Molino ciclónTWISTER

El arte de la trituración

Trituradora de mandíbulas BB 200

Molino de corteSM 300

Molino ultracentrífugoZM 200

Molino planetario de bolas PM 200

CryoMill

¡Mejore los resultados de su análisis!

La situación descrita a continuación se encuentra a la orden del día en muchas plantas de producción: después de un control de calidad de rutina, se detiene la producción o se bloquea un lote ya producido porque el análisis arroja resultados fuera de los valo-res límite predefinidos. Pero ¿significa esto que el producto se encuentra realmente fuera de la norma? El departamento de control de calidad va a decir que sí porque los aparatos de análisis modernos brindan resultados con muy pocas desviaciones, la muestra ha sido controlada numerosas veces y el resultado confirmado. Lo que habría que preguntarse entonces es: ¿por qué el producto ahora de repente se encuentra fuera de los valores predefinidos si no se ha cambiado nada en los parámetros de pro-ducción?

La posibilidad de que el producto controlado realmente tenga un defecto siempre está presente. Sin embargo, la causa de estos valores frecuentemente no la encontramos en el producto mismo sino en la poca importancia que se le da a la preparación de la muestra previa al análisis. Al igual que un eisberg en el que sólo se observa la punta que sobresale del agua y no la mayor parte que se encuentra debajo, los analistas tienden a buscar los errores en una parte muy pequeña de la secuencia analítica, correspondiente a los pasos del análisis en sí, dejando de lado el resto de los pasos que ocupan la mayor parte de la secuencia y donde se producen la mayoría de los errores (véase la figura 1). Esto puede deberse, entre otras cosas, a que los sistemas analíticos modernos consideran cualquier valor que se encuentre dentro de las tole-rancias como un error absoluto de la secuencia analítica completa. Otra razón puede ser que los métodos empleados para la toma y preparación de la muestra se vienen implementando desde hace tanto tiempo y están tan integrados en la rutina analítica, que el analista no está consciente de los efectos que un error en ellos puede tener en los resultados del análisis. Como puede observarse en la figura 1, la probabilidad de que un error en los pasos mencionados influya en el resultado final del análisis es mucho mayor que la de un error cometido durante el análisis mismo. Además, los errores cometidos en cada etapa de la secuencia analítica van sumándose, por lo que el error sucesivo va creciendo (propagación de errores). La cuestión que surge ahora es: ¿por qué se producen dichos errores y cuál es la mejor forma de minimizarlos? A continuación se discuten estas interrogantes dentro del marco de la toma y prepara-ción de muestras sólidas.

Fig. 1: Pirámide de probabilidad de

afectación del error en el resultado

del análisis. Así como en un eisberg

sólo puede observarse una pequeña

parte (la que está fuera del agua), el

analista normalmente dirige su

atención sólo a una pequeña parte

de las fuentes de error.

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Resultados de análisis representativos gracias a la preparación correcta de la muestra

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Toma de la muestra

Preparación de la muestra(división, molienda)

Preparación de la muestra

(digestión, prod. de comprimidos)

Análisis

Manipulación de la muestra

Por regla general puede afirmarse que mientras más heterogénea es una muestra, más importante es realizar una preparación correcta de la misma. Supongamos que hay que extraer una muestra de un montón de arena. ¿Qué tan grande debe ser la muestra para que tenga las mismas propiedades y sea representativa de todo el mon-tón? ¿Da igual de qué parte del montón se extraiga la muestra? La figura 2 nos da la respuesta a estas interrogantes. Como puede observarse claramente, el montón de arena es una mezcla heterogénea de piedras grandes y granos finos. Las piedras más grandes se encuentran en la parte superior, mientras que los granos finos están en la inferior. Si – tal como se observa en la figura – extraemos una muestra sólo de la par-te superior o inferior del montón, tendremos o bien sólo piedras grandes o bien sólo arena fina, por lo que la muestra extraída no será representativa de todo el montón. Esto que sucede con el montón de arena se denomina segregación, y se da cuando una mezcla contiene partículas de diferentes tamaños o diferentes densidades especí-ficas. Igualmente, la granulometría de la muestra tiene un efecto directo en el volu-men que se extrae de la misma: si se desean extraer 100 g de muestra, es obvio que para llegar a ese volumen se necesitan más granos finos de arena que piedras gran-des. También las propiedades menos "visibles" juegan un rol importante: si el montón de arena se encontraba al aire libre antes de tomar la muestra, es posible que el con-tenido de humedad sea mayor en su superficie que en su interior. Esto quiere decir que la humedad es una propiedad que se encuentra presente de forma no uniforme en el material original. ¿De qué manera afecta esto la extracción de la muestra? Como la arena húmeda es más pesada que la arena seca, 100 g de la superficie del montón contienen menos granos de arena que 100 g extraídos del interior del montón. En cada caso, la cantidad de muestra varía en función de las propiedades del material original y de qué tan uniformemente se encuentren repartidas en el mismo. Mientras más repartidas estén y menor sea la frecuencia con que se presenten en la muestra, mayor será la cantidad de muestra requerida para el análisis. Este sencillo ejemplo nos ilustra cómo las propiedades del material original afectan no sólo la forma de tomar la muestra sino también todos los pasos de la secuencia analítica. La figura 3 nos muestra los pasos de la secuencia analítica completa. A continuación se explica cómo realizar los pasos individuales para obtener resultados de análisis fiables.

Toma de la muestra

En el momento en que se sabe qué propiedades del material se quieren analizar, comienza la secuencia analítica y la manipulación de la muestra con la toma de una fracción del material original. Tal como nos ilustra el ejemplo anterior, lo importante es que la fracción que extraigamos constituya una muestra representativa del material original. En otras palabras, que muestre con un alto grado de exactitud estadística todas las propiedades del material original. Aplicado al ejemplo anterior, esto significa que debe extraerse material de varias partes del montón de arena para que las partí-culas grandes y pequeñas así como secas y húmedas puedan ser registradas en todo su margen de distribución. Además, la toma de la muestra debería estar libre de fuen-tes de errores aleatorios, ya que éstas afectan de forma negativa la representatividad de la muestra. Por esta razón, en el caso de muchos materiales hay normas DIN que prescriben claramente cómo ha de realizarse la toma de la muestra en las que se des-criben también las herramientas más apropiadas para esta tarea. Sólo pueden obte-nerse resultados analíticos reproducibles, si se tienen muestras representativas en las que se haya minimizado la probabilidad de errores aleatorios durante la manipulación de la muestra. Estos dos factores deben tenerse en cuenta en cada uno de los pasos de la secuencia analítica (véase la figura 3)

Preparación de la muestraSi la muestra que se ha tomado es representativa, ésta debería tener las mismas pro-piedades que el material original. El material puede mostrar propiedades repartidas de forma irregular o una segregación de sus partículas. Así por ejemplo, cuando se trans-portan materiales a granel, las partículas pequeñas se depositan siempre en la parte inferior de la carga y las partículas grandes en la superior. Esto no representa ningún problema si el material se emplea completo para el análisis. Sin embargo, frecuente-mente sólo se requiere una pequeña fracción siendo necesario realizar una reducción de la cantidad de muestra. Los dos métodos principales de preparación de la muestra con los que se obtienen fracciones representativas son: división y trituración. La divi-sión es en realidad el paso en el que se reduce la cantidad de muestra, mientras que la trituración se hace para homogeneizarla y mejorar sus propiedades. La combinación

Fig. 2: Toma de una muestra de

un montón de arena

Fig. 3: Pasos posibles de la

secuencia analítica

www.retsch.es | 3

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Material original

Toma de la muestra

División de la muestra

Trituración primaria

División de la muestra

Trituración fina

División de la muestra (opcional)

Preparación

Análisis

Prep

arac

ión

de la

mue

stra

de ambos métodos nos permite obtener fracciones representativas. Su uso combinado dependerá de las propiedades del material y del análisis a realizar. Lo importante es que durante la preparación de la muestra no se modifiquen sus propiedades. Aplican-do esto a nuestro ejemplo: si se va a determinar la distribución granulométrica de la muestra de arena, ésta no deberá molerse; y si se va a analizar su humedad, ésta no deberá calentarse para que no se evapore el agua que contiene. A continuación se describen ambos métodos de forma detallada.

División de la muestraSi todas las propiedades del material a analizar se encuentran presentes de forma uniforme y no se produce segregación, se puede extraer una fracción pequeña, p. ej. con una cuchara. Sin embargo, sucede con mucha frecuencia que su distribución en la muestra es irregular o desconocida, por lo que es prácticamente imposible que la frac-ción tomada sea representativa. En estos casos, los métodos de división de muestras estandarizados, como el uso de divisores acanalados o divisores rotativos, pueden ser de gran ayuda. La figura 4 nos muestra cómo trabaja un divisor de muestras acanala-do. El divisor cuenta con un número par de canales, todos del mismo tamaño, con una salida hacia la izquierda y hacia la derecha alternadamente. La muestra es vertida desde arriba en el divisor acanalado. Como los canales tienen el mismo tamaño y el número de salidas es el mismo de cada lado, la muestra es dividida en dos fracciones iguales. Si se desea reducir todavía más una de las fracciones, ésta puede pasarse de nuevo por el divisor.

En los divisores rotativos, la muestra pasa por un canal vibratorio y luego por un cabe-zal que realiza un movimiento rotativo uniforme (figura 5). La muestra es alimentada a través de una tolva al canal vibratorio, de donde cae al cabezal que rota y que, dependiendo del número de tomas para recipientes colectores, la divide en 6, 8 o 10 fracciones. Después de la división las fracciones pueden mezclarse o pasarse de nuevo por el divisor. Para la división de volúmenes mayores puede emplearse un divisor de tubo rotativo (figura 6). A diferencia del divisor rotativo aquí lo que se mueve es un tubo en el interior del divisor, a través del cual se alimenta la muestra. Con cada vuel-ta que da el tubo pasa cierta cantidad de muestra a través de una o varias ranuras y cae en uno o varios recipientes colectores. Es decir, aquí en realidad no se está reali-zando una división del caudal completo de la muestra, sino que se está extrayendo una fracción del mismo.

¿Cómo inciden estos métodos de división en el resultado del análisis? Como ya se explicó, sólo se pueden obtener resultados analíticos reproducibles si las muestras son representativas del material completo. Dicha representatividad se ve afectada princi-palmente por errores aleatorios. La probabilidad de que se produzcan los errores alea-torios será, a su vez, mayor o menor dependiendo del método empleado para la divi-sión de la muestra. La toma al azar de la muestra, tal como se describe en el primer ejemplo, no puede repetirse de forma idéntica pues la probabilidad de errores aleato-rios es muy grande. Con el divisor acanalado esta probabilidad se reduce un poco ya que aquí la división se hace con un aparato, si bien no se pueden realizar ajustes en éste. Además, aquí la alimentación de la muestra se realiza de forma manual, con lo cual no se puede excluir la probabilidad de que se cometan errores. En el divisor rota-

Fig. 4: Funcionamiento de un

divisor acanalado

Fig. 5: Funcionamiento de un

divisor de muestras rotativo

Fig. 6: Funcionamiento de un

divisor de tubo rotativo

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| www.retsch.es4

tivo y el divisor de tubo rotativo, la alimentación y la división de la muestra se realizan de forma automatizada. Si la división se realiza con parámetros constantes (velocidad de carga, velocidad de rotación), la muestra se encontrará repartida uniformemente en los recipientes colectores, y con ella sus propiedades. Cada fracción será represen-tativa de la muestra original. Si la división se repite con parámetros idénticos, los resultados serán comparables y el análisis reproducible. Todos los métodos de división presentados brindan mejores resultados que la toma manual de muestras con una cuchara. Esta relación puede observarse en la figura 7.

TrituraciónOtro paso también importante en la preparación de la muestra es la molienda de la misma. Una de las reglas más importantes para la trituración de la muestra es redu-cir su granulometría no tanto como se pueda, sino sólo tanto como sea necesa-rio. Si bien con muchos materiales es posible alcanzar granulometrías inferiores a 100 nm mediante la molienda mecánica, a partir de un tamaño de grano de 50 µm el apor-te de energía requerido aumenta considerablemente. Por otra parte, la red eléctrica nos pone a disposición una cantidad máxima de energía que ya está definida y no se puede aumentar a voluntad. Esto significa que para alcanzar granulometrías del orden nanométrico se requieren tiempos de molienda bastante largos, por lo general de varias horas. Para los laboratorios de contrato modernos, no obstante, se recomien-dan rutinas de unos pocos minutos como máximo porque sino este paso resultaría muy costoso. Otro aspecto que dificulta el proceso y que hay que tener en considera-ción es que con tiempos de molienda largos aumenta la abrasión, y ésta puede falsifi-car el resultado del análisis. Por lo tanto, para aquellos usuarios que realizan regular-mente trituraciones la cuestión más importante es: ¿Qué tanto se debe triturar la muestra para que ésta alcance en el tiempo más corto posible una granulo-metría de grado analítico?

Para poder responderla hay que tener en cuenta dos criterios: el primero es que la molienda se hace para homogeneizar el material original, y el segundo es que a veces se debe alcanzar una cierta granulometría para el análisis posterior. Estos criterios se explican a continuación.

I. Muestra homogéneaEn numerosas técnicas analíticas, la cantidad de muestra a analizar es mucho menor que la cantidad de muestra original. Esto significa que la fracción de la muestra ori-ginal debe mostrar las mismas propiedades de la muestra en su totalidad; en otras palabras, debe ser representativa de ésta. Por ejemplo, si deseamos determinar el poder calorífico de una caja de muesli debemos extraer una fracción de 1 g que sea representativa del contenido de toda la caja, incluyendo hojuelas de avena, pasas, nueces y frutas secas. A partir de qué granulometría puede considerarse una mues-tra como homogénea, no se puede decir con exactitud. En la práctica se han esta-blecido valores alrededor de los 500 µm. En la figura 8 se muestra el efecto de la molienda en la muestra. A partir de una granulometría de 500 µm (gráfico inferior) ya no importa de qué lugar se extrae la fracción de muestra, ya que su composición será igual en todas las fracciones. Fig. 8: Triturar es reducir el

tamaño de grano de un conjun-

to de partículas con el objeto de

preparar una muestra represen-

tativa y homogeneizarla de

manera apropiada para realizar

análisis posteriores.

Fig. 7: La reproducibilidad de los

resultados analíticos aumenta

con la representatividad de la

muestra. Los métodos de divi-

sión automatizados reducen la

probabilidad de que se produz-

can errores aleatorios aumen-

tando la representatividad de la

fracción.

Antes de la trituración Después de la trituración

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División manual de la

muestra

Formar conos y dividirlos en cuatro

Divisor acanalado

Divisor rotativo, divisor de

tubo rotativo

Representatividad

Rep

roduci

bili

dad

óp

tim

ab

aja

óptimabaja

II. Granulometría analítica

El término "granulometría analítica" se refiere al tamaño de grano máximo que ha de tener la muestra para que no se produzcan errores sistemáticos en el análisis poste-rior. Aquí es necesario distinguir entre los diversos métodos analíticos:

a. Métodos por digestión, en los que la muestra sólida es disuelta o calentada.

b. Métodos de extracción, en los que los componentes son extraídos o separados.

c. Métodos en los que la muestra sólida es directamente medida sin modificar.

a. En el caso de la digestión, la forma en que se haya preparado la muestra previa-mente no juega ningún papel por lo que no tiene sentido hablar de granulometría analítica. No obstante, cuando se realiza una digestión debe ponerse atención en que la reacción no se produzca muy rápido; sobre todo cuando se trabaja con muestras orgánicas, que en presencia de ácido nítrico se oxidan. Cuando el mate-rial tiene una granulometría muy gruesa sucede lo contrario: que la digestión se demora demasiado. Es sólo por razones prácticas que se recomienda una granu-lometría por el orden de los 500 µm para el análisis por digestión.

b. Con la extracción sucede algo parecido: cuando el polvo es muy grueso, no se puede extraer todo; y cuando es muy fino, el dedal de extracción queda obstruido y el material es lavado en el matraz. Este problema lo conocemos de la prepara-ción del café: para preparar café de filtro, se requiere una granulometría un poco más gruesa (aprox. 800 µm) que si se va a preparar en máquina (aprox. 500 µm, la granulometría que se usa para una extracción Soxhlet). De la misma manera, cuando se realiza una extracción bajo presión se recomienda trabajar con granu-lometrías más finas (aprox. 200 µm, como la del café espresso). Como puede observarse, la granulometría óptima varía en función del sistema de extracción empleado; la mayoría de los sistemas trabaja muy bien con 500 µm.

c. Si se realiza un análisis espectroscópico directamente en la sustancia sólida, la granulometría analítica necesaria se determinará en base a la profundidad de penetración. La profundidad de penetración es la profundidad máxima desde la cual el haz electromagnético regresa a la superficie, por lo que en realidad el tér-mino "trayectoria de salida" sería más claro. La profundidad de penetración puede variar mucho en función de la longitud de onda con que se trabaje. En la espec-troscopía de resonancia magnética nuclear (NMR) la profundidad de penetración puede ser de 1 metro o más, mientras que en el infrarrojo cercano (NIR) llega a 1 cm aproximadamente y en la fluorescencia de rayos X apenas a unos 100 µm. Por regla general puede afirmarse que a menor longitud de onda la profundidad de penetración es menor. Para el análisis NIR, por lo tanto, se recomienda que la muestra tenga un tamaño de grano de aproximadamente 500 µm con el fin de garantizar que el haz de luz atraviese por completo las partículas. En la fluores-cencia de rayos X, la granulometría de la muestra debería ser inferior a 100 µm.

Como puede observarse, en casi todos los métodos analíticos se trabaja bien con partículas de 500 µm, tanto en lo concerniente a la homogeneidad como al grado de finura requerido. Si se van a realizar extracciones bajo presión, la muestra puede ser algo más fina. Sólo para el método por rayos X se requieren granulometrías inferio-res a los 100 µm.

Dependiendo del molino empleado, se aplican mecanismos de trituración diferentes (véase la figura 10). La elección de uno u otro molino para una tarea específica de trituración dependerá siempre de las propiedades de fractura del material. Los materiales duros y frá-giles pueden triturarse muy bien por mecanismos de presión, choque y fricción, mientras que los materiales elásticos muchas veces sólo se dejan reducir por corte y cizalla. Por lo general, las granulometrías inferiores a los 50 µm sólo pueden alcanzarse con fricción. Con el fin de facilitar el uso universal de los molinos de laboratorio, éstos combinan mecanismos de trituración diferentes. Por ejemplo: presión y fricción en los molinos de mortero.

Mecanismo de es-

fuerzo por presión

Esfuerzo ejercido

sobre una partícula

que se encuentra

entre dos superficies

diametralmente

opuestas, que pueden ser las superficies

de las herramientas de molienda o de par-

tículas vecinas. La presión es ejercida por

las herramientas de molienda.

Ejemplo: trituradora de mandíbulas

Mecanismo de

esfuerzo por impacto

Esfuerzo ejercido por

una superficie sólida

que puede ser la de

una herramienta de

molienda o de otra

partícula. El esfuerzo por impacto es causa-

do principalmente por la aceleración unilate-

ral o recíproca de las partículas.

Ejemplo: molinos mezcladores, molinos

planetarios

Mecanismo de

esfuerzo por fricción

Esfuerzo ejercido per-

pendicularmente

sobre la partícula por

dos superficies sóli-

das. La fricción se

produce por la presión vertical de una

superficie y el movimiento simultáneo hori-

zontal de la otra.

Ejemplo: molinos de mortero, molinos

de discos

Mecanismo de

esfuerzo por corte

Esfuerzo entre dos o

más superficies dota-

das de canto vivo.

Siempre hay al menos

una superficie fija y

una móvil.

Ejemplo: molinos de corte, molinos de

cuchillas

Mecanismo de

esfuerzo por cizalla

Esfuerzo ejercido

sobre la partícula por

dos o más superficies

en dirección opuesta

que produce un efecto

de cizalla. Siempre hay al menos una super-

ficie fija y una móvil.

Ejemplo: molinos de impacto de rotor,

molinos de impacto de palas, molinos

ultracentrífugos

MECANISMOS DE TRITURACIÓN

Fig. 10: Diferentes mecanismos

de trituración

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Herramientas de molienda

Un aspecto importante de la preparación de la muestra es la elección de la herramien-ta de molienda apropiada, tal como se indica en los casos siguientes:

• Sisevaaanalizarelcontenidodehierro,cromoocobaltoenmuestrasdesuelo,éstas no deberán prepararse con herramientas de molienda en acero inoxidable ni acero templado, ya que ambos materiales contienen algunos de los elementos a detectar.

• Si,porelcontrario,sevaaanalizarelcontenidodecalcioyóxidodesilicioenclínker de cemento, pueden utilizarse perfectamente herramientas de molienda en dichos aceros.

• Elteflón,elóxidodecirconioyelvidriosonmaterialesesterilizables,porloqueseemplean con frecuencia en las áreas de tecnología de los alimentos y microbiología.

• La dureza de lamuestra también juega un papel importante. Unamuestra decorindón, por ejemplo, no puede triturarse con bolas de ágata.

El "arte de la trituración" consiste, por lo tanto, en preparar una muestra de labo-ratorio de tal manera que se puedan obtener fracciones representativas, con una granulometría analítica homogénea. A la hora de seleccionar el molino y el juego de molienda apropiado debe ponerse especial atención en que las propiedades del material a ser analizadas (p. ej. el contenido de humedad o de metales pesados) no sean modificadas durante la preparación de la muestra. Para ello, no sólo se requiere tener un conocimiento exacto de los aparatos, sino también experiencia en la prepa-ración de diferentes materiales. Por lo tanto, antes de la compra de un molino de laboratorio, es imprescindible basarse en experiencias hechas con este molino, o sino probar el molino con el material que se va a analizar.

CONCLUSIÓN

La obtención de resultados analíticos sin errores y comparables está estrecha-mente relacionada con una preparación meticulosa de la muestra. Sólo una frac-ción representativa de la muestra original puede brindar resultados fiables y de valor informativo. El uso de divisores de muestras y molinos de laboratorio per-mite garantizar la representatividad de la muestra y con ello la reproducibilidad del análisis. Por lo tanto, la correcta preparación de la muestra reduce la proba-bilidad de obtener resultados analíticos erróneos que puedan llevar a un paro en la producción (tal como se describe al inicio de este informe), siendo la clave para un control de calidad efectivo.

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TRITURACIÓN

Reservadoelderechoamodificacionestécnicasyeventualeserrores·99.100.1073/SP-06-2013