Digestión por microondas
Fases principales del análisis
Dado que la digestión por microondas solo forma parte de la preparación de la muestra, el proceso de análisis general se puede dividir en diferentes fases [1].
- Definición del problema
- Seleccionar un método
- Muestreo
- Preparación de la muestra
- Análisis
- Evaluación
Para un enfoque orientado a soluciones, definir el objetivo es lo más importante. Solo una vez que se conozcan todos los requisitos se podrán encontrar los métodos adecuados para la preparación y el análisis de muestras. Un aspecto importante de la analítica moderna son los crecientes requisitos para los usuarios y los instrumentos. Mientras que cada vez más muestras necesitan ser digeridas en un período cada vez más corto, los límites de detección para determinar los elementos se reducen. Por lo tanto, es fundamental elegir los parámetros y métodos correctos para garantizar un proceso general exitoso. Esto se debe principalmente al hecho de que no existen métodos universales para diferentes tipos de muestras.
Química de la digestión ácida
Las digestiones ácidas, ya sean digestiones a presión abiertas o cerradas, se llevan a cabo con la ayuda de una amplia variedad de reactivos. Además de los diversos ácidos minerales, también se emplean otros reactivos como el peróxido de hidrógeno, el peroxidisulfato de potasio, el ácido bórico y muchos más. Naturalmente, la selección de los reactivos específicos o la preparación de una mezcla de reactivos depende de la muestra a digerir.
Pautas de digestión
El tipo de muestra y su composición juegan un papel decisivo en la selección de un método adecuado. Además de las muestras orgánicas e inorgánicas, también se puede hacer una distinción entre muestras sólidas y líquidas o solubles en agua e insolubles. En principio, antes de la digestión (especialmente de muestras desconocidas), es importante recopilar la mayor cantidad de información posible y analizar las muestras en función de sus cualidades.
Los materiales de muestra orgánicos generalmente se descomponen y se mineralizan completamente en dióxido de carbono con la ayuda de ácidos oxidantes (principalmente ácido nítrico) y reactivos (principalmente peróxido de hidrógeno). Antes del ataque oxidativo, los plásticos se deshidratan con frecuencia in situ mediante la adición de ácido sulfúrico. Se requiere precaución durante este procedimiento, particularmente cuando se trata de muestras reactivas, es decir, con materiales (grasas, aceites, etc.) cuyo proceso de descomposición en estas condiciones es exotérmico. Sin embargo, estos tipos de muestras se pueden digerir de forma segura mediante velocidades de calentamiento lentas o mediante diferentes pasos de temperatura.
Por el contrario, el espectro de materiales de muestra inorgánicos es significativamente más amplio. Incluso las condiciones durante el pretratamiento de la muestra, por ejemplo, si una cerámica se horneó a una temperatura baja o más alta, pueden influir en sí una muestra es fácil o difícil de digerir. En general, las muestras inorgánicas también deben estar completamente mineralizadas y disueltas. Para ello, se emplean principalmente mezclas ácidas de componentes de ácido clorhídrico y / o ácido fluorhídrico. Sin embargo, debe considerarse la solubilidad de las sales resultantes para que las soluciones permanezcan estables durante períodos de tiempo más largos.
Elección de la temperatura de la muestra y el tiempo de digestión
La elección de la temperatura de digestión y el tiempo de digestión son cruciales para garantizar que la digestión sea exitosa. Al trabajar en un recipiente cerrado, se pueden alcanzar temperaturas significativamente más altas que en recipientes abiertos. Como resultado, esto aumenta significativamente la velocidad de reacción.
Aquí, la temperatura y la presión son los parámetros clave que aceleran la velocidad de reacción y, por lo tanto, conducen a la digestión en recipientes cerrados. La ecuación de Arrhenius describe la dependencia de las constantes de velocidad de reacción con la temperatura.
Como regla general, se puede suponer que un aumento de la temperatura en 10 ° C resultará en el doble de la velocidad de reacción.
(k = constante de velocidad, A = factor preexponencial, EA = energía de activación en J/mol, R = constante de gas universal, T = temperatura absoluta en K)
Si está trabajando con un recipiente cerrado, el vapor liberado resultó en un aumento de presión. La relación entre temperatura y presión se describe mediante la ecuación de Clausius-Clapeyron. Un aumento de presión siempre va de la mano de un aumento de temperatura, lo que a su vez conduce a una cinética de reacción acelerada.
Es preferible un tiempo de digestión más corto por razones económicas. En cualquier caso, debe ser lo suficientemente largo para garantizar que se lleve a cabo la digestión completa de la muestra. En general, esto lleva de 20 a 30 minutos. Temperaturas de digestión muy altas mayores de 250 °C conducen a tiempos de digestión muy cortos.
Sin embargo, la temperatura máxima está limitada por los siguientes factores:
- Presión de vapor de los ácidos de digestión
- Resistencia a la temperatura de los recipientes
- Resistencia a la presión de los recipientes
Si el tiempo total de digestión es> 45 minutos y si se requieren temperaturas> 260 ° C, se recomienda el uso de sistemas de digestión a presión convencionales. Con estos sistemas, se pueden lograr tiempos de digestión de varias horas o días (por ejemplo, digestión de óxidos de alto fuego o incluso grafito, carburo).
Potencia del microondas
La potencia del microondas a menudo varía entre 1000 y 2000 W. No está claro a primera vista qué impacto tiene la potencia en la digestión y la calidad. El número de recipientes de digestión juega aquí un papel decisivo. Para alcanzar la temperatura deseada en los rotores para un alto rendimiento, se requiere una potencia de microondas correspondiente. Digamos que se usa un microondas de 1000 W para digerir diez recipientes. 100 W están disponibles por contenedor. Con 20 contenedores, esto sería solo 50 W. Por lo tanto, cuanto mayor sea el número de recipientes de digestión, menor será la potencia disponible para cada recipiente individual. Realizar digestiones a altas temperaturas muy por encima de los 200°C con un microondas de 1000 W no va a funcionar. Para la digestión de muestras complejas a temperaturas y presiones más altas, es importante verificar la potencia del microondas.
Integridad de la digestión
La digestión generalmente se considera completa una vez que está presente una solución clara después de la digestión. Sin embargo, solo se puede determinar si la digestión fue exitosa usando espectrómetros (ICP, AAS) y determinando la concentración del elemento.
Ensayos de lixiviación, como se describe p. Ej. en DIN EN 16174 o EPA 3050, no conducen a una digestión completa. En este caso, las muestras deben filtrarse antes del análisis.
Si los materiales de muestra no se digirieron completamente, esto se debe a menudo a que los tiempos de digestión son demasiado cortos, a temperaturas de digestión bajas o mezclas de ácidos inadecuadas. El éxito de la digestión también es mayor cuanto más fina se muele la muestra antes de la digestión.
Pureza del reactivo: purificación ácida mediante destilación ácida o sub ebullición
Especialmente en el análisis de ultratrazas, la pureza de los ácidos es de gran importancia. Básicamente, los reactivos líquidos están disponibles comercialmente en varios grados de pureza. Naturalmente, su precio aumenta exponencialmente con el grado de pureza. Alternativamente, los ácidos también pueden purificarse para análisis de trazas mediante sub-ebullición. Para este propósito, se dispone de equipos especiales de limpieza con ácido. Estos instrumentos están hechos completamente de plástico y, por lo tanto, también se pueden utilizar para ácido fluorhídrico.
La calefacción se realiza sin contacto mediante una lámpara de infrarrojos cuya potencia se regula para que la temperatura máxima aproximada se mantenga entre 10 °C y 20 °C por debajo del punto de ebullición del ácido específico sin necesidad de una regulación adicional de la temperatura. Comenzando con ácido de grado comercial (grado analítico), una simple destilación ácida ya es suficiente para alcanzar niveles de pureza en el rango de ppb. Varias destilaciones purificarán aún más el ácido.
Juan Felipe Alvarez
Ingeniero de Soporte Técnico
