Fenómenos electrocinéticos en suspensiones de partículas planas

Resumen

FENÓMENOS ELECTROCINÉTICOS EN SUSPENSIONES DE PARTÍCULAS PLANAS Resumen TESEO Manuel Alejandro González Garrido PROGRAMA OFICIAL DE DOCTORADO EN FÍSICA Y CIENCIAS DEL ESPACIO UNIVERSIDAD DE GRANADA 2016 A diferencia de sistemas más sencillos como los basados en geometría esférica, la investigación de nanopartículas no esféricas puede considerarse un capítulo poco explorado en las técnicas electrocinéticas a pesar de las ventajas de su uso en campos netamente tecnológicos (fluidos electrorreológicos o magnetorreológicos). El objetivo de esta tesis es la caracterización mediante técnicas electrocinéticas de nanopartículas en las que se ha considerado su geometría esferoidal achatada. Dicha forma también encuentra multitud de aplicaciones (además de ser frecuente en algunas partículas de origen natural, como las arcillas), dada su elevada área superficial y su facilidad de empaquetamiento. En la tesis se estudian en primer lugar los fundamentos de la teoría electrocinética de suspensiones coloidales de partículas esferoidales achatadas, extendiendo en lo posible su aplicabilidad a situaciones moderadamente concentradas, e identificando la fenomenología y las principales magnitudes de interés. El estudio se centra en la electroacústica y la relajación dieléctrica de estos sistemas. La primera técnica proporciona la movilidad dinámica en un determinado rango de frecuencias, y la distribución de tamaño de las partículas. La segunda consiste en la medida de la impedancia eléctrica de la muestra y la obtención de la dispersión dieléctrica, manifestación de la polarización de la atmósfera iónica que rodea a las partículas. Las partículas utilizadas son gibbsita (hidróxido de aluminio) de diámetro próximo a 200 nm y relación axial de 0.025. Los resultados experimentales obtenidos para una concentración del 2% en volumen son de gran interés en lo que concierne al comportamiento electrocinético. La combinación de técnicas electrocinéticas (movilidad electroforética, movilidad dinámica y espectroscopía dieléctrica) proporciona información in-situ sobre la microestructura de la suspensión en diferentes condiciones de pH y fuerza iónica. La interpretación de los resultados ha sido posible por la combinación de observaciones experimentales y modelos teóricos apropiados para geometría no esférica. Se observa que la condición pH=7 separa dos comportamientos diferentes: en medio ácido se encuentra una única relajación de la permitividad eléctrica mientras que en medio básico se encuentran dos. La existencia de una única relajación en algunos casos es coherente con las predicciones teóricas y sugiere que en condiciones de acidez es posible asociar esta relajación con la polarización de partículas individuales. La existencia a pH básico de una segunda relajación a frecuencia menor sugiere la formación de estructuras. Esto se confirma con el aumento de tamaño y la reducción de potencial superficial estimado a partir de medidas de movilidad dinámica. Debido al creciente interés en la investigación de las propiedades electrocinéticas de suspensiones concentradas (elevada fracción de volumen de partículas), en procesos industriales, en la industria farmacéutica y en la propia naturaleza, se ha dedicado un esfuerzo especial al estudio experimental de tales sistemas. El problema es considerablemente más complejo que en el caso de suspensiones diluidas, donde se considera una partícula en un medio infinito, ya que es necesario cuantificar los efectos de las interacciones entre partículas sobre el movimiento del fluido y de las propias partículas. Si a esto se añade la geometría concreta de las partículas que estamos estudiando, podemos imaginar la complejidad matemática de los fenómenos electrocinéticos que tienen lugar. Sin embargo, el grado de complejidad es tan importante como el interés de los resultados, que son muy ricos desde el punto de vista físico. Se observa que el valor absoluto de la movilidad dinámica decrece al aumentar la concentración de partículas, tal y como se predice teóricamente. A pesar de lo limitado del espectro electroacústico accesible, uno de los modelos considerados en este trabajo describe apropiadamente este hecho. Por su parte, la permitividad eléctrica revela diferentes comportamientos en los dos procesos de relajación observados. El proceso de alta frecuencia aumenta en amplitud y frecuencia característica al aumentar la concentración de partículas, tal y como se predice teóricamente. El proceso de baja frecuencia aumenta en amplitud pero la frecuencia característica no se ve apenas modificada. Como consecuencia, al aumentar la fracción de volumen ambos procesos de relajación se separan en el espectro. En el trabajo se propone una modificación de los modelos teóricos existentes para sistemas concentrados, de modo que se hace posible encontrar valores coherentes del potencial eléctrico interfacial (potencial zeta) para el intervalo de concentraciones ensayado.