CO2 e inestabilidades hidrodinámicas

Abstract

Esta tesis presenta los resultados del trabajo de investigación realizado en los últimos cinco años para obtener el título de doctor. El tema principal de investigación es acerca de las inestabilidades hidrodinámicas originadas por la disolución del gas dióxido de carbono (CO2) en soluciones acuosas. Este gas es soluble en agua y, al hacerlo, aumenta la densidad local de la solución. Al haber un fluido de mayor densidad por sobre otro de menor densidad y estar el sistema inmerso en un campo gravitatorio como el terrestre, hace que las zonas de mayor densidad tiendan a ocupar las zonas de menor densidad, formando un patrón característico llamado comúnmente como dedos, debido a la particular forma que adquieren. A esta inestabilidad hidrodinámica producida por la diferencia de densidad se la conoce como inestabilidad de Rayleigh Taylor (R–T). A lo largo de la presente tesis, se desarrollan las diferentes etapas del trabajo desprendido del estudio de dicho fenómeno. Todos estos se basan en un fuerte trabajo experimental. En la Introducción, se presentan los conceptos teóricos necesarios para contextualizar la tesis. Se presentan las bases teóricas que sustentan este trabajo y las motivaciones y desafíos que se asumen. En el Capítulo 1 se desarrolla un método basado en técnicas de la microfluídica para determinar el valor del coeficiente de difusión de una sustancia en medio acuoso. En particular, se determina el coeficiente de difusión de un indicador de pH (sal sódica de verde de bromocresol). La importancia de este valor radica en que este indicador de pH se utiliza a lo largo de todo el trabajo de estudio de inestabilidades. La metodología se aplicará a otras sustancias, entre ellas el CO2. Si bien para los tiempos en los cuales se presenta esta tesis aún no se ha medido el valor de este coeficiente del CO2, los resultados preliminares son esperanzadores. En este capítulo se hace principal énfasis en lo que respecta al análisis de imágenes, de las cuales al final del procesamiento de las mismas se obtiene un valor del coeficiente de difusión de un soluto en un solvente. Se realiza el estudio sobre la difusión de un indicador de pH en un ácido fuerte. Los resultados obtenidos han arrojado un valor similar respecto a los valores hallados en la bibliografía. A futuro, se espera obtener resultados respecto al valor del coeficiente de difusión del CO2 en agua. La importancia de obtener un valor confiable de este parámetro radica en que el mismo se utiliza tanto para análisis de resultados experimentales como para simulaciones numéricas, vinculados a desarrollos tecnológicos o de índole científico. En el Capítulo 2 se expone lo que se considera la base experimental del estudio de las inestabilidades que se hace en esta tesis. Se presenta el desarrollo de la inestabilidad producida por la disolución del CO2 en solución acuosa. Se estudia cómo se desarrolla la inestabilidad a lo largo del tiempo visualizando el fenómeno mediante el uso de un indicador de pH (el mismo cuyo coeficiente de difusión se determinó en el capítulo anterior). Al ser el CO2 un ácido débil, cuando disuelve en agua no solo cambia la densidad local sino que además modifica el pH del medio, por lo cual la utilización de un indicador es una buena herramienta para observar esta inestabilidad. Se estudia a diferentes concentraciones del gas, para determinar la influencia de esta variable en la evolución de la inestabilidad. Se compara el desarrollo en diferentes soluciones acuosas, con diferentes sales disueltas en solución. En el Capítulo 3 se propone estudiar un sistema en el cual la disolución del CO2 produce precipitado. Se diseña íntegramente el dispositivo experimental que permite observar de manera simultánea la difusión de este gas en solución y la formación y seguimiento de las partículas de precipitado de carbonato de bario. Se estudia la influencia que trae la formación de estas partículas en cuanto al desarrollo de la inestabilidad. Este fenómeno no había sido estudiado previamente en la bibliografía y los resultados obtenidos han podido ser publicados en una revista con alcance internacional (Binda et al., (2017), Experimental analysis of density fingering instability modified by precipitation. Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science, 27: 053111). Por último, en el Capítulo 4 se estudia un fenómeno que puede apreciarse tanto en los trabajos realizados en los dos capítulos anteriores como en otros trabajos previos, ya sea del grupo de investigación como de otros grupos de investigadores, pero que no había sido explicado: un movimiento lateral de los dedos, transversal al desarrollo de la inestabilidad. Se propone que esto sucede debido a la existencia de una frontera física entre los fluidos involucrados. Para corroborar esta hipótesis, se analizan tanto experiencias previas a la realización de esta tesis como nuevas, las cuales se desarrollaron específicamente para tal fin. Parte del grupo de investigación, en simultáneo con este trabajo experimental, desarrolla las simulaciones numéricas de este fenómeno. Finalmente, la hipótesis fue confirmada tanto experimental como numéricamente, y los resultados fueron publicados en una revista de alcance internacional (Binda et al., (2018), Lateral movements in Rayleigh – Taylor instabilities due to frontiers. Experimental study. Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science, 28: 013107; Fernández et al., (2018), Lateral movements in Rayleigh – Taylor instabilities due to frontiers. Numerical simulation. Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science, 28: 013108).