Introducción

Es importante conocer el tamaño de una determinada partícula o en otros términos la granulometría de ella para así conocer algunas propiedades químicas como, la reactividad (que viene dada por la superficie específica) y la absorbancia. El estudio del tamaño de partículas es de gran importancia para variedades ramas de la industria, desde la agrícola hasta cosmética, farmacéutica y ambiental.

La medición de la distribución del tamaño de las partículas es una tecnología que se utiliza desde hace mucho tiempo y que se basa en los conocimientos centenarios de la dispersión de la luz en pequeñas partículas. Sin embargo, esta tecnología de medición de partículas no se empezó a utilizar comercialmente hasta que se pudo acceder a sistemas láser e informáticos potentes y económicos.

La técnica de granulometría láser permite conocer la distribución del tamaño de partícula de una muestra. Dicha técnica está basada en las teorías de Fraunhofer y Mie de la dispersión de la luz. La teoría de Fraunhofer se basa en el hecho por el cual las partículas dispersan la luz en todas direcciones con un patrón de intensidad, que es dependiente del tamaño de partícula. Mientras que la teoría de Fraunhofer es aplicable a partículas de tamaño considerablemente mayor que la longitud de onda de la luz, la teoría de Mie se aplica cuando las partículas son más iguales o menores a delta, dado que en este caso se producen tanto la difracción como la difusión de la luz en el medio situado alrededor de las partículas (efectos de reflexión y de absorción). 

En la práctica, se pone la muestra a analizar en una suspensión acuosa, ésta se mueve continuamente a través de un circuito cerrado que dispone de una ventana transparente en el punto de intersección con el haz láser. Se hace incidir la luz láser sobre la muestra y en un detector multicanal, se observa el patrón intensidad originado por la interacción luz-muestra y que serán función del tamaño de la partícula que lo produjo.

1. Medición del tamaño de partículas a través de un equipo de rayos láser

En la actualidad, es la TECNOLOGÍA LASER la que ha alcanzado su gran protagonismo, ya que es capaz de proporcionar resultados con rapidez, precisión y reproducibilidad, por lo que en el momento presente se sitúa como un método alternativo a los ya existentes

El principio físico de un analizador de difracción, es bien conocido desde hace muchos años. J. Fraunhofer en 1817 describió un sistema de producir figuras de difracción cuya diferencia con los métodos actuales empleados, se basa sólo en el foco luminoso.

Al hacer pasar un rayo laser monocromático expandido a través de una muestra pulverizada, en seco o en suspensión en un líquido no reactivo, la luz se difracta y se produce una figura de difracción de simetría radial en el plano focal de la lente. Si todas las partículas iluminadas son de tamaño único, el rayo laser formará una figura de difracción, cuya energía de distribución sigue la Ley de AIRY.

La intensidad luminosa de los anillos claros es directamente proporcional al número de partículas vistas con el haz luminoso, y los radios de los anillos son inversamente proporcionales al diámetro de las partículas.

Cuando las partículas tienen tamaños diferentes, la figura de difracción obtenida se basa en una superposición de imágenes de AIRY, cada una de las cuales corresponde a un diámetro diferente de partícula. Y cuya intensidad disminuye con la distancia al centro. A partir de esta figura de difracción se obtiene la distribución granulométrica de una muestra, mediante una serie de tratamientos y aproximaciones matemáticas.

2. Fundamentos y descripción de la técnica de medición

La información sobre el tamaño de las partículas es extremadamente importante para muchos procesos industriales y proyectos de investigación. Hay muchas técnicas analíticas que proporcionan información sobre el tamaño de partícula.

La técnica de análisis de tamaño de partículas por difracción laser es un método por el cual las partículas están dispersas en un fluido en movimiento causando discontinuidades en el flujo del fluido, que son detectadas por una luz incidente, y en correlación con el tamaño de partícula. El principio de este método es que el ángulo de difracción es inversamente proporcional al tamaño de las partículas. El principio de este método es que el ángulo de difracción es inversamente proporcional al tamaño de las partículas. Al llegar a una cantidad de partículas, la luz incidente se somete a un segundo fenómeno de interacción diferente (difracción, refracción, reflexión y absorción) que forman una envoltura tridimensional de la luz. La forma y tamaño de la carcasa se ven afectados por el índice de refracción de la partícula en el medio.

Esta técnica es ampliamente utilizado debido a la gran flexibilidad de uso (en el aire, suspensiones, emulsiones y aerosoles); análisis de gran amplitud (0.05 a 3500 mM); velocidad, reproductibilidad y no es necesario realizar algún tipo de calibración La siguiente figura muestra el principio de funcionamiento de un instrumento de difracción laser

El método emplea dispersión que es una de las interacciones de la luz con la materia.

Las teorías de dispersión describen las alteraciones del campo electromagnético cuando se encuentra con una partícula material produciéndose:

Reflexión Refracción Difracción Absorción de luz dentro de la película

El impacto de estas interacciones en los patrones finales de dispersión depende de:

Tamaño de partícula Longitud de onda de la luz incidente Índice relativo de refracción Forma y homogeneidad de las partículas

El principio de la operación es relativamente simple:

Un láser es filtrado para generar un haz de rayos paralelos. Las partículas pasan a través del haz y difractan la luz. El resultado es un patrón de luces de intensidad variable y de ángulos que dependen del tamaño de las partículas.

Partículas grandes: predominan ángulos pequeños Partículas pequeñas Dispersan más luz a mayor ángulo

La luz dispersa se colecta y enfoca sobre detectores. Las señales de los detectores las analiza una computadora para producir una distribución de tamaño de partículas.

3. Descripción del equipo de medición:

Un espectrómetro de difracción de rayos laser comprende: dos fuentes de alimentación alternativas (seco, suspensión); sistema óptico; sistema para el proceso de datos.

Sistema de alimentación y dispersión

Se emplea como generador de aerosoles (gas, solidos) para análisis de tamaño de partícula en fase seca. Los elementos principales que componen este sistema son:

Depósitos con rampa vibrante Rueda de alimentación de velocidad variable Rodillo de compactación Inyector de Venturi Sistema de dispersión en seco Aspirador de recogida de polvos

Mediante este mecanismo se consigue una alimentación y dispersión de forma continua de solidos finamente divididos en estado seco requisito fundamental para superar las fuerzas de atracción entre las partículas.

Sistema en suspensión

Permite la determinación granulométrica de una muestra en medio liquido no reactivo. Es un método alternativo de la fase seca. Tiene la ventaja principal de que al utilizar un equipo de ultrasonidos, se eliminan las fuerzas electrostáticas y de Van der Wals,problema típico cuando se trabaja en fase seca.

Está compuesto por:

Recipiente de 300 ml de capacidad Agitadores con regulación electrónica Ultrasonidos Bomba peristáltica

Sistema óptico

Tiene la finalidad de recoger en el detector las energías difractadas, cuando se le hace pasar un rayo láser a través de una muestra dispersa. De este modo se consigue obtener el análisis granulométrico de partículas

Se compone de:

Un banco óptico, incluyendo los componentes necesarios para la dirección de figuras, tales como: lámpara laser, sistema de lentes y espejos y detector multicelular

Sistema de tratamiento de datos

Realiza la recogida y posterior tratamiento de los datos. El software del sistema de datos puede operar en tres formas diferentes:

Sistema operativo

Permite la utilización de diferentes opciones previas al análisis: formateo, directorios, grabados, cambios de nombre de archivos, etc.

Sistema de medidas

Hace posible el cálculo del análisis granulométrico.

Sistema de cálculos

Permite el tratamiento posterior de los análisis según la información que se quiere obtener.

4. Parámetros a medir Entre algunos paramentaros a considerar para la medición de tamaños

de partícula por rayos laser son:

1. Tamaño de partícula:

El rango de partículas posible de analizar con esta técnica es aproximadamente entre 0.026 y 2800μm, sin embargo el rango de trabajo analítico de los instrumentos varía según el modelo, lo que permite cierta selección. Partículas más finas que el límite de detección no son registradas.

2. Forma y homogeneidad de las partículas

Una partícula es una discreta masa de materia solida o liquidad y puede incluir desde partículas atómicas a grandes trozos de minerales. Aunque en la realidad esto no ocurre para la mayoría de los casos, se asume que las partículas son perfectamente esféricas y que esta es la forma regulas referencial. De este modo, el tamaño de las partículas se puede establecer de forma más útil midiendo una propiedad característica de una partícula irregular que pueda ser relacionada con las mismas propiedades de una partícula con forma e incorporando las variaciones de tamaño aparente.

3. Ángulo de incidencia:

El haz de luz laser, sufrirá una dispersión de acuerdo al tamaño de partícula que atraviesa, es así que una partícula de considerable tamaño (cuyo diámetro de la partícula es mayor a la longitud de onda) dispersaras la luz en pequeños ángulos y pequeñas partícula (con diámetro equivalente o menor a la longitud de onda) dispersaran la luz en grandes ángulos. Fenómenos que se explican con la teoría de Fraunhofer Y Mie.

5. Equipos y Tipos de muestras que se pueden medir con la técnica de láser.

Esquema del equipo Mastersizer 200 e Hydro 2000SM

La técnica de análisis de tamaño de partículas por difracción

láser es un método por el cual las partículas están dispersadas en un fluido en movimiento causando discontinuidades en el flujo del fluido, que son detectadas por una luz incidente, y en correlación con el tamaño de partícula. La muestra puede ser una suspensión líquida o gaseosa de partículas (suspensión de cementos, calizas, yesos, arenas, minerales y carbón sobre agua y/o otro dispersarte), o de gotas diminutas de concentración acerca de 0,1% en volumen. El tiempo promedio de un análisis es alrededor de unos 2 min, lo cual permite el análisis en serie. Esta técnica es independiente de la densidad de las partículas y es factible de calibrar.

Ejemplo de módulos (muestras):

Para un equipo de difracción laser modelos: LS 13 320 Single-Wavelength y LS 13 320 Multiple-Wavelength de la empresa Beckman Coulter develops.

Los equipos LS 13 320 SW and MW ofrecen un sistema fácil de usar, produciendo rápidos y confiables resultados del tamaño de las partículas analizadas. Trabajan con muestras secas, acuosas o no-acuosas.

Ejemplos:

Materiales abrasivos. Cementos. Medio Ambiente. Químicos y petróleo.

Productos Cosméticos.

Comidas y bebidas. Mineralogía.

Productos farmacéuticos.

Sedimentos.

Características Principales:

LS 13 320 Single-Wavelength LS 13 320 Multiple-Wavelength

Particle size measurement range from 0.4µm to 2000µm

Particle size measurement range from 0.017µm to 2000µm.

One of the highest submicron resolutions, using the Polarization Intensity Differential Scattering (PIDS) technology

Tornado sistema de dispersión de polvo seco. Fibra óptica sistema de filtro espacial. “Auto Dock” - Sistema único cambio de módulo. Cambio entre mojado y seco para mojar de nuevo en menos de

un minuto. Fácil de usar software y funciones avanzadas de software de

seguridad. Fácil de seguir métodos normalizados de trabajo (SOM). Multi-componente Procedimientos Operativos Estándar (SOP). Programa de certificación para garantizar el funcionamiento del

instrumento. V-Check (IQ, OQ, PQ) para validación del instrumento.

Módulo de líquido acuoso (ALM)

Para las muestras que requieren suspensión en sistemas acuosos

Auto lavado, llenado automático y dilución automática para la velocidad máxima y el rendimiento

Cuando se acopla a la estación de la preparación automática ofrece una automatización completa

a. Módulo Liquid Micro (MLM)

Se utiliza cuando sólo pequeñas cantidades de ejemplo están disponibles

Pequeñas cantidades (12 ml) de volumen requerida, particularmente útil para dispersantes como residuos peligrosos es minimizado

Para uso con ambos solventes orgánicos y sistemas acuosos, dando al usuario la máxima flexibilidad

b. Tornado sistema de polvo seco (DPS)

Mide la muestra completa como lo exige la ISO estándar 13 320

No se necesita preparación de muestras Corrido totalmente automático El usuario puede seleccionar la presión de vacío

para control de la dispersión máxima

c. Módulo Líquido universal (ULM)

Completamente automático, con dilución automática, auto llenado y lavado automático para el último la facilidad de uso

Analiza muestras suspendidas en una solución acuosa así como diluyentes no acuosos para la máxima flexibilidad

Los desechos peligrosos se encuentra en un buque monitoreado para evitar derrames y proporcionar un funcionamiento seguro.

Una bomba de velocidad variable permite para el total de dispersión control de su muestra, a partir de emulsiones delicadas a partículas pesadas.

6. Empresas que cuentan y/o ofrecen este sistema en Perú.

Tenemos empresas tal como ARPL Tecnología Industrial S.A. que dan servicios de pruebas y análisis de laboratorio, entre otros, orientándose inicialmente hacia el campo del cemento y clinker, para

posterior ampliar sus servicios a otros materiales como carbón, agregados, concreto y medio ambiente.

Una reconocida empresa de cementos que ha propuesto este método como una mejora dentro de su sistema es CEMENTO ANDINO S.A. Tal como explican los ingenieros Hernán La Jara Santos y Jorge Aranda Valdivieso en la revista Coloquio de Química del Cemento, 8  Lima (PE)   nov., 2000  p.70-83 :

“Un aspecto de mucha importancia, por su incidencia en la calidad del comportamiento del cemento así como en la economía de su producción, es lograr una molienda óptima. La mayoría de autores están de acuerdo en que el tamaño óptimo de las partículas del cemento se ubica entre las 10 y las 30 micras. Las partículas muy grandes no hidratan completamente lo que lleva a una disminución de la calidad, y las partículas muy finas solamente mejoran las resistencias iniciales además de provocar una demanda de molienda extra que resulta costosa. Por esta razón se propone el método de granulometría por difracción láser para la determinación de los tamaños de partículas, investigando su relación con el comportamiento del cemento para un adecuado control de la molienda. También se incluye la revisión de dos de los métodos que se usan con mayor frecuencia en el control del tamaño de partícula con fines comparativos”.

Beckman Coulter, es una fábrica Norteamericana que comercializa productos que simplifican y automatizan pruebas analíticas, como los que son de nuestro interés Equipos de Difracción Laser.

CONCLUSIONES!!

Bibliografía:

M. Frias, M. P. de luxan y M. I. Sánchez de rojas- “Espectrofotometría de difracción por láser”

Ing. Hernán La Jara Santos, Ing. Jorge Aranda Valdivieso – “Investigación del comportamiento del cemento por el método de granulometría laser”

Consulta en Internet:

http://engenhamentos.blogspot.com/2012/06/granulometria-por-difracao-de-laser.html

https://www.beckmancoulter.com/wsrportal/bibliography?docname=BR-9809B.pdf http://www.asocem.org.pe/bivi/RE/IC/CC/investigacion_comportamiento.pdf