Esta dissertação apresenta um estudo experimental sobre o transporte de massa de nanopartículas magnéticas induzido por um gradiente de temperatura, denominado termodifusão. A técnica de Varredura-Z é utilizada para gerar o aumento de temperatura na região irradiada pelo laser Gaussiano e formar o gradiente de temperatura. A sequente migração de nanopartículas é caracterizada pelo gradiente de concentração gerado no estado estacionário do fluxo de partículas, definindo o coeficiente Soret ST. O objetivo deste trabalho é verificar a variação de ST com o tamanho médio d0 das nanopartículas de ferrofluidos eletrostaticamente carregados em solução ácida. A dependência de ST com d0 surge do coeficiente de difusão de massa, explicando a dependência linear encontrada experimentalmente. Nestes materiais, a migração de nanopartículas ocorre para a região quente da amostra. Mostramos que este comportamento ocorre pela diminuição da carga superficial da nanopartícula na parte mais quente da amostra, diminuindo a repulsão eletrostática. A influência dos íons presentes na solução é obtida através da mudança na amplitude de ST com a diminuição do pH na amostra. Uma previsão teórica, baseada na eletrostática da dupla camada elétrica, concorda com estes dados considerando alta blindagem eletrostática das nanopartículas e a diminuição da carga superficial com o aumento da temperatura. / This dissertation presents an experimental study about the mass transport of magnetic nanoparticles induced by a temperature gradient, called thermodiffusion. The Z-scan technique is used to generate the temperature increasing in the region irradiated by the Gaussian laser beam and create the temperature gradient. The following nanoparticles migration is characterized by the concentration gradient of the stationary particles flux, defining the Soret coefficient ST. The aim of this work is to obtain the variation of ST with the average size d0 of electrostatically charged ferrofluid nanoparticles in acidic solution. The ST dependence with d0 comes from the mass diffusion coefficient, in agreement with the linear dependence found experimentally. In these materials the nanoparticles migration occurs to the hot region of the sample. We show that this behavior is owing to the reduction of the nanoparticle´s surface charge in the hottest region of the sample, decreasing electrostatic repulsion. The influence of the ions from solution is obtained through the change in ST amplitude with reduction of the samples pH. A theoretical prediction, based in the electrostatic of the double layer, agrees with this data considering a high screening of the nanoparticles and decreasing of the surface charge with temperature increasing.

Esta dissertação apresenta um estudo experimental sobre o transporte de massa de nanopartículas magnéticas induzido por um gradiente de temperatura, denominado termodifusão. A técnica de Varredura-Z é utilizada para gerar o aumento de temperatura na região irradiada pelo laser Gaussiano e formar o gradiente de temperatura. A sequente migração de nanopartículas é caracterizada pelo gradiente de concentração gerado no estado estacionário do fluxo de partículas, definindo o coeficiente Soret ST. O objetivo deste trabalho é verificar a variação de ST com o tamanho médio d0 das nanopartículas de ferrofluidos eletrostaticamente carregados em solução ácida. A dependência de ST com d0 surge do coeficiente de difusão de massa, explicando a dependência linear encontrada experimentalmente. Nestes materiais, a migração de nanopartículas ocorre para a região quente da amostra. Mostramos que este comportamento ocorre pela diminuição da carga superficial da nanopartícula na parte mais quente da amostra, diminuindo a repulsão eletrostática. A influência dos íons presentes na solução é obtida através da mudança na amplitude de ST com a diminuição do pH na amostra. Uma previsão teórica, baseada na eletrostática da dupla camada elétrica, concorda com estes dados considerando alta blindagem eletrostática das nanopartículas e a diminuição da carga superficial com o aumento da temperatura. / This dissertation presents an experimental study about the mass transport of magnetic nanoparticles induced by a temperature gradient, called thermodiffusion. The Z-scan technique is used to generate the temperature increasing in the region irradiated by the Gaussian laser beam and create the temperature gradient. The following nanoparticles migration is characterized by the concentration gradient of the stationary particles flux, defining the Soret coefficient ST. The aim of this work is to obtain the variation of ST with the average size d0 of electrostatically charged ferrofluid nanoparticles in acidic solution. The ST dependence with d0 comes from the mass diffusion coefficient, in agreement with the linear dependence found experimentally. In these materials the nanoparticles migration occurs to the hot region of the sample. We show that this behavior is owing to the reduction of the nanoparticle´s surface charge in the hottest region of the sample, decreasing electrostatic repulsion. The influence of the ions from solution is obtained through the change in ST amplitude with reduction of the samples pH. A theoretical prediction, based in the electrostatic of the double layer, agrees with this data considering a high screening of the nanoparticles and decreasing of the surface charge with temperature increasing.

[pt] Parafinas de alto peso molecular presentes no petróleo escoando em ambientes de baixa temperatura cristalizam-se e depositam-se nas paredes internas dos dutos, ocasionando a redução da taxa de escoamento e o aumento do custo de produção, podendo levar até mesmo ao bloqueio das linhas de transporte. O processo de deposição é complexo e envolve conhecimento multidisciplinar, de modo que diferentes abordagens têm sido propostas para a sua modelagem. O principal objetivo deste trabalho foi investigar o fenômeno de deposição de parafina em uma geometria simples, com condições bem controladas, utilizando uma abordagem numérica e experimental, com foco no melhor entendimento dos mecanismos que induzem a deposição, a formação dos depósitos e seu envelhecimento. Experimentalmente, foram conduzidos testes com fluidos de laboratório que permitiam a visualização e a medição da evolução espacial e temporal de depósitos de parafina formados sob escoamentos laminar e turbulento. Numericamente, foi desenvolvido um modelo multicomponente para escoamento laminar, chamado de entalpia-porosidade. Tanto a espessura quanto a composição do depósito foram determinadas através de um modelo termodinâmico acoplado às equações de conservação de massa, de quantidade de movimento linear, de energia e de espécies. Os resultados indicaram que o efeito Soret não influencia a deposição de parafina. A espessura do depósito foi bem avaliada numericamente para regime permanente, apresentando diferenças na sua evolução temporal. O modelo composicional desenvolvido fornece importantes dados além da espessura depositada, como a temperatura inicial de aparecimento de cristais (TIAC) e o número de carbono crítico (NCC) do sistema, ampliando a previsão do processo de deposição com informações sobre a composição e o envelhecimento do depósito. As investigações numéricas mostraram que maiores taxas de cisalhamento e temperaturas da parede resultam em depósitos menos espessos. Mostrou-se também que maiores taxas de cisalhamento resultam em depósitos mais densos, e que maiores temperaturas da parede tendem a aumentar a saturação de sólido na região intermediária do depósito. / [en] High molecular weight paraffins crystallize and deposit on the inner walls of production lines and oil pipelines operating in cold environments, causing reductions in flow rate, increase of the production cost, or even the total blockage of the transport lines. Wax deposition is a complex process involving multidisciplinary knowledge, so that different approaches have been proposed for its modeling. The primary purpose of this work was to investigate the wax deposition process in a simple geometry under well-controlled conditions, using a numerical and experimental approach, focusing on a better understanding of the phenomena controlling the wax deposition, the formation of the deposit and its aging. Controlled experiments were conducted using laboratory solutions which allowed visualization and measurement of the spatial and temporal evolution of wax deposits under laminar and turbulent flows. A multicomponent model for laminar flow, called enthalpy-porosity, was developed. The thickness and composition of the deposit were determined by a thermodynamic model coupled with conservation equations of mass, linear momentum, energy and species. The results indicated that the Soret effect does not contribute to wax deposition. The thickness of the deposit was well predicted by the numerical model for steady state, presenting, however, differences in its temporal evolution. The multicomponent model developed provides valuable information in addition to the deposited thickness, such as the wax appearance temperature (WAT) and the critical carbon number (CCN) of the wax-oil system. These are relevant information for the prediction of the deposit composition and the aging process. The numerical results demonstrated that higher flow rates and wall temperatures lead to thinner deposits. It was also shown that the deposit wax content is higher for higher shear rates, while higher wall temperatures lead to higher solid content in the intermediate region of the deposit.