Modelación de la ecuación constitutiva de suspensiones de caolín en función de la energía libre superficial del mineral

Abstract

Resumen: En esta investigación se presentan los resultados experimentales y una posterior modelación matemática del efecto electroviscoso generado en suspensiones de arcillas caolinítcas. Se encuentra que este efecto electroviscoso es fuertemente gobernado por la energía libre superficial la cual es dependiente del pH de la suspensión. Además del efecto electroviscoso clásico analizado para fuerzas de cizalladura se obtiene la medida de la primera diferencia de esfuerzo normal (N1) en suspensiones de caolín, en fluido Newtoniano (agua), hecho que el autor no encontró reportado en la literatura consultada. Debido al tamaño micrométrico, forma y distribución de tamaño de las partículas de caolín, se determinó un estado de equilibrio para que la medición de la fuerza normal de las suspensiones de caolín fuera reproducible. La componente axial de la fuerza normal es registrada directamente en un reómetro rotacional convencional en estado estacionario con la geometría cono – plato de 4° y 40 mm de diámetro. La primera diferencia de esfuerzos normales, N1, dividida sobre la tasa de cizalla entrega un tipo de viscosidad denominada en esta investigación como viscosidad dilatante. Fueron analizadas geológicamente suspensiones de caolín con concentraciones volumétricas de solidos con fracciones variando desde 0,13 hasta 0,2 y compuestas por partículas con tamaños 60 μm, 40 μm y 20 μm. La viscosidad dilatante depende de los siguientes factores: (1) del líquido en que estén sumergidas las partículas de caolín, (2) de la tasa de cizalladura y (3) de la fracción volumétrica de sólidos. También se investigó el efecto del pH sobre la viscosidad dilatante y cizallante en suspensiones concentradas de caolín, para pH desde 2 hasta 12. La viscosidad dilatante y cizallante posee un comportamiento parabólico con respecto al pH de la suspension y se presenta también una forma de cuantificar la electroviscosidad en dichas suspensiones. Por último se propone una ecuación constitutiva compuesta por los esfuerzos normales y los esfuerzos cizallantes. Se presenta la modelación del esfuerzo y viscosidad dilatante y cizallante para suspensiones concentradas de caolín, en función de la tasa de cizalladura y de la concentracion volumetrica. Se modelo en tres dimensiones el esfuerzo y la viscosidad dilatante en función de la tasa de cizalladura, la concentracion de sólidos y el pH del sistema.

Abstract: In this study we present the experimental results and subsequent mathematical modeling of the electroviscous effect in kaolin clay slurries. This electroviscous effect is strongly governed by the surface free energy which varies with the suspension pH. Furthermore of the classic electroviscous effect analyzed to shear forces is obtained the primary normal stress difference (N1) in kaolin suspensions, in Newtonian fluid (water), which the author has not found reported in the literature. Was determined a state of equilibrium due to the fine size, shape and size distribution of the kaolin particles so that the measurement of the normal force of the kaolin is reproducible. The axial component of the normal force is recorded directly into a conventional rotational rheometer at steadystate with the geometry cone - plate of 4° and 40 mm in diameter. The first normal stress difference, N1, divided on the shear rate provides a type of viscosity called in the present work dilatant. Kaolin suspensions with solids volume concentrations from 0.13 to 0.2, composed of particles with sizes 60 microns 40 microns and 20 microns were rheologically analyzed. The dilatant viscosity depends on the following factors: (1) the liquid in which particles are immersed, (2) shear rate and (3) solid volume fraction. Furthermore have been investigated the pH effect in the range from 2 to 12, on shear viscosity and dilatant viscosity in concentrated kaolin suspensions. Dilatant and shear viscosity has a parabolic behavior with respect to pH suspension and is presents a way to quantify the electroviscosity in such suspensions. Finally, a constitutive equation composed of the normal and shearing stress have been proposed. The modeling of the first normal stress difference and dilatant viscosity for kaolin concentrated suspensions is presented, according to the shear rate and the volume concentration. The dilatant viscosity and shear viscosity for kaolin concentrated suspensions is modeled in three dimensions, according to the shear rate, solids concentration and system pH. Diferencia de esfuerzos normales, viscosidad dilatante, reología del caolín, electroviscosidad, pH, ecuación constitutiva y modelamiento Normal stress difference, dilatant viscosity, rheology of kaolin, electroviscosity, pH, constitutive equation and modeling.