Diffusion-driven growth and dissolution of quasi-static bubbles

Resumen

Incontables procesos de transferencia de masa entre fases líquidas y gaseosas cuentan con la presencia de burbujas que crecen o se disuelven. Esta tesis engloba el estudio fundamental de cuatro problemas distintos sobre el crecimiento o la disolución por difusión de burbujas cuasi-estáticas. El término "cuasi-estático" describe de manera genérica la condición bajo la cual los efectos convectivos contribuyen de forma escasa al ritmo de crecimiento o disolución de la burbuja; "por difusión" indica que la transferencia de masa está siendo gobernada por la difusión del gas disuelto en el líquido que rodea la burbuja. En disoluciones sobre- o sub-saturadas, los efectos difusivos son críticos en el comportamiento de crecimiento o disolución de burbujas adheridas a sustratos incluyendo electrodos que evolucionan gas, y de burbujas en geles viscoelásticos o en confinamiento, por ejemplo. Primero exploramos la disolución de burbujas de CO2 con forma de casquete esférico (de tamaño milimétrico) inmersas en agua saturada de aire y adheridas a placas de cristal o PMMA. Validamos un modelo teórico y numérico contra nuestros experimentos. Ambos tienen en cuenta el efecto influyente de la dinámica de la línea de contacto y la presencia de la placa en la transferencia de masa a través de la interfaz de la burbuja. Después nos centramos en el estudio del llamado `efecto de historia', concretamente la contribución que los eventos pasados de transferencia de masa entre el líquido y la burbuja tienen en el ritmo actual de crecimiento o disolución de la burbuja. El efecto de historia surge cuando la concentración del gas soluto en la superficie de la burbuja, dictada por la ley de Henry, depende en el tiempo. En primer lugar presentamos un tratamiento teórico del efecto de historia bajo las hipótesis de simetría esférica y advección despreciable. En segundo lugar, realizamos experimentos en burbujas esféricas de CO2 adheridas a una placa plana en agua carbonatada. Adicionalmente, hacemos simulaciones para cuantificar el efecto de historia en la dinámica de las burbujas junto a los efectos de la advección inducida por la superficie no estacionaria de la burbuja y por convección natural. El tercer escenario consiste en la disolución de una burbuja cilíndrica de CO2 confinada en una celda Hele-Shaw horizontal en agua saturada de aire. Visualizamos y registramos, mediante fluorescencia inducida por láser, la capa límite de CO2 disuelto que se propaga por difusión desde la burbuja. Seguidamente, describimos el transporte por difusión de CO2 mediante dos sencillos modelos analíticos que son posteriormente validados frente a simulaciones numéricas. Finalmente, mostramos la relación del perfil de intensidad de fluorescencia con los perfiles de concentración de CO2 y de pH calculados. El cuarto y último estudio se centra en la dinámica de crecimiento de una sucesión de burbujas de hidrógeno producidas mediante electrólisis a intensidad de corriente eléctrica constante. Las burbujas nuclean y crecen en un micro-pilar fabricado sobre un electrodo de silicio plano. La acumulación del hidrógeno disuelto cerca del electrodo es ralentizada por varias fuentes de pérdida de gas, en las que se incluye las pérdidas inducidas por las propias burbujas. El grado de sobresaturación cerca del electrodo, y consecuentemente el ritmo de crecimiento de las burbujas, son altamente inconstantes y propensos a fluctuar. Además, las pérdidas (debido, por ejemplo, a la formación cercana de burbujas parasíticas) son responsables de un notable enlentecimiento en el ritmo de crecimiento a medida que las burbujas van alcanzando el tamaño de desprendimiento.