Como as espectroscopias ICP e XRF podem ajudar minas e fundições a reduzir custos e aumentar a produtividade

Por Maja Budanovic e Yokung Ling

A extração de minerais e seus processos têm um enorme impacto no meio ambiente, no consumo de energia e na segurança. Com a demanda cada vez maior por fontes minerais de alta qualidade, há uma necessidade de melhorar a produtividade e agregar valor, ao mesmo tempo em que se cumprem os padrões ambientais e de qualidade. Essa demanda exige técnicas analíticas eficientes para auxiliar as operações de mineração, de modo que decisões mais rápidas possam ser tomadas e produtos de maior valor agregado possam ser processados.

Técnicas analíticas eficientes em laboratório, como ICP-OES, ICP-MS, EDXRF e WDXRF, desempenham um papel crucial no auxílio às operações de mineração e laboratórios. Essas técnicas avançadas oferecem maior sensibilidade, seletividade e recursos analíticos ampliados, possibilitando uma tomada de decisão mais rápida e o processamento de produtos de valor agregado.

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ICP-OES

A espectroscopia de emissão óptica com plasma acoplado indutivamente (ICP-OES), às vezes chamada de espectroscopia de emissão atômica ICP, é a técnica preferida para muitas aplicações que exigem a análise de uma amostra para determinar seu conteúdo elementar. Amostras típicas incluem aquelas nas áreas ambiental, metalúrgica, geológica, petroquímica, farmacêutica, de materiais e de segurança alimentar. Ela pode ser aplicada a vários tipos de amostras, como líquidos aquosos e orgânicos e sólidos. Alguns desses tipos de amostra requerem técnicas específicas de preparação ou o uso de acessórios específicos para permitir que a amostra seja introduzida no instrumento ICP-OES.

Uma variedade de tipos de amostra pode ser analisada por ICP-OES, incluindo amostras líquidas e sólidas aquosas e orgânicas. Estas devem ser levadas a um estado em que o instrumento ICP-OES como um todo possa processá-las para análise elementar. A forma mais comum de amostra é líquida. Uma amostra líquida é introduzida usando uma bomba peristáltica para garantir um fluxo constante e estável. Normalmente, um nebulizador usa um fluxo de gás de alta velocidade para fragmentar pequenas gotículas de líquido em um aerossol. Esse aerossol é então introduzido em uma câmara de pulverização que remove as gotículas maiores. Apenas o aerossol é então transportado para o plasma. As amostras sólidas são normalmente digeridas em forma líquida usando digestão com placa quente ácida ou digestão por micro-ondas ou abladas em pequenas partículas usando um sistema de ablação a laser ou por faísca e, em seguida, transportadas diretamente para o plasma por um gás transportador.

As vantagens do uso do ICP-OES em relação a outras técnicas de análise elementar, como a espectrometria de absorção atômica (AAS), incluem sua ampla faixa dinâmica linear, alta tolerância à matriz e a velocidade aprimorada da análise multielementar que pode ser alcançada.

ICP-MS

A espectrometria de massa com plasma acoplado indutivamente (ICP-MS) é uma tecnologia de análise elementar capaz de detectar a maioria dos elementos da tabela periódica em níveis de miligramas a nanogramas por litro. É utilizada em diversas indústrias, incluindo, entre outras, monitoramento ambiental, análise geoquímica, metalurgia, análise farmacêutica e pesquisa clínica.

O plasma acoplado indutivamente (ICP) é uma fonte de ionização que decompõe totalmente uma amostra em seus elementos constituintes e transforma esses elementos em íons. É normalmente composto por gás argônio, e a energia é “acoplada” a ele usando uma bobina de indução para formar o plasma. Na ICP-MS, os íons gerados pelo ICP são introduzidos em um espectrômetro de massa, onde são separados, com base em suas relações massa/carga, e detectados, permitindo uma análise elementar altamente sensível e precisa.

Para serem processadas de forma eficiente no plasma, as amostras devem estar na forma de gás ou vapor (aerossol). Assim, enquanto os gases podem ser analisados diretamente pelo plasma (por exemplo, quando separados por cromatografia gasosa), os sólidos e líquidos têm de ser convertidos na forma de aerossol utilizando um nebulizador (para líquidos) ou um dispositivo de ablação (para sólidos). Além disso, as amostras sólidas na ICP-MS são normalmente introduzidas através de técnicas de digestão de amostras. A amostra sólida é primeiro dissolvida ou digerida usando métodos de digestão ácida, como digestão em placa quente ou digestão por micro-ondas, para convertê-la em forma líquida. Uma vez na forma líquida, a amostra pode ser introduzida no instrumento ICP-MS usando um nebulizador ou outro sistema de introdução de amostras, onde passa por ionização e análise subsequente.

O ICP-MS possui uma maior sensibilidade para detecção de múltiplos elementos em traços, capacidade de análise isotópica, menores interferências espectrais, faixa dinâmica mais ampla e tempos de análise mais rápidos.

ICP-OES e ICP-MS para análise de elementos traço

Como mencionado acima, o ICP-OES e o ICP-MS são técnicas analíticas poderosas usadas nas indústrias de mineração e geologia para avaliar a composição elementar. Embora algumas amostras exijam análise dupla, com ICP-OES para elementos de maior concentração e ICP-MS para oligoelementos, uma única análise aumentaria a produtividade e reduziria os custos por amostra.

O ICP-OES é amplamente utilizado em processos de mineração, controle de pureza e análise de rochas e elementos de terras raras. Ele garante a pureza dos minérios extraídos e avalia a quantidade de metal que pode ser recuperada de resíduos eletrônicos. Com sua capacidade de lidar com uma ampla gama de elementos, incluindo elementos de terras raras, o ICP-OES desempenha um papel crucial no controle de qualidade, otimização de processos, detecção de impurezas e garantia da consistência entre lotes.

Os sistemas ICP-OES são até capazes de analisar analitos do Grupo de Elementos de Platina (PGE) em matrizes metálicas de alta concentração com excelente precisão, lidando de forma eficaz com matrizes complexas e alcançando a separação total das linhas da matriz, como a linha Pd 340,458 nm da linha da matriz Co 340,512 nm vizinha.

Os sistemas ICP-MS, por outro lado, oferecem limites de detecção superiores, tornando-os adequados para medir níveis traço de elementos. Quando equipados com AGD (diluição de gás argônio), eles oferecem uma solução robusta para análises elementares precisas e confiáveis, mesmo em tipos de amostras desafiadoras, como rochas e minérios. Para um desempenho ainda melhor, o ICP-MS triplo quadrupolo pode ser usado como uma solução poderosa para analisar níveis ultratraços de metais nobres (Rh, Pd, Pt, Au). Ele elimina efetivamente interferências e permite a quantificação precisa de metais nobres, mesmo em concentrações extremamente baixas.

Análise EDXRF

Espectroscopia de raios X de energia dispersiva (EDXRF) é uma técnica analítica que permite a caracterização química/análise elementar de materiais. Uma amostra excitada por uma fonte de energia (como o feixe de elétrons de um microscópio eletrônico) dissipa parte da energia absorvida ejetando um elétron do núcleo-casca. Um elétron da camada externa com energia mais alta então preenche seu lugar, liberando a diferença de energia como um raio X que tem um espectro característico com base em seu átomo de origem. Isso permite a análise da composição de um determinado volume de amostra que foi excitado pela fonte de energia. A posição dos picos no espectro identifica o elemento, enquanto a intensidade do sinal corresponde à concentração do elemento.

Uma ferramenta de análise frontal conveniente, os instrumentos EDXRF permitem a análise rápida e fácil até mesmo de amostras irregulares, com pouca ou nenhuma preparação da amostra. No EDXRF, a sensibilidade e a precisão são alcançadas pela excitação direcionada da amostra para fluorescer apenas os elementos de interesse. A tecnologia EDXRF foi projetada para processar simultaneamente grupos inteiros de elementos para análise qualitativa ou quantitativa e pode ser usada em formatos portáteis e de laboratório. Como resultado, a EDXRF pode acomodar amostras de praticamente qualquer formato e tamanho.

Análise WDXRF

A fluorescência de raios X dispersiva por comprimento de onda (WDXRF) é preferida à EDXRF para aplicações de alta resolução (~15-150 eV) e análise de elementos de massa atômica mais baixa e terras raras. Em vez de processar um espectro completo, a WDXRF separa os sinais fluorescentes em comprimentos de onda individuais usando cristais e uma série de componentes ópticos (colimador, codificadores ópticos, detectores, etc.).

O Espectrômetro WDXRF usa cristais para dispersar o espectro de fluorescência em comprimentos de onda individuais de cada elemento, fornecendo espectros de alta resolução e baixo ruído de fundo para a determinação precisa das concentrações dos elementos. Dois tipos de detectores podem ser usados em instrumentos WDXRF. Detectores selados ou de fluxo de gás são melhores para medir energias mais baixas (elementos leves, abaixo do ferro [Fe]), enquanto detectores de cintilação são melhores para medir energias mais altas. Ambos têm baixa resolução, que é compensada pelos cristais.

O mapeamento XRF é uma ótima ferramenta para medir a homogeneidade de uma amostra em uma faixa de tamanho submilimétrico. Isso pode ajudar a validar a preparação da amostra ou indicar problemas em um processo. Os geólogos usam o mapeamento elementar XRF para selecionar ou filtrar amostras para análises mais aprofundadas com um microscópio eletrônico de varredura (SEM), que requer uma preparação altamente controlada da amostra e fornece informações na faixa de tamanho submicrométrico.

Conclusão

Essas tecnologias ajudam a permitir melhores sensibilidades em toda a tabela periódica e maior precisão e limites de detecção. Alternativamente, o tempo de contagem pode ser reduzido, aumentando significativamente o rendimento da amostra. A identificação aprimorada, juntamente com o aumento do rendimento, ajuda a reduzir custos e melhorar a produtividade no laboratório de mineração, para que os operadores de mineração possam tomar decisões mais rápidas e melhores.

Recursos adicionais: