Modelagem multiescala de fenômenos eletrocinéticos em meios porosos carregados eletricamente: aplicação a meios porosos argilosos

In this master thesis, we propose a multiscale mathematical and computational model for electrokinetic phenomena in porous media electrically charged. We consider a porous medium rigid and incompressible saturated by an electrolyte solution containing four monovalent ionic solutes completely diluted in the aqueous solvent. Initially we developed the modeling electrical double layer how objective to compute the electrical potential, surface density of electrical charges and considering two chemical reactions, we propose a 2-pK model for calculating the chemical adsorption occurring in the domain of electrical double layer. Having the nanoscopic model, we deduce a model in the microscale, where the electrochemical adsorption of ions, protonation/ deprotonation reactions and zeta potential obtained in the nanoscale, are incorporated through the conditions of interface uid/solid of the Stokes problem and transportation of ions, modeled by equations of Nernst-Planck. Using the homogenization technique of periodic structures, we develop a model in macroscopic scale with respective cells problems for the e ective macroscopic parameters of equations. Finally, we propose several numerical simulations of the multiscale model for uid ow and transport of reactive ionic solute in a saturated aqueous solution of kaolinite. Using nanoscopic model we propose some numerical simulations of electrochemical adsorption phenomena in the electrical double layer. Making use of the nite element method discretize the macroscopic model and propose some numerical simulations in basic and acid system aiming to quantify the transport of ionic solutes in porous media electrically charged.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Nesta dissertação de mestrado, propomos uma modelagem computacional multiescala de fenômenos eletrocinéticos em meios poroso carregados eletricamente. Consideramos um meio poroso rígido e incompressível saturado por uma solução eletrolítica contendo quatro solutos iônicos monovalentes totalmente diluídos no solvente.Inicialmente, desenvolvemos a modelagem da dupla camada elétrica com a intenção de computar o potencial elétrico, densidade superficial de cargas elétricas e, considerando duas reações químicas, propomos um modelo 2-pK para calcular as adsorções químicas que ocorrem no domínio da dupla camada elétrica. De posse do modelo nanoscópico, desenvolvemos um modelo na microescala, onde as adsorções eletroquímicas de íons no domínio da camada dupla, reações de protonação/deprotonação e potencial zeta obtidos na escala nanoscópica, são incorporados ao modelo na escala microscópica através das condições de interface fluido/sólido do problema de Stokes e no transporte dos íons, modelado pelas equações de Nerst-Planck. Usando a técnica de homogeneização de estrutura periódicas juntamente com a hipótese de periodicidade do meio, deduzimos um modelo na escala macroscópica com respectivos problemas de células para os parâmetros efetivos das equações macroscópicas.Finalmente, fazendo uso do modelo 2-pK, simulamos os fenômenos de adsorções eletroquímicas em uma caulinita saturada por uma solução aquosa na micro escala. Em seguida fazemos duas simulações macroscópicas em regimes ácidos e básico com a intensão de observar a influência dos fenômenos na escala nano/microscópica sobre a macroescala.