Electrocinética de suspensiones concentradas de nanopartículas esferoidales

Resumen

En esta Tesis doctoral nos proponemos revisar los tratamientos existentes para la polarización eléctrica de suspensiones coloidales de partículas no esféricas, extendiendo en lo posible su aplicabilidad a situaciones moderadamente concentradas. A continuación, los modelos teóricos así obtenidos son contrastados con dos conjuntos de datos experimentales, obtenidos mediante el análisis de la respuesta electrocinética de dos tipos de partículas esferoidales de forma y tamaño similares, aunque ligeramente diferentes en su composición química. De este modo, en el Capítulo 2 revisamos los fundamentos de la Teoría Electrocinética de suspensiones coloidales, identificando su fenomenología y las principales magnitudes de interés en el caso de esferas. En el Capítulo 3 estudiamos cómo extender esta teoría al caso de partículas no esféricas, en particular, los casos más simples de esferoides alargados (prolatos) y achatados (oblatos). Se discuten las modificaciones necesarias para tener en cuenta las interacciones entre partículas y se muestran las predicciones teóricas que se obtienen de estos modelos. En el Capítulo 4 describimos los métodos y técnicas experimentales utilizadas para la verificación de los modelos teóricos. Para ello, hemos elegido dos tipos de óxido de hierro muy similares en forma y tamaño: goetita comercial (considerablemente polidispersa) y hematites sintetizada en el laboratorio (muy monodispersa en forma y tamaño), y que aproximaremos como esferoides alargados al contrastar teoría y experimento. Tras indicar sus principales características, revisamos las técnicas experimentales de movilidad electroforética, electroacústica, espectroscopía dieléctrica y birrefringencia eléctrica utilizadas, indicando cómo se obtienen las magnitudes electrocinéticas de interés. Los resultados experimentales obtenidos se detallan en los Capítulos 5 y 6. En el primero de ellos se realiza un estudio sistemático de cómo afectan la carga superficial, la fuerza iónica y la fracción de volumen ocupado por las partículas de goetita a la permitividad eléctrica de baja frecuencia (1 kHz-1 MHz) y la movilidad dinámica en el rango de los MHz. Aquí demostramos que la realización conjunta de estos dos estudios permite detectar y analizar los principales mecanismos de polarización que ocurren en suspensiones coloidales de partículas cargadas a través de dos procesos de relajación: la relajación alfa o polarización de concentración y la relajación de Maxwell-Wagner-O'Konski. Finalmente, en el Capítulo 6 mostramos que las suspensiones acuosas moderadamente concentradas (hasta un 20% en volumen) de esferoides de hematites son un buen ejemplo de "partículas modelo", cercanos a la idealidad que suponen los tratamientos teóricos presentados. Así, este sistema nos permite, entre otras consideraciones, obtener información sobre las interacciones entre partículas en suspensión, especialmente las inducidas por acción del campo eléctrico en el rango de baja frecuencia (< 1 MHz). El análisis de estas interacciones revela diferencias fundamentales con los efectos observados en suspensiones de esferas, revelando la necesidad de desarrollar modelos específicos de esferoides. El resultado que parece más interesante se desprende de esta nueva fenomenología observada en las interacciones de partículas no esféricas, ya que se sugiere la posibilidad de estudiar las características de las nubes de polarización de concentración a partir de los efectos que las interacciones tienen en el espectro dieléctrico de estas suspensiones, en particular su geometría y la intensidad del efecto.