2026-04-16T01:57:39Zhttps://ebiltegia.mondragon.edu/oai/requestoai:ebiltegia.mondragon.edu:20.500.11984/70052026-03-17T08:32:53Zcom_20.500.11984_460col_20.500.11984_469
eBiltegia
advisor
Bou-Ali, M. Mounir
advisor
Aginagalde, Maialen
author
Errarte, Ane
2025-05-14T11:27:09Z
2025-05-14T11:27:09Z
2023
https://katalogoa.mondragon.edu/janium-bin/janium_login_opac.pl?find&ficha_no=188115
https://hdl.handle.net/20.500.11984/7005
The thermodiffusion phenomenon in liquid mixtures describes the induction of a
concentration gradient subjected to a temperature gradient due to the cross-coupling
effect of heat and mass transfer. In recent years, this phenomenon has aroused great
interest in the scientific community due to its potential in a broad field of applications.
However, in the case of multicomponent mixtures, in the absence of experimental data,
the underlying transport mechanisms are still unknown. Thus, the present doctoral thesis
focuses on thermodiffusion experiments in multi-component, namely, ternary mixtures
related to the Diffusion Coefficients Measurements in ternary mIXtures (DCMIX)
project, an international collaboration between the European Space Agency and several
research teams. The project aims to establish a reliable set of reference data for the
validation and calibration of present and future ground laboratory measurements and
prediction models.
In this framework, transport properties such as thermodiffusion, molecular diffusion and
Soret coefficients have been determined over several ternary systems. Four different
experimental techniques have been used during the course of this work. The
thermogravitational columns allowed to determine thermodiffusion coefficients of both
binary and ternary mixtures from steady-state measurements. Components unsteadystate
tracking, in addition, enabled determining the molecular diffusion coefficient in
binary mixtures, and the effective diffusion in ternary mixtures. Molecular diffusion
coefficients of both binary and ternary mixtures were determined by the Sliding
Symmetric Tubes technique. Moreover, during an international stay, diffusion and Soret
coefficients of binary and ternary mixtures were determined by the Optical Beam
Deflection (OBD) technique in the Physikalisches Institut of Universität Bayreuth
(Germany), while microgravity experiments of the fourth campaign of the DCMIX
project were performed by the Selectable Optical Diagnostic Instrument, SODI installed
inside the ISS.
The DCMIX1 mixture, THN|IBB|nC12 at a mass composition of 0.80|0.10|0.10 was used
to adapt the two-laser Mach-Zehnder interferometer (473.0 and 632.8 nm) into a threelaser
one (473.0, 543.0 and 632.8 nm). The unsteady-state analysis was tested in the
thermogravitational micro-column to determine the effective diffusion coefficient of
ternary mixtures by the quasi-binary approach. Also, the effect of the suitability of the
light sources was tested during steady-state concentration separation to determine the
thermodiffusion coefficients.
The stability during a thermodiffusion experiment by the Thermogravitational Technique
was tested at four different ternary mixtures of DCMIX2 system Tol|Meth|CH.
Experimental results were discussed with numerical and analytical models where the role
of cross-diffusion coefficients was considered on the thermogravitational behaviour.
Apart from hydrocarbon mixtures, thermodiffusion, molecular diffusion and Soret
coefficients of the aqueous mixture from DCMIX3, TEG|H2O|EtOH were determined at
a mean temperature of 30 °C and compared to OBD and microgravity experiments.
Given the attraction of fullerene, and the lack of properties of nanofluids in the literature,
thermodiffusion, molecular diffusion and Soret coefficients were analysed over the ternary
system C60|THN|Tol, tested in orbit during DCMIX4. The properties of this mixture were
analysed at four different temperatures, 20 °C, 25 °C, 30 °C and 35 °C, thus determining
the dependence on the average temperature. The results obtained in the Fluid Mechanics
laboratory of MGEP-MU and SODI were compared with those measured in other
terrestrial laboratories by Optical Digital Interferometry (ODI) and Optical Beam
Deflection techniques. Experiments in OBD also enabled to study transport properties of
the fullerene in five aromatic solvents: methylnaphthalene, toluene, o-xylene, m-xylene
and p-xylene. In this study, the effect of the number of cycles and methyl groups of the
molecular structures were analysed on the thermodiffusive behaviour.
Last, the hydrocarbon ternary system MN|Tol|nC10 was studied in a transversal and
integral manner, from different mass compositions of the ternary system to their
corresponding binary mixtures over the entire concentration range. Thermodiffusion,
molecular diffusion and Soret coefficients were determined for 15 binary subsystems and
their combinations into 10 ternary mixtures by different thermogravitational columns
and the Sliding Symmetric Tubes. This work has advanced the knowledge of the relation
between the transport properties of binary and ternary mixtures.
In summary, this PhD thesis provides important experimental data on the properties of
binary and ternary mixtures using different techniques (convective and non-convective)
and under different gravity conditions to feed the literature with new reference data,
providing an added value towards the understanding of transport mechanisms in
multicomponent mixtures.
Termodifusioaren fenomenoak deskribatzen du tenperatura gradiente baten menpeko
nahasketetan induzitzen den kontzentrazio gradientea zeina bero eta masa
transferentziaren akoplamendu-gurutzatuaren ondorioz sortzen den. Azken urteotan,
fenomeno horrek interes handia piztu du zientzialarien komunitatean, erabilgarritasun
potentzial zabala baitu askotariko eremuetan. Alabaina, osagai anitzeko nahasketetan,
datu esperimentalen faltan, oraindik ere ez dira argitu garraiorako barne mekanismoak.
Horiek horrela izanik, doktore-tesi honek osagai anitzeko termodifusio esperimentuak ditu
ardatz; zehazki, Diffusion Coefficients Measuremets in ternary miXtures (DCMIX)
proiektuari lotutako hiru osagaiko nahasketak. Proiektuak berak Europako Espazio
Agentziaren eta ikerketa talde ugariren arteko elkarlana du oinarri eta egungo eta
etorkizuneko Lurreko neurketen eta aurresate ereduen balioztatzerako eta kalibraziorako
erreferentziazko datu fidagarriak ezartzea helburu.
Marko horren baitan, hainbat sistema hirutarren garraio propietateak zehaztu dira, hala
nola, termodifusioa, difusio-molekularra eta Soret koefizienteak. Horretarako, lau teknika
esperimental baliatu dira lan honetan zehar. Termograbitazio zutabeek termodifusio
koefizientea zehaztu ahal izatea ahalbidetu dute nahasketa bitar zein hirutarretan, egoera
egonkorraren analisiaren bitartez. Halaber, nahasketa bitarren difusio-molekular
koefizientea eta nahasketa hirutarren difusio efektiboa ere zehaztu dira, egoera
ezegonkorrean sistemari egin zaion jarraipenaren bidez. Hala nahasketa bitarretan, nola
hirutarretan, difusio koefizientea Tutu Simetriko Irristakorren teknika baliatuta neurtu
da. Bayreutheko Unibertsitateko (Alemania) Physikalisches Instituten eginiko
nazioarteko egonaldian, difusio-molekular eta Soret koefizienteak Uhin Optikoen Deflexio
(OBD) bidez determinatu ziren, nahasketa bitar zein hirutarretan. Horiez gainera,
DCMIX proiektuaren laugarren kanpainan hainbat termodifusio esperimentu garatu
ziren mikrograbitatean, Nazioarteko Espazio Estazioko Diagnostikorako Instrumentu
Optiko Hautagarria (SODI) baliatuta.
DCMIX1eko, THN|IBB|nC12 0.80|0.10|0.10 masa konposizioa duen erreferentziazko
sistema baliatu da Mach-Zehnder interferometroa bi argi-iturritatik (473.0 eta 632.8 nm)
hiru laserrekora (473.0, 543.0 eta 632.8 nm) egokitzeko. Horren baitan, alde batetik,
egoera ezegonkorraren analisiaren bitartez nahasketaren difusio efektiboa neurtu da
termograbitazio mikro-zutabean, analisi kuasi-bitarrean hurbilpena eginda; bestetik, argiiturrien
eragina ikertu da termodifusio koefizienteen zehaztapenean.
Zutabe termograbitazionaletan egindako esperimentuetan nahasketa hirutarren
egonkortasuna egiaztatu da, DCMIX2 misioko Tol|Meth|CH sisteman oinarritutako lau
nahasketa hirutarretan. Esperimentuen emaitzak eredu numeriko eta analitikoetan
oinarriturik eztabaidatu dira, difusio-gurutzatuak portaera termograbitazionalean duen
eragina aintzatetsita.
Hidrokarburo nahasketez harago, DCMIX3 kanpainako, TEG|H2O|EtOH, nahasketa
akuosoaren termodifusio, difusio-molekular eta Soret koefizienteak zehaztu dira, batez
besteko 30 °C-ko tenperaturan eta emaitzak OBD eta mikrograbitatean eginiko
esperimentuekin alderatu.
Fullerenoak duen erakargarritasunak eta literaturan nanofluidoen garraio propietateen
gaineko hutsuneak eraginda, termodifusio, difusio-molekular eta Soret koefizienteak
analizatu dira, C60|THN|Tol sistema hirutarraren baitan, orbitan, DCMIX proiektuan.
Nahasketa horren propietateak lau tenperaturatan ikertu dira: 20 °C, 25 °C, 30 °C eta
35 °C. Era horretara determinatu dira propietate horien menpekotasunak batez besteko
tenperaturarekiko. MGEP-MUko Fluidoen Mekanikako laborategian eta SODIn
eskuratutako emaitzak Interferometria Optiko Digitala (ODI) eta Uhin Optikoen
Deflexioa baliatzen duten beste laborategien emaitzekin alderatu ziren. Gainera, OBD
teknikak fullerenoaren garraio propietateak aztertzea ahalbidetu du bost disolbatzaile
aromatikotan: metilnaftalenoa, toluenoa, o-xilenoa, m-xilenoa eta p-xilenoa. Ikerketa
honetan, molekulen zikloen kopuruak eta egituretako metilo taldeek termodifusioaren
jokabidean duten eragina aztertu da.
Azkenik, MN|Tol|nC10 hidrokarburo hirutarren sistema ikertu da era transbertsalean eta
integralean, sistema hirutarraren hainbat kontzentraziotatik azpisistemak osatzen
dituzten nahasketa bitarretara, hauen kontzentrazio eremu osoa ikertuz. Termodifusioa,
difusio-molekularra eta Soret koefizienteak zehaztu dira 15 azpi-sistema bitarretan eta 10
nahasketa hirutarretan, termograbitazio zutabeen eta Tutu Simetriko Irristakorren
bitartez. Lan honen bidez, nahasketa bitar eta hirutarren arteko garraio propietateen
korrelazioa egiaztatu da.
Laburbilduz, doktore-tesi honek osagai anitzeko nahasketen garraio propietateen datu
esperimental garrantzitsuak eskaintzen ditu hainbat teknika (konbektiboak eta ezkonbektiboak)
grabitate eremu ezberdinetan erabiliz. Bibliografia erreferentziazko datu
berriez elikatzen du, osagai anitzeko nahasketen garraio mekanismoen ezagutzan ekarpen
berriak eginaz.
El fenómeno de la termodifusión describe la inducción de un gradiente de concentraciones
en el seno de una mezcla sujeta a un gradiente de temperatura, debido al acoplamiento
cruzado de la transferencia de calor y masa. En los últimos años, el citado fenómeno ha
suscitado un interés considerable en la comunidad científica por su utilidad potencial en
diversos ámbitos. Pese a ello, a falta de datos experimentales, se desconocen los
mecanismos de transporte internos en las mezclas multicomponentes, y, por consiguiente,
esta tesis doctoral se centra en el análisis del fenómeno de la termodifusión en mezclas
multicomponentes; concretamente, en mezclas ternarias que se enmarcan en el proyecto
Diffusion Coefficients Measuremets in ternary miXtures (DCMIX), un proyecto que se
basa en la colaboración entre la Agencia Espacial Europea y varios grupos de
investigación. Dicho proyecto trata establecer un conjunto de datos de referencia fiables
para la validación y calibración de mediciones y modelos de predicción terrestres.
En el marco establecido se han determinado las propiedades de transporte de diversos
sistemas ternarios tales como la termodifusión, la difusión molecular y el coeficiente Soret.
Para ello, se ha hecho uso de cuatro técnicas. Las columnas termogravitacionales han
posibilitado determinar los coeficientes de termodifusión tanto en las mezclas binarias
como en las ternarias, mediante el análisis en el estado estacionario. A su vez, mediante
el estudio transitorio, se ha podido determinar el coeficiente de difusión molecular en las
mezclas binarias y la difusión efectiva en el caso de las ternarias. Asimismo, se han
determinado los coeficientes de difusión molecular en mezclas binarias y ternarias a través
de la técnica de Tubos Simétricos Deslizantes. Durante la estancia internacional en el
Physikalisches Institut de Universität Bayreuth (Alemania) también se llegaron a
establecer los coeficientes Soret utilizando la técnica de Ondas Ópticas Deflectivas
(OBD), tanto para mezclas binarias como ternarias. Además, se han realizado
experimentos en microgravedad en la cuarta campaña del proyecto DCMIX con el
Instrumento para el Diagnóstico Óptico Seleccionable (SODI) instalado dentro de la
Estación Espacial Internacional.
El sistema de referencia de DCMIX1, THN|IBB|nC12 con una composición másica de
0.80|0.10|0.10 se ha empleado para adaptar el interferómetro Mach-Zehnder de dos
fuentes de luz (473.0 y 632.8 nm) a un sistema de tres láseres (473.0, 543.0 y 632.8 nm).
Los análisis en estado transitorio que se han realizado en la microcolumna
termogravitacional permiten determinar el coeficiente de la difusión efectiva de las
mezclas ternarias abordándolo mediante el análisis cuasi-binario; y, a su vez, se ha
comprobado la idoneidad de las fuentes de luz durante los análisis de separación de
concentraciones en el estado estacionario con el objeto de determinar los coeficientes de
termodifusión.
Durante los experimentos de termodifusión se ha testado la estabilidad para la técnica
termogravitacional, en cuatro mezclas ternarias basadas en el sistema Tol|Meth|CH de
la misión DCMIX2. Los resultados experimentales se han discutido con modelos
numéricos y analíticos en los que se ha considerado la importancia del efecto de los
coeficientes de difusión cruzada sobre el comportamiento termogravitacional.
Además de las mezclas de los hidrocarburos, se han determinado los coeficientes de
termodifusión, difusión molecular y Soret de la mezcla acuosa de DCMIX3
TEG|H2O|EtOH a una temperatura media de 30 °C, y se han comparado con los
experimentos realizados mediante OBD y en microgravedad.
Dado el atractivo del fullereno, y la laguna que existe en la literatura sobre las
propiedades de transporte de los nanofluidos, se han analizado la termodifusión, la
difusión molecular y los coeficientes Soret dentro del sistema ternario C60|THN|Tol, en
órbita, durante la misión DCMIX4. Las propiedades de estas mezclas se han estudiado
en cuatro temperaturas, 20 °C, 25 °C, 30 °C y 35 °C, para determinar la dependencia con
la temperatura media. Los resultados obtenidos en el laboratorio de Mecánica de Fluidos
de MGEP-MU y SODI han sido comparados con aquellos que se midieran en otros
laboratorios terrestres mediante la Interferometría Óptica Digital y OBD. Asimismo, los
experimentos llevados a cabo con la técnica OBD han posibilitado el estudio de las
propiedades de transporte del fullereno en cinco disolventes aromáticos: metilnaftaleno,
tolueno, o-xileno, m-xileno y p-xileno. En este estudio se ha analizado la influencia del
número de los anillos y los grupos de metilo de las moléculas sobre los coeficientes de
difusión.
Por último, el sistema ternario de los hidrocarburos MN|Tol|nC10 ha sido analizado de
una manera transversal e integral, desde diferentes concentraciones del sistema ternario
hasta sus mezclas binarias correspondientes en todo el rango de concentraciones. Se han
determinado la termodifusión, difusión molecular y los coeficientes Soret para 15
subsistemas binarios y 10 mezclas ternarias a través de columnas termogravitacionales y
la técnica de Tubos Simétricos Deslizantes. Con este trabajo se ha confirmado la
correlación que existe entre las propiedades de transporte de las mezclas binarias y
ternarias.
En resumen, esta tesis doctoral aporta importantes datos experimentales sobre las
propiedades de mezclas binarias y ternarias utilizando diferentes técnicas (convectivas y
no convectivas) y en diferentes condiciones de ingravidez para alimentar la bibliografía
con nuevos datos de referencia, proporcionando un valor añadido hacia la compresión de
los mecanismos de transporte en mezclas multicomponentes.
eng
© Ane Errarte Yarza
Analysis of transport mechanisms in multicomponent liquid mixtures and nanofluids in ground laboratories and microgravity
http://purl.org/coar/resource_type/c_db06

EBILTEGIA-N, MONDRAGON UNIBERTSITATEKO GORDAILU IREKIAN, MATERIALAK UZTEKO ERABILERA LIZENTZIA ETA ESKUBIDEEN LAGAPEN EZ-ESKLUSIBOA

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