Efecto de la triboelectricidad en el empaquetamiento de medios granulares

Resumen

Recoge los resultados de un trabajo centrado en el fenómeno de la triboelectricidad, por el que se genera una rotura de la neutralidad de carga eléctrica en las superficies de los materiales cuando entran en contacto físico. El interés por este tipo de procesos y sus efectos en el empaquetamiento de medios granulares está impulsado tanto por aspectos técnicos como de investigación básica. En el aspecto industrial puede generar problemas de transporte y mezclado de los materiales, mientras que desde el punto de vista científico la cuestión de las fuerzas eléctricas entre partículas y la influencia en el ordenamiento espacial de éstas es un tema abierto. Durante el proyecto hemos usado técnicas para generar carga eléctrica por contacto en partículas de diferentes medios granulares primero, seguido de una caracterización de las cargas eléctricas superficiales resultantes. Las diferentess técnicas se han centrado en el análisis de partículas aisladas así como de grandes números de partículas bien en estado de dispersión o en forma de sedimento. En el caso de estas masas de partículas sedimentadas se usó una técnica de "tapping" o vibración de muestra para analizar el ordenamiento de las partículas en función de la presencia o ausencia de cargas eléctricas generadas por triboelectricidad. Todos los ensayos han sido llevados a cabo con muestras de materiales de distinto tamaño medio de partícula y distinta naturaleza química, así como diferentes valores en variables de proceso tales como la humedad relativa de almacenamiento y el gas de dispersión. La tesis dedica un primer capítulo de introducción al fenómeno de la triboelectricidad y las fuerzas eléctricas entre partículas que genera. El segundo capítulo describe las actividades con la técnica de microscopía de fuerza atómica, usada para caracterizar topografías superficiales de partículas aisladas y propiedades directamente relacionadas con la transferencia de carga entre superficies, como el potencial de contacto. Seguidamente discutiremos el montaje experimental y los resultados para ``Particle Tracking Velocimetry'' (PTV), donde se mide la distribución de carga eléctrica de las poblaciones de partículas aisladas y aglomerados dispersos en un gas tras abandonar el tribocargador, que es un dispositivo en el que previamente han adquirido carga al colisionar con sus paredes internas. Uno de los resultados es que la distribución de carga por partícula es amplia y contiene poblaciones con carga positiva y negativa. El capítulo cuarto se dedica a la medida de carga eléctrica en polvos formados por partículas altamente cargadas en un tribocargador que sedimentan en una celda de recogida. Hemos encontrado que durante la sedimentación y formación del asiento el polvo pierde su carga relativamente rápido. Proponemos un modelo que describe cualitativamente la relajación de la carga, asumiendo que existe cierta mobilidad de los portadores en el seno del sedimento y que la carga eléctrica se disipa desde las superficies del polvo por neutralización con los iones del gas circundante de manera que se mantenga el campo eléctrico local por debajo del valor del campo de rotura dieléctrica en el gas. En el quinto capítulo se discuten las medidas de conductividad eléctrica en polvos, que es una propiedad crítica para explicar la relajación de carga y pone de manifiesto la gran importancia en la conductividad de la humedad relativa del gas y, en menor medida, del tamaño medio de partícula. El último capítulo está centrado en el montaje experimental y medidas de la fracción sólida (indicativa del grado de empaquetamiento) de materiales cargados y no cargados depositados en una celda que se vibra verticalmente, para así comparar la evolución de la fracción sólida durante la vibración y determinar si existe un efecto debido a la carga eléctrica. Dentro de los límites de sensibilidad del experimento no se ha podido establecer efecto alguno.