Método de Separación de Fracción Fina (Arcillas), utilizando la Técnica de Difracción de Rayos X. (Parte 2)

Autor: Morvin Ascanio López / Unidad de Procesos Metalúrgicos Centro de Tecnología de Materiales (CTM) FIIIDT. 

 

En la primera parte de este artículo (http://www.fii.gob.ve/metodo-de-separacion-de-fraccion-fina-arcillas-utilizando-la-tecnica-de-difraccion-de-rayos-x-parte-1/?print=print), se explicaron algunos de los métodos de separación (sedimentación, centrifugación, dispersión con ultrasonido, extracción y orientación, entre otros).  A continuación se explicaran los ensayos de solvatación (E.G) y tratamiento térmico, con el fin de cualificar las arcillas presentes.

Solvatación de los minerales arcillosos de la placa de agregados orientados

• Se agrega  200 ml de etilenglicol (EG) en un desecador con tapa.

• Se coloca las placas con los agregados orientados saturados con magnesio sobre el estante cerámico del desecador y éste dentro del desecador como se muestra en la (Figura 4)  

• Se expone las placas al vapor del reactivo 8h a 60 °C en una estufa como se indica en la (Figura 5)  

• Se colocan unas gotas de EG a 60° bajo los porta muestras de cada placa y se analiza inmediatamente por DRX. (Figura 6)

Figura 4.  Muestras de arcillas orientadas en láminas de vidrio y Desecador. Fuente: FIIIDT

 

Tratamiento térmico de los minerales arcillosos de la placa de agregados orientados

• Se precalienta la mufla (LINDBERG/BLUE M) a 550°C. (FIIIDT)

• Se coloca en la mufla las placas que contienen los agregados orientados saturados con potasio en la mufla, con ayuda de pinzas (Figura 5).

• Después de 1 hora se sacan las placas y se coloca inmediatamente en un desecador para evitar que se re-hidraten.

• Se analizan las placas tratadas térmicamente, en el equipo de DRX.

Luego los productos obtenidos (placas o porta muestra de vidrio orientadas)  de los distintos tratamientos (tal cual o azar, glicolada (E.G) y calcinada) se corren por DRX. Y se compararan los Difractogramas  de la muestra original y los difractogramas de los productos de las modificaciones realizadas. De esta forma se definen  las condiciones de operación para obtener un material con características  de estructura amorfa, reactiva o activada.

Los cristales están formados por átomos y moléculas distribuidos regularmente en el espacio tridimensional y con periodos de identidad característicos a lo largo de los ejes cristalográficos. Cuando un haz de Rayos-X con longitud de onda (λ) bombardea un cristal, los electrones de los átomos que encuentra en su trayectoria difunden los Rayos-X en todas las direcciones, vibran con una frecuencia igual a la incidente, absorben parte de la energía y actúan como fuentes de nuevos frentes de onda coherentes (misma frecuencia y longitud de onda) difundiendo la energía como Radiación X. Las distancias interatómicas dentro del cristal producen un único arreglo de difracción máximo, el cual sirve para identificar el mineral ya que no existen dos minerales que tengan exactamente las mismas distancias en tres dimensiones. La hipótesis anterior fue concebida, aunque no comprobada experimentalmente, por Max Von Laue a principios del siglo XX. Los difractogramas obtenidos mediante su técnica son evaluados matemáticamente siendo su análisis algo complejo. W.H. Bragg y W.L. Bragg dieron una presentación más sencilla a este fenómeno

la cual se conoce comúnmente con el nombre de la Ley de Bragg, que se formula así:

nλ = 2d_hklsinθ

Donde:

N : Orden de reflexión. Corresponde al número de longitudes de onda entre rayos

difundidos por planos atómicos adyacentes.

Λ : Longitud de onda de los Rayos-X.

d:  Distancia interplanar de la familia de planos paralelos que difractan los Rayos-X.

θ:  Ángulo de incidencia del rayo.

Los Rayos-X ocupan sólo una pequeña parte del espectro electromagnético en la región de las ondas cortas (0.01 a 100 Å). La longitud de onda de mayor interés para el análisis mineralógico se extiende sólo de 0.4 a 3 Å, ya que en este rango se encuentran comprendidos los espacios interplanares  en las redes cristalinas.

Métodos de Difracción de Rayos-X

La longitud de onda (λ), la distancia interplanar (d) y el ángulo de incidencia del haz (θ) son las tres magnitudes que se pueden conjugar para obtener patrones de difracción, de aquí surgen los Diferentes métodos que se han utilizado en el estudio de estructuras cristalinas: a. Método de Laue: λ y θ fijos. b. Método de cristal giratorio. c. Método de polvo cristalino. Los dos primeros métodos no son aplicables al estudio de arcillas. El tercer método consiste básicamente en que la muestra para analizar se reduce a un polvo muy fino. Se hace incidir un haz de Rayos-X sobre la superficie de dicho polvo cristalino, constituido por miles de cristalitos orientados al azar, ya que de esta forma siempre habrá un buen número de cristales orientados tal que una familia de planos reticulares, de distancia interplanar d , satisfagan la ley de Bragg.

Análisis general de difractogramas

Un difractograma es un esquema obtenido de cada ensayo de difracción. Las distancias constantes en un arreglo cristalino originan una distribución característica de máximos (picos) que permiten identificar cualitativamente el cristal, la intensidad de estos picos (eje vertical) es proporcional al número de planos que difractan los rayos incidentes, lo cual ocurre a ángulos de incidencia precisos. Al analizar el área bajo la curva es posible hacer una evaluación semi-cuantitativa, es decir, calcular la concentración de la estructura específica. Los resultados entregados por los difractogramas contienen toda la información del conjunto de redes cristalinas (usualmente poli-componentes), las cuales son más complejas cuando lo que se analiza son suelos debido a la gran variedad de compuestos que se pueden presentar. Esta información de redes cristalinas es interpreta da por el software del equipo y transformada a distancias interplanares (d) en unidades Å mediante la ecuación de Bragg. A cada pico se le asigna un valor de intensidad y con esta información se procede a identificar el cristal (o cristales) al cual pertenece el patrón de difracción investigado. Es muy probable que al analizar los patrones de difracción de una muestra algunos de los picos de cierto mineral no coincidan, esto en algunos casos se debe a que el difractograma permite ver las diferentes reflexiones de los minerales en uno sólo y se puede presentar que cierto mineral tenga un d similar al de otro, pero una intensidad más alta, lo cual ocasiona que el pico del mineral de intensidad baja no se pueda apreciar directamente en el  difractograma  Traslape de picos correspondientes a diferentes minerales. (Figura 6).

                                                     

   

Por lo tanto, cuando se trata de análisis de suelos por difracción de Rayos-X (DRX) se debe hacer una preparación de las muestras , la cual reduce de forma controlada la intensidad de ciertos minerales y, en ocasiones, elimina su presencia (tratamientos a altas temperaturas) ayudando a visualizar mejor las intensidades de los otros elementos presentes de modo que de una muestra se obtienen varios difractogramas que se complementan entre sí y que ayudan alanalista del método DRX a identificar con mayor grado de seguridad los componentes totales.

Análisis de minerales ínterestratificados

Los minerales de capa mixta son materiales que tienen capas alternadas de distintos tipos de arcillas. La interestratificación en un apilamiento vertical puede ser: regular, regular segregado o al azar. Dentro de las arcillas de capa mixta se incluye (ejemplos): illita-vermiculita, illita-esmectita, clorita-vermiculita (corrensita), clorita-esmectita, y  kaolinita-esmectita. Estas arcillas pueden formarse por meteorización que incluye la eliminación o absorción de cationes (K), alteración hidrotermal, o eliminación de las láminas de hidróxido, y, en algunos casos podrían representar una etapa intermedia en la formación de minerales hinchables y no hinchables o vise versa.

Tipos de interestratificación para minerales arcillosos Las estructuras interestratificadas son fácilmente identificadas por su reflexión basal 001, la cual corresponde a la suma de los espaciamientos de sus componentes individuales y a los picos posteriores de las integrales de orden superior. Por ejemplo, el interestratificado regular illita–esmectita cuando se satura con Mg y se trata con etilenglicol podría ser caracterizado por un pico de difracción de 001 alrededor de 27 angstroms, que corresponden a la suma del espaciamiento de illita (10 angstroms) y esmectita (17 angstroms). Las estructuras interestratificadas al azar tienen picos no integrables en las posiciones intermedias entre los picos de las capas de minerales individuales. Por ejemplo, el interestratificado al azar illita-clorita podría ser caracterizado por un pico de difracción basal 001 entre 10 y 14 angstroms. Los patrones de polvo de DRX de los agregados orientados muestran los efectos de los distintos tratamientos aplicados sobre clorita-vermiculita: corrensita.

Bibliografía

• BERMUDEZ POLONIO, J. 1981. Métodos de Difracción de Rayos X. Principios y aplicaciones.

Ed. Piramide. Madrid.86 Ciencia y Tecnología de materiales

• BESOAIN, E. 1985. Mineralogía de arcillas de suelos. I1CA. San José, Costa Rica. Bish, D.L

y Post, J E. (Eds.) 1989. Modern Powder Diffraction. Mineralogical Society of America.

Washington.

• BRINDLEY, G.W. y BROWN, G. (Eds ) 1980 Crystal Structures of Clay Minerals and their Xray

identification. Mineralogical Society Londres.

• NEMECZ, E. 1989. Clay Minerals. Akadémiai Kiaidó. Budapest
•  
• RODR1GUEZ GALLEGO, M. 1982. La Difracción de los Rayos X. Ed. Alhambra. Madrid.

• THENG, B.K.G. 1974. The chemistry of clay-organic reactions. Adam Hilger. Londres.

• THOREZ, J. 1975. Phyllosilicates and clay minerals. A laboratory handbook for their x-ray

diffraction analysis. Ed. G. Lelotte Bélgica.

 

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