[en] A TWO-SCALE MODEL FOR COUPLED ELECTRO-CHEMO-MECHANICAL PHENOMENA IN EXPANSIVE POLYMERS SENSITIVE TO PH AND SALINITY
[pt] Nas últimas décadas, tem se desenvolvido um crescente interesse em polímeros de troca iônica capazes de responder a diversos estímulos externos, sendo utilizados nos mais variados campos da ciência como sensores, transdutores e atuadores. Este tipo de materiais em contato com soluções aquosas s...
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| Language: | pt |
| Published: |
MAXWELL
2011
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| Subjects: | |
| Online Access: | https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=17625@1 https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=17625@2 http://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.17625 |
| Summary: | [pt] Nas últimas décadas, tem se desenvolvido um crescente interesse em polímeros de
troca iônica capazes de responder a diversos estímulos externos, sendo utilizados
nos mais variados campos da ciência como sensores, transdutores e atuadores. Este
tipo de materiais em contato com soluções aquosas sofrem deformações decorrentes
de mudanças de campos magnéticos, temperatura, pH, campos elétricos e/ou força
iônica. Sendo o pH um dos parâmetros operacionais críticos no controle de diferentes
processos químicos, os polímeros sensíveis a pH constituem uma alternativa
promissora em diversas áreas de pesquisa, e de particular interesse neste trabalho;
na área de monitoramento do pH aplicado à industria do petróleo. O grande potencial
e funcionabilidade deste tipo de polímeros tem despertado a necessidade de
estudar e entender seu comportamento através de modelos matemáticos. O objetivo
deste trabalho é desenvolver um modelo químico-eletro-mecânico para o estudo do
inchamento de uma resina de troca iônica em equilíbrio com uma solução aquosa
eletrolítica, como função das mudanças do pH e concentração salina da solução.
Com o intuito de determinar parâmetros inerentes ao equilíbrio químico associados
à densidade de carga elétrica superficial da resina, foram conduzidos ensaios
de titulação potenciométrica bem como medidas de inchamento para três concentrações de NaCl. Objetivando investigar a microestrutura e composição do polímero
foram realizados ensaios de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia
de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIV). A modelagem
matemática foi desenvolvida em duas escalas (micro-macro) adotando a técnica
de homogeneização de estruturas periódicas. Para a modelagem do inchamento
da resina foi assumida a hipótese de material linearmente elástico, incorporando
os fenômenos eletro-osmóticos na escala local mediante a solução do problema de
Poisson-Boltzmann e do balanço de momento linear no fluido. O sistema de equações
não lineares postos na escala macroscópica foi discretizado através do Método de
Elementos Finitos (Galerkin) e resolvido em forma acoplada mediante o método
de Newton-Raphson. Os resultados teóricos mostram a existência de dois regimes
de inchamento na resina: um regime dominado pela densidade de carga elétrica na
superfície do sólido e um segundo regime onde o inchamento da resina é puramente
governado pela força iônica da solução eletrolítica. === [en] In the last few decades, the interest in ion exchange polymers that are able to respond
under several external stimuli has grown; these polymers are being used in
the most diverse fields of science such as sensors, transducers and actuators. This
type of material, when in contact with aqueous solutions, undergoes deformations
caused by changes in magnetic fields, temperature, pH, electrical fields and/or ionic
strength. Since the pH is a critical operating parameter in the control of different
chemical processes, pH sensitive polymers have become a promising alternative in
several areas of research and of particular interest in this work in the area of pH monitoring
applied to the oil industry. The great potential and functionality of this type
of polymers has increased the need to study and understand their behavior through
mathematical models. The purpose of this study was to develop a chemo-electromechanical
model to study the swelling of an ion exchange resin in equilibrium with
an electrolyte solution, as a function of changes in pH and saline concentration of the
solution. In order to determine parameters related to the chemical equilibrium associated
with the surface electric charge density of resin, potentiometric titrations as
well as measures of swelling for three NaCl concentrations were developed. Aiming
to investigate the microstructure and composition of the polymer, Scanning Electron
Microscopy (SEM) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) tests
were performed. The mathematical modeling was developed in two scales (micromacro)
adopting the homogenization technique of periodic structures. For modeling
the swelling of the resin, the hypothesis of linear elastic material was assumed, incorporating
the electroosmotic phenomena in the local scale through the solution to
the Poisson-Boltzmann problem and the balance of linear momentum in the fluid.
The system of nonlinear equations placed in the macroscopic scale was discretized
through the Finite Element Method (Galerkin) and the coupled equations solved
with the method of Newton-Raphson. The theoretical results show the presence of
two swelling regimes in the resin: a regime controlled by the charge density on the
surface of the solid and a secondary regime where the swelling of the resin is purely
governed by the ionic strength of the electrolyte solution. |
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