Analisis Instrumental Presisi pada Baja, Lumpur, dan Bahan Baku
Analisis instrumental secara luas digunakan untuk analisis elemen kualitatif dan kuantitatif pada sampel bahan baja, besi mentah (besi panas), baja, lumpur, refraktori, dan sludge. Dibandingkan dengan analisis basah, keunggulan analisis instrumental adalah biaya yang lebih terjangkau, multi-elemen, dan sangat cepat. Khawatir yang disebabkan oleh elemen interferensi dalam analisis kimia basah dihilangkan. Analisis instrumental menghindari kebutuhan untuk menunggu beberapa jam untuk elemen tertentu, yang merupakan keharusan saat metode kimia basah digunakan.
Selain itu, analisis instrumental menyediakan batas deteksi yang cukup seragam di seluruh daftar elemen atau senyawa yang luas dan dapat diterapkan pada berbagai konsentrasi, mulai dari 100% hingga beberapa bagian per juta (ppm). Metode instrumental dapat direproduksi dengan risiko kesalahan manusia yang lebih rendah karena intervensi manusia yang lebih sedikit. Metode ini kuat, andal, dan akurat dengan akurasi yang tergantung pada kalibrasi dan standar yang digunakan untuk kalibrasi.
Analisis baja, lumpur, dan bahan baku penting dan esensial tidak hanya selama proses pembuatan baja untuk tujuan kontrol, tetapi juga untuk sejumlah besar sampel yang perlu dianalisis untuk berbagai tujuan lainnya. Informasi dari analisis berguna untuk berbagai tujuan, seperti pemeriksaan bahan baku, produk tengah, dan produk akhir, penilaian lingkungan, kontrol proses, analisis kegagalan, kontrol kualitas produk, dan untuk tujuan penelitian dan pengembangan.
Sejarah
Meskipun spektrograf sudah digunakan cukup lama di bidang lain, instrumen pertama yang berhasil digunakan untuk kontrol peleburan ferrous dipasang di pabrik cor pada tahun 1935. Spektrograf Baird dipasang di laboratorium Timken pada tahun 1943 untuk analisis tes dari pabrik peleburan. Instrumen ini dilengkapi dengan grating Wood dengan panjang fokus tiga meter, berukuran 15.000 garis per inci, dipasang dalam mounting eagle. Sampel untuk analisis spektrografik dicetak dalam bentuk batang, diameter 5,5 mm, dengan mencurahkan logam cair ke dalam cetakan atau menariknya ke dalam tabung kaca. Pin cetakan dikirim ke laboratorium melalui sistem transportasi tabung pneumatik, di mana mereka digiling dengan hati-hati hingga titik sudut termasuk 140 derajat dan ditempatkan pada pemegang elektroda. Daya dari sumber arc atau spark tegangan tinggi diberikan dan garis spektral dari cahaya yang dipancarkan difoto pada plat Eastman spectrum analysis number 1. Plat kemudian dikembangkan, dicuci, dikeringkan, dan disejukkan ke suhu ruangan di kamar gelap. Kepadatan garis untuk elemen yang diperlukan dibaca pada densitometer dan dihitung ke dalam persen, setelah itu dilaporkan melalui telautograph kepada operator tungku.
Perkembangan lebih lanjut dalam analisis instrumental adalah spektrometro baca langsung. Dalam instrumen ini, tahap fotografi telah sepenuhnya diganti oleh tabung pengali elektron sensitif, yang menangkap cahaya yang dipancarkan pada panjang gelombang yang berbeda dan melaporkannya sebagai persen pada jam kalibrasi dalam 35 detik setelah sampel ditempatkan pada pemegang elektroda. Penggunaan tabung foto menghilangkan semua kesalahan yang mungkin terkait dengan plat atau film, pengembangan dan pemrosesan kamar gelap, pembacaan densitometer, dan papan perhitungan. Spektrometro baca langsung pertama kali dipasang di laboratorium kontrol Timken pada Mei 1947 dan merupakan instrumen pertama dari jenis ini yang digunakan di industri baja.
Perkembangan lebih lanjut terjadi dalam analisis instrumental dan berbagai jenis analisis instrumental yang saat ini digunakan dijelaskan di bawah ini.
Spektrometri Emisi Atom Spark (AES)
Spektroskopi emisi atom adalah metode analisis kimia yang menggunakan intensitas cahaya yang dipancarkan dari spark pada panjang gelombang tertentu untuk menentukan jumlah elemen dalam sampel. Panjang gelombang garis spektral atom memberikan identitas elemen sementara intensitas cahaya yang dipancarkan proporsional dengan jumlah atom elemen.
Spektroskopi emisi atom spark digunakan untuk analisis elemen logam dalam sampel padat. Untuk bahan non konduktif, sampel digiling dengan serbuk grafit untuk membuatnya konduktif. Dalam metode spektroskopi arc tradisional, sampel padat biasanya digiling dan hancur selama analisis. Arc listrik atau spark dilewatkan melalui sampel, memanaskannya ke suhu tinggi untuk mengesatkan atom di dalamnya. Atom yang tergesatkan memancarkan cahaya pada panjang gelombang karakteristik yang dapat dispergi dengan monokromator dan dideteksi. Sumber spark dengan discharge yang dikontrol digunakan untuk analisis kuantitatif. Analisis kualitatif dan kuantitatif spark melalui spektrometri emisi atom spark secara luas digunakan untuk tujuan kontrol kualitas di pabrik baja.
AES dapat menentukan hingga 64 elemen secara bersamaan dalam waktu kurang dari 20 detik. Keterbatasan teknik ini adalah instrumen tidak dapat menganalisis gas dalam baja (oksigen, nitrogen, dan hidrogen). Meskipun beberapa instrumen modern menyediakan analisis nitrogen, keandalan dan batas deteksi di bawah harapan pembuat baja.
Spektrometri Fluoresensi X (XRF)
Spektrometro ini dapat menganalisis sampel logam dan non-logam. Oleh karena itu, digunakan secara luas untuk analisis logam, lumpur, bahan baku, dan sampel refraktori. Instrumen ini bekerja berdasarkan prinsip berikut (ditunjukkan dalam Gambar 1).
Saat sampel diiradiasi dengan sinar X dari tabung sinar X, atom dalam sampel menghasilkan sinar X unik yang dipancarkan dari sampel. Sinar X tersebut dikenal sebagai 'sinar X fluoresens' dan memiliki panjang gelombang serta energi unik yang karakteristik untuk setiap elemen yang menghasilkannya. Akibatnya, analisis kualitatif dapat dilakukan dengan menyelidiki panjang gelombang sinar X. Karena intensitas sinar X fluoresens adalah fungsi dari konsentrasi, analisis kuantitatif juga dapat dilakukan dengan mengukur jumlah sinar X pada panjang gelombang spesifik untuk setiap elemen.
Gambar 1 Prinsip Spektrometri XRF
Sinar X dari tabung mengenai sampel tempat berinteraksi dengan elektron dari salah satu kulit dalam atom A. Itu mencabut elektron dari orbitalnya. Ini meninggalkan kosong yang kemudian segera diisi oleh elektron dari kulit luar. Elektron ini memiliki energi lebih tinggi dari elektron yang digantikan. Energi berlebih dikeluarkan dalam bentuk sinar X dengan panjang gelombang spesifik untuk atom A. Spektrometro XRF terutama terdiri dari dua jenis.
Spektrometro fluoresensi X dispersif energi (EDXRF) menggunakan detektor untuk memproses langsung spektrum lengkap ke dalam skala dispersif energi. Spektrometro EDXRF mencakup detektor high tech menggunakan kristal Silikon Litium (SiLi) drift pendingin pada suhu rendah (-90 derajat C). Kristal ini dapat membedakan antara foton sinar X dengan energi yang berbeda (dispersi energi). Detektor menangkap semua foton yang dipancarkan oleh sampel dan total jumlah detektor sekitar 50 kilo hitungan per detik dan seringkali tersaturasi. Filter spesifik biasanya digunakan untuk menyaring bagian spektrum, misalnya elemen utama. Target sekunder biasanya digunakan untuk mengeksitesi hanya bagian dari elemen tabel periodik.
Kristal SiLi detektor menyerap foton sinar X masuk yang mengionisasi atom dan menghasilkan pasangan elektron (-) dan lubang (+). Jumlah pasangan elektron/lubang proporsional dengan energi foton sinar X. Pulsa output detektor diamplifikasi, di-digitalkan, dan diurutkan berdasarkan magnitudo. Diperlukan untuk pendinginkan detektor pada minus 90 derajat C.
Spektrometro fluoresensi X dispersif panjang gelombang (WDXRF) menggunakan kristal yang sesuai untuk memisahkan spektrum emisi menjadi panjang gelombang diskrit sebelum mendeteksinya. Fluoresensi X mikro mendapatkan namanya karena instrumen ini dirancang untuk menganalisis ukuran spot yang sangat kecil. Dalam fluoresensi X refleksi total (TRXRF) cahaya eksitasi sepenuhnyaRefleksi oleh substrat dan hanya partikel pada permukaan yang terkesati sehingga menghasilkan emisi fluoresensi X. Dengan cara ini latar belakang yang biasanya terkait dengan pengukuran XRF sangat berkurang, menghasilkan sensitivitas yang lebih tinggi dan batas deteksi yang lebih rendah.
Spektrometri Emisi Atom Plasma Terkopel Induktif (ICP/AES)
Spektrometri emisi atom plasma terkopel induktif adalah teknik analitik yang digunakan untuk deteksi elemen trace. Ini menggunakan plasma terkopel induktif untuk menghasilkan atom dan ion yang tergesat yang memancarkan elektromagnet pada panjang gelombang yang karakteristik untuk elemen tertentu. Intensitas emisi ini menunjukkan konsentrasi elemen dalam sampel.
ICP-AES terdiri dari dua bagian yaitu (i) ICP, dan (ii) spektrometro optis. Tabung ICP terdiri dari 3 tabung kaca kuarsa konsentris. Output generator radio frekuensi (RF) melingkari sebagian dari tabung kuarsa ini. Gas Argon (Ar) biasanya digunakan untuk menciptakan plasma.
Plasma Ar yang dihasilkan dan dipelihara oleh RF, sebagian panasnya mencapai 10.000 derajat K, mengesatkan elektron. Plasma digunakan untuk mengatomkan dan mengionkan elemen dalam sampel. Saat elektron kembali ke kondisi dasar pada posisi spasial tertentu dalam plasma, mereka memancarkan energi pada panjang gelombang spesifik yang khas untuk komposisi elemen sampel. Cahaya yang dipancarkan dari plasma difokuskan melalui lensa dan dilewatkan melalui slit masuk ke dalam spektrometro. Ada dua jenis spektrometro yang digunakan dalam analisis ICP-AES yaitu (i) sekvensial (monokromator), dan (ii) bersamaan (poliromator).
Spektrometri massa plasma terkopel induktif (ICP-MS) adalah alat yang sangat kuat untuk analisis elemen trace (ppb, bagian per miliar-ppm) dan ultra-trace (ppq, bagian per kuadriliun-ppb).
Spektrometri Serap Atom (AAS)
Spektrometri serap atom (AAS) adalah teknik analitik yang mengukur konsentrasi elemen. Spektrometri serap atom biasanya digunakan untuk menganalisis konsentrasi lebih dari 62 logam berbeda dalam larutan dan sangat sensitif sehingga dapat mengukur hingga bagian per miliar gram dalam sampel. Teknik ini memanfaatkan panjang gelombang cahaya yang secara spesifik diserap oleh elemen. Itu sesuai dengan energi yang diperlukan untuk memindahkan elektron dari satu tingkat energi ke tingkat energi yang lebih tinggi.
Spektrofotometer serap atom terdiri dari sumber cahaya, kompartemen sampel, dan detektor. Dalam metode ini, cahaya dari sumber diarahkan melalui sampel ke detektor. Sumber cahaya adalah lampu yang katodnya terdiri dari elemen yang diukur. Setiap elemen memerlukan lampu yang berbeda.
Teknik ini memanfaatkan spektrometri serapan untuk menilai konsentrasi analit dalam sampel. Ini memerlukan standar dengan kandungan analit yang diketahui untuk membangun hubungan antara serapan yang diukur dan konsentrasi analit dan bergantung pada hukum Beer-Lambert yang dijelaskan di bawah ini.
A = eBC
Di mana A adalah serapan [tanpa satuan, karena A = log10 (Io / I1)], e adalah koefisien serapan molar dengan satuan L mol¯¹ cm¯¹, B adalah panjang jalur sampel dalam sentimeter – yaitu, panjang jalur optik, dan C adalah konsentrasi senyawa dalam larutan, dinyatakan dalam mol L¯¹.
Diagram (Gambar 2) menunjukkan sinar radiasi monokromatik dengan daya radiant I?, diarahkan ke larutan sampel. Serapan terjadi dan sinar radiasi yang meninggalkan sampel memiliki daya radiant I1.
Gambar 2 Diagram yang menunjukkan radiasi monokromatik
Singkatnya, elektron atom dalam atomizer dapat dipromosikan ke orbital yang lebih tinggi (status terangsang) untuk waktu singkat (nanodetik) dengan menyerap jumlah energi yang ditentukan (radiasi dengan panjang gelombang tertentu). Jumlah energi ini, yaitu panjang gelombang, spesifik untuk transisi elektron tertentu dalam elemen tertentu. Secara umum, setiap panjang gelombang sesuai hanya dengan satu elemen, dan lebar garis serapan hanya dalam urutan beberapa pikometer (pm, 10¯¹² m), yang memberikan teknik ini selektivitas elemen. Fluks radiasi tanpa sampel dan dengan sampel dalam atomizer diukur menggunakan detektor, dan rasio antara dua nilai (serapan) dikonversi ke konsentrasi analit atau massa menggunakan hukum Beer-Lambert.
