Pretratamiento de la muestra

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IES Santiago Apóstol. Almendralejo

OPERACIONES DE PRETRATAMIENTO DE LA MUESTRA: MOLIENDA, MEZCLADO DISOLUCIÓN Y DISGREGACIÓN

Molienda.

Si la muestra a tratar es gruesa, se tritura para disminuir su tamaño de partícula.

Los sólidos pueden romperse de ocho o nueve maneras, pero en las aparatos de molienda solo se utilizan cuatro:

compresión : p.e.cascanueces impacto: p.e. martillo

frotamiento de cizalla: p.e. lima cortado: p.e. tijeras.

Los aparatos utilizados en laboratorio para reducir tamaño son :

wmolinos : que pueden ser de martillos, bolas...

wmorteros:que pueden ser de hierro, vidrio, porcelana o ágata

Molinos

A continuación vemos algunos molinos utilizados en la reducción del tamaño de partícula con objeto de homogeneizar las propiedades del material de muestra.

Muestra Dureza

(Escala Mohs)

Molino Cuchillas

Trituradora mandibulas

Molino Martillos

Molino Bolas

Cementos, granito, vidrio,

minerales, cuarzo Muy duros y frágiles(6,5-8,5) Útil Útil

Fertilizantes, Calcitas Duros (4,5-6,5) Útil Útil

Barita, Bauxita, caolin,

dolomita Dureza media (2,5-4,5) Útil Útil Útil

Grafito, sales, mica Blandos (1,5-2,5) Útil Útil Útil

Cereales, Alimentos Fibrosos Útil

Plásticos, cauchos Elásticos Útil

Tamaño muestra(máximo) <500 cm3 _{<300 cm}3 _{<300 cm}3 _{<10 cm}3 Diámetro inicial partícula 4-80 mm <150 mm <20 mm <6 mm Diámetro final partícula <150 m <100 m 70 m <10 m

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trituradora de mandíbulas

Maquinaria Reducción tamaño

molino martillos

molino

bolas molino_{de laboratorio}

(cuchillas ) molino

de cuchillas

Ÿ La superficie de contacto de los molinos debe tener una dureza superior al material a desmenuzar y su superficie puede ser de :

 Alumina (dureza mohs=9 ): es ideal para materiales muy duros. Puede contaminar de Aluminio la muestra.

 Carburos de Tungsteno (dureza=8,5) y carburo de boro (dureza=9): es el

más efectivo y versátil de todos, pero resulta más caro.

 ágata (dureza mohs=6): más duro que el acero y químicamente inerte. Se

utilizan con compuestos orgánicos y pueden contaminar la muestra de Sílice, Al.. ; no obstante, los morteros de ágata son los mejores para molienda de silicatos.

 Acero (dureza 5-6) : es usado en general, pero puede contaminar la muestra

de Fe. El acero inoxidable es menos atacado químicamente pero puede introducir en la muestra Níquel y sulfuros en menor proporción.

Las precauciones a tomar en las operaciones de molienda se resumen en:

- pérdida de humedad durante la molienda por el calor generado, por eso se recomienda determinar la humedad antes de la molienda.

- contaminación de la muestra por la superficie de abrasión utilizada, por eso se recomienda siempre utilizar superficies más duras que el material a reducir.

- alteración composición muestra (el calor puede ocasionar pérdida de volátiles, reacciones con la atmósfera).

Molino de bolas

En el molino de bolas pueden darse en relación a la velocidad crítica tres situaciones:

v< v-crítica v=v-crítica v>v-crítica

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En el segundo caso en que la velocidad es igual que la velocidad crítica (v=vc) las bolas caen unas sobre otras y al chocar unas contra otras atrapan el material y lo muelen, esta es la verdadera molienda.

En el tercer caso en que la velocidad es mayor que la velocidad crítica (v>vc) las bolas y el material giran alrededor debido a la fuerza centrífuga y no producen molienda.

La carga de bolas tiene influencia en el tiempo de molienda. Al aumentar la carga de bolas, disminuye el tiempo de molienda, pero al ir aumentando la carga se obtiene un mínimo cuando el nivel de bolas alcanza el 50 % del volumen del molino.

La molienda en laboratorio se consigue cargando el molino al 50 % del volumen en bolas

Se carga el material con un 45 % del volumen del molino , que resulta de un 25% como espacio vacío mínimo que se debe dejar en el molino (50% - 25% = 25%) y teniendo en cuenta que en los intersticios de las bolas queda una media de un 20 % de vacío ( referido a un apilamiento intermedio entre el cúbico y el tetraédrico), resultando 20 + 25 =45 %

La distribución de tamaños de las bolas sería :25 % diámetro superior, 50% diámetro medio y 25 % diámetro pequeño. Las bolas son de porcelana (alúmina) .

Con este molino podemos hacer molienda en seco y molienda en húmedo con agua.

Aspectos prácticos de la molienda con un molino de bolas

1. Se carga el molino pesando las bolas y el material a moler. El material a moler debe cubrir al menos el vacío dejado entre las bolas (20%) y algo más (25%). En total un 45 %.

Vbolas=50% Vvacio=20% Vexceso=25%

Vmaterial=45%

2. Se cierra. Se coloca entre los rodillos y se comienza la molienda anotando el tiempo de inicio.

3. Se puede parar a intervalos y ver el grado de molienda, tomado una muestra y viendo la finura haciéndola pasar a través de un tamiz. En general el rechazo a través del tamiz adecuado no debe ser superior al 10 % .

4. Cuando se alcance la finura deseada se para y se descarga.

5. La descarga debe hacerse sobre un tamiz colocado sobre un papel de filtro y mediante un pincel se van limpiando las bolas una a una sobre el tamiz superior. Es importante no sobrecargar el tamiz, y es preferible ir añadiendo la carga poco a poco.

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Ejemplo Problema para la carga de un molino

Para cargar un molino de bolas se necesita conocer la cantidad de bolas así como la cantidad de material a moler.

La información necesaria se detalla a continuación:

a) cargar un molino de Volumen = 5 litros con una carga de 50 % de bolas en volumen.

b) Suponer un 20% de volumen vacío entre las bolas.

c) cargar con bolas de diámetros 15, 20 y 30 mm en un porcentaje del 25 %, 50%, 25%

d) cargar con material (d=3,4 g/cm3_{) entre un mínimo del 20% (volumen vacío) y un}

máximo del 45 %

La solución al problema se resume en el siguiente cuadro:

1. Carga de bolas

Volumen molino=5 litros

Volumen aparente I. Volumen real

bolas Volumen vacío Vol. libre

Porcentaje 50% 30% 20% 50%

total (cm3₎ _2.500 _1.500 _1.000 _2.500

Peso bolas, g 3.750

Diámetro superior

30 mm Diámetro intermedio20 mm Diámetro inferior15 mm

Diámetro(mm) 30 20 15

Porcentaje vol. 25% 50% 25%

Total (cm3₎ ₃₇₅ ₇₅₀ ₃₇₅

Peso bolas(g) 937,5 1.875 937,5

2. Carga de material

Volumen mínimo Volumen máximo

Porcentaje 20% 45%

total (cm3) 1.000 2.250

Peso (g) 3.400 7.650

Problema: Calcular el número de bolas a cargar de cada tamaño. Las bolas son de porcelana con una densidad media de 2,5 g/cm3.

Mezclado

En laboratorio el mezclado se utiliza para:

wmezclar compuestos, pigmentos, formulaciones...

whomogeneizar la muestra antes del análisis

wpreparación de emulsiones , suspensiones y dispersiones de compuestos activos Las mezcladoras utilizadas en laboratorio son del tipo rotatorio con movimiento en diagonal, lo que crea un movimiento tridimensional .

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Mezcladora en V mezcladora rotatoria

Preparación de la muestra para análisis. Disolución de la muestra. Disolventes

Para analizar una muestra sólida es necesario disolverla para poder determinar sus componentes.

En general, pocos materiales son solubles en agua, por ello requieren tratamientos con ácidos o mezcla de ácidos o tratamientos más fuertes como son la fusión.

Entre los disolventes utilizados están: El agua disuelve

 las sales de sodio, potasio y amonio.

 los nitratos, acetatos y cloratos.

 los cloruros (excepto los de plata, mercurioso y plomo ).

 los carbonatos, fosfatos y silicatos del grupo IA

 los sulfuros de los grupos IA y IIA

El ácido clorhídrico es un ácido fuerte y un reductor débil que convierte los carbonatos, óxidos y algunos sulfuros en cloruros. Es un excelente disolvente para algunos óxidos metálicos (óxidos de hierro, Cinc, Calcio,..) y metales (Cu, Zn, Sn ...).

El ácido nítrico es un ácido oxidante fuerte y disuelve la mayoría de los metales comunes excepto el oro), aleaciones no ferrosas y sulfuros “insolubles en ácido”.

El ácido perclórico concentrado al calentarse para expulsar el agua, se transforma en un ácido oxidante muy fuerte. Disuelve la mayoría de los metales comunes, incluido el acero inoxidable y destruye la materia orgánica. Debe emplearse con extrema precaución porque reacciona explosivamente con muchas sustancias, sobre todo materia orgánica. (Para evitar explosiones se trata la muestra previamente con ácido nítrico o ácido sulfúrico).

El ácido sulfúrico debe su efectividad a su alto punto de ebullición (340 ºC) . Algunos compuestos orgánicos son oxidados bajo estas condiciones. Deben tomarse precauciones cuando se trabaja con sulfúrico ya que puede producir quemaduras graves.

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El ácido fluorhídrico se usa en la disolución de rocas y minerales con sílice (SiO2).

El exceso de fluorhídrico se elimina por evaporación con sulfúrico. (Con el ácido fluorhídrico debe trabajarse con guantes, ya que es muy corrosivo ) .

Para disolver productos difíciles se utiliza una bomba de reacción, que es una vasija cilíndrica de acero recubierto en su interior con teflón y provista de un termómetro.

Se coloca la muestra y el ácido o mezcla de ácidos y se calienta sin sobrepasar la temperatura de fusión del teflón (250 ºC) .

Así se disuelven muestras de minerales, rocas, vidrios y otros compuestos inorgánicos.

La ventaja de la digestión ácida en la bomba de reacción es que las muestras pueden disolverse sin pérdida de volátiles.

Hay que tomar precauciones, ya que puede haber posibles explosiones, y por ello no debe utilizarse ácido perclórico

En la Tabla se resumen composición de ácidos fuertes

Ácido Fórmula Riqueza, % peso Densidad, g/cm3 _{Molaridad, M}

Clorhídrico HCl 37,5 1,19 12

Nítrico HNO3 60 1,38 13

Sulfúrico H2SO4 96 1,84 18

Perclórico HClO4 72 1,67 12

Disgregación

Cuando la muestra por analizar no se disuelve por tratamiento con los disolventes anteriores, es necesario realizar una disgregación con fundentes.

El fundamento de la disgregación es transformar los óxidos, sulfatos,...insolubles en todos los medios ácidos en carbonatos solubles en medio ácido.

Como ejemplos :

wBaSO4 (insoluble) + Na2CO3 ---> Na2SO4 + BaCO3 (soluble en clorhídrico)

wCaSiO3 (insoluble) + Na2CO3 ---> Na2SiO3 (soluble en ClH) + CaCO3 (soluble en

ClH)

La sustancia a disolver se mezcla íntimamente en un crisol de Platino con 5-10 veces su peso con la sustancia fundentes. La mezcla se funde a una temperatura de 850 ºC en un mechero de buen tiro. El crisol con el producto de la fusión echa en un vaso donde se trata con ácido clorhídrico o nítrico, pero no mezclando si el crisol es de platino.

En la tabla se resumen los fundentes más comunes y sus aplicaciones: Fundente T. Fusión , ºC Crisol Aplicación

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Na2CO3 + Na2O2 Ni, Zr Sulfuros, ferroaleaciones, algunos silicatos minerales y óxidos

NaOH o KOH (320-380

ºC) Au, Ag, Ni (<500 ºC) Silicatos, carburo y ciertosminerales. K2S2O7 (300 ºC) por debajo del

rojo

Pt, Porcelana

Óxidos de Al, Be,Ti, Zr.

MÉTODOS DE DISOLUCIÓN MUESTRA

termómetro

acero

vasija teflón

barra magnéetica agitación Bomba a presión

con calentamiento externo vidrio de reloj embudo

CUESTIONES Y PROBLEMAS RESUELTOS

1) Que reactivo disolverá una sola de las sustancias de cada par a) Cu, Au b) PbCl2,

AgCl

a) el metal cobre se disuelve en nítrico, mientras que el oro sólo se disuelve en agua regia ( mezcla 3 vol. CLH y 1 vol. NO3H); por tanto con ácido nítrico

conseguiríamos disolver solo el cobre.

b) Si recordamos el grupo III de la marcha analítica del Na2CO3 vemos que es

suficiente con agua caliente para disolver el PbCl2 .

2) Proponer un esquema de disolución de una mezcla de CuS, SiO2 y Fe2O3.

-El esquema a seguir sería disolver primero el Fe2O3 con ClH. A continuación se

disolvería el CuS con NO3H, y por último se volatilizaría la sílice (SiO2 ) con FH .

Para esta última operación deberíamos utilizar crisoles de Platino. En caso de no querer volatilizar la sílice, podríamos disgregarlo en crisol de Platino con CO3Na2

-CO3K2 como fundentes

3) Busca en la bibliografía la escala de dureza Mohs.

Diamante 10 -raya a todos

Corindón 9 - su composición es Al2O3

Topacio 8

Cuarzo 7 -rayan el acero

Feldespato 6

Apatito 5 -son rayados con la navaja o con un cristal.

Fluorita 4

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Talco 1

4) Indica alguna clasificación de los materiales, según su dureza. -Una clasificación según su dureza puede ser la siguiente :

Clasificación Materiales

Duro Escorias. aleaciones, granito, mineral de hierro... Medianamente duro Vidrio, cemento, cuarzo, calcita, cenizas, carbón ,

rocas, suelos...

Blando Cereales, yeso, sales...

Quebradizo Aleaciones, cerámica, plásticos o cauchos congelados con N2 líquido....

Tenaz Cuero, piel, caucho...

Fibroso Lana, sintéticos, resinas, madera, celulosa, papel... Termosensible Termoplásticos, productos farmacéuticos...

Húmedo Forraje, henos, hojas....

5) Indica el molino para moler a) almendras (sin cáscara ) b) granito c) vidrio.

a) para moler almendras sin cáscara es suficiente un molino de cuchillas. b) Para moler granito se utilizaría un molino de martillos .

c) Para moler vidrio se utilizaría un molino de bolas o uno de martillos .

6) Indica algunas de las cuestiones que nos tenemos que plantear a la hora elegir un molino.

-Tipo de material a moler

-Tamaño de partícula del material a moler -Duración de la molienda

-Finura final

-Superficie de abrasión y posible grado de contaminación.

7) Que precauciones debemos tomar con la superficie de contacto de los molinos con el material a moler

-no contaminar la muestra

-que la superficie de contacto del molino sea más dura que el material a moler.

8) Calcular la velocidad crítica en r.p.m. de un molino de bolas de 1,20 m de diámetro.

- Para que unas bolas caigas sobre otras y muelan el producto, teóricamente es necesario que el molino alcance su velocidad crítica que se determina cuando en una bola se iguala el peso y su fuerza centrífuga :

m gm v_{R ; simplificando queda v}2  R g  1, 20₂  9, 8 2, 4 m_s y si queremos calcula la velocidad angular será:

  _Rv  __{1, 2/2}2, 4 _{ }4 s1

que pasando a r.p.m. resulta: 4 rad_s  ₂1 rev

rad  60 s

1min 38 r.p.m. mg

mx v R

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-No obstante y debido a otros factores la velocidad real está comprendida entre el 50-75 % de la velocidad crítica.

9) Calcula la cantidad de material rechazado si hacemos pasar 2500 g del material cuyo análisis se da a continuación a través de un tamiz de luz de malla 0,5.

Luz, mm 1 0,8 0,63 0,4 0,25 0,1 Colector

Rechazo, g 60 100 80 400 200 160 100

-Primero vamos a disponer los datos según el análisis acumulativo:

Luz Rechazo,

g

Rechazo acumulado

% Rechazo acumulado

% Cernido=100-% Rechazo

1 60 60 5,5 94,5

0,8 100 160 14,6 85,4

0,63 80 240 21,8 78,2

0,4 400 640 58,2 41,8

0,25 200 840 76,4 23,6

0,1 160 1.000 90,9 9,1

Colecto r

100 1.100 100,0 0

total... 1.100

-A continuación representaríamos % Rechazo Acumulado frente a luz de malla según :

-Entrando por la luz de malla 0,5 encontramos un rechazo del 40% . Y aplicando la fórmula :

% Rechazo acumulado  Rechazo_total x100 y sustituyendo en la ecuación queda :

40  Rechazo_{2500 x100 ; Rechazo}2500 ₁₀₀40 1000 g

-Concluyendo que si hiciéramos pasar 2500 g de esta muestra a través de un tamiz de luz 0,5 mm se rechazarían 1000 g de material, mientras que pasaría el resto, 0 sea : 1500 g

10) Busca en Internet la serie UNE de tamices

-Según la norma UNE 7050 un tamiz de 4 mm se designa Tamiz 4 UNE-7050

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Luz de malla 0

20 40 60 80 100 120

%

R

ec

ha

zo

a

cu

m

ul

ad

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-Por otra parte los tamices siguen la razón de 10 ₁₀ __{1, 25}_{. O sea que la luz de una}

malla a otra viene dada por la razón de 1,25

-Así la serie que empieza en 0,1 mm el siguiente sería 0,1x1,25=0,125 y asi sucesivamente

.

Norma Serie de Tamices- Luz de Malla

UNE-7050 0,100 0,125 0,160 0,200 0,25 0,32 0,40 0,50 0,63 0,80 1,00 1,25 1,60 2,00

aunque existen tamices intermedios que no siguen la serie como son (0,1+0,125)/2=0,112 o el (0,125+0,160)/2=0,140 o el (0,160+0,200)=0,180 y así....

11) Se desea separar una mezcla de partículas de 4 y 5 mm de diámetro. Indicar el tamiz más adecuado.

-Si colocáramos un tamiz de 5 mm pasarían las partículas de 4 mm y podrían quedar retenidas las de 5 mm, pero podrían pasar algunas partículas de 5 mm, ya que no se puede suponer total uniformidad. Por ello la mejor solución sería poner un tamiz de malla intermedio, o sea, de 4,5 mm que dejaría pasar las partículas de 4 mm y rechazaría las de 5 mm.

12) Una malla de un tamiz tiene un ancho de malla de 1,00 mm y una luz de 0,6

¿Cuál es el diámetro del hilo de la trama ?

- Puesto que la luz es el cuadrado interno de 0,6 mm y el ancho de la malla es : 0,6 mm +2 veces el diámetro del hilo = 1mm.

-Por tanto el Diámetro del hilo es : (1-0,6)/2 = 0,2 mm.

13) Para que materiales no sirve el tamizado por vía húmeda