Estudio de líquidos confinados en sistemas porosos por RMN a campo bajo

Director: Dr. Rodolfo Héctor ACOSTA (FAMAF - UNC)

Tribunal Especial:

Dr. Hernán Alejandro RITACCO (Departamento de Física - UNS)

Dr. Rodrigo Exequiel BÜRGESSER (FAMAF)

Dr. Esteban ANOARDO (FAMAF)

Día y hora: jueves 25 de marzo de 2021 - 14:00 hs

Lugar: enlace de meet

Resumen: Los sistemas porosos son parte fundamental de nuestra vida cotidiana y de la industria. Están presentes en la naturaleza, en el cuerpo humano, en los suelos, en los materiales de construcción, en los alimentos, y así podríamos enumerar un sinfín de sistemas en los que se pueden encontrar estructuras que forman matrices porosas. Conocer las características de los sistemas porosos es de vital interés para maximizar la eficiencia de los procesos productivos y desde hace ya más de 50 años, la Resonancia Magnética Nuclear (RMN) se presenta como una herramienta muy potente y efectiva para caracterizar estos sistemas a través de mediciones directas e indirectas, por ejemplo, midiendo líquidos confinados dentro de estas matrices. Dentro de una matriz porosa, el movimiento de las moléculas del líquido confinado, tanto rotacional como traslacional, está fuertemente condicionado, ya sea por el tamaño de los poros, la interconectividad entre ellos y las interacciones químicas con las paredes. Todas estas condiciones pueden ser evidenciadas con estudios de los tiempos característicos de relajación y de los coeficientes de difusión de los líquidos confinados. En particular, el valor de la tortuosidad, definido como la relación entre el coeficiente de difusión del líquido en estado libre con el coeficiente del líquido confinado (D0/Def) brinda información sobre la morfología de la matriz porosa y según la literatura, este valor obtenido saturando el sistema con alcanos puede ser utilizado para referenciar a la matriz dada su baja interacción con las paredes. En esta tesis se realizaron estudios de líquidos confinados en sistemas porosos utilizando principalmente equipos de RMN de campo bajo. Se estudiaron diferentes sistemas porosos. En principio se hizo un análisis de diferentes líquidos con distintas polaridades (alcanos, alcoholes, polioles y agua) confinados en esferas mesoporosas de sílice con poros entre los 3 nm a los 30 nm. Tras estudios de tiempos de relajación, coeficientes de difusión y experimentos de ciclado rápido de campo se obtuvo información de la interacción de los diferentes líquidos con las matrices contenedoras. Se utilizaron dos equipos de RMN con frecuencia para 1H de 20 MHz, uno de ellos de campo homogéneo (Bruker Minispec) y otro un equipo de RMN unilateral con gradiente de campo magnético estático (Magritek NMR MOUSE PM5). Se vio que para confinamiento menor a 6 nm, las polaridades de los líquidos tienen un rol protagónico en la relajación y en la difusión molecular. Otro factor de gran interés para entender la dinámica de líquidos confinados es la evaporación de líquidos dentro de sistemas porosos. Estos procesos son bien conocidos y tienen gran dependencia con las porosidades de los sistemas, la permeabilidad de la matriz, las interacciones de los líquidos con las paredes y las interconexiones de los poros. Para introducirnos en estos fenómenos se realizaron estudios de procesos de evaporación en matrices porosas modelo. Con la utilización del equipo de RMN unilateral (NMR MOUSE) se realizó un estudio en función de la posición de la muestra, y al combinar esto con un proceso de evaporación espontánea se pudo conocer la dinámica de evaporación a lo largo de muestras con diferentes tamaños de poro. Además, con el uso del equipo de campo homogéneo Minispec se estudió el comportamiento microscópico del agua confinada durante un proceso de evaporación a través de los tiempos de relajación transversal T2 obtenidos en función del tiempo de evaporación. Los resultados permitieron realizar una caracterización de los diferentes sistemas correlacionando evaporación con diferentes tamaños e interconexiones de poros. Por último se estudió el sistema más desafiante, rocas de yacimientos de petróleo. Se estudiaron rocas de diferentes composiciones que poseen estructuras porosas con tamaños de poros que van desde las decenas de nanómetros hasta los cientos de micrómetros. Se estudiaron tres rocas de características diferentes, extraídas de distintos yacimientos, todas del tipo areniscas, dos de ellas de composición mayoritaria de silicatos y una de carbonatos las cuales saturaron completamente con agua destilada y se le realizaron estudios de tiempo de relajación a campo bajo con los que se pudo calcular la porosidad de las muestras, y además haciendo un análisis durante procesos de evaporación se obtuvieron tiempos característicos de gran importancia para la caracterización y el entendimiento de los procesos dinámicos del líquido confinado.