Settore: Minerali e Metalli

I minerali sono sostanze che presentano una composizione chimica definita e costante, e possono essere costituiti da un solo elemento (come l’oro, il carbonio o lo zolfo) o da più elementi, in tal caso vengono chiamati composti (ad esempio il salgemma NaCl o il quarzo SiO₂). In sintesi, la caratterizzazione dei minerali coinvolge sia la loro composizione chimica che la loro struttura cristallina, e queste informazioni sono essenziali per gli studiosi di mineralogia e geologia e non solo. E’ fondamentale comprendere la loro natura e identificarli correttamente. Esistono diverse metodologie di classificazione dei minerali basate su proprietà chimiche e struttura cristallina. Il riconoscimento dei differenti minerali richiede l’utilizzo di strumentazione sofisticata.

Qui di seguito alcuni strumenti comunemente utilizzati per caratterizzare in generale ed il riconoscimento dei minerali:

1. Microscopio elettronico a scansione (SEM). Questo strumento fornisce immagini ad alta risoluzione della superficie dei minerali. È utile per studiare la morfologia e la topografia dei campioni. L’opzione microanalisi EDX (Energy Dispersive X-ray Analysis) permette la determinazione della composizione chimica dei minerali. Utilizzando un fascio di elettroni, è possibile analizzare gli elementi presenti nel minerale con grande precisione.
2. Analisi termica differenziale e termogravimetrica (DTA-TGA). Queste tecniche misurano le variazioni di peso e temperatura nei minerali durante il riscaldamento o il raffreddamento. Possono rivelare informazioni sulla composizione e sulle trasformazioni termiche.
3. Diffrattometro a cristallo singolo o per polveri. Questo strumento è utilizzato per individuare la struttura interna dei minerali. La tecnica di diffrazione dei raggi X viene impiegata per determinare la disposizione degli atomi all’interno del cristallo.
4. Microscopio petrografico. Questo microscopio speciale è utilizzato per osservare sezioni sottili di minerali e rocce. Attraverso l’analisi delle caratteristiche ottiche, come il colore, la birifrangenza e la forma dei cristalli, è possibile identificare i minerali.
5. Scala di Mohs. Benché non sia uno strumento fisico, lascala di Mohs è uno strumento concettuale utilizzato per misurare la durezza dei minerali. Questa scala va da 1 (minerali molto morbidi) a 10 (minerali molto duri), consentendo di confrontare la resistenza alla scalfittura di diversi minerali.
6. Spettroscopia. Questa tecnica analizza l’interazione tra la luce e il minerale. La spettroscopia infrarossa e la spettroscopia Raman sono utilizzate per identificare gruppi funzionali e legami chimici nei minerali.
7. Microscopio a fluorescenza. Questo strumento evidenzia la fluorescenza dei minerali quando sono esposti a luce ultravioletta. Ogni minerale ha una firma di fluorescenza unica che può aiutare nella loro identificazione.

Per quel che riguarda invece la caratterizzazione delle polveri minerali, è di fondamentale importanza la conoscenza di caratteristiche quali la granulometria, morfologia, reologia delle polveri, area superficiale, porosimetria, scorrevolezza e la stabilità delle dispersioni per comprendere e ottimizzare processi che vanno dall’estrazione di minerali, alla dispersione di ossidi inorganici (TiO2, SiO2 etc.), alle produzioni di carbonati di calcio, talco, solfato di bario etc. La granulometria, reologia e la stabilità delle dispersioni aiutano anche a caratterizzare le prestazioni di filler, di argille e di fluidi di perforazione, ma questi sono solo alcuni esempi.

Esistono diversi strumenti che consentono di analizzare le proprietà e il comportamento di queste particelle. ecco alcuni di essi:

1. Diffrazione laser e analisi di immagine. Questi strumenti permettono di valutare la distribuzione granulometrica e la forma delle particelle delle polveri in generale dando anche una indicazione sulla scorrevolezza e la densità di compattazione. Sono fondamentali (soprattutto il granulometro a diffrazione laser) per il controllo qualità e la ricerca e sviluppo di tutte le applicazioni che richiedono l’utilizzo di polveri minerali e/o mix di esse sia a secco (polveri asciutte) che bagnate (dispersioni, impasti etc).
2. Reometri e reometri per polveri. La reologia delle polveri è un campo di studio cruciale per comprendere il comportamento di materiali in polvere compreso quelli minerari. Oggi si possono studiare tanti aspetti sulla reologia della polvere con un reometro unico e studiato esclusivamente per le polveri asciutte: FT4 della Micromeritics. Gli aspetti chiave reologici sono la natura stessa delle polveri costituite da particelle come elementi che la compongono. Importante è per esempio l’aria tra le particelle, l’acqua all’interno o sulla superficie delle stesse, l’umidità, che può può variare la reologia e le variabili esterne come il consolidamento e aerazione che sono tra le più influenti sulla scorrevolezza. Importante è la velocità di processo durante il riempimento e la miscelazione delle polveri per esempio e l’umidità ambientale e lo stoccaggio possono alterare il comportamento delle polveri.
3. Microscopia elettronica a scansione (SEM). ll SEM fornisce immagini ad alta risoluzione della superficie delle particelle di polvere. È utile per studiare la morfologia e la topografia dei campioni. Gli strumenti da banco che proponiamo come Alfatest permettono di automatizzare anche la caratterizzazione granulometrica con un particolare software chiamato Particle Metrics.
4. Area Superficiale, Densità e Porosimetria. L’analisi delle proprietà delle polveri minerarie, tra cui area superficiale, densità e porosità, riveste un ruolo fondamentale nell’industria e nella ricerca/sviluppo. La densità per esempio, influenza la fluidità e il flusso delle polveri e per questo la densità bulk e la densità assoluta sono importanti da considerare. Negli impasti l’area superficiale influisce sulla stabilità di dispersioni e sospensioni ed è rilevante per la reattività chimica e l’adsorbimento. Il volume totale dei pori e i relativi diametri influenzano invece la permeabilità e la capacità di assorbimento.

In sintesi, la caratterizzazione delle polveri minerali richiede una combinazione di conoscenze teoriche e l’uso di strumenti specifici per analizzare la loro composizione, struttura e proprietà fisiche. Vi sono alcune applicazioni dove l’importanza granulometrica, ma non solo, sono di fondamentale rilevanza come per esempio nella tessitura di terreni e sedimenti, in mineralogia e geologia.

Un altro mercato importante è quello del cemento, del carbone, delle miscele minerali utilizzate nel calcestruzzo composto da un legante, cioè cemento: clinker, alluminati di calcio, silicati gesso e gli inerti composti da sabbia (per la maggior parte), ghiaino e ghiaia. Il tutto ovviamente in granulometrie specifiche e quantità a seconda della struttura da realizzare.

L’energia consumata in molte di queste applicazioni è estremamente elevata con alti costi. La produzione di cemento per esempio richiede un grande consumo di energia, per questo riveste un ruolo chiave il controllo, anche in-line, della granulometria per l’ottimizzazione dei processi di macinazione aumentando la produttività e riducendo la sovra-macinazione. Le misure granulometriche consentono di controllare il processo dei 28 giorni di indurimento dei conglomerati a base cementizia (calcestruzzo, malte).

Troppe particelle fini (al di sotto dei 2 micron) possono infatti causare un riscaldamento eccessivo durante la presa cementizia e la formazione di fratture. Mentre troppe particelle grossolane influenzeranno negativamente la resistenza del cemento. Per questo è fondamentale ottimizzare la granulometria tra 2 e 32 micron.

La forma delle particelle ne influenza le modalità di impaccamenti durante l’utilizzo e di conseguenza la resistenza dello stesso. L’Area Superficiale Specifica è cruciale e fornisce dati più accurati e riproducibili rispetto ai tradizionali metodi di Blaine utilizzati nelle cementerie. Infine, immagini in alta risoluzione con un microscopio elettronico a scansione (SEM) da banco come il Phenom della Thermo accoppiato con il software ParticleMetric, permettono di esaminare in maniera facile e veloce senza dover attendere i dati da un laboratorio centrale con numerosi campioni di clinker e calcestruzzi o campioni di grandi dimensioni fino a 100mm x 100mm da maneggiare.

Il granulometro a diffrazione laser Mastersizer 3000 della Malvern Panalitycal è in grado di misurare dimensioni che vanno dai nanometri fino ai 3,5 mm ed analizzatori di immagine dinamici e conta-particelle come il CPA 2-1 possono misurare granulometria e morfologia della ghiaia fino ai 3-4 cm. Per la ricerca e lo sviluppo potrebbe essere utilizzato uno strumento automatizzato di analisi di immagine statica (base microscopia ottica) ad alta risoluzione per misura e quantificare forma e granulometria con spettroscopia raman associata: Morphologi 4-ID della Malvern Panalitycal.