Clay and Refractory Materials Slurries in Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry: Effects of Mechanochemical Synthesis on Emission Intensities of Analytes

Mirian C. Santos^a, Ana Rita A. Nogueira^b and Joaquim A. Nóbrega*^,a

^a Departamento de Química, Universidade Federal de São Carlos, CP 676, 13560-970 São Carlos - SP, Brazil. * e-mail: djan@terra.com.br

^b Embrapa Pecuária Sudeste, São Carlos - SP, Brazil

Abstract

The developed work investigated the application of mechanochemical synthesis for promoting reactions in the samples and for synthesizing new compounds for increment of emission intensities of analytes in clays and refractory materials slurries in inductively coupled plasma optical emission spectrometry with axial viewing. The hypothesis is that it is possible to generate more volatile compounds during the grinding step and these new compounds will increase the intensities of emission signals for slurries introduced in the plasma. The action of two chemical modifiers, LiBO₂ and Na₂CO₃, added during the grinding step was evaluated. The clays and refractory materials mixed with the chemical modifier were ground for 2 h using a high impact ball mill with a tungsten carbide grinding container and balls. Slurries were prepared by dispersing the modified clays and refractory materials in 10% v v^-1 HNO₃ solution and by shaking them in an ultrasonic bath to ensure good dispersion. The compounds produced during the grinding step were characterised by X-ray diffraction and thermogravimetric analysis. Both techniques indicated the formation of new compounds in clays and refractory materials by mechanochemical synthesis. Chemical modification effects were evaluated by changes of the emission intensities of Al, Ca, Fe, K, Mg, P, Si, and Ti. Both modifiers caused increments of sensitivities for all analytes in up to 665% (Na₂CO₃) and 583% (LiBO₂) compared to the emission signals for analytes present in slurries prepared using samples ground without adding modifiers.

Keywords: mechanochemical synthesis, slurry, ICP OES, clays, refractory materials.

Resumo

Neste trabalho foi investigada a aplicação da síntese mecanoquímica para promover reações na amostra e sintetizar novos compostos visando aumentar as intensidades de emissão de elementos presentes em suspensões de argilas e materiais refratários quando introduzidas em espectrômetro de emissão óptica com plasma acoplado indutivamente com configuração axial. А hipótese formulada é que é possível gerar compostos mais voláteis durante a moagem e esses novos compostos causam aumento da intensidade dos sinais de emissão para os analitos em suspensões introduzidas no plasma. А ação de dois modificadores, LiBO₂ e Na₂CO₃, adicionados durante a etapa de moagem foi investigada. As argilas e materiais refratários foram moídos juntamente com os modificadores químicos durante 2 h usando um moinho de bolas de alto impacto com recipiente e bolas de carbeto de tungstênio. As suspensões foram preparadas dispersando as argilas e os materiais refratários modificados em solução 10% v v^-1 HNO₃ e, posteriormente, sonicadas em banho de ultra-som para melhorar a homogeneização. Os compostos produzidos durante a etapa de moagem foram caracterizados por difração de raios X e análise termogravimétrica. Ambas as técnicas indicaram a formação de novos compostos nas argilas e materiais refratários por síntese mecanoquímica. Os efeitos da modificação química foram avaliados pelas mudanças nas intensidades de emissão dos analitos Al, Ca, Fe, K, Mg, P, Si e Ti. Ambos modificadores causaram aumento na sensibilidade para todos os analitos de até 665% (Na₂CO₃) e 583% (LiBO₂) quando comparados às intensidades dos sinais de emissão obtidos para os analitos nas suspensões preparadas com as amostras sem modificação química.

Acknowledgements

The authors wish to express their appreciation to Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (São Paulo, SP, Brazil) for financial support of this research(FAPESP, Processes 02/04473-6 and 03/04502-9). We would like to thank M. Sc. Leandro Martins and Prof. Dr. Dilson Cardoso (Department of Chemical Engineering, Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, SP, Brazil) for thermogravimetric analysis. J.A.N. and A.R.A.N. express their gratitude to Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq, Brasília, DF, Brazil) for the researchships provided.

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