Optimización de un procedimiento de disolución de muestras de suelo para la determinación de contenidos totales de elementos traza utilizando un diseño de experimentos

Facultad de Ciencias Trabajo Fin de Grado Grado en Química Optimización de un Procedimiento de Disolución de Muestras de suelo para la Determinación de Contenidos Totales de Elementos Traza Utilizando un Diseño de Experimentos Autor: Maripili Gutiérrez Rodríguez Tutor: Marisol Vega Alegre AGRADECIMIENTOS A mi tutora Marisol Vega y al personal del departamento de química analítica de la Universidad de Valladolid A Begoña, Rosalía y el personal del Laboratorio de Técnicas Instrumentales RESUMEN Los elementos traza, especialmente los metales pesados, se clasifican como los contaminantes ambientales antropogénicos más peligrosos debido a su naturaleza persistente y alta toxicidad. La determinación de sus concentraciones totales en sedimentos y suelos se realiza comúnmente para evaluar el grado de contaminación de los ambientes acuáticos y terrestres. La técnica ICP-MS se utiliza ampliamente para la determinación de elementos traza, ya que combina una alta sensibilidad y un amplio rango dinámico con capacidad multielemental. Antes de la determinación, las muestras de suelo y roca deben ser disueltas. La digestión ácida por microondas, MWD, es hasta la fecha el método más apropiado para la disolución de este tipo de muestras. Los métodos de digestión parcial que utilizan ácidos se consideran apropiados para el análisis pseudototal, pero no disuelven completamente los silicatos. Solo el método USEPA 3052, basado en el tratamiento de la muestra con ácidos nítrico, clorhídrico y fluorhídrico en un horno microondas permite una disolución total. A pesar de la gran cantidad de publicaciones sobre el análisis de elementos traza en suelos y rocas, existen conclusiones diferentes y a veces contradictorias sobre las condiciones óptimas y la eficiencia de la técnica, lo que apunta a la necesidad de optimizar el procedimiento de disolución. En este trabajo, la optimización del procedimiento de MWD para disolver muestras de suelos para la determinación de elementos traza totales por ICP-MS se ha llevado a cabo utilizando un diseño experimental de Taguchi. Los factores de control ensayados fueron: volúmenes de ácido nítrico (N), ácido fluorhídrico (F) y ácido clorhídrico concentrados (C), tiempo de digestión (t), temperatura (T) y método de eliminación del exceso de HF (E). Los seis factores se ensayaron a tres niveles para detectar efectos cuadráticos y se asignaron a seis columnas de diseño ortogonal L27(313) de Taguchi. Las columnas restantes del diseño experimental se utilizaron para estudiar las interacciones de los factores FT, FE y TE. Este diseño experimental se aplicó a la determinación, por ICP-MS, de 17 elementos traza en una muestra de suelo con contenidos certificados (CRM GBW07402 GSS-2, Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Langfang, China). Los elementos se seleccionaron para representar grupos de diferentes características o reactividad: elementos tóxicos, elementos formadores de cloruros, elementos difícilmente solubilizables, elementos ligeros, elementos volátiles y tierras raras (As, Be, Co, Cr, Cs, Cu, Dy, Ga, Ni, Pb, Sb, Sn, Th, Tl, U, Y, Zn). El propósito del experimento fue minimizar el sesgo en la determinación de elementos traza maximizando las cantidades de elementos extraídos. Alícuotas de 0,25 g del CRM se digirieron en las diferentes condiciones fijadas por el diseño experimental y las disoluciones obtenidas se diluyeron con agua ultrapura. Los estándares de calibración y las muestras digeridas se midieron por ICP-MS en comparación con los estándares internos adecuados para mejorar la precisión. El Análisis de Varianza (ANOVA) de los resultados mostró qué factores tuvieron un efecto significativo en la disolución de muestra: E > F > C. Los factores t, N y T en general no fueron significativos. Sin embargo, las condiciones óptimas de MWD no fueron idénticas para los 17 elementos. Los niveles óptimos de los factores que produjeron la recuperación máxima de la mayoría de los elementos fueron: N3 (6 mL), F2 (2 mL), C3 (2 mL), t2 ( 15 min), T1 (180 ºC) y E2 (exceso de HF eliminado por evaporación) para Be, Cr, Cu, Ni, Sb, Tl, Zn o E3 (adición de 1,4 g de ácido bórico y 5 min MW de calentamiento a 180ºC) para As, Cs, Dy, Ga, Sn, Th, Tl, U, Y. ABSTRACT Trace elements, especially heavy metals, are categorized as the most hazardous anthropogenic environmental pollutants due to their persistent nature and high toxicity. The determination of total concentrations of toxic trace elements in sediments and soils is commonly done to evaluate the degree of contamination of aquatic and terrestrial environments. ICP-MS is widely used for the determination of trace elements as it combines high sensitivity and wide dynamic range with multi-elemental capability. Prior to determination, soil and rock samples must be dissolved. Acidic digestion by microwave, MWD, is to date the most appropriate method for the dissolution of this kind of samples. The partial digestion methods using acids are considered appropriate for pseudo-total analysis, but they do not completely dissolve silicates. Only the microwave-assisted USEPA 3052 method using nitric, hydrochloric and hydrofluoric acids in a MW oven, allows a total sample digestion. In spite of the large number of publications on soil and rock sample digestion, there are different and sometimes contradicting conclusions on the efficiency of the MWD technique, thus pointing to the necessity of MWD optimization. In this work, the optimization of a MWD procedure to dissolve soil samples for the determination of total trace elements by ICP-MS has been carried out using a Taguchi experimental design. The control factors assayed were: volumes of concentrated nitric acid (N), hydrofluoric acid (F) and hydrochloric acid (C), digestion time (t), temperature (T) and method used for excess HF elimination (E). The six factors were assayed at three levels to detect quadratic effects and assigned to six columns of a Taguchi’s L27(313) orthogonal design. The remaining columns of the experimental design were used to investigate factor interactions FT, FE and TE. This experimental design was applied to the determination, by ICP-MS, of 17 trace elements in a soil sample with certified contents (CRM GBW07402 GSS-2, Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Langfang, China). The elements were selected to represent groups of different characteristics or reactivity: toxic elements, chloride-forming elements, hardly soluble elements, light elements, volatile elements and rare earths (As, Be, Co, Cr, Cs, Cu, Dy, Ga, Ni, Pb, Sb, Sn, Th, Tl, U, Y, Zn). The purpose of the experiment was to minimize bias in the determination of trace elements by maximizing the amounts of elements dissolved. Aliquots of 0,25 g of the soil sample were digested in the different conditions fixed by the experimental design and the digestates were diluted to volume with ultrapure water. Calibration standards and digested samples were measured by ICP-MS in comparison with the adequate internal standards to improve accuracy. Analysis of Variance (ANOVA) of the results showed the factors with significant effect on the sample dissolution efficiency: E > F > C. The effects of t, N and T were in general nonsignificant. However, the optimal MWD conditions were not identical for the 17 elements. The optimal levels of the factors yielding maximum recovery of most assayed elements were: N3 (6 mL), F2 (2 mL), C3 (2 mL), t2 (15 min), T1 (180 ºC) and E2 (excess HF removed by evaporation) for Be, Cr, Cu, Ni, Sb, Tl, Zn, or E3 (addition of 1,4 g of boric acid and 5 min MW heating at 180 ºC) for As, Cs, Dy, Ga, Sn, Th, Tl, U, Y. INDICE 1. INTRODUCCIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1.1 Elementos traza tóxicos en el medio ambiente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1.2 Técnicas analíticas para la detección de elementos traza. . . . . . . . . . . . . . .2 1.3 Preparación de muestras de suelo para análisis de trazas. . . . . . . . . . . . . . 5 1.4 Optimización mediante diseños experimentales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 2. OBJETIVOS DEL TRABAJO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3. MATERIALES Y MÉTODOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 3.1 Materiales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.2 Elección de los metales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.3. Diseño de experimentos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 3.4 Procedimiento analítico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23 4.1 Resultados experimentales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 4.2 Repetibilidad del método. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.3 Graficas de medias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29 4.4 ANOVA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.5 Elección de los niveles óptimos de los factores significativos. . . . . . . . . . 36 4.6 Propuesta de método. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 5. CONCLUSIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 6. REFERENCIAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 ANEXOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45 1. Introducción 5 1.3 Preparación de muestras de suelo para análisis de trazas Los dos procedimientos aplicables a la disolución de muestras de suelo y sedimentos son la fusión alcalina y la digestión por vía húmeda con ácidos minerales, empleando como sistema de calentamiento una placa calefactora o un horno de microondas (de Carvalho et al, 2015). Fusión alcalina Se utiliza para la disolución de rocas silicatadas. Los reactivos fundentes empleados con este fin son carbonato sódico, metaborato de litio, hidróxidos sódico y potásico, trióxido de boro, o una mezcla de carbonato cálcico y cloruro amónico. La elevada concentración de fundente empleada puede incrementar notablemente los blancos analíticos. Las altas temperaturas suponen otra importante fuente de error al favorecer la pérdida de elementos volátiles. Se considera que la fusión con metaborato de litio puro, LiBO2, es una técnica versátil para la digestión de muestras de roca, pero tampoco garantiza la exactitud del análisis (Cave y Harmon, 1997; Fedyunina et al, 2012). Digestión acida Los procedimientos de disolución con ácidos, incluida la digestión ácida convencional a presión atmosférica y la digestión ácida asistida por microondas, se han aplicado ampliamente para preparar muestras para el análisis elemental (Alsaleh et al, 2018). En general, los procedimientos de digestión ácida se utilizan para convertir muestras sólidas en extractos líquidos para cuantificar las concentraciones totales o pseudototales de elementos metálicos en los suelos (da Silva et al, 2013). Disolventes La digestión por vía húmeda generalmente implica el uso de ácidos inorgánicos concentrados para descomponer matrices orgánicas e inorgánicas (Müller et al, 2014). Con respecto a las muestras inorgánicas, los ácidos no oxidantes, como los ácidos clorhídrico y fluorhídrico, se pueden usar en combinación con ácido nítrico. • Ácido nítrico El ácido nítrico concentrado es el ácido que se usa más frecuentemente para la digestión de una gran variedad de muestras. El HNO3 caliente es un agente oxidante fuerte. La temperatura de ebullición es relativamente baja. Este inconveniente puede eliminarse utilizando una mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico. El uso de recipientes cerrados es otra alternativa para aumentar la temperatura de ebullición de la mezcla de digestión y mejorar la eficiencia de la digestión. • Ácido clorhídrico El ácido clorhídrico es un ácido no oxidante que presenta propiedades reductoras débiles y se utiliza con frecuencia para la descomposición de matrices inorgánicas. Disuelve carbonatos, fosfatos, boratos, sulfatos (excepto sulfato de bario) y óxidos metálicos. Sin embargo, la baja temperatura de ebullición del ácido clorhídrico limita su eficiencia de digestión, por lo que rara vez se utiliza solo. Se han reportado pérdidas por volatilización por formación de cloruros volátiles de elementos tales como As, Hg, Sb, Se y Sn en recipientes abiertos. Además, algunos elementos como Ag, Pb, Tl(I) o Hg(I) forman cloruros insolubles, por lo que no pasan a la disolución cuantitativamente. Trabajo Fin de Grado 6 • Ácido fluorhídrico El ácido fluorhídrico es un ácido débil, pero se considera un reactivo químico importante en los procedimientos de digestión húmeda debido a la capacidad de complejación del ion fluoruro. El ácido fluorhídrico es muy eficaz para la descomposición de matrices de silicato por formación de SiF4. Para mejorar la descomposición de los compuestos inorgánicos, el ácido fluorhídrico se mezcla rutinariamente con otros ácidos, principalmente con ácido nítrico. El exceso de fluoruro debe eliminarse antes de analizar la muestra disuelta para evitar daños a los equipos de medida con componentes de cuarzo. Para ello se puede utilizar ácido ortobórico (H3BO3) que compleja el ión fluoruro, o bien se puede eliminar por volatilización en presencia de un exceso de ácido sulfúrico, nítrico o perclórico. • Ácido perclórico El ácido perclórico es uno de los ácidos minerales más fuertes y presenta un alto poder oxidante a altas temperaturas. Debe manejarse con extremo cuidado debido a su rápida reactividad y, a veces, puede volverse explosivo. El ácido perclórico se puede descomponer a 245 °C en un recipiente cerrado de microondas y desarrollar cantidades peligrosas de subproductos gaseosos y exceso de presión. Por esta razón, el HClO4 no debe usarse en recipientes cerrados. • Ácido sulfúrico El ácido sulfúrico concentrado es un fuerte reactivo deshidratante y tiene la temperatura de ebullición más alta de los ácidos minerales utilizados para la digestión. Por este motivo, es necesario un largo tiempo de evaporación para eliminar el exceso de ácido. Muchos procedimientos de digestión húmeda con recipientes abiertos emplean ácido sulfúrico para aumentar la temperatura de ebullición para evaporar los ácidos con una temperatura de ebullición más baja, como HNO3, HCl, HClO4 o HF. La principal desventaja del empleo de ácido sulfúrico es la formación de sulfatos insolubles de elementos tales como Pb, Ag, Ba o Sr. • Peróxido de hidrógeno El peróxido de hidrógeno se usa generalmente en combinación con otros ácidos como HNO3 o H2SO4 para ayudar a disolver la materia orgánica. En el caso de suelos y sedimentos se utiliza en menor medida. • Agua regia Una mezcla de HCl concentrado y HNO3 concentrado (volúmenes de 3:1) se denomina comúnmente "aqua regia". Este reactivo tiene un efecto oxidante adicional por la formación de NOCl. La característica principal de esta mezcla es la capacidad de disolución de metales nobles, como Au, Ag y Pd. El método estándar ISO 11466:1994 utiliza este disolvente para la extracción de elementos traza de los suelos. Procedimientos de disolución Varios métodos de digestión ácida para la determinación de metales pesados en suelos han sido descritos en la literatura. 1. Introducción 7 • Ultrasonidos El tratamiento de muestra asistido por ultrasonidos es una técnica prometedora para acelerar y simplificar el tratamiento de la muestra, con mínima contaminación, bajo consumo de reactivos y generación de residuos o desperdicios mínimos (Kazi et al, 2009). • Autoclave Se ha descrito la digestión de muestras de suelo en un autoclave con HF y HNO3, pero este método parece no ser capaz de llevar a cabo la digestión cuantitativa pues los autores refieren recuperaciones inferiores al 30% (Fedyunina et al, 2012). • Digestión ácida en recipiente abierto Los procedimientos convencionales de disolución por vía húmeda implican el calentamiento de las muestras sólidas en un recipiente abierto en presencia de una mezcla de ácidos. Los procedimientos convencionales tienen la ventaja de no requerir dispositivos e instrumentos caros o sofisticados. Sin embargo, los procedimientos de digestión convencionales a menudo consumen mucho tiempo, incrementando el riesgo de pérdidas de elementos traza por volatilización. Debido a que los métodos convencionales se realizan en un sistema abierto con calefacción, existe el riesgo adicional de contaminación atmosférica y una amenaza importante para la salud de los técnicos de laboratorio debido a la liberación de gases tóxicos (Alsaleh et al, 2018). • Digestión asistida por microondas Los métodos de digestión asistida por microondas son muy rápidos y seguros porque se llevan a cabo en un sistema cerrado. Al calentar la mezcla de muestra y ácidos en un sistema, cerrado herméticamente, los gases producidos durante la digestión incrementan la presión en el interior del recipiente, con lo que la temperatura de ebullición aumenta y con ello la eficiencia del tratamiento. Además, se reduce la pérdida de componentes volátiles, el consumo de ácidos y el riesgo de contaminación. Se han desarrollado diferentes métodos de digestión asistida por microondas para proporcionar una descomposición efectiva de los metales (Alsaleh et al, 2018). Se ha demostrado que los métodos de digestión ácida asistida por microondas son más apropiados para la digestión de materiales complejos como el suelo y los sedimentos que contienen óxidos, silicatos y material orgánico, producen resultados más reproducibles y precisos (Krishna et al, 2009), cercanos al 100% de la composición elemental total, dependiendo del componente estudiado, con la excepción de los metales asociados con los silicatos. Por lo tanto, los métodos de digestión parcial que usan ácidos se consideran apropiados para el análisis pseudototal, pero no disuelven completamente los silicatos (Alsaleh et al, 2018). Solo los métodos que incluyen el uso de ácido fluorhídrico son capaces de extraer los contenidos totales de elementos traza. Métodos estandarizados para disolución de muestras de suelo La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA) ha publicado los métodos EPA 3050B, 3051, 3051A y 3052 para la digestión ácida de muestras de suelo, sedimentos y lodos para extraer elementos traza que posteriormente se analizan por AAS, ICP OES e ICP-MS. La mayoría de los métodos de la USEPA no consiguen la descomposición total de la muestra; solo el método EPA 3052 asistido por microondas en presencia de ácido fluorhídrico (HF) permite una digestión total (da Silva et al, 2013; de Carvalho et al, 2015; Chen y Ma, 1998). Trabajo Fin de Grado 8 El método EPA 3050B se considera un procedimiento convencional porque se realiza en un sistema abierto, en el que los elementos en la fase sólida se extraen mediante una fuente de calor en presencia de ácidos nítrico y clorhídrico. Este método puede provocar la pérdida de elementos más volátiles, como el Hg (da Silva et al, 2013). Además, las variaciones en las temperaturas de la placa calefactora, los tiempos de reflujo y las adiciones de ácido afectan directamente las recuperaciones de los elementos (Chen y Ma, 1998). El método EPA 3051 es una alternativa al método 3050B, y consiste en una digestión asistida por microondas con ácido nítrico. Esta técnica proporciona una digestión rápida, segura y eficiente y es menos susceptible de sufrir pérdidas de elementos volátiles (Chen y Ma, 1998). El método EPA 3051A es una modificación del método 3051 para imitar el método 3050B, que requiere el uso conjunto de ácido clorhídrico y ácido nítrico para mejorar la recuperación de Ag, Al, Fe y Sb. Realizado en un sistema cerrado de microondas, este método proporciona una mayor temperatura y presión, lo que resulta en una digestión más rápida, segura y eficiente, además de ser menos susceptible a la pérdida de elementos volátiles (da Silva et al, 2013; Chen y Ma, 1998). No obstante, ninguno de estos métodos de referencia consigue la disolución total de la muestra de suelo/sedimento. En estudios comparativos descritos en la literatura se obtuvieron mayores recuperaciones para la mayoría de los elementos, y las desviaciones estándar resultantes fueron menores, utilizando el método de descomposición total (método EPA 3052) que cuando se usaron métodos de digestión parcial (3050B, 3051, 3051A). En el método EPA 3052, una muestra representativa se digiere, en un horno de microondas, con una mezcla de ácido nítrico y ácido fluorhídrico. El método ofrece varias combinaciones alternativas de ácidos y reactivos, incluyendo ácido clorhídrico y peróxido de hidrógeno. Las muestras con concentraciones más altas de dióxido de silicio pueden requerir concentraciones más altas de ácido fluorhídrico La adición de ácido clorhídrico concentrado es apropiada para la estabilización de Ag, Ba, Sb y de altas concentraciones de Fe y Al. Para eliminar el exceso de HF se suele emplear ácido ortobórico con objeto de complejar el fluoruro y evitar que ataque los componentes de cuarzo de los espectrómetros. Algunos autores recomiendan calentar nuevamente las muestras en el horno de microondas tras la adición del ácido bórico (Abollino et al, 2002; Ardini et al, 2010; de Carvalho et al, 2015; Betinelli et al, 2000). Muchos autores han descrito que la presencia de ácido bórico aumenta el ruido de fondo y disminuye la sensibilidad analítica para muchos elementos determinados por ICP-OES e ICP-MS debido al elevado contenido salino (Chen y Ma, 1998). Alternativamente, se pueden emplear antorchas de ICP resistentes al ácido fluorhídrico. Otra opción es la eliminación del exceso de HF por evaporación hasta casi sequedad en presencia de ácidos inorgánicos con mayores puntos de ebullición, como nítrico, sulfúrico o perclórico. El residuo se redisuelve finalmente. En todos los casos, la disolución final debe contener ácido nítrico al 2% para garantizar la estabilidad de los elementos metálicos extraídos. A pesar de la gran cantidad de publicaciones sobre la digestión de muestras de rocas, suelos y sedimentos, existen conclusiones diferentes y, a veces, contradictorias sobre la eficiencia de los métodos. Cada autor propone condiciones experimentales diferentes (Betinelli et al, 2000; Cave y Harmon, 1997; Frémion et al, 2017; Güven y Akinci, 2011; Hseu et al, 2002; Moor et al, 2001; Rospabe et al, 2018; Sandroni et al, 2003) y no hay consenso en cuál sería el mejor procedimiento 1. Introducción 9 de disolución completa de muestras de suelo y sedimentos con vistas al análisis de elementos traza por ICP-MS. Por ello, en este trabajo se va a optimizar un método de digestión para muestras de suelo, partiendo del método de referencia USEPA 3052. 1.4 Optimización mediante diseños experimentales. Tradicionalmente, la optimización se ha realizado mediante el método de ensayar "un factor a la vez", que consiste en realizar la experimentación cambiando un solo factor permaneciendo el resto en unos valores constantes. Esta metodología exige realizar muchos ensayos y por ende es incapaz de alcanzar el óptimo al no tener en cuenta posibles interacciones entre factores. Los métodos de optimización basados en el uso de diseños de experimentos (design of experiments, DOE) consiguen hallar la combinación óptima de los niveles de los factores con un menor número de experimentos, evaluar las interacciones entre factores y estimar además el grado de contribución de cada factor a la respuesta, permitiendo identificar los factores críticos. El diseño de experimentos consiste en realizar ensayos en los que se introducen cambios deliberados en los valores o niveles de los factores, de acuerdo a un patrón específico definido por el diseño empleado. El análisis de varianza de los resultados de los experimentos realizados permite identificar los factores ensayados que ejercen un efecto significativo en la respuesta, para después identificar el nivel o valor del factor influyente que produce la respuesta óptima del sistema. Entre los diseños de experimentos más populares cabe destacar: diseños factoriales completos y fraccionales, de superficie de respuesta, de Plackett & Burman, de bloques aleatorios, de cuadrado latino y grecolatino, y los arreglos ortogonales de Taguchi (Box et al., 1978; Ross, 1988; Gutiérrez Pulido y de la Vara Salazar, 2012; Dean et al., 2017). Para estudiar la manera en la que influye cada factor sobre la variable de respuesta, es necesario elegir al menos dos niveles de prueba para cada uno de ellos. Con el diseño factorial completo se realizan aleatoriamente todas las posibles combinaciones que pueden formarse con los niveles de los factores a investigar. Cuando crece el número de factores también aumenta rápidamente el número de experimentos en los diseños factoriales completos. Para experimentar con esta cantidad de factores se requiere una estrategia que permita reducir el número de experimentos, pero que al mismo tiempo se pierda el mínimo de información valiosa. Tal estrategia la conforman los diseños factoriales fraccionados, los cuales, gracias al exceso de información que acumulan los diseños factoriales completos cuando se estudian muchos factores, permiten sacrificar información poco importante para conseguir un diseño manejable en cuanto al número de experimentos. La teoría de diseños fraccionados se basa en una jerarquización de los efectos: son más importantes los efectos principales, seguidos por las interacciones dobles, luego las triples, cuádruples, etc. (Gutiérrez Pulido y de la Vara Salazar, 2012). El diseño de parámetros de Taguchi es especialmente ventajoso porque usa diseños factoriales ortogonales, permitiendo estudiar el efecto sobre la respuesta de un elevado número de factores con un mínimo número de experimentos. Otra ventaja del diseño de parámetros de Taguchi es que es un diseño robusto, esto es, introduce deliberadamente en la experimentación variaciones de factores que, en la práctica, no pueden ser controlados (factores de ruido) con objeto de hallar Trabajo Fin de Grado 10 las condiciones que minimizan su efecto, obteniendo un óptimo robusto frente a ese ruido. (Gutiérrez Pulido y de la Vara Salazar, 2012; Vega, 1992). La ortogonalidad de la matriz experimental de los diseños de Taguchi permite separar el efecto de cada factor e interacción, y de sus interacciones con el factor de ruido si este se ha introducido en la experimentación, permitiendo la optimización de los factores de control y la reducción de la variabilidad del proceso. Tras identificar mediante ANOVA los factores con un efecto significativo en la respuesta, se aplica una prueba de significación post hoc, como la prueba del rango múltiple de Duncan, para identificar el nivel del factor que proporciona una respuesta óptima significativamente diferente (Ross, 1988). 2. Objetivos del trabajo 11 2. OBJETIVOS DEL TRABAJO La determinación de elementos traza en suelos y sedimentos tiene interés, tanto desde el punto de vista medioambiental, para evaluar el riesgo ecotóxico de esos materiales, como desde una perspectiva económica, relacionada con las necesidades de fertilización de los suelos para mejorar el rendimiento de las explotaciones agrícolas, o con la posible explotación para obtener minerales de interés industrial y tecnológico. Es necesario disponer de métodos de análisis sensibles, rápidos y eficientes, que permitan la determinación precisa y veraz de los contenidos totales de todos los elementos traza de interés en matrices complejas. Para extraer los contenidos totales de elementos traza de suelos y sedimentos las muestras son habitualmente tratadas con ácidos oxidantes (como el ácido nítrico), acompañados de ácido fluorhídrico y/o ácido clorhídrico. En la literatura no hay consenso respecto a las cantidades de reactivos a emplear, tiempos y temperaturas de digestión y método de eliminación del exceso de ácido fluorhídrico, que debe ser eliminado porque produce serios daños en las piezas de cuarzo de los instrumentos de medida. Por lo tanto, el objetivo principal de este trabajo es la optimización de un procedimiento para la disolución cuantitativa de muestras de suelo para determinar las concentraciones totales de elementos traza (metales pesados, metaloides tóxicos y tierras raras) por ICP-MS. Los factores a optimizar serán las cantidades de ácidos nítrico, fluorhídrico y clorhídrico empleadas en la disolución, el tiempo y temperatura del horno microondas durante la digestión, y el método de eliminación del exceso de ácido fluorhídrico. La optimización se va a llevar a cabo empleando como diseño experimental un arreglo ortogonal L27(313) de Taguchi que, con solo 27 experimentos, permite ensayar hasta 13 factores a 3 niveles. Las columnas no utilizadas del arreglo ortogonal se emplearán para evaluar interacciones entre factores. La respuesta buscada es conseguir la disolución completa de las muestras de suelo para maximizar la recuperación de elementos traza. Para verificar que se han recuperado los elementos cuantitativamente se realizarán los experimentos sobre una muestra de suelo con contenidos certificados de diversos elementos traza, representativos de grupos con diferentes características y reactividad. A partir de las concentraciones determinadas por ICP-MS en los extractos, se calculará el porcentaje de cada elemento recuperado y el sesgo relativo. El objetivo será hallar las condiciones experimentales óptimas que minimicen dicho sesgo. Mediante el análisis de varianza de los resultados del diseño experimental, se identificarán los factores más influyentes. Los niveles que optimizan la respuesta perseguida se identificarán mediante el test de recorrido múltiple de Duncan. Trabajo Fin de Grado 12 3. Materiales y métodos 13 3. MATERIALES Y MÉTODOS 3.1 Materiales Material de referencia certificado Todos los experimentos se llevaron a cabo con una muestra de suelo de control (material de referencia certificado CRM GBW07402 GSS-2, suministrado por el Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Langfang, China). Los contenidos certificados de los elementos que se estudiaron en este trabajo y sus incertidumbres, expresadas como incertidumbre expandida con un factor de cobertura K=2, se muestran en la Tabla 1. Tabla 1. Valores certificados e incertidumbres. Reactivos e instrumentación Los reactivos empleados fueron: ácido nítrico del 65% (Scharlab), ácido fluorhídrico del 48% (Panreac), ácido clorhídrico del 37% (Scharlab) y ácido ortobórico del 99,8% (Panreac). Todos los reactivos empleados fueron de calidad analítica. Las disoluciones se prepararon con agua desionizada de conductividad máxima 18 µS/cm. La digestión del suelo se realizó en un horno de microondas Milestone ETHOS PLUS, controlado con un LabTerminal 800 Controller. Las muestras y los reactivos se depositaron en recipientes de PTFE de 50 mL de capacidad aptos para dicho microondas, encamisados para asegurar un cierre hermético, y colocados en un soporte rotatorio. En uno de los vasos de muestra se introdujo una sonda de temperatura para controlar ésta durante el proceso de digestión. Imagen 1. Recipientes de PTFE (izda.) y camisas y soporte rotatorio (drcha.) para la digestión en horno de microondas Elemento As Be Co Cr Cs Cu Dy Ga Ni Pb Sb Sn Th Tl U Y Zn µ0 (mg/Kg) 13,7 1,8 43,5 47,0 4,9 16,3 4,4 12,0 19,4 20,0 1,3 3,0 16,6 0,6 1,4 22,0 42,0 U (mg/kg) 1,2 0,2 0,9 4,0 0,5 0,9 0,3 1,0 1,3 3,0 0,2 0,3 0,8 0,2 0,3 2,0 3,0 Trabajo Fin de Grado 14 Imagen 2. Horno microondas (izda.) y unidad de control (drcha.) Los elementos traza seleccionados fueron cuantificados en un espectrómetro de masas por plasma acoplado inductivamente, ICP-MS (Agilent 7500c), equipado con una celda de colisión ORS (Octopole Reaction System) y con un automuestreador integrado Agilent G3160A. Imagen 3. Equipo ICP-MS Imagen 4. Automuestreador (izda.), antorcha e interfase (drcha.) 3. Materiales y métodos 21 3.4 Procedimiento analítico Para cada una de las 27 combinaciones experimentales de factores a ensayar se realizaron dos réplicas y un blanco de digestión. A pesar de disponer de 6 compartimentos de muestra en el horno microondas, solo se ocupan 3 debido a que para cada experimento se añade una cantidad de ácidos distinta, lo que conlleva un volumen y una composición diferente y ello se traduce en que una vez dentro del microondas no todos los recipientes alcanzarán la misma temperatura dado que la sonda de control solo se instala en uno de los vasos. Tabla 5. Combinación de niveles de los factores en cada uno de los experimentos Digestión Se pesan 0.25 g del CRM con precisión 0.0001 g en los recipientes de PTFE aptos para el microondas, limpios y secos. Con una micropipeta de 5 mL se añaden los volúmenes necesarios en cada caso de ácido nítrico (3, 4,5 o 6 mL), clorhídrico (0, 1 o 2 mL) y fluorhídrico (1, 2 o 3 mL), arrastrando todas las partículas de sedimento que puedan haber quedado adheridas a las paredes del recipiente. Se cierran los recipientes y se introducen en el horno microondas, programando la temperatura (180, 190 o 200ºC), el tiempo (10, 15 o 20 minutos), una rampa para alcanzar la temperatura de 5 minutos y una etapa de ventilación final de 45 minutos. Se espera hasta que la temperatura en el interior de los recipientes descienda por debajo de 35ºC. Experimento F T E C t N 1 1 180 A 0 10 3 2 1 180 B 1 15 4,5 3 1 180 C 2 20 6 4 1 190 A 1 15 6 5 1 190 B 2 20 3 6 1 190 C 0 10 4,5 7 1 200 A 2 20 4,5 8 1 200 B 0 10 6 9 1 200 C 1 15 3 10 2180 A 1 20 4,5 11 2180 B 2 10 6 12 2180 C 0 15 3 13 2190 A 2 10 3 14 2190 B 0 15 4,5 15 2190 C 1 20 6 16 2200 A 0 15 6 17 2200 B 1 20 3 18 2200 C 2 10 4,5 19 3180 A 2 15 6 20 3180 B 0 20 3 21 3180 C 1 10 4,5 22 3190 A 0 20 4,5 23 3190 B 1 10 6 24 3190 C 2 15 3 25 3200 A 1 10 3 26 3200 B 2 15 4,5 27 3200 C 0 20 6 Trabajo Fin de Grado 22 Eliminación del exceso de HF Método A: Se sacan los recipientes del microondas y se abren dentro de la vitrina. Se añade a cada uno 35 mL de ácido ortobórico al 4%. Se mezcla cuidadosamente y se deja reposar unos minutos para que la reacción se complete, tras lo cual se transfiere cuantitativamente el contenido a matraces aforados de 50 mL y se enrasa con agua desionizada. Se homogeneiza el contenido del matraz, se filtra a través de filtros de nylon de 0,45 μm de tamaño de poro y se guarda en tubos de plástico de 50 mL de capacidad. Método B: Una vez completada la digestión, se transfieren las disoluciones de forma cuantitativa a vasos de PTFE de 50 mL, que se colocan en la superficie de un baño de arena a potencia mínima hasta casi sequedad; entonces se redisuelve el residuo con 25 mL de una disolución de ácido nítrico al 4%, para conseguir una concentración final de ácido del 2%. Estas disoluciones se enrasan a 50 mL con agua desionizada en matraces y se filtra finalmente como ya se ha descrito. Método C: A cada muestra digerida se añaden 1,4 g de ácido ortobórico sólido, se vuelven a tapar los recipientes y se introducen de nuevo en el sistema microondas, se calienta 5 minutos a 180ºC, con una rampa para alcanzar la temperatura de 5 minutos y una etapa de ventilación de 45 minutos. Una vez fríos, los contenidos de los recipientes se transfieren a los matraces aforados, se enrasa y se filtra. Los extractos ácidos filtrados se conservaron refrigerados a 4ºC hasta su determinación por ICP-MS. Determinación de elementos traza por ICP-MS El equipo fue calibrado con patrones preparados por dilución de una disolución multipatrón y patrones unielementales comerciales de 1000 ppm. Los patrones de calibración y las muestras digeridas se midieron por ICP-MS en comparación con los estándares internos adecuados para mejorar la precisión. En la Tabla 6 se muestran las relaciones m/z de los elementos determinados, el estándar interno utilizado para cada uno de ellos y si se utilizó la celda de reacción. Tabla 6. Elementos medidos por ICP-MS y condiciones de la medición La bomba del nebulizador tenía una velocidad de 0,15 rps, la potencia de la radiofrecuencia empleada para generar el plasma fue de 1380W, el flujo de gas portador fue de 1,28 L Ar/min, la interfase es de Cu/Ni, y en la celda de colisión el flujo de gas fue 3,5 mL He/min. Para validar los resultados analíticos, cada 10 muestras se midió un blanco instrumental (disolución de ácido nítrico), una disolución de control con contenidos certificados de algunos de los elementos (TM-25.6, lote 0918, Environment and Climate Change, Canada) y un control interno con concentración exactamente conocida (25 ppm) de los elementos de interés. Cuando los resultados de estas muestras de control difieren más de un 15% del valor esperado, el instrumento se recalibra y las muestras se vuelven a medir. Elemento As Be Co Cr Cs Cu Dy Ga Ni Pb Sb Sn Th Tl U Y Zn m/z 75 959 53 133 63 163 71 60 208 121 118 232 205 238 89 66 Patron interno Ge In Ge In Tb Ge Tb Ge Ge Lu In In Lu Lu Lu In Tb Celda de reaccion sí no sí no no sí no sí sí no no no no no no no no 4. Resultados y discusión 23 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.1. Resultados experimentales La Tabla 7 recoge los resultados analíticos, en mg por kg de suelo, de los 17 elementos determinados en las disoluciones procedentes de cada uno de los 27 experimentos realizados por duplicado. A los resultados mostrados se les ha restado ya el correspondiente blanco. Se han cuantificado los elementos en las disoluciones tanto por el método del calibrado externo, como empleando el método del patrón interno. Solo se muestran los obtenidos con patrón interno ya que son significativamente mejores. En la Figura 3 se han representado los resultados experimentales, para cada elemento y combinación de factores del diseño experimental, junto con el valor certificado (valores numéricos en Tabla 1). Las dos barras verticales representan las dos réplicas de cada experimento, y la línea horizontal el valor certificado. De este modo se facilita la visualización tanto de la repetibilidad de los resultados como las recuperaciones de metales en cada experimento. Se observa que, en general, los resultados son bastante reproducibles. No obstante, en el caso del el elemento más ligero, Be, los resultados obtenidos son poco reproducibles. En cuanto a la recuperación, se observa que varía notablemente con las condiciones experimentales en la mayoría de los casos. De especial relevancia es el efecto de las condiciones de disolución sobre la extracción de los elementos Cr, Cs, Dy, Ga, Th e Y. Los elementos con mejores recuperaciones son el As, Pb y Sb. El talio no se extrae bien en ninguno de los experimentos. La recuperación de Co es anormalmente baja. Dado que química y espectroscópicamente este bajo resultado es difícil de explicar, hemos procedido a analizar la muestra de suelo CRM por fluorescencia de rayos X, XRF, para comparar los resultados de ambas técnicas de análisis. La Tabla 8 es una comparativa de los valores de referencia del CRM para los 17 elementos, los resultados medios de los 54 experimentos y el resultado obtenido por XRF. Trabajo Fin de Grado 24 Tabla 7. Datos experimentales, en mg de elemento por kg de suelo Exp As Be Co Cr Cs Cu Dy Ga Ni Pb Sb Sn Th Tl U Y Zn 11,2 0,7 5,9 29,9 1,2 11,3 1,1 8,4 13,8 20,1 1,2 2,0 3,9 0,2 0,5 4,6 38,1 11,9 1,0 6,2 30,3 0,8 11,9 0,9 9,3 14,7 22,1 1,4 1,9 4,2 0,2 0,8 3,3 29,8 11,7 1,5 5,6 43,0 1,4 11,7 1,1 10,0 16,2 19,1 1,5 2,1 2,5 0,2 1,1 3,3 40,3 12,0 1,4 5,6 38,4 1,1 12,0 0,8 10,3 14,8 19,1 1,4 1,9 2,0 0,2 1,1 2,0 48,3 12,7 1,1 6,5 32,0 4,1 11,8 3,8 13,2 14,6 18,7 1,4 2,5 16,6 0,2 1,4 18,6 25,5 12,2 0,9 6,4 27,4 3,6 11,6 3,5 12,9 14,6 18,3 1,4 2,3 16,0 0,2 1,4 16,3 23,6 10,9 1,0 6,2 32,6 1,9 11,7 1,1 9,1 14,2 19,5 1,2 2,1 3,1 0,2 1,3 5,1 30,2 11,6 1,1 5,9 32,6 1,5 10,6 1,1 9,9 13,4 20,1 1,5 2,1 4,0 0,1 1,3 4,6 34,0 11,7 1,4 5,7 42,0 1,1 11,8 0,8 10,2 16,0 18,6 1,4 2,0 1,5 0,2 1,1 2,1 35,2 11,6 1,4 5,6 41,5 0,9 11,7 0,6 9,7 15,8 18,2 1,3 2,0 0,9 0,2 1,1 1,5 33,5 12,8 1,1 6,4 32,0 4,0 11,3 3,7 13,3 14,4 19,5 1,5 2,2 16,3 0,2 1,4 17,4 34,9 12,8 0,9 6,7 27,5 3,7 11,7 3,5 13,2 15,6 19,5 1,5 2,0 16,4 0,2 1,3 15,9 28,6 11,1 1,1 6,0 35,0 2,4 11,2 0,4 9,2 13,7 21,3 1,2 2,3 0,9 0,2 1,4 1,6 36,0 11,5 1,1 6,3 34,4 2,2 11,9 0,6 9,9 14,5 20,6 1,5 2,3 1,4 0,1 1,5 2,0 32,4 11,7 1,3 5,7 42,1 0,8 11,1 0,5 9,5 14,9 18,9 1,4 1,9 0,6 0,2 1,1 1,1 36,5 11,8 1,3 5,7 40,6 0,8 11,2 0,3 9,7 16,1 18,6 1,3 1,7 0,4 0,2 1,1 0,5 33,2 12,6 1,1 6,4 33,6 4,0 10,7 3,7 13,0 14,3 18,2 1,5 2,3 15,4 0,2 1,4 17,7 28,4 12,3 0,9 6,5 30,7 3,7 11,0 3,7 12,7 14,4 18,8 1,6 2,4 16,5 0,2 1,4 18,0 25,7 11,1 0,8 5,6 31,3 1,7 10,9 1,1 8,8 13,1 20,8 1,3 2,4 4,5 0,2 0,9 4,8 32,7 11,4 1,6 5,7 30,8 1,6 11,1 1,3 9,7 13,3 21,0 1,3 2,4 6,4 0,2 1,0 5,8 31,9 11,8 1,3 5,9 40,1 0,8 13,2 0,2 9,6 15,6 19,3 1,4 2,0 0,8 0,2 0,9 0,4 37,9 12,1 1,4 5,8 40,1 0,6 12,0 0,9 10,1 15,8 19,2 1,4 2,0 2,8 0,2 0,9 2,4 38,0 12,4 1,0 6,3 32,9 4,0 11,5 3,8 12,9 14,3 19,0 1,5 2,5 16,1 0,2 1,4 18,1 31,3 12,3 0,9 6,3 28,5 3,7 11,8 3,6 12,7 14,4 19,5 1,6 2,3 16,5 0,2 1,4 17,0 27,8 10,8 1,1 6,0 31,2 2,0 10,9 1,8 9,9 13,4 19,6 1,2 2,4 9,3 0,2 1,3 7,9 31,5 11,4 1,0 5,9 30,7 2,1 11,1 2,0 10,6 13,2 21,3 1,3 2,4 11,0 0,2 1,5 8,5 31,4 11,6 1,5 5,4 36,8 1,0 11,6 1,0 8,9 15,0 17,5 1,4 2,1 2,9 0,2 0,6 3,1 32,3 11,5 1,5 5,4 38,9 0,8 11,6 0,7 8,8 15,0 18,3 1,4 2,0 2,4 0,2 0,5 1,9 35,5 12,3 0,9 6,3 32,6 4,0 11,7 3,8 13,1 14,3 18,0 1,5 2,4 15,8 0,2 1,4 18,1 22,5 12,2 0,9 6,3 27,6 3,6 12,0 3,6 12,6 14,3 18,1 1,6 2,5 16,4 0,2 1,4 17,4 20,3 10,9 0,9 6,3 30,2 1,6 11,7 1,4 8,2 13,7 22,1 1,3 2,4 5,6 0,2 1,0 6,6 42,2 11,7 1,5 5,9 29,3 1,5 11,4 1,7 8,6 13,7 21,2 1,3 2,5 6,3 0,2 0,9 7,7 34,7 11,5 1,5 5,6 39,9 1,2 12,0 0,1 8,6 15,6 19,1 1,4 2,1 0,7 0,2 0,6 0,1 38,3 11,8 1,5 5,7 38,4 0,3 12,3 0,0 9,1 15,6 20,2 1,4 2,0 0,2 0,2 0,5 0,0 39,5 12,3 1,1 6,3 32,2 4,0 11,0 3,8 12,9 14,2 18,8 1,6 2,4 16,4 0,2 1,4 18,8 26,0 12,1 0,9 6,3 27,5 3,6 10,8 3,6 12,3 14,1 20,6 1,6 2,4 16,4 0,2 1,4 17,3 26,4 11,0 1,0 5,7 32,9 2,2 11,4 1,9 9,8 13,7 21,3 1,3 2,4 10,0 0,2 1,4 7,6 30,0 11,9 1,0 5,8 31,7 2,5 10,7 2,2 11,2 13,7 20,8 1,3 2,4 11,8 0,2 1,4 9,5 30,9 11,4 1,4 4,9 36,7 0,3 11,6 0,0 8,1 14,0 16,0 1,3 2,2 0,3 0,2 0,4 0,0 29,4 11,6 1,4 5,1 38,4 0,1 12,1 0,0 8,5 14,7 15,2 1,3 2,2 0,2 0,2 0,4 0,0 29,8 12,6 1,0 6,3 31,5 4,1 11,4 3,8 12,9 14,4 18,5 1,6 2,4 16,4 0,2 1,4 18,3 28,7 12,4 0,9 6,4 27,0 3,6 11,7 3,6 12,6 14,6 19,7 1,7 2,5 16,7 0,2 1,5 16,8 25,8 10,9 1,1 5,8 28,2 1,6 12,0 1,7 8,7 14,0 19,3 1,2 2,5 7,9 0,2 0,9 6,6 31,2 11,8 1,4 5,7 28,9 1,4 11,1 1,6 9,5 13,1 18,5 1,4 2,5 7,5 0,2 0,9 6,2 28,7 11,7 1,4 5,7 39,5 0,6 12,3 0,0 9,1 15,3 19,5 1,4 2,1 0,2 0,2 0,6 0,0 36,3 11,7 1,3 5,6 37,5 0,2 12,1 0,0 8,9 15,4 18,5 1,4 2,0 0,1 0,2 0,6 0,0 34,4 12,2 1,0 6,1 29,8 3,8 10,6 3,8 12,4 13,9 14,9 1,6 2,4 16,1 0,2 1,4 18,1 22,1 12,2 0,9 6,1 26,4 3,4 10,8 3,6 12,3 14,1 15,5 1,6 2,4 16,5 0,2 1,5 16,9 19,9 11,2 1,2 5,5 26,3 2,0 11,0 1,7 9,2 13,0 20,1 1,2 2,5 9,1 0,2 1,0 7,3 30,4 12,1 1,4 5,6 30,3 1,7 11,2 1,9 10,9 13,3 20,2 1,3 2,6 10,4 0,2 1,1 6,9 31,7 11,6 1,4 5,6 40,6 0,7 12,2 0,0 9,2 15,7 18,2 1,4 2,0 0,1 0,2 0,8 0,0 34,6 11,8 1,3 5,6 38,7 0,3 12,1 0,0 9,0 15,3 17,6 1,4 2,0 0,0 0,2 0,7 0,0 34,5 12,6 1,0 6,5 31,0 3,9 11,9 3,9 12,8 14,4 19,7 1,7 2,5 16,8 0,2 1,5 18,7 28,5 12,3 0,9 6,2 26,5 3,4 11,5 3,7 12,3 14,1 19,9 1,7 2,5 16,8 0,2 1,6 17,5 25,4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 25 26 27 20 21 22 23 24 4. Resultados y discusión 25 Trabajo Fin de Grado 26 Figura 3. Concentración extraída de cada elemento en los 27 experimentos 4. Resultados y discusión 27 Tabla 8. Comparativa de resultados del diseño experimental, XRF y valores certificados Para As, Cu, Ga, Pb, Sb, Sn, U y Zn, los valores medios obtenidos por ICP-MS, por XRF y los valores del certificado son bastante parecidos. Para Th e Y los valores de XRF y los del certificado son similares, pero los obtenidos por ICP-MS son sensiblemente inferiores, lo que indica que no se están extrayendo bien por término medio, aunque sí se extraen completamente en ciertas condiciones experimentales, como se observa en la Figura 3. Para Cs y Ni las concentraciones medias obtenidas por ICP-MS son del orden de los valores certificados, sin embargo, los resultados de XRF son superiores. Para Co y Cr los valores obtenidos por ICP-MS son muy inferiores a los del certificado, y muy parecidos a los de XRF, por lo que nos ha llevado a poner en duda los valores del certificado. La Figura 4 muestra los resultados medios obtenidos por ICP para estos dos elementos, comparados con el valor determinado por XRF (izquierda) y con el valor certificado (derecha). En consecuencia, se ha decidido tomar como válidos los resultados de XRF a la hora de realizar los cálculos de sesgo relativo para estos dos elementos. Figura 4. Comparativa XRF/Certificado para Cr y Co Elemento As Be Co Cr Cs Cu Dy Ga Ni Pb Sb Sn Th Tl U Y Zn µ0 (mg/Kg) 13,7 1,8 43,5 47,0 4,9 16,3 4,4 12,0 19,4 20,0 1,3 3,0 16,6 0,6 1,4 22,0 42,0 (mg/Kg) 11,8 1,2 5,9 33,5 2,1 11,5 1,8 10,5 14,5 19,2 1,4 2,2 8,0 0,2 1,1 8,2 31,6 XRF (mg/Kg) 15 - 6 39 17 20 -14 30 24 5 2 21 - 2 25 47 Trabajo Fin de Grado 28 4.2 Repetibilidad del método Con el fin de evaluar la repetibilidad de los resultados de la determinación de contenidos totales de elementos traza en suelos por ICP-MS, se analizaron alícuotas del suelo CMR de 0.25 g por sextuplicado. La Tabla 9 recoge los resultados analíticos, en mg por kg de suelo, de los 17 elementos determinados en las disoluciones procedentes de cada una de las 6 réplicas. A los resultados mostrados se les ha restado ya el correspondiente blanco. El experimento numerado como 28 se ha llevado a cabo con las condiciones: 6 mL de ácido nítrico (N3), 1 mL de ácido clorhídrico (C2), 2mL de ácido fluorhídrico (F2), calentamiento durante 20 minutos (t3) a 190ºC (T2) y llevando a cabo la eliminación del exceso de HF añadiendo 1,4 g de ácido ortobórico sólido y posterior calentamiento en horno microondas durante 5 minutos a 180ºC (E3). El experimento número 29 se ha llevado a cabo con los mismos niveles para la digestión (N, C, F, t y T), pero en este caso el método empleado para eliminar el exceso de HF fue la evaporación (E2). Tabla 9. Datos experimentales, en mg/kg, de las seis réplicas para ambos experimentos Con estos datos se ha estimado la repetibilidad, como desviación estándar relativa, DER (Tabla 10) y el sesgo relativo referido al valor certificado, rel (Tabla 11). Tabla 10. Desviación estándar para los 17 elementos Se observa que la repetibilidad es en general aceptable, teniendo en cuenta los bajos niveles de concentración de los elementos en las muestras, siendo mejor en las condiciones que usan el nivel E3 del factor eliminación (adición de ácido bórico y calentamiento posterior en microondas). En el caso de los elementos Cs, Dy, Th e Y los valores de DER son inaceptables. La Exp As Be Co Cr Cs Cu Dy Ga Ni Pb Sb Sn Th Tl U Y Zn 12,3 0,9 6,3 32,6 4,0 11,7 3,8 13,1 14,3 18,0 1,5 2,4 15,8 0,2 1,4 18,1 22,5 12,2 0,9 6,3 27,6 3,6 12,0 3,6 12,6 14,3 18,1 1,6 2,5 16,4 0,2 1,4 17,4 20,3 12,1 1,0 6,0 37,0 4,7 7,5 3,5 12,6 13,4 17,3 1,5 2,5 14,8 0,1 1,3 15,9 27,9 11,6 1,0 5,8 36,1 4,6 7,3 3,5 12,1 13,0 18,7 1,5 2,5 15,2 0,2 1,3 15,6 33,3 12,2 0,9 5,9 35,4 4,6 7,4 3,5 12,5 13,3 19,0 1,6 2,5 15,2 0,1 1,3 15,4 28,4 11,9 0,9 5,9 36,3 4,6 7,4 3,4 12,4 13,2 17,1 1,5 2,5 15,0 0,1 1,3 15,5 26,0 11,2 0,9 6,0 31,8 2,0 10,7 0,0 8,3 13,9 17,2 1,6 2,3 0,1 0,2 0,8 0,0 26,2 11,2 0,9 5,9 29,6 0,7 10,6 0,0 8,5 13,9 17,4 1,5 2,2 0,1 0,2 0,7 0,0 23,2 11,6 0,9 6,2 30,9 1,3 11,0 0,0 8,6 14,3 17,4 1,5 2,2 0,3 0,2 0,8 0,1 32,3 11,6 0,9 6,2 30,5 0,6 11,0 0,0 8,4 14,3 16,6 1,5 2,1 0,0 0,2 0,8 0,0 24,1 11,5 1,1 6,2 29,7 1,3 11,1 0,0 8,5 14,4 16,9 1,5 2,2 0,1 0,2 0,8 0,0 30,8 11,4 1,0 6,0 29,6 0,6 10,8 0,0 8,4 14,1 17,0 1,5 2,2 0,1 0,2 0,7 0,0 23,7 29 28 As Be Co Cr Cs Cu Dy Ga Ni Pb Sb Sn Th Tl U Y Zn 28 2,2 6,0 3,8 10,4 10,3 26,0 3,8 2,7 4,2 4,1 2,3 1,5 3,7 15,7 3,7 6,8 17,5 29 1,6 6,2 1,8 3,0 52,9 1,9 244,7 1,2 1,6 1,6 1,8 2,8 70,3 2,2 5,3 72,2 14,6 Elemento %DER 4. Resultados y discusión 29 falta de precisión puede estar relacionada con las posibles pérdidas durante la etapa de evaporación (E2). Tabla 11. sesgos relativos para los 17 elementos En cuanto a los sesgos relativos, han sido en general negativos y elevados, indicando nuevamente la dificultad para conseguir la extracción cuantitativa de algunos elementos. Además, aquí podemos observar un claro aumento del sesgo al eliminar el exceso de HF por evaporación, con pérdidas muy notables de elementos como Cs, Dy, Th, Y y, en menor medida, Ga. 4.3 Gráficas de medias La Figura 5 muestra los sesgos relativos medios, en valor absoluto, obtenidos a cada nivel de cada factor para los 17 elementos analizados. Es necesario resaltar que, como ha podido extraerse de la Figura 4, la gran mayoría de sesgos fueron negativos, dado que la recuperación no fue en general cuantitativa. Solo se obtuvieron sesgos positivos puntualmente (Pb, Sb, Ga…). De la observación de la Figura 5 se extrae que, en general, el factor método de eliminación del exceso de HF (E) influye mucho más en la concentración de elemento recuperada que el resto de factores ensayados. El método de eliminación no afecta por igual a la recuperación de todos elementos. Así, por ejemplo, mientras Be, Cr, Ni o Zn se recuperan mejor en el método B (evaporación), para elementos como As, Cs, Dy, Ga o Th, el tratamiento con ácido ortobórico seguido del calentamiento en horno microondas (método C) genera las mejores recuperaciones y menores sesgos. El método A (adición en frío de ácido ortobórico) resultó ser el tratamiento óptimo únicamente en el caso de Co y Sb. En comparación con el factor E, el resto de factores experimentales parecen tener un efecto casi irrelevante. As Be Co Cr Cs Cu Dy Ga Ni Pb Sb Sn Th Tl U Y Zn 28 -12,0 -47,9 0,7 -12,4 -11,2 -45,6 -19,6 4,6 -30,0 -9,7 18,7 -17,6 -7,2 -74,0 -4,2 -25,8 -37,1 29 -16,6 -47,2 1,3 -22,2 -77,9 -33,3 -99,9 -29,4 -27,0 -14,6 16,5 -27,4 -99,3 -65,1 -44,2 -99,8 -36,3  rel Elemento Trabajo Fin de Grado 30 4. Resultados y discusión 37 hay diferencias significativas entre los dos niveles del factor que se están comparando y se elegirá el nivel que nos de la respuesta óptima, que en nuestro caso es un sesgo relativo mínimo. Si se da el caso contrario, y la diferencia es menor que Rp, quiere decir que no hay diferencias significativas entre los niveles del factor que se están comparando, por lo que ambos serían igualmente válidos para obtener la respuesta óptima; en este caso se elegirá el más conveniente teniendo en cuenta aspectos económicos o de comodidad. La Tabla 15 muestra un resumen de los niveles óptimos de los factores significativos hallados para cada uno de los elementos analizados. En el caso en el que aparecen dos niveles juntos, significa que se pueden utilizar indistintamente. Tabla 15. Nivel óptimo para cada factor En la tabla vemos que los factores significativos son E > F > C, y que los factores N, T y t en general no han sido significativos. Para N, T, y t en las pocas ocasiones en las que han sido significativos su porcentaje de contribución no ha sido superior al 7,5%, 0,3% y 10,7%, respectivamente. 4.5 Propuesta de método Con el fin de establecer un método de disolución de muestras de suelo único, capaz de maximizar la recuperación de la mayor parte de elementos traza de interés potencial, se ha elegido el nivel de cada factor significativo que en más ocasiones ha resultado ser el óptimo. Para la mayor parte de los elementos las condiciones óptimas de la etapa de digestión han resultado ser N3, F2, C3, t2 y T1 , esto es, 6 mL de ácido nítrico, 2 mL de ácido fluorhídrico y 2 mL de ácido clorhídrico para 0,25 g de muestra de suelo. La digestión en el horno microondas se realiza calentando a 180 ºC durante 15 min, precedido por una rampa de calentamiento de 5 min. signific óptimo signific óptimo signific óptimo signific óptimo signific óptimo signific óptimo As NO -NO -NO -NO -NO - SI E3 Be NO -NO -NO -NO -NO -SI E2 Co SI F1-F2 SI C3 SI N3 NO -SI t1-t2 SI E1 Cr NO -NO -NO -NO -NO -SI E2 Cs NO -SI C2-C3 NO -NO -NO - SI E3 Cu NO -NO -NO -NO -NO -SI E2 Dy SI F2-F3 NO -NO -SI T1-T2 SI t2 SI E3 Ga NO -SI C2-C3 NO -NO -NO -SI E3 Ni SI F1 NO -NO -NO -NO - SI E2 Pb SI F1-F2 SI C2 SI N2-N3 NO -SI t1 SI E1 Sb NO -NO -NO -NO -NO - SI E1-E2 Sn SI F3 NO -NO -NO -SI t3 SI E1-E3 Th SI F2-F3 NO -SI N1-N3 SI T1-T2 SI t1-t2 SI E3 Tl SI F2-F3 SI C1 NO -NO -NO -SI E2-E3 USI F1 SI C3 SI N3 NO -SI t1-t2 SI E3 YSI F2-F3 NO -NO -NO -SI t2 SI E3 Zn SI F1-F2 NO -NO -NO -NO - SI E2 Elem Factores F C N T t E Trabajo Fin de Grado 38 En cuanto a la etapa de eliminación del exceso de ácido fluorhídrico, para Be, Cr, Cu, Ni, Sb, Tl y Zn el nivel óptimo es E2 (eliminación por evaporación en presencia de ácido nítrico); por el contrario, para As, Cs, Dy, Ga, Sn, Th, Tl, U e Y el óptimo para la eliminación del exceso de HF ha sido E3 (adición de 1,4 g de ácido ortobórico sólido y posterior calentamiento en horno microondas durante 5 min a 180ºC). Debido a su mayor simplicidad y rapidez, se propone seleccionar el nivel E3 cuando se precise un método único de digestión para la determinación simultánea de elementos traza en muestras de suelo y sedimentos. 5. Conclusiones 39 5. CONCLUSIONES En este trabajo se ha optimizado la disolución con ácidos asistida por microondas de muestras de suelos y sedimentos, debido al interés en conocer los contenidos totales de elementos traza en este tipo de materiales, con vistas a la evaluación de su potencial impacto ambiental o por razones económicas relacionadas con el uso agrícola o minero-industrial del suelo. La optimización se ha llevado a cabo un diseño experimental de Taguchi. Los factores de control ensayados fueron: volúmenes de ácido nítrico (N), ácido fluorhídrico (F) y ácido clorhídrico concentrados (C), tiempo de digestión (t), temperatura de digestión (T) y método de eliminación del exceso de HF (E). Los seis factores se ensayaron a tres niveles para detectar efectos cuadráticos y se asignaron a seis columnas del arreglo ortogonal L27(313) de Taguchi. Seis columnas restantes del diseño experimental se utilizaron para estudiar las interacciones de los factores FT, FE y TE. Este diseño experimental se aplicó a la determinación, por ICPMS, de 17 elementos traza (As, Be, Co, Cr, Cs, Cu, Dy, Ga, Ni, Pb, Sb, Sn, Th, Tl, U, Y, Zn) en una muestra de suelo con contenidos certificados de estos elementos, suministrada por el Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Langfang, China (material de referencia CRM GBW07402 GSS-2). Los elementos seleccionados pueden considerarse representativos de grupos de diferentes características o reactividad: elementos tóxicos, elementos formadores de cloruros, elementos difícilmente solubilizables, elementos ligeros, elementos volátiles y tierras raras. La determinación de los contenidos de elementos traza en las disoluciones del material de referencia certificado se llevaron a cabo utilizando ICP-MS, empleando el método de calibración por patrón interno para cuantificar los contenidos elementales con mayor exactitud. La respuesta a optimizar fue maximizar la recuperación de los elementos o, lo que es equivalente, minimizar el sesgo relativo, respecto al valor certificado, para cada elemento. El Análisis de Varianza (ANOVA) de los resultados evidenció que los factores con efecto significativo en la extracción de la mayoría de elementos seleccionados fueron E > F > C. Los factores t, N y T en general no fueron significativos. Sin embargo, las condiciones óptimas de MWD no fueron idénticas para los 17 elementos. Los niveles óptimos de los factores de la etapa de digestión que produjeron la recuperación máxima de la mayoría de los elementos fueron: N3 (6 mL), F2 (2 mL), C3 (2 mL), t2 ( 15 min), T1 (180 ºC). En cuanto a la etapa de eliminación del exceso de ácido fluorhídrico, para Be, Cr, Cu, Ni, Sb, Tl y Zn el nivel óptimo es E2 (eliminación por evaporación en presencia de ácido nítrico); por el contrario, para As, Cs, Dy, Ga, Sn, Th, Tl, U e Y el óptimo para la eliminación del exceso de HF ha sido E3 (adición de 1,4 g de ácido ortobórico sólido y posterior calentamiento en horno microondas durante 5 min a 180ºC). Debido a la mayor simplicidad y rapidez metodológica, se propone el nivel E3 del factor eliminación de HF, esto es, adición de ácido bórico sólido tras la digestión y calentamiento en el horno microondas para facilitar la eliminación del ácido en exceso. Trabajo Fin de Grado 40 6. Referencias 41 6. REFERENCIAS Abollino O., Aceto M., Malandrino M., Mentasti E., Sarzanini C., Petrella F. 2002. Heavy metals in agricultural soils form Piedmont, Italy. Distribution, speciation and chemometric data treatment. Chemosphere. 49, 545-557. Aguiar de Medeiros C., Trebat N.M. 2017. 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Trabajo Fin de Grado 44 ANEXOS 45 ANEXOS Tablas ANOVA para los 17 elementos As Be Co Fuente var. SS gdl MS F Fcrit p %Contrib. F 13,02897645 2 6,514 1,206 3,328 0,313955645 1,7 T 5,176494701 2 2,588 0,479 3,328 0,624114886 0,7 FxT 8,634972445 4 2,159 0,400 2,701 0,807240301 1,1 E 561,4733052 2 280,737 51,973 3,328 2,57895E-10 71,8 FxE 15,9558707 4 3,989 0,738 2,701 0,573406483 2,0 TxE 4,770944029 4 1,193 0,221 2,701 0,92463269 0,6 C 3,073515116 2 1,537 0,285 3,328 0,754463657 0,4 t 11,75143696 2 5,876 1,088 3,328 0,350317854 1,5 N 1,313358109 2 0,657 0,122 3,328 0,885975825 0,2 Residual 156,6448248 29 5,402 20,0 Total 781,8236985 53 100,0 Fuente var. SS gdl MS F Fcrit p %Contrib. F 83,97889591 2 41,989 0,560 3,328 0,5774695 1,0 T 139,6367639 2 69,818 0,931 3,328 0,405802064 1,6 FxT 45,8197403 4 11,455 0,153 2,701 0,960269137 0,5 E 5371,132645 2 2685,566 35,793 3,328 1,47231E-08 61,7 FxE 342,8132454 4 85,703 1,142 2,701 0,356406785 3,9 TxE 225,5661457 4 56,392 0,752 2,701 0,56510355 2,6 C 126,4209062 2 63,210 0,842 3,328 0,440918959 1,5 t 84,371454 2 42,186 0,562 3,328 0,576016946 1,0 N 110,5204956 2 55,260 0,737 3,328 0,487528809 1,3 Residual 2175,894874 29 75,031 25,0 Total 8706,155166 53 100,0 Fuente var. SS gdl MS F Fcrit p %Contrib. F 23,88836762 2 11,944 3,484 3,328 0,044042795 4,1 T 16,0609648 2 8,030 2,343 3,328 0,113997397 2,8 FxT 68,96974903 4 17,242 5,030 2,701 0,003333411 11,9 E 109,2464721 2 54,623 15,934 3,328 2,14303E-05 18,8 FxE 112,090238 4 28,023 8,175 2,701 0,000152944 19,3 TxE 22,01818918 4 5,505 1,606 2,701 0,199495524 3,8 C 68,06949961 2 34,035 9,928 3,328 0,000519199 11,7 t 35,75977207 2 17,880 5,216 3,328 0,01161474 6,2 N 25,90454643 2 12,952 3,778 3,328 0,034812555 4,5 Residual 99,41163274 29 3,428 17,1 Total 581,4194316 53 100,0 Trabajo Fin de Grado 46 Cr Cs Cu Fuente var. SS gdl MS F Fcrit p %Contrib. F 78,16451879 2 39,082 1,478 3,328 0,244693603 1,4 T 13,9988006 2 6,999 0,265 3,328 0,769221987 0,3 FxT 161,555111 4 40,389 1,528 2,701 0,220206836 3,0 E 4053,521092 2 2026,761 76,666 3,328 2,64417E-12 75,2 FxE 208,5472849 4 52,137 1,972 2,701 0,125227072 3,9 TxE 8,285276201 4 2,071 0,078 2,701 0,988330685 0,2 C 53,33451048 2 26,667 1,009 3,328 0,377119849 1,0 t 39,21102128 2 19,606 0,742 3,328 0,485163841 0,7 N 10,51910296 2 5,260 0,199 3,328 0,820699127 0,2 Residual 766,655177 29 26,436 14,2 Total 5393,791895 53 100,0 Fuente var. SS gdl MS F Fcrit p %Contrib. F 151,7466468 2 75,873 1,919 3,328 0,164953517 0,4 T 5,524715684 2 2,762 0,070 3,328 0,932679899 0,0 FxT 274,2147905 4 68,554 1,734 2,701 0,169573527 0,7 E 36380,78499 2 18190,392 460,041 3,328 1,08109E-22 93,1 FxE 463,3332661 4 115,833 2,929 2,701 0,037724048 1,2 TxE 93,26486827 4 23,316 0,590 2,701 0,672758303 0,2 C 358,2093318 2 179,105 4,530 3,328 0,019413318 0,9 t 76,13421247 2 38,067 0,963 3,328 0,393719055 0,2 N 121,399278 2 60,700 1,535 3,328 0,232429352 0,3 Residual 1146,682675 29 39,541 2,9 Total 39071,29478 53 100,0 Fuente var. SS gdl MS F Fcrit p %Contrib. F 5,937193623 2 2,969 0,417 3,328 0,663159996 1,1 T 16,71487167 2 8,357 1,173 3,328 0,323726702 3,1 FxT 33,45862193 4 8,365 1,174 2,701 0,342815544 6,1 E 160,969849 2 80,485 11,295 3,328 0,000235785 29,4 FxE 45,57204404 4 11,393 1,599 2,701 0,201242197 8,3 TxE 26,55595007 4 6,639 0,932 2,701 0,459310042 4,9 C 2,686344988 2 1,343 0,189 3,328 0,829206885 0,5 t 26,77848284 2 13,389 1,879 3,328 0,170865009 4,9 N 21,59792324 2 10,799 1,516 3,328 0,236586516 3,9 Residual 206,6415565 29 7,126 37,8 Total 546,9128379 53 100,0