Minéralisation assistée par micro-ondes Joël Poupon CSA, 14 novembre 2006
Importance de la mise en solution dans le processus analytique Doc. Anton Paar
Conditions d une bonne minéralisation Pas de contamination Pas de pertes par adsorption Pas de pertes par volatilisation Simplicité de mise en œuvre Rapidité Minéralisation complète
Ondes électromagnétiques à haute fréquence (même bande de fréquence que ondes radar) Applications industrielles et scientifiques, quatre fréquences autorisées : 2,45 GHz la plus utilisée. Les ondes électromagnétiques sont toutes des ondes d'espace qui se propagent à la vitesse de la lumière et transportent de l'énergie (sans pertes dans le vide, avec pertes dans le diélectrique). elles sont réfléchies par les métaux Les micro-ondes elles traversent la céramique, le verre, la porcelaine et les matières plastiques elles sont absorbées par les matériaux polaires elles ne constituent pas un rayonnement ionisant et elles ne sont ni mutagènes, ni cancérogènes Minéralisateurs : produites par un magnétron
Doc. Anton Paar
Absorption : proportionnelle au facteur de perte diélectrique Matières [3 GHz, T = 25 C] Quartz 0,6 Borosilicate 10,6 PTFE, PFA 1,5 PE 3,1 PVC 55 Céramique 5,5 Eau (25 C) 1570 Eau (95 C) 470
Les avantages de la technique micro-ondes Lorsqu'un matériau est chauffé de manière conventionnelle, il est chauffé de l'extérieur vers l'intérieur. Lorsqu'un matériau est chauffé par énergie micro-ondes, il est chauffé de l'intérieur vers l'extérieur. Dans ce cas, la perte diélectrique est indépendante du flux thermique à la surface du matériau. Chauffage d'un récipient dans un bain d'huile et par micro-ondes Documents Anton Paar
Les avantages Réduction du temps nécessaire Réduction des besoins énergétiques Pas d'inertie, la source de chaleur s'éloigne de l'objet à chauffer dès que le rayonnement micro-ondes est éteint
Comportement de différents matériaux au cours du chauffage sous l'influence du rayonnement micro-ondes Doc. Anton Paar
Différents systèmes de minéralisation micro-ondes reflux Micro-ondes diffusées magnétron solvant solvant magnétron Guide d ondes échantillon Four à micro-ondes focalisées: système ouvert Doc. AM de Kersabiec Flacon clos Four à micro-ondes : système fermé échantillon
Exemples de réacteurs Téflon 120 ml 3 et 7 ml
Propriétés PTFE Polytétrafluoroéthylène Point de fusion élevé (342 C) Stabilité thermique élevée Chimiquement inerte Réfractaire Faibles absorption et adsorption d'eau Non-soluble PFA Perfluoralkoxy Point de fusion élevé (310 C) Stabilité thermique élevée Chimiquement inerte Faibles absorption et adsorption d'eau Non-soluble Quartz Pureté Résistance chimique Résistance aux chocs thermiques Perméabilité aux ultraviolets et aux infrarouges Propriétés d'isolant électrique
Doc. Anton Paar
Précautions d utilisation Réacteurs secs et exempts de particules de matière Échantillons inconnus (matière organique) < 0,5 g essai en milieu ouvert (15 mn) Pas de solutions salines ou alcalines Concentration : dépôts cristallins points de surchauffe Pas d acides concentrés à T éb élevée : fusion des récipients
Contrôle - En pression Mise en oeuvre Échantillon + acide (organiques : < 0,5 g) Éventuellement dégazage système ouvert Programmation d étapes : temps et puissance - En température (capteur infra-rouge : sonde interne ou externe) - Sur 1 réacteur (le réacteur témoin doit contenir l échantillon le plus gros) - Sur tous les réacteurs
Acides utilisés HNO 3 HCl HF Oxydant. Mat. organiques, extraction des sols Carbonates, phosphates, sels d acides faibles Silice, silicates, alliages Ni-Cr HCl-HNO 3 (3:1) HNO 3 -H 2 SO 4 (1:1) HNO 3 -HF (1:5) HNO 3 -HCl-HF Instable. Inorganiques, plantes, effluents Oxydant, déshydratant, formation de complexes (sulfates) Dissout Ti, W, Nb, Zr Verres, céramiques, roches, alliages
Matières organiques (biologie, aliments) : HNO 3 ±H 2 O 2 Végétaux : HNO 3 ±HF Sols et sédiments : - Extraction : HNO 3 - Mise en solution totale : HNO 3 + HF Effluents : -HNO 3 + HCl (3:2) -K 2 S 2 O 8 + H 2 SO 4 (dosage du phosphore) Métallurgie : HCl ± HF ± HNO 3 Nitrure d Al : HCl + H 3 PO 4 (2:1) Ciment : HNO 3 +HCl+HF+H 3 BO 3 Plastiques : H 2 SO 4 + HNO 3 +H 2 O 2
Minéralisation micro-ondes en milieu fermé Avantages Températures élevées (jusqu'à 300 C) Pressions élevées (jusqu'à 80 bars) Les températures et les pressions élevées permettent d'obtenir des résultats de minéralisation complets Mélanges d'acides simples ; pour les échantillons organiques, le HNO 3 suffit. Quantités de réactifs réduites Temps de réaction courts Aucune perte de substances volatiles L'air à l'intérieur du laboratoire n'est pas affecté par l'évaporation des gaz Utilisation de petits récipients et de matières inertes ; effets d'adsorption réduits et perte d'analytes limitées Inconvénients Frais d'investissement importants. Poids d'échantillon limité (les gaz de réaction augmentent la pression interne et cette pression doit être contrôlée.)