Dispositivo de difusión molecular (20) para determinar el coeficiente de difusión molecular de mezclas líquidas a temperatura constante y a presión atmosférica,

y un método de obtención de dicho coeficiente. El dispositivo (20) comprende un primer tubo (4a), que contiene una primera mezcla, roscado a una primera placa (6), un segundo tubo (4b), que contiene una segunda mezcla, roscado a una segunda placa (8), y una placa de amarre (5) que ejerce un apriete entre ambas placas (6, 8), dispuesta fijada a la segunda placa (8) y que guía el desplazamiento de la primera placa (6) con respecto a la segunda placa (8) siendo la segunda placa (8) fija, entre una primera posición en la cual el primer tubo (4a) y el segundo tubo (4b) se disponen separados, y una segunda posición en la cual el primer tubo (4a) y el segundo tubo (4b) se disponen enfrentados

Un dispositivo de difusión molecular para determinar el coeficiente de difusión molecular de mezclas líquidas a presión atmosférica y a temperatura constante, y un método de obtención del coeficiente de difusión molecular.

Sector de la técnica

El propósito de esta invención es desarrollar un dispositivo de difusión molecular para determinar el coeficiente de difusión molecular de mezclas líquidas a temperatura constante y a presión atmosférica, y un método de obtención del coeficiente de difusión molecular.

Estado anterior de la técnica

En el siglo XIX surgió la necesidad de estudiar el fenómeno de la difusión, inicialmente en gases, por aquellos que buscaban una comprensión del comportamiento de los átomos. Posteriormente, en líquidos, por aquellos que estaban interesados especialmente en la medicina y quienes buscaban entender el fenómeno de transporte de materia en la fisiología. Thomas Graham fue el primero en obtener una serie de conclusiones en cuanto a la difusión en gases gracias a los experimentos que llevó a cabo, aunque en ningún momento habló del coeficiente de difusión molecular de los gases. No fue hasta 1855 cuando Adolf Eugen Fick expresó este fenómeno de forma cuantitativa con una ley conocida hoy en día como la primera ley de Fick:

donde J₁ es el flujo de un componente 1, c₁ es la concentración del componente 1, x es la distancia y D₁ es el coeficiente de difusión molecular. Como se puede observar la ley de Fick establece una proporcionalidad entre el flujo de un componente y su gradiente de concentración. Al combinar la primera ley de Fick con la ley de conservación de masa, se obtiene lo que se conoce como la segunda ley de Fick:

Un año después del descubrimiento de Fick de la ley de difusión molecular u ordinaria, C. Ludwig descubrió el fenómeno de la termodifusión donde un gradiente de temperatura ocasionaba una redistribución de la concentración. Veinte años después, Charles Soret determinó una magnitud relevante, conocida como el coeficiente de Soret (EC3), que describe el fenómeno de la termodifusión y que se define matemáticamente como:

donde D_T es el coeficiente de difusión térmica, y D es el coeficiente de difusión molecular.

La combinación de ambos coeficientes puede ayudar a la comprensión de la naturaleza de las fuerzas intermoleculares.

Numerosos investigadores resaltan la importancia de la difusión molecular u ordinaria no sólo para profundizar en la comprensión de los procesos de transporte en líquidos sino que a su vez destacan el rol que juega en numerosos procesos bioquímicos como la diálisis o la cristalización, particularmente la difusión de proteínas en numerosas aplicaciones en vivo, laboratorio, médicas o de fabricación o en otros procesos como la destilación. También es de interés en la industria del petróleo desde que la difusión juega un papel interesante en los procesos de desplazamiento en rocas porosas.

En los últimos años el conocimiento de las propiedades de transporte ha sido utilizado para caracterizar polímeros y estudiar su comportamiento bajo gradientes térmicos, así mismo en los ferrofluidos y ferrocoloides.

El conocimiento de estas propiedades de transporte nos permitirá una mejor modelización de los procesos en los cuales estos juegan un rol importante como la explotación petrolífera o diversos procesos bioquímicos.

Son conocidos diferentes métodos para determinar las propiedades de transporte como por ejemplo el método termogravitacional, con el cual se determina el coeficiente de difusión térmica D_T de una mezcla líquida.

Para poder determinar el coeficiente Soret (EC3) es necesario conocer además el coeficiente de difusión molecular D que puede ser determinado por medio de diferentes métodos conocidos. Así pues, numerosos investigadores han utilizado una "célula de diafragma" para determinar el coeficiente de difusión molecular de una mezcla líquida tanto en mezclas binarias como en ternarias. Este método fue inventado por R.H. Stokes. Principalmente, consiste en dos compartimentos separados por una membrana o por un vidrio poroso. Inicialmente, se introducen dos soluciones de diferente concentración, y pasado cierto tiempo se vacían los compartimentos para medir las dos concentraciones.

Otros métodos muy utilizados son los que emplean la refractometría como sistema de medida, es decir, observan cómo cambia el índice de refracción en función del tiempo para poder determinar el coeficiente de difusión molecular de la mezcla. Entre estos métodos se encuentran el interferómetro de Mach-Zender, el interferómetro de Gouy, o el conocido como TDFRS (siglas correspondientes a Thermal Diffusion Forced Rayleigh Scattering).

Existen también otros métodos más específicos para el tipo de mezcla a analizar como por ejemplo el método de conductancia de Harned que ha sido utilizado para determinar el coeficiente de difusión molecular de mezclas electrolíticas, así como otros métodos más sofisticados como la Resonancia Magnética Nuclear, también conocido como NRM (siglas correspondientes a Nuclear Magnetic Resonance).

Un método más económico, poco complejo y muy empleado por su sencillez, es el método de la célula de tubo-capilar de extremo abierto, también conocido como OEC (siglas correspondientes a Open-Ended Capillary cell method). Este método consiste en introducir una serie de tubos con una concentración inicial c₀ en un baño de concentración c_infty. La concentración c_infty. del baño es considerada constante a lo largo de todo el ensayo ya que el volumen de dicha concentración c_infty. es muy superior al de todos los tubos juntos. Debido al gradiente de concentración entre los tubos y el baño se da origen a la difusión molecular, es decir, los tubos intentan igualar la concentración del baño. El ensayo se realiza a temperatura constante. Cada cierto tiempo se extrae un tubo del baño y se analiza su concentración. El análisis de la variación de la concentración en función del tiempo permite determinar el coeficiente de difusión molecular.

El método OEC tiene una serie de inconvenientes que se describirán a continuación. Este método OEC no es muy preciso con mezclas líquidas volátiles ya que el sistema no está herméticamente cerrado y la mezcla puede evaporarse a medida que avanza el ensayo. Esto conlleva a que la concentración no varíe solamente debido al fenómeno de la difusión sino que también debido a la evaporación.

Por otra parte, a la hora de hacer las extracciones de los tubos se perturba el ensayo, ya que para medir la concentración de un tubo hay que extraer ocho tubos a la vez debido a que éstos están en una misma base, y el buen resultado del ensayo depende en cierta medida de la pericia del experimentador. Además, hay que extraer los tubos cada cierto tiempo, por ejemplo cada ocho horas, lo que supone que una persona tiene que estar presente cada ocho horas a lo largo de varios días que es el tiempo que suelen durar estos ensayos.

Por último, hay que tener en cuenta que el volumen que se utiliza en los baños tiene que ser bastante grande para poder considerar que su concentración sea constante a lo largo de todo el experimento.

Exposición de la invención

El objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo de difusión molecular para determinar el coeficiente de difusión molecular de mezclas líquidas a temperatura constante y a presión atmosférica, y un método de obtención del dispositivo de difusión.

El dispositivo de difusión molecular comprende un primer tubo que contiene una primera mezcla dispuesto roscado a una primera placa, un segundo tubo que contiene una segunda mezcla, dispuesto roscado a una segunda placa, una placa de amarre atornillada a la segunda placa, que ejerce un apriete entre la primera y segunda placas, que se dispone atornillada a la segunda placa y que guía el desplazamiento de la primera placa con...

1. Dispositivo de difusión molecular para determinar el coeficiente de difusión molecular de mezclas líquidas a temperatura constante y a presión atmosférica caracterizado porque comprende un primer tubo (4a) que contiene una primera mezcla, dispuesto roscado a una primera placa (6), un segundo tubo (4b) que contiene una segunda mezcla, dispuesto roscado a una segunda placa (8), y una placa de amarre (5) que ejerce un apriete entre la primera placa (6) y la segunda placa (8), que se dispone atornillada a la segunda placa (8) y que guía el desplazamiento de la primera placa (6) con respecto a la segunda placa (8), siendo la segunda placa (8) fija, entre una primera posición en la cual el primer tubo (4a) y el segundo tubo (4b) se disponen separados, y una segunda posición en la cual el primer tubo (4a) y el segundo tubo (4b) se disponen enfrentados.

2. Dispositivo de difusión molecular según la reivindicación anterior, que comprende una placa de teflón (7) dispuesta entre la primera placa (6) y la segunda placa (8), fijada a la primera placa (6).

3. Dispositivo de difusión molecular según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada tubo (4a,4b) comprende un elemento de cierre (15) en uno de los extremos.

4. Dispositivo de difusión molecular según la reivindicación anterior, en donde el elemento de cierre (15) comprende un primer tapón (3) acoplado al tubo (4a, 4b) correspondiente, un segundo tapón (2) acoplado al primer tapón (3), y un tercer tapón (1) que realiza el apriete del primer tapón (3) y del segundo tapón (2) contra el tubo (4a, 4b) correspondiente.

5. Dispositivo de difusión molecular según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la primera placa (6) tiene una pieza lateral (10) que permite, mediante el giro de un tornillo (11), desplazar dicha primera placa (6) entre la primera posición y la segunda posición.

6. Dispositivo de difusión molecular según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el movimiento de desplazamiento de la primera placa (6) con respecto a la segunda placa (8) es deslizante.

7. Dispositivo de difusión molecular según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye un tope (9) contra el cual hace tope la primera placa (6) cuando el dispositivo de difusión molecular (20) se dispone en la segunda posición.

8. Método de obtención del coeficiente de difusión molecular de unas mezclas líquidas a temperatura constante y a presión atmosférica implementado en un dispositivo de difusión molecular (20) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende las siguientes etapas: