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• W1570502950 abstract "Thermodynamic studies and applications of polymericmembranes to fuel cells and microcapsulesLuizildo Pitol FilhoAs raw materials, polymers have wide applications in chemical engineering,especially in novel technologies, such as membranes. Polymeric membranesare structures formed from organic solutions once the solvent is removed eitherby evaporation or by the addition of a non-solvent. Flat-sheet membranes areformed when a thin layer of polymeric solution is deposited over a glass plate.To form dense membranes, just evaporation of the solvent is needed. On theother hand, if the polymeric film is immersed into a non-solvent (usually water),porous structures are formed. A similar mechanism may produce microcapsules.However, in this case, an important step is the formation of droplets ofpolymeric solution, either in batch mode or by using micromixers.Thermodynamics may be used as an assessing tool to improve theunderstanding of the processes mentioned above and to allow furtheroptimization. Important thermodynamic properties for polymers are the cohesionparameters and the Flory-Huggins interaction parameters. For a givencomponent, the cohesion parameter may be also expressed as the resultant ofthe three-dimensional vector that includes dispersion, polar and hydrogenbondingeffects. The binary Flory-Huggins interaction parameter between apolymer and a penetrant is a function of the cohesion parameters of bothcomponents, and is related to their affinity, being useful for predictions ofswelling degree of membranes, phase equilibria and even transport throughpolymeric structures. The literature lists several methods to calculate each ofthose properties, and the choice of the most adequate one for a determinedcase is a determinant step. Theories of transport through polymers need, apartfrom the thermodynamic contribution, a free-volume term, which is related to thespace between polymeric molecules that is available for mass transfer, wherepenetrant molecules diffuse. A very-well accepted macroscopic approach forsuch process is the Vrentas-Duda model, that uses intrinsic properties of thecomponents, such as viscosity (for penetrants) and relaxation times (forpolymers) to obtain transport parameters, allowing to derive comprehensivemodels for both simulation and optimization of membrane processes, amongothers. In fuel cell systems, for example, the free-volume theory may be appliedto choose a polymer with determined properties, allowing a better consumptionof fuel, for example. Also those theories may contribute to the knowledge of theintrinsic formation of the membrane. This thesis deals with the knowledge ofintrinsic properties of chemical components, such as solvents and polymers, tounderstand transport properties of the materials produced from those chemicals.By using free-volume theory and a thermodynamic approach we were able topredict several kinds of data, such as swelling degree of membranes andternary equilibrium data, recommend materials for fuel cell membranes, andeven give hints about the formation of polymeric membrane structures. Wepoint out that our predictions require very few experimental or adjustableparameters.Thermodynamic studies and applications of polymeric membranes to fuel cellsand microcapsulesLuizildo Pitol FilhoLos polimeros tienen diversas aplicaciones en la ingenieria quimica,especialmente en tecnologias novedosas, como membranas. Membranaspolimericas son estructuras formadas a partir de dissoluciones organicas,cuando se retira el solvente por evaporacion o bien por extraccion con un nosolvente.Cuando se deposita la solucion polimerica sobre una lamina, sepueden obtener membranas planas. En este caso, si se procede a la puraevaporacion del solvente, se forman estructuras densas. Por otro lado, si sesumerge la pelicula polimerica en un no-solvente (en general, agua), se formanestructuras porosas. El mecanismo de produccion de microcapsulas es similar,pero en este caso una etapa importante es la formacion de goticulas dedisolucion polimerica, lo que se puede hacer o bien en modo batch o bienutilizando micromezcladores. Se puede utilizar la termodinamica como unaherramienta para comprender mejor los mecanismos de los dichos procesos, loque permitiria su optimizacion. Propiedades termodinamicas importantes de lospolimeros son los parametros de cohesion y los parametros de interaccion deFlory-Huggins. Para un dado componente, su parametro de cohesion se puedeexpresar como el resultante de un vector que incluye efectos de dispersion,polares, y de puentes de hidrogeno. El parametro de interaccion binaria deFlory-Huggins, entre un polimero y un penetrante, es una funcion de losparametros de cohesion de los dos componentes, y se relaciona con suafinidad reciproca, siendo de esta forma util para predicciones de grado deinchamiento de membranas, equilibrio de fases y tambien del transporte deespecies quimicas en estructuras polimericas. Las teorias de transporte enpolimeros necesitan, aparte de la contribucion termodinamica, un termo devolumen libre, que se relaciona con el espacio libre entre las moleculas, queesta disponible para la transferencia de masa, donde se difunden lasmoleculas del penetrante. Una teoria macroscopica de buena aceptacion en laliteratura es el modelo de Vrentas-Duda, que utiliza propiedades intrinsecas delos componentes, como viscosidad (para los penetrantes) y tiempos derelajacion (para los polimeros) para la obtencion de los parametros detransporte, lo que permite derivar modelos matematicos tanto para lasimulacion como para la optimizacion de los procesos de membranas. Ensistemas de pilas de combustible, por ejemplo, la teoria de volumen librepuede ser utilizada para elegir un polimero con determinadas propiedades,permitiendo mejorar el consumo del combustible. Tales teorias tambienpueden contribuir para el conocimiento de la formacion de la membrana. Estatesis se centra en el conocimiento de las propiedades intrinsecas de loscomponentes quimicos, como los solventes y polimeros, de manera a entenderlas propiedades de transporte de los materiales producidos por estoscomponentes. Utilizando la teoria del volumen libre y un enfoquetermodinamico, fue posible predecir conjuntos de datos, como el grado deinchamiento, datos de equilibrio ternario, recomendar materiales paramembranas de pilas de combustible, y tambien identificar puntos clave en laformacion de estructuras polimericas. Ademas, estas predicciones requierenun numero muy reducido de datos experimentales." @default.
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