Resumen:
Los electrodos rotatorios (RDE) son extensamente utilizados para describir
mecanismos de transporte de reacciones químicas. Debido a la perturbación en el
transporte de masa ocasionada por estos, la señal electroquímica se ve modificada
respecto de un proceso difusional. Para entender estas diferencias, es necesario
conocer cómo es la hidrodinámica dentro de la celda electroquímica. Hace más de 60
años atrás, Cochran y Levich [1] desarrollaron las expresiones analíticas que permiten
calcular las velocidades en un electrodo rotatorio. Estas expresiones surgen de utilizar
un modelo simplificado en donde se considera una celda de dimensiones infinitas y un
electrodo de espesor despreciable.
El objetivo de nuestro trabajo es describir la hidrodinámica del fluido en celdas de
tamaños reales, utilizando el método de elemento finito para obtener el campo de
velocidades. Para lograr esto, se estudió el sistema por medio de simulaciones
computacionales mediante el uso de un software comercial (Comsol Multiphysics [2])
que permite acoplar diferentes físicas y resolver las ecuaciones diferenciales
correspondientes a la transferencia de carga y el transporte de materia. Además, se
estudió la hidrodinámica del fluido mediante la técnica de imagen por resonancia
magnética nuclear (RMN) obteniendo resultados concordantes con los provenientes de
la simulación.
Al trabajar con celdas reales es deseable generar parámetros geométricos
adimensionales. Estos parámetros adimensionales permiten construir familias de
celdas, las cuales poseen los mismos campos de velocidades de fluído [3]. Cabe
destacar que estos parámetros no pueden utilizarse al incorporar la electroquímica
debido a que la respuesta en corriente es dependiente del modo de transporte de
materia y el mismo cambia con el tamaño del electrodo. Del análisis de los resultados,
se desprende que hay dos zonas de mezclado, una zona de recirculación del fluido a
la altura del vástago, y la otra por debajo del mismo. Además, la materia llega a la
superficie del electrodo como resultado de los rebotes del fluido con las paredes de la
celda. Estos resultados representan un avance respecto de la visión del modelo
clásico de Levich. Del análisis de los voltamperogramas se infiere que pequeñas
modificaciones en la geometría de la celda modifican la topología del campo de
velocidades del fluido ocasionando cambios en la respuesta electroquímica.