Cómo las espectroscopias ICP y XRF pueden ayudar a las minas y fundiciones a reducir costes y aumentar la productividad

Por Maja Budanovic y Yokung Ling,

La extracción de minerales y sus procesos tienen un enorme impacto en el medio ambiente, el consumo de energía y la seguridad. Con la demanda cada vez mayor de fuentes minerales de alta calidad, es necesario mejorar la productividad y el valor añadido, al tiempo que se cumplen las normas medioambientales y de calidad. Esta demanda requiere técnicas analíticas eficientes que ayuden a las operaciones mineras a tomar decisiones más rápidas y a procesar productos con mayor valor añadido.

Las técnicas analíticas eficientes en el laboratorio, como ICP-OES, ICP-MS, EDXRF y WDXRF, desempeñan un papel crucial en la asistencia a las operaciones mineras y los laboratorios. Estas técnicas avanzadas ofrecen una mayor sensibilidad, selectividad y capacidades analíticas ampliadas, lo que permite una toma de decisiones más rápida y el procesamiento de productos con valor añadido.

ICP-OES

La espectroscopia de emisión óptica con plasma acoplado inductivamente (ICP-OES), a veces denominada espectroscopia de emisión atómica ICP, es la técnica elegida para muchas aplicaciones que requieren el análisis del contenido elemental de una muestra. Las muestras típicas incluyen las del ámbito medioambiental, metalúrgico, geológico, petroquímico, farmacéutico, de materiales y de seguridad alimentaria. Se puede aplicar a diferentes tipos de muestras, como líquidos acuosos y orgánicos y sólidos. Algunos de estos tipos de muestras requieren técnicas específicas de preparación o el uso de accesorios específicos para poder introducirlas en el instrumento ICP-OES.

La espectroscopia de emisión óptica con plasma acoplado inductivamente (ICP-OES) permite analizar una gran variedad de tipos de muestras, incluidas muestras líquidas acuosas y orgánicas y muestras sólidas. Estas deben ponerse en un estado que el instrumento ICP-OES en su conjunto pueda procesar para el análisis elemental. La forma más habitual de la muestra es líquida. La muestra líquida se introduce mediante una bomba peristáltica para garantizar un flujo constante y estable. Normalmente, un nebulizador utiliza un flujo de gas a alta velocidad (normalmente argón) para fragmentar pequeñas gotas de líquido en un aerosol. A continuación, este aerosol se introduce en una cámara de pulverización que elimina las gotas más grandes. Solo el aerosol se transporta al plasma. Las muestras sólidas se digieren normalmente hasta obtener una forma líquida mediante digestión con placa calefactora ácida o digestión por microondas, o se ablacionan en pequeñas partículas utilizando un sistema de ablación por láser o por chispa, y luego se transportan directamente al plasma mediante un gas portador.

Las ventajas de utilizar ICP-OES frente a otras técnicas de análisis elemental, como la espectrometría de absorción atómica (AAS), incluyen su amplio rango dinámico lineal, su alta tolerancia a la matriz y la mayor velocidad de análisis multielemental que se puede alcanzar.

ICP-MS

La espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) es una tecnología de análisis elemental capaz de detectar la mayoría de los elementos de la tabla periódica en niveles de miligramos a nanogramos por litro. Se utiliza en una gran variedad de industrias, entre las que se incluyen, entre otras, la monitorización medioambiental, el análisis geoquímico, la metalurgia, el análisis farmacéutico y la investigación clínica.

El plasma acoplado inductivamente (ICP) es una fuente de ionización que descompone completamente una muestra en sus elementos constituyentes y transforma esos elementos en iones. Normalmente está compuesto por gas argón, y la energía se «acopla» a él mediante una bobina de inducción para formar el plasma. En la ICP-MS, los iones generados por el ICP se introducen en un espectrómetro de masas, donde se separan en función de su relación masa-carga y se detectan, lo que permite un análisis elemental muy sensible y preciso.

Para que puedan procesarse de forma eficiente en el plasma, las muestras deben estar en forma de gas o vapor (aerosol). Así, mientras que los gases pueden analizarse directamente mediante el plasma (por ejemplo, cuando se separan mediante cromatografía de gases), los sólidos y los líquidos deben convertirse en aerosoles utilizando un nebulizador (para líquidos) o un dispositivo de ablación (para sólidos). Además, las muestras sólidas en ICP-MS se introducen normalmente mediante técnicas de digestión de muestras. La muestra sólida se disuelve o digiere primero mediante métodos de digestión ácida, como la digestión en placa caliente o la digestión por microondas, para convertirla en forma líquida. Una vez en forma líquida, la muestra puede introducirse en el instrumento ICP-MS utilizando un nebulizador u otro sistema de introducción de muestras, donde se somete a ionización y posterior análisis.

El ICP-MS presenta ventajas sobre el ICP-OES, entre las que se incluyen una mayor sensibilidad para la detección de trazas de múltiples elementos, capacidad de análisis isotópico, menores interferencias espectrales, un rango dinámico más amplio y tiempos de análisis más rápidos.

ICP-OES e ICP-MS para el análisis de trazas de elementos

Como se ha mencionado anteriormente, el ICP-OES y el ICP-MS son potentes técnicas analíticas utilizadas en las industrias minera y geológica para evaluar la composición elemental. Aunque algunas muestras requieren un análisis doble, con ICP-OES para los elementos de mayor concentración e ICP-MS para los oligoelementos, un único análisis mejoraría la productividad y reduciría los costes por muestra.

La ICP-OES se utiliza ampliamente en procesos mineros, control de pureza y análisis de rocas y elementos de tierras raras. Garantiza la pureza de los minerales extraídos y evalúa la cantidad de metal que se puede recuperar de los residuos electrónicos. Gracias a su capacidad para manejar una amplia gama de elementos, incluidos los elementos de tierras raras, la ICP-OES desempeña un papel crucial en el control de calidad, la optimización de procesos, la detección de impurezas y la garantía de la consistencia entre lotes.

Los sistemas ICP-OES son incluso capaces de analizar analitos del grupo del platino (PGE) en matrices metálicas de alta concentración con una precisión excelente, ya que manejan eficazmente matrices complejas y logran la separación completa de las líneas de la matriz, como la línea de Pd 340,458 nm de la línea de la matriz vecina Co 340,512 nm.

Por otro lado, los sistemas ICP-MS ofrecen límites de detección superiores, lo que los hace adecuados para medir niveles traza de elementos. Cuando se equipan con AGD (dilución con gas argón), ofrecen una solución robusta para un análisis elemental preciso y fiable, incluso en tipos de muestras difíciles, como rocas y minerales. Para un rendimiento aún mejor, el ICP-MS de triple cuadrupolo puede utilizarse como una potente solución para analizar niveles ultratraza de metales nobles (Rh, Pd, Pt, Au). Elimina eficazmente las interferencias y permite una cuantificación precisa de los metales nobles incluso en concentraciones extremadamente bajas.

Análisis EDXRF

Espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDXRF) es una técnica analítica que permite la caracterización química y el análisis elemental de materiales. Una muestra excitada por una fuente de energía (como el haz de electrones de un microscopio electrónico) disipa parte de la energía absorbida expulsando un electrón del núcleo. A continuación, un electrón de la capa exterior con mayor energía ocupa su lugar, liberando la diferencia de energía en forma de rayos X con un espectro característico basado en su átomo de origen. Esto permite analizar la composición de un volumen determinado de muestra que ha sido excitado por la fuente de energía. La posición de los picos en el espectro identifica el elemento, mientras que la intensidad de la señal corresponde a la concentración del elemento.

Los instrumentos EDXRF, una práctica herramienta de análisis inicial, permiten analizar de forma rápida y sencilla incluso muestras irregulares con poca o ninguna preparación. En EDXRF, la sensibilidad y la precisión se consiguen mediante la excitación selectiva de la muestra para que solo fluoreszcan los elementos de interés. La tecnología EDXRF está diseñada para procesar simultáneamente grupos completos de elementos para su análisis cualitativo o cuantitativo y puede utilizarse en formatos portátiles y de laboratorio. Como resultado, la EDXRF puede adaptarse a muestras de casi cualquier forma y tamaño.

Análisis WDXRF

La fluorescencia de rayos X dispersiva en longitud de onda (WDXRF) es preferible a la EDXRF para aplicaciones de alta resolución (~15-150 eV) y para el análisis de elementos de masa atómica más baja y tierras raras. En lugar de procesar un espectro completo, la WDXRF separa las señales fluorescentes en longitudes de onda individuales utilizando cristales y una serie de componentes ópticos (colimador, codificadores ópticos, detectores, etc.).

El espectrómetro WDXRF utiliza cristales para dispersar el espectro de fluorescencia en longitudes de onda individuales de cada elemento, lo que proporciona espectros de alta resolución y bajo fondo para la determinación precisa de las concentraciones de los elementos. Se pueden utilizar dos tipos de detectores en los instrumentos WDXRF. Los detectores sellados o de flujo de gas son los más adecuados para medir energías más bajas (elementos ligeros, por debajo del hierro [Fe]), mientras que los detectores de centelleo son mejores para medir energías más altas. Ambos tienen una resolución deficiente, que se compensa con los cristales.

El mapeo XRF es una herramienta excelente para medir la homogeneidad de una muestra en un rango de tamaño submilimétrico. Esto puede ayudar a validar la preparación de la muestra o indicar problemas en un proceso. Los geólogos utilizan el mapeo elemental XRF para seleccionar o cribar muestras para un análisis más profundo con un microscopio electrónico de barrido (SEM), que requiere una preparación de muestras altamente controlada y proporciona información en el rango de tamaño submicrométrico.

Conclusión

Estas tecnologías ayudan a obtener una mayor sensibilidad en toda la tabla periódica y a mejorar la precisión y los límites de detección. Alternativamente, se puede reducir el tiempo de recuento, lo que aumenta significativamente el rendimiento de las muestras. La mejora de la identificación, junto con el aumento del rendimiento, ayuda a reducir los costes y a mejorar la productividad en el laboratorio minero, de modo que los operadores mineros pueden tomar decisiones más rápidas y mejores.

Recursos adicionales: