reciente de equipos de medida de tal respuesta dinámica para suspensiones concentradas en el rango de frecuencias electroacústico, siendo ésta una zona poco explorada del espectro de respuesta en frecuencia de dichos sistemas. Es bien conocido que cuanto mejor sea la descripción teórica de la doble capa que rodea a las partículas de la suspensión, mejores serán los modelos teóricos de respuesta de la misma ante un campo externo que podrán crearse. Por ello en el pasado se han desarrollado descripciones de la doble capa cada vez más elaboradas, en particular aquellas que permiten la adsorción de carga en su región interna en contacto con la superficie de las partículas, así como una contribución extra a la conductancia del sistema a través de dicha región. Esta modificación ha resultado ser crucial para soslayar discrepancias entre las predicciones de ciertas magnitudes de la doble capa según modelos de diferentes propiedades en suspensiones basados en el mismo cuerpo de ecuaciones electrocinéticas. En esta Tesis se ha realizado un estudio comparativo de aproximaciones analíticas para suspensiones concentradas con los resultados numéricos obtenidos por el modelo, con el fin de conocer los márgenes de validez de tales aproximaciones. Asimismo se ha hecho un estudio exhaustivo de las condiciones de contorno electrohidrodinámicas más adecuadas para el modelo de celda en el que se basa nuestra teoría, concluyendo que son las denominadas de Shilov-Zharkikh-Borkovskaya [3] las más adecuadas por el buen acuerdo obtenido con los resultados experimentales. Las ecuaciones diferenciales del modelo desarrollado han sido resueltas numéricamente mediante una técnica basada en el algoritmo de quinto grado de Nordsieck, y se ha creado un programa Fortran para dicha resolución numérica. Finalmente se ha realizado un estudio exhaustivo de las capacidades predictivas del modelo para muy diferentes condiciones de partícula y medio de suspensión, así como de todos los parámetros relevantes en el modelo de doble capa dinámica. Los resultados indican que la incorporación de una doble capa dinámica en los modelos electrocinéticos da lugar a una reducción importante de la movilidad dinámica para una amplia variedad de concentraciones de partículas, así como importantes aumentos en los valores de la conductividad eléctrica de la suspensión y la constante dieléctrica de la misma para un potencial eléctrico superficial dado, que se asocian con la superior polarizabilidad eléctrica de las partículas y la conductancia superficial extra en la parte interna de las dobles capas eléctricas. [1] Christine S. Mangelsdorf y Lee R. White, The dynamic double layer. Part 1: Theory of a mobíle Stem layer. J. Chem. Soc, Faraday Trans., 94:2441 (1998); The dynamic double layer. Part 2: Effects of Stern-layer conductlon on the high-frequency electrokinetic transport properties. J. Chem. Soc, Faraday Trans., 94:2583 (1998) [2] Carrique F., Arroyo F. J., Jiménez M. L. y Delgado A. V. Dielectric response of concentrated colloidal suspensions. J. Chem. Phys., 118:1945 (2003) [3] Shilov V. N., Zharklkh N. I. y Borkovskaya Y. B. Theory of non-equilibrium electrosurface phenomena in concentrated disperse systems. 1. Application of non-equilibrium thermodynamics to cell model. Colloid J., 43:434 (1981)