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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.43.2020.tde-21022020-090829
Document
Author
Full name
Alexsander Ramos Duarte
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2015
Supervisor
Committee
Figueiredo Neto, Antonio Martins (President)
Agostinho, Silvia Maria Leite
Fernandes, Paulo Ricardo Garcia
Giacometti, José Alberto
Pontuschka, Walter Maigon
Title in Portuguese
Estudo do comportamento elétrico de soluções iônicas submetidas a campos elétricos, em frequências ultra-baixas
Keywords in Portuguese
Condutividade Iônica
Eletrolítos
Espectroscopia de Impedância
Fluidos Complexos
Frequência Ultra baixa.
Abstract in Portuguese
Neste trabalho utilizamos a técnica de espectroscopia de impedância para estudar o comportamento de soluções eletrolíticas quando submetidas a um potencial elétrico senoidal no intervalo de frequências de 1mHz a 30MHz. Para isso, utilizamos inicialmente água Milli-Q e aumentamos a concentração iônica pela adição de KCl. Apesar do extenso intervalo de frequências das medidas, damos ênfase aos resultados obtidos na região de baixas frequências, dominada por fenômenos de interface. As medidas foram feitas empregando eletrodos planos e circulares de materiais diferentes como, a¸co cirúrgico, titânio, ouro e platina, separados por diferentes distâncias d = 0,5; 1,0; 2,0; 3,0 e 4,0 mm. Nossos resultados experimentais são interpretados por meio de uma generalização do modelo Poisson-Nernst-Planck, onde consideramos um líquido isotrópico contendo dois grupos de íons limitados em ambos os lados por eletrodos Ôhmicos. De acordo com os nossos cálculos, na região de frequências baixas, a corrente Ôhmica, que é a dominante nessa região, começa a diminuir à medida que f diminui, causando um aumento na impedância. Para uma dada frequência a parte real da impedância R tende a valores próximos, qualquer que seja a espessura d da amostra e a parte imaginária da impedância ? apresenta um comportamento semelhante. Isto é um efeito de blindagem das camadas iônicas que se formam nas imediações dos eletrodos. Essas camadas se formam mais rapidamente quanto maior for o campo elétrico no interior da amostra. Por esse motivo o patamar de R começa em frequências maiores quanto menor for d. O modelo é capaz de descrever razoavelmente a impedância medida com os eletrodos de aço, titânio e ouro, mas desvia-se acentuadamente dos resultados com os eletrodos de platina. Apesar disso, acreditamos que a descrição teórica ´e boa, considerando o vasto intervalo de frequências e a extensão de concentrações de KCl empregadas nas soluções.
Title in English
Study of the electrical behavior of ionic solutions subjected to electric fields in ultra low frequencies
Keywords in English
Complex Fluids
electrolytes
Impedance Spectroscopy
Ionic Conductivity
Ultra low frequency
Abstract in English
In this work we use the impedance spectroscopy technique to study the behavior of electrolyte solutions when submitted to a sinusoidal electric potential in the frequency range from 1mHz to 30MHz. For this, we initially used Milli-Q water and we increase the ionic concentration by addition of KCl. Although the extensive frequency range of measurements, we emphasize the results obtained in the low frequency region, dominated by interface phenomena. The measurements were made by means of flat and circular electrodes of different materials as, surgical steel, Titanium, Gold and Platinum, separated by different distances d = 0,5 ; 1,0; 2,0; 3,0 e 4,0 mm. Our experimental results are interpreted by means of a generalization of the Nernst-Planck-Poisson model where it is considered an isotropic liquid containing two groups of ions limited on both sides by identical ohmic electrodes. In the results, we observe that in the low frequencies region, the Ohmic current, which is dominant in this region, begins to decrease as f decreases, causing an increase in the impedance. For a certain frequency the real part of impedance R tends to a values close, whatever the thickness d of the sample and the imaginary part of impedance ? has a similar behavior. This is due to a shielding effect of the ionic layer that is formed nearby of the electrodes. These layers are formed more quickly the higher the electric field within the sample. For this reason the plateau R starts at higher frequencies as smaller is d. The model is able to reasonably describe the impedance measured with electrodes steel, Titanium and Gold, but deviate markedly from the results with the electrodes of Platinum. Despite this, we believe that the theoretical description is good, considering the extensive range of frequencies and the extent of concentrations employed in KCl solutions.
 
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Publishing Date
2020-02-21
 
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  • BATALIOTO, F., et al. Dielectric dispersion of water in the frequency range from 10 mHz to 30 MHz [doi:10.1021/jp910114y]. Journal of Physical Chemistry B [online], 2010, vol. 114, p. 3467-3471.
  • BATALIOTO, F., et al. The influence of adsorption phenomena on the impedance spectroscopy of an electrolytic cell [doi:10.1140/epje/i2011-11010-3]. The European Physical Journal. E, Soft Matter [online], 2011, vol. 34, p. 10.
  • DUARTE, ALEXSANDER R., et al. Electric Impedance of a Sample of Dielectric Liquid Containing Two Groups of Ions Limited by Ohmic Electrodes: A Study with Pure Water [doi:10.1021/jp312284a]. Journal of Physical Chemistry. B [online], 2013, vol. 117, p. 2985-2991.
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