GRANULOMETRA POR DIFRACCIN LSER Diego Quiroz Ortiz, Lorena Portilla, Ruth Rodrguez, Ing. Fernando Lloret.

Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Qumicas, Carrera de Ingeniera Qumica

Asignatura: Manipulacin de Slidos, Cuenca Ecuador, Fecha de entrega: 10-07-2015

GRANULOMETRA LASER

MARCO TERICO:

Los primeros trabajos de aplicacin de la tcnica de difraccin por rayos lser a los materiales

utilizados en el sector de la construccin, se basaron en estudios sobre cementos. Junto a ellos

surgieron tambin algunos trabajos que relacionaban las tcnicas tradicionales de determinaciones

granulomtricas con la tcnica lser.

El principio de la difraccin por rayos lser consiste en hacer pasar una muestra pulverulenta, en

seco o en suspensin en un lquido no reactivo, a travs de un rayo lser monocromtico. Segn

la teora de Frahunhofer se origina una figura de difraccin en el detector. De este modo se

consigue obtener el anlisis granulomtrico de las partculas.

TEORAS DE APLICACIN

Teora de Fraunhofer

TEORIA DE FRAUNHOFER: Que postula:

Las partculas son mucho mayores que la longitud de onda empleada

Todos los tamaos de partculas dispersan la luz con igual eficiencia

Las partculas son opacas y no tramiten luz.

Se debe destacar que los primeros equipos basaron sus clculos en esta teora, pero tiene algunos

inconvenientes como que no todas las partculas son grandes respecto a la longitud de onda de la

luz incidente, hay partculas tan pequeas como el rango de tamaos de tales longitudes de onda.

Tampoco es muy cierto que las partculas sean completamente opacas. Los diversos materiales

trasmiten la luz en diversos grados.Por lo tanto se basa en la difraccin en el borde de las partculas

y es nicamente aplicable a

partculas totalmente opacas y a

ngulos de difraccin pequeos.

Al hacer pasar un rayo lser

monocromtico expandido a travs

de una muestra pulverizada, en

seco o en suspensin en un lquido

no reactivo, la luz se difracta y se

produce una figura de difraccin de

simetra radial en el plano focal de

la lente. Si todas las partculas

iluminadas son de tamao nico, el

rayo lser formara una figura de

difraccin, cuya energa de

distribucin sigue la ley de AIRY.

La intensidad luminosa de los anillos claros es directamente proporcional al nmero de partculas

vistas con el haz luminoso, y los radios de los anillos son inversamente proporcionales al dimetro

de las partculas.

Cuando las partculas tienen tamaos diferentes, la figura de difraccin obtenida se basa en una

superposicin de imgenes de AIRY cada una de las cuales corresponde a un dimetro diferente

de la partcula.

Y cuya intensidad disminuye con la distancia al centro. A partir de esta figura de difraccin se

obtiene la distribucin granulomtrica de una muestra, mediante una serie de tratamientos y

aproximaciones matemticas.

Teora de Mie

TEORIA DE MIE: Tiene stas caractersticas:

Provee una solucin exacta para una esfera de absorcin parcial

Predice todas las sendas de luz a travs y alrededor de partculas que van de opacas a transparentes.

Los equipos modernos de anlisis se basan en la teora de Mie.

Describe la radiacin en y alrededor de una partcula esfrica en un medio homogneo y no

absorbente en todas las direcciones espaciales. Las partculas pueden ser transparentes o

completamente absorbentes.

Postula que la difraccin de luz es un fenmeno de resonancias. Si un rayo de luz con una longitud

de onda determinada incide sobre una partcula, esta partcula crea oscilaciones electromagnticas

en la misma frecuencia que la luz incida, dependientes de la relacin entre la longitud de onda de

la luz con el dimetro de la partcula y el ndice de refraccin entre las partculas y el medio

DIFERENCIACIN POR TAMAO DE PARTCULAS

La muestra puede ser una suspensin lquida o gaseosa de partculas o de gotas diminutas de

concentracin acerca de 0,1% en volumen. El tiempo promedio de un anlisis es alrededor de

unos 2 min, lo cual permite el anlisis en serie. El rango de partculas posible de analizar con esta

tcnica es aproximadamente entre 1 y 1800 (m, sin embargo el rango de trabajo analtico de los

instrumentos vara segn el modelo, lo que permite cierta seleccin. Esta tcnica es independiente

de la densidad de las partculas y es factible de calibrar. Partculas ms finas que el lmite de

deteccin no son registradas. El anlisis de partculas submicromtricas puede realizarse

empleando luz polarizada y filtrada de una fuente lumnica de W-halgeno y analizando la imagen

de dispersin en ngulos grandes para luces de diferentes longitudes de onda. La difusin de

instrumentos de difraccin de luz para el anlisis granulomtrico ha crecido rpidamente en aos

recientes, debido a su precisin, rapidez, fcil operabilidad, versatilidad y de fcil mantenimiento.

Una fuente lser es filtrada para generar un haz de rayos paralelos. Las partculas pasan a travs

del haz y difractan la luz. El resultado es un patrn de luces de intensidad variable y de ngulos

que dependen del tamao de las partculas.

Partculas grandes: Predominan ngulos pequeos.

Partculas pequeas: Dispersan ms luz a mayor ngulo.

La luz dispersada se colecta y enfoca sobre detectores. Las seales de los detectores las analiza

una computadora para producir una distribucin de tamao de partculas.

El mtodo emplea la dispersin que es una de las interacciones de la luz con la materia.

Las teoras de dispersin

describen las alteraciones del

campo electromagntico cuando

se encuentra con una partcula

material producindose:

Reflexin

Refraccin

Difraccin o,

Absorcin de luz dentro

de la partcula.

El impacto de estas interacciones

en los patrones finales de dispersin depende de:

Tamao de partcula

Longitud de onda de la luz incidente

ndice relativo de refraccin

Forma y homogeneidad de las partculas.

Los modelos propuestos para convertir los patrones de dispersin en distribuciones estn basados

principalmente es dos teoras:

Como ventajas de la Difraccin Lser podemos mencionar:

Tienen el rango adecuado de medicin de tamao de partcula

Es flexible, pues permite la medicin de diversos tipos de materiales pulverizados

Genera una distribucin en volumen que es equivalente a una distribucin en masa para materiales de densidad homognea

Es rpido, ya que toma unos cuantos minutos por muestra

Buena reproductibilidad y resultados confiables

Pueden seleccionarse hasta 100 rangos de tamao de partcula para la distribucin (intervalos de clase).

Este mtodo tiene las siguientes desventajas:

El tamao de la muestra a medir (0.5 a 1.0 g), es muy pequeo respecto al volumen de cemento que va a representar

Si se emplea un medio de medicin lquido como el alcohol, resulta costoso respecto al Blaine o al Tamizado

No est normalizado.

Es por estas razones que deben observarse las siguientes precauciones:

Asegurar la representatividad de la muestra, poniendo especial atencin en los mtodos de cuarteo y homogeneizacin

Las mediciones deben hacerse pronto para evitar la hidratacin de la muestra que puede dar lugar en cambios de forma o tamao

Debe establecerse un sistema adecuado de dispersin de grumos. Normalmente se usa el ultrasonido.

El granulmetro CILAS 1064:

Es el equipo con el que se cuenta para la determinacin de distribucin de tamao de partcula en

CEMENTO ANDINO S.A. Las principales caractersticas de este equipo son:

Rango de medicin: de 0.04 a 500 micras

Medio de circulacin de la muestra: Lquido (alcohol)

Dispersin de grumos: Por ultrasonido

Modelo de dispersin usado: Teora de Mie.

El equipo est conectado a una computadora que tiene instalado un programa para su control, el

procesamiento de la informacin y la entrega de resultados.

Para procesar los datos, el programa asume partculas esfricas utilizando el dimetro equivalente.

Los resultados pueden configurarse de varias maneras:

Puede entregar distribuciones en volumen (o masa si se da la densidad)

Distribuciones en nmero

rea total superficial

El valor de superficie especfica calculado

El valor de la media, la mediana y la desviacin estndar.

Tabla de presentacin de datos acumulados "oversise", "undersise" o histograma.

Adems de los datos tabulados, presenta los datos graficados, mostrando el histograma de

frecuencias y la curva de frecuencias acumuladas.

El programa tambin calcula los modelos de ajuste de la distribucin por la Ley de Rosin

Rammler y por la Ley Logartmica Normal, muestra los grficos respectivos, los parmetros

calculados y los coeficientes de correlacin. La figura 3 muestra la representacin grfica de una

distribucin.

APLICACIONES DE LA ESPECTROMETRA DE DIFRACCIN POR RAYOS LASER AL

ANLISIS GRANULOMETRICO DE MATERIALES EN EL CAMPO DEL CEMENTO

El punto de partida del anlisis granulomtrico es la suspensin de la muestra en polvo. Para ello,

los primeros equipos disponan de un sistema exclusivo de fase lquida. En el apartado anterior

se realizaba la descripcin del equipo disponible, mencionando los dos sistemas de alimentacin:

suspensin, en fase lquida (alcohlica, acuosa,...) y en fase gaseosa.

Distribucin de los tamaos de partculas

A) Cemento portland.- El anlisis granulomtrico de un cemento Portland comercial se ha

realizado mediante suspensin de la muestra en fase gaseosa y en fase lquida, para poder

comparar los resultados.

La distribucin de los tamaos de partcula de la muestra de cemento, mediante suspensin en

fase hmeda, se recogen en las Tablas III y IV y en los histogramas respectivos. Vase tabla

siguiente.

En definitiva hoy por hoy, todava no es posible conocer el tamao de las partculas que componen

un material. Cualquiera de los mtodos desarrollados hasta ahora, parte de una serie de

presupuestos hipotticos (suposicin de partculas esfricas, consiguiente adaptacin e

incorporacin de factores de forma), adems de las dificultades propias inherentes a la tcnica

experimental concreta. Es por tanto, un campo abierto a la investigacin.

Bibliografa consultada:

http://materconstrucc.revistas.csic.es/index.php/materconstrucc/article/viewFile/823/878

http://digital.csic.es/bitstream/10261/40110/1/MATERIALESDECONSTRUCCION_1990_40_

217_04.pdf

http://www.asocem.org.pe/bivi/re/IC/MO/aplicaciones_granulometro_industria.doc